JP5813167B2 - インバータのフェールセーフ装置 - Google Patents

Description

この発明は、インバータのフェールセーフ装置に関するものである。

近年、自動車の燃費規制の流れから、マイルド・ハイブリッド自動車などが実用化されてきており、これらハイブリッド自動車にはインバータを搭載した同期モータなどが用いられる。加えて、モータ高出力化のニーズなどから、従来の１２Ｖバッテリを用いた直流電源に対して、４８Ｖバッテリや４８Ｖリチウムイオン電池などの新たな直流電源を用いたシステムが注目されている。
前記、同期モータには、界磁に永久磁石を用いて高回転まで動作する同期モータが存在する。このような永久磁石を備えた同期モータは、励磁電流を必要としない一方で、永久磁石の界磁により発生する誘起電圧が回転数に比例して上昇していく。この現象により、モータが一定の回転数以上の高回転になると、発生する誘起電圧がインバータの出力電圧を超えるため、モータ高回転時での制御には、ＰＷＭ制御を用いた弱め界磁制御などを用いて、インバータの出力電圧を抑制する手法が用いられる。

また、界磁に永久磁石を備えた同期モータを用いて発電を行う場合も同様であり、モータが一定の回転数以上の高回転になると、発生する誘起電圧がインバータの直流電源電圧を超えるため、発電時にもＰＷＭ制御を用いた弱め界磁制御を行い、発電電圧が規定する電圧の上限値を超えないように抑制する手法が用いられる。

しかしながら、上述のような界磁に永久磁石を用いて高回転まで動作するモータにおいては、高回転時にインバータの異常が発生した場合、モータの回転によって発生する誘起電圧が過大な電圧となることもあり、その過大な電圧によってインバータが破壊されたり、例えば、４８Ｖシステムでは、直流電源の上限電圧を超え、その電圧が人体に対して危険を及ぼす電圧まで上昇してしまう可能性がある。

そこで、インバータに異常が発生してモータの誘起電圧によって過電圧が発生した場合の抑制方法として、インバータゲートが遮断されたときに、インバータが三相短絡の状態になるようにインバータを制御する構成が提案されている（特許文献１参照）

特開２０１１−１７２３４３号公報

特許文献１のような構成を用いれば、インバータに異常が生じてインバータゲートが遮断されたときにおいて、モータの誘起電圧によって発生する電圧が所定の電圧以上になった場合に、インバータを三相短絡状態として、電圧が過大になるのを抑制することができる。しかし、上述のような構成においては、弱め制御が必要なモータの高回転時に、直流電源と接続される端子が外れたり、センサの故障などインバータのゲート遮断以外が要因となって発生する過電圧に対しては、インバータを三相短絡の状態に制御することができない。

この発明のインバータのフェールセーフ装置は、上記問題点を解決するものであり、インバータの直流電源電圧を監視して、過電圧状態を検出するための過電圧検出回路と、過電圧検出回路の状態に応じて、電力変換を行う半導体スイッチング素子を三相ＰＷＭ駆動あるいは三相短絡駆動に切り替えるための駆動切替回路を備え、駆動切替回路は、三相ＰＷＭ駆動回路と三相短絡駆動回路、並びに三相ＰＷＭ駆動回路と三相短絡駆動回路の出力が接続されたロジック回路を有し、ロジック回路の出力によってスイッチング素子を三相ＰＷＭ駆動あるいは三相短絡駆動に切り替えるものである。

この発明によれば、通常時はモータをＰＷＭ駆動するが、インバータに何らかの異常が発生した場合に、三相ＰＷＭ駆動回路と三相短絡駆動回路の出力が接続されたロジック回路の出力によって三相のスイッチング素子をＰＷＭ駆動から三相短絡駆動に切替えることで、直流電源電圧を所定の電圧範囲に抑制することが可能となるため、安全性の高いインバータのフェールセーフ装置を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係るインバータのフェールセーフ装置を示す概略構成図である。 この発明の実施の形態１に係るインバータのフェールセーフ装置の駆動切替回路の一部（Ｕ相）を示す概略構成図である。 この発明の実施の形態１に係るインバータのフェールセーフ装置の三相短絡駆動回路の入出力における論理表を示す図である。 この発明の実施の形態１に係るインバータのフェールセーフ装置の駆動切替回路の入出力における論理表を示す図である。 この発明の実施の形態２に係るインバータのフェールセーフ装置を示す概略構成図である。 この発明の実施の形態２に係るインバータのフェールセーフ装置のラッチ回路におけるタイミングチャートを示す図である。 この発明の実施の形態３に係るインバータのフェールセーフ装置を示す概略構成図である。 この発明の実施の形態３に係るインバータのフェールセーフ装置のラッチ回路におけるタイミングチャートを示す図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係るインバータのフェールセーフ装置の一例を示す。このインバータは、例えばＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチング素子２で構成されたスイッチング回路を有し、直流電源１から供給される直流電圧を半導体スイッチング素子２でＰＷＭ駆動を行い、三相交流電圧へ変換して同期モータ（以下、モータとも称す）３を駆動する。

モータ３は例えばエンジンに直結されたり、エンジンにプーリーなどを介してベルト接続されている。モータ３が前記エンジンで回転させられる場合は、前記インバータを発電機として動作させることが可能で、モータ３の誘起電圧がインバータの直流電源電圧より大きい場合には、三相交流を半導体スイッチング素子２の還流ダイオード２ａの整流作用や、弱め界磁制御を用いたＰＷＭ駆動で発電を行い、モータ３の誘起電圧がインバータの直流電源電圧より小さい場合には、インバータ装置を半導体スイッチング素子２を用いて昇圧コンバータとして動作させて、発電を行っている。

また、インバータのフェール装置は、直流電源１の電圧状態を検出する過電圧検出回路４を有しており、過電圧検出回路４の出力信号に応じて、半導体スイッチング素子２の駆動方式をＰＷＭ駆動あるいは三相短絡駆動を切替えるための、駆動切替回路５を有している。

なお、過電圧検出回路４は、過電圧を規定する閾値電圧と直流電源１で検出した検出電圧をコンパレータなどで比較して、ＨもしくはＬの信号を出力する回路で構成される。本実施の形態１では、過電圧検出回路４で過電圧検出が行われた場合に、過電圧判定信号４ａがＬとなるように定義する。

次に、本実施の形態１に係るインバータのフェール装置の駆動切替回路５における一相分（Ｕ相分）を図２に基づいて説明する。

駆動切替回路５は、三相ＰＷＭ駆動回路６、三相短絡駆動回路７、ＡＮＤ回路８、ＯＲ回路９から構成されている。三相ＰＷＭ駆動回路６の出力と三相短絡駆動回路７の出力は、半導体スイッチング素子２の上アーム側にはロジック回路であるＡＮＤ回路８を介して接続され、半導体スイッチング素子２の下アーム側にはロジック回路であるＯＲ回路９を介して接続されている。

ここで、三相短絡駆動回路７は、過電圧判定信号４ａと入力Ａから、出力Ｙが図３で示す論理表で構成されている。過電圧検出が行われた場合、その出力が７ａo＝Ｌおよび７ｂo＝Ｈとなるように、入力信号を７ａ＝Ｌ、７ｂ＝Ｈとする。一方、過電圧判定信号４ａがＨの場合には、出力Ｙはハイインピーダンスとなるので、出力７ａoおよび７ｂoの論理が不定となることを防止するために、出力７ａoをプルアップ、７ｂoをプルダウンする。三相短絡駆動回路７には、バッファＩＣなどを用いる。

上述の、駆動切替回路５の構成を用いることで、半導体スイッチング素子２に出力される５uoおよび５uo*は、図４で示す論理表で構成される。つまり、直流電源１の電圧が正常電圧の場合は、半導体スイッチング素子２をＰＷＭ駆動し、直流電源１が規定電圧の上限を超え、過電圧検出回路４で過電圧検出された場合は、半導体スイッチング素子２を三相短絡駆動し、モータ回転数を下げることで、直流電源電圧を正常な電圧に抑制することが可能となり、安全性の高いインバータのフェールセーフ装置を得ることができる。

なお、本実施の形態１では、直流電源１の電圧が過電圧となった場合には、過電圧検出回路４からの過電圧判定信号４ａをＬと定義して、三相ＰＷＭ駆動回路６、三相短絡駆動回路７の論理を決定しているが、本実施の形態１と同様の効果を有する信号の組み合わせは種々の形態があり、この限りではない。

実施の形態２
図５は、この発明の実施の形態２に係るインバータのフェールセーフ装置の一例を示す。なお、第１の実施の形態における構成要素と同じものには同一の番号が付されている。

本実施の形態２は、過電圧検出回路４と駆動切替回路５との間の過電圧判定信号４ａの信号をラッチするための、信号ラッチ回路１０を有する点で第１の実施の形態と異なる。

信号ラッチ回路１０は過電圧検出回路４で検出した過電圧判定信号４ａの立下りエッジの入力に応じて、出力信号である過電圧判定ラッチ信号１０ａをＬにラッチする。信号ラッチ回路１０から出力される過電圧判定ラッチ信号１０ａは、駆動切替回路５に入力される。駆動切替回路５の構成は、過電圧判定信号４ａが、過電圧判定ラッチ信号１０ａに置き換えられる以外は前記実施の形態１と同一の構成となっている。

上記の動作を説明するため、図６に、本実施の形態２の構成における過電圧検出時のタイミングチャートを示す。一旦、過電圧検出回路４で過電圧検出が行われると、半導体スイッチング素子２は図３および図４の論理表に基づいて、三相短絡駆動される。その後、直流電源１の電圧が正常電圧に遷移しても、半導体スイッチング素子２の状態は、三相短絡駆動状態で保持することが可能となる。

本実施の形態２により、直流電源１の電圧が、過電圧検出回路４の閾値電圧近傍をまたぐ際に、過電圧判定信号４ａがばたついても、三相短絡駆動回路７に入力される過電圧判定用信号はラッチされているため、三相短絡駆動状態が保持され、より安全性の高いインバータのフェールセーフ装置を得ることができる。

実施の形態３
図７は、この発明の実施の形態３に係るインバータのフェールセーフ装置の構成を示す。なお、第１の実施の形態における構成要素と同じものには同一の参照番号が付されている。

本実施の形態３は、前記実施の形態２に加えて、ラッチされた信号を解除するための制御回路１１を有する点で第１、第２の実施の形態と異なる。制御回路１１には、例えばマイコンなどを用いる。

次に、この発明の実施の形態３に係るインバータフェール装置の動作を説明する。直流電源１の電圧は過電圧検出回路４で検出され、過電圧検出回路４で出力した過電圧判定信号４ａを信号ラッチ回路１０と制御回路１１に出力する。一旦、過電圧が検出されて、過電圧判定信号４ａがＬになると、信号ラッチ回路１０は、過電圧判定ラッチ信号１０ａをＬにラッチするため、半導体スイッチング素子２は三相短絡駆動される。直流電源１の電圧が正常に遷移すると、過電圧判定信号４ａはＨとなる。ここで、制御回路１１は、ＰＷＭ駆動の要求があった場合に、過電圧判定信号４ａがＨであれば、信号ラッチ回路１０に対してラッチ解除信号１１ａとしてＨを出力する。信号ラッチ回路１０は、ラッチ解除信号１１ａと過電圧判定信号４ａの信号に基づいて、過電圧判定ラッチ信号１０ａをＬ→Ｈに変化させて出力する。

上記の動作を説明するため、図８に、本実施の形態３の構成におけるタイミングチャートを示す。一旦、過電圧検出回路４で過電圧検出が行われると、半導体スイッチング素子２は、図３および図４の論理表に基づいて、三相短絡駆動される。その後、直流電源１の電圧が正常電圧に遷移しても、半導体スイッチング素子２の状態を三相短絡駆動状態で保持するが、制御回路１１にＰＷＭ駆動要求があった場合、過電圧判定信号４ａが正常状態であれば、ラッチ解除信号１１ａはＨを出力することで、過電圧判定ラッチ信号１０ａがＬ→Ｈとなり、半導体スイッチング素子２は三相短絡駆動から、ＰＷＭ駆動に切り替えることが可能となる。

本実施の形態３により、直流電源１の過電圧が検出された場合に、半導体スイッチング素子２を三相短絡駆動状態にして、安全性の高いインバータのフェールセーフ装置を得るとともに、直流電源１が正常状態に戻った後でＰＷＭ駆動要求があった場合に、インバータを再度ＰＷＭ駆動することが可能となる。

なお、この発明は、その発明の範囲において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変更、変形、省略する事が可能である。

１ 直流電源、２ 半導体スイッチング素子、３…同期モータ、４ 過電圧検出回路、４a過電圧判定信号、５ 駆動切替回路、６ 三相ＰＷＭ駆動回路、７ 三相短絡駆動回路、８ ロジック回路（ＡＮＤ回路）、９ ロジック回路（ＯＲ回路）、１０ 信号ラッチ回路、１０a 過電圧判定ラッチ信号、１１ 制御回路、１１a ラッチ解除信号。

Claims (4)

1. 永久磁石を界磁に用いる同期モータを用いて、駆動および発電するインバータにおいて、電力変換を行うスイッチング素子を有するスイッチング回路と、インバータの直流電源電圧を監視して過電圧を検出する過電圧検出回路と、前記過電圧検出回路の過電圧判定信号に応じて、前記スイッチング素子を三相ＰＷＭ駆動あるいは三相短絡駆動のどちらかに切り替えるための駆動切替回路を備え、前記駆動切替回路は、三相ＰＷＭ駆動回路と三相短絡駆動回路、並びに前記三相ＰＷＭ駆動回路と前記三相短絡駆動回路の出力が接続されたロジック回路を有し、前記ロジック回路の出力によって前記スイッチング素子を三相ＰＷＭ駆動あるいは三相短絡駆動に切り替えることを特徴とするインバータのフェールセーフ装置。
2. 前記三相短絡駆動回路は、前記過電圧検出回路の過電圧判定信号に応じて、前記三相短絡駆動回路の出力が、ハイインピーダンスもしくは入力と同一信号が出力されることを特徴とする請求項１に記載のインバータのフェールセーフ装置。
3. 前記過電圧検出回路からの過電圧判定信号をラッチするための信号ラッチ回路を有し、前記駆動切替回路は、前記信号ラッチ回路の信号に応じて、前記スイッチング素子を三相ＰＷＭ駆動あるいは三相短絡駆動のどちらかに切り替えることを特徴とする請求項１に記載のインバータのフェールセーフ装置。
4. 前記信号ラッチ回路の信号を解除する制御回路を有したことを特徴とする請求項３に記載のインバータのフェールセーフ装置。

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