WO2016121632A1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
直流電源ラインの過電圧を検知すると3相ショートを行う。3相ショートにより、電流はモータと半導体スイッチング素子との間で還流し、直流電源ラインの電圧上昇を抑えることができる。3相ショートでは、上アームの半導体スイッチング素子もしくは下アームの半導体スイッチング素子をONして電流を還流させるため、ONしている側の半導体スイッチング素子が発熱する。熱による半導体スイッチング素子の故障発生を防ぐために、3相ショートしているアームの切り替えを適宜行う。この3相ショートを行うアームの切り替えを、インバータ部の上アーム側と下アーム側それぞれに温度センサを設け、これらの温度センサの出力によって、上アーム側と下アーム側の半導体スイッチング素子の温度が同程度となるように行ってもよい(例えば、特許文献2参照)。
また、同じアーム内であっても、スイッチング素子の温度に影響を与える条件が各スイッチング素子毎に異なる場合があり、各スイッチング素子の温度は必ずしも一様とならない。
従って、電力変換装置が備えるスイッチング素子の温度上昇を信頼性良く抑制することができないという問題点があった。
以下、本発明の実施の形態1による電力変換装置として、電動車の電動機駆動に適用される電力変換装置100について図を用いて説明する。
図1は、本発明の実施の形態1による電力変換装置100の構成を示す概略図である。
電力変換装置100は、直流電源1と、電動車に用いられる電動機4との間に接続されて直流電源1からの直流電力を交流電力に変換して電動機4に出力するインバータ回路としての電動機駆動装置30と、直流電源1からの直流電力を平滑する平滑コンデンサ2と、電動機駆動装置30の力行および回生を制御する制御回路40とを備える。
スイッチング素子31(31U、31V、31W)、スイッチング素子32(32U、32V、32W)には、それぞれダイオードが逆並列に接続されている。
以降、上スイッチング素子31と下スイッチング素子32とを区別せずに説明する場合は、単にスイッチング素子31、32と記載する。
直列体35U、35V、35Wは、それぞれ母線21と母線22との間に並列接続されている。そして、各直列体35U、35V、35Wの上スイッチング素子31U、31V、31Wと下スイッチング素子32U、32V、32Wとの接続点は、それぞれU相、V相、W相の各相交流入出力線(図中、U、V、W)に接続されている。このU相、V相、W相の各相交流入出力線には電動機4の各相が接続される。
また、電動機駆動装置30および電動機4の状態を検出するための電圧センサ71と、電流センサ72と、回転センサ73との3つのセンサが備えられている。
制御回路40は、電圧センサ71のセンシング情報を基に母線21、22間の電圧V1を検出する。また制御回路40は、電流センサ72のセンシング情報を基に電動機駆動装置30の出力電流(各相交流入出力線に流れる電流)Iaを検出する。また、制御回路40は、回転センサ73のセンシング情報を基に電動機4の速度ωや磁極位置θを検出する。
絶縁電源7は、図2に示す様に、スイッチング素子7aとトランス7bとダイオード7c、7dとコンデンサ7eとを備える。そして絶縁電源7は、母線21、22間の電力を受電して、高電位側駆動回路33U、33V、33Wおよび低電位側駆動回路34U、34V、34Wに供給される駆動電源を生成する。この絶縁電源7は、その内部のスイッチング素子のオン時間とトランスの巻数比とに応じて、生成する電圧を可変にすることができる。
回生ブレーキが作動した際は、電動車の車輪から回転トルクが電動機4に伝達され、電動機4は伝達されてきた回転トルクに基づいて交流電力(回生電力)を生成する。このとき、制御回路40は電動機駆動装置30を回生制御して、生成された交流電力を回生する。
直流電源1と平滑コンデンサ2との間の経路が正常に接続されている場合は、制御回路40は、電動機駆動装置30のスイッチング素子31、32を全てオフする。
なお、上記のようなスイッチング素子31、32を全てオフする制御に限るものでもない。例えば、ダイオードの導通に同期してスイッチング素子31、32のスイッチングを行う同期整流制御でもよい。これによりこの交流電力は電動機駆動装置30により直流電力に変換されて直流電源1へ充電される。充電された電力は、電動機駆動装置30の力行動作時に再び走行エネルギとして使用される。
図において、直流電源1と平滑コンデンサ2との間の経路が遮断状態の時にHiとなるFail信号F1と、制御回路40が過電圧抑制制御時に電動機駆動装置30に出力する下スイッチング素子32U、32V、32Wの駆動信号S2および上スイッチング素子31U、31V、31Wの駆動信号S1の関係を示す。
このFail信号F1は、例えばリレー6の開閉信号、電圧センサ71、電流センサ72により取得した電力変換装置100の電圧や電流の情報などを用いて、直流電源1と平滑コンデンサ2との間の経路が遮断状態であるか否かが判定されて出力される。
この過電圧抑制制御において、制御回路40は、U相、V相、W相の全ての下スイッチング素子32U、32V、32Wをオンさせると共に全ての上スイッチング素子31U、31V、31Wをオフさせるゼロベクトル期間を持つ第2制御P2を実行する。
全相の下スイッチング素子32U、32V、32Wがオンすると、電動機4の電機子巻線の各相が短絡され、電動機駆動装置30と電動機4との間で回生電流が還流する。そして、オンされた各下スイッチング素子32U、32V、32Wのオン抵抗と電動機4の電機子巻線の負荷と配線の寄生抵抗とで回生電力が消費される。
第2制御P2の時と同様に、オンされた上スイッチング素子31U、31V、32Wのオン抵抗と電動機4の電機子巻線の負荷と配線の寄生抵抗とで回生電力が消費される。
この制御回路40による期間Δt毎の、第1制御P1と第2制御P2との切替え制御は、Fail信号F1がLowになるまで繰り返される。
なお、図3に示すように、常に一定の長さの期間Δtが切替期間として用いられている。
上記時刻t1から時刻t2の第1制御P1の期間では、回生電流は上スイッチング素子31U、31V、31Wに流れる。そのため上スイッチング素子31U、31V、31Wの温度は上昇する。これに対してオフされている下スイッチング素子32U、32V、32Wには回生電流が流れない。そのため下スイッチング素子32U、32V、32Wの温度は下降する。
なお、本実施の形態では、過電圧抑制制御において、先に第2制御P2を行った後に、第1制御P1を行っているが、この順番は逆でもよい。
図4は、本発明の実施の形態1による制御回路40内のデータテーブルの構成例を示す図である。
図4に示す上限温度値Tmaxは、半導体素子であるスイッチング素子31、32の内部のP型半導体領域とN型半導体領域とのPN接合部における上限の温度値を示す(この場合、130℃)。
そして、このデータテーブルには、PN接合部の温度がこの上限温度値Tmax以下になるように予め決定された切替期間Δtの期間長(この場合10μs)が保持されている。
これらの条件J1は、電力変換装置100の動作前において正確に取得可能なものである。そしてこれらの条件J1に基いて、電力変換装置100が備える全てのスイッチング素子31、32が上限温度値Tmax以下となるような切替期間Δtが決定されている。
スイッチング素子31、32の熱抵抗を用いることで、スイッチング素子31、32の温度上昇値ΔTrを予め算出することができる。そして、算出された温度上昇値ΔTrが放熱されて、スイッチング素子31、32の温度が上限温度値Tmax以下となるような切替期間Δtを決定する。
また、更に正確な温度上昇値ΔTrを算出するために、スイッチング素子31、32の熱抵抗に加えて、スイッチング素子31、32の熱容量を用いてもよい。
図に示すように、表面にスイッチング素子31、32が実装された基板60の裏面に、放熱部としてのヒートシンク61が実装されている。このように、スイッチング素子31、32の発熱が、熱伝導経路としての基板60を介してヒートシンク61に伝熱される構成である。
この場合、スイッチング素子31、32の熱抵抗と、基板60の熱抵抗と、ヒートシンク61の熱抵抗とを用いて、より正確な温度上昇値ΔTrが算出可能である。
図6は、本発明の実施の形態1による制御回路40内のデータテーブルの他の構成例を示す図である。
図6に示すデータテーブルには、切替期間Δtに対する複数の期間長が保持されている。これらの切替期間Δtは、図4に示した切替期間Δtと同様に、スイッチング素子31、32のPN接合部の温度が上限温度値Tmax以下になるように条件J1に基づいて予め決定されたものである。
条件J2とは、電力変換装置100の動作中においてセンサなどにより取得される、スイッチング素子31、32の温度に影響を与える条件である。
具体的には、図6(a)に示す条件J2としてのIaは、電流センサ72により取得された各相交流入出力線に流れる電流の値であり、図6(b)に示す条件J2としてのTaは、スイッチング素子31、32の周囲温度Taであり、図6(c)に示す条件J2としてのNは、スイッチング素子31、32を冷却するファンの冷却条件(ここではファンの回転数N)である。
こうして、電力変換装置100が備える全てのスイッチング素子31、32が上限温度値Tmax以下となるように、これらの条件J2の値に応じた切替期間Δtが予め決定されている。
制御回路40は、電力変換装置100の動作中において、Fail信号F1がHiになり直流電源1と平滑コンデンサ2との間の経路が遮断状態と判定すると、上記条件J2を取得する。
ここで、3つの条件J2(電流Ia、周囲温度Ta、ファン回転数N)の全てを取得する必要はなく、少なくとも1つの条件J2を取得するものでよい。
具体的には、条件J2として各相交流入出力線に流れる電流Iaを取得し、その電流Iaの値が120Aであったとする。この場合、制御回路40は、図6(a)に示すデータテーブルから、120Aの電流Iaに対応して予め決定された10.5μsの期間長を選出する。
次に、制御回路40は、10.5μsの期間長を切替期間Δtに用いて、第1制御P1と第2制御P2とを10.5μs毎に切替えて制御する。
また、条件J2としてファン回転数Nを取得した場合は、制御回路40は、取得したファン回転数Nの値に対応して予め決定された切替期間Δtの期間長を、図6(c)に示すデータテーブルから選出する。
このように、制御回路40は、取得された条件J2のうち、少なくとも1つの値に応じて、複数の期間長から1つの期間長を選出する。
図7は、本発明の実施の形態1による制御回路40の回生制御時における過電圧抑制制御において、図3に示したものとは異なる制御を示す模式図である。
図7に示す切替制御では、第1制御P1と前記第2制御P2との切替制御を開始した時刻t0から時刻t5までに用いられる切替期間Δt1と、時刻t5から時刻t7に用いられる切替期間Δt2とは異なる。
このように、第1制御P1と前記第2制御P2との切替制御の経過時間に応じて予め決定された切替期間Δt1、Δt2を用いることも可能である。
これらのスイッチング素子31、32にはSi半導体の他、ワイドバンドギャップ半導体を用いたものを使用することが可能である。ワイドバンドギャップ半導体には、シリコンカーバイドの他、窒化ガリウム、ダイヤモンドがある。ワイドバンドギャップ半導体は高温動作が可能であるため、ヒートシンクなどの冷却系を簡素化することができ、装置の小型化が可能である。
また、上記電圧センサ71、電流センサ72および回転センサ73の構成は一例である。電動機4や、この電動機4に接続する負荷によってはこれらのセンサが不要であったり、センシングされた情報を使わないこともある。もしくは、さらに多くの情報のセンシングが必要になる場合もあるため、適宜センサの構成を変更すればよい。
また、電動機駆動装置30の直流電源1は、例えば、NiMH(ニッケルメタルハイドライド)電池やLi-ion(リチウムイオン)電池で構成される。また、交流電源を整流して直流電源として使用しても良い。
さらに、容量の小さい小型の平滑コンデンサ2やスイッチング素子31、32を用いることも可能となるため、装置構成を小型化できる。
各相交流入出力線に流れる電流Iaなどのこの条件J2は、電力変換装置100の動作中においても正確に取得可能なものである。また、この条件J2は、第1制御P1と第2制御P2の切替制御を行う直前における電力変換装置100の状態を示すものである。
こうして、正確であり、さらに電力変換装置100の直近の動作状況に即した条件J2に基づいて、予め定められた複数の期間長の内から最適な期間長を選出することが可能である。そのため、スイッチング素子31、32の温度上昇を制度良く抑制することができる。
また、上限温度値Tmaxは、スイッチング素子31、32のPN接合部の温度としたが、これに限定するものではない。例えば、スイッチング素子31、32のパッケージの表面温度でもよい。
以下、この発明の実施の形態2を、上記実施の形態1と異なる箇所を中心に説明する。
実施の形態1では、切替期間Δtが予め決定されており、制御回路40は、この予め決定された切替期間Δtを用いて、第1制御P1と第2制御P2とを切替制御するものであった。
本実施の形態では、電力変換装置100の動作中において各相交流入出力線に流れる電流Iaに応じて、制御回路40が所定の切替期間Δtを決定するものである。
そして、制御回路40は、電流Iaに基づいて切替期間Δtを決定し、第1制御P1と第2制御P2とを切替期間Δt毎に切替えて制御する。
制御回路40は、例えば電流Iaと切替期間Δtとの対応を示すテーブルを予め保持し、検出された電流Iaに応じて切替期間Δtを決定する。また、スイッチング素子31、32のPN接合部の温度が上限温度値Tmax以下になるように切替期間Δtは決定される。
この周囲温度Taは、上記実施の形態1で条件J2として示した周囲温度Taと同じものである。
この周囲温度Taは、上記実施の形態1で条件J2として示した周囲温度Taと同じものであり、ファンの回転数Nなどである。
この放熱部と熱伝導経路は、上記実施の形態1で示したものと同じであり、ヒートシンク61、基板60などである。
この切替制御は、上記実施の形態1の図7で示したものと同等であり、切替期間Δtは、切替制御の経過時間に応じて異なる。
図8は、本発明の実施の形態2による制御回路40の回生制御時における過電圧抑制制御の信号を表す模式図である。
図において、電力変換装置100の力行および回生を制御するための、スイッチング素子31、32を駆動する基となる搬送波C1を示す。この搬送波C1は、基準信号としてのクロック信号CLKに基づいて生成されるものである。
本実施の形態では、制御回路40が、電流Iaに基づいて決定された切替期間Δtをこのクロック信号CLKに基づいて調整する。
図8に示すように、切替期間Δtは、クロック信号CLKの周期の整数倍となるように調整され、各切替期間Δtは、クロック信号CLKの立ち上がりに同期して開始される。
こうして、搬送波C1を生成するためのクロック信号CLKが、切替期間Δtの決定に対しても用いられる。
こうして、制御回路40は、正確に取得可能であり、実際の動作状況に即した電流Iaに基づいて適正な切替期間Δtを決定することができる。
また、制御回路40が切替期間Δtを決定するため、電力変換装置100の動作中においても切替期間Δtの決定が可能である。そのため、制御の自由度が向上する。
よって、平滑コンデンサ2およびスイッチング素子31、32の信頼性を向上させることができる。これにより、信頼性が高く長寿命の電力変換装置を提供することができる。さらに、容量の小さい小型の平滑コンデンサ2やスイッチング素子31、32を用いることも可能となるため、装置構成を小型化できる。
こうして、さらに正確に取得可能な種々の条件に基づいて、適正な切替期間Δtを決定をすることが可能である。
このように、制御回路40の力行および回生を制御するためのクロック信号CLKを、切替期間Δtの決定にも用いることができ、基準信号を新たに追加する必要がない。これにより、制御回路40の制御動作の負荷を低減することができる。
以下、この発明の実施の形態3を、上記実施の形態1および実施の形態2と異なる箇所を中心に図を用いて説明する。上記実施の形態1および実施の形態2と同一ないし同等である構成要素には同一符号を付して説明を省略する。
図9は、本発明の実施の形態3による電力変換装置300の構成を示す概略図である。
図に示すように本実施の形態では、平滑コンデンサ2を放電するための放電回路380が平滑コンデンサ2に並列接続されている。放電回路380は抵抗381とスイッチング素子382とスイッチング素子382を駆動するための駆動回路383とで構成されている。
図10は、本発明の実施の形態3による制御回路340の回生制御時における過電圧抑制制御の信号を表す模式図である。なお、横軸は時間を示し、Qは過電圧抑制制御の期間を示す。
図において、直流電源1と平滑コンデンサ2との間の経路が遮断状態となった場合にオンとなるFail信号F1と、制御回路340のPWM回路43が過電圧抑制制御時に電動機駆動装置30に出力する下スイッチング素子32U、32V、32Wおよび上スイッチング素子31U、31V、31Wの駆動信号S2、S1と、過電圧抑制制御時の放電回路380の駆動信号S3との関係を示す。
時刻t0から期間Δtを経過した時刻t1において、制御回路340は、下スイッチング素子32U、32V、32Wおよび上スイッチング素子31U、31V、31Wをオフさせると共に、放電回路380内のスイッチング素子382をオンさせる。このとき上スイッチング素子31U、31V、31Wおよび下スイッチング素子32U、32V、32Wはともにオフであるため、回生電力は平滑コンデンサ2に充電される。このとき放電回路380内のスイッチング素子382がオンされる。そのため、平滑コンデンサ2内に充電される電力が抵抗381で消費され、平滑コンデンサ2の電圧上昇が抑制される。
このように、制御回路40は、第1制御P1と第2制御P2とを、切替期間Δt毎に切替えて制御し、第2制御P2から第1制御P1に切替える間に放電制御P3を行う。
また、制御回路340に、平滑コンデンサ2の電圧V1が、所定の電圧Vs以上であるかを判定する手段を設け、平滑コンデンサ2の電圧Vdcが電圧Vs以上である場合にのみ、スイッチング素子382をオンさせて平滑コンデンサ2を放電するように制御してもよい。これにより、実際の平滑コンデンサ2の電圧Vdcに応じた制御が可能になる。
また、本実施の形態では、所定の一定切替期間Δt毎に第1制御P1と第2制御P2とを切替て制御したが、これに限定するものではない。例えば第1制御P1を実行する期間と第2制御P2を実行する切替期間とΔtが異なるように設定してもよい。
また、放電回路380を用いる期間は、切替期間Δtと異なるように設定してもよい。
Claims (18)
- 直流母線間に接続され直流電源からの直流電力を平滑する平滑コンデンサと、
前記直流母線の高電位側に接続される上スイッチング素子と、前記直流母線の低電位側に接続される下スイッチング素子とがそれぞれ直列接続され、その接続点が各相交流入出力線に接続される直列体を、前記直流母線間にそれぞれ並列接続して備え、直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路と、
前記インバータ回路の力行および回生を制御する制御回路とを備えた電力変換装置において、
前記制御回路は、前記インバータ回路の回生制御において、前記直流電源と前記平滑コンデンサとの間の経路が遮断状態の場合に、全ての前記上スイッチング素子をオンさせると共に全ての前記下スイッチング素子をオフさせる第1制御と、全ての前記下スイッチング素子をオンさせると共に全ての前記上スイッチング素子をオフさせる第2制御とを予め定めた切替期間毎に切替えて制御する、
電力変換装置。 - 前記切替期間は、前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子の温度が上限温度値以下になるように決定される、
請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記制御回路は、前記切替期間に対し、複数の異なる期間長を保持し、
前記各相交流入出力線に流れる電流、前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子の周囲温度、前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子を冷却する条件、のうち少なくとも1つに応じて前記複数の期間長から1つを選出して前記切替期間に用いる、
請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子の熱抵抗および熱容量のうち、少なくとも熱抵抗を用いて前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子の温度上昇値が予め算出され、
前記切替期間は、前記温度上昇値に基づいて決定される、
請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子の発熱が熱伝導経路を介して放熱部に伝熱され、前記放熱部の熱抵抗と前記熱伝導経路の熱抵抗とを用いて前記温度上昇値が予め算出される、
請求項4に記載の電力変換装置。 - 前記切替期間は、前記第1制御と前記第2制御との切替制御の経過時間に応じて決定される、
請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。 - 直流母線間に接続され直流電源からの直流電力を平滑する平滑コンデンサと、
前記直流母線の高電位側に接続される上スイッチング素子と、前記直流母線の低電位側に接続される下スイッチング素子とがそれぞれ直列接続され、その接続点が各相交流入出力線に接続される直列体を、前記直流母線間にそれぞれ並列接続して備え、直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ回路と、
前記インバータ回路の力行および回生を制御する制御回路とを備えた電力変換装置において、
前記制御回路は、前記インバータ回路の回生制御において、前記直流電源と前記平滑コンデンサとの間の経路が遮断状態の場合に、全ての前記上スイッチング素子をオンさせると共に全ての前記下スイッチング素子をオフさせる第1制御と、全ての前記下スイッチング素子をオンさせると共に全ての前記上スイッチング素子をオフさせる第2制御とを所定の切替期間毎に切替えて制御するものであり、
前記制御回路は、前記各相交流入出力線に流れる電流に応じて前記切替期間を決定する、
電力変換装置。 - 前記制御回路は、前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子の温度が上限温度値以下になるように前記切替期間を決定する、
請求項7に記載の電力変換装置。 - 前記制御回路は、前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子の周囲温度に応じて前記切替期間を決定する、
請求項7または請求項8に記載の電力変換装置。 - 前記制御回路は、前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子を冷却する冷却条件に応じて前記切替期間を決定する、
請求項7から請求項9のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子の熱抵抗および熱容量のうち、少なくとも熱抵抗を用いて前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子の温度上昇値が予め算出され、
前記制御回路は、前記温度上昇値に基づいて前記切替期間を決定する、
請求項7または請求項8に記載の電力変換装置。 - 前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子の発熱が熱伝導経路を介して放熱部に伝熱され、前記放熱部の熱抵抗と前記熱伝導経路の熱抵抗とを用いて前記温度上昇値が算出される、
請求項11に記載の電力変換装置。 - 前記制御回路は、前記第1制御と前記第2制御との切替制御の経過時間に応じて前記切替期間を決定する、
請求項7または請求項8に記載の電力変換装置。 - 前記制御回路は、前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子の駆動制御に用いる搬送波を生成するための基準信号に基づいて、前記切替期間を調整する、
請求項7から請求項13のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - スイッチング素子を有する放電回路を、前記平滑コンデンサに並列接続して備え、
前記制御回路は、前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子をオフさせると共に前記放電回路内の前記スイッチング素子をオンさせる放電制御を、前記第1制御と前記第2制御との間に設ける、
請求項1から請求項14のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記制御回路は、前記インバータ回路の回生制御において、前記直流母線間の電圧が所定の電圧値以上となった場合に、前記経路が遮断状態と判定する、
請求項1から請求項15のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子は、ユニポーラデバイスである、
請求項1から請求項16のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記上スイッチング素子および前記下スイッチング素子は、バイポーラデバイスである、
請求項1から請求項17のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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