JP6426465B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

従来、２つのインバータによりモータの電力を変換するインバータ駆動システムが知られている。例えば特許文献１では、高電圧時において、第１のインバータシステムと第２のインバータシステムのパルス幅変調信号（以下、パルス幅変調を「ＰＷＭ」という。）の基本波成分の位相を１８０［°］ずらすことで２つの電源が電気的に直列接続され、２つの電源電圧の和によりモータを駆動する。また、特許文献１では、低電圧時において、第１のインバータシステムまたは第２のインバータシステムの一方の上アームまたは下アームのいずれかを３相同時オンし、他方をＰＷＭ駆動している。

特開２００６−２３８６８６号公報

しかしながら、特許文献１では、例えばインバータを構成するスイッチング素子に異常が生じた場合について、何ら言及されてない。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、インバータを構成するスイッチング素子に異常が生じた場合であっても、回転電機を駆動可能である電力変換装置を提供することにある。

本発明の電力変換装置は、複数相の巻線を有する回転電機の電力を変換するものであって、第１インバータと、第２インバータと、第１リレーと、第２リレーと、制御部と、を備える。
第１インバータは、巻線の各相に対応して設けられる第１スイッチング素子を有し、巻線の一端および第１電圧源と接続される。
第２インバータは、巻線の各相に対応して設けられる第２スイッチング素子を有し、巻線の他端および第２電圧源と接続される。
第１リレーは、第１インバータと第１電圧源との間に設けられる。
第２リレーは、第２インバータと第２電圧源との間に設けられる。

制御部は、インバータ制御手段、リレー制御手段、および、異常検出手段を有する。インバータ制御手段は、第１インバータおよび第２インバータを制御する。リレー制御手段は、第１リレーおよび第２リレーの開閉を制御する。異常検出手段は、第１インバータおよび第２インバータの異常を検出する。

ここで、高電位側に接続される第１スイッチング素子および第２スイッチング素子を上アーム素子、上アーム素子の低電位側に接続される第１スイッチング素子および第２スイッチング素子を下アーム素子とする。
第１インバータまたは第２インバータのいずれかの相において、上アーム素子と下アーム素子とが短絡する短絡異常が検出された場合、リレー制御手段は、短絡異常が生じた第１インバータまたは第２インバータである短絡インバータと接続される第１リレーまたは第２リレーを開とする。短絡異常が生じている相を短絡相とし、短絡相以外の相を非短絡相とし、短絡異常が生じていない第１インバータまたは第２インバータを非短絡インバータとすると、インバータ制御手段は、短絡インバータの上アーム素子の非短絡相の全相、または、短絡インバータの下アーム素子の非短絡相の全相の一方をオン、他方をオフにし、回転電機の駆動に係る指令値に基づき、非短絡インバータを制御する。
第１態様では、インバータ制御手段は、短絡インバータの非短絡相において、上アーム素子がオンされ下アーム素子がオフされる状態と、上アーム素子がオフされ下アーム素子がオンされる状態とを所定期間毎に切り替える。
第２態様では、回転電機の回転数およびトルクが、非短絡インバータおよび非短絡インバータに接続される第１電圧源または第２電圧源により出力可能な上限値を超えた場合、リレー制御手段は、非短絡インバータ側に設けられる第１リレーまたは第２リレーを開とし、インバータ制御手段は、短絡インバータおよび非短絡インバータをオフにする。
第３態様では、インバータ制御手段は、非短絡インバータにおいて、短絡相の上アーム素子および下アーム素子をオフにし、非短絡相の上アーム素子および下アーム素子を指令値に基づいて制御する。
これにより、短絡インバータと接続される第１電圧源または第２電圧源に過電流が流れるのを防ぐことができ、第１電圧源および第２電圧源を保護することができる。

本発明の一実施形態による電力変換装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態によるモータジェネレータの駆動領域を説明する説明図である。 本発明の一実施形態による片側駆動動作を説明する説明図である。 本発明の一実施形態による反転駆動動作を説明する説明図である。 本発明の一実施形態による上下短絡異常時の３相駆動制御を説明する説明図である。 本発明の一実施形態による上下短絡異常時の２相駆動制御を説明する説明図である。 本発明の一実施形態による上下短絡異常時の２相駆動制御におけるスイッチング素子のオンオフ作動を説明するタイムチャートである。 本発明の一実施形態による３相駆動時および２相駆動時の電流を説明する説明図である。 本発明の一実施形態による上限短絡異常時にモータジェネレータの負荷が高負荷領域となった場合の制御を説明する説明図である。

以下、本発明による電力変換装置を図面に基づいて説明する。
（一実施形態）
本発明の一実施形態による電力変換装置を図１〜図９に基づいて説明する。
図１に示すように、回転電機駆動システム１は、電力変換装置５、および、モータジェネレータ１０を備える。
モータジェネレータ１０は、例えば電気自動車やハイブリッド車両等の電動自動車に適用され、図示しない駆動輪を駆動するためのトルクを発生する、所謂「主機モータ」である。モータジェネレータ１０は、駆動輪を駆動するための電動機としての機能、および、図示しないエンジンや駆動輪から伝わる運動エネルギによって駆動されて発電する発電機としての機能を有する。本実施形態では、モータジェネレータ１０が電動機として機能する場合を中心に説明する。

モータジェネレータ１０は、３相交流の回転機であって、Ｕ相コイル１１、Ｖ相コイル１２、および、Ｗ相コイル１３を有する。Ｕ相コイル１１、Ｖ相コイル１２およびＷ相コイル１３が「巻線」に対応し、以下適宜、Ｕ相コイル１１、Ｖ相コイル１２およびＷ相コイル１３を「コイル１１〜１３」という。

電力変換装置５は、モータジェネレータ１０の電力を変換するものであって、第１インバータ２０、第２インバータ３０、第１リレー５１、第２リレー５２、および、制御部６０等を備える。
第１インバータ２０は、コイル１１〜１３への通電を切り替える３相インバータであり、６つのスイッチング素子であるＵ１上アーム素子２１、Ｖ１上アーム素子２２、Ｗ１上アーム素子２３、Ｕ１下アーム素子２４、Ｖ１下アーム素子２５、および、Ｗ１下アーム素子２６を有する。以下適宜、Ｕ１上アーム素子２１、Ｖ１上アーム素子２２、Ｗ１上アーム素子２３、Ｕ１下アーム素子２４、Ｖ１下アーム素子２５、および、Ｗ１下アーム素子２６を「（第１）スイッチング素子２１〜２６」という。

Ｕ１上アーム素子２１はＵ１下アーム素子２４の高電位側に接続され、Ｖ１上アーム素子はＶ１下アーム素子２５の高電位側に接続され、Ｗ１上アーム素子２３は、Ｗ１下アーム素子２６の高電位側に接続される。以下適宜、高電位側に接続されるＵ１上アーム素子２１、Ｖ１上アーム素子２２、および、Ｗ１上アーム素子２３を「（第１）上アーム素子２１〜２３」、低電位側に接続されるＵ１下アーム素子２４、Ｖ１下アーム素子２５、および、Ｗ１下アーム素子２６を「（第１）下アーム素子２４〜２６」という。

第１インバータ２０は、コイル１１、１２、１３の一端１１１、１２１、１３１と第１電圧源としての第１電源４１との間に接続される。具体的には、Ｕ１上アーム素子２１とＵ１下アーム素子２４との接続点２７がＵ相コイル１１の一端１１１に接続され、Ｖ１上アーム素子２２とＶ１下アーム素子２５の接続点２８がＶ相コイル１２の一端１２１に接続され、Ｗ１上アーム素子２３とＷ１下アーム素子２６との接続点２９がＷ相コイル１３の一端１３１に接続される。また、第１上アーム素子２１〜２３の高電位側を接続する高電位側配線４６が第１電源４１の正極と接続され、第１下アーム素子２４〜２６の低電位側を接続する低電位側配線４７が第１電源４１の負極と接続される。

第２インバータ３０は、コイル１１〜１３への通電を切り替える３相インバータであり、６つのスイッチング素子であるＵ２上アーム素子３１、Ｖ２上アーム素子３２、Ｗ２上アーム素子３３、Ｕ２下アーム素子３４、Ｖ２下アーム素子３５、および、Ｗ２下アーム素子３６を有する。以下適宜、Ｕ２上アーム素子３１、Ｖ２上アーム素子３２、Ｗ２上アーム素子３３、Ｕ２下アーム素子３４、Ｖ２下アーム素子３５、および、Ｗ２下アーム素子３６を「（第２）スイッチング素子３１〜３６」という。

Ｕ２上アーム素子３１はＵ２下アーム素子３４の高電位側に接続され、Ｖ２上アーム素子３２はＶ２下アーム素子３５の高電位側に接続され、Ｗ２上アーム素子３３はＷ２下アーム素子３６の高電位側に接続される。以下適宜、高電位側に接続されるＵ２上アーム素子３１、Ｖ２上アーム素子３２およびＷ２上アーム素子を「（第２）上アーム素子３１〜３３」、低電位側に接続されるＵ２下アーム素子３４、Ｖ２下アーム素子３５およびＷ２下アーム素子３６を「（第２）下アーム素子３４〜３６」という。

第２インバータ３０は、コイル１１、１２、１３の他端１１２、１２２、１３２と第２電圧源としての第２電源４２との間に接続される。具体的には、Ｕ２上アーム素子３１とＵ２下アーム素子３４との接続点３７がＵ相コイル１１の他端１１２に接続され、Ｖ２上アーム素子３２とＶ２下アーム素子３５との接続点３８がＶ相コイル１２の他端１２２に接続され、Ｗ２上アーム素子３３とＷ２下アーム素子３６との接続点３９がＷ相コイル１３の他端１３２に接続される。また、第２上アーム素子３１〜３３の高電位側を接続する高電位側配線４８が第２電源４２の正極と接続され、第２下アーム素子３４〜３６の低電位側を接続する低電位側配線４９が第２電源４２の負極と接続される。
このように、本実施形態では、第１インバータ２０および第２インバータ３０がコイル１１〜１３の両側に接続される。
本実施形態では、スイッチング素子２１〜２６、３１〜３６は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であるが、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）やその他の素子を用いてもよい。

第１電源４１は、リチウムイオン電池等の充放電可能な直流電源であり、第１インバータ２０と接続され、第１インバータ２０を経由してモータジェネレータ１０と電力を授受可能に設けられる。
第２電源４２は、リチウムイオン電池等の充放電可能な直流電源であり、第２インバータ３０と接続され、第２インバータ３０を経由してモータジェネレータ１０と電力を授受可能に設けられる。
本実施形態では、第１電源４１にて印加可能な電圧である第１電源電圧Ｖｂ１と、第２電源４２にて印加可能な電圧である第２電源電圧Ｖｂ２とが等しいものとする。

第１コンデンサ４３は、高電位側配線４６と低電位側配線４７とに接続される。第１コンデンサ４３は、第１電源４１から第１インバータ２０側への電流、または、第１インバータ２０から第１電源４１側への電流を平滑化する平滑コンデンサである。
第２コンデンサ４４は、高電位側配線４８と低電位側配線４９とに接続される。第２コンデンサ４４は、第２電源４２から第２インバータ３０側への電流、または、第２インバータ３０側から第２電源４２側への電流を平滑化する平滑コンデンサである。

第１リレー５１は、第１電源４１と第１インバータ２０との間に設けられる。本実施形態では、第１リレー５１は、高電位側配線４６に設けられ、第１電源４１と第１インバータ２０との間の電流の導通および遮断を切り替え可能である。
第２リレー５２は、第２電源４２と第２インバータ３０との間に設けられる。本実施形態では、第２リレー５２は、高電位側配線４８に設けられ、第２電源４２と第２インバータ３０との間の電流の導通および遮断を切り替え可能である。

制御部６０は、通常のコンピュータとして構成されており、内部にはＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ、および、これらの構成を接続するバスライン等を備える。制御部６０における各処理は、予め記憶されたプログラムをＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理であってもよいし、専用の電子回路によるハードウェア処理であってもよい。

制御部６０は、機能ブロックとして、インバータ制御部６１、リレー制御部６２、および、異常検出部６５を有する。
インバータ制御部６１は、トルク指令値ｔｒｑ^*や電流指令値Ｉｕ^*、Ｉｖ^*、Ｉｗ^*等のモータジェネレータ１０の駆動に係る指令値等に基づき、第１インバータ２０および第２インバータ３０を制御する。詳細には、インバータ制御部６１は、スイッチング素子２１〜２６、３１〜３６のオンオフ作動を制御する制御信号を生成し、スイッチング素子２１〜２６、３１〜３６のゲートに出力する。これにより、第１インバータ２０および第２インバータ３０が制御されることにより、モータジェネレータ１０の駆動が制御される。

リレー制御部６２は、第１リレー５１および第２リレー５２の開閉を制御する。
異常検出部６５は、第１インバータ２０および第２インバータ３０の異常を検出する。本実施形態では、第１インバータ２０または第２インバータ３０のずれかの相において、上アーム素子と下アーム素子とが短絡する上下短絡異常を検出する。上下短絡異常の検出は、どのような方法で検出してもよい。インバータ制御部６１は、異常検出部６５の検出結果に基づき、第１インバータ２０および第２インバータ３０を制御する。また、リレー制御部６２は、異常検出部６５の検出結果に基づき、第１リレー５１および第２リレー５２を制御する。
上下短絡異常が生じた場合の駆動制御については、後述する。

まず、回転電機駆動システム１が正常である場合の通常制御について説明する。本実施形態では、モータジェネレータ１０の回転数およびトルクに応じ、駆動動作を切り替える。図２に示すように、モータジェネレータ１０の回転数およびトルクが第１閾値Ｌ１未満の領域を低負荷領域Ａ１、回転数およびトルクが第１閾値Ｌ１以上、第２閾値Ｌ２未満の領域を高負荷領域Ａ２とする。第１閾値Ｌ１は、第１電源４１または第２電源４２の電力にて出力可能な最大値とする。第２閾値Ｌ２は、第１電源４１および第２電源４２の電力にて出力可能な最大値とする。本実施形態では、第１閾値Ｌ１が、「非短絡インバータおよび非短絡インバータに接続される第１電圧源または第２電圧源により出力可能な上限値」に対応する。

モータジェネレータ１０の回転数およびトルクが低負荷領域Ａ１である場合、第１インバータ２０および第２インバータ３０の動作を片側駆動動作とする。片側駆動動作は、１電源駆動動作と捉えることもできる。
第１電源４１の電力によりモータジェネレータ１０を駆動する第１片側駆動動作では、インバータ制御部６１は、第２上アーム素子３１〜３３の全相、または、第２下アーム素子３４〜３６の全相の一方をオン、他方をオフすることにより、第２インバータ３０を中性点化する。また、インバータ制御部６１は、モータジェネレータ１０の駆動に係る指令値に基づき、第１インバータ２０をＰＷＭ制御により制御する。

図３（ａ）に示す例では、第２上アーム素子３１〜３３の全相がオン、第２下アーム素子３４〜３６の全相がオフされることにより、第２インバータ３０が中性点化される。また、第１インバータ２０において、Ｕ１上アーム素子２１、Ｖ１下アーム素子２５、および、Ｗ１下アーム素子２６がオンされると、図３（ａ）中の矢印Ｙ１で示す経路の電流が流れる。図３では、オンである素子を実線、オフである素子を破線で示す。また、図３中においては、制御部６０や一部の符号の記載を適宜省略した。後述の図４等も同様である。

第２電源４２の電力によりモータジェネレータ１０を駆動する第２片側駆動動作では、第１上アーム素子２１〜２３の全相、または、第１下アーム素子２４〜２６の全相の一方をオン、他方をオフすることにより、第１インバータ２０を中性点化する。また、モータジェネレータ１０の駆動に係る指令値に基づき、第２インバータ３０をＰＷＭ制御により制御する。

図２（ｂ）に示す例では、第１上アーム素子２１〜２３の全相がオン、第１下アーム素子２４〜２６の全相がオフされることにより、第１インバータ２０が中性点化される。また、第２インバータ３０において、Ｕ２上アーム素子３１、Ｖ２下アーム素子３５、および、Ｗ２下アーム素子３６がオンされると、図２（ｂ）中の矢印Ｙ２で示す経路の電流が流れる。

スイッチング素子３１〜３６の熱劣化等に応じ、第２上アーム素子３１〜３３がオンされる状態と、第２下アーム素子３４〜３６がオンされる状態とを適宜切り替えてもよい。第１インバータ２０を中性点化する場合も同様である。
また、第１電源電圧Ｖｂ１と第２電源電圧Ｖｂ２とが等しいので、モータジェネレータ１０に印加される電圧は、第１片側駆動動作と第２片側駆動動作とで等しい。そのため、スイッチング素子２１〜２６、３１〜３６の熱劣化等に応じ、第１片側駆動動作と第２片側駆動動作とを適宜切り替えてもよい。中性点化しない方のインバータ２０、３０は、ＰＷＭ制御に限らず、どのように制御してもよい。他の制御時も同様、ＰＷＭ制御に限らず、どのような制御としてもよい。
なお、第１電源電圧Ｖｂ１と第２電源電圧Ｖｂ２とが異なる場合、電圧が低い方で駆動要求を満たせるときには、高電圧側を中性点化し、低電圧側で駆動する。これにより、スイッチング損失を低減することができる。

モータジェネレータ１０の回転数およびトルクが高負荷領域Ａ２である場合、第１インバータ２０および第２インバータ３０の動作を反転駆動動作とする。反転駆動動作は、２電源駆動動作と捉えることもできる。
反転駆動動作では、インバータ制御部６１は、モータジェネレータ１０の駆動要求に応じた第１基本波Ｆ１に基づいて第１インバータ２０の駆動を制御し、駆動要求に応じた第２基本波Ｆ２に基づいて第２インバータ３０の駆動を制御する。

例えば、インバータ制御部６１は、第１基本波Ｆ１とキャリア波との比較によるＰＷＭ制御により第１制御信号を生成し、第２基本波Ｆ２とキャリア波との比較によるＰＷＭ制御により第２制御信号を生成する。ＰＷＭ制御には、基本波Ｆ１、Ｆ２の振幅がキャリア波の振幅より小さい「正弦波ＰＷＭ制御」、および、基本波Ｆ１、Ｆ２の振幅がキャリア波より大きい「過変調ＰＷＭ制御」を含むものとする。

反転駆動動作において、第１基本波Ｆ１と第２基本波Ｆ２とは、位相が反転されている。換言すると、第１基本波Ｆ１と第２基本波Ｆ２とは、位相が略１８０［°］ずれている。これにより、第１電源４１と第２電源４２とが直列接続されている状態とみなすことができ、第１電源電圧Ｖｂ１と第２電源電圧Ｖｂ２との和に相当する電圧をモータジェネレータ１０に印加可能である。
なお、第１基本波Ｆ１と第２基本波Ｆ２との位相差は、１８０［°］とするが、第１電源電圧Ｖｂ１および第２電源電圧Ｖｂ２の和に相当する電圧をモータジェネレータ１０に印加可能な程度のずれは許容される。

第１基本波Ｆ１の振幅と第２基本波Ｆ２の振幅とは、等しくてもよいし、異なっていてもよい。第１基本波Ｆ１と第２基本波Ｆ２の振幅および波形が等しい場合、各相にてオンされる素子が第１インバータ２０と第２インバータ３０とで上下反対となる。
図４に示す例では、Ｕ１上アーム素子２１、Ｖ１下アーム素子２５、Ｗ１下アーム素子２６、Ｖ２上アーム素子３２、Ｗ２上アーム素子３３、および、Ｕ２下アーム素子３４がオンされ、このとき、矢印Ｙ３で示す経路の電流が流れる。

また、第１基本波Ｆ１と第２基本波Ｆ２とは、ともに正弦波である場合のように同様の波形であってもよいし、例えば第１インバータ２０または第２インバータ３０の一方を正弦波ＰＷＭ制御し、他方を過変調ＰＷＭ制御するといった場合のように、異なる波形であってもよい。また、振幅を無限大とみなし、基本波Ｆ１、Ｆ２の半周期ごとにオンオフが切り替えられる矩形波制御としてもよい。矩形波制御は、１８０度通電制御ともいえる。また、矩形波制御に替えて、基本波Ｆ１、Ｆ２に基づく１２０度通電制御としてもよい。
なお、反転駆動動作にて、振幅や波形が異なる場合、各相にてオンされる素子は、第１インバータ２０と第２インバータ３０とで、必ずしも上下反対にならない。

図３および図４に示すように、インバータ制御部６１は、正常時には、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相を用いる３相駆動制御により第１インバータ２０および第２インバータ３０を制御する。
また、リレー制御部６２は、正常時には、第１リレー５１および第２リレー５２を閉にする。なお、片側駆動動作において、第１インバータ２０を中性点化する場合、第１リレー５１を開としてもよいし、第２インバータ３０を中性点化する場合、第２リレー５２を開としてもよい。

次に、上下短絡異常が生じた場合の駆動制御について説明する。本実施形態では、図５〜図８にて「×」印を付した第１インバータ２０のＵ１上アーム素子２１とＵ１下アーム素子２４とが短絡した場合の例を説明する。この場合、第１インバータ２０が「短絡インバータ」、第２インバータ３０が「非短絡インバータ」、Ｕ相が「短絡相」、Ｖ相およびＷ相が「非短絡相」である。なお、第１インバータ２０のＶ相またはＷ相が上下短絡した場合、もしくは、第２インバータ３０のいずれかの相が上下短絡した場合も同様であるので、説明を省略する。

図５および図６に示すように、リレー制御部６２は、短絡インバータ側のリレーである第１リレー５１を開にする。これにより、短絡電流から第１電源４１を保護することができる。また、インバータ制御部６１は、モータジェネレータ１０の駆動に係る指令値に基づいて、非短絡インバータである第２インバータ３０を制御する。また、第２インバータ３０を３相駆動制御または２相駆動制御するとき、リレー制御部６２は、非短絡インバータ側のリレーである第２リレー５２を閉にする。

図５は、第２インバータ３０を３相駆動制御する場合を示している。
インバータ制御部６１は、短絡インバータである第１インバータ２０を中性点化し、非短絡インバータである第２インバータ３０をスイッチングし、第２電源４２の電力によりモータジェネレータ１０を駆動する。

インバータ制御部６１は、第１インバータ２０の非短絡相であるＶ相およびＷ相の上アーム素子２２、２３、または、下アーム素子２５、２６の一方をオン、他方をオフにする。図５（ａ）に示すように、第１インバータ２０のＶ相およびＷ相の上アーム素子２２、２３をオン、下アーム素子２５、２６をオフにすることで、第１インバータ２０側を中性点化することができる。また、図５（ｂ）に示すように、第１インバータ２０のＶ相およびＷ相の上アーム素子２２、２３をオフ、下アーム素子２５、２６をオンにすることで、第１インバータ２０を中性点化することができる。

本実施形態では、インバータ制御部６１は、スイッチング素子間の熱損失の偏りを低減すべく、図５（ａ）に示す上アーム素子２２、２３をオン、下アーム素子２５、２６をオフにする第１状態と、図５（ｂ）に示す上アーム素子２２、２３をオフ、下アーム素子２５、２６をオンにする第２状態とを、所定期間毎に切り替える。第１状態と第２状態との切り替えに係る所定期間は、素子温度の上昇程度に応じて設定される。なお、通電量等に応じて切り替え期間を可変にしてもよいし、第１状態の期間と第２状態の期間とを異ならせてもよい。

第２インバータ３０は、ＰＷＭ制御等により３相駆動制御される。例えば、図５に示す例では、Ｕ２上アーム素子３１、Ｖ２下アーム素子３５、および、Ｗ２下アーム素子３６がオンされているとき、矢印Ｙ４または矢印Ｙ５で示す経路の電流が流れる。これにより、正常時における片側駆動時と同様に、モータジェネレータ１０を駆動することができる。なお、第２インバータ３０を３相駆動する場合、短絡している第１インバータ２０のＵ１上アーム素子２１またはＵ１下アーム素子２４に電流が流れる。３相駆動制御時の相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗは、図８（ａ）に示す如くの３相交流となる。

図６は、第２インバータ３０を２相駆動制御する場合を示している。
第１インバータ２０の制御は、図５にて説明した３相駆動制御時と同様である。図６には、第１インバータ２０の上アーム素子２２、２３をオンすることにより第１インバータ２０を中性点化する例を示しているが、下アーム素子２５、２６をオンすることにより中性点化してもよいし、所定期間毎に切り替えてもよい。

図７は、２相駆動時のスイッチング状態を示している。
図７（ａ）、（ｂ）に示すように、インバータ制御部６１は、第１インバータ２０において、Ｖ１上アーム素子２２およびＷ１上アーム素子２３をオン、Ｖ１下アーム素子２５およびＷ１下アーム素子２６をオフにする。

図７（ｃ）に示すように、インバータ制御部６１は、第２インバータ３０において、短絡相であるＵ相の上アーム素子３１および下アーム素子３４をオフにする。
図７（ｄ）、（ｅ）に示すように、インバータ制御部６１は、第２インバータ３０において、非短絡相であるＶ２上アーム素子３２とＷ２上アーム素子３３のオンオフが反対となるように、モータジェネレータ１０の駆動に係る指令値に基づいて制御する。すなわち、インバータ制御部６１は、Ｖ２上アーム素子３２がオンのとき、Ｗ２上アーム素子３３がオフ、Ｖ２上アーム素子３２がオフの時、Ｗ２上アーム素子３３がオンとなるように制御する。なお、Ｖ２下アーム素子３５は、Ｖ２上アーム素子３２とオンオフが反対となるように制御され、Ｗ２下アーム素子３６は、Ｗ２上アーム素子３３とオンオフが反対となるように制御される。
例えば、Ｖ１上アーム素子２２、Ｗ１上アーム素子２３、Ｖ２上アーム素子３２およびＷ２下アーム素子３６がオンされているとき、図６に矢印Ｙ６で示す経路の電流が流れる。

図８（ａ）は、３相駆動時の電流波形を示し、図８（ｂ）は、２相駆動時の電流波形を示す。図８に示すように、３相駆動時と２相駆動時とでは、電流位相が異なる。図８（ｂ）に示すように、２相駆動を行うと、Ｗ相電流Ｉｗは、Ｖ相電流Ｉｖを反転した電流となる。また、２相駆動では、Ｖ相電流ＩｖとＷ相電流Ｉｗとの和がゼロとなる。すなわち、Ｖ相電流Ｉｖがゼロのとき、Ｗ相電流Ｉｗもゼロとなり、ｑ軸電流Ｉｑは変動する。ｑ軸電流Ｉｑの変動によるトルク変動があるものの、２相駆動制御とすることで、短絡相を用いることなく、より安全にモータジェネレータ１０の駆動を行うことができる。

本実施形態では、上下短絡異常が生じた場合、第１リレー５１を開とするので、短絡インバータ側の電源である第１電源４１をモータジェネレータ１０の駆動に用いることができない。そのため、片側駆動にて出力可能な最大値である第１閾値Ｌ１よりも回転数またはトルクが大きい高負荷領域Ａ２でモータジェネレータ１０を駆動することができない。ここで、外力によりモータジェネレータ１０の回転数およびトルクが高負荷領域Ａ２で駆動されると、過大な電流が流れる虞がある。そこで本実施形態では、モータジェネレータ１０の回転数およびトルクが第１閾値Ｌ１より大きい高負荷領域Ａ２である場合、図９に示すように、第１リレー５１および第２リレー５２を共に開にする。また、上下短絡しているＵ１上アーム素子２１およびＵ１下アーム素子２４を除く全てのスイッチング素子２２、２３、２５、２６、３１〜３６をオフにする。上下短絡しているＵ１上アーム素子２１およびＵ１下アーム素子２４を除く全てのスイッチング素子２２、２３、２５、２６、３１〜３６をオフすることが、「短絡インバータおよび非短絡インバータをオフにする」ことに対応する。これにより、外力によりモータジェネレータ１０が駆動されて生じる過電流が第１電源４１および第２電源４２に流れるのを防ぐことができ、第１電源４１および第２電源４２を保護することができる。

以上詳述したように、電力変換装置５は、複数相のコイル１１、１２、１３を有するモータジェネレータ１０の電力を変換するものであって、第１インバータ２０と、第２インバータ３０と、第１リレー５１と、第２リレー５２と、制御部６０と、を備える。
第１インバータ２０は、コイル１１、１２、１３の各相に対応して設けられる第１スイッチング素子２１〜２６を有し、コイル１１、１２、１３の一端１１１、１２１、１３１および第１電源４１と接続される。
第２インバータ３０は、コイル１１、１２、１３の各相に対応して設けられる第２スイッチング素子３１〜３６を有し、コイル１１、１２、１３の他端１１２、１２２、１３２および第２電源４２と接続される。
第１リレー５１は、第１インバータ２０と第１電源４１との間に設けられる。
第２リレー５２は、第２インバータ３０と第２電源４２との間に設けられる。

制御部６０は、インバータ制御部６１、リレー制御部６２、および、異常検出部６５を有する。
インバータ制御部６１は、第１インバータ２０および第２インバータ３０を制御する。リレー制御部６２は、第１リレー５１および第２リレー５２の開閉を制御する。異常検出部６５は、第１インバータ２０および第２インバータ３０の異常を検出する。
ここで、高電位側に接続される第１スイッチング素子および第２スイッチング素子を上アーム素子２１〜２３、３１〜３３、上アーム素子２１〜２３、３１〜３３の低電位側に接続される第１スイッチング素子および第２スイッチング素子を下アーム素子２４〜２６、３４〜３６とする。
第１インバータ２０または第２インバータ３０のいずれかの相において、上アーム素子と下アーム素子とが短絡する短絡異常が検出された場合、リレー制御部６２は、短絡異常が生じた第１インバータ２０または第２インバータ３０である短絡インバータと接続される第１リレー５１または第２リレー５２を開とする。
これにより、短絡インバータと接続される第１電源４１または第２電源４２に過電流が流れるのを防ぐことができ、第１電源４１および第２電源４２を保護することができる。

短絡異常が生じている相を短絡相とし、短絡相以外の相を非短絡相とし、短絡異常が生じていない第１インバータ２０または第２インバータ３０を非短絡インバータとする。
インバータ制御部６１は、短絡インバータの上アーム素子の非短絡相の全相、または、短絡インバータの下アーム素子の非短絡相の全相の一方をオン、他方をオフにする。また、インバータ制御部６１は、モータジェネレータ１０の駆動に係る指令値に基づき、非短絡インバータを制御する。
短絡インバータを中性点化し、非短絡インバータ側を用いることにより、モータジェネレータ１０の駆動を継続することができる。

インバータ制御部６１は、短絡インバータにおいて、上アーム素子がオンされ下アーム素子がオフされる状態と、上アーム素子がオフされて下アーム素子がオンされる状態とを所定期間毎に切り替える。例えば、短絡インバータが第１インバータ２０であり、短絡相がＵ相である場合、インバータ制御部６１は、Ｖ１上アーム素子２２およびＷ１上アーム素子２３がオンされ、Ｖ１下アーム素子２５およびＷ１下アーム素子２６がオンされる状態と、Ｖ１上アーム素子２２およびＷ１上アーム素子２３がオフされ、Ｖ１下アーム素子２５およびＷ１下アーム素子２６がオンされる状態と、を所定期間毎に切り替える。
これにより、短絡インバータにおける非短絡相の熱損失の偏りを低減することができる。

モータジェネレータ１０の回転数およびトルクが、非短絡インバータおよび非短絡インバータに接続される第１電源４１または第２電源４２により出力可能な上限値（本実施形態では、第１閾値Ｌ１）を超えた場合、リレー制御部６２は、非短絡インバータ側に設けられる第１リレー５１または第２リレー５２を開とする。すなわち、モータジェネレータ１０の回転数およびトルクが、非短絡インバータおよび非短絡インバータに接続される第１電源４１または第２電源４２により出力可能な上限値を超えた場合、リレー制御部６２は、第１リレー５１および第２リレー５２を共に開にする。また、インバータ制御部６１は、短絡インバータおよび非短絡インバータをオフにする。
これにより、モータジェネレータ１０が外力により駆動されて生じる過電流が第１電源４１および第２電源４２に流れるのを防ぎ、第１電源４１および第２電源４２を保護することができる。

インバータ制御部６１は、非短絡インバータにおいて、短絡相の上アーム素子および下アーム素子をオフにし、非短絡相の上アーム素子および下アーム素子を指令値に基づいて制御する。例えば、非短絡インバータを第２インバータ３０、短絡相をＵ相、非短絡相をＶ相およびＷ相とすると、Ｕ２上アーム素子３１およびＵ２下アーム素子３４をオフにし、Ｖ相およびＷ相のスイッチング素子３２、３３、３５、３６を指令値に基づいて制御する。すなわち、非短絡インバータを、短絡相を除く２相を用いた２相駆動制御とする。
これにより、短絡相を使用することなく、より安全にモータジェネレータ１０を駆動することができる。
本実施形態では、インバータ制御部６１が「インバータ制御手段」を構成し、リレー制御部６２が「リレー制御手段」を構成し、異常検出部６５が「異常検出手段」を構成する。

（他の実施形態）
（ア）リレー
上記実施形態では、第１リレーおよび第２リレーは、高電位側配線に設けられる。他の実施形態では、第１リレーおよび第２リレーは、短絡箇所と第１電源または第２電源とを切り離せればよく、第１リレーおよび第２リレーの少なくとも一方を低電位側配線に設けてもよい。また、高電位側配線および低電位側配線にリレーを設け、２つのリレーを第１リレーとみなしてもよい。また、上記実施形態では、第１リレーは、コンデンサよりも第１電源側に設けられる。他の実施形態では、第１リレーをコンデンサよりも第１インバータ側に設けてもよい。第２リレーについても同様である。

（イ）電源
上記実施形態では、第１電源および第２電源は、ともにリチウムイオン電池であり、第１電圧と第２電圧とが等しい。他の実施形態では、第１電源および第２電源の少なくとも一方をリチウムイオンバッテリ以外の鉛蓄電池、燃料電池、または、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等のキャパシタであってもよい。また、第１電源および第２電源の種類および電圧は異なっていてもよい。さらにまた、第１電源または第２電源の一方を、エンジン等の駆動源により駆動されて発電する発電機等としてもよい。

（ウ）回転電機
上記実施形態では、回転電機はモータジェネレータである。他の実施形態では、回転電機は、発電機の機能を持たない電動機であってもよいし、電動機の機能を持たない発電機であってもよい。また、上記実施形態の回転電機は３相である。他の実施形態では、回転電機は、４相以上としてもよい。
また、上記実施形態では、回転電機が電動車両の主機モータである。他の実施形態では、回転電機は、主機モータに限らず、例えばスタータ機能とオルタネータ機能とを併せ持つ、所謂ＩＳＧ（Integrated Starter Generator）や、補機モータであってもよい。また、電力変換装置を車両以外の装置に適用してもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

５・・・電力変換装置
１０・・・モータジェネレータ（回転電機）
１１〜１３・・・コイル（巻線）
２０・・・第１インバータ ３０・・・第２インバータ
５１・・・第１リレー ５２・・・第２リレー
６０・・・制御部
６１・・・インバータ制御部（インバータ制御手段）
６２・・・リレー制御部（リレー制御手段）
６５・・・異常検出部（異常検出手段）

Claims (5)

1. 複数相の巻線（１１、１２、１３）を有する回転電機（１０）の電力を変換する電力変換装置であって、
   前記巻線の各相に対応して設けられる第１スイッチング素子（２１〜２６）を有し、前記巻線の一端（１１１、１２１、１３１）および第１電圧源（４１）と接続される第１インバータ（２０）と、
   前記巻線の各相に対応して設けられる第２スイッチング素子（３１〜３６）を有し、前記巻線の他端（１１２、１２２、１３２）および第２電圧源（４２）と接続される第２インバータ（３０）と、
   前記第１インバータと前記第１電圧源との間に設けられる第１リレー（５１）と、
   前記第２インバータと前記第２電圧源との間に設けられる第２リレー（５２）と、
   前記第１インバータおよび前記第２インバータを制御するインバータ制御手段（６１）、前記第１リレーおよび前記第２リレーの開閉を制御するリレー制御手段（６２）、および、前記第１インバータおよび前記第２インバータの異常を検出する異常検出手段（６５）を有する制御部（６０）と、
   を備え、
   高電位側に接続される前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子を上アーム素子（２１〜２３、３１〜３３）、前記上アーム素子の低電位側に接続される前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子を下アーム素子（２４〜２６、３４〜３６）とすると、
   前記第１インバータまたは前記第２インバータのいずれかの相において、前記上アーム素子と前記下アーム素子とが短絡する短絡異常が検出された場合、
   前記リレー制御手段は、前記短絡異常が生じた前記第１インバータまたは前記第２インバータである短絡インバータと接続される前記第１リレーまたは前記第２リレーを開とし、
   前記短絡異常が生じている相を短絡相とし、前記短絡相以外の相を非短絡相とし、前記短絡異常が生じていない前記第１インバータまたは前記第２インバータを非短絡インバータとすると、
   前記インバータ制御手段は、
   前記短絡インバータの前記上アーム素子の前記非短絡相の全相、または、前記短絡インバータの前記下アーム素子の前記非短絡相の全相の一方をオン、他方をオフにし、
   前記回転電機の駆動に係る指令値に基づき、前記非短絡インバータを制御し、
   前記短絡インバータの前記非短絡相において、前記上アーム素子がオンされ前記下アーム素子がオフされる状態と、前記上アーム素子がオフされ前記下アーム素子がオンされる状態とを所定期間毎に切り替えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記回転電機の回転数およびトルクが、前記非短絡インバータおよび前記非短絡インバータに接続される前記第１電圧源または前記第２電圧源により出力可能な上限値を超えた場合、
   前記リレー制御手段は、前記非短絡インバータ側に設けられる前記第１リレーまたは前記第２リレーを開とし、
   前記インバータ制御手段は、前記短絡インバータおよび前記非短絡インバータをオフにすることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 複数相の巻線（１１、１２、１３）を有する回転電機（１０）の電力を変換する電力変換装置であって、
   前記巻線の各相に対応して設けられる第１スイッチング素子（２１〜２６）を有し、前記巻線の一端（１１１、１２１、１３１）および第１電圧源（４１）と接続される第１インバータ（２０）と、
   前記巻線の各相に対応して設けられる第２スイッチング素子（３１〜３６）を有し、前記巻線の他端（１１２、１２２、１３２）および第２電圧源（４２）と接続される第２インバータ（３０）と、
   前記第１インバータと前記第１電圧源との間に設けられる第１リレー（５１）と、
   前記第２インバータと前記第２電圧源との間に設けられる第２リレー（５２）と、
   前記第１インバータおよび前記第２インバータを制御するインバータ制御手段（６１）、前記第１リレーおよび前記第２リレーの開閉を制御するリレー制御手段（６２）、および、前記第１インバータおよび前記第２インバータの異常を検出する異常検出手段（６５）を有する制御部（６０）と、
   を備え、
   高電位側に接続される前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子を上アーム素子（２１〜２３、３１〜３３）、前記上アーム素子の低電位側に接続される前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子を下アーム素子（２４〜２６、３４〜３６）とすると、
   前記第１インバータまたは前記第２インバータのいずれかの相において、前記上アーム素子と前記下アーム素子とが短絡する短絡異常が検出された場合、
   前記リレー制御手段は、前記短絡異常が生じた前記第１インバータまたは前記第２インバータである短絡インバータと接続される前記第１リレーまたは前記第２リレーを開とし、
   前記短絡異常が生じている相を短絡相とし、前記短絡相以外の相を非短絡相とし、前記短絡異常が生じていない前記第１インバータまたは前記第２インバータを非短絡インバータとすると、
   前記インバータ制御手段は、
   前記短絡インバータの前記上アーム素子の前記非短絡相の全相、または、前記短絡インバータの前記下アーム素子の前記非短絡相の全相の一方をオン、他方をオフにし、
   前記回転電機の駆動に係る指令値に基づき、前記非短絡インバータを制御し、
   前記回転電機の回転数およびトルクが、前記非短絡インバータおよび前記非短絡インバータに接続される前記第１電圧源または前記第２電圧源により出力可能な上限値を超えた場合、
   前記リレー制御手段は、前記非短絡インバータ側に設けられる前記第１リレーまたは前記第２リレーを開とし、
   前記インバータ制御手段は、前記短絡インバータおよび前記非短絡インバータをオフにすることを特徴とする電力変換装置。
4. 前記インバータ制御手段は、前記非短絡インバータにおいて、前記短絡相の前記上アーム素子および前記下アーム素子をオフにし、前記非短絡相の前記上アーム素子および前記下アーム素子を前記指令値に基づいて制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 複数相の巻線（１１、１２、１３）を有する回転電機（１０）の電力を変換する電力変換装置であって、
   前記巻線の各相に対応して設けられる第１スイッチング素子（２１〜２６）を有し、前記巻線の一端（１１１、１２１、１３１）および第１電圧源（４１）と接続される第１インバータ（２０）と、
   前記巻線の各相に対応して設けられる第２スイッチング素子（３１〜３６）を有し、前記巻線の他端（１１２、１２２、１３２）および第２電圧源（４２）と接続される第２インバータ（３０）と、
   前記第１インバータと前記第１電圧源との間に設けられる第１リレー（５１）と、
   前記第２インバータと前記第２電圧源との間に設けられる第２リレー（５２）と、
   前記第１インバータおよび前記第２インバータを制御するインバータ制御手段（６１）、前記第１リレーおよび前記第２リレーの開閉を制御するリレー制御手段（６２）、および、前記第１インバータおよび前記第２インバータの異常を検出する異常検出手段（６５）を有する制御部（６０）と、
   を備え、
   高電位側に接続される前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子を上アーム素子（２１〜２３、３１〜３３）、前記上アーム素子の低電位側に接続される前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子を下アーム素子（２４〜２６、３４〜３６）とすると、
   前記第１インバータまたは前記第２インバータのいずれかの相において、前記上アーム素子と前記下アーム素子とが短絡する短絡異常が検出された場合、
   前記リレー制御手段は、前記短絡異常が生じた前記第１インバータまたは前記第２インバータである短絡インバータと接続される前記第１リレーまたは前記第２リレーを開とし、
   前記短絡異常が生じている相を短絡相とし、前記短絡相以外の相を非短絡相とし、前記短絡異常が生じていない前記第１インバータまたは前記第２インバータを非短絡インバータとすると、
   前記インバータ制御手段は、
   前記短絡インバータの前記上アーム素子の前記非短絡相の全相、または、前記短絡インバータの前記下アーム素子の前記非短絡相の全相の一方をオン、他方をオフにし、
   前記回転電機の駆動に係る指令値に基づき、前記非短絡インバータを制御し、
   前記非短絡インバータにおいて、前記短絡相の前記上アーム素子および前記下アーム素子をオフにし、前記非短絡相の前記上アーム素子および前記下アーム素子を前記指令値に基づいて制御することを特徴とする電力変換装置。

Images