JP5998548B2

JP5998548B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP5998548B2
Application number: JP2012057971A
Authority: JP
Inventors: 江桁劉
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2012-03-14
Filing date: 2012-03-14
Publication date: 2016-09-28
Anticipated expiration: 2032-03-14
Also published as: JP2013192407A

Description

この発明は、バッテリ等の直流電源から得られる直流電力に基づいて同期電動機等の負荷を駆動する交流電力を発生する電力変換装置に係り、特に電気車等の動力源として用いられる永久磁石型同期電動機の駆動に好適な電力変換装置に関する。

永久磁石型同期電動機は、誘導電動機に比べて低速低トルク領域での高効率化が可能であるという利点を有する。このため、永久磁石型同期電動機は、電気車の動力源として期待されており、その開発が進められている。

一方、永久磁石型同期電動機では、永久磁石により界磁磁束を発生しているため、その界磁磁束は常に一定であり、電動機が発生する誘導起電力は回転速度に比例する。従って、高速回転領域では、電動機が発生する誘導起電力が高くなり、その誘導起電力が電源電圧により定まる上限値に達すると、要求される出力を電動機から得るための電流を電動機に流せなくなる。そこで、高速回転領域では、負のｄ軸電流を電動機に流すことにより、ｄ軸電機子反作用による減磁効果を発生させ、ｄ軸方向の磁束を減少させる、いわゆる弱め磁束制御がよく行われる。

ところで、電気車（例えば電気自動車）が高速走行している間に、何らかの原因により、この電気車の動力源である永久磁石型同期電動機を駆動するインバータの保護動作が行われる場合がある。このような場合、インバータから電動機に正常な負のｄ軸電流が供給されないため、電動機では弱め磁束制御が行われず、電動機が高い誘導起電力を発生し、この高い誘導起電力が電動機の端子からインバータ側へと出力される。この結果、バッテリからインバータに与えられる入力電圧を平滑化するための直流コンデンサに過電圧が印加され、またはバッテリが過大な電流により充電される問題が発生する。

図７はこのような問題の解決を図った従来の電力変換装置の構成を示すブロック図である。この電力変換装置は、直流電源であるバッテリ２４と、初期充電回路２５と、永久磁石型同期電動機２１を駆動するインバータ２０と、インバータ２０の制御を行う制御装置２２と、放電トランジスタ３２および放電抵抗３１からなるダイナミックブレーキ回路と、放電トランジスタ３２のＯＮ／ＯＦＦ切り換えを行う判断回路３３とを有する。

この電力変換装置において、通常動作時は、初期充電回路２５がＯＮ、放電トランジスタ３２がＯＦＦとなっており、コンデンサ２６には、バッテリ２４の出力電圧が直流中間電圧として充電される。インバータ２０は、コンデンサ２６に充電された直流中間電圧を永久磁石型同期電動機２１を駆動するための３相交流電圧に変換する手段である。このインバータ２０は、周知のインバータと同様、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ；絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）およびフライホイールダイオードの組を６組用いて構成されたブリッジ回路である。制御装置２２は、インバータ２０の各ＩＧＢＴのＯＮ／ＯＦＦ切替を行うためのゲート駆動信号を発生する装置である。

判断回路３３は、コンデンサ２６の直流中間電圧を常時監視している。ここで、例えば永久磁石型同期電動機２１からインバータ２０を介してバッテリ２４側に過剰な電力が回生され、コンデンサ２６の直流電圧が所定の閾値を越えると、判断回路３３は放電トランジスタ３２をＯＮさせ、コンデンサ２６の充電電荷を放電抵抗３１および放電トランジスタ３２を介して放電させ、直流中間電圧を低下させる。

図８は上記問題の解決を図った他の電力変換装置の構成を示すブロック図である。なお、この電力変換装置は特許文献１に開示されている。前掲図７の電力変換装置と比較すると、この図８に示す電力変換装置では、放電トランジスタ３２および放電抵抗３１からなるダイナミックブレーキ回路と判断回路３３が削除されている。その代わりに、この図８に示す電力変換装置では、判断回路４２と、リレー制御回路４３とが追加されるとともに、初期充電回路２５とコンデンサ２６およびインバータ２０との間の直流母線に電流センサ４１が取り付けられている。それ以外の点は前掲図７の電力変換装置と同様である。

図８に示す電力変換装置において、判断回路４２は、電流センサ４１により直流母線に流れる電流を検出する。制御装置２２は、判断回路４２および電流センサ４１を介して直流母線に流れる電流を監視し、その監視結果に基づき、永久磁石型同期電動機２１からインバータ２０を介してバッテリ２４側に過剰な電力が回生されたことを検知すると、リレー制御回路４３に初期充電回路２５の強電リレーをＯＦＦさせ、バッテリ２４に過大な回生電流が流れるのを防止する。それと同時に制御装置２２は、インバータ２０の一部のＩＧＢＴをＯＮさせ、電動機２１が出力する誘導起電力を吸収させ、コンデンサ２６を過電圧から保護する。

特開２００２−１７０９８号公報

ところで、上述した図７の電力変換装置において、何らかの原因によりインバータ２０の保護動作が行われ、インバータ２０の全てのＩＧＢＴがＯＦＦになった場合において、コンデンサ２６の直流中間電圧が閾値を越えれば放電トランジスタ３２がＯＮとなり、電動機２１からの回生電力により過電圧がコンデンサ２６に加わるのを防止することが可能である。

しかし、図７に示す電力変換装置では、初期充電回路２５の強電リレーをＯＦＦさせない限り、バッテリ２４によりコンデンサ２６の直流中間電圧がクランプされ、直流中間電圧の上昇が妨げられるので、放電トランジスタ３２による過電圧保護動作が行われない。

一方、初期充電回路２５の強電リレーがＯＮのままでは、インバータ２０の保護動作が行われたとき、永久磁石型同期電動機２１が発生する誘導起電力がインバータ２０のフライホイールダイオードを介してバッテリ２４に与えられ、バッテリ２４が充電される。このため、次のような問題が発生する。

図９はこのインバータ２０の保護動作に伴って発生する問題を説明する波形図である。インバータ２０の保護動作が行われ、インバータ２０の全てのＩＧＢＴがＯＦＦになると、バッテリ２４の電圧が低い状態では永久磁石型同期電動機２１からインバータ２０のフライホイールダイオードを介してバッテリ２４側に大きな回生電流が流れる。この結果、電動機２１の軸端に回転方向と逆方向の大きなトルク、すなわち、大きなブレーキ力が発生するのである。

一方、上述した図８の電力変換装置の場合、制御装置２２が大きな回生電流を検知したときに初期充電回路２５の強電リレーをＯＦＦにすることができれば、大きな回生電流が流れるのを防止し、大きなブレーキ力が電動機２１に発生するのを防止することができる。しかし、多くの強電リレーは、大きな電流が流れ始めた後でＯＦＦにするのは困難である。また、大きな電流が流れ始めた後でもＯＦＦにすることが可能な強電リレーもあるが、そのような高性能の強電リレーは高価である。

さらに図８の電力変換装置では、インバータ２０の保護動作が行われると、次のような問題が発生する。図１０はこのインバータ２０の保護動作に伴って発生する問題を説明する波形図である。図８に示す電力変換装置において初期充電回路２５の強電リレーをＯＦＦさせると、電動機２１の巻線等の誘導性負荷に蓄積されている誘導エネルギーが放出されてコンデンサ２６に充電される。しかし、一般に電気車用インバータの主回路コンデンサ（図８におけるコンデンサ２６に相当）は容量値が低いため、電動機２１から放出される誘導エネルギーが充電されると、この充電によりコンデンサ２６の耐圧を越える過電圧がコンデンサ２６に印加される危険性があるのである。

特許文献１は、このような危険性を回避するため、強電リレーをＯＦＦさせるときに、インバータ２０の一部のＩＧＢＴをＯＮにして、誘導エネルギーを吸収することを提案している。しかし、この案を実現するためには、インバータ２０を保護動作状態から一部のＩＧＢＴをＯＮさせる吸収動作状態に切り換えるための複雑なロジック回路が必要になる。

この発明は、以上説明した事情に鑑みてなされたものであり、簡単な回路構成により、インバータの異常発生時の過電圧と過電流に対する保護を行うことが可能な電力変換装置を提供することを目的としている。

この発明は、直流電圧を出力する直流電源と、前記直流電源から出力される直流電圧を用いて電動機を駆動する交流電圧を発生するインバータと、保護放電抵抗と保護放電スイッチング素子とを並列接続してなり、前記直流電源と前記インバータとの間に前記保護放電抵抗および前記保護放電スイッチング素子の各々が並列に介挿された保護放電回路とを具備することを特徴とする電力変換装置を提供する。

この発明によれば、例えば何らかの原因によりインバータの保護動作が行われる場合に、保護放電スイッチング素子をＯＦＦとすることにより、直流電源とインバータとを保護放電抵抗を介して接続することができる。この場合、電動機からの回生電流が直流電源側に供給されたとしても、インバータに与えられる直流入力電圧は、直流電源の出力電圧の制約を受け、過剰な上昇が防止される。また、電動機から直流電源までの回生電流の経路に保護放電抵抗があるので、過大な回生電流が流れて電動機に大きなブレーキ力が発生するのを防止することができる。また、電動機からの回生電力が保護放電抵抗により消費されるので、回生電流を抑制することができる。

この発明の一実施形態である電力変換装置の構成を示すブロック図である。同電力変換装置の通常動作時の状態を示す図である。同電力変換装置の保護動作時の状態を示す図である。同電力変換装置において保護動作が行われる際の各部の波形の第１の例を示す波形図である。同電力変換装置において保護動作が行われる際の各部の波形の第２の例を示す波形図である。同電力変換装置の保護動作判断部の構成例を示すブロック図である。従来の電力変換装置の第１の構成例を示すブロック図である。従来の電力変換装置の第２の構成例を示すブロック図である。従来の電力変換装置の第１の構成例において保護動作が行われる際の各部の波形を示す波形図である。従来の電力変換装置の第２の構成例において保護動作が行われる際の各部の波形を示す波形図である。

以下、図面を参照し、この発明の実施形態について説明する。
図１はこの発明の一実施形態である電力変換装置の構成を示すブロック図である。この電力変換装置において、主回路は、直流電源であるバッテリ２４と、初期充電回路２５と、永久磁石型同期電動機２１を駆動するインバータ２０と、インバータ２０に対して並列接続されたコンデンサ２６と、初期充電回路２５およびインバータ２０間の直流母線の途中に介挿された保護放電回路１０とにより構成されている。保護放電回路１０は、保護放電抵抗１１および保護放電スイッチング素子１２を並列接続してなるものである。図１に示す例では、保護放電スイッチング素子１２は、互いに並列接続されたＩＧＢＴ１２Ａとダイオード１２Ｂとにより構成されている。そして、ＩＧＢＴ１２Ａは、コレクタがインバータ２０に、エミッタが初期充電回路２５に接続されている。また、ダイオード１２Ｂは、アノードが初期充電回路２５に、カソードがインバータ２０に接続されている。

インバータ２０は、コンデンサ２６に充電された直流中間電圧を永久磁石型同期電動機２１を駆動するための３相交流電圧に変換する手段であり、周知のインバータと同様、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子およびフライホイールダイオードの組を６組用いて構成されたブリッジ回路である。制御装置２２は、所定の制御手順に従ってインバータ２０の各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ切替を行うためのゲート駆動信号を発生する装置である。この制御装置２２は、ソフトウェアの働きによりインバータ２０の動作を監視し、インバータ２０の動作の異常を検知した場合に、インバータ２０の全てのスイッチング素子をＯＦＦにする保護動作を行わせ、インバータ２０と永久磁石型同期電動機２１を保護するとともに、保護信号を保護動作判断部１３に出力する。

保護回路２３は、図示しないハードウェアを介してインバータ２０の出力電圧と出力電流を監視し、インバータ２０の出力電圧または出力電流の異常を検知した場合に、制御装置２２にインバータ２０の全てのスイッチング素子をＯＦＦさせ、インバータ２０と永久磁石型同期電動機２１を保護するとともに、保護信号を保護動作判断部１３に出力する。また、保護回路２３は、制御装置２２の正常動作が不可能になった場合に、インバータ２０と永久磁石型同期電動機２１を安全に停止させることができる。

保護動作判断部１３は、制御装置２２が出力する保護信号または保護回路２３が出力する保護信号に従って保護放電スイッチング素子１２のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う手段である。

次に本実施形態の動作を説明する。通常動作時、保護動作判断部１３は、保護放電スイッチング素子１２をＯＮにする。この場合、図２に示すように、永久磁石型同期電動機２１が電動機として動作する駆動状態ではバッテリ２４側からダイオード１２Ｂを経由してインバータ２０側に電流が流れ、永久磁石型同期電動機２１が発電機として動作する回生状態ではインバータ２０側からＩＧＢＴ１２Ａを経由してバッテリ２４側に電流が流れる。

何らかの異常が発生し、例えば制御装置２２がソフトウェアの働きによりこの異常を検知すると、制御装置２２は、インバータ２０の全てのスイッチング素子をＯＦＦさせるゲート駆動信号をインバータ２０に供給する。それと同時に制御装置２２は、保護信号を保護動作判断部１３に出力する。

これにより保護動作判断部１３は、保護放電回路１０のＩＧＢＴ１２ＡをＯＦＦさせる保護動作指令信号を出力する。この結果、電力変換装置の状態は図３に示すものとなり、永久磁石型同期電動機２１からインバータ２０を介して供給される回生電流は、保護放電抵抗１１を介してバッテリ２４に流れる。この状態では、コンデンサ２６は保護放電抵抗１１を介してバッテリ２４に接続されているので、コンデンサ２６の直流中間電圧はバッテリ２４の出力電圧に制約され、過剰な上昇が妨げられる。

図４は以上説明した動作が行われる間のインバータ２０の相電流、コンデンサ２６の直流中間電圧の波形を例示する波形図である。この図に示すように、本実施形態では、インバータ２０の保護動作が行われるときに、コンデンサ２６の直流中間電圧をバッテリ２４の出力電圧にほぼクランプさせ、過剰な上昇を防止することができる。

一方、例えば永久磁石型同期電動機２１が高速回転しているとき、インバータ２０の全てのスイッチング素子をＯＦＦさせる保護動作が行われたとする。この場合も、インバータ２０の保護動作が行われるのに伴って保護放電回路１０のＩＧＢＴ１２ＡがＯＦＦとされる。この場合、回転速度に比例した高い誘導起電力が永久磁石型同期電動機２１から出力され、インバータ２０のダイオードにより構成されるフルブリッジ整流回路と保護放電抵抗１１を介してバッテリ２４に充電される。その際、永久磁石型同期電動機２１からの回生電流の経路に保護放電抵抗１１があり、この保護放電抵抗１１が永久磁石型同期電動機２１から回生される電力を消費するため、回生電流を大幅に抑制することができ、大きなブレーキの発生を防止することができる。

図５は以上説明した保護動作が行われる間のインバータ２０の相電流、コンデンサ２６の直流中間電圧の波形を例示する波形図である。この図に示すように、本実施形態では、インバータ２０の保護動作が行われるときに、コンデンサ２６の直流中間電圧の過剰な上昇を防止することができ、かつ、回生電流を抑制して大きなブレーキトルクが発生するのを防止することができる。

以上、制御装置２２がソフトウェアの働きにより保護信号を出力する場合を例に本実施形態の特徴的な動作を説明した。しかし、本実施形態では、保護回路２３がハードウェアの働きによりインバータ２０の出力電圧および出力電流を監視しており、出力電圧または出力電流の異常を検知した場合に、インバータ２０の全てのスイッチング素子をＯＦＦさせるとともに、保護信号を保護動作判断部１３に対して出力する。この場合も、保護動作判断部１３は、保護放電スイッチング素子１２のＩＧＢＴ１２ＡをＯＦＦさせ、バッテリ２４およびインバータ２０を保護放電抵抗１１を介して接続する。

図６は本実施形態における保護動作判断部１３の構成例を示すブロック図である。図６に示すように、保護動作判断部１３は、パルス動作検出部１３１と、タイマ１３２と、論理演算回路１３３とを有する。

パルス動作検出部１３１には、制御装置２２がインバータ２０に対して供給しているものと同じ６相のゲート駆動信号が供給される。この６相のゲート駆動信号は、制御装置２２において駆動電圧指令値等に基づいて生成されるパルス幅変調信号である。インバータ２０が正常動作している場合、パルス幅変調のキャリア周期よりも短い一定時間間隔以内にいずれかのゲート駆動信号のレベル反転が必ず生じる。そして、一定時間間隔以内に６相の全てのゲート駆動信号が全くレベル反転しない場合、インバータ２０が停止しているか、インバータ２０の保護動作が行われているかのいずれかであると考えられる。そこで、パルス動作検出部１３１は、制御装置２２が出力する６相のゲート駆動信号を監視し、一定時間間隔以内に６相の全てのゲート駆動信号が全くレベル反転しない場合に保護信号を出力する。好ましい態様において、この保護信号を出力するか否かの判断に用いる一定時間間隔は、制御装置２２からパルス動作検出部１３１に設定される。

タイマ１３２は、パルス動作検出部１３１から保護信号が出力されてから予め設定された計時時間が経過したとき論理演算回路１３３に保護信号を出力する。論理演算回路１３３は、制御装置２２がソフトウェアに従って出力する保護信号、保護回路２３がハードウェアの働きにより出力する保護信号、タイマ１３２が出力する保護信号のＯＲ演算を行い、これらのいずれかの保護信号が与えられたときに保護放電スイッチング素子１２のＩＧＢＴ１２ＡをＯＦＦさせる保護動作指令信号を出力する。

タイマ１３２の計時時間は、自由に設定することが可能である。パルス動作検出部１３１が保護信号を出力した後、永久磁石型同期電動機２１からの回生電流が増加し始める適切なタイミングにおいて論理演算回路１３３から保護動作指令信号が出力されるように、適切な計時時間をタイマ１３２に設定すればよい。なお、パルス動作検出部１３１が保護信号を出力した直後に保護動作指令信号を出力させるのが好ましい場合は、タイマ１３２を省略してもよい。

本実施形態によれば、このような保護動作判断部１３を設けたので、例えば制御装置２２が何らかの原因により停止したとしても、ゲート駆動信号のレベル反転の停止、インバータの出力電圧または出力電流の異常の検知により保護放電スイッチング素子１２をＯＦＦさせ、電力変換装置全体を保護することができる。

＜他の実施形態＞
以上、この発明の一実施形態について説明したが、これ以外にも、この発明には他の実施形態が考えられる。例えば次の通りである。

（１）上記実施形態では、保護放電スイッチング素子１２をＩＧＢＴ１２Ａとダイオード１２Ｂにより構成したが、ＩＧＢＴ１２Ａの代わりに、その他のパワー半導体素子、半導体リレーまたは機械式のリレーを使用してもよい。

（２）上記実施形態では、インバータ２０の保護動作が行われる場合に、バッテリ２４側からインバータ２０側に供給される電流を制限する必要はないため、インバータ２０側からバッテリ２４側に向かう電流のみを阻止するダイオード１２Ｂを使用した。しかし、このダイオード１２Ｂに代えて、ＯＮ／ＯＦＦ切り換えが可能なトランジスタを使用し、保護動作判断部１３が保護信号の発生に応じてＩＧＢＴ１２Ａとこのトランジスタの両方をＯＦＦさせるようにしてもよい。

（３）上記実施形態では、保護放電回路１０をバッテリ２４の正極とインバータ２０の高電位側電源ノードとの間に設けたが、インバータ２０の低電位側電源ノードとバッテリ２４の負極との間に設けてもよい。

（４）上記実施形態では、特に顕著な効果が得られる例として永久磁石型同期電動機を駆動する電力変換装置に本発明を適用したが、本発明は他の種類の電動機を駆動する電力変換装置にも適用可能である。

２４……バッテリ、２０……インバータ、２６……コンデンサ、２１……永久磁石型同期電動機、２２……制御装置、２３……保護回路、１３……保護動作判断部、２５……初期充電回路、１０……保護放電回路、１１……保護放電抵抗、１２……保護放電スイッチング素子、１２Ａ……ＩＧＢＴ、１２Ｂ……ダイオード、１３１……パルス動作検出部、１３２……タイマ、１３３……論理演算回路。

Claims

直流電圧を出力する直流電源と、
前記直流電源から出力される直流電圧を用いて電動機を駆動する交流電圧を発生するインバータと、
保護放電抵抗と保護放電スイッチング素子とを並列接続してなり、前記直流電源と前記インバータとの間に前記保護放電抵抗および前記保護放電スイッチング素子の各々が並列に介挿された保護放電回路であって、前記保護放電スイッチング素子が、前記電動機が駆動状態であるときに前記直流電源から前記インバータに対して供給される電流を流すダイオードと、前記電動機が回生状態であるときに前記インバータから前記直流電源に対して供給される電流を流すパワー半導体スイッチング素子とを並列接続してなるものである保護放電回路と、
前記電動機が発生する回生電力による過電圧または過電流から前記インバータを保護する保護動作が行われるのに伴って、前記保護放電スイッチング素子における前記パワー半導体スイッチング素子をＯＦＦとし、前記直流電源と前記インバータとを前記保護放電抵抗を介して接続する保護動作判断部と
を具備することを特徴とする電力変換装置。
直流電圧を出力する直流電源と、
前記直流電源から出力される直流電圧を用いて電動機を駆動する交流電圧を発生するインバータと、
保護放電抵抗と保護放電スイッチング素子とを並列接続してなり、前記直流電源と前記インバータとの間に前記保護放電抵抗および前記保護放電スイッチング素子の各々が並列に介挿された保護放電回路と、
前記電動機が発生する回生電力による過電圧または過電流から前記インバータを保護する保護動作であって、前記インバータの全てのスイッチング素子をＯＦＦさせることにより前記インバータを保護する保護動作が行われるのに伴って、前記保護放電スイッチング素子をＯＦＦとし、前記直流電源と前記インバータとを前記保護放電抵抗を介して接続する保護動作判断部と
を具備することを特徴とする電力変換装置。
前記保護動作判断部は、前記インバータの全てのスイッチング素子がＯＦＦになるのと同時に、前記保護放電スイッチング素子をＯＦＦとし、前記直流電源と前記インバータとを前記保護放電抵抗を介して接続することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記保護動作判断部は、前記インバータの全てのスイッチング素子がＯＦＦになってから所定時間経過後に、前記保護放電スイッチング素子をＯＦＦとし、前記直流電源と前記インバータとを前記保護放電抵抗を介して接続することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記インバータの各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うためのゲート駆動信号を出力する手段および前記インバータの全てのスイッチング素子をＯＦＦさせるとともに第１の保護信号を出力する手段を有する制御装置と、
前記インバータの出力電流または出力電圧の異常が検出された場合に第２の保護信号を出力する保護回路とを具備し、
前記保護動作判断部は、前記インバータに対して前記制御装置が出力するゲート駆動信号を監視し、一定時間以上に亙ってゲート駆動信号のレベル反転が生じない場合に第３の保護信号を発生する手段を含み、第１〜第３の保護信号のいずれかが発生した場合に前記保護放電スイッチング素子をＯＦＦさせることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記保護動作判断部は、一定時間以上に亙ってゲート駆動信号のレベル反転が生じないことを検出してから所定時間経過後に前記第３の保護信号を出力するタイマを具備することを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。