JP6469894B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置に関する。
スイッチング素子が上アームと下アームよりなるブリッジ回路として形成されるインバータを備えた電力変換装置において、障害発生時に過電圧が発生するのを防止する為に、下アームのスイッチング素子の少なくとも１つが、電源電圧が加わっていないときに導通状態になるように実現されているインバータが知られている。特許文献１では、上下アームにノーマリオフ型のスイッチング素子を使用し、電源電圧の喪失時に下アームのスイッチング素子をオンさせるインバータ装置が開示されている。
上述した特許文献１に記載の回路構成では、インバータの通常の動作において反転回路を使用してスイッチング素子を制御しなければならないため、回路構成が複雑になる。
本発明による電力変換装置は、スイッチング素子により構成され、直流電圧を入力して交流電圧を出力するインバータ回路と、前記スイッチング素子を駆動する為のドライブ信号を出力するゲート駆動回路と、前記ドライブ信号を出力する為のゲート電源電圧を前記ゲート駆動回路に供給するゲート電源回路と、前記スイッチング素子をオンさせる為の電荷を蓄電する蓄電回路と、を備え、前記蓄電回路は、前記ゲート電源回路が正常状態の場合には、前記ゲート電源電圧により前記電荷を蓄電し、前記ゲート電源回路が異常状態の場合には、前記電荷を前記スイッチング素子に供給して前記スイッチング素子をオン状態にする。
本発明によれば、回路構成が複雑になることなく、電源電圧の喪失に対応可能な電力変換装置を提供できる。
図１は、本発明の一実施形態に係わる電力変換装置の回路構成図である。
電力変換装置１は、バッテリ２からのＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換してモータージェネレータ３を駆動する。モータージェネレータ３は、電気自動車やハイブリッド自動車などの車両の各種動力として用いられる。キャパシタ４はバッテリ２と並列に接続され、電力変換時に変動する電圧を平滑化する。コンタクタ５は、バッテリ２と電力変換装置１との接続および切り離しを行う。コンタクタ５の開閉は、コントローラ６により制御され、コントローラ６からのコンタクタ開閉信号により開閉動作する。
電力変換装置１は、バッテリ２からのＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換してモータージェネレータ３を駆動する。モータージェネレータ３は、電気自動車やハイブリッド自動車などの車両の各種動力として用いられる。キャパシタ４はバッテリ２と並列に接続され、電力変換時に変動する電圧を平滑化する。コンタクタ５は、バッテリ２と電力変換装置１との接続および切り離しを行う。コンタクタ５の開閉は、コントローラ６により制御され、コントローラ６からのコンタクタ開閉信号により開閉動作する。
電流センサ７は、モータージェネレータ３を駆動する三相の電流値を検出し、コントローラ６へ出力する。コントローラ６は、電流センサ７からの電流値などを基に、モータージェネレータ３が所望のトルク、回転数となるＰＷＭ（パルス幅変調）信号を電力変換装置１に与える。
電力変換装置１は、インバータ回路８、ゲート制御回路９、ゲート電源回路１０を備えている。インバータ回路８は３相ブリッジ構成のスイッチング素子８１により構成され、各々２つのスイッチング素子８１から成る上下アーム直列回路８Ｕ、８Ｖ、８ＷがＵ相、Ｖ相およびＷ相に対応して設けられている。上下アーム直列回路８Ｕ、８Ｖ、８Ｗは、それぞれ正極ラインＰと負極ラインＮに電気的に接続される。
インバータ回路８の３相ブリッジ構成の各スイッチング素子８１を駆動制御するために６相分のゲート制御回路９が設けられている。ゲート電源回路１０は、各ゲート制御回路９にスイッチング素子８１をターンオンさせるのに必要なゲート電源電圧を供給する。
図２は、ゲート制御回路９の回路構成図である。各ゲート制御回路９は、ゲート駆動回路９１、電源供給回路９２、蓄電回路９３を備える。
ゲート駆動回路９１は、コントローラ６からのＰＷＭ（パルス幅変調）信号Ｐ１に基づいてインバータ回路８のスイッチング素子８１のスイッチング制御を行う。すなわち、ゲート駆動回路９１は、下アームを駆動する場合、ゲート電源回路１０から供給されたゲート電源電圧を用いて、下アームＰＷＭ信号を絶縁かつ増幅し、これをドライブ信号として下アームのスイッチング素子８１のゲート電極に出力する。同様に上アームを駆動する場合には、ゲート電源回路１０から供給されたゲート電源電圧を用いて、上アームＰＷＭ信号を絶縁かつ増幅し、これをドライブ信号として上アームのスイッチング素子８１のゲート電極に出力する。これにより、各スイッチング素子８１は入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作する。
ゲート駆動回路９１は、コントローラ６からのＰＷＭ（パルス幅変調）信号Ｐ１に基づいてインバータ回路８のスイッチング素子８１のスイッチング制御を行う。すなわち、ゲート駆動回路９１は、下アームを駆動する場合、ゲート電源回路１０から供給されたゲート電源電圧を用いて、下アームＰＷＭ信号を絶縁かつ増幅し、これをドライブ信号として下アームのスイッチング素子８１のゲート電極に出力する。同様に上アームを駆動する場合には、ゲート電源回路１０から供給されたゲート電源電圧を用いて、上アームＰＷＭ信号を絶縁かつ増幅し、これをドライブ信号として上アームのスイッチング素子８１のゲート電極に出力する。これにより、各スイッチング素子８１は入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作する。
電源供給回路９２は、詳細は後述するが、ゲート電源回路１０が異常となった場合にコントローラ６から出力される信号に応じて、蓄電回路９３に電圧を供給する。蓄電回路９３は、通常は、ゲート電源回路１０から供給されるゲート電源電圧により充電され、ゲート電源回路１０が異常となった場合は、電源供給回路９２から供給された電圧に応答して、充電した電力を放電する。これにより、スイッチング素子８１のゲートを充電し、スイッチング素子８１をＯＮ状態にする。
ここで、モータージェネレータ３を搭載した車両が牽引される場合について説明する。通常、車両が牽引される状況においては、コンタクタ５がオフされ、インバータ回路８がバッテリ２と切り離された状態でモータージェネレータ３が空転する状態が発生する。モータージェネレータ３に同期電動機が用いられる場合、磁石を搭載するロータから発生する磁束がステータの巻線と鎖交することによりモータージェネレータ３の端子に誘起電圧を発生させる。
車両が牽引される場合、インバータ回路８のスイッチング素子８１の全てをターンオフする三相オープンモードにおいて、誘起電圧によって発生する誘導電流はスイッチング素子８１のダイオードを通して、平滑用のキャパシタ４を充電し、その電圧を上昇させる。誘起電圧は回転数に比例するため、車両が高速で牽引される場合、モータージェネレータ３の端子電圧が高くなる。そのため、キャパシタ４やスイッチング素子８１等の電力変換装置１内の部品の耐圧を超える可能性がある。
そのため、通常は電力変換装置１の電気的な耐圧をモータージェネレータ３の最大誘起電圧以下となるように設計する必要があるが、車両に要求されるトルクとインバータ回路８に通電できる最大電流との兼ね合いから、通電電流を低めにしてモータ磁石の出力を大きく設計することが必要な場合がある。この場合、誘起電圧が高くなり、上述の問題が生じる。
そこで、車両の牽引時に電力変換装置１を起動させ、コントローラ６によりインバータ回路８の上アームまたは下アームの全相をターンオンさせてモータージェネレータ３を三相ショートモードにし、モータージェネレータ３の誘起電圧がキャパシタ４を充電しないようにする方法を採用する場合があった。しかし、車両の牽引時にインバータ回路８を起動させる必要があることから、事故等によりゲート電源回路１０が異常状態となって起動しない場合、スイッチング素子８１をターンオンすることができず、インバータ回路８を三相ショートモードに移行できない。そのため、車両を牽引ができない、もしくは誘起電圧が高くならないように低速度で車両を牽引しなければならない。本実施形態では、以下に説明するように、事故等によりゲート電源回路１０が異常となった場合でも、モータージェネレータ３を三相ショートモードに移行することができる。
図３は、本実施形態における電力変換装置１の一部を詳細に示す回路構成図である。
コントローラ６は、ＰＷＭ信号Ｐ１をゲート駆動回路９１の駆動回路９１１に与える。駆動回路９１１は、ゲートドライバICで構成され、駆動回路９１１より出力された信号Ｐ２は、バッファ回路９１２を構成するトランジスタのゲート端子に入力される。バッファ回路９１２は、ゲート電源回路１０よりゲート電源電圧が供給され、抵抗とトランジスタが直列に接続された増幅回路を構成し、その出力はドライブ信号としてスイッチング素子８１のゲート端子に接続される。これにより、ゲート電源回路１０が正常に動作している通常の状態では、コントローラ６からのＰＷＭ信号Ｐ１に応じてゲート駆動回路９１からドライブ信号が出力され、スイッチング素子８１が駆動制御される。また、駆動回路９１１は、ゲート電源回路１０のゲート電源電圧値Ｐ３を検知しており、ゲート電源回路１０の故障によりゲート電源電圧がスイッチング素子８１を駆動できない電圧以下になった場合に、コントローラ６へ信号Ｐ４を出力する。なお、図示省略したが、ゲート電源回路１０は、例えばフライバックコンバータによって構成される。
コントローラ６は、ＰＷＭ信号Ｐ１をゲート駆動回路９１の駆動回路９１１に与える。駆動回路９１１は、ゲートドライバICで構成され、駆動回路９１１より出力された信号Ｐ２は、バッファ回路９１２を構成するトランジスタのゲート端子に入力される。バッファ回路９１２は、ゲート電源回路１０よりゲート電源電圧が供給され、抵抗とトランジスタが直列に接続された増幅回路を構成し、その出力はドライブ信号としてスイッチング素子８１のゲート端子に接続される。これにより、ゲート電源回路１０が正常に動作している通常の状態では、コントローラ６からのＰＷＭ信号Ｐ１に応じてゲート駆動回路９１からドライブ信号が出力され、スイッチング素子８１が駆動制御される。また、駆動回路９１１は、ゲート電源回路１０のゲート電源電圧値Ｐ３を検知しており、ゲート電源回路１０の故障によりゲート電源電圧がスイッチング素子８１を駆動できない電圧以下になった場合に、コントローラ６へ信号Ｐ４を出力する。なお、図示省略したが、ゲート電源回路１０は、例えばフライバックコンバータによって構成される。
コントローラ６には、電源供給回路９２を介して蓄電回路９３が接続される。電源供給回路９２は、発光側及び受光側のフォトダイオードより構成されるフォトボルカプラであり、コントローラ６から出力される信号線Ｓ１に接続される。信号線Ｓ１には、電源ＬＶが抵抗Ｒ１を介して接続されている。抵抗Ｒ１は電源ＬＶから通電される電流を制限するための抵抗である。
電源供給回路９２のフォトボルカプラは、コントローラ６から信号が与えられると電源ＬＶから抵抗Ｒ１を通りフォトボルカプラの発光側のフォトダイオードに電流が流れ、受光側へ光信号を伝送する。受光側のダイオードは、光信号を受け取り、光電効果を利用し、受光側ダイオードのアノード-カソード間に電圧を誘起させ、かつ電流を通電させる。
蓄電回路９３は、ダイオードＤ１を介してコンデンサＣ１が並列に接続され、ダイオードＤ１、ＭＯＳトランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）Ｔ１、ダイオードＤ３が直列接続されて、スイッチング素子８１のゲート電極に接続される。ダイオードＤ１とＭＯＳトランジスタＴ１の接続ラインには、駆動回路９１１の信号Ｐ２の出力ラインがダイオードＤ２を介して接続される。コンデンサＣ１はスイッチング素子８１のゲート電極を充電するための電荷を蓄える。コンデンサＣ１の容量は、スイッチング素子８１をオン状態とするのに必要な充電電荷量に基づいて設定される。ダイオードＤ１は、電源供給回路９２であるフォトボルカプラからコンデンサＣ１へ電荷が充電される方向に通電方向を限定する。ダイオードＤ２は駆動回路９１１からコンデンサＣ１へ電荷を充電する方向に通電方向を限定する。ダイオードＤ３は、コンデンサＣ１からスイッチング素子８１のゲート電極へ電荷を充電する方向へ通電方向を限定する。ＭＯＳトランジスタＴ１は、コンデンサＣ１に蓄えられた電荷がゲート電源回路１０の異常時以外にスイッチング素子８１のゲート電極へ充電されないように電流の流れを遮断する。図３では、一個のスイッチング素子８１に対応するゲート駆動回路９１、電源供給回路９２、蓄電回路９３を図示した。これらのゲート駆動回路９１、電源供給回路９２、蓄電回路９３は、６個のスイッチング素子８１の各々に対応して図３と同様に設けられている。
次に本実施形態に係る電力変換装置１の動作を図１〜図３を参照して説明する。
電力変換装置１は、通常の動作では、コントローラ６からゲート駆動回路９１へＰＷＭ信号Ｐ１が与えられ、バッファ回路９１２を介して、スイッチング素子８１を駆動し、バッテリ２の直流電力を交流電力に変換し、モータージェネレータ３を駆動する。その際に、蓄電回路９３内のコンデンサＣ１には、駆動回路９１１から伝送されるＰＷＭ信号Ｐ１によりダイオードＤ２を介して電荷が蓄積される。なお、図示省略したが、ＰＷＭ信号Ｐ１はゲート電源回路１０から供給されるゲート電源電圧に基づいて生成されるもので、換言すれば、コンデンサＣ１には、ゲート電源回路１０から供給されるゲート電源電圧により電荷が蓄積されることになる。なお、ＰＷＭ信号Ｐ１によらず、ゲート電源回路１０から直接、ダイオードＤ２を介してコンデンサＣ１に電荷を蓄積してもよい。このようにしてコンデンサＣ１に蓄積された電荷は、ＭＯＳトランジスタＴ１によって遮断されているので、スイッチング素子８１のゲート電極へ充電されることはなく、通常のスイッチング素子８１の駆動を妨げることはない。
電力変換装置１は、通常の動作では、コントローラ６からゲート駆動回路９１へＰＷＭ信号Ｐ１が与えられ、バッファ回路９１２を介して、スイッチング素子８１を駆動し、バッテリ２の直流電力を交流電力に変換し、モータージェネレータ３を駆動する。その際に、蓄電回路９３内のコンデンサＣ１には、駆動回路９１１から伝送されるＰＷＭ信号Ｐ１によりダイオードＤ２を介して電荷が蓄積される。なお、図示省略したが、ＰＷＭ信号Ｐ１はゲート電源回路１０から供給されるゲート電源電圧に基づいて生成されるもので、換言すれば、コンデンサＣ１には、ゲート電源回路１０から供給されるゲート電源電圧により電荷が蓄積されることになる。なお、ＰＷＭ信号Ｐ１によらず、ゲート電源回路１０から直接、ダイオードＤ２を介してコンデンサＣ１に電荷を蓄積してもよい。このようにしてコンデンサＣ１に蓄積された電荷は、ＭＯＳトランジスタＴ１によって遮断されているので、スイッチング素子８１のゲート電極へ充電されることはなく、通常のスイッチング素子８１の駆動を妨げることはない。
駆動回路９１１は、ゲート電源回路１０の健全性を監視しており、電圧値Ｐ３が設定された閾値を下回ればゲート電源回路１０に異常が発生したと判断し、コントローラ６へ信号Ｐ４を出力する。コントローラ６は、信号Ｐ４を受信した後、信号線Ｓ１に信号を出力して、電源供給回路９２のフォトボルカプラを動作させる。そして、蓄電回路９３内のＭＯＳトランジスタＴ１が導通状態になり、コンデンサＣ１に蓄積された電荷は即座にスイッチング素子８１のゲート電極へ供給され、スイッチング素子８１をＯＮ状態にする。また、コンデンサＣ１はフォトボルカプラから供給される電圧により充電されて電荷が蓄積される状態となる。このようにして、蓄電回路９３は、ゲート電源回路１０が異常状態の場合には、上アーム全相のスイッチング素子８１もしくは下アーム全相のスイッチング素子８１をオン状態にする。
以上の動作により、ゲート電源回路１０が故障した場合においても、インバータ回路８の上アームまたは下アームの全相をターンオンさせてモータージェネレータ３を三相ショートモードに移行できる。なお、ゲート電源回路１０は、全てのスイッチング素子８１に一括してゲート電源電圧を供給する例で説明したが、三相の各相ごとに分散してゲート電源回路１０を備える構成であってもよい。また、スイッチング素子８１としてＩＧＢＴの例で説明したが、ＭＯＳＦＥＴやバイポーラタイプのトランジスタでもよい。更に、電源供給回路９２としてフォトボルカプラの例で説明したが、絶縁タイプでフライバックコンバータより簡素な構造の電源回路で構成してもよい。更に、スイッチング素子８１をバッファ回路９１２を用いて駆動する例で説明したが、バッファ回路９１２がなく、ゲートドライバICのみの直接駆動してもよい。
以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）電力変換装置１は、スイッチング素子８１により構成され、直流電圧を入力して交流電圧を出力するインバータ回路８と、スイッチング素子８１を駆動する為のドライブ信号を出力するゲート駆動回路９１と、ドライブ信号を出力する為のゲート電源電圧をゲート駆動回路９１に供給するゲート電源回路１０と、スイッチング素子８１をオンさせる為の電荷を蓄電する蓄電回路９３と、を備え、蓄電回路９３は、ゲート電源回路１０が正常状態の場合には、ゲート電源電圧により電荷を蓄積し、ゲート電源回路１０が異常状態の場合には、電荷をスイッチング素子８１に供給してスイッチング素子８１をオン状態にする。これにより、回路構成が複雑になることなく、電源電圧の喪失に対応可能な電力変換装置を提供できる。
（１）電力変換装置１は、スイッチング素子８１により構成され、直流電圧を入力して交流電圧を出力するインバータ回路８と、スイッチング素子８１を駆動する為のドライブ信号を出力するゲート駆動回路９１と、ドライブ信号を出力する為のゲート電源電圧をゲート駆動回路９１に供給するゲート電源回路１０と、スイッチング素子８１をオンさせる為の電荷を蓄電する蓄電回路９３と、を備え、蓄電回路９３は、ゲート電源回路１０が正常状態の場合には、ゲート電源電圧により電荷を蓄積し、ゲート電源回路１０が異常状態の場合には、電荷をスイッチング素子８１に供給してスイッチング素子８１をオン状態にする。これにより、回路構成が複雑になることなく、電源電圧の喪失に対応可能な電力変換装置を提供できる。
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
１ 電力変換装置
２ バッテリ
３ モータージェネレータ
４ キャパシタ
５ コンタクタ
６ コントローラ
７ 電流センサ
８ インバータ回路
９ ゲート制御回路
１０ ゲート電源回路
８１ スイッチング素子
９１ ゲート駆動回路
９２ 電源供給回路
９３ 蓄電回路
２ バッテリ
３ モータージェネレータ
４ キャパシタ
５ コンタクタ
６ コントローラ
７ 電流センサ
８ インバータ回路
９ ゲート制御回路
１０ ゲート電源回路
８１ スイッチング素子
９１ ゲート駆動回路
９２ 電源供給回路
９３ 蓄電回路
Claims (6)
- スイッチング素子により構成され、直流電圧を入力して交流電圧を出力するインバータ回路と、
前記スイッチング素子を駆動する為のドライブ信号を出力するゲート駆動回路と、
前記ドライブ信号を出力する為のゲート電源電圧を前記ゲート駆動回路に供給するゲート電源回路と、
前記スイッチング素子をオンさせる為の電荷を蓄電する蓄電回路と、を備え、
前記蓄電回路は、前記ゲート電源回路が正常状態の場合には、前記ゲート電源電圧により前記電荷を蓄電し、前記ゲート電源回路が異常状態の場合には、前記電荷を前記スイッチング素子に供給して前記スイッチング素子をオン状態にする電力変換装置。 - 請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記蓄電回路は、前記ゲート電源回路が異常状態の場合には、上アーム全相の前記スイッチング素子もしくは下アーム全相の前記スイッチング素子をオン状態にする電力変換装置。 - 請求項１または請求項２に記載の電力変換装置であって、
前記蓄電回路に電圧を供給する電源供給回路をさらに備え、
前記蓄電回路は、前記ゲート電源回路が異常状態の場合には、前記電源供給回路から供給される電圧により前記電荷を蓄電する電力変換装置。 - 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電力変換装置であって、
前記蓄電回路は、前記電荷の供給を遮断する遮断回路を備え、前記ゲート電源回路が正常状態の場合には、前記電荷を前記遮断回路により遮断して、前記スイッチング素子に供給しない電力変換装置。 - 請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電力変換装置であって、
前記蓄電回路は、前記電荷を蓄電するコンデンサを備え、
前記コンデンサの容量は、前記スイッチング素子をオンさせる為に必要なゲート充電電荷量に基づいて設定されている電力変換装置。 - 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電力変換装置であって、
前記蓄電回路に電源を供給するフォトボルカプラを備える電力変換装置。
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