JP7151605B2 - 電力変換器 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換器に関する。
電力変換器としては、例えば特許文献１に見られるように、各相に対応する上，下アームスイッチを備えるインバータが知られている。
特開２００８－６１２９０号公報
電力変換器を構成する各相の下アームスイッチは、第１端子、第２端子及びゲートを有している。下アームスイッチは、第２端子に対するゲートの電位差（ゲート電圧）が閾値電圧以上になることにより第１端子及び第２端子の間の電流の流通を許容するオン状態とされ、ゲート電圧が閾値電圧未満になることにより第１端子から第２端子への電流の流通を阻止するオフ状態とされる。
ここで、下アームスイッチがオフ状態とされている場合において、例えば下アームスイッチの寄生容量を介してゲートに電荷が供給されることにより、ゲート電圧が閾値電圧以上になり得る。この場合、下アームスイッチをオフ状態に維持したいにもかかわらず、下アームスイッチが誤ってオン状態に切り替えられしまう現象であるセルフターンオンが発生する。
セルフターンオンの発生を抑制するために、負のゲート電圧を下アームスイッチのゲートに供給する電圧生成回路を、各相の下アームスイッチに個別に設けることも考えられる。ただし、この場合、電圧生成回路が相数分必要となるため、電力変換器の構成が複雑化する懸念がある。
本発明は、構成の簡素化を図ることができる電力変換器を提供することを主たる目的とする。
本発明は、各相に対応する上，下アームスイッチを備える電力変換器において、
各相の前記下アームスイッチは、第１端子、第２端子及びゲートを有し、前記第２端子に対する前記ゲートの電位差が閾値電圧以上になることにより前記第１端子及び前記第２端子の間の電流の流通を許容するオン状態とされ、前記電位差が前記閾値電圧未満になることにより前記第１端子から前記第２端子への電流の流通を阻止するオフ状態とされ、
各相の前記下アームスイッチのうち、いずれか１相のみの下アームスイッチの前記第２端子に正極側が接続された電圧生成回路と、
前記電圧生成回路の負極側に接続された電気経路である負極側経路と、
各相の前記下アームスイッチのうち、前記電圧生成回路が接続されていない残りの下アームスイッチの前記第２端子に第１端側が接続され、第２端側が前記負極側経路に接続されたコンデンサと、を備える。
本発明では、各相の下アームスイッチのうち、いずれか１相のみの下アームスイッチに対して電圧生成回路が設けられている。このため、各相の下アームスイッチに対して個別に電圧生成回路が設けられる構成と比較して、電力変換器の構成の簡素化を図ることができる。
ここで、本発明では、電圧生成回路の負極側に負極側経路が接続されている。このため、各相の下アームスイッチのうち、電圧生成回路が接続されていない残りの下アームスイッチのゲートに負のゲート電圧を供給するための構成を、負極側経路と、残りの下アームスイッチの第２端子と負極側経路とを接続するコンデンサとにより実現できる。
このように、本発明では、いずれか１相のみの下アームスイッチに対して設けられた電圧生成回路、受動素子としてのコンデンサ及び負極側経路といった簡素な構成により、各相の下アームスイッチのゲートに負のゲート電圧を供給することができる。
第１実施形態に係る制御システムの全体構成図。 上，下アームのドライブＩＣ及びその周辺構成を示す図。 比較例に係る上，下アームのドライブＩＣ及びその周辺構成を示す図。 第２実施形態に係る下アームのドライブＩＣ及びその周辺構成を示す図。 第３実施形態に係る下アームのドライブＩＣ及びその周辺構成を示す図。 コンデンサ電圧の異常判定処理の手順を示すフローチャート。 第４実施形態に係る下アームのドライブＩＣ及びその周辺構成を示す図。 第５実施形態に係る下アームのドライブＩＣ及びその周辺構成を示す図。 負電圧電源、負極側インダクタ及びそれらの周辺構成の等価回路を示す図。 第６実施形態に係る下アームのドライブＩＣ及びその周辺構成を示す図。 第７実施形態に係る下アームのドライブＩＣ及びその周辺構成を示す図。 第８実施形態に係る下アームのドライブＩＣ及びその周辺構成を示す図。 回路基板における負電圧電源の配置態様を示す図。 第９実施形態に係る下アームのドライブＩＣ及びその周辺構成を示す図。 回路基板における負電圧電源の配置態様を示す図。 その他の実施形態に係る上，下アームのドライブＩＣ及びその周辺構成を示す図。
＜第１実施形態＞
以下、本発明に係る電力変換器を具体化した第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図１に示すように、制御システムは、直流電源１０と、電力変換器としてのＤＣＤＣコンバータ２０及びインバータ３０と、回転電機４０と、制御装置５０とを備えている。直流電源１０は、例えば百Ｖ以上となる端子電圧を有する蓄電池である。直流電源１０は、例えば、リチウムイオン蓄電池やニッケル水素蓄電池等の２次電池である。
回転電機４０は、例えば車載主機である。本実施形態では、回転電機４０として、３相のものが用いられている。回転電機４０は、Ｕ相巻線４１Ｕ、Ｖ相巻線４１Ｖ及びＷ相巻線４１Ｗを備えている。回転電機４０としては、例えば、永久磁石同期機を用いることができる。
ＤＣＤＣコンバータ２０は、コンデンサ２１、リアクトル２２、上アーム昇圧スイッチＳｃｐ及び下アーム昇圧スイッチＳｃｎを備えている。本実施形態において、各昇圧スイッチＳｃｐ，Ｓｃｎは、ＳｉＣデバイスとしてのＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。各昇圧スイッチＳｃｐ，Ｓｃｎには、ボディダイオードが形成されている。ＤＣＤＣコンバータ２０は、各昇圧スイッチＳｃｐ，Ｓｃｎの駆動により、直流電源１０の出力電圧を昇圧して出力する機能を有する。
上アーム昇圧スイッチＳｃｐ及び下アーム昇圧スイッチＳｃｎは、モジュール化されて昇圧モジュールＭＣを構成している。昇圧モジュールＭＣは、扁平な直方体形状をなしており、ドレイン端子ＴＤ、ソース端子ＴＳ及び接続端子ＴＡを備えている。ドレイン端子ＴＤには、上アーム昇圧スイッチＳｃｐのドレイン（第１端子に相当）が接続され、ソース端子ＴＳには、下アーム昇圧スイッチＳｃｎのソース（第２端子に相当）が接続されている。接続端子ＴＡには、上アーム昇圧スイッチＳｃｐのソースと、下アーム昇圧スイッチＳｃｎのドレインとが接続されている。
昇圧モジュールＭＣの接続端子ＴＡには、リアクトル２２の第１端が接続されている。リアクトル２２の第２端には、直流電源１０の正極端子が接続されている。昇圧モジュールＭＣのドレイン端子ＴＤには、正極側導電部材２３ｐが接続されている。昇圧モジュールＭＣのソース端子ＴＳには、負極側導電部材２３ｎが接続されている。負極側導電部材２３ｎには、直流電源１０の負極端子が接続されている。
インバータ３０は、Ｕ相上，下アームスイッチＳＵｐ，ＳＵｎ、Ｖ相上，下アームスイッチＳＶｐ，ＳＶｎ及びＷ相上，下アームスイッチＳＷｐ，ＳＷｎを備えている。本実施形態において、各スイッチＳＵｐ，ＳＵｎ，ＳＶｐ，ＳＶｎ，ＳＷｐ，ＳＷｎは、ＳｉＣデバイスとしてのＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。各スイッチＳＵｐ，ＳＵｎ，ＳＶｐ，ＳＶｎ，ＳＷｐ，ＳＷｎには、ボディダイオードが形成されている。
Ｕ相上，下アームスイッチＳＵｐ，ＳＵｎは、モジュール化されてＵ相モジュールＭＵを構成している。Ｖ相上，下アームスイッチＳＶｐ，ＳＶｎは、モジュール化されてＶ相モジュールＭＶを構成している。Ｗ相上，下アームスイッチＳＷｐ，ＳＷｎは、モジュール化されてＷ相モジュールＭＷを構成している。本実施形態において、各相モジュールＭＵ，ＭＶ，ＭＵは、昇圧モジュールＭＣと同じ構成とされている。このため、各相モジュールＭＵ，ＭＶ，ＭＵの詳細な説明を省略する。また、各モジュールＭＣ，ＭＵ，ＭＶ，ＭＷにおいて、便宜上、ドレイン端子を共通の符号ＴＤで示しているが、実際には、各モジュールＭＣ，ＭＵ，ＭＶ，ＭＷに個別のドレイン端子が設けられている。ソース端子ＴＳ，接続端子ＴＡについても同様である。
各相モジュールＭＵ，ＭＶ，ＭＷのドレイン端子ＴＤには、正極側導電部材２３ｐが接続され、各相モジュールＭＵ，ＭＶ，ＭＵのソース端子ＴＳには、負極側導電部材２３ｎが接続されている。各導電部材２３ｐ，２３ｎは、長尺状をなしており、本実施形態ではバスバーで構成されている。負極側導電部材２３ｎには、その一端側から順に、Ｕ相モジュールＭＵのソース端子ＴＳ、Ｖ相モジュールＭＶのソース端子ＴＳ、Ｗ相モジュールＭＷのソース端子ＴＳ、昇圧モジュールＭＣのソース端子ＴＳが接続されている。正極側導電部材２３ｐには、その一端側から順に、Ｕ相モジュールＭＵのドレイン端子ＴＤ、Ｖ相モジュールＭＶのドレイン端子ＴＤ、Ｗ相モジュールＭＷのドレイン端子ＴＤ、昇圧モジュールＭＣのドレイン端子ＴＤが接続されている。
Ｕ相モジュールＭＵの接続端子ＴＡには、Ｕ相巻線４１Ｕの第１端が接続されている。Ｖ相モジュールＭＶの接続端子ＴＡには、Ｖ相巻線４１Ｖの第１端が接続されている。Ｗ相モジュールＭＵの接続端子ＴＡには、Ｗ相巻線４１Ｗの第１端が接続されている。各相巻線４１Ｕ，４１Ｖ，４１Ｗの第２端は、中性点で接続されている。
制御装置５０は、回転電機４０の制御量をその指令値に制御すべく、ＤＣＤＣコンバータ２０及びインバータ３０を駆動する。制御量は、例えばトルクである。制御装置５０は、ＤＣＤＣコンバータ２０の出力電圧をその目標値に制御すべく、各昇圧スイッチＳｃｐ，Ｓｃｎの駆動信号を、各昇圧スイッチＳｃｐ，Ｓｃｐに対して個別に設けられたドライブＩＣに対して出力する。
制御装置５０は、インバータ３０の各スイッチＳＵｐ～ＳＷｎをオンオフ駆動すべく、各スイッチＳＵｐ～ＳＷｎの駆動信号を、各スイッチＳＵｐ～ＳＷｎに対して個別に設けられたドライブＩＣに対して出力する。制御装置５０は、例えば、電気角で互いに位相が１２０°ずれた３相指令電圧と三角波等のキャリア信号との大小比較に基づくＰＷＭ処理により、各ドライブＩＣに対応する駆動信号を生成する。
駆動信号は、スイッチのオン駆動を指示するオン指令と、オフ駆動を指示するオフ指令とのいずれかをとる。各相及びＤＣＤＣコンバータ２０において、上アーム側の駆動信号と、対応する下アーム側の駆動信号とは、交互にオン指令とされる。このため、各相において、上アームスイッチと、下アームスイッチとは交互にオン状態とされる。なお、制御装置５０が提供する機能は、例えば、実体的なメモリ装置に記録されたソフトウェア及びそれを実行するコンピュータ、ハードウェア、又はそれらの組み合わせによって提供することができる。
続いて、図２を用いて、インバータ３０についてさらに説明する。まず、インバータ３０の上アームについて説明する。
Ｕ，Ｖ，Ｗ相上アームスイッチＳＵｐ，ＳＶｐ，ＳＷｐに対して個別にドライブＩＣ６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗが設けられている。各ドライブＩＣ６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗには、個別に設けられた絶縁電源から電力が供給される。Ｕ相について説明すると、絶縁電源を構成するトランスの２次側コイル６１Ｕの第１端には、ダイオード６２Ｕのアノードが接続されている。ダイオード６２Ｕのカソードには、平滑コンデンサ６３Ｕの第１端と、ドライブＩＣ６０Ｕの電源端子とが接続されている。２次側コイル６１Ｕの第２端には、平滑コンデンサ６３Ｕの第２端と、ドライブＩＣ６０Ｕのグランド端子とが接続されている。
Ｕ相上アームスイッチＳＵｐのソースには、負電圧電源６４Ｕの正極端子と、コンデンサ６５Ｕの第１端とが接続されている。負電圧電源６４Ｕの負極端子と、コンデンサ６５Ｕの第２端とには、ドライブＩＣ６０Ｕのグランド端子が接続されている。
ドライブＩＣ６０Ｕは、制御装置５０から出力された駆動信号がオン指令になっていると判定している場合、Ｕ相上アームスイッチＳＵｐのゲートに、２次側コイル６１Ｕの電圧である電源電圧ＶＰ（例えば２０Ｖ）を供給する。これにより、Ｕ相上アームスイッチＳＵｐのゲート電圧が閾値電圧Ｖｔｈ以上となり、Ｕ相上アームスイッチＳＵｐがオン状態に切り替えられる。ドライブＩＣ６０Ｕは、駆動信号がオフ指令になっていると判定している場合、Ｕ相上アームスイッチＳＵｐのゲートに「ＶＰ－ＶＮ」を供給する。ＶＮは、電源電圧ＶＰよりも低い値（例えば４Ｖ）であり、負電圧電源６４Ｕの出力電圧の目標値である。「ＶＰ－ＶＮ」がゲートに供給されることにより、Ｕ相上アームスイッチＳＵｐのゲート電圧が閾値電圧Ｖｔｈ未満となり、Ｕ相上アームスイッチＳＵｐがオフ状態に切り替えられる。
なお、Ｖ相についても、Ｕ相と同様に、ドライブＩＣ６０Ｖ、絶縁電源を構成する２次側コイル６１Ｖ、ダイオード６２Ｖ、平滑コンデンサ６３Ｖ、負電圧電源６４Ｖ及びコンデンサ６５Ｖが設けられている。また、Ｗ相についても、Ｕ相と同様に、ドライブＩＣ６０Ｗ、絶縁電源を構成する２次側コイル６１Ｗ、ダイオード６２Ｗ、平滑コンデンサ６３Ｗ、負電圧電源６４Ｗ及びコンデンサ６５Ｗが設けられている。ただし、Ｖ，Ｗ相の構成は、Ｕ相と同様であるため、その詳細な説明を省略する。
続いて、インバータ３０の下アームについて説明する。
Ｕ，Ｖ，Ｗ相下アームスイッチＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎに対して個別にドライブＩＣ７０Ｕ，７０Ｖ，７０Ｗが設けられている。各ドライブＩＣ７０Ｕ，７０Ｖ，７０Ｗには、共通の絶縁電源から電力が供給される。詳しくは、絶縁電源を構成するトランスの２次側コイル７１の第１端には、ダイオード７２のアノードが接続されている。ダイオード７２のカソードには、正極側経路８０ｐが接続されている。２次側コイル７１の第２端には、負極側経路８０ｎが接続されている。
Ｕ相について説明すると、正極側経路８０ｐには、Ｕ相平滑コンデンサ６３Ｕの第１端と、Ｕ相ドライブＩＣ７０Ｕの電源端子とが接続されている。負極側経路８０ｎには、Ｕ相平滑コンデンサ７３Ｕの第２端と、Ｕ相ドライブＩＣ７０Ｕのグランド端子とが接続されている。
Ｕ相下アームスイッチＳＵｎのソースには、電圧生成回路としての負電圧電源７４の正極端子と、Ｕ相コンデンサ７５Ｕの第１端とが接続されている。負電圧電源７４の負極端子と、Ｕ相コンデンサ７５Ｕの第２端とには、負極側経路８０ｎが接続されている。
Ｖ相について説明すると、正極側経路８０ｐには、Ｖ相平滑コンデンサ６３Ｖの第１端と、Ｖ相ドライブＩＣ７０Ｖの電源端子とが接続されている。負極側経路８０ｎには、Ｖ相平滑コンデンサ７３Ｖの第２端と、Ｖ相ドライブＩＣ７０Ｖのグランド端子とが接続されている。
Ｖ相下アームスイッチＳＶｎのソースには、負電圧電源は接続されておらず、Ｖ相コンデンサ７５Ｖの第１端が接続されている。Ｖ相コンデンサ７５Ｖの第２端には、負極側経路８０ｎが接続されている。
Ｗ相について説明すると、正極側経路８０ｐには、Ｗ相平滑コンデンサ６３Ｗの第１端と、Ｗ相ドライブＩＣ７０Ｗの電源端子とが接続されている。負極側経路８０ｎには、Ｗ相平滑コンデンサ７３Ｗの第２端と、Ｗ相ドライブＩＣ７０Ｗのグランド端子とが接続されている。
Ｗ相下アームスイッチＳＷｎのソースには、Ｖ相と同様に負電圧電源は接続されておらず、Ｗ相コンデンサ７５Ｗの第１端が接続されている。Ｗ相コンデンサ７５Ｗの第２端には、負極側経路８０ｎが接続されている。
本実施形態では、共通の２次側コイル７１から各ドライブＩＣ７０Ｕ，７０Ｖ，７０Ｗの電源端子へと電力が供給される。このため、各相において、下アームスイッチをオン駆動する場合にゲートに供給する電圧のばらつきを低減できる。
なお、本実施形態において、正極側経路８０ｐ及び負極側経路８０ｎは、インバータ３０が備える回路基板に配線パターンとして形成されている。各ドライブＩＣ６０Ｕ，６０Ｖ，６０Ｗ，７０Ｕ，７０Ｖ，７０Ｗ、各平滑コンデンサ６３Ｕ，６３Ｖ，６３Ｗ，７３Ｕ，７３Ｖ，７３Ｗ，各負電圧電源６４Ｕ，６４Ｖ，６４Ｗ，７４、及び各コンデンサ６５Ｕ，６５Ｖ，６５Ｗ，７５Ｕ，７５Ｖ，７５Ｗは、上記回路基板に設けられている。
以上説明したように、本実施形態では、Ｕ，Ｖ，Ｗ相下アームスイッチＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎのうち、Ｕ相下アームスイッチＳＵｎのみに対して負電圧電源７４が設けられている。このため、Ｕ，Ｖ，Ｗ相下アームスイッチＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎそれぞれに対して個別に負電圧電源が設けられる構成と比較して、インバータ３０の構成の簡素化を図ることができる。
本実施形態では、負電圧電源７４の負極端子に負極側経路８０ｎが接続されている。このため、負電圧電源７４が接続されていないＶ，Ｗ相下アームスイッチＳＶｎ，ＳＷｎのゲートに負のゲート電圧「－ＶＮ」を供給するための構成を、負電圧電源７４、負極側経路８０ｎ及びＶ，Ｗ相コンデンサ７５Ｖ，７５Ｗといった簡素な構成により実現することができる。
これに対し、図３に示す比較例のように、各相に個別にＵ，Ｖ，Ｗ相負電圧電源７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗが設けられる構成では、構成が複雑化してしまう。
また、比較例では、Ｕ，Ｖ，Ｗ相負電圧電源７４Ｕ，７４Ｖ，７４Ｗのうち、いずれかの出力電圧が他の出力電圧に対して低くなった場合に電流の回り込みが発生してしまう。電流の回り込みは、各相の電源として共通の絶縁電源を用いたために発生する。図３には、Ｖ相負電圧電源７４Ｖの出力電圧がＵ，Ｗ相負電圧電源７４Ｕ，７４Ｗの出力電圧よりも低くなることにより、図中破線の矢印にて示すような電流の回り込みが発生している例を示す。この場合、Ｕ，Ｗ相負電圧電源７４Ｕ，７４Ｗの負荷が、設計時に想定した負荷よりも高くなる。その結果、例えばＵ，Ｗ相負電圧電源７４Ｕ，７４Ｗが過熱状態となり、Ｕ，Ｗ相負電圧電源７４Ｕ，７４Ｗの信頼性が低下するといった問題が発生し得る。これに対し、本実施形態では、負電圧を供給するための構成として、Ｕ相にのみ負電圧電源７４が設けられており、Ｖ，Ｗ相には、受動素子であるコンデンサ７５Ｖ，７５Ｗのみが設けられている。このため、比較例で説明した上記問題の発生を防止できる。
＜第２実施形態＞
以下、第２実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図４に示すように、負電圧電源７４がＵ相ドライブＩＣ７０Ｕに内蔵されている。図４において、先の図２に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。また、図４には、上，下アームのうち下アームの構成のみ示している。
＜第３実施形態＞
以下、第３実施形態について、第２実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、下アームの各相のドライブＩＣ７０Ｕ，７０Ｖ，７０Ｗのうち、負電圧電源７４が内蔵されていないＶ，Ｗ相ドライブＩＣ７０Ｖ，７０Ｗが、Ｖ，Ｗ相コンデンサ７５Ｖ，７５Ｗの電圧を監視する機能を有している。図５に、インバータ３０の下アームの構成を示す。図５において、先の図４に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。
何らかの要因により、負電圧電源７４の出力電圧が目標電圧ＶＮから大きくずれ得る。この場合、Ｖ，Ｗ相コンデンサ７５Ｖ，７５Ｗの電圧も目標電圧ＶＮから大きくずれ、セルフターンオンの発生を適正に抑制できなくなる懸念がある。そこで、Ｖ，Ｗ相ドライブＩＣ７０Ｖ，７０Ｗは、Ｖ，Ｗ相コンデンサ７５Ｖ，７５Ｗの電圧の監視機能を有し、その監視結果に基づいて、Ｖ，Ｗ相コンデンサ７５Ｖ，７５Ｗの電圧が目標電圧ＶＮからずれる異常の有無を判定する。
Ｖ，Ｗ相のうちＶ相を例にして、Ｖ相コンデンサ７５Ｖの電圧の異常判定処理について説明する。図６に、Ｖ相ドライブＩＣ７０Ｖにより実行される異常判定処理のフローチャートを示す。
ステップＳ１０では、Ｖ相コンデンサ７５Ｖの電圧ＶＶＤを検出する。ステップＳ１１では、検出電圧ＶＶＤが、目標電圧ＶＮを含む所定範囲（ＶＮ－α～ＶＮ＋α）に含まれているか否かを判定する。
ステップＳ１１において検出電圧ＶＶＤが所定範囲に含まれていると判定した場合には、Ｖ相コンデンサ７５Ｖの電圧が正常であると判定する。
一方、ステップＳ１１において検出電圧ＶＶＤが所定範囲外であると判定した場合には、ステップＳ１３に進み、検出電圧ＶＶＤが、所定範囲の下限値「ＶＮ－α」（例えば３Ｖ）を下回っているか否かを判定する。ステップＳ１３において検出電圧ＶＶＤが下限値「ＶＮ－α」を下回っていると判定した場合、ステップＳ１４に進み、Ｖ相コンデンサ７５Ｖの電圧が目標電圧ＶＮに対して低くなる低電圧異常が発生していると判定する。
なお、ステップＳ１４の処理とあわせて、Ｕ相ドライブＩＣ７０Ｕに対して、負電圧電源７４の目標電圧ＶＮを上昇させる指示を送信してもよい。この場合、Ｕ相ドライブＩＣ７０Ｕにおいて、目標電圧ＶＮの上昇量が、例えば「ＶＮ－ＶＶＤ」に設定されてもよい。これにより、Ｖ相コンデンサ７５Ｖの電圧を目標電圧ＶＮに近づけることができる。
ステップＳ１３において否定判定した場合には、検出電圧ＶＶＤが、所定範囲の上限値「ＶＮ＋α」（例えば５Ｖ）を上回っていると判定し、ステップＳ１５に進む。ステップＳ１５では、Ｖ相コンデンサ７５Ｖの電圧が目標電圧ＶＮに対して高くなる高電圧異常が発生していると判定する。
なお、ステップＳ１５の処理とあわせて、Ｕ相ドライブＩＣ７０Ｕに対して、負電圧電源７４の目標電圧ＶＮを低下させる指示を送信してもよい。この場合、Ｕ相ドライブＩＣ７０Ｕにおいて、目標電圧ＶＮの低下量が、例えば「ＶＶＤ－ＶＮ」に設定されてもよい。これにより、Ｖ相コンデンサ７５Ｖの電圧を目標電圧ＶＮに近づけることができる。
以上説明した本実施形態によれば、Ｖ，Ｗ相コンデンサ７５Ｖ，７５Ｗの電圧の異常が発生しているか否かを的確に判定することができる。
＜第３実施形態の変形例＞
・負電圧電源７４を内蔵しているＵ相ドライブＩＣ７０Ｕは、Ｕ相コンデンサ７５Ｕの検出機能に異常が発生したと判定した場合、負電圧電源７４を内蔵していないＶ相ドライブＩＣ７０Ｖにより検出されたＶ相コンデンサ７５Ｖの電圧、又は負電圧電源７４を内蔵していないＷ相ドライブＩＣ７０Ｗにより検出されたＷ相コンデンサ７５Ｗの電圧を取得し、取得した電圧を目標電圧ＶＮにフィードバック制御すべく負電圧電源７４を操作してもよい。
・Ｖ相ドライブＩＣ７０Ｖは、検出電圧ＶＶＤが、「ＶＮ－α」よりも低く、０に近いと判定した場合、Ｖ相コンデンサ７５Ｖのショート故障が発生していると判定してもよい。
＜第４実施形態＞
以下、第４実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図７に示すように、負電圧電源の構成を変更する。なお、図７において、先の図２に示した構成と同一の構成又は対応する構成については、便宜上、同一の符号を付している。図７には、上，下アームのうち下アームの構成のみ示している。また、本実施形態では、先の図２に示した２次側コイル７１を、第１の２次側コイル７１Ａと称し、ダイオード７２を第１のダイオード７２Ａと称すこととする。
絶縁電源を構成する第２の２次側コイル７１Ｂの第１端（正極側）には、Ｕ相コンデンサ７５Ｕの第１端と、Ｕ相下アームスイッチＳＵｎのソースとが接続されている。第２の２次側コイル７１Ｂの第２端（負極側）と、第１の２次側コイル７１Ａの第２端とには、負極側経路８０ｎが接続されている。負極側経路８０ｎにおいて、第２の２次側コイル７１Ｂの第２端とＵ相ドライブＩＣ７０Ｕのグランド端子との間には、第２のダイオード７２Ｂが設けられている。第２のダイオード７２Ｂのカソードには、Ｕ相コンデンサ７５Ｕの第２端が接続されている。なお、本実施形態において、第２の２次側コイル７１Ｂ及び第２のダイオード７２Ｂが電圧生成回路を構成する。
本実施形態では、第１の２次側コイル７１Ａの第２端側の極性と、第２の２次側コイル７１Ｂの第１端側の極性とが同じになるように絶縁電源が構成されている。また、第１の２次側コイル７１Ａの出力電圧（電源電圧ＶＰ）よりも、第２の２次側コイル７１Ｂの出力電圧ＶＮ（例えば４Ｖ）の方が低い。第２の２次側コイル７１Ｂにより生成される「－ＶＮ」が、ゲートに供給される負電圧となる。
以上説明した本実施形態によれば、負電圧電源を簡素な構成で実現することができる。
＜第５実施形態＞
以下、第５実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図８に示すように、負極側経路８０ｎにインダクタが設けられている。図８において、先の図２に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。また、図８には、上，下アームのうち下アームの構成のみ示している。
負極側経路８０ｎのうち、負電圧電源７４との接続点（ＰＸ）及びＶ相平滑コンデンサ７３Ｖとの接続点の間には、第１負極側インダクタ９１が設けられている。負極側経路８０ｎのうち、Ｖ相平滑コンデンサ７３Ｖとの接続点及びＷ相平滑コンデンサ７３Ｗとの接続点の間には、第２負極側インダクタ９２が設けられている。
図９を用いて、第１負極側インダクタ９１を例にして、負極側インダクタが設けられる理由について説明する。図９において、ＰＡは負電圧電源７４の正極端子側を示し、ＰＢはＶ相コンデンサ７５Ｖの第１端側を示す。図９は、図８の負電圧電源７４、ＰＡ、負極側導電部材２３ｎ、ＰＢ、Ｖ相コンデンサ７５Ｖ、負極側経路８０ｎ及びＰＸを含む閉回路の等価回路を示す。
図９において、９０は、負極側導電部材２３ｎのインダクタンス成分を示す。また、図９において、ＶＬは、負極側導電部材２３ｎに回転電機４０の巻線からの電流Ｉが流れる場合において、負極側導電部材２３ｎに発生する逆起電圧を示す。インダクタンス成分９０のインダクタンスをＬとする場合、「ＶＬ＝Ｌ×ｄＩ／ｄｔ」となる。
まず、第１負極側インダクタ９１が設けられない場合について説明する。負電圧電源７４の出力電圧は、ＰＸの電位を基準に目標電圧ＶＮに制御される。ここで、負極側導電部材２３ｎに電流が流れると、負極側導電部材２３ｎに逆起電圧ＶＬが発生する。この場合、Ｖ相コンデンサ７５Ｖの電圧ＶＢは、ＰＸの電位を基準に定まるため、「ＶＢ＝ＶＮ－ＶＬ」となり、ＶＢがＶＮよりも低くなってしまう。この場合、Ｖ相下アームスイッチＳＶｎのゲートに適正な負電圧を供給できなくなり得る。
続いて、第１負極側インダクタ９１が設けられる場合について説明する。この場合、負極側導電部材２３ｎに逆起電圧ＶＬが発生したとしても、第１負極側インダクタ９１において、Ｖ相コンデンサ７５Ｖ側の電位が、ＰＸ側の電位よりも高くなるような電圧が発生する。これにより、Ｖ相コンデンサ７５Ｖの電圧ＶＢの低下を抑制でき、ひいてはＶ相下アームスイッチＳＶｎのセルフターンオンの発生を抑制できる。
また、第１負極側インダクタ９１によれば、上述した回り込み電流を低減することもできる。
＜第６実施形態＞
以下、第６実施形態について、第５実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図１０に示すように、正極側経路８０ｐにもインダクタが設けられている。図１０において、先の図８に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。
正極側経路８０ｐのうち、Ｕ相ドライブＩＣ７０Ｕの電源端子との接続点及びＶ相平滑コンデンサ７３Ｖとの接続点の間には、第１正極側インダクタ１０１が設けられている。正極側経路８０ｐのうち、Ｖ相平滑コンデンサ７３Ｖとの接続点及びＷ相平滑コンデンサ７３Ｗとの接続点の間には、第２正極側インダクタ１０２が設けられている。
第１正極側インダクタ１０１によれば、Ｖ相平滑コンデンサ７３Ｖの電圧を安定させることができる。これにより、Ｕ相下アームスイッチＳＵｎをオン状態とする場合におけるゲート電圧の低下を抑制し、スイッチング損失が増加することを抑制できる。また、第２正極側インダクタ１０２によれば、Ｗ相平滑コンデンサ７３Ｗの電圧を安定させることができる。これにより、Ｗ相下アームスイッチＳＷｎをオン状態とする場合のスイッチング損失が増加することを抑制できる。
＜第７実施形態＞
以下、第７実施形態について、第５，第６実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図１１に示すように、負極側経路８０ｎのインダクタと、正極側経路８０ｐのインダクタとが一部品（コモンインダクタ）として構成されている。図１１において、先の図８，図１０に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。
一組の第１負極側インダクタ１１１及び第１正極側インダクタ１１２は、磁気結合して第１コモンインダクタ１１０として構成されている。第１負極側インダクタ１１１の両端のうちＶ相平滑コンデンサ７３Ｖの第２端側の極性と、第１正極側インダクタ１１２の両端のうち２次側コイル７１の第１端側の極性とが同じになるように、第１コモンインダクタ１１０が構成されている。
一組の第２負極側インダクタ１２１及び第２正極側インダクタ１２２は、磁気結合して第２コモンインダクタ１２０として構成されている。第２負極側インダクタ１２１の両端のうちＷ相平滑コンデンサ７３Ｗの第２端側の極性と、第２正極側インダクタ１２２の両端のうちＶ相ドライブＩＣ７０Ｖの電源端子側の極性とが同じになるように、第２コモンインダクタ１２０が構成されている。
各コモンインダクタ１１０，１２０が設けられる構成によれば、インバータ３０の部品数を削減することができる。
また、第１コモンインダクタ１１０によれば、２次側コイル７１の第１端側からＶ相平滑コンデンサ７３Ｖに電流が供給される場合において、第１正極側インダクタ１１２で発生する電圧降下量を低減できる。これにより、２次側コイル７１の第１端側からＶ相平滑コンデンサ７３Ｖへの電流供給を的確に実施でき、Ｖ相下アームスイッチＳＶｎをオン状態に切り替える場合のゲート電圧の低下を抑制できる。
また、第２コモンインダクタ１２０によれば、２次側コイル７１の第１端側からＷ相平滑コンデンサ７３Ｗに電流が供給される場合において、第２正極側インダクタ１２２で発生する電圧降下量を低減できる。これにより、Ｗ相下アームスイッチＳＷｎをオン状態に切り替える場合のゲート電圧の低下を抑制できる。
＜第８実施形態＞
以下、第８実施形態について、第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図１２に示すように、Ｕ相に代えて、Ｖ相に負電圧電源７４が設けられている。図１２において、先の図２に示した構成と同一の構成又は対応する構成については、便宜上、同一の符号を付している。また、図１２には、上，下アームのうち下アームの構成のみ示している。
図１３（ａ）に、インバータ３０の回路基板の板面の正面図を示す。
回路基板には、Ｕ，Ｖ，Ｗ相下アームスイッチＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎのゲートが接続されるＵ，Ｖ，Ｗ相接続部ＴＵｎ，ＴＶｎ，ＴＷｎが設けられている。各接続部ＴＵｎ，ＴＶｎ，ＴＷｎは、一列に並ぶように回路基板に設けられている。回路基板のうち、Ｕ，Ｖ，Ｗ相接続部ＴＵｎ，ＴＶｎ，ＴＷｎ付近には、Ｕ，Ｖ，Ｗ相ドライブＩＣ７０Ｕ，７０Ｖ，７０Ｗが一列に並ぶように設けられている。なお、回路基板には、２次側コイル７１を備えるトランス１４０も設けられている。
回路基板のうち、Ｖ相接続部ＴＶｎとＷ相接続部ＴＷｎとの間には、負電圧電源７４が設けられている。
以上説明した本実施形態によれば、負電圧電源７４の負極端子からＶ相ドライブＩＣ７０Ｖのグランド端子までの電気経路の長さ、負電圧電源７４の負極端子からＵ相ドライブＩＣ７０Ｕのグランド端子までの電気経路の長さ、及び負電圧電源７４の負極端子からＷ相ドライブＩＣ７０Ｗのグランド端子までの電気経路の長さそれぞれが大きく相違することを回避できる。これにより、Ｕ，Ｖ，Ｗ相下アームスイッチＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎのゲートに供給する負電圧の低下を抑制できる。
＜第８実施形態の変形例＞
第２実施形態のように、Ｖ相ドライブＩＣ７０Ｖに負電圧電源７４が内蔵されている場合、負電圧電源７４は、図１３（ｂ）に示す位置に配置されることとなる。
＜第９実施形態＞
以下、第９実施形態について、第８実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図１４に示すように、下アーム昇圧スイッチＳｃｎの負電圧電源も共通化する。図１４において、先の図１２に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。
図１４に示すように、下アーム昇圧スイッチＳｃｎに対応する構成として、ドライブＩＣ７０ｃ、平滑コンデンサ７３ｃ及びコンデンサ７５ｃが設けられている。
図１５（ａ）に、インバータ３０の回路基板の板面の正面図を示す。図１５において、先の図１３に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。
回路基板には、下アーム昇圧スイッチＳｃｎのゲートが接続される昇圧接続部Ｔｃｎが設けられている。回路基板のうち、昇圧接続部Ｔｃｎ付近には、下アーム昇圧スイッチＳｃｎを駆動するドライブＩＣ７０ｃが設けられている。回路基板のうち、Ｖ相接続部ＴＶｎとＷ相接続部ＴＷｎとの間には、負電圧電源７４が設けられている。
以上説明した本実施形態によれば、第１，第８実施形態と同様の効果を奏することができる。
＜第９実施形態の変形例＞
第２実施形態のように、Ｖ相ドライブＩＣ７０Ｖに負電圧電源７４が内蔵されている場合、負電圧電源７４は、図１５（ｂ）に示す位置に配置されることとなる。
＜その他の実施形態＞
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・各相において、上，下アームスイッチをあわせて１つのモジュールが構成されていることに限らず、上，下アームスイッチそれぞれで１つのモジュールが構成されていてもよい。
・図１６に示すように、スイッチをオン状態に切り替える場合のゲート電荷供給用に各コンデンサ６６Ｕ，６６Ｖ，６６Ｗ，７６Ｕ，７６Ｖ，７６Ｗが備えられていてもよい。これは、各コンデンサ６３Ｕ，６３Ｖ，６３Ｗ，７３Ｕ，７３Ｖ，７３Ｗが各スイッチＳＵｐ，ＳＶｐ，ＳＷｐ，ＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎのゲートから遠いために採用される構成である。なお、図１６において、先の図２に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。また、Ｕ相下アームスイッチＳＵｎ付近に、破線の矢印にて、コンデンサ７６Ｕからゲートへの電荷供給経路を示す。
３０…インバータ、７４…負電圧電源、７５Ｖ，７５Ｗ…Ｖ，Ｗ相コンデンサ、８０ｎ…負極側経路、ＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎ…Ｕ，Ｖ，Ｗ相下アームスイッチ。

Claims (5)

  1. 各相に対応する上，下アームスイッチ（ＳＵｐ～Ｓｃｎ）を備える電力変換器（２０，３０）において、
    各相の前記下アームスイッチ（ＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎ，Ｓｃｎ）は、第１端子、第２端子及びゲートを有し、前記第２端子に対する前記ゲートの電位差が閾値電圧以上になることにより前記第１端子及び前記第２端子の間の電流の流通を許容するオン状態とされ、前記電位差が前記閾値電圧未満になることにより前記第１端子から前記第２端子への電流の流通を阻止するオフ状態とされ、
    各相の前記下アームスイッチの前記第２端子に接続された負極側導電部材（２３ｎ）と、
    各相の前記下アームスイッチのうち、いずれか１相の下アームスイッチ（ＳＵｎ）である対象下アームスイッチの前記第２端子に正極側が接続された電圧生成回路（７４）と、
    電源の正極側に接続された電気経路である正極側経路（８０ｐ）と、
    前記電圧生成回路の負極側に接続されるとともに、前記電源の負極側に接続された電気経路である負極側経路（８０ｎ）と、
    各相の前記下アームスイッチのうち、前記対象下アームスイッチ以外の各下アームスイッチ（ＳＶｎ，ＳＷｎ）である対象外下アームスイッチに対して個別に設けられ、第１端側が前記対象外下アームスイッチの前記第２端子に接続されるとともに第２端側が前記負極側経路に接続されたコンデンサ（７５Ｖ，７５Ｗ）と、
    各相の前記下アームスイッチに対応して個別に設けられるとともに、前記正極側経路、前記負極側経路及び前記下アームスイッチのゲートそれぞれに接続され、前記正極側経路を介して前記電源から供給される電力により前記下アームスイッチをオンオフ駆動するドライブＩＣ（７０Ｕ，７０Ｖ，７０Ｗ）と、
    負極側インダクタ（９１，１１１）と、を備え、
    前記負極側経路のうち、前記電圧生成回路の負極側との接続点である対象接続点（ＰＸ）と、前記コンデンサ（７５Ｖ）の第２端側との接続点であって前記負極側経路において前記対象接続点と隣り合う接続点との間に、前記負極側インダクタが設けられている電力変換器。
  2. 正極側インダクタ（１１２）を備え、
    前記正極側経路のうち、前記対象下アームスイッチをオンオフ駆動する前記ドライブＩＣ（７０Ｕ）である対象ＩＣの電源端子との接続点と、前記対象ＩＣ以外の前記ドライブＩＣ（７０Ｖ）の電源端子との接続点であって前記正極側経路において前記対象ＩＣの電源端子との接続点と隣り合う接続点との間に、前記正極側インダクタが設けられ、
    前記正極側インダクタ及び前記負極側インダクタ（１１１）は、磁気結合して一部品として構成されている請求項１に記載の電力変換器。
  3. 前記電源は絶縁電源であり、
    前記絶縁電源は、トランス及びダイオード（７２）を備え、
    前記トランスの２次側コイル（７１）の第１端に前記ダイオードのアノードが接続され、前記ダイオードのカソードに前記正極側経路が接続され、
    前記負極側経路は、前記２次側コイルの第２端に接続されている請求項１又は２に記載の電力変換器。
  4. 各相の前記下アームスイッチのゲートが接続される接続部（ＴＵｎ～Ｔｃｎ）を有する回路基板を備え、
    前記各接続部は、一列に並ぶように前記回路基板に設けられており、
    前記回路基板のうち、前記各接続部が並ぶ方向において、両端に位置する前記接続部の間に前記電圧生成回路が設けられている請求項１～３のいずれか１項に記載の電力変換器。
  5. 各相に対応する上，下アームスイッチ（ＳＵｐ～Ｓｃｎ）を備える電力変換器（２０，３０）において、
    各相の前記下アームスイッチ（ＳＵｎ，ＳＶｎ，ＳＷｎ，Ｓｃｎ）は、第１端子、第２端子及びゲートを有し、前記第２端子に対する前記ゲートの電位差が閾値電圧以上になることにより前記第１端子及び前記第２端子の間の電流の流通を許容するオン状態とされ、前記電位差が前記閾値電圧未満になることにより前記第１端子から前記第２端子への電流の流通を阻止するオフ状態とされ、
    各相の前記下アームスイッチの前記第２端子に接続された負極側導電部材（２３ｎ）と、
    各相の前記下アームスイッチのうち、いずれか１相の下アームスイッチ（ＳＵｎ）である対象下アームスイッチの前記第２端子に正極側が接続された電圧生成回路（７４）と、
    電源の正極側に接続された電気経路である正極側経路（８０ｐ）と、
    前記電圧生成回路の負極側に接続されるとともに、前記電源の負極側に接続された電気経路である負極側経路（８０ｎ）と、
    各相の前記下アームスイッチのうち、前記対象下アームスイッチ以外の各下アームスイッチ（ＳＶｎ，ＳＷｎ）である対象外下アームスイッチに対して個別に設けられ、第１端側が前記対象外下アームスイッチの前記第２端子に接続されるとともに第２端側が前記負極側経路に接続されたコンデンサ（７５Ｖ，７５Ｗ）と、
    各相の前記下アームスイッチに対応して個別に設けられるとともに、前記正極側経路、前記負極側経路及び前記下アームスイッチのゲートそれぞれに接続され、前記正極側経路を介して前記電源から供給される電力により前記下アームスイッチをオンオフ駆動するドライブＩＣ（７０Ｕ，７０Ｖ，７０Ｗ）と、を備え、
    前記各ドライブＩＣのうち、前記対象下アームスイッチをオンオフ駆動するドライブＩＣ（７０Ｕ）である対象ＩＣは、前記電圧生成回路を内蔵し、
    前記対象ＩＣは、前記電圧生成回路の出力電圧を目標電圧（ＶＮ）に制御し、
    前記各ドライブＩＣのうち、前記対象ＩＣ以外のドライブＩＣ（７０Ｖ，７０Ｗ）は、自身の駆動対象となる下アームスイッチ（ＳＶｎ，ＳＷｎ）に接続された前記コンデンサ（７５Ｖ，７５Ｗ）の電圧を監視し、その監視結果に基づいて、前記コンデンサの電圧が前記目標電圧からずれる異常が発生しているか否かを判定する電力変換器。
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