JP5547559B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体スイッチング素子による電力変換装置に関する。

半導体スイッチング素子を備えたインバータ回路により電力変換を行い、その電力を負荷に供給する装置において、過電流保護回路や過電圧保護回路などの保護回路を複数備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−８８０９３号公報

ところで、上述した特許文献１に記載の装置では、各保護回路による保護動作は互いに独立している。そのため、例えば、装置保護の観点から、ある保護動作を優先的に行いたい場合であっても、他の保護動作が開始されてしまうという不都合が生じるおそれがあった。

請求項１の発明に係る電力変換装置は、上アームを構成する複数のスイッチング素子および下アームを構成する複数のスイッチング素子をスイッチング動作させ、直流電源から供給される直流電流を交流電流に変換するインバータと、上アームの複数のスイッチング素子および下アームの複数のスイッチング素子を駆動制御するための駆動制御信号を出力する制御部と、制御部から出力される駆動制御信号に基づいて複数のスイッチング素子をそれぞれ駆動する駆動部と、を備え、制御部は、信号生成部と、信号生成部と駆動部との間の制御信号ライン上に設けられた第１保護回路と、制御信号ライン上において第１保護回路よりも下流側に設けられた第２保護回路とを有し、第１の異常信号が入力されると第１トリガ信号を第１保護回路へ入力し、第２の異常信号が入力されると第１トリガ信号を第１保護回路へ入力するとともに第２トリガ信号を第２保護回路へ入力し、信号生成部は、上アームの複数のスイッチング素子および下アームの複数のスイッチング素子のそれぞれをＰＷＭ制御するＰＷＭ信号を生成し、第１保護回路は、信号生成部で生成されたＰＷＭ信号が入力され、第１トリガ信号の入力がないときは入力されたＰＷＭ信号をそのまま駆動制御信号として出力し、第１トリガ信号の入力があるときは上アームおよび下アームの各スイッチング素子を遮断状態にさせる信号を駆動制御信号として出力し、第２保護回路は、第１保護回路から出力された駆動制御信号の内、上アームおよび下アームのいずれか一方のアームに関する駆動制御信号が入力され、第２トリガ信号の入力がないときは第１保護回路から入力された駆動制御信号をそのまま出力し、第２トリガ信号の入力があるときは、スイッチング素子を導通状態にさせる信号を駆動制御信号として出力する、ことを特徴とする。

本発明によれば、複数の保護回路の間に優先度が設けられ、より効果的な保護制御が可能となる。

ハイブリッド自動車用モータ駆動装置の回路図を示す図である。 モータ駆動制御部１０５のロジック回路を示す図である。 ３相ショート動作を説明する図である。 ３相ショート駆動信号制御ロジック２０４の詳細回路を示す図である。 過電圧検知時の動作を説明する図である。 過電圧検知部１０６の一例を示す図である。 論理表を示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１はハイブリッド自動車用モータ駆動装置の回路図を示す。図１において、１０１は直流電源、１０２は平滑コンデンサ、１０３はインバータ部、１０４はモータ、１０５はモータ駆動制御部、１０６は過電圧検知部、１０７は過電流検知部、１０８はインバータ異常検知部、１０９はゲート駆動部である。平滑コンデンサ１０２は、直流電源１０１と並列に接続される。直流電源１０１にはコンタクタ１０１ａが設けられている。

インバータ部１０３は、半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆを３相フルブリッジ接続することで構成される。本実施形態のスイッチング素子３ａ〜３ｆにはＩＧＢＴと還流用ダイオードが搭載されたものを用いる。過電圧検知部１０６は、直流電源１０１の正極側ラインと負極側ラインとの間の電圧を測定し、過電圧を検知するとモータ駆動制御部１０５に過電圧検知信号ＯＶを出力する。過電流検知部１０７はモータ１０４の各線電流を測定し、過電流を検知すると過電流検知信号ＯＣをモータ駆動制御部１０５に出力する。

インバータ異常検知部１０８は、モータ１０４や半導体スイッチング素子、インバータ部１０３の異常を検知すると、モータ駆動制御部１０５にゲートフォルト信号を出力する。異常と判断するのは、例えば、半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆに用いられているＩＧＢＴの短絡電流検知時やＩＧＢＴのゲート駆動電源電圧が閾値より低下したときである。

ＩＧＢＴの短絡電流検知は、例えば、カレントミラーＩＧＢＴを用いる方法や、ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間の電圧を監視する方法がある。ＩＧＢＴの短絡電流検知閾値は、例えば、過電流検知部１０７の閾値の２倍以上の電流が数μs流れた時動作するように設定する。ゲート駆動電源電圧の低下は、コレクタ−エミッタ間の電圧上昇を招きチップの発熱が増大する。よって、検知閾値はチップ温度が熱定格を超えないような値に設定する。インバータ部１０３の異常が検知されてゲートフォルト信号が出力されたときの動作については、後述する。

ゲート駆動部１０９は、モータ駆動制御部１０５からのスイッチング制御信号に応じたゲート駆動信号をインバータ部１０３に設けられた半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆに出力する。通常駆動時には、モータ駆動制御部１０５からＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号がインバータ部１０３に入力され、そのＰＷＭ制御信号に基づいてインバータ部１０３に設けられた半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆをスイッチングすることにより、直流電源１０１からインバータ部１０３に入力された直流電圧は任意の３相交流に変換される。

図２は、モータ駆動制御部１０５のロジック回路を示す。本実施形態では、モータ駆動制御部１０５よりも上位のコントローラに設けられたメインマイコン（不図示）と、モータ駆動制御部１０５に設けられたモータ制御マイコン２０６とがある。モータ駆動制御部１０５は、通常、モータ制御マイコン２０６によって制御される。モータ制御マイコン２０６は、モータに任意のトルクや回転数を与えるために、インバータ部１０３の半導体スイッチング素子の適切なスイッチング時間を演算し、ＰＷＭ制御を行う。その結果、モータ１０４の各相には交流電圧及び電流が印加され、駆動制御される。

モータ制御マイコン２０６の異常はモータ１０４の異常動作やＩＧＢＴの破壊を招く可能性があるため、メインマイコンは、モータ制御マイコン２０６の異常を検知した際にメインマイコンから３相オープンもしくは３相ショートの信号を送り車両の安全を確保する。例えば、メインマイコンとモータ制御マイコン２０６間でSPI(Serial Peripheral Interface)通信を行い、メインマイコンからモータ制御マイコン２０６への演算指令に対する回答（例えば、「1+1」という演算指令に対する回答）の整合性を確認することで、モータ制御マイコン２０６の異常を検知する。

モータ制御マイコン２０６とゲート駆動部１０９との間のスイッチング制御信号のライン上には、保護回路として機能するバッファ２０１，２０２ａ，２０２ｂ，２０３が設けられている。バッファ２０１，２０３は、上下アームを構成する半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆのスイッチング制御信号ライン上の全てに設けられている。バッファ２０２ａは、上アームを構成する半導体スイッチング素子３ａ，３ｂ，３ｃのスイッチング制御信号ライン上に設けられている。バッファ２０２ｂは、下アームを構成する半導体スイッチング素子３ｄ，３ｅ，３ｆのスイッチング制御信号ライン上に設けられている。

モータ制御マイコン２０６から出力された各半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆに関するスイッチング制御信号は、これらのバッファ２０１，２０２ａ，２０２ｂ，２０３を介してゲート駆動部１０９に入力される。バッファ２０１，２０２ａ，２０２ｂ，２０３は３ステートバッファであって、３相オープン信号や３相ショート信号等がバッファの状態を変更する制御信号（以下では、トリガ信号と称する）として入力される。

トリガ信号が入力されない場合には、バッファ２０１，２０２ａ，２０２ｂ，２０３は導通状態であって、各バッファ２０１，２０２ａ，２０２ｂ，２０３に入力された信号をそのまま出力する。一方、トリガ信号が入力されると、各バッファ２０１，２０２ａ，２０２ｂ，２０３は遮断状態（ハイインピーダンス状態）となる。バッファ２０１が遮断状態となると、バッファ２０１の出力側（すなわち、バッファ２０２ａ，２０２ｂの入力側）はhigh状態にプルアップされる。バッファ２０２ａ，２０２ｂが遮断状態となると、バッファ２０２ａ，２０２ｂの出力側（すなわち、バッファ２０３の入力側）はLow状態にプルダウンされる。バッファ２０３が遮断状態となると、バッファ２０３の出力側（すなわち、ゲート駆動部１０９の入力側)はハイインピーダンス状態となり、ゲート駆動部１０９内のフォトカプラは非導通となるためスイッチング素子３ａ〜３ｆはＯＦＦとなる。（バッファ２０３の出力がHigh信号のときもフォトカプラは非導通となるためスイッチング素子３ａ〜３ｆはＯＦＦとなる。）

ゲート駆動回路１０９はLow信号が入力されると半導体スイッチング素子をＯＮ（導通状態）し、逆に、High信号が入力されると半導体スイッチング素子をＯＦＦ（遮断状態）する。本実施形態では、異常時の保護動作として、バッファ２０１，２０２ａ，２０２ｂ，２０３の内の特定のバッファ出力を遮断することによって、半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆを全てＯＦＦにする３相オープン動作や、上アーム３ａ〜３ｃまたは下アーム（３ｄ〜３ｆ）のみをＯＮにして他をＯＦＦする３相ショート（上アーム３相ショート、下アーム３相ショート）動作を行う。

（３相オープン動作）
３相オープン動作は、基本的にはメインマイコンからの３相オープン信号によって実行される。なお、メインマイコンからの３相オープン信号以外の信号によって行う例については後述する。メインマイコンからの３相オープン信号がモータ駆動制御部１０５に入力されると、モータ駆動制御部１０５は、３相オープン信号をタイマ回路２０５を介してバッファ２０１に入力する。

３相オープン信号がトリガ信号としてバッファ２０１に入力されると、上述したようにバッファ２０１は遮断状態とされ、バッファ２０１の出力側はHigh状態となる。一方、バッファ２０２ａ，２０２ｂ，２０３にはトリガ信号が入力されないので、いずれも導通状態となっており、入力された信号はhigh，Low状態を変えることなくそのまま出力される。すなわち、３相オープン動作時には、上下アームの全ての半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆの全てに関して、high信号がゲート駆動部１０９に入力される。その結果、半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆの全てが遮断状態とされる。なお、ゲート駆動部１０９にhigh信号が入力されると半導体スイッチング素子はＯＦＦ（遮断状態）とされ、Low信号が入力されると半導体スイッチング素子はＯＮ（導通状態）とされる。

メインマイコンからの３相オープン信号の入力がなくなると、タイマ回路２０５により設定された時間だけバッファ２０１への３相オープン信号の入力が保持された後に、バッファ２０１への３相オープン信号の入力がなくなる。バッファ２０１への３相オープン信号の入力がなくなると、バッファ２０１は導通状態となり、通常のＰＷＭ制御に復帰する。

（３相ショート動作）
図３は３相ショート動作を説明する図である。上述したように、３相ショート動作には上アームの３相をショートする場合と、下アームの３相をショートする場合とがある。図３には、下アーム３相ショートの場合のタイミングチャートを示した。なお、上アーム３相ショートの場合のタイミングチャートも、図３に示す下アーム３相ショートの場合と同様である。メインマイコンからの３相ショート信号（下アーム３相ショート）は、バッファ２０１と３相ショート駆動信号制御ロジック２０４に入力される。３相ショート信号がバッファ２０１に入力されると、バッファ２０１の出力は遮断される。その結果、バッファ２０１の後段に設けられているバッファ２０２ａ，バッファ２０２ｂの入力側はHigh状態にプルアップされる。

上述したように、ゲート駆動部１０９に対してLow信号が入力されると半導体スイッチング素子がＯＮされ、High信号が入力されると半導体スイッチング素子がＯＦＦされるので、３相ショート信号がバッファ２０１に入力されると、上述したようにバッファ２０２ａ，バッファ２０２ｂの入力側（バッファ２０１の出力側）はHigh状態となる。そして、High信号はバッファ２０３を通過してそのままゲート駆動部１０９に入力されるため、半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆがＯＦＦされる。

また、３相ショート信号が３相ショート駆動信号制御ロジック２０４に入力されると、３相ショート駆動信号制御ロジック２０４は遅延を作成し、バッファ２０１の出力遮断より所定遅延時間Δｔ１だけ遅れて上アーム３相ショート信号（上アーム３相ショート動作の場合）もしくは下アーム３相ショート信号（下アーム３相ショート動作の場合）を出力する。その結果、バッファ２０２ａもしくはバッファ２０２ｂの出力が遮断される。図３は下アーム３相ショートの場合を示しているので、バッファ２０１の出力遮断より所定遅延時間Δｔ１だけ遅れてバッファ２０２ｂの出力が遮断される。

バッファ２０２ｂの出力が遮断されると、バッファ２０２ｂの出力側はLow状態にプルダウンされる。その結果、下アームの半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆに関してはLow信号がゲート駆動部１０９に入力され、半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆがＯＮされることになる。このように、本実施の形態では、３相ショート動作においては、最初に全ての半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆをＯＦＦにする３相オープン動作を行い、その後に半導体スイッチング素子３ａ〜３ｃもしくは半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆをＯＮするようにしている。

３相ショート信号がなくなると、バッファ２０２ｂ（上アーム３相ショート動作の場合にはバッファ２０２ａ）は即座に動通状態に戻る。このとき、バッファ２０１の出力側はHighになっているので半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆがＯＦＦされ、３相オープン状態に切り替わる。そして、タイマ回路２０５により設定される時間Δｔ２だけバッファ２０１の出力遮断が保持された後に、バッファ２０１は導通状態に戻り、通常のＰＷＭ制御に復帰する。すなわち、３相ショート信号がなくなった後は、３相オープンの状態にしてから通常のＰＷＭ制御に復帰する。

上述のように、本実施の形態では、３相ショート動作の制御を行う際には、実際に半導体スイッチング素子が３相ショートとされる期間の前後に、３相オープンとする期間を設けている。すなわち、デッドタイムを生成していることになる。そのため、３相ショート制御の際に、上下アーム半導体スイッチング素子の上下短絡の発生を防止することができ、安全性の高い構成となっている。例えば、インバータ部１０３が保証するデッドタイム値が５μsであるならば、この３相ショート期間の前後の３相オープン期間（Δｔ１，Δｔ２）は最低でも5μs以上を確保することで、上下短絡の発生を確実に防止することができる。

また、これら一連の保護ロジックやタイマ回路２０５、３相ショート駆動信号制御ロジック２０４をハードで構成することにより、マイコンとソフトを用いた構成に比べてコスト低減を図れる。さらに、マイコン異常時やソフトバグが起きたときでも十分なデッドタイムを確保しながら保護動作を行うことができ、安全性の向上に繋がる。

図４は、３相ショート駆動信号制御ロジック２０４の詳細回路を示す図である。上述したデッドタイムΔｔ１は、図４の回路６０２および回路６０３により生成される。回路６０２，６０３に設けられた抵抗やキャパシタの設計定数を調整することにより、デッドタイムΔｔ１の長さを調整することができる。

上述したように、メインマイコンによる制御信号には、バッファ２０２ａの出力を遮断する上アーム３相ショート信号と、バッファ２０２ｂの出力を遮断する下アーム３相ショート信号がある。しかし、この二つの信号が同時に出力された場合、上下短絡を引き起こすことが考えられる。そこで、モータ駆動制御部１０５では、図４に示すような３相ショート駆動信号制御ロジック２０４を用いることにより、上アーム３相ショート信号と下アーム３相ショート信号との間に優先度を設定し、上下短絡に至らないようにしている。

図４において、メインマイコンから上アーム３相ショート信号と下アーム３相ショート信号とが同時に入力された場合を考える。メインマイコンから下アーム３相ショート信号が出力されると、バッファ６０１の出力が遮断される。そのため、上アーム３相ショート信号は出力されず、上下短絡が防止される。なお、この上下アームの優先度は信号入力を入れ替えることで選択可能である。さらに、過電圧検知信号ＯＶも３相ショート駆動信号制御ロジック２０４に入力することで、メインマイコンによる３相ショート信号と過電圧検知信号ＯＶが同時に発生したときの上下短絡防止が可能となる。

（過電流検知時の動作）
ところで、モータ１０４の相ショートや地絡、マイコンの暴走等が発生すると大きな線電流が流れてしまう。過大な線電流はモータ１０４やケーブルの焼損、半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆの破壊を招くため、過電流を検知し保護を行う必要がある。本実施の形態では過電流検知部１０７を設け、過電流検知部１０７が過電流を検知すると、過電流検知部１０７から過電流検知信号（ＯＣ信号）がモータ駆動制御部１０５に入力される。モータ駆動制御部１０５は、その過電流検知信号をタイマ回路２０５を介してバッファ２０１に入力する。その結果、過電流検知時の保護動作として３相オープン動作が実行されることになる。３相オープンでは半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆが全てＯＦＦにされるため、モータ１０４の各線電流を抑制することができる。

なお、本実施の形態では、図１，２に示すように過電流検知信号ＯＣをモータ駆動制御部１０５に入力して３相オープン動作させる構成としているが、過電流検知信号ＯＣをメインマイコンに入力し、メインマイコンからの３相オープン信号により３相オープン動作させるようにしても良い。

（過電圧検知時の動作）
回生動作では、直流電源１０１を充電するために、直流電源ラインの電圧が直流電源１０１の電圧より高くなるようにインバータ部１０３を制御する。このとき、直流電源１０１のコンタクタ１０１ａがＯＦＦになる等、直流電源ラインに異常が発生すると平滑コンデンサ１０２が急速充電され、直流電源ラインの電圧が上昇することになる。

また、モータ１０４が高速回転している場合、モータ１０４の誘起電圧が大きくなり、それが直流電源電圧を越えるとモータ１０４から直流電源１０１側へ電流が流れる。さらに、直流電源１０１のコンタクタ１０１ａがＯＦＦになる等、直流電源ラインに異常が発生すると平滑コンデンサ１０２が急速充電され、直流電源ラインの電圧が上昇する。

このように直流電源ラインの電圧が上昇し、半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆの耐圧を一瞬でも越えてしまうと半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆは破壊される。そのため、直流電源ラインの電圧を測定し、半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆを破壊する電圧が印加される前に、直流電源ラインの電圧を下げる必要がある。

そこで、本実施形態では、図５に示すように、半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆの耐圧と保護動作を行うまでの遅延時間とを考慮した閾値を過電圧検知部１０６に設け、直流電源ラインの過電圧を検知したならば３相ショートを行うようにした。３相ショートにより、電流はモータ１０４と半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆとの間で還流することになり、直流電源ラインの電圧上昇を抑えることができる。このときの３相ショート時間は、モータ運転状況によって大きく左右される。

以下、過電圧検知閾値について、図５を参照して詳しく説明する。半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆ（ＩＧＢＴ）に印加される電圧は直流電源ラインの電圧にスイッチングサージを足し合わせたものになり、この足し合わせた電圧がＩＧＢＴの耐圧を越えないように保護を行う必要がある。ここでは、保護動作へ移行するために検知すべき直流電圧（すなわち、過電圧検知閾値）を第一過電圧、ＩＧＢＴの耐圧からスイッチングサージ電圧を差し引いた直流電圧を第二過電圧と定義する。

第一過電圧はＩＧＢＴの使用動作範囲と第二過電圧の間に存在し、使用動作範囲を損なわず、かつ検知ばらつきや検知遅れを加味して保護動作開始時点で第二過電圧に到達しないように選定する。また、第二過電圧はＩＧＢＴとインバータ部１０３の特性から決定する。一般に、ＩＧＢＴ耐圧を高くするとＯＮ電圧が多くなり、発熱が大きくなる。その結果、冷却性向上策やチップ面積増大を必要とし、インバータ効率低下やサイズ増大、コストアップの要因となる。よって、ＩＧＢＴ耐圧と第二過電圧を極力低くすることが重要である。

ＩＧＢＴ耐圧と第二過電圧を極力低くするためには、第一過電圧検知の検知精度と検知遅延時間が重要な要素となる。検知精度が低いと検知遅延時間は長くなり、精度が高いと検知遅延時間を短くなる。そのため、検知精度を高くすることにより、測定ノイズ除去フィルタを挿入する余裕もできる。当然ながら、ノイズ除去フィルタは欠かすことができないが、高精度とするほど一般にセンサ系は高価となるため、適切な精度、遅延時間の設定を要する。

回生動作中に、図５のＡ点において、直流電源ラインの異常や直流電源１０１のコンタクタ遮断等が発生すると、直流電源ラインの電圧は上昇する。一例として、ここでは、電圧の上昇の度合いを約１Ｖ/μsとする。また、第一過電圧検知範囲を４００Ｖ±１０Ｖとする。第一過電圧検知範囲まで直流電源ラインの電圧が上昇すると、第一過電圧検知時間遅延後に過電圧検知部１０６は３相ショート信号（ＯＶ信号）を出力する。その結果、前述したようにデッドタイムΔｔ２の後に３相ショートに移行する。このとき、３相ショートに移行する直前の電圧が、ＩＧＢＴ耐圧からスイッチングサージ電圧を差し引いた第二過電圧を越えないようにする必要がある。

図５に示す例では、ＩＧＢＴ耐圧＝６００Ｖ、スイッチングサージ電圧１５０Ｖとしているので、第二過電圧（４５０Ｖ）と第一過電圧（４００Ｖ±１０Ｖ）との差は最小で４０Ｖとなる。そのため、電圧の上昇の度合いを約１Ｖ/μsとすると、過電圧保護許容時間は約４０μsとなる。３相ショートに移行後は徐々に直流電源ラインの電圧は降下し、ヒステリシスを含んだ第一過電圧検知範囲を下回ったときに３相ショート信号は消える。その結果、３相ショートから３相オープンへと移行した後に、通常動作に復帰する。

図６は、過電圧検知部１０６の一例を示す図である。過電圧検知部１０６は、電圧測定部４０１と過電圧判定部４０２とに分けられる。電圧測定部４０１から出力される測定電圧は、過電圧判定部４０２に入力されると共に、メインマイコンまたはモータ制御マイコン２０６に入力される。

ここで、保護動作に移行する方式として、マイコンで第一過電圧を検知して保護動作に移行する方式と、過電圧判定部４０２で判定して保護動作に移行する方式とがある。しかしながら、図５に示したように保護動作への移行が３相オープン期間を含めて４０μs以内で行う必要があった場合、マイコンの演算周期では保護動作が間に合わない場合がある。そのような場合には、過電圧判定部４０２をアナログ回路で構成して過電圧検知を行い、その検知結果に基づいて保護動作を行うようにする。このとき、第一過電圧検知遅延時間を短くし、過電圧許容時間内に過電圧保護動作を行えるようにする必要がある。以上のことは過電流検知に関しても同様に考慮する必要がある。

なお、３相ショート動作時には、モータ１０４の線電流が過渡的に増加し過電流検知部１０７の閾値以上となり、過電流検知信号ＯＣが出力される場合がある。モータ駆動制御部１０５は、３相オープン動作と３相ショート動作との間に優先度を設定している。すなわち、過電圧検知による保護動作である３相ショート信号（バッファ２０２ａもしくはバッファ２０２ｂの出力遮断）が、過電流検知の保護動作である３相オープン信号（バッファ２０１の出力遮断）より下流でスイッチング制御信号ラインに入力される構成になっている。そのため、３相ショート指令の優先度は３相オープン指令より高く設定されており、３相ショート動作時に過渡的に過電流検知信号ＯＣが出力されても３相ショート動作が維持され、３相ショート動作と３相オープン動作とのチャタリングを防ぐことができる。

（インバータ異常検知部１０８の説明）
次に、インバータ異常検知部１０８がインバータ部１０３の異常を検知し、インバータ異常検知部１０８からゲートフォルト信号が出力されたときの動作について説明する。前述したように、異常と判断するのは、例えば、ＩＧＢＴの短絡電流検知時やＩＧＢＴのゲート駆動電源電圧が閾値より低下したときである。

インバータ異常検知回路１０８からモータ駆動制御部１０５へとゲートフォルト信号が入力されると、ゲートフォルト信号はバッファ２０３に入力される。バッファ２０３は、スイッチング制御信号ライン上において３相ショートを行うバッファ２０２ａ，２０２ｂよりも下流側に設けられており、バッファ２０１，２０２ａ，２０２ｂおよび２０３の内で最も高い優先度を有している。バッファ２０３にトリガ信号としてゲートフォルト信号が入力されると、バッファ２０３の出力は遮断され３相オープンとなる。

なお、ここでの保護動作を３相オープンとしたのは、インバータ異常の要因として考えられるものに半導体スイッチング素子の破壊やモータ短絡が含まれるため、インバータ異常を検知したときに３相ショートのような半導体スイッチング素子とモータとに電流を流す動作を行うのは、危険だと考えられるからである。また、インバータ異常検知部１０８が半導体スイッチング素子の短絡電流を検知できる構成になっている場合、３相ショート動作時に流れる電流より高い閾値でゲートフォルト信号を出力するように設定すれば、３相ショートによる保護を阻害することがない。

ところで、本実施形態では、メインマイコンとモータ制御マイコン２０６とがあるが、通常、モータ駆動制御部１０５はモータ制御マイコン２０６によって制御される。そのため、モータ制御マイコン２０６に異常が生じた場合、モータ１０４の異常動作や半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆの不具合等を招く可能性がある。

そこで、メインマイコンがモータ制御マイコン２０６の異常を検知した際に、例えば、モータ制御マイコン２０６の電源ダウンを検知したときに、メインマイコンから３相オープンもしくは３相ショートの信号を送って保護動作を行うことにより、車両の安全を確保する。その場合、メインマイコンにモータの回転速度情報（例えば、レゾルバ信号）を入力することで、モータ回転速度に応じて３相オープンか３相ショートを選択するようにしても良い。

一方、メインマイコンの異常によって、３相オープン信号や３相ショート信号がメインマイコンから誤出力されてしまうことも考えられる。そこで、モータ制御マイコン２０６によりメインマイコンの異常診断を行い、メインマイコンが異常であると判断すると無効化信号によりメインマイコンによる制御信号を無効化する。メインマイコンの異常診断は、例えばSPI通信によりモータ制御マイコン２０６から演算指令の回答（例えば「1+1」の演算指令に対する回答）の整合性を確認することで異常を検知する。さらに、メインマイコン及びモータ制御マイコン２０６の異常診断は、複数のマイコンを用いて整合性を確認することで誤検知を防止することができる。また、メインマイコンの制御信号(3相オープン信号、3相ショート信号)の無効化は、例えばスリーステートバッファを用いて無効化信号が入力されたときに出力をハイインピーダンスとすることで行う。

その結果、メインマイコンから３相オープン信号や３相ショート信号が入力されても、メインマイコン側に異常が生じた場合にはその信号は無視され、保護動作が誤って実行されるのを防止することができる。

図７は上述した保護動作ついての論理表を示したものである。優先度の高い順に記すと以下のようになる。なお、上述したように、メインマイコンからの制御信号は、モータ制御マイコン２０６がメインマイコンを異常と判断したとき無効化される。また、モータ制御マイコン２０６のリセット時はモータ制御不可であるため３相オープンとする。
・ゲートフォルト信号（３相オープン）
・過電圧検知信号ＯＶ（３相ショート）
・メインマイコンによる下アーム３相ショート信号（３相ショート）
・メインマイコンによる上アーム３相ショート信号（３相ショート）
・過電流検知信号ＯＣ(３相オープン)
・メインマイコンによる３相オープン信号（３相オープン）
・モータ制御マイコンリセット状態（３相オープン）
・通常動作（ＰＷＭ信号）

以上説明したように、本実施の形態の電力変換装置は、上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子３ａ〜３ｃおよび下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆをスイッチング動作させ、直流電源１０１から供給される直流電流を交流電流に変換するインバータ部１０３と、スイッチング動作を指令するスイッチング信号を、上アームの複数の半導体スイッチング素子３ａ〜３ｃおよび下アームの複数の半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆのそれぞれに対して生成する信号生成部としてのモータ制御マイコン２０６を有し、生成されたスイッチング信号を制御信号として出力するモータ駆動制御部１０５と、複数の制御信号に基づいて対応する半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆをそれぞれ駆動するゲート駆動部１０９と、を備え、モータ駆動制御部１０５は、非保護動作時には入力された制御信号を出力し、保護動作時には入力された制御信号に代えて半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆを遮断状態または導通状態とする制御信号を出力する保護回路としてのバッファ２０１，２０２ａ，２０２ｂ，２０３を、モータ制御マイコン２０６とゲート駆動部１０９との間の制御信号ライン上に直列に複数有する。

上述のように、バッファ２０１とバッファ２０２ａ，２０２ｂとバッファ２０３とが直列に接続されているので、下流側のバッファほど優先度が高くなり、複数の保護動作を統一的に制御することが可能となる。

例えば、第１保護回路としてのバッファ２０１は、モータ制御マイコン２０６からの各スイッチング信号（PWM信号）が入力され、異常発生による第１トリガ信号（例えば、３相オープン信号や３相ショート信号）の入力があるときは、入力された各スイッチング信号に代えて半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆを遮断状態とする制御信号（high信号）を上アームおよび下アームの各半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆに対応して出力し、第１トリガ信号の入力がないときは入力された各スイッチング信号を制御信号として出力するものであり、第２保護回路としてのバッファ２０２ａ，２０２ｂは、バッファ２０１から出力された制御信号の内、上アームおよび下アームのいずれか一方のアームに関する制御信号が入力され、異常発生による第２トリガ信号（例えば、３相ショート信号）の入力があるときは、バッファ２０１から入力された制御信号に代えて半導体スイッチング素子を導通状態とする制御信号を一方のアームの各半導体スイッチング素子に出力し、第２トリガ信号の入力がないときはバッファ２０１から入力された制御信号をそのまま出力するものであり、ゲート駆動部１０９は、バッファ２０２ａ，２０２ｂから出力される上アームおよび下アームのいずれか一方のアームに関する制御信号と、バッファ２０１から出力される他方のアームに関する制御信号とに基づいて、上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子３ａ〜３ｃおよび下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆを駆動する。

モータ制御マイコン２０６からゲート駆動部１０９までの制御信号ライン上において、バッファ２０２ａ，２０２ｂはバッファ２０１よりも下流側に設けられているため、バッファ２０２ａ，２０２ｂによる保護動作（３相ショート）はバッファ２０１による保護動作（３相オープン）に優先して実行されることになる。

また、上アームおよび下アームのいずれか一方のアームの全ての半導体スイッチング素子を導通状態とし、他方のアームの全ての半導体スイッチング素子を遮断状態とする第１保護信号（３相ショート信号）が発生されると、モータ駆動制御部１０５は、３相ショート信号を第１および第２トリガ信号としてバッファ２０１と、バッファ２０２ａ，２０２ｂのいずれか一方とに入力させることにより、一方のアームの全ての半導体スイッチング素子を導通状態とするとともに、他方のアームの全ての半導体スイッチング素子を遮断状態とする第１期間を形成し、かつ、その第１期間の直前および直後に、上アームおとび下アームの全ての半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆを遮断状態とする第２期間（Δｔ１，Δｔ２）をそれぞれ設けた。それにより、３相ショート制御の際に、上下アーム半導体スイッチング素子の上下短絡の発生を防止することができる。

さらに、第２期間（Δｔ１，Δｔ２）は、インバータ部１０３が保証するデッドタイム値以上に設定するのが好ましく、そうすることで、上下短絡の発生を確実に防止することができる。

また、直流電流を供給する直流電源ライン１０１の電圧値が所定の過電圧閾値を超えた場合に、第１保護信号（３相ショート信号）としての過電圧検知信号を発生する過電圧検知部１０６を備え、その過電圧検知信号をトリガ信号として、バッファ２０１およびバッファ２０２ａ，２０２ｂに入力するようにしても良い。その結果、過電圧が検知されると、３相ショート動作が実行されて、過電圧による不具合の発生を防止することができる。

さらに、過電圧閾値を、第１期間の開始時における電圧が半導体スイッチング素子の耐圧からスイッチングサージ電圧を差し引いた直流電圧を超えないように設定することで、過電圧の半導体スイッチング素子への影響を防止することができる。

上アームおよび下アームの全ての半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆが遮断状態とする第２保護信号（３相オープン信号）が発生された場合に、その３相オープン信号を第２トリガ信号としてバッファ２０２ａ，２０２ｂに入力させることで３相オープン動作が実行され、半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆの安全が確保される。例えば、インバータ部１０３の出力側の電流値が過電流閾値を超えたことを過電流検知部１０７で検知し、第２トリガ信号としての過電流検知信号を発生することで、過電流による悪影響を防止できる。

また、インバータ部１０３の異常を検知した場合に第３トリガ信号を発生するインバータ異常検知部１０８を備え、バッファ２０２ｂから出力される下アームに関する制御信号とバッファ２０１から出力される上アームに関する制御信号とが入力され、第３トリガ信号の入力があるときは、上アームおよび下アームの全てのスイッチング素子を遮断状態とする制御信号（high信号）を全ての半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆにそれぞれ出力し、第３トリガ信号の入力がないときは、バッファ２０１およびバッファ２０２ａ，２０２ｂから入力された制御信号をそのまま出力するバッファ２０３を、制御ライン上のバッファ２０２ａ，２０２ｂの出力側に設けても良い。それにより、インバータ部１０３の異常を検知した場合に、最優先で３相オープン動作が行われる。

上述した実施の形態では、バッファ２０１，２０２ａ．２０２ｂおよび２０３、３相ショート駆動信号制御ロジック２０４、タイマ回路２０５をそれぞれハードで構成し、図３に示すタイミングチャートを実現している。しかし、図３のタイミングチャートはＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、マイコン等を用いた構成により実現しても構わない。ただし、それらの構成は、３相オープン信号と３相ショート信号を生成する部位から独立している必要がある。

また、３相ショートでは、上アームの半導体スイッチング素子３ａ〜３ｃもしくは下アームの半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆをＯＮして電流を還流させるため、ＯＮしている側の半導体スイッチング素子が発熱することになる。よって、熱による半導体スイッチング素子の不具合発生を防ぐために、３相ショートしているアームの切り替えを行うようにしても良い。この切り替えはメインマイコンの制御により行っても良いし、ハードで行うようにしても良い。

また、バッファ２０１，２０２ａ．２０２ｂおよび２０３の電源は、モータ制御マイコン２０６およびメインマイコンの少なくとも一方が動作しているときに有効な電源とする。例えば、モータ制御マイコン２０６とメインマイコンを供給源とした冗長電源を用いる。このような構成とする理由は、モータ制御マイコン２０６の電源異常により、モータ制御マイコン２０６によるモータ１０４の制御が不能となった場合に、メインマイコンの信号によりバッファ２０１，２０２ａ．２０２ｂおよび２０３の出力を制御し保護動作に移る必要があるからである。また、メインマイコンの電源異常時でもモータ制御マイコン２０６によりモータを駆動制御する必要があるため、バッファの電源はモータ制御マイコン２０６とメインマイコンの冗長系とする。

なお、上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。

１０１：直流電源、１０２：平滑コンデンサ、１０３：インバータ部、１０４：モータ、１０５：モータ駆動制御部、１０６：過電圧検知部、１０７：過電流検知部、１０８：インバータ異常検知部、１０９：ゲート駆動部、２０１，２０２ａ，２０２ｂ，２０３：バッファ、２０４：３相ショート駆動信号制御ロジック、２０５：タイマ回路、２０６：モータ制御マイコン

Claims (8)

1. 上アームを構成する複数のスイッチング素子および下アームを構成する複数のスイッチング素子をスイッチング動作させ、直流電源から供給される直流電流を交流電流に変換するインバータと、
   前記上アームの複数のスイッチング素子および前記下アームの複数のスイッチング素子を駆動制御するための駆動制御信号を出力する制御部と、
   前記制御部から出力される前記駆動制御信号に基づいて前記複数のスイッチング素子をそれぞれ駆動する駆動部と、を備え、
   前記制御部は、
   信号生成部と、前記信号生成部と前記駆動部との間の制御信号ライン上に設けられた第１保護回路と、前記制御信号ライン上において前記第１保護回路よりも下流側に設けられた第２保護回路とを有し、
   第１の異常信号が入力されると第１トリガ信号を前記第１保護回路へ入力し、第２の異常信号が入力されると前記第１トリガ信号を前記第１保護回路へ入力するとともに第２トリガ信号を前記第２保護回路へ入力し、
   前記信号生成部は、前記上アームの複数のスイッチング素子および前記下アームの複数のスイッチング素子のそれぞれをＰＷＭ制御するＰＷＭ信号を生成し、
   前記第１保護回路は、前記信号生成部で生成された前記ＰＷＭ信号が入力され、前記第１トリガ信号の入力がないときは前記入力されたＰＷＭ信号をそのまま前記駆動制御信号として出力し、前記第１トリガ信号の入力があるときは前記上アームおよび下アームの各スイッチング素子を遮断状態にさせる信号を前記駆動制御信号として出力し、
   前記第２保護回路は、前記第１保護回路から出力された駆動制御信号の内、前記上アームおよび下アームのいずれか一方のアームに関する駆動制御信号が入力され、前記第２トリガ信号の入力がないときは前記第１保護回路から入力された駆動制御信号をそのまま出力し、前記第２トリガ信号の入力があるときは前記スイッチング素子を導通状態にさせる信号を前記駆動制御信号として出力する、ことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記制御部は、前記第２の異常信号が入力されると、前記第１トリガ信号を前記第１保護回路へ入力した後の第１の所定時間経過後に前記第２トリガ信号を前記第２保護回路へ入力し、前記第２の異常信号の入力が停止されると前記第２トリガ信号の前記第２保護回路への入力を停止し、第２の所定時間経過後に前記第１トリガ信号の前記第１保護回路への入力を停止することを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置において、
   前記第１および第２の所定時間を、前記インバータが保証するデッドタイム値以上に設定したことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項２または３に記載の電力変換装置において、
   前記制御部は、
   前記第２トリガ信号の前記第２保護回路への入力タイミングを、前記第１トリガ信号の前記第１保護回路への入力タイミングよりも前記第１の所定時間だけ遅らせる遅延回路と、
   前記第２の異常信号の入力が停止した後も、前記第２の所定時間だけ前記第１トリガ信号の前記第１保護回路への入力を継続させるタイマ回路と、を有することを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項２乃至４のいずれか一項に記載の電力変換装置において、
   前記直流電流を供給する直流電源ラインの電圧値が所定の過電圧閾値を超えた場合に前記第２の異常信号を発生する過電圧検知部を、備えたことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項５に記載の電力変換装置において、
   前記過電圧閾値は、前記第１の所定時間経過後の第２トリガ信号入力時における前記電圧値が、前記スイッチング素子の耐圧からスイッチングサージ電圧を差し引いた直流電圧を超えないように設定されていることを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項１乃至６に記載の電力変換装置において、
   前記インバータの出力側の電流値が過電流閾値を超えたときに前記第１の異常信号を発生する過電流検知部を、備えたことを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電力変換装置において、
   前記制御ライン上の前記第２保護回路よりも下流側に設けられ、前記第２保護回路から出力される前記一方のアームに関する駆動制御信号と、前記第１保護回路から出力される他方のアームに関する駆動制御信号とが入力される第３保護回路と、
   前記インバータの異常を検知した場合に第３トリガ信号を前記第３保護回路へ入力する異常検知部と、を備え、
   前記第３保護回路は、
   前記第３トリガ信号の入力があるときは、スイッチング素子を遮断状態にさせる駆動制御信号を前記上アームおよび下アームの全てのスイッチング素子にそれぞれ出力し、
   前記第３トリガ信号の入力がないときは、前記第１保護回路および前記第２保護回路から入力された駆動制御信号をそのまま出力する、ことを特徴とする電力変換装置。

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