JP6298069B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関する。

電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド自動車（ＨＥＶ）等の電動車両に搭載されて駆動用モータと接続される電力変換装置は、直流電源から供給されるモータ駆動用の直流電力を交流電力に変換したり、モータから発生された交流電力を直流電源充電用の直流電力に変換したりする電力変換機能を有している。こうした電力変換機能を実現するため、電力変換装置では、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのスイッチング素子が一般的に使用されている。こうしたスイッチング素子は、予め定められた耐圧を超える電圧が印加されると耐圧破壊を起こして破損してしまうため、印加電圧が耐圧を超えないようにする必要がある。

通常の電動車両では、電力を効率的に利用するために、制動時や坂を下る時などにモータを強制的に回転して発電機として働かせ、回生電圧（逆起電力）を発生して直流電源を充電している。しかし、モータの回転数が高くなるほど大きな回生電圧が発生するため、回生電圧が耐圧を超えることにより、スイッチング素子が耐圧破壊を起こしてしまうことがある。そこで、こうした耐圧破壊を防止するため、従来の電力変換装置では過電圧を抑制する手段が設けられている。

たとえば特許文献１には、モータを制御する電動機制御装置において、ＣＰＵの制御により、過電圧発生時にモータの回転位置に応じてスイッチング素子をオンさせ、モータの複数の相を直列に接続することによって、過電圧を抑制する方法が提案されている。

また、特許文献２には、インバータから直流電源に入力される回生電圧を検出し、その検出結果に基づいて、モータ駆動装置とモータの線間を開放または短絡の少なくともいずれかを行うように、インバータ制御手段によりインバータのスイッチング素子を制御する方法が述べられている。

特開２００２−１７０９８号公報 特開２００９−２８４７４７号公報

以上説明したような従来の過電圧抑制方法では、過電圧発生時にＣＰＵやインバータ制御手段によりスイッチング素子を制御して、モータの出力端子を電源の基準電位（接地端子）に接続することにより、モータと基準電位（接地端子）の間に電流を還流させて過電圧を抑制している。しかし、こうした制御を行うＣＰＵやインバータ制御手段は、車両のキースイッチがオンされることで電源が投入されて動作を開始する。そのため、車両のキースイッチがオフされて車両が非動作状態のときに、車両が牽引等されることでモータが強制的に回転されて過電圧が生じた場合、スイッチング素子の制御を行うことができず、その結果、過電圧を抑制できないという問題がある。

本発明による電力変換装置は、車両に搭載されたモータに接続されており、複数の電力変換素子を有し、前記複数の電力変換素子を用いて、直流電源からの直流電力を前記モータを駆動するための交流電力に変換するインバータ回路と、前記複数の電力変換素子を動作させるための駆動信号を出力するドライバ回路を有するゲートドライブ基板と、前記ドライバ回路に前記駆動信号を出力させるための制御信号を出力する第１の制御回路と、前記モータから前記インバータ回路に印加される回生電圧を検知する第１の電圧検知回路と、前記第１の制御回路および前記第１の電圧検知回路をそれぞれ動作させるための第１の動作電源を供給する第１の電源回路とを有するモータコントロール基板と、を備える。前記ゲートドライブ基板は、第２の制御回路と、前記回生電圧を検知する第２の電圧検知回路と、前記ドライバ回路、前記第２の制御回路および前記第２の電圧検知回路をそれぞれ動作させるための第２の動作電源を供給する第２の電源回路とをさらに有する。前記第２の電源回路は、前記車両が非動作状態のときに、前記回生電圧が所定の第１の閾値以上の場合は前記第２の動作電源を供給し、前記回生電圧が前記第１の閾値未満の場合は前記第２の動作電源の供給を停止する。前記第２の電圧検知回路は、前記第２の電源回路が前記第２の動作電源を供給しているときに、前記回生電圧を検知してその検知結果を前記第２の制御回路に出力する。前記第２の制御回路は、前記第２の電源回路が前記第２の動作電源を供給しているときに、前記第２の電圧検知回路から出力された前記回生電圧の検知結果が前記第１の閾値よりも高い所定の第２の閾値以上になると、前記第１の電源回路を動作させて前記第１の制御回路および前記第１の電圧検知回路を起動させるための起動信号を前記モータコントロール基板に出力する。前記第１の電源回路は、前記車両が非動作状態のときに、前記第２の制御回路から前記モータコントロール基板に前記起動信号が入力されると、前記第１の動作電源の供給を開始する。前記第１の電圧検知回路は、前記第１の電源回路が前記第１の動作電源を供給しているときに、前記回生電圧を検知してその検知結果を前記第１の制御回路に出力する。前記第１の制御回路は、前記第１の電源回路が前記第１の動作電源を供給しているときに、前記第１の電圧検知回路から出力された前記回生電圧の検知結果に基づいて、前記モータと前記インバータ回路の間で前記回生電圧に応じた回生エネルギーが消費されるように、前記制御信号を前記ドライバ回路に出力する。

本発明によれば、車両が非動作状態のときに過電圧が生じた場合であっても、過電圧を抑制することができる。

従来の３相モータ駆動用の電力変換装置の電気回路構成の例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る電力変換装置の電気回路構成の例を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る電力変換装置における各部分の動作タイミング例を示すタイミングチャートである。 本発明の一実施形態に係る電力変換装置における処理の手順を示すフローチャートである。

（従来技術の説明）
本発明を説明する前に、まず従来技術について以下に説明する。

図１は、従来の３相モータ駆動用の電力変換装置１０１の電気回路構成の例を示すブロック図である。図１に示す電力変換装置１０１は、モータコントロール基板１０２、ゲートドライブ基板１０３、電力変換素子であるＩＧＢＴを複数有するインバータ回路１０４、平滑コンデンサ１０９、および電流センサー１１０を主に備える。インバータ回路１０４は、正極配線１１２と負極配線１１３により直流電源であるモータ駆動用の高圧電源１０６と接続されている。ここで、正極配線１１２は高圧電源１０６の正極側（高電圧側）とコンタクタ１０７を介して接続されており、負極配線１１３は高圧電源１０６の負極側（低電圧側）と接続されている。また電力変換装置１０１は、車両に搭載された３相モータ１０５に接続されている。

インバータ回路１０４では、正極配線１１２と負極配線１１３の間にスイッチング素子として動作するＮ型ＩＧＢＴが２段直列に接続（トーテムポール接続）されている。この２つのＩＧＢＴのうち、正極配線１１２側、すなわち高圧電源１０６の高電圧側に接続されるＩＧＢＴを上アームと呼び、負極配線１１３側、すなわち高圧電源１０６の低電圧側に接続されるＩＧＢＴを下アームと呼ぶ。電力変換装置１０１は３相モータ１０５を駆動するために、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の合計３相分の出力が必要である。そのため、インバータ回路１０４には上下アームを直列に接続した直列回路が３つ内蔵されており、各相に対応するこれらの直列回路が高圧電源１０６に対して互いに並列に接続される。各相の直列回路において上アームのエミッタと下アームのコレクタを繋ぐ共通端子は、電力変換装置１０１の出力端子を介して３相モータ１０５とそれぞれ接続されている。

インバータ回路１０４の各ＩＧＢＴのコレクタ-エミッタ間には、還流ダイオード（ＦＷＤ）がそれぞれ接続されている。ＩＧＢＴのコレクタ側には還流ダイオードのカソードが接続され、ＩＧＢＴのエミッタ側には還流ダイオードのアノードが接続される。

平滑コンデンサ１０９は、インバータ回路１０４の各ＩＧＢＴが行うスイッチング動作によって生じる直流電圧の変動を抑制するためのものであり、正極配線１１２と負極配線１１３の間にインバータ回路１０４と並列に接続されている。すなわち、インバータ回路１０４の各上下アームの直列回路は、高圧電源１０６に対して平滑コンデンサ１０９とそれぞれ並列に接続されている。

ゲートドライブ基板１０３は、電源回路１３０、カプラ１３１およびドライバ回路１３２を有している。

電源回路１３０は、高圧電源１０６から供給される直流電力を用いて所定の動作電源を生成し、ゲートドライブ基板１０３内の各部に供給する。この電源回路１３０から供給される動作電源を用いて、ドライバ回路１３２が動作する。

ドライバ回路１３２には、モータコントロール基板１０２から、各相の上下アームにそれぞれ対応するゲート制御信号UP、VP、WP、UN、VNおよびWNが、各ゲート制御信号に対応して設けられたカプラ１３１を介して入力される。ドライバ回路１３２は、入力された各ゲート制御信号UP、VP、WP、UN、VN、WNに基づいて、インバータ回路１０４の各ＩＧＢＴを動作させるための駆動信号を生成し、インバータ回路１０４に出力する。

モータコントロール基板１０２は、電源回路１２０、マイコン１２１およびバッファ回路１２２を有している。

車両のキースイッチがオンされると、電源回路１２０にキースイッチ信号が入力される。電源回路１２０は、キースイッチ信号が入力されると、車両用の１２Ｖ電源１００から供給される直流電力を用いて所定の動作電源を生成し、モータコントロール基板１０２内の各部に供給する。この電源回路１２０から供給される動作電源を用いて、マイコン１２１およびバッファ回路１２２が動作する。

マイコン１２１は、上位の制御装置（不図示）と接続されており、この制御装置から３相モータ１０５の運転状態を指令するための運転指令が入力される。また、電流センサー１１０により検出された３相モータ１０５に流れる電流の大きさが電流センス信号１１１としてマイコン１２１に入力される。なお、実際の形態においては、マイコン１２１にはレゾルバセンス信号やＰ−Ｎ間の電圧のモニタ値など他の信号も入力される。こうして入力された運転指令および電流センス信号１１１等に基づいて、マイコン１２１は、ゲートドライブ基板１０３のドライバ回路１３２に対して、バッファ回路１２２を介して、前述のゲート制御信号UP、VP、WP、UN、VNおよびWNを出力する。なお、これらのゲート制御信号は負論理であり、対応するＩＧＢＴをオフする時には'H'レベルの信号が、オンする時には'L'レベルの信号がマイコン１２１からそれぞれ出力される。

ここで注意すべきことがある。それは、モータコントロール基板１０２の基準電位とゲートドライブ基板１０３内のドライバ回路１３２の基準電位とは互いに異なっているということである。具体的には、モータコントロール基板１０２へ電力を供給している１２Ｖ電源１００は車両用の電源であるため、その基準電位は電力変換装置１０１を搭載している車両のボディに接地されている。これにより、モータコントロール基板１０２の基準電位は車両ボディの電位となっている。一方、ドライバ回路１３２の基準電位は、上アーム側については、対応するＩＧＢＴのエミッタ電圧、すなわち３相モータ１０５に接続されている電力変換装置１０１の出力端子と同電位であり、下アーム側については、高圧電源１０６の負極電位となっている。これらの基準電位は、いずれもモータコントロール基板１０２の基準電位すなわち車両ボディの電位とは異なっている。そのため、マイコン１２１からゲートドライブ基板１０３に入力されたゲート制御信号UP、VP、WP、UN、VNおよびWNは、カプラ１３１を介してドライバ回路１３２にそれぞれ入力される。

次に、図１を参照して電力変換装置１０１の動作の概要を説明する。電力変換装置１０１は、インバータ回路１０４の各ＩＧＢＴをスイッチングするために、モータコントロール基板１０２のマイコン１２１からゲートドライブ基板１０３のドライバ回路１３２に対して、ＰＷＭ方式のゲート制御信号UP、VP、WP、UN、VNおよびWNを送信する。ここで、モータコントロール基板１０２とゲートドライブ基板１０３とは前述のように基準電位が異なるので、マイコン１２１からドライバ回路１３２へのゲート制御信号の送信は、絶縁信号伝送装置であるカプラ１３１を介して行われる。ドライバ回路１３２は、入力されたこれらのゲート制御信号に基づいて、対応するＩＧＢＴのゲート−エミッタ端子間に電圧を与え、ＩＧＢＴをスイッチングする。こうしてインバータ回路１０４の各ＩＧＢＴを所定のタイミングでそれぞれスイッチングさせることにより、高圧電源１０６から供給される直流電力が交流電力に変換され、各ＩＧＢＴを介して３相モータ１０５に電流が流れて３相モータ１０５が駆動される。このとき３相モータ１０５に流れる電流は電流センサー１１０で観測され、電流センス信号１１１としてモータコントロール基板１０２のマイコン１２１にフィードバックされる。これによってマイコン１２１は３相モータ１０５に流れる電流を制御し、３相モータ１０５の駆動を制御する。

従来の３相モータ駆動用の電力変換装置１０１は、以上説明したような構成を有している。

（本発明の説明）
次に、本発明の一実施形態に係る電力変換装置について、図２〜４を用いて以下に説明する。

図２は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置１５０の電気回路構成の例を示すブロック図である。図２において、図１に示した従来の電力変換装置１０１と共通する構成には同一の符号を付しており、３相モータ１０５、電流センサー１１０および電流センス信号１１１は図示を省略している。また、インバータ回路１０４が有する上下アームの各ＩＧＢＴや高圧電源１０６、平滑コンデンサ１０９についても図示を省略している。

図２に示す電力変換装置１５０は、図１に示した従来の電力変換装置１０１が備えるモータコントロール基板１０２およびゲートドライブ基板１０３に替えて、モータコントロール基板２００およびゲートドライブ基板３００を備えている。

モータコントロール基板２００は、電源回路２０４、制御回路２０５、バッファ回路２０６および高電圧モニタ回路２０８を有する。制御回路２０５は、図１に示した従来の電力変換装置１０１におけるマイコン１２１と同様のゲート制御信号出力機能を有しており、たとえばマイクロコンピュータ（マイコン）等を用いて構成される。高電圧モニタ回路２０８には、高電圧端子２０９Ｐおよび２０９Ｎを介して、インバータ回路１０４に印加される高電圧が入力される。

ゲートドライブ基板３００は、電源回路３０１、ドライバ回路３０４、フォトカプラ３０６、制御回路３０７および高電圧モニタ回路３０８を有する。制御回路３０７は、たとえばマイクロコンピュータ（マイコン）等を用いて構成される。ドライバ回路３０４は、図１に示した従来の電力変換装置１０１におけるドライバ回路１３２と同様の起動信号出力機能を有している。高電圧モニタ回路３０８には、高電圧端子３０９Ｐおよび３０９Ｎを介して、インバータ回路１０４に印加される高電圧が入力される。電源回路３０１は、高電圧端子３０９Ｐに入力される高電圧を用いて、ゲートドライブ基板３００内で使用される動作電源を生成する。

車両のキースイッチがオンされて車両が動作状態になると、モータコントロール基板２００にキースイッチ信号が入力され、トランジスタ２０７のコレクタ−エミッタ間が導通して、トランジスタ２０７がオンされる。トランジスタ２０７がオンされると、ＭＯＳＦＥＴ２０３のドレイン−ソース間が導通し、ＭＯＳＦＥＴ２０３がオンされる。

ＭＯＳＦＥＴ２０３がオンされると、車両用の１２Ｖ電源１００からＭＯＳＦＥＴ２０３を介して電源回路２０４に直流電力が供給され、電源回路２０４が起動して動作を開始する。電源回路２０４は、この直流電力を用いて、制御回路２０５の動作電源を生成し、制御回路２０５に供給する。

制御回路２０５は、電源回路２０４から動作電源が供給されると起動して動作を開始する。制御回路２０５は、図１に示した従来の電力変換装置１０１におけるマイコン１２１と同様に、上位の制御装置（不図示）と接続されている。車両が動作状態のときには、この制御装置から制御回路２０５に対して、３相モータ１０５の運転状態を指令するための運転指令が入力される。制御回路２０５は、入力された運転指令に基づいて、ゲートドライブ基板３００に対して、バッファ回路２０６を介して、図１と同様のＰＷＭ方式のゲート制御信号UP、VP、WP、UN、VNおよびWNを出力する。

ゲートドライブ基板３００に入力された各ゲート制御信号UP、VP、WP、UN、VN、WNは、各ゲート制御信号に対応して設けられたカプラ３０２を介して、ドライバ回路３０４に入力される。ドライバ回路３０４は、入力された各ゲート制御信号UP、VP、WP、UN、VN、WNに基づいて、インバータ回路１０４の各ＩＧＢＴを動作させるための駆動信号を生成し、インバータ回路１０４に出力する。

一方、車両が非動作状態のときには、車両のキースイッチがオフされているため、モータコントロール基板２００にキースイッチ信号が入力されない。このとき、車両が牽引等されることで３相モータ１０５が強制的に回転されると、３相モータ１０５は発電機として作用し、３相モータ１０５において回生電圧（逆起電力）が発生する。３相モータ１０５が発生した回生電圧は、インバータ回路１０４に印加される。

３相モータ１０５からインバータ回路１０４に印加される回生電圧は、高電圧端子３０９Ｐおよび３０９Ｎを介して高電圧モニタ回路３０８に入力される。この回生電圧が所定電圧、たとえば５０Ｖ以上になると、電源回路３０１が起動し、ゲートドライブ基板３００内で用いられる動作電源の供給を開始する。これにより、ゲートドライブ基板３００が自動的に起動される。

ゲートドライブ基板３００が起動して電源回路３０１から動作電源が供給されると、高電圧モニタ回路３０８は、高電圧端子３０９Ｐおよび３０９Ｎを介して３相モータ１０５から入力される回生電圧を検知する。回生電圧の検知結果は、高電圧モニタ回路３０８から制御回路３０７に出力される。

制御回路３０７は、高電圧モニタ回路３０８により検知された回生電圧が所定の閾値、たとえば６０Ｖ以上になると、フォトカプラ３０６のトランジスタをオンすることにより、フォトカプラ３０６を介して、モータコントロール基板２００に起動信号を出力する。この起動信号は、モータコントロール基板２００において電源回路２０４を動作させて制御回路２０５を起動させるための信号である。制御回路３０７は、制御回路２０５の起動時間より少なくとも長い所定の時間、たとえば５秒間、モータコントロール基板２００に対して起動信号を出力する。

フォトカプラ３０６のトランジスタがオンされてモータコントロール基板２００に起動信号が入力されると、トランジスタ２０７がオンされた場合と同様に、ＭＯＳＦＥＴ２０３のドレイン−ソース間が導通し、ＭＯＳＦＥＴ２０３がオンされる。すると、車両用の１２Ｖ電源１００からＭＯＳＦＥＴ２０３を介して電源回路２０４に直流電力が供給され、電源回路２０４が起動して動作を開始する。これにより、モータコントロール基板２００が起動され、電源回路２０４から制御回路２０５に動作電源が供給されて、制御回路２０５および高電圧モニタ回路２０８が動作を開始する。

モータコントロール基板２００が起動して電源回路２０４から動作電源が供給されると、高電圧モニタ回路２０８は、高電圧端子２０９Ｐおよび２０９Ｎを介して３相モータ１０５から入力される回生電圧を検知する。回生電圧の検知結果は、高電圧モニタ回路２０８から制御回路２０５に出力される。

ここで、車両が非動作状態のときには、上位の制御装置から制御回路２０５に運転指令が入力されない。したがってこの場合、制御回路２０５は、起動後に、３相モータ１０５とインバータ回路１０４の間で回生電圧に応じた回生エネルギーが消費されるように、ゲートドライブ基板３００に対して、バッファ回路２０６を介して、所定の信号パターンによるゲート制御信号UP、VP、WP、UN、VNおよびWNを出力する。たとえば、インバータ回路１０４の上アームのＩＧＢＴまたは下アームのＩＧＢＴのいずれか一方を全てオンとし、他方を全てオフとする３相ショートと、上下アームの全ＩＧＢＴをオフする６相オープンとが交互に繰り返されるように、各ゲート制御信号を出力する。このとき、高電圧モニタ回路２０８による回生電圧の検知結果や、インバータ回路１０４の温度等を監視し、その監視結果に基づいて各ゲート制御信号を出力してもよい。このゲート制御信号に応じてドライバ回路３０４がインバータ回路１０４の各ＩＧＢＴを動作させることにより、高電圧の回生電圧が３相モータ１０５からインバータ回路１０４に印加されても、各ＩＧＢＴを保護することができる。

また、制御回路２０５は、電源回路２０４から動作電源が供給されて起動した後に、電源回路２０４の動作を継続させるための動作継続信号をトランジスタ２１０に出力する。制御回路２０５から動作継続信号が入力されると、トランジスタ２１０がオンされる。トランジスタ２１０がオンされると、トランジスタ２１１がオンされる。トランジスタ２１１がオンされると、電源回路２０４で生成された５Ｖの動作電源電圧がトランジスタ２０７のベースに入力され、トランジスタ２０７がオンされる。これにより、ＭＯＳＦＥＴ２０３をオン状態に保持して、電源回路２０４の動作を継続させることができる。したがって、ゲートドライブ基板３００の制御回路３０７から起動信号が入力されなくても、モータコントロール基板２００を動作状態に維持することができる。

さらに、制御回路２０５は、信号ライン２１７を介して、制御回路２０５自身の動作状態に関する動作状態信号をゲートドライブ基板３００に出力する。たとえば、制御回路２０５の動作状態が正常であれば'H'レベルの信号を、異常であれば'L'レベルの信号を、制御回路２０５からの動作状態信号として出力する。

制御回路２０５から入力された動作状態信号は、ゲートドライブ基板３００において、カプラ３０５を介して制御回路３０７に入力される。制御回路３０７は、入力された動作状態信号に基づいて、モータコントロール基板２００（制御回路２０５）の動作状態が正常であるか否かを判断する。その結果、モータコントロール基板２００（制御回路２０５）の動作状態が異常であると判断した場合、制御回路３０７は、制御回路２０５に代わって、ドライバ回路３０４からインバータ回路１０４に出力される駆動信号の制御を行う。たとえば、前述の３相ショートと６相オープンとが交互に繰り返されるように、ドライバ回路３０４に対してゲート制御信号を出力する。これにより、３相モータ１０５とインバータ回路１０４の間で回生電圧に応じた回生エネルギーが消費されるように、ドライバ回路３０４から出力される駆動信号を制御して、インバータ回路１０４の各ＩＧＢＴの動作を制御する。

なお、制御回路２０５は、以上説明したような動作を、高電圧モニタ回路２０８により検知された回生電圧が所定の閾値、たとえば２０Ｖ以上であるときに実行する。この閾値を回生電圧が下回った場合、制御回路２０５は、所定の終了処理を実行した後にその動作を停止することで、ゲートドライブ基板３００へのゲート制御信号および動作状態信号の出力を停止すると共に、動作継続信号の出力を停止する。

制御回路２０５から動作継続信号の出力が停止されると、トランジスタ２１０および２１１がオフされることで、電源回路２０４からの動作電源の供給が停止される。これにより、車両の牽引等が終了して３相モータ１０５の強制回転が行われなくなると、モータコントロール基板２００の動作を直ちに停止させ、１２Ｖ電源１００の消耗を抑えることができる。

なお、上記のように制御回路２０５が動作を停止する電圧閾値は、制御回路３０７が起動信号を出力する前述の電圧閾値よりも低い値で設定することが好ましい。このようにすれば、３相モータ１０５が発生する回生電圧に応じて、モータコントロール基板２００の動作状態を適切に切り替えることができる。

図３は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置１５０における各部分の動作タイミング例を示すタイミングチャートである。

３相モータ１０５が発生する回生電圧により、高電圧モニタ回路３０８に対する高電圧入力が時刻ｔ１において５０Ｖ以上になると、電源回路３０１から動作電源の供給が開始され、ゲートドライブ基板３００が起動される。その後、高電圧モニタ回路３０８に対する高電圧入力が時刻ｔ２において６０Ｖ以上になると、制御回路３０７からモータコントロール基板２００に起動信号が出力される。この起動信号の出力に応じて、電源回路２０４から動作電源の供給が開始され、モータコントロール基板２００が起動される。

モータコントロール基板２００が起動されると、時刻ｔ３において、制御回路２０５からゲートドライブ基板３００に対して、回生エネルギーを消費するためのゲート制御信号UP、VP、WP、UN、VNおよびWNが出力される。これにより、インバータ回路１０４の各ＩＧＢＴを動作させて３相ショートや６相オープンを繰り返し、電圧や温度の上昇を抑えて部品を保護する。

なお、高電圧モニタ回路３０８に対する高電圧入力が時刻ｔ４において５０Ｖ未満になると、ゲートドライブ基板３００の動作が停止されるが、モータコントロール基板２００の動作は継続される。その後、高電圧モニタ回路３０８に対する高電圧入力が時刻ｔ５において５０Ｖ以上になると、ゲートドライブ基板３００が再び起動される。さらに、高電圧モニタ回路３０８に対する高電圧入力が時刻ｔ６において６０Ｖ以上になると、制御回路３０７からモータコントロール基板２００に起動信号が出力される。この場合、モータコントロール基板２００は既に起動済みであるため、そのままモータコントロール基板２００の動作が継続される。

高電圧モニタ回路３０８に対する高電圧入力が時刻ｔ７において５０Ｖ未満になると、ゲートドライブ基板３００の動作が停止される。その後、高電圧モニタ回路３０８に対する高電圧入力が時刻ｔ８において２０Ｖ未満になると、制御回路２０５から動作継続信号の出力が停止されることにより、モータコントロール基板２００の動作が停止される。これにより、１２Ｖ電源１００の消耗や劣化を抑制する。

図４は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置１５０における処理の手順を示すフローチャートである。

ステップＳ１０では、電源回路３０１により、３相モータ１０５からの回生電圧が５０Ｖ以上であるか否かを判定する。キースイッチがオフの状態で車両が牽引等されることにより、３相モータ１０５が発生する回生エネルギーが増大してインバータ回路１０４に印加される回生電圧が５０Ｖ以上になると、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、電源回路３０１から動作電源の供給を開始することで、ゲートドライブ基板３００を起動する。

ステップＳ３０では、制御回路３０７により、３相モータ１０５からの回生電圧が６０Ｖ以上であるか否かを判定する。高電圧モニタ回路３０８で検知した高電圧入力が６０Ｖ以上である場合、制御回路３０７は、回生電圧が６０Ｖ以上であると判定してステップＳ４０に進む。

ステップＳ４０では、制御回路３０７からモータコントロール基板２００に起動信号を出力することで、電源回路２０４から動作電源の供給を開始し、モータコントロール基板２００を起動する。

ステップＳ５０では、制御回路２０５から出力される動作状態信号に基づいて、制御回路３０７により、モータコントロール基板２００の動作状態が正常であるか否かを判断する。その結果、正常であると判断した場合はステップＳ６０に進み、異常であると判断した場合はステップＳ７０に進む。

ステップＳ６０では、制御回路２０５からドライバ回路３０４に対して所定の信号パターンによるゲート制御信号を出力することで、モータコントロール基板２００からゲート制御信号を出力する。これにより、３相モータ１０５とインバータ回路１０４の間で回生エネルギーを消費するために、３相ショートと６相オープンとを繰り返した駆動信号がドライバ回路３０４から出力されるように制御して、インバータ回路１０４の各ＩＧＢＴの動作を制御する。ステップＳ６０を実行したら、ステップＳ８０に進む。

ステップＳ７０では、制御回路３０７からドライバ回路３０４に対して所定の信号パターンによるゲート制御信号を出力することで、ゲートドライブ基板３００からゲート制御信号を出力する。これにより、３相モータ１０５とインバータ回路１０４の間で回生エネルギーを消費するために、３相ショートと６相オープンとを繰り返した駆動信号がドライバ回路３０４から出力されるように制御して、インバータ回路１０４の各ＩＧＢＴの動作を制御する。ステップＳ７０を実行したら、ステップＳ８０に進む。

ステップＳ８０では、電源回路３０１により、３相モータ１０５からの回生電圧が５０Ｖ以上であるか否かを判定する。３相モータ１０５からインバータ回路１０４に印加される回生電圧が５０Ｖ以上を維持している間はステップＳ５０に戻り、５０Ｖ未満になったらステップＳ９０に進む。

ステップＳ９０では、電源回路３０１から動作電源の供給を停止することで、ゲートドライブ基板３００の動作を停止する。

ステップＳ１００では、制御回路２０５により、３相モータ１０５からの回生電圧が２０Ｖ未満であるか否かを判定する。高電圧モニタ回路２０８で検知した高電圧入力が２０Ｖ未満である場合、制御回路２０５は、回生電圧が２０Ｖ未満であると判定してステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０では、制御回路２０５から動作継続信号の出力を停止することで、電源回路２０４からの動作電源の供給を停止し、モータコントロール基板２００の動作を停止する。ステップＳ１１０の処理を実行したら、図４のフローチャートを終了する。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果を奏することができる。

（１）電力変換装置１５０は、車両に搭載された３相モータ１０５に接続されており、インバータ回路１０４、ゲートドライブ基板３００およびモータコントロール基板２００を備える。インバータ回路１０４は、電力変換素子であるＩＧＢＴを複数有し、これらを用いて、直流電源である高圧電源１０６からの直流電力を、３相モータ１０５を駆動するための交流電力に変換する。ゲートドライブ基板３００は、複数のＩＧＢＴを動作させるための駆動信号を出力するドライバ回路３０４を有する。モータコントロール基板２００は、ドライバ回路３０４に駆動信号を出力させるためのゲート制御信号を出力する制御回路２０５と、制御回路２０５に動作電源を供給する電源回路２０４とを有する。この電力変換装置１５０において、電源回路２０４は、車両が非動作状態のときに、３相モータ１０５からインバータ回路１０４に印加される回生電圧が所定の閾値以上になると、制御回路２０５に動作電源を供給する。また、制御回路２０５は、電源回路２０４から動作電源が供給されると起動して、３相モータ１０５とインバータ回路１０４の間で回生電圧に応じた回生エネルギーが消費されるように、ゲート制御信号をドライバ回路３０４に出力する。このようにしたので、車両が非動作状態のときに過電圧が生じた場合であっても、過電圧を抑制することができる。

（２）ゲートドライブ基板３００は、回生電圧を検知する高電圧モニタ回路３０８と、高電圧モニタ回路３０８により検知された回生電圧が所定の閾値以上になると、電源回路２０４を動作させて制御回路２０５を起動させるための起動信号をモータコントロール基板２００に出力する制御回路３０７とをさらに有する。このようにしたので、回生電圧が過電圧状態となったときに、制御回路２０５からドライバ回路３０４にゲート制御信号を確実に出力させることができる。

（３）制御回路３０７は、制御回路２０５の起動時間より少なくとも長い所定の時間、起動信号を出力する。これにより、制御回路３０７からの起動信号により、制御回路２０５を確実に起動させることができる。

（４）制御回路２０５は、電源回路２０４から動作電源が供給されて起動した後に、電源回路２０４の動作を継続させるための動作継続信号を出力する。これにより、制御回路２０５の起動後に回生電圧が低下した場合であっても、制御回路２０５の動作状態を維持することができる。

（５）制御回路２０５は、回生電圧が上記の閾値よりも低い所定の閾値未満になると、動作継続信号の出力を停止する。このようにしたので、車両の牽引等が終了して３相モータ１０５の強制回転が行われなくなると、モータコントロール基板２００の動作を直ちに停止させ、１２Ｖ電源１００の消耗を抑えることができる。

（６）インバータ回路１０４が有する複数のＩＧＢＴは、高圧電源１０６の高電圧側に接続される上アームのＩＧＢＴ、または高圧電源１０６の低電圧側に接続される下アームのＩＧＢＴのいずれかであって、上アームのＩＧＢＴと下アームのＩＧＢＴとを直列に接続した直列回路が高圧電源１０６に複数接続されている。制御回路２０５は、上アームのＩＧＢＴまたは下アームのＩＧＢＴのいずれか一方を全てオンとし、他方を全てオフとすることで、３相モータ１０５とインバータ回路１０４の間で回生電圧に応じた回生エネルギーが消費されるように、ゲート制御信号を出力する。このようにしたので、３相モータ１０５とインバータ回路１０４の間で回生電圧に応じた回生エネルギーが消費されるように、ドライバ回路３０４から出力される駆動信号を制御して、インバータ回路１０４の各ＩＧＢＴの動作を制御することができる。

（７）制御回路２０５は、制御回路２０５の動作状態に関する動作状態信号をゲートドライブ基板３００に出力する。このようにしたので、ゲートドライブ基板３００において、制御回路２０５の動作状態を判断することができる。

（８）制御回路２０５は、制御回路２０５の動作状態に関する動作状態信号をゲートドライブ基板３００に出力する。制御回路３０７は、この動作状態信号に基づいて制御回路２０５の動作状態を判断し、制御回路２０５の動作状態が異常であると判断した場合に、３相モータ１０５とインバータ回路１０４の間で回生電圧に応じた回生エネルギーが消費されるように、制御回路２０５に代わってゲート制御信号をドライバ回路３０４に出力する。このようにしたので、制御回路２０５の動作状態が異常な場合であっても、車両が非動作状態のときに過電圧が生じた場合に、過電圧を抑制することができる。

なお、以上説明した実施形態では、電力変換素子としてＩＧＢＴを用いた例を説明したが、他の電力変換素子を用いてもよい。たとえば、ＭＯＳＦＥＴ等を電力変換素子に用いた電力変換装置においても、本発明を適用可能である。

また、以上説明した実施形態では、車両に搭載される電力変換装置を例として説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されず、様々な用途の電力変換装置において適用することができる。以上の説明はあくまで一例であり、本発明は上記実施形態の構成に何ら限定されるものではない。

１００ １２Ｖ電源
１０４ インバータ回路
１０５ ３相モータ
１０６ 高圧電源
１５０ 電力変換装置
２００ モータコントロール基板
２０４ 電源回路
２０５ 制御回路
２０６ バッファ回路
２０８ 高電圧モニタ回路
３００ ゲートドライブ基板
３０１ 電源回路
３０４ ドライバ回路
３０７ 制御回路
３０８ 高電圧モニタ回路

Claims (8)

1. 車両に搭載されたモータに接続される電力変換装置であって、
   複数の電力変換素子を有し、前記複数の電力変換素子を用いて、直流電源からの直流電力を前記モータを駆動するための交流電力に変換するインバータ回路と、
   前記複数の電力変換素子を動作させるための駆動信号を出力するドライバ回路を有するゲートドライブ基板と、
   前記ドライバ回路に前記駆動信号を出力させるための制御信号を出力する第１の制御回路と、前記モータから前記インバータ回路に印加される回生電圧を検知する第１の電圧検知回路と、前記第１の制御回路および前記第１の電圧検知回路をそれぞれ動作させるための第１の動作電源を供給する第１の電源回路とを有するモータコントロール基板と、を備え、
   前記ゲートドライブ基板は、第２の制御回路と、前記回生電圧を検知する第２の電圧検知回路と、前記ドライバ回路、前記第２の制御回路および前記第２の電圧検知回路をそれぞれ動作させるための第２の動作電源を供給する第２の電源回路とをさらに有し、
   前記第２の電源回路は、前記車両が非動作状態のときに、前記回生電圧が所定の第１の閾値以上の場合は前記第２の動作電源を供給し、前記回生電圧が前記第１の閾値未満の場合は前記第２の動作電源の供給を停止し、
   前記第２の電圧検知回路は、前記第２の電源回路が前記第２の動作電源を供給しているときに、前記回生電圧を検知してその検知結果を前記第２の制御回路に出力し、
   前記第２の制御回路は、前記第２の電源回路が前記第２の動作電源を供給しているときに、前記第２の電圧検知回路から出力された前記回生電圧の検知結果が前記第１の閾値よりも高い所定の第２の閾値以上になると、前記第１の電源回路を動作させて前記第１の制御回路および前記第１の電圧検知回路を起動させるための起動信号を前記モータコントロール基板に出力し、
   前記第１の電源回路は、前記車両が非動作状態のときに、前記第２の制御回路から前記モータコントロール基板に前記起動信号が入力されると、前記第１の動作電源の供給を開始し、
   前記第１の電圧検知回路は、前記第１の電源回路が前記第１の動作電源を供給しているときに、前記回生電圧を検知してその検知結果を前記第１の制御回路に出力し、
   前記第１の制御回路は、前記第１の電源回路が前記第１の動作電源を供給しているときに、前記第１の電圧検知回路から出力された前記回生電圧の検知結果に基づいて、前記モータと前記インバータ回路の間で前記回生電圧に応じた回生エネルギーが消費されるように、前記制御信号を前記ドライバ回路に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、
   前記第２の制御回路は、前記第１の制御回路の起動時間より少なくとも長い所定の時間、前記起動信号を出力することを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置において、
   前記第１の電源回路は、前記第２の電源回路が前記第２の動作電源の供給を停止しても、前記第１の動作電源の供給を続けて前記第１の電圧検知回路および前記第１の制御回路の動作を継続させることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置において、
   前記第１の制御回路は、前記第１の電源回路から前記第１の動作電源が供給されて起動した後に、前記第１の電源回路の動作を継続させるための動作継続信号を出力することを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置において、
   前記第１の制御回路は、前記第１の電圧検知回路から出力された前記回生電圧の検知結果が前記第１の閾値よりも低い所定の第３の閾値未満になると、前記動作継続信号の出力を停止することを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電力変換装置において、
   前記複数の電力変換素子は、前記直流電源の高電圧側に接続される上アームの電力変換素子、または前記直流電源の低電圧側に接続される下アームの電力変換素子のいずれかであって、前記上アームの電力変換素子と前記下アームの電力変換素子とを直列に接続した直列回路が前記直流電源に複数接続されており、
   前記第１の制御回路は、前記上アームの電力変換素子または前記下アームの電力変換素子のいずれか一方を全てオンとし、他方を全てオフとすることで、前記モータと前記インバータ回路の間で前記回生電圧に応じた回生エネルギーが消費されるように、前記制御信号を出力することを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電力変換装置において、
   前記第１の制御回路は、前記第１の制御回路の動作状態に関する動作状態信号を前記ゲートドライブ基板に出力することを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項７に記載の電力変換装置において、
   前記第２の制御回路は、前記動作状態信号に基づいて前記第１の制御回路の動作状態を判断し、前記第１の制御回路の動作状態が異常であると判断した場合に、前記モータと前記インバータ回路の間で前記回生電圧に応じた回生エネルギーが消費されるように、前記第１の制御回路に代わって前記制御信号を前記ドライバ回路に出力することを特徴とする電力変換装置。

Images