JP6490176B1

JP6490176B1 - 電力変換装置

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Publication number: JP6490176B1
Application number: JP2017210032A
Authority: JP
Inventors: 高博水野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2017-10-31
Filing date: 2017-10-31
Publication date: 2019-03-27
Anticipated expiration: 2037-10-31
Also published as: CN109728719B; JP2019083632A; US20190131878A1; CN109728719A; US10263527B1

Abstract

【課題】電力変換装置の主回路に異常がなく、出力電圧の指令信号に異常がある場合に、電力変換装置の直流電力変換が停止しない電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換回路１０１は、スイッチング制御回路１０８に入力される電圧信号を、上限制限電圧に上限制限する電圧指令上限制限回路１１５を備え、電圧指令上限制限回路１１５は、ツェナーダイオード又はシャントレギュレータを備え、ツェナーダイオード又はシャントレギュレータは、電圧信号を、ツェナー電圧又はシャント電圧に応じた上限制限電圧に上限制限し、上限制限電圧が表す電圧指令は、出力過電圧保護回路１１１の保護判定電圧未満の電圧に設定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、出力過電圧防止機能を備えた電力変換装置に関するものである。

従来、電力変換装置においては、出力電圧が過電圧状態になることに対する保護機能を有することが一般的であり、例えば特許文献１では出力過電圧状態となった場合に、スイッチング制御を遮断することにより過電圧状態から保護する仕組みが説明されている。

特開平１０−１０８４５７号公報

特許文献１の技術では、出力電圧が過電圧となった場合に、出力端子に接続された負荷を過電圧故障から保護するために、過電圧保護機能が設けられている。また、特許文献１には、出力電圧を可変にする構成が開示されていないが、電力変換装置の用途によっては、出力電圧を可変とする構成もあり得る。出力電圧を可変にする電力変換装置では、外部から出力電圧の電圧指令を表す信号が伝達され、この信号をもとに、出力電圧を調整する。

電力変換装置の出力過電圧保護機能は、主に、電力変換装置の主回路に何らかの失陥が生じている場合の保護を想定しているが、出力電圧が過電圧状態となる原因が、出力電圧の指令信号が過電圧状態となる電圧となっている場合は、電力変換装置の主回路に故障が無いにもかかわらず、電力変換装置の出力過電圧状態を、出力過電圧保護回路が検知して、電力変換装置の機能を停止させてしまう。

また、特に車載用の機器においては、安全性に対する要求が高く（例えばＩＳＯ２６２６２自動車用機能安全規格等）、出力過電圧保護回路が搭載されていたとしても、万が一、出力過電圧保護回路の機能が失陥した場合において、可能な限り電力変換装置の出力電圧が過電圧状態とならないよう考慮して設計することが求められる。

そこで、電力変換装置の主回路に異常がなく、電力変換装置に入力される出力電圧の指令信号に異常がある場合に、電力変換装置の直流電力変換が停止しないことと、出力電圧の指令信号に異常がある場合に、出力過電圧保護回路に依存せずに、出力電圧が出力過電圧状態となることを防止できる電力変換装置が望まれる。

本発明に係る電力変換装置は、
入力端子から出力端子に直流電力を変換する、スイッチング素子を備えた電力変換回路と、
前記出力端子の直流電圧が、入力された電圧信号が表す電圧指令に近づくように前記スイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御回路と、
前記出力端子の直流電圧が、予め設定された保護判定電圧を超えた場合に、直流電力変換の停止を指令する出力禁止指令信号を前記スイッチング制御回路に伝達する出力過電圧保護回路と、
前記スイッチング制御回路に入力される前記電圧信号を、予め設定された上限制限電圧に上限制限する電圧指令上限制限回路と、を備え、
前記電圧指令上限制限回路は、前記電圧信号を前記スイッチング制御回路に入力する電線である電圧指令信号線とグランドとの間に接続されたツェナーダイオード又はシャントレギュレータを備え、前記ツェナーダイオード又は前記シャントレギュレータは、前記電圧指令信号線の電圧がツェナー電圧又はシャント電圧を上回った場合に降伏し、前記スイッチング制御回路に入力される前記電圧信号を、前記ツェナー電圧又は前記シャント電圧に応じた前記上限制限電圧に上限制限し、前記上限制限電圧が表す前記電圧指令は、前記保護判定電圧未満の電圧に設定されているものである。

本発明に係る電力変換装置によれば、天絡故障等により電圧指令を表す電圧信号が過大になると、電圧信号が、ツェナーダイオード又はシャントレギュレータにより、ツェナー電圧又はシャント電圧に応じた上限制限電圧に上限制限され、上限制限電圧の電圧信号がスイッチング制御回路に入力される。上限制限電圧の電圧信号が表す電圧指令は、出力過電圧保護回路の保護判定電圧未満の電圧であるので、出力電圧は保護判定電圧未満になる。よって、出力過電圧保護回路により、電力変換装置の直流電力変換が停止されずに継続する。また、出力過電圧保護回路に万一何らかの失陥が生じている場合に、電圧信号に異常が生じたとしても、電圧指令上限制限回路により電圧信号が上限制限電圧に上限制限されるので、出力過電圧保護回路に依存せずに、出力電圧が出力過電圧状態となることを防止できる。

本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の概略回路構成図である。本発明の実施の形態１に係る電圧指令上限制限回路の回路図である。本発明の実施の形態２に係る電圧指令上限制限回路の回路図である。

実施の形態１．
実施の形態１に係る電力変換装置１０１について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る電力変換装置１０１の概略回路構成図である。電力変換装置１０１は、電力変換回路１０４と、スイッチング制御回路１０８と、出力過電圧保護回路１１１と、電圧指令上限制限回路１１５とを備えている。

＜電力変換回路１０４＞
電力変換回路１０４は、入力端子１０２から出力端子１０３に直流電力を変換する。電力変換回路１０４は、スイッチング素子２４を備えている。本実施の形態では、電力変換回路１０４は、入力端子１０２の直流電圧を出力端子１０３の直流電圧に降圧して出力する降圧チョッパ回路とされている。

電力変換回路１０４は、入力端子１０２の正極と出力端子１０３の正極とを接続する正極電線上に設けられたスイッチング素子２４と、スイッチング素子２４よりも出力端子１０３側の正極電線上に設けられた平滑リアクトル２６と、スイッチング素子２４と平滑リアクトル２６との間の正極電線の部分と入力端子１０２の負極と出力端子１０３の負極とを接続する負極電線との間に接続された還流ダイオード２５と、入力端子１０２の正極と負極との間に接続された入力平滑コンデンサ２３と、出力端子１０３の正極と負極との間に接続された出力平滑コンデンサ２７とを備えている。

入力平滑コンデンサ２３は、スイッチング素子２４のオンオフ動作により生じる入力電圧および入力電流の脈動を吸収するために用いられる。入力平滑コンデンサ２３には、例えば、フィルムコンデンサが用いられる。スイッチング素子２４には、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）が用いられている。スイッチング素子２４に、フリーホイールダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の他の種類のスイッチング素子が用いられてもよい。

還流ダイオード２５は、スイッチング素子２４がオフになった時の電流経路となる。平滑リアクトル２６は、スイッチング素子２４のオンオフ動作により生じる出力電圧および出力電流の脈動を吸収する。出力平滑コンデンサ２７は、スイッチング素子２４のオンオフ動作により生じる出力電圧および出力電流の脈動を吸収するために用いられる。出力平滑コンデンサ２７には、例えば、フィルムコンデンサが用いられる。

＜スイッチング制御回路１０８＞
スイッチング制御回路１０８には、電線１１４（以下、電圧指令信号線１１４と称す）を介して電圧指令を表す電圧信号（以下、電圧指令電圧信号と称す）が入力される。電圧指令電圧信号は、電力変換装置１０１の外部から電圧指令信号線１１４の入力端子に入力される。電圧指令電圧信号は、例えば、予め設定された電圧レンジ（例えば、０〜５Ｖ）の範囲内の電圧信号とされ、電圧指令電圧信号に変換ゲインを乗じた値が実際の電圧指令に相当する。スイッチング制御回路１０８は、グランド１２０に接続されている。

スイッチング制御回路１０８には、電線１０９（以下、出力電圧信号線１０９と称す）を介して出力端子１０３の直流電圧である出力電圧を表す信号が入力される。本実施の形態では、出力電圧信号線１０９は、出力端子１０３の正極に接続されており、出力端子１０３の正極の電圧をスイッチング制御回路１０８に入力する。

スイッチング制御回路１０８は、出力端子１０３の直流電圧である出力電圧が、入力された電圧指令電圧信号が表す電圧指令に近づくようにスイッチング素子２４をオンオフ制御する。スイッチング制御回路１０８は、ＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御により、スイッチング素子２４をオンオフするゲート信号を生成する。ゲート信号は、電線１１２を介してスイッチング素子２４のゲート端子に入力される。スイッチング制御回路１０８は、出力電圧が電圧指令より低い場合は、スイッチング素子２４のオン期間を増加し、出力電圧が電圧指令より高い場合は、スイッチング素子２４のオン期間を減少するフィードバック制御を行う。

スイッチング制御回路１０８は、電線１１６（以下、出力禁止信号線１１６）を介して、後述する出力過電圧保護回路１１１から出力禁止指令信号が入力された場合は、電力変換回路１０４の直流電力変換を停止させるために、スイッチング素子２４のオンオフ制御を停止する。本実施の形態では、スイッチング制御回路１０８は、スイッチング素子２４をオフさせる。

スイッチング制御回路１０８は、スイッチング素子２４のオンオフ制御を行う処理回路を備えている。スイッチング制御回路１０８の処理回路は、コンパレータ、オペアンプ、差動増幅回路等のアナログ電子回路から構成されてもよいし、ＩＣ（Integrated Circuit）等のデジタル電子回路により構成されてもよいし、デジタル電子回路及びアナログ電子回路の双方により構成されてもよい。

＜出力過電圧保護回路１１１＞
出力過電圧保護回路１１１は、出力電圧が、予め設定された保護判定電圧を超えた場合に、直流電力変換の停止を指令する出力禁止指令信号を、出力禁止信号線１１６を介してスイッチング制御回路１０８に伝達する。出力過電圧保護回路１１１にも、出力電圧信号線１０９を介して出力電圧を表す信号が入力されている。出力過電圧保護回路１１１は、出力電圧と保護判定電圧とを比較し、出力電圧が保護判定電圧よりも大きくなった場合は、出力禁止指令信号をオン（Ｈｉｇｈ）にし、出力電圧が保護判定電圧よりも小さくなった場合は、出力禁止指令信号をオフ（Ｌｏｗ）にする。出力過電圧保護回路１１１は、コンパレータ、オペアンプ等のアナログ回路から構成されてもよいし、ＩＣ（Integrated Circuit）等のデジタル電子回路から構成されてもよい。

＜電圧指令上限制限回路１１５＞
まず、電圧指令上限制限回路１１５の必要性を説明する。電力変換装置１０１の異常の１つとして、出力電圧が定められた電圧を超える電圧となる状態、つまり、出力過電圧状態となるという事象がある。電力変換装置１０１の出力電圧が過電圧状態になる原因としては、スイッチング制御回路１０８の故障、出力電圧信号線１０９の断線、出力電圧を検出する部分の故障等の複数の原因が考えられるが、原因の一つとして、電圧指令電圧信号に出力過電圧状態に相当する電圧信号が与えられるというものがある。

電圧指令電圧信号は、電力変換装置１０１の外部から伝達されているが、例えば、電圧指令信号線１１４に天絡故障が生じた場合、電圧指令電圧信号が出力過電圧状態に相当する電圧信号になる可能性がある。この場合に、電力変換装置１０１の出力電圧が過電圧状態となる。この時、出力過電圧保護回路１１１は出力禁止指令信号を出力し、スイッチング制御回路１０８は直流電力変換を停止させるので、出力電圧が低下し、出力電圧が供給される電気負荷の動作が停止してしまう。そのため、電力変換装置１０１自体に異常がなく、電力変換装置１０１に入力される電圧指令電圧信号に異常がある場合に、電力変換装置１０１の直流電力変換が停止しないことが望まれる。

また、出力過電圧保護回路１１１に万一何らかの失陥が生じている場合は、外部から伝達された電圧指令電圧信号が出力過電圧状態に相当する電圧信号になり、出力電圧が過電圧状態になったとしても、出力禁止指令信号が伝達されずに、過電圧が電気負荷に供給されてしまう。そのため、電圧指令電圧信号に異常がある場合に、出力過電圧保護回路１１１に依存せずに、出力電圧が出力過電圧状態となることを防止できることが望まれる。

そこで、本実施の形態では、電力変換装置１０１は、電圧指令上限制限回路１１５を備えている。電圧指令上限制限回路１１５は、スイッチング制御回路１０８に入力される電圧信号である電圧指令電圧信号を、予め設定された上限制限電圧に上限制限する。図２に示すように、電圧指令上限制限回路１１５は、電圧指令電圧信号をスイッチング制御回路１０８に入力する電線である電圧指令信号線１１４とグランド２２０との間に接続されたツェナーダイオード２０１を備えている。ツェナーダイオード２０１は、電圧指令電圧信号を、ツェナーダイオード２０１のツェナー電圧（降伏電圧）に応じた上限制限電圧に上限制限する。上限制限電圧が表す電圧指令は、出力過電圧保護回路１１１の保護判定電圧未満の電圧に設定されている。

この構成によれば、天絡故障等により電圧指令電圧信号が過大になると、電圧指令電圧信号が、ツェナーダイオード２０１により、ツェナー電圧に応じた上限制限電圧に上限制限され、上限制限電圧の電圧指令電圧信号がスイッチング制御回路１０８に入力される。上限制限電圧の電圧指令電圧信号が表す電圧指令は、出力過電圧保護回路１１１の保護判定電圧未満の電圧であるので、出力電圧は保護判定電圧未満になる。よって、出力過電圧保護回路１１１により、電力変換装置１０１の直流電力変換が停止されずに継続する。

また、出力過電圧保護回路１１１に万一何らかの失陥が生じている場合に、電圧指令電圧信号に異常が生じたとしても、電圧指令上限制限回路１１５により電圧指令電圧信号が上限制限電圧に上限制限されるので、出力過電圧保護回路１１１に依存せずに、出力電圧が出力過電圧状態となることを防止できる。

電圧指令電圧信号が、ツェナー電圧に応じた上限制限電圧を超えない場合は、電圧指令電圧信号がそのままスイッチング制御回路１０８に伝達され、直流電圧変換に悪影響を与えるおそれが無い。これは、電圧指令上限制限回路１１５に、ツェナーダイオード２０１を用いたことにより実現できる特性である。

出力過電圧保護回路１１１を設けることにより、ＩＣ等から構成されるスイッチング制御回路１０８のハードウェアを再設計する必要がなく、スイッチング制御回路１０８のコスト増加を抑制できる。また、出力過電圧保護回路１１１は、安価なツェナーダイオード２０１に実現できる。よって、電力変換装置１０１全体のコスト増加を抑制できる。

本実施の形態に係る電圧指令上限制限回路１１５の構成を詳細に説明する。ツェナーダイオード２０１のカソード側は、電圧指令信号線１１４に接続され、アノード側はグランド２２０に接続されている。ツェナーダイオード２０１のカソード側が接続された電圧指令信号線１１４の電圧が、ツェナーダイオード２０１のツェナー電圧（降伏電圧）に達すると、ツェナーダイオード２０１のカソードからアノードに電流（ツェナー電流）が流れ、電圧指令信号線１１４の電圧は、ツェナー電圧に上限制限される。なお、ツェナーダイオード２０１の代わりに、ツェナーダイオードの機能を模したシャントレギュレータが用いられてもよい。シャントレギュレータは、電圧指令電圧信号を、シャントレギュレータのシャント電圧に応じた上限制限電圧に上限制限する。

ツェナーダイオード２０１と電圧指令信号線１１４との接続点よりも電圧指令信号線１１４の入力端子側の電圧指令信号線１１４上に抵抗２０２が設けられている。ツェナーダイオード２０１と電圧指令信号線１１４との接続点の電圧が、ツェナー電圧を上回り、ツェナー電流が流れた場合に、抵抗２０２にも同等の電流が流れることで、抵抗２０２の両端に電位差が生じ、接続点の電圧がツェナー電圧まで降下する。本実施の形態では、ツェナーダイオード２０１と電圧指令信号線１１４との接続点が、スイッチング制御回路１０８に接続されており、スイッチング制御回路１０８に入力される電圧信号は、ツェナー電圧（上限制限電圧）に上限制限され、ツェナー電圧が表す電圧指令は、保護判定電圧未満の電圧に設定されている。例えば、保護判定電圧に対応する電圧指令電圧信号が３Ｖである場合は、ツェナー電圧（上限制限電圧）は３Ｖ未満に設定される。

ツェナーダイオード２０１のツェナー電圧の特性は、精度が高く、温度特性も小さい。そのため、ツェナー電圧が表す電圧指令を、保護判定電圧ぎりぎりの電圧に設定できる。よって、電力変換装置１０１の出力電圧範囲を広く設定することができる。

なお、本実施の形態では、電力変換回路１０４は、図１に示すような降圧チョッパ回路とされているが、入力端子１０２から出力端子１０３に直流電力を変換し、スイッチング素子を備えている変換回路であれば、どのような種類の変換回路であってもよい。例えば、電力変換回路１０４は、昇圧チョッパ回路とされてもよく、昇圧及び降圧が可能な昇降圧チョッパ回路とされてもよく、トランスが備えられた絶縁型の変換回路とされてもよい。

また、本実施の形態では、電圧指令電圧信号は電力変換装置１０１の外部から伝達される構成であったが、電圧指令電圧信号を発生する装置（例えば、マイクロコンピュータ等）が、電力変換装置１０１と一体化された筐体内に配置されおり、電圧指令電圧信号は電力変換装置１０１の内部から伝達される構成であってもよい。

実施の形態２．
次に、実施の形態２に係る電力変換装置１０１について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電力変換装置１０１の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、電圧指令上限制限回路１１５の構成が実施の形態１と異なる。図３に本実施の形態に係る電圧指令上限制限回路１１５の回路図を示す。

本実施の形態でも、実施の形態１と同様に、電圧指令上限制限回路１１５は、スイッチング制御回路１０８に入力される電圧信号である電圧指令電圧信号を、予め設定された上限制限電圧に上限制限する。電圧指令上限制限回路１１５は、電圧指令電圧信号をスイッチング制御回路１０８に入力する電線である電圧指令信号線１１４とグランド２２０との間に接続されたツェナーダイオード２０１を備えている。ツェナーダイオード２０１は、電圧指令電圧信号を、ツェナーダイオード２０１のツェナー電圧（降伏電圧）に応じた上限制限電圧に上限制限する。上限制限電圧が表す電圧指令は、出力過電圧保護回路１１１の保護判定電圧未満の電圧に設定されている。

本実施の形態では、実施の形態１と異なり、電圧指令上限制限回路１１５は、電圧指令信号線１１４とツェナーダイオード２０１との接続点の電圧を分圧する複数の分圧抵抗（本例では、第１分圧抵抗４０２、第２分圧抵抗４０３）を備え、複数の分圧抵抗により分圧した電圧を、最終的な電圧指令電圧信号としてスイッチング制御回路１０８に入力する。上限制限電圧は、ツェナー電圧を、複数の分圧抵抗により分圧した電圧になる。

この構成によれば、電圧指令電圧信号を上限制限する上限制限電圧を、ツェナー電圧とは異なる電圧に設定できるようになる。各分圧抵抗の抵抗値を変えて分圧比を変化させることで、ツェナーダイオード２０１のツェナー電圧を変化させずに、上限制限電圧を変化させることができ、上限制限電圧の設定自由度を高めることができる。

電圧指令信号線１１４とツェナーダイオード２０１との接続点とグランド２２０との間に、第１分圧抵抗４０２及び第２分圧抵抗４０３が直列接続されている。第１分圧抵抗４０２と第２分圧抵抗４０３との接続点がスイッチング制御回路１０８に接続されている。電圧指令信号線１１４とツェナーダイオード２０１との接続点の電圧が、第１分圧抵抗４０２の抵抗値と第２分圧抵抗４０３の抵抗値の比率（分圧比）により、分圧される。

スイッチング制御回路１０８に入力される電圧信号は、ツェナー電圧に分圧比を乗じた電圧になる上限制限電圧により上限制限され、上限制限電圧が表す電圧指令は、保護判定電圧未満の電圧に設定されている。

本実施の形態では、電圧指令信号線１１４とツェナーダイオード２０１との接続点と第１分圧抵抗４０２との間に、バッファ４０１が設けられている。バッファ４０１は、分圧前の電圧の出力インピーダンスを下げるために配置されている。バッファ４０１は、一般的には入力電圧と出力電圧が等しいオペアンプである。

なお、本実施の形態でも、ツェナーダイオード２０１の代わりに、ツェナーダイオードの機能を模したシャントレギュレータが用いられてもよい。シャントレギュレータは、スイッチング制御回路１０８に入力される電圧信号を、シャントレギュレータのシャント電圧に分圧比を乗じた電圧になる上限制限電圧に上限制限する。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、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、変形、省略したりすることが可能である。

１０１電力変換装置、１０２入力端子、１０３出力端子、１０４電力変換回路、１０８スイッチング制御回路、１０９出力電圧信号線、１１１出力過電圧保護回路、１１４電圧指令信号線、１１５電圧指令上限制限回路、２０１ツェナーダイオード

Claims

入力端子から出力端子に直流電力を変換する、スイッチング素子を備えた電力変換回路と、
前記出力端子の直流電圧が、入力された電圧信号が表す電圧指令に近づくように前記スイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御回路と、
前記出力端子の直流電圧が、予め設定された保護判定電圧を超えた場合に、直流電力変換の停止を指令する出力禁止指令信号を前記スイッチング制御回路に伝達する出力過電圧保護回路と、
前記スイッチング制御回路に入力される前記電圧信号を、予め設定された上限制限電圧に上限制限する電圧指令上限制限回路と、を備え、
前記電圧指令上限制限回路は、前記電圧信号を前記スイッチング制御回路に入力する電線である電圧指令信号線とグランドとの間に接続されたツェナーダイオード又はシャントレギュレータを備え、前記ツェナーダイオード又は前記シャントレギュレータは、前記電圧指令信号線の電圧がツェナー電圧又はシャント電圧を上回った場合に降伏し、前記スイッチング制御回路に入力される前記電圧信号を、前記ツェナー電圧又は前記シャント電圧に応じた前記上限制限電圧に上限制限し、前記上限制限電圧が表す前記電圧指令は、前記保護判定電圧未満の電圧に設定されている電力変換装置。
前記電圧指令上限制限回路は、前記電圧指令信号線と前記ツェナーダイオード又は前記シャントレギュレータとの接続点の電圧を分圧する複数の分圧抵抗を備え、前記複数の分圧抵抗により分圧した電圧を、最終的な前記電圧信号として前記スイッチング制御回路に入力し、
前記上限制限電圧は、前記ツェナー電圧又は前記シャント電圧を、前記複数の分圧抵抗により分圧した電圧である請求項１に記載の電力変換装置。