(57)【要約】  本発明に係る電力変換装置は、上下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を備えた直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、これら複数の半導体スイッチング素子のゲートを駆動するゲート信号をインバータ部に出力するゲート駆動部と、ゲート駆動部がゲート信号を出力するためのスイッチング制御信号をゲート駆動部に供給する駆動制御部と、直流電力の過電圧検知と交流電力の過電流検知と上下アームの温度検知とを行う第１異常検知部と、上下アームの複数の半導体スイッチング素子の異常を検知する第２異常検知部とを備え、駆動制御部は、第１異常検知部により異常が検出されたときに保護動作を行う第１保護回路部と、第２の異常検出部により異常が検出されたときに保護動作を行う第２保護回路部とを備える。
2012077187.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子と下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子とを備えた、直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ部と、
前記上アームおよび前記下アームの複数の半導体スイッチング素子のゲートをそれぞれ駆動してＯｎ／Ｏｆｆさせるゲート信号を前記インバータ部に出力するゲート駆動部と、
前記ゲート駆動部が前記ゲート信号を出力するためのスイッチング制御信号を前記ゲート駆動部に供給する駆動制御部と、
前記直流電力の過電圧検知と前記交流電力の過電流検知と前記上アームおよび下アームの温度検知とを行って前記インバータ部の異常を検出する第１異常検知部と、
前記上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子および前記下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子の各々の異常を検知して、前記インバータ部の異常を検出する第２異常検知部とを備え、
前記駆動制御部は、前記第１異常検知部により前記インバータ部の異常が検出されたときに保護動作を行う第１保護回路部と、前記第２の異常検出部により前記インバータ部の異常が検出されたときに保護動作を行う第２保護回路部とを備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記駆動制御部は、上位制御部と、前記上位制御部からの信号に基づいてスイッチング制御信号を生成する制御部とをさらに備え、
前記第１保護回路部は、第１の保護回路、第２の保護回路、および第３の保護回路とを備え、
前記第２保護回路部は、第４の保護回路を備え、
前記第１乃至第４の保護回路は、前記制御部と前記ゲート駆動部との間に順に設けられていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電力変換装置において、
前記第１異常検知部は、
前記インバータ部の正極と負極との間の過電圧を検知し、過電圧検知信号を前記駆動制御部に入力する過電圧検知部と、
前記インバータ部の交流電力出力の過電流を検知し、過電流検知信号を前記駆動制御部に入力する過電流検知部と、
前記上アームおよび下アームの温度を検知して、温度検知信号を前記駆動制御部に入力する温度検知部とを備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項３に記載の電力変換装置において、
前記第１保護回路部は、前記過電圧検知信号、前記過電流検知信号、前記温度検知信号と、前記上位制御部から入力される、前記上アームおよび前記下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子全てをＯｆｆとする信号と、前記上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号または前記下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号に基づいて、前記第１の保護回路に第１の制御信号を出力し、前記第２の保護回路に第２の制御信号を出力し、前記第３の保護回路に第３の制御信号を出力することにより、前記第１乃至第３の保護回路を制御して前記インバータ部へのゲート信号の入力を制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項４に記載の電力変換装置において、
前記第２の制御信号および前記第３の制御信号の立ち上がりタイミングは、前記第１の制御信号の立ち上がりタイミングより第１の所定時間だけ遅延され、前記第１の制御信号の立ち下がりタイミングは前記第２の制御信号および前記第３の制御信号の立ち下がりタイミングより第２の所定時間遅延されることにより、前記上アームの半導体スイッチング素子と、この半導体スイッチング素子に直列に接続されている、前記下アームの半導体スイッチング素子が同時にＯｎ状態とならないことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項４に記載の電力変換装置において、
前記第１保護回路部は、保護ロジック回路を備え、
前記第１の保護回路に前記第１の制御信号（Ｈｉｇｈ）が入力された場合は、前記第１の保護回路は前記制御部からのスイッチング制御信号の代わりに前記第１の制御信号（Ｈｉｇｈ）を前記第２の保護回路および前記第３の保護回路に出力し、
前記第２の保護回路に前記第２の制御信号（Ｈｉｇｈ）が入力された場合は、前記第１の保護回路回路からの出力信号に代えて、前記上アームの複数の半導体スイッチング素子のみをＯｎとするように、前記第２の制御信号（Ｈｉｇｈ）を反転した信号（Ｌｏｗ）を前記第４の保護回路に出力し、
前記第３の保護回路に前記第３の制御信号（Ｈｉｇｈ）が入力された場合は、前記第１保護回路回路からの出力信号に代えて、前記下アームの複数の半導体スイッチング素子のみをＯｎとするように、前記第３の制御信号（Ｈｉｇｈ）を反転した信号（Ｌｏｗ）を前記第４の保護回路に出力し、
前記保護ロジック回路は、前記過電圧検知信号、前記過電流検知信号、前記温度検知信号と、前記上位制御部から入力される、前記上アームおよび前記下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子全てをＯｆｆとする信号と、前記上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号または前記下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号に基づいて、前記第２の制御信号と前記第３の制御信号とを出力することを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項６に記載の電力変換装置において、
前記保護ロジック回路は、タイマ回路と３相ショートロジック回路とを備え、
前記３相ショートロジック回路は、前記第２の制御信号の立ち上がりタイミングを第１の所定時間遅延し、前記第２の制御信号の立ち下がり時間を第３の所定時間遅延する第１の遅延回路と、前記第３の制御信号の立ち上がりタイミングを第１の所定時間遅延し、前記第２の制御信号の立ち下がり時間を前記第１の所定時間より短い第３の所定時間遅延する第２の遅延回路とを備え、
前記タイマ回路は前記第１の制御信号の立ち下がりタイミングを第２の所定時間遅延することにより、前記上アームの半導体スイッチング素子と、この半導体スイッチング素子に直列に接続されている、前記下アームの半導体スイッチング素子が同時にＯｎ状態とならないことを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項２に記載の電力変換装置において、
前記第２異常検知部は、前記上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子および前記下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子の各々の異常を検知した場合は、半導体スイッチング素子異常検知信号を前記駆動制御部に入力し、
前記第２保護回路部は、前記半導体スイッチング素子異常検知信号を前記第４の保護回路に、前記第４の保護回路への第４の制御信号（Ｈｉｇｈ）として入力し、前記上アームおよび前記下アームの複数の半導体スイッチング素子全てをＯｆｆとするように、前記インバータ部へのゲート信号の入力を制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項４または５に記載の電力変換装置において、
前記過電圧検知信号が前記第１保護回路部に入力された場合は、前記第１保護回路部は、前記上アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｎとし、前記下アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｆｆとするか、または前記上アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｆｆとし、前記下アームの全ての半導体スイッチング素子をＯｎとするように、前記インバータ部へのゲート信号の入力を制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
請求項６または７に記載の電力変換装置において、
前記過電圧検知信号が前記第１保護回路部に入力された場合は、前記保護ロジック回路は前記第１の保護回路の前記第１の制御信号を入力し、更に前記保護ロジック回路は前記第２の保護回路に前記第２の制御信号を入力し、前記上アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｎとするように前記インバータ部へのゲート信号の入力を制御するか、または前記保護ロジック回路は前記第３の保護回路に前記第３の制御信号を入力し、前記下アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｎとするように、前記インバータ部へのゲート信号の入力を制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】
請求項４または５に記載の電力変換装置において、
前記過電流検知信号が前記第１保護回路部に入力された場合は、前記第１保護回路部は、前記上アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｎとし、前記下アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｆｆとするか、または上アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｆｆとし、前記下アームの全ての半導体スイッチング素子をＯｎとするように、前記インバータ部へのゲート信号の入力を制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１２】
請求項６または７に記載の電力変換装置において、
前記過電流検知信号が前記第１保護回路部に入力された場合は、前記保護ロジック回路は前記第１の保護回路に前記第１の制御信号を入力し、更に前記保護ロジック回路は前記第２の保護回路に前記第２の制御信号を入力し、前記上アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｎとするように前記インバータ部へのゲート信号の入力を制御するか、または前記保護ロジック回路は前記第３の保護回路に前記第３の制御信号を入力し、前記下アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｎとするように、前記インバータ部へのゲート信号の入力を制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１３】
請求項４または５に記載の電力変換装置において、
前記上位制御部から前記上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号が前記第１保護回路部に入力された場合は、前記第１保護回路部は、前記上アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｎとし、前記下アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｆｆとするするように、前記インバータ部へのゲート信号の入力を制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１４】
請求項６または７に記載の電力変換装置において、
前記上位制御部から前記上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号が前記第１保護回路部に入力された場合は、前記保護ロジック回路は、前記第１の保護回路に前記第１の制御信号を入力し、前記第２の保護回路に前記第２の制御信号を入力して、前記上アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｎとするように前記インバータ部へのゲート信号の入力を制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１５】
請求項４または５に記載の電力変換装置において、
前記上位制御部から前記下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号が前記第１保護回路部に入力された場合は、前記第１保護回路部は、前記下アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｎとし、前記上アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｆｆとするするように、前記インバータ部へのゲート信号の入力を制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１６】
請求項６または７に記載の電力変換装置において、
前記上位制御部から前記下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号が前記第１保護回路部に入力された場合は、前記保護ロジック回路は、前記第１の保護回路に前記第１の制御信号を入力し、前記第３の保護回路に前記第３の制御信号を入力して、前記下アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｎとするように前記インバータ部へのゲート信号の入力を制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１７】
請求項４または５に記載の電力変換装置において、
前記上位制御部から前記上アームおよび下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｆｆとする信号が前記第１保護回路部に入力された場合は、前記第１の保護回路部は、前記上アームおよび下アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｆｆとするように前記インバータ部へのゲート信号の入力を制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１８】
請求項６または７に記載の電力変換装置において、
前記上位制御部から前記上アームおよび下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｆｆとする信号が前記第１の保護回路部に入力された場合は、前記保護ロジック回路は、前記第１の保護回路に前記第１の制御信号を入力し、前記上アームおよび下アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｆｆとするように前記インバータ部へのゲート信号の入力を制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１９】
請求項２乃至１８に記載の電力変換装置において、
前記第１乃至第４の保護回路は、それぞれ３ステートバッファを備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２０】
請求項７に記載の電力変換装置において、
前記３相ショート駆動信号制御ロジックは、前記過電圧検知信号、前記過電流検知信号、前記温度検知信号と、前記上位制御部から入力される、前記上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号または前記下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号に基づいて、前記第２の制御信号または前記第３の制御信号のいずれかを出力することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２１】
請求項６または７に記載の電力変換装置において、
前記保護ロジック回路は、無効化ロジックを更に備え、
前記無効化ロジックは、前記制御部からの制御によって、前記上位制御装置から出力される、前記上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号と、前記上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号または前記下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号を遮断することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２２】
請求項８に記載の電力変換装置において、
前記第２異常検知部の出力が遮断された場合は、前記第２保護回路部は、前記第４の保護回路に第４の制御信号（Ｈｉｇｈ）を入力し、前記上アームおよび前記下アームの複数の半導体スイッチング素子全てをＯｆｆとするように、前記インバータ部へのゲート信号の入力を制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２３】
請求項５または７に記載の電力変換装置において、
前記第１の所定時間は、前記上アームおよび前記下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子として用いられる半導体スイッチング素子がＯｎからＯｆｆとなるスイッチング時間以上であることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体スイッチング素子を用いたインバータを備えた電力変換装置に関し、とりわけ保護回路を備えた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体スイッチング素子を備えたインバータ回路により電力変換を行い、その電力を負荷に供給する装置において、過電流保護回路や過電圧保護回路などの保護回路を複数備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１は、過電流あるいは過電圧のような重故障では、インバータ回路の半導体スイッチング素子の動作を緊急停止し、過負荷のような軽故障の場合は、半導体スイッチング素子に流れる電流がゆっくり減少するように制御して動作を停止することを開示している。すなわち半導体スイッチング素子は電流を流さないオープン状態となる。
また特許文献１は、インバータ回路の故障検出と、故障を検出した際のスイッチング素子の停止を行う制御回路を開示している。【０００３】
しかしながら、特許文献１のような方法をモータ制御用インバータ回路に適用した場合には、このモータ制御回路はオープン状態となるので、モータ自体は自由回転し、ゆっくりと減速することとなる。更にモータ駆動の場合は、過電流の場合と過電圧の場合とでは緊急度が異なる場合が多いが、特許文献１ではどちらの場合でも同様にスイッチング素子の動作停止を行うこととしている。【０００４】
特許文献２は、ＰＷＭ発生回路とインバータのゲート駆動回路との間に複数の３ステートバッファ回路が設けられた安全停止回路を備えたモータ制御装置を開示している。またこの安全停止回路はそれ自体動作が正常かどうかを上位装置が検出できる回路も備えている。
この特許文献２の３ステートバッファ回路は、ゲート駆動回路に供給されるＰＷＭ信号を遮断し、モータはフリーラン状態となって、ゆっくり停止する。しかしながら、この３ステートバッファへの制御入力は外部のモータ停止スイッチにより手動で行われるように構成されている。【０００５】
特許文献３には、電気自動車の走行中に、蓄電池からインバータ回路への直流電力を供給するスイッチ（コンタクタ）がオープンとなる不具合が発生した場合に、インバータ回路の上側アームまたは下側アームの半導体スイッチング素子を短絡して、インバータからモータへの電力供給を停止するシステムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−８８０９３号公報
【特許文献２】特開２０１０−１０４１８７号公報
【特許文献３】特開平９−４７０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の半導体スイッチング素子を用いたインバータを備えた電力変換装置では、特にこの電力変換装置をモータ駆動に用いた場合において、インバータの故障を検出し、この故障の状況に基づいて、インバータ回路を短絡あるいはオープンとするような、インバータ回路を含む電力変換装置を保護しかつ安全性の高い、最適な故障対応を速やかに実施することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様によると、電力変換装置であって、上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子と下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子とを備えた、直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ部と、上アームおよび下アームの複数の半導体スイッチング素子のゲートをそれぞれ駆動してＯｎ／Ｏｆｆさせるゲート信号をインバータ部に出力するゲート駆動部と、ゲート駆動部がゲート信号を出力するためのスイッチング制御信号をゲート駆動部に供給する駆動制御部と、直流電力の過電圧検知と交流電力の過電流検知と上アームおよび下アームの温度検知とを行ってインバータ部の異常を検出する第１異常検知部と、上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子および下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子の各々の異常を検知して、インバータ部の異常を検出する第２異常検知部とを備え、駆動制御部は、第１異常検知部によりインバータ部の異常が検出されたときに保護動作を行う第１保護回路部と、第２の異常検出部によりインバータ部の異常が検出されたときに保護動作を行う第２保護回路部とを備える。
本発明の第２の態様によると、第１の態様の電力変換装置において、駆動制御部は、上位制御部と、この上位制御部からの信号に基づいてスイッチング制御信号を生成する制御部とをさらに備え、第１保護回路部は、第１の保護回路、第２の保護回路、および第３の保護回路とを備え、第２保護回路部は、第４の保護回路を備え、第１乃至第４の保護回路は、制御部とゲート駆動部との間に順に設けられている。
本発明の第３の態様によると、第２の態様の電力変換装置において、記第１異常検知部は、インバータ部の正極と負極との間の過電圧を検知し、過電圧検知信号を駆動制御部に入力する過電圧検知部と、インバータ部の交流電力出力の過電流を検知し、過電流検知信号を駆動制御部に入力する過電流検知部と、上アームおよび下アームの温度を検知して、温度検知信号を駆動制御部に入力する温度検知部とを備える。
本発明の第４の態様によると、第３の態様の電力変換装置において、第１保護回路部は、過電圧検知信号、過電流検知信号、温度検知信号と、上位制御部から入力される、上アームおよび下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子全てをＯｆｆとする信号と、上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号または下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号に基づいて、第１の保護回路に第１の制御信号を出力し、第２の保護回路に第２の制御信号を出力し、第３の保護回路に第３の制御信号を出力することにより、第１乃至第３の保護回路を制御してインバータ部へのゲート信号の入力を制御する。
本発明の第５の態様によると、第４の態様の電力変換装置において、第２の制御信号および第３の制御信号の立ち上がりタイミングは、第１の制御信号の立ち上がりタイミングより第１の所定時間だけ遅延され、第１の制御信号の立ち下がりタイミングは第２の制御信号および第３の制御信号の立ち下がりタイミングより第２の所定時間遅延されることにより、上アームの半導体スイッチング素子と、この半導体スイッチング素子に直列に接続されている、下アームの半導体スイッチング素子が同時にＯｎ状態とならない。
本発明の第６の態様によると、第４の態様の電力変換装置において、第１保護回路部は、保護ロジック回路をさらに備え、第１の保護回路に第１の制御信号（Ｈｉｇｈ）が入力された場合は、第１の保護回路は制御部からのスイッチング制御信号の代わりに第１の信号（Ｈｉｇｈ）を第２の保護回路および第３の保護回路に出力し、第２の保護回路に第２の制御信号（Ｈｉｇｈ）が入力された場合は、第１の保護回路回路からの出力信号に代えて、上アームの複数の半導体スイッチング素子のみをＯｎとするように、第２の制御信号（Ｈｉｇｈ）を反転した信号（Ｌｏｗ）を第４の保護回路に出力し、第３の保護回路に第３の制御信号（Ｈｉｇｈ）が入力された場合は、第１保護回路回路からの出力信号に代えて、下アームの複数の半導体スイッチング素子のみをＯｎとするように、第３の制御信号（Ｈｉｇｈ）を反転した信号（Ｌｏｗ）を第４の保護回路に出力し、保護ロジック回路は、過電圧検知信号、過電流検知信号、温度検知信号と、上位制御部から入力される、上アームおよび下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子全てをＯｆｆとする信号と、上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号または下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号に基づいて、第２の制御信号と第３の制御信号とを出力する。
本発明の第７の態様によると、第６の態様の電力変換装置において、保護ロジック回路は、タイマ回路と３相ショートロジック回路とを備え、この３相ショートロジック回路は、第２の制御信号の立ち上がりタイミングを第１の所定時間遅延し、第２の制御信号の立ち下がり時間を第３の所定時間遅延する第１の遅延回路と、第３の制御信号の立ち上がりタイミングを第１の所定時間遅延し、第２の制御信号の立ち下がり時間を第１の所定時間より短い第３の所定時間遅延する第２の遅延回路とを備え、タイマ回路は第１の制御信号の立ち下がりタイミングを第２の所定時間遅延することにより、上アームの半導体スイッチング素子と、この半導体スイッチング素子に直列に接続されている、下アームの半導体スイッチング素子が同時にＯｎ状態とならない。
本発明の第８の態様によると、第２の態様の電力変換装置において、第２異常検知部は、上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子および下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子の各々の異常を検知した場合は、半導体スイッチング素子異常検知信号を駆動制御部に入力し、第２保護回路部は、半導体スイッチング素子異常検知信号を第４の保護回路に、第４の保護回路への第４の制御信号（Ｈｉｇｈ）として入力し、上アームおよび下アームの複数の半導体スイッチング素子全てをＯｆｆとするように、インバータ部へのゲート信号の入力を制御する。
本発明の第９の態様によると、第４または第５の態様の電力変換装置において、過電圧検知信号が第１保護回路部に入力された場合は、第１保護回路部は、上アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｎとし、下アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｆｆとするか、または上アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｆｆとし、下アームの全ての半導体スイッチング素子をＯｎとするように、インバータ部へのゲート信号の入力を制御する。
本発明の第１０の態様によると、第６または第７の態様の電力変換装置において、過電圧検知信号が第１保護回路部に入力された場合は、保護ロジック回路は第１の保護回路の第１の制御信号を入力し、更に保護ロジック回路は第２の保護回路に第２の制御信号を入力し、上アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｎとするようにインバータ部へのゲート信号の入力を制御するか、または保護ロジック回路は第３の保護回路に第３の制御信号を入力し、下アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｎとするように、インバータ部へのゲート信号の入力を制御する。
本発明の第１１の態様によると、第４または第５の態様の電力変換装置において、過電流検知信号が第１保護回路部に入力された場合は、第１保護回路部は、上アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｎとし、下アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｆｆとするか、または上アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｆｆとし、下アームの全ての半導体スイッチング素子をＯｎとするように、インバータ部へのゲート信号の入力を制御する。
本発明の第１２の態様によると、第６または第７の態様の電力変換装置において、過電流検知信号が第１保護回路部に入力された場合は、保護ロジック回路は第１の保護回路に第１の制御信号を入力し、更に保護ロジック回路は第２の保護回路に第２の制御信号を入力し、上アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｎとするようにインバータ部へのゲート信号の入力を制御するか、または保護ロジック回路は第３の保護回路に第３の制御信号を入力し、下アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｎとするように、インバータ部へのゲート信号の入力を制御する。
本発明の第１３の態様によると、第４または第５の態様の電力変換装置において、上位制御部から上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号が第１保護回路部に入力された場合は、第１保護回路部は、上アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｎとし、下アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｆｆとするするように、インバータ部へのゲート信号の入力を制御する。
本発明の第１４の態様によると、第６または第７の態様の電力変換装置において、上位制御部から上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号が第１保護回路部に入力された場合は、保護ロジック回路は、第１の保護回路に第１の制御信号を入力し、第２の保護回路に第２の制御信号を入力して、上アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｎとするようにインバータ部へのゲート信号の入力を制御する。
本発明の第１５の態様によると、第４または第５の態様の電力変換装置において、上位制御部から下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号が第１保護回路部に入力された場合は、第１保護回路部は、下アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｎとし、上アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｆｆとするするように、インバータ部へのゲート信号の入力を制御する。
本発明の第１６の態様によると、第６または第７の態様の電力変換装置において、上位制御部から下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号が第１保護回路部に入力された場合は、保護ロジック回路は、第１の保護回路に第１の制御信号を入力し、第３の保護回路に第３の制御信号を入力して、下アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｎとするようにインバータ部へのゲート信号の入力を制御する。
本発明の第１７の態様によると、第４または第５の態様の電力変換装置において、上位制御部から上アームおよび下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｆｆとする信号が第１保護回路部に入力された場合は、第１の保護回路部は、上アームおよび下アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｆｆとするようにインバータ部へのゲート信号の入力を制御する。
本発明の第１８の態様によると、第６または第７の態様の電力変換装置において、上位制御部から上アームおよび下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｆｆとする信号が第１の保護回路部に入力された場合は、保護ロジック回路は、第１の保護回路に第１の制御信号を入力し、上アームおよび下アームの複数の半導体スイッチング素子の全てをＯｆｆとするようにインバータ部へのゲート信号の入力を制御する。
本発明の第１９の態様によると、第２乃至第１８の態様の電力変換装置において、第１乃至第４の保護回路は、それぞれ３ステートバッファを備える。
本発明の第２０の態様によると、第７の態様の電力変換装置において、３相ショート駆動信号制御ロジックは、過電圧検知信号、過電流検知信号、温度検知信号と、上位制御部から入力される、上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号または下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号に基づいて、第２の制御信号または第３の制御信号のいずれかを出力する。
本発明の第２１の態様によると、第６または第７の態様の電力変換装置において、保護ロジック回路は、無効化ロジックを更に備え、無効化ロジックは、制御部からの制御によって、上位制御装置から出力される、上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号と、上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号または下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を全てＯｎとする信号を遮断する。
本発明の第２２の態様によると、第８の態様の電力変換装置において、第２異常検知部の出力が遮断された場合は、第２保護回路部は、第４の保護回路に第４の制御信号（Ｈｉｇｈ）を入力し、上アームおよび下アームの複数の半導体スイッチング素子全てをＯｆｆとするように、インバータ部へのゲート信号の入力を制御する。
本発明の第２３の態様によると、第５または第７の態様の電力変換装置において、第１の所定時間は、上アームおよび下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子として用いられる半導体スイッチング素子がＯｎからＯｆｆとなるスイッチング時間以上である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明による保護回路を備えた電力変換装置により、電力変換装置の故障状況に応じて、この電力変換装置を含むシステムの最適の保護制御動作を高い安全性で速やかに実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ハイブリッド自動車用モータ駆動装置に本発明を適用した場合の電力変換回路の実施例の概要を示すブロック図である。
【図２】図１のモータ駆動制御部１０５の概略、保護回路部１１０の実施例の概略、およびゲート駆動部１０９の概略示すブロック図である。
【図３】図２の本発明による電力変換装置の保護回路部の３相ショート動作を説明する信号タイミング図である。
【図４】図２の３相ショート駆動信号制御ロジック２０４の回路の実施例の概略を示すブロック図である。
【図５】図５（ａ）は、図４のアーム選択回路６００の回路の実施例を示す図である。図５（ｂ）および（ｃ）は図５（ａ）の実施例の変形例である。
【図６】電力変換装置の過電圧を検知した時の、本発明による保護回路の動作を説明する図である。
【図７】図１の過電圧検知部１０６の実施例の概略例を示すブロック図である。
【図８】図２の保護回路部１１０を備えた電力変換装置において、故障が検知された時にインバータ部１０３の半導体スイッチング素子が３相オープンまたは３相ショートとなる制御動作が実行される場合の保護回路の動作状態を示す図である。
【図９】図８に記載の３相オープンまたは３相ショートを実行する保護回路部の動作の各トリガの優位度を示す検知順序フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について、図１〜９を参照して、本発明をハイブリッド自動車用モータ駆動装置に適用した場合を例にして説明する。
図１はハイブリッド自動車用モータ駆動装置に本発明を適用した場合の電力変換回路の例を示す。図１において、１０１は直流電源、１０２は平滑コンデンサ、１０３はインバータ部、１０４はモータ、１０５はモータ駆動制御部、１０６は過電圧検知部、１０７は過電流検知部、１０８はインバータ異常検知部、１０９はゲート駆動部、１１１は温度検知部である。平滑コンデンサ１０２は、直流電源１０１と並列に接続される。直流電源１０１にはコンタクタ１０１ａを設ける。
【００１２】
インバータ部１０３は、半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆを３相フルブリッジ接続して構成する。本実施形態のインバータ部のスイッチング素子３ａ〜３ｆにはＩＧＢＴを用い、各ＩＧＢＴには並列に還流用ダイオードが設けられたものを用いている。過電圧検知部１０６は、直流電源１０１の正極側ラインと負極側ラインとの間の電圧を測定し、過電圧を検知するとモータ１０４の駆動制御部であるモータ駆動制御部１０５に過電圧検知信号ＯＶを出力する。過電流検知部１０７はモータ１０４の各線電流を測定し、過電流を検知すると過電流検知信号ＯＣをモータ駆動制御部１０５に出力する。
【００１３】
インバータ異常検知部１０８は、モータ１０４や半導体スイッチング素子、インバータ部１０３の異常を検知すると、モータ駆動制御部１０５にこのインバータ異常検知信号であるゲートフォルト信号を出力する。異常と判断するのは、例えば、半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆとして使用するＩＧＢＴの短絡電流検知時やＩＧＢＴのゲート駆動電源電圧が閾値より低下したときである。
【００１４】
ＩＧＢＴの短絡電流検知は、例えば、カレントミラーＩＧＢＴを用いる方法や、ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間の電圧を監視する方法などがあるが、ここでは特に限定しない。ＩＧＢＴの短絡電流検知閾値は、例えば、過電流検知部１０７の閾値の２倍以上の電流が数μs流れた時動作するように設定する。ゲート駆動電源電圧の低下は、コレクタ−エミッタ間の電圧上昇を招きチップの発熱が増大する。よって、検知閾値はチップ温度が熱定格を超えないような値に設定する。インバータ部１０３の異常が検知されてゲートフォルト信号が出力されたときの動作については、後述する。
【００１５】
温度検知部１１１は、上アームの温度を検出する温度センサＴＵと下アームの温度を検出する温度センサＴＬの出力によって、上アームすなわち上アームの半導体スイッチング素子の温度と、下アームすなわち下アームの半導体スイッチング素子の温度を検出する。検出された上アームと下アームの温度は、モータ制御マイコン２０６に入力され電力変換装置の制御に用いられる。
温度検出部１１１は、さらに検出された上アームと下アームの温度を比較する。その結果を示す上アーム温度信号と下アーム温度信号とは３相ショート駆動信号ロジックに２０４に入力される。上アームの温度の方が高い場合は、上アーム温度信号はＨｉｇｈ、下アーム温度信号はＬｏｗとされる。逆に下アームの温度の方が高い場合には、上アーム温度信号にはＬｏｗ、下アーム温度信号はＨｉｇｈとされる。
【００１６】
ゲート駆動部１０９は、モータ駆動制御部１０５のモータ制御マイコン２０６（図２参照）からのスイッチング制御信号に応じたゲート駆動信号をインバータ部１０３に設けられた半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆに出力する。通常駆動時には、モータ駆動制御部１０５からのスイッチング制御信号として、モータ制御マイコンから出力されたＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号がそのままゲート駆動部１０９に入力され、このＰＷＭ制御信号に基づいたゲート信号がインバータ部１０３に入力される。、このようにＰＷＭ制御信号に基づいてインバータ部１０３に設けた半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆをスイッチングすることにより、直流電源１０１からインバータ部１０３に入力された直流電圧が任意の３相交流に変換される。
【００１７】
図２は、図１のモータ駆動制御部１０５、およびインバータ部１０３の半導体スイッチング素子のゲートを駆動するゲート駆動部１０９のブロック図を示す。モータ駆動制御部１０５はモータ制御マイコン２０６と保護回路部１１０を備える。なお、図２のゲート駆動部１０９は、フォトカプラの発光ダイオード２１０以降の回路（受光素子）と、ゲート信号を出力するプリドライバ回路は省略してある。
本発明の実施形態では、モータ駆動制御部１０５に設けるモータ制御マイコン２０６と、モータ制御マイコン２０６よりも上位の制御装置であるメインマイコン２０７とが用いられる。モータ駆動制御部１０５は、通常、モータ制御マイコン２０６によって制御される。モータ制御マイコン２０６は、モータに任意のトルクや回転数を与えるために、インバータ部１０３の半導体スイッチング素子の適切なスイッチング時間を演算し、ＰＷＭ制御を行う。その結果、モータ１０４の各相には交流電圧及び電流が印加され、駆動制御される。なお、本発明の実施形態で説明するメインマイコン２０７が担っている保護機能は、モータ制御マイコン２０６が担うことも可能である。
【００１８】
モータ制御マイコン２０６の異常はＩＧＢＴやモータ１０４の動作不良の原因となり、さらにはＩＧＢＴの破壊を招く可能性があるため、メインマイコン２０７は、モータ制御マイコン２０６の異常を検知した場合は、メインマイコン２０７からモータ制御マイコン２０６を経由せずに３相オープンもしくは３相ショートを行うためのトリガ信号として制御信号を保護回路部１１０に送出して、インバータ部１０３の３相ショートまたは３相オープンを行って車両の安全を確保する。
例えば、メインマイコン２０７とモータ制御マイコン２０６間でＳＰＩ(Serial Peripheral Interface)通信を行い、メインマイコン２０７からモータ制御マイコン２０６への演算指令に対する解答（例えば、「１＋１」という演算指令に対する解答）の整合性を確認することで、モータ制御マイコン２０６の異常かどうかを検知する。
【００１９】
モータ制御マイコン２０６とゲート駆動部１０９との間のスイッチング制御信号のライン上には、第１の保護回路２０１を構成する３ステートバッファ２０１Ｂとプルアップ抵抗２０１Ｒが設けられ、第２の保護回路２０２Ｕを構成する３ステートバッファ２０２ＵＢとプルダウン抵抗２０２ＵＲが設けられ、第３の保護回路２０２Ｌを構成する３ステートバッファ２０２ＬＢとプルダウン抵抗２０２ＬＲが設けられ、さらに第４の保護回路２０３を構成する３ステートバッファ２０３Ｂが設けられる。バッファ２０１Ｂ、プルアップ抵抗２０１Ｒ、バッファ２０３Ｂは、上下アームを構成する半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆのスイッチング制御信号ライン上の全てに設けられる。バッファ２０２ＵＢとプルダウン抵抗２０２ＵＲは、上アームを構成する半導体スイッチング素子３ａ、３ｂ、３ｃのスイッチング制御信号ライン上に設けられている。バッファ２０２ＬＢとプルダウン抵抗２０２ＬＲは、下アームを構成する半導体スイッチング素子３ｄ、３ｅ、３ｆのスイッチング制御信号ライン上に設けられている。
【００２０】
保護回路部１１０は、上記の第１から第４の保護回路２０１、２０２Ｕ、２０２Ｌ、２０３と、第１から第３の保護回路２０１、２０２Ｕ、２０２Ｌを制御する保護ロジック回路２００とを含んで構成される。保護回路ロジック回路２００は、さらに３相ショート駆動信号制御ロジック２０４と、タイマ回路２０５と、無効化ロジック２０８、２０９とを含んで構成される。なお、第４の保護回路はインバータ異常検知部１０８からのインバータ異常検知信号（ゲートフォルト信号）により制御される。
本発明では、第１から第４の保護回路２０１、２０２Ｕ、２０２Ｌ、２０３によって、モータ制御マイコン２０６からのスイッチング信号のゲート駆動部１０９への供給／遮断が制御され、モータ制御マイコン２０６からのスイッチング制御信号が遮断される場合は、このスイッチング制御信号に代えて各保護回路からの出力信号がスイッチング制御信号としてゲート駆動部１０９に入力される。
【００２１】
第１から第４の保護回路２０１、２０２Ｕ、２０２Ｌ、２０３のバッファには、上記のモータ制御マイコン２０６の異常を含む電力変換回路内で発生した各種の異常に基づくトリガ信号が制御信号として入力される。
電力変換装置に異常が発生しておらず、したがって異常に基づくトリガ信号が発生していない場合は、モータ制御マイコン２０６から出力された各半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆをスイッチング駆動するスイッチング制御信号はそのまま、これらのバッファ２０１Ｂ、２０２ＵＢ、２０２ＬＢ、２０３Ｂを通過してゲート駆動部１０９に入力される。
【００２２】
一方、制御信号（トリガ信号）がバッファ２０１Ｂ、２０２ＵＢ、２０２ＬＢ、２０３Ｂに入力されると、各バッファはそれぞれ遮断状態（ハイインピーダンス状態）となる。バッファ２０１Ｂにトリガ信号が入力されてバッファ２０１Ｂの出力側が遮断状態となると、バッファ２０２ＵＢ、２０２ＬＢの入力側は接続されたプルアップ抵抗２０１ＲによりＨｉｇｈ状態にプルアップされるので、バッファ２０２ＵＢ、２０２ＬＢにはＨｉｇｈ信号が入力される。
【００２３】
バッファ２０２ＵＢ、２０２ＬＢにトリガ信号が入力されると、バッファ２０２ＵＢ、２０２ＬＢの出力側が遮断され、バッファ２０３Ｂの入力側は、それぞれ接続されたプルダウン抵抗２０２ＵＲ、２０２ＬＲによりＬｏｗ状態にプルダウンされるので、バッファ２０３ＢにはＬｏｗ信号が入力される。
【００２４】
バッファ２０３Ｂにトリガ信号が入力されると、バッファ２０３Ｂの出力側（すなわち、ゲート駆動部１０９の入力側）はハイインピーダンス状態となり、ゲート駆動部１０９内のフォトカプラの発光ダイオード２０８には電流が流れなくなるため、光信号は出力されず、ゲート駆動部１０９からはスイッチング素子３ａ〜３ｆを駆動するゲート信号が出力されない。すなわちスイッチング素子３ａ〜３ｆはＯＦＦとなる。なお、バッファ２０２ＵＢ、２０２ＬＢからの入力によってバッファ２０３Ｂの出力がＨｉｇｈとなっている場合もフォトカプラの発光ダイオード２１０には電流が流れないため光信号は出力されず、半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆはＯＦＦとなる。
【００２５】
上記のようにゲート駆動回路１０９では、バッファ２０３ＢからＬｏｗ信号が入力されると発光ダイオード２１０から光信号が出力され、半導体スイッチング素子をＯＮ（導通状態）とするゲート駆動信号が出力される。逆に、Ｈｉｇｈ信号が入力されると半導体スイッチング素子をＯＦＦ（遮断状態）とするゲート駆動信号が出力される。本実施形態では、電力変換装置の異常時の保護動作として、バッファ２０１Ｂ、２０２ＵＢ、２０２ＬＢ、２０３Ｂのバッファ出力を制御することによって、半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆを全てＯＦＦにする３相オープン動作や、上アーム３ａ〜３ｃまたは下アーム（３ｄ〜３ｆ）のみをＯＮにして他をＯＦＦする３相ショート（上アーム３相ショート、下アーム３相ショート）動作を行う。
なお、３相ショートを行うと、モータ１０４のコイルには自己誘導による逆起電力が発生し、これに伴うブレーキング効果が発生する。このブレーキング効果を用いて、車両を速やかに停止あるいは低速とすることにより、電力変換器での異常発生時に車両の安全を確保することができる。
【００２６】
（３相オープン動作）
３相オープン動作は、メインマイコン２０７からの３相オープンのトリガ信号または、インバータ異常検知部１０８がインバータ部１０３の異常を検知した際に発生されるトリガ信号である、インバータ異常検知部１０８からのインバータ異常検知信号（ゲートフォールト信号）によって実行される。なお、ゲートフォルト信号によって実行される３相オープン動作については後述する。
メインマイコン２０７による３相オープンのトリガ信号は、メインマイコン２０７が電力変換装置の動作状態（異常を含む）をモニターして、３相オープンが必要と判断された種々の場合に発生される。各々の場合については後で詳述する。
【００２７】
メインマイコン２０７からの３相オープンのトリガ信号が保護ロジック回路２００に入力されると、この３相オープントリガ信号はタイマ回路２０５を介してバッファ２０１Ｂに入力される。この３相オープン信号が制御（トリガ）信号としてバッファ２０１Ｂに入力されると、上述したようにバッファ２０１Ｂは遮断状態となり、さらにバッファ２０１Ｂの出力側はプルアップされてＨｉｇｈ状態となる。一方、バッファ２０２ＵＢ、２０２ＬＢ、２０３Ｂには制御信号が入力されないので、いずれも導通状態となっており、これらのバッファに入力された信号はＨｉｇｈ、Ｌｏｗ状態を変えることなくそのまま出力される。すなわち、メインマイコン２０７から３相オープンのトリガ信号が入力された時の３相オープン動作時には、上下アームの全ての半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆの全てに関して、ゲート駆動部１０９にＨｉｇｈ信号が入力される。その結果、半導体スイッチング素子を駆動するゲート信号はゲート駆動部から出力されず、半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆの全てが遮断状態となる。なお、既に説明したように、ゲート駆動部１０９にＨｉｇｈ信号が入力されると、半導体スイッチング素子を駆動するゲート信号がインバータ部に出力されず、半導体スイッチング素子はＯＦＦ（遮断状態）となり、Ｌｏｗ信号がゲート駆動部１０９に入力されると半導体スイッチング素子はＯＮ（導通状態）となる。
【００２８】
メインマイコン２０７からの３相オープンのトリガ信号入力がなくなると、タイマ回路２０５により設定された時間（図３に示すΔｔ２）だけバッファ２０１Ｂへの３相オープンのトリガ信号の入力保持した後に、バッファ２０１Ｂへの３相オープン信号の入力がなくなる（Ｌｏｗ状態となる）。すなわち、バッファ２０１Ｂへの３相オープンのトリガ信号は、このトリガ信号の立ち下がりエッジから動作するタイマー回路２０５を用いて発生された遅延Δｔ２だけ遅延されて、トリガ信号はＬｏｗ状態となる。バッファ２０１Ｂへの３相オープン信号の入力がなくなると、バッファ２０１Ｂは導通状態となり、モータ制御マイコン２０６からのスイッチング信号がバッファ２０１Ｂ、２０２ＵＢ、２０２ＬＢ、２０３Ｂを通過してゲート駆動部１０９に供給され、通常のＰＷＭ制御に復帰する。
なお、このモータ制御マイコン２０６から出力される半導体スイッチング素子のスイッチング制御信号をＨｉｇｈとすることによっても半導体スイッチング素子の３相オープン動作を実行することができる。この場合の３相オープンは、通常のＰＷＭ制御の中の一部として行う場合と、メインマイコン２０７が発生する３相オープンのトリガ信号または他の異常状態によるトリガ信号（後述）のゲート駆動部１０９への入力により３相オープンを行う時に、安全性を更に確保するために実行する場合とがある。
【００２９】
（３相ショート動作）
図３は本発明による電力変換装置の保護回路部１１０の３相ショート動作を説明する図である。上述したように、３相ショート動作には上アームの３相をショートする場合と、下アームの３相をショートする場合とがあるが、以下では下アームを３相ショートする場合について説明する。
【００３０】
図３に、下アーム３相ショートを行う場合のタイミングチャートを示す。なお、上アーム３相ショートの場合のタイミングチャートも、図３に示す下アーム３相ショートの場合と同様である。Δｔ１、Δｔ３は、それぞれ３相ショート駆動信号制御ロジック２０４から出力される下アーム３相ショート信号（または上アーム３相ショート信号）の立ち下がりエッジと立ち上がりエッジの遅延であり、３相ショート駆動信号制御ロジック２０４内の回路で生成される（後述）。Δｔ２は上述のように、タイマー回路２０５により発生される遅延である。
メインマイコン２０７による３相ショートのトリガ信号は、メインマイコン２０７が電力変換装置の動作状態（異常を含む）および車両の状態をモニターして、３相ショートが必要と判断された種々の場合に発生される。各々の場合については後で詳述する。
【００３１】
３相ショートを行うトリガ信号（下アーム３相ショート）は、メインマイコン２０７からバッファ２０１Ｂと３相ショート駆動信号制御ロジック２０４に入力される。ただしこの場合バッファ２０１Ｂに入力されるトリガ信号は、バッファ２０１Ｂを全て遮断する、上記の３相オープンのトリガ信号と実質的に同じ信号であり、バッファ２０１Ｂの出力は遮断される。この結果、バッファ２０１Ｂの後段に設けているバッファ２０２ＵＢ、バッファ２０２ＬＢの入力側はＨｉｇｈ状態にプルアップされる。
なお、この際上記のように、さらに動作の安全性を高めるために、半導体スイッチング素子が３相オープン動作となるように、モータ制御マイコン２０６からのスイッチング制御信号をＨｉｇｈにしてもよい。メインマイコン２０７とモータ制御マイコン２０６はＳＰＩ接続されているので、メインマイコン２０７の指示によりこのようなゲート制御が行われる。この場合は通常モータ制御マイコン２０６から出力されるＰＷＭ信号ではなく、Ｈｉｇｈ状態の信号がスイッチング制御信号としてモータ制御マイコン２０６から出力されることになる。
【００３２】
このような制御を行う理由は、３相ショートを行う場合は、インバータ部１０３の上アーム側半導体スイッチング素子３ａ〜３ｃまたは下アーム側半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆの一方が導通（Ｏｎ）状態となっており、もう一方は確実に非道通（Ｏｆｆ）となっていなければならないからである。もし上アーム側および下アーム側の半導体スイッチング素子が共にＯｎになる状態が発生すると、直流電源１０１に対して短絡回路を形成するために、大電流が半導体スイッチング素子に流れ続け、これらの破損の原因となるからである。
【００３３】
上述したように、ゲート駆動部１０９に対してＬｏｗ信号が入力されると半導体スイッチング素子がＯＮとなり、Ｈｉｇｈ信号が入力されると半導体スイッチング素子がＯＦＦとなるので、３相ショートを行うトリガ信号（この場合は３相オープンのトリガ信号と実質的に同じ信号）がバッファ２０１Ｂに入力されると、上述したようにバッファ２０２ＵＢ、バッファ２０２ＬＢの入力側（バッファ２０１Ｂの出力側）はＨｉｇｈ状態となる。そして、バッファ２０２ＵＢに入力されたＨｉｇｈ信号はバッファ２０３Ｂを通過してそのままゲート駆動部１０９に入力されるため、半導体スイッチング素子３ａ〜３ｃはＯＦＦとなる。
【００３４】
一方、３相ショートを行うトリガ信号は、３相ショート駆動信号制御ロジック２０４を経由してバッファ２０２ＬＢに入力されて、バッファ２０２ＬＢの出力を遮断する。バッファ２０２ＬＢの出力を遮断すると、バッファ２０２ＬＢの出力側はＬｏｗ状態にプルダウンされる。その結果、下アームの半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆに関してはＬｏｗ信号がゲート駆動部１０９に入力され、半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆがＯＮとなる。このように、本実施形態では、３相ショート動作においては、最初に全ての半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆをＯＦＦにする３相オープン動作を行い、その後に半導体スイッチング素子３ａ〜３ｃもしくは半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆをＯＮするようにしている。
【００３５】
ただし、この際バッファ２０２ＬＢに入力される３相ショートを行うトリガ信号は、バッファ２０２ＬＢに入力される前に、後述するように３相ショート駆動信号制御ロジック２０４でΔｔ１だけ遅延される。すなわち、バッファ２０１Ｂの出力遮断より所定遅延時間Δｔ１だけ遅れて下アームの３相ショートを行うトリガ信号（下アーム３相ショート動作の場合）を出力する。その結果、まずバッファ２０１Ｂの出力が遮断され、さらに所定遅延時間Δｔ１だけ遅れてバッファ２０２ＬＢの出力側がＬｏｗ状態となる。
【００３６】
３相ショートを行うトリガ信号がなくなると、すなわちこのトリガ信号がＬｏｗ状態となると、このＬｏｗ状態になるタイミングは３相ショート駆動信号制御ロジック２０４でΔｔ３だけ僅かに（Δｔ３≪Δｔ１）遅延されるので、バッファ２０２ＬＢ（上アーム３相ショート動作の場合にはバッファ２０２ＵＢ）はΔｔ３だけ遅れて導通状態に戻る。このとき、バッファ２０１Ｂの出力側は前述のようにΔｔ２だけ遅れてＨｉｇｈからＬｏｗになるので、半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆは３相ショートを行うトリガ信号がＬｏｗになってからΔｔ３後もＯＦＦとなり、３相オープン状態に切り替わる。そして、タイマ回路２０５により設定される遅延時間Δｔ２だけバッファ２０１Ｂの出力遮断を保持した後に、バッファ２０１Ｂは導通状態に戻るので、３相ショートを行うトリガ信号がＬｏｗになってからΔｔ２経過後に通常のＰＷＭ制御に復帰する。すなわち、３相ショート信号がなくなった後は、一旦３相オープンの状態にしてから通常のＰＷＭ制御に復帰する。なお、Δｔ１およびΔｔ３の設定については後述する。
【００３７】
上述のように、本実施の形態では、３相ショート動作の制御を行う際には、実際に半導体スイッチング素子が３相ショートとされる期間の前後に、３相オープンとする期間を設けている。
インバータ部に半導体スイッチング素子として使用しているＩＧＢＴは、スイッチングの際にＩＧＢＴ固有のデッドタイム、すなわちゲート信号がＨｉｇｈからＬｏｗあるいはＬｏｗからＨｉｇｈに切り替わった際に不安定な状態となる期間を持つ。そのため、上記のような３相ショート制御を行う際に、このＩＧＢＴのデッドタイムより長い時間だけ、上下アーム半導体スイッチング素子がオープン状態となるように、半導体スイッチング素子のゲート信号をＬｏｗ状態とすることにより、上側アームと下側アームの半導体スイッチング素子の短絡の発生を防止することができ、安全性の高い構成とすることができる。
例えば、半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆに用いているＩＧＢＴのデッドタイムの定格値が５μsであるならば、この３相ショート期間の前後の３相オープン期間（Δｔ１、Δｔ２）は最低でも５μs以上を確保することで、上下短絡の発生を確実に防止することができる。通常このＩＧＢＴのデッドタイムは、スイッチング（ゲート信号）の立ち上がりの方が立ち下がりより若干長いので、Δｔ２＞Δｔ１となるように設定する。
【００３８】
また、これら一連の保護ロジックやタイマ回路２０５、３相ショート駆動信号制御ロジック２０４をハードウェア回路で構成することにより、マイコンとソフトウェアを使用する構成に比べてコスト低減を図れる。さらに、マイコン異常時やソフトウェアバグが発生したときでも十分な３相オープン期間を確保しながら保護動作を行うことができるので、充分な安全性を確保しつつ、３相ショート動作を実施することができる。
【００３９】
図４は、３相ショート駆動信号制御ロジック２０４の概略示すブロック図である。
３相ショート駆動信号制御ロジック２０４には、３相ショート（上３相ショートまたは下３相ショート）を行う複数のトリガ信号（制御信号）が入力される。これらのトリガ信号には、メインマイコン２０７からの上アーム３相ショート信号、過電圧検知信号ＯＶ、および過電流検知信号ＯＣが入力される。また３相ショート駆動信号制御ロジック２０４には温度検知部からの上アーム温度信号と下アーム温度信号が入力される。
【００４０】
過電圧検知信号ＯＶは、ＡＮＤ回路５０１と５０３に入力され、さらにＡＮＤ回路５０１には上アーム温度信号が入力され、ＡＮＤ回路５０３には下アーム温度信号が入力される。これにより、過電圧が検知された時に上アーム温度の方が高いと過電圧による上アーム３相ショートを行う信号がＯＲ回路５０５に出力される。また下アーム温度の方が高い場合は過電圧による下アーム３相ショートを行う信号がＯＲ回路５０６に出力される。
【００４１】
過電流検知信号ＯＣは、ＡＮＤ回路５０２と５０４に入力され、さらにＡＮＤ回路５０２には上アーム温度信号が入力され、ＡＮＤ回路５０４には下アーム温度信号が入力される。これにより、過電流が検知された時に上アーム温度の方が高いと過電流による上アーム３相ショートを行う信号がＯＲ回路５０５に出力される。また下アーム温度の方が高い場合は過電流による下アーム３相ショートを行う信号がＯＲ回路５０６に出力される。
【００４２】
以上のように、メインマイコン２０７からの上アーム３相ショート信号、過電圧検知による上アーム３相ショート信号、および過電流による上アーム３相ショート信号は、ＯＲ回路５０５を通過し、これらいずれか１つの信号がＨｉｇｈ状態であれば、上アーム３相ショート信号がアーム選択回路６００に入力される。
また、メインマイコン２０７からの下アーム３相ショート信号、過電圧検知による下アーム３相ショート信号、および過電流による下アーム３相ショート信号は、ＯＲ回路５０６を通過し、これらいずれか１つの信号がＨｉｇｈ状態であれば、下アーム３相ショート信号がアーム選択回路６００に入力される。
【００４３】
上記で説明した保護ロジック回路２００を含むモータ駆動部１０５の動作においては、電力変換装置で異常が発生した場合でも、通常は上アーム３相ショート信号もしくは下アーム３相ショート信号のいずれかのみがアーム選択回路に入力される。
しかしながら、メインマイコン２０７の異常あるいは温度検知部の異常により、上アーム３相ショート信号と下アーム３相ショート信号が同時に発生して、両方ともアーム選択回路６００に入力される可能性がある。
アーム選択回路６００は、このように何らかの異常によって上アーム３相ショート信号と下アーム３相ショート信号が同時に発生した場合でも、どちらか一方の信号を選択して、バッファ２０２ＵＢまたはバッファ２０２ＬＢに出力する回路である。
【００４４】
図５（ａ）は、アーム選択回路６００の回路例を示す図である。
アーム選択回路６００は、上アーム３相ショート信号を出力する回路と、下アーム３相ショート信号を出力する回路とを備えている。上アーム３相ショート信号を出力する回路は、３ステートバッファ６０４および信号波形の遅延ならびに成形を行う遅延回路６０２とからなる。同様に下アーム３相ショート信号を出力する回路は、３ステートバッファ６０５および遅延回路６０３とからなる、
メインマイコン２０７からの上アーム３相ショートを行う信号、過電圧検知信号に基づく上アーム３相ショートを行う信号、過電流検知信号に基づく上アーム３相ショート信号は３ステートバッファ６０１に入力される。また、メインマイコン２０７からの下アーム３相ショートを行う信号、過電圧検知信号に基づく下アーム３相ショートを行う信号、過電流検知信号に基づく下アーム３相ショート信号は３ステートバッファは６０５に入力されると共に、３ステートバッファ６０１の制御信号として入力される。
【００４５】
３ステートバッファ６０１は、下アーム３相ショート信号が入力されると、３ステートバッファ６０１の出力側はハイインピーダンスとなり、出力は遮断される。
３ステートバッファ６０１がハイインピーダンスとなると、プルダウン抵抗Ｒ３によって３ステートバッファ６０１の出力側は速やかにＬｏｗ状態にプルダウンされる。これにより上アーム３相ショート信号と下アーム３相ショート信号との僅かな時間差により、３ステートバッファ６０１から僅かに信号が出力された場合でも、駆動信号制御ロジック２０４から上アーム３相ショート信号は出力されない。
したがって上アーム３相ショート信号と下アーム３相ショート信号とが同時にアーム選択回路６００に入力された場合、下アーム３相ショート信号のみが遅延回路６０３を通過してバッファ２０１Ｂの制御信号として出力され、上アーム３相ショート信号は出力されない。すなわち３ステートバッファ６０１により、下アーム３相ショート信号が優先的に出力される。
このように駆動信号制御ロジック２０４に上アーム３相ショート信号と下アーム３相ショート信号とが同時に入力された場合でも、駆動信号制御ロジック２０４からは上アーム３相ショート信号は出力されず、したが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短絡が防止される。
【００４６】
以上のように、何らかの異常によってバッファ２０２ＵＢの出力を遮断する上アーム３相ショート信号と、バッファ２０２ＬＢの出力を遮断する下アーム３相ショート信号が同時に出力された場合でも図４、図５（ａ）に示すようなアーム選択回路６００を使用することにより、上アーム３相ショート信号と下アーム３相ショート信号との間に優先度を設定し（ここでは下アーム３相ショートを優先）、上アーム側もしくは下アーム側のどちらかの半導体スイッチング素子のみがＯｎとなるようにして、上アームと下アームの上下短絡に至らないようにすることができる。
【００４７】
なお、この上アームと下アームの３相ショートの優先度はアーム選択回路６００を若干変更することで変更可能である。
図５（ｂ）は、上アーム３相ショートと下アーム３相ショートの優先度を変更するための、図５（ａ）のアーム選択回路６００の変形実施例である。図５（ｂ）では、図５（ａ）に示すアーム選択回路の入力側にもう１つの３ステートバッファ６０６と２つの切り換えスイッチＳ１、Ｓ２とを設け、メインマイコン２０７によって、スイッチＳ１、Ｓ２を同時にを切り換えることにより、容易に上アーム３相ショート信号と下アーム３相ショート信号の優先度を変更することができる。
【００４８】
図５（ｃ）は、上アームと下アームの３相ショートの優先度を切換えるもう１つの変形実施例である。図５（ｃ）では、図５（ａ）に示すアーム選択回路の入力側に２つのスイッチＳ１、Ｓ２と出力側に２つの切り換えスイッチＳ３、Ｓ４を設け、メインマイコン２０７によって、スイッチＳ１〜Ｓ４を同時に切り換えることにより、容易に上アーム３相ショート信号と下アーム３相ショート信号の優先度を変更することができる。
【００４９】
スイッチＳ１〜Ｓ４のメインマイコン２０７による切り換えは、インバータ部１０３の上側アームと下側アームにそれぞれ設けられた温度センサＴＵ、ＴＬ（図１参照）を用いて温度検知部１１１によって検知された上側アームまたは下側アームの温度によって行うようにしてもよい。このような切り換えによって、上側アームもしくは下側アームの温度の高い方の優先度を適宜高くすることができ、上側アームもしくは下側アームのどちらかが高温となりやすい場合に、この高温となりやすいアームの優先度を高くしておくことができ、一方のアームの温度のみ高くなることを防ぐことができる。
【００５０】
なお、図２には示されていないが、過電圧検知信号ＯＶは、モータ制御マイコン２０６およびメインマイコン２０７にも入力されているので、過電圧検知信号ＯＶの発生した場合の３相ショートのトリガ信号をモータ制御マイコン２０６および／またはメインマイコン２０７から出力してもよい。
【００５１】
（遅延Δｔ１、Δｔ３の設定）
遅延回路６０２および６０３は、それぞれ抵抗Ｒ１、Ｒ２、キャパシタＣ１と負論理シュミットトリガＳＴ１とで構成される。
遅延回路６０２のシュミットトリガＳＴ１から出力される上アーム３相ショート信号は、３ステートバッファ２０２ＵＢの制御入力として出力され、遅延回路６０３のシュミットトリガＳＴ１から出力される下アーム３相ショート信号は、３ステートバッファ２０２ＬＢの制御入力として出力される。
【００５２】
上述した遅延Δｔ１、Δｔ３は、この回路６０２および回路６０３のＲ１、Ｒ２、Ｃ１による波形の鈍りによる負論理シュミットトリガー回路ＳＴ１内での遅延である。したがってΔｔ１、Δｔ３は回路６０２、６０３に設ける抵抗Ｒ１、Ｒ２やキャパシタＣ１の設計定数を調整することにより、ＩＧＢＴのデッドタイムより充分長くなるように調整することができる。
【００５３】
上記で説明した、下側アーム３相ショートの場合の遅延Δｔ１は、図３で示す３相ショート信号の立ち上がり波形の遅延である。この場合、図５の３ステートバッファ６０５がハイインピーダンスとなるので、３ステートバッファ６０５の出力が遮断され、シュミットトリガＳＴ１の入力側のＨｉｇｈ状態は、回路６０３のＲ１、Ｒ２、Ｃ１により定まる時定数τ１＝（Ｒ１＋Ｒ２）×Ｃ１で減衰してＬｏｗ状態となる。ただしＲ２はプルダウン抵抗であり、Ｒ１≪Ｒ２となっている。
また遅延Δｔ３は、図３で示す３相ショート信号の立ち下がり時の波形の遅延であり、この場合は３ステートバッファ６０５はハイインピーダンス状態でないので、シュミットトリガＳＴ１の入力側のＬｏｗ状態は、抵抗Ｒ１とＣ１で定まる時定数τ２＝Ｒ１×Ｃ１で上昇してＨｉｇｈ状態となる。
したがって、Ｒ１≪Ｒ２の関係により、τ２≪τ１であり、Δｔ３≪Δｔ１となって、図３に示すような信号タイミングとなる。
【００５４】
（過電流検知時の動作）
本発明による電力変換装置の保護回路は、過電流を検知した場合に上記のような３相ショートを行う保護動作を行う。過電流検知時に３相ショートを行う場合は、メインマイコンに依存せず、上述のように過電流検知部１０７からの過電流検知信号と温度検出部１１１によって検出された上アームまたは下アームの温度に基づいて、上記のように上アーム３相ショートまたは下アーム３相ショートを行う。以下では簡単のため下アーム３相ショートを行う場合の例について説明する。
【００５５】
モータ１０４の相間短絡や地絡、マイコンの動作不良等が発生すると大きなコイル電流が流れてしまうことがある。過大なコイル電流はモータ１０４やケーブルの焼損、半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆの破壊の原因となるため、過電流を検知し保護を行う必要がある。本発明の実施形態では、図１に示すように過電流検知部１０７を設け、過電流検知部１０７が過電流を検知すると、図２に示すように過電流検知部１０７は過電流検知信号（ＯＣ信号）を３相ショートを行うトリガ（制御）信号として（３相ショート信号）モータ駆動制御部１０５に出力する。上述の過電圧検知時の動作と同様に、モータ駆動制御部１０５は、この３相ショートを行うトリガ信号をタイマ回路２０５を介して３ステートバッファ２０１Ｂに入力すると同時に３相ショート駆動信号制御ロジック２０４に入力し、３相オープン動作期間を経て３相ショート動作に移行するように、遅延を行った３相ショート信号（下アーム３相ショート信号）を、３ステートバッファ２０２ＬＢに出力する。
【００５６】
インバータ部１０３の通常のＰＷＭ動作から３相ショートへ移行する際は、過渡的な電流変動を除けば、３相ショート動作ではモータの誘起電圧とモータのインピーダンスによって定まる電流に落ち着く。そのため、３相ショートは過電流を抑制する保護として有効である。また、３相ショート動作の際はモータの誘起電圧に応じた電流となることから、モータにはこれに対応したブレーキトルクが発生する。車両で何らかの異常発生時に車両安全確保や安定動作のためにこのブレーキトルクを得られるようモータ制御マイコンによって３相ショート動作を行う場合もある。ただし、過電流保護として３相ショート動作が適用できるのは、この３相ショート動作時の電流がＩＧＢＴやモータの故障しない範囲にある場合のみ、すなわちＩＧＢＴの定格で定められる連続最大電流以下である。
【００５７】
なお、本発明の実施形態では、図１、２に示すように過電流検知信号ＯＣをモータ駆動制御部１０５に入力して３相ショート動作させる構成としている。図２には示されていないが、過電流検知信号ＯＣは、モータ制御マイコン２０６およびメインマイコン２０７にも入力されているので、過電圧検知信号ＯＶの発生した場合の３相ショートのトリガ信号をモータ制御マイコン２０６および／またはメインマイコン２０７から出力してもよい。
【００５８】
（過電圧検知時の保護動作）
本発明による電力変換装置の保護回路は、過電流検知に加え、過電圧を検知した場合にも３相ショートの保護動作を行う。過電圧検知時に３相ショートを行う場合は、過電流検知時と同様に、メインマイコン２０７に依存せず、上述のように過電圧検知部１０６からの過電圧検知信号と温度検出部１１１によって検出された上アームまたは下アームの温度に基づいて上アーム３相ショートまたは下アーム３相ショートを行う。以下では簡単のため下アーム３相ショートを行う場合の例について説明する。
ここでは、本発明による電力変換装置を含む、ハイブリッド自動車用モータ駆動装置で過電圧の異常が発生する場合の例とこの際の保護動作について説明する。
【００５９】
回生動作では、直流電源１０１を充電するために、直流電源ラインの電圧が直流電源１０１の電圧より高くなるようにインバータ部１０３を制御する、いわゆるチョッパ制御を行う。このとき、直流電源１０１のコンタクタ１０１ａがＯＦＦになる等、直流電源ラインに異常が発生すると平滑コンデンサ１０２が急速充電され、直流電源ラインの電圧が上昇することになる。
【００６０】
また、モータ１０４が高速回転している場合、モータ１０４の誘起電圧が大きくなり、インバータ部１０３での電圧が直流電源電圧を越えると、インバータ部１０３から直流電源１０１側へ電流が流れる。さらに、直流電源１０１のコンタクタ１０１ａがＯＦＦになる等、直流電源ラインに異常が発生すると平滑コンデンサ１０２が急速充電され、直流電源ラインの電圧が上昇する。
【００６１】
このように直流電源ラインの電圧が上昇し、半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆの耐圧を一瞬でも越えてしまうと半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆは破壊に至る。そのため、直流電源ラインの電圧を測定し、半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆを破壊する電圧が印加される前に、直流電源ラインの電圧を下げる必要がある。
【００６２】
そこで、本発明の実施形態では、図６に示すように、半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆの耐圧と保護動作を行うまでの遅延時間とを考慮した閾値を過電圧検知部１０６に設け、直流電源ラインの過電圧を検知したならば３相ショートを行うようにした。３相ショートにより、電流はモータ１０４と半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆとの間で還流することになり、直流電源ラインの電圧上昇を抑えることができる。このときの３相ショート時間は、モータの回転速度や車両の運転状況に左右される。
【００６３】
以下、過電圧検知閾値について、図６を参照して説明する。半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆ（ＩＧＢＴ）に印加される電圧は直流電源ラインの電圧にスイッチングサージを足し合わせたものになり、この足し合わせた電圧がＩＧＢＴの耐圧を越えないように保護を行う必要がある。ここでは、保護動作へ移行するために検知すべき直流電圧（すなわち、過電圧検知閾値）を第一過電圧、ＩＧＢＴの耐圧からスイッチングサージ電圧を差し引いた直流電圧を第二過電圧と定義する。
【００６４】
第一過電圧はＩＧＢＴの使用動作範囲と第二過電圧の間に存在し、使用動作範囲を損なわず、かつ検知ばらつきや検知遅れを加味して保護動作開始時点で第二過電圧に到達しないように選定する。また、第二過電圧はＩＧＢＴとインバータ部１０３の特性から決定する。一般に、ＩＧＢＴ耐圧を高くするとＯＮ電圧が高くなり、発熱が大きくなる。その結果、冷却性向上策やチップ面積増大を必要とし、インバータ効率低下やサイズ増大、コストアップの要因となる。よって、ＩＧＢＴ耐圧と第二過電圧を極力低くすることが重要である。
【００６５】
ＩＧＢＴ耐圧と第二過電圧を極力低くするためには、第一過電圧検知の検知精度と検知遅延時間が重要な要素となる。検知精度が低いと、電源電圧が第一過電圧を越えても実際にこの第一過電圧を越えたことが検知されるまでの時間が長くなる。検知精度が高いとこの第一過電圧を越えたことを検知するまでの検知遅延時間（第一過電圧検知遅延時間）が短くできる。そのため、検知精度を高くすることにより、多少の遅延は発生するものの、測定ノイズ除去フィルタを挿入する余裕ができる。なお、ノイズ除去フィルタは欠かせないが、高精度とするほど一般にセンサ系は高価となるため、過電圧検知のセンサには妥当な精度と遅延時間が設定される必要がある。
【００６６】
回生動作中に、図６のＡ点において、直流電源ラインの異常による直流電源１０１のコンタクタ１０１ａの遮断等が発生すると、直流電源ラインの電圧は上昇する。一例として、ここでは、電圧の上昇の度合いを約１Ｖ/μsとする。また、第一過電圧検知範囲を４００Ｖ±１０Ｖとする。第一過電圧検知範囲の最大値（Ｍａｘ）まで直流電源ラインの電圧が上昇すると、上記の第一過電圧検知遅延時間後に過電圧検知部１０６は３相ショート信号（ＯＶ信号）を出力する。その結果、前述したようにΔｔ１の３相オープン期間後に３相ショートに移行する。このとき、３相ショートに移行する直前の電圧が、ＩＧＢＴ耐圧からスイッチングサージ電圧を差し引いた第二過電圧を越えないようにする必要がある。
【００６７】
図６に示す例では、ＩＧＢＴ耐圧＝６００Ｖ、スイッチングサージ電圧１５０Ｖとしているので、第二過電圧（４５０Ｖ）と第一過電圧（４００Ｖ±１０Ｖ）との差は最小で４０Ｖとなる。そのため、電圧の上昇の度合いを約１Ｖ/μsとすると、過電圧保護許容時間は約４０μｓとなる。したがって、上記の第一過電圧検知遅延時間とΔｔ１の和が４０μｓ以下となるように、第一過電圧検知の検知精度を設定する必要がある。
３相ショートに移行後は徐々に直流電源ラインの電圧は降下し、ヒステリシスを含んだ第一過電圧検知範囲を下回ったときに３相ショート信号は消える。その結果、３相ショートから３相オープンへと移行した後に、通常動作に復帰する。
【００６８】
図７は、過電圧検知部１０６の一例を示す図である。過電圧検知部１０６は、電圧測定部４０１と過電圧判定部４０２とに分けられる。電圧測定部４０１における測定電圧は、過電圧判定部４０２に入力されると共に、メインマイコン２０７またはモータ制御マイコン２０６に入力される。
【００６９】
保護動作に移行する方式として、メインマイコン２０７またはモータ制御マイコン２０６で第一過電圧を検知して保護動作に移行する方式と、過電圧判定部４０２で判定して保護動作に移行する方式とがある。しかしながら、図６に示したように保護動作への移行が３相オープン期間を含めて４０μs以内で行う必要があった場合、メインマイコン２０７またはモータ制御マイコン２０６の演算周期では保護動作が間に合わない可能性がある。そのような場合には、過電圧判定部４０２をアナログ回路で構成して過電圧検知を行い、その検知結果に基づいて図２に示すような構成で保護動作を行うようにすることにより、第一過電圧検知遅延時間を短くし、過電圧許容時間内に過電圧保護動作を行えるようにすることができる。なお、過電流検知に関しても同様に構成することにより、過電流許容時間内に過電流保護動作を行えるようにすることができる。
【００７０】
一般に過電流時の保護動作は３相オープンとしてＩＧＢＴに流れる電流を遮断するが、上述のように、本発明の実施形態では過電流時の保護動作を３相ショートとしている。
３相ショート動作への移行時には、モータ１０４のコイル電流が過渡的に増加し過電流検知部１０７の閾値以上となり、過電流検知信号ＯＣが出力される場合がある。
過電流時の保護動作を３相ショートでなく、従来の３相オープンとした場合には、３相ショートにおけるブレーキング効果が充分得られない。たとえば３相ショート動作中に過渡的な電流増加が過電流検知された場合に、３相ショートから３相オープンにしたとする、（図２の回路でこの動作を行わせるには、過電流検知信号ＯＣが出力された場合、これを３相オープンを行うトリガー信号としてバッファ２０１Ｂにのみ入力し、また駆動信号制御回路に入力されている他の３相ショート信号をブロックするような回路を追加しておく。）。３相ショート動作の指令元が３相ショート指令を出し続けていると、過電流状態が解除された後に再び３相ショート動作に移行するため、３相ショート動作と３相オープン動作が繰り返され、３相ショートで充分なブレーキ効果が得られなくなる。
【００７１】
従来は、過電流が検知された場合は３相オープン動作が実施されていたが、本発明の実施形態では３相ショート動作で過渡的に電流が増加しても、過電流検知による保護動作が３相ショート動作であるため、３相オープン動作に切り替わらず、３相ショート動作を継続できる。この結果、例えば過電圧保護のための３相ショートであった場合に、過電流が一時的に検出されても３相ショート動作を継続できるため、３相ショートの効果で確実に過電圧を抑制できる。また、モータ制御マイコンによって通常のＰＷＭ制御から３相ショート動作に移行した場合の過渡的な電流増加に対しても、３相ショート動作を継続でき、３相ショート動作でブレーキトルクを得たい場合にも確実に効果を享受できる。
【００７２】
（インバータ異常検知部１０８の説明）
次に、インバータ異常検知部１０８がインバータ部１０３の異常を検知し、インバータ異常検知部１０８からゲートフォルト信号が出力されたときの動作について説明する。前述したように、異常と判断するのは、例えば、ＩＧＢＴの短絡電流検知時やＩＧＢＴのゲート駆動電源電圧が閾値より低下したときである。
インバータ部１０３で異常が検出される場合は、半導体スイッチング素子等の破損が既に発生している可能性があり、インバータ部１０３を含めた電力変換装置の内部で短絡が発生している可能性があるため、他の異常発生の場合より緊急度が高く、また直流電源１０１とインバータ部１０３との接続ならびにインバータ部１０３とモータ１０４との接続を遮断する必要がある。この場合、３ステートバッファ２０３Ｂの出力を遮断し、速やかに３相オープンを行う。
【００７３】
インバータ異常検知回路１０８からモータ駆動制御部１０５へとゲートフォルト信号が入力されると、ゲートフォルト信号はバッファ２０３Ｂに入力される。バッファ２０３Ｂは、スイッチング制御信号ライン上において３相ショートを行うバッファ２０２ＵＢ、２０２ＬＢよりも下流側に設けられおり、したがってバッファ２０１Ｂ、２０２ＵＢ、２０２ＬＢおよび２０３Ｂの内で最も高い優先度を有している。バッファ２０３Ｂにトリガ信号としてゲートフォルト信号を入力すると、バッファ２０３Ｂはハイインピーダンスとなり、バッファ２０３Ｂからの出力は遮断される。
これによりゲート駆動回路のフォトカップラの発光ダイオード２１０には電流が流れなくなり、ゲート駆動部１０９からインバータ部１０３の半導体スイッチング素子のゲート信号出力は全てＬｏｗ状態となり、全ての半導体スイッチング素子が動作停止し非導通の状態となる。すなわち上アーム側下アーム側共に３相オープンとなる。
【００７４】
なお、ここでの保護動作を３相オープンとしたのは、インバータ異常の要因として考えられるものに半導体スイッチング素子の破壊やモータ短絡が含まれるため、インバータ異常を検知したときに３相ショートのような半導体スイッチング素子とモータとに電流を流す動作を行うのは、信頼性の上で最適ではないと考えられるからである。また、インバータ異常検知部１０８が半導体スイッチング素子の短絡電流を検知できる構成になっている場合、３相ショート動作時に流れる電流より高い閾値でゲートフォルト信号を出力するように設定すれば、上記の３相ショートによる保護を阻害することがない。
【００７５】
なお、ゲートフォールト信号は正常時はＬｏｗ状態である。インバータ異常検知部が何らかの原因で故障し、出力がＯＦＦ状態（ハイインピーダンス）になった場合はプルアップ抵抗２０３Ｒによってバッファ２０３Ｂの入力側がＨｉｇｈ状態になる。これによりバッファ２０３Ｂの出力は遮断され、ゲートフォールト信号がバッファ２０３Ｂに出力された場合と同様に、全ての半導体スイッチング素子が動作停止し非導通の状態となる。すなわち上アーム側下アーム側共に３相オープンとなる。
【００７６】
（メインマイコンによるモータ制御マイコンの代替）
なお、本発明の実施形態では、メインマイコン２０７とモータ制御マイコン２０６とが備えられているが、通常、モータ駆動制御部１０５はモータ制御マイコン２０６によって制御する。そのため、モータ制御マイコン２０６に異常が生じた場合、このモータ制御マイコン２０６の代替機能がないと、モータ１０４の異常動作や半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆの不具合等を招く可能性がある。
【００７７】
そこで、メインマイコン２０７がモータ制御マイコン２０６の異常を検知した際に、例えば、モータ制御マイコン２０６の電源ダウンを検知したときにメインマイコン２０７から３相オープンもしくは３相ショートの信号を送って保護動作を行うことにより、車両の安全を確保する。その場合、メインマイコン２０７にモータの回転速度情報（例えば、レゾルバ信号）を入力することで、モータ回転速度に応じて３相オープンか３相ショートを選択するようにしても良い。たとえば車両が高速運転中にモータ制御マイコン２０６の異常が検知された場合には、停止あるいは低速にすることが車両の安全確保に繋がるので、３相ショートを行うことでブレーキング効果が得られ、速やかに車両を停止あるいは低速にすることができる。
【００７８】
一方、メインマイコン２０７の異常によって、３相オープン信号や３相ショート信号がメインマイコン２０７から誤出力されることも考えられる。そこで、モータ制御マイコン２０６によりメインマイコン２０７の異常診断を行い、メインマイコン２０７が異常であると判断すると無効化信号を保護回路部１１０の無効化ロジック２０８および２０９に入力することによりメインマイコン２０７による制御信号を無効化する。メインマイコン２０７の異常診断は、例えばＳＰＩ通信によりモータ制御マイコン２０６から演算指令の解答（例えば「１＋１」の演算指令に対する解答）の整合性を確認することで異常を検知する。さらに、メインマイコン２０７及びモータ制御マイコン２０６の異常診断は、複数のマイコンを用いて整合性を確認することで誤検知を防止できる。
メインマイコン２０７からの３相オープン信号や３相ショート信号がモータ制御マイコンにより無効化された場合は、モータ制御マイコンが３相オープン信号や３相ショート信号を保護回路部１１０に入力する。
図示していないが、実際の電動車両には、たとえば車内エアコン用のコンプレッサで用いるモータなど複数のモータとこれを駆動する電力変換回路が備えられており、これらの電力変換回路はそれぞれモータ制御マイコンを備えている。これらのモータ制御マイコンはメインマイコン２０７とＳＰＩ接続されているので、これらの複数のモータ制御マイコンとメインマイコン２０７を用いて整合性を確認する。
【００７９】
また、モータ制御マイコン２０６によるメインマイコン２０７の制御信号(３相オープン信号、３相ショート信号)の無効化は、例えば３ステートバッファを使用して無効化信号を３ステートバッファの制御信号として入力して出力側をハイインピーダンスとすることで行う。
このようにして、メインマイコン２０７が３相オープン信号や３相ショート信号を出力しても、メインマイコン２０７側に異常が生じた場合にはその信号は無視され、保護動作が誤って実行されるのを防止できる。
【００８０】
図８は上述した本発明による電力変換装置での保護動作について、３相オープンまたは３相ショートを行う各種のトリガ信号と、これらのトリガ信号が発生した場合のモータ制御マイコン２０６の出力と、３ステートバッファ２０１Ｂ、２０２ＵＢ、２０２ＬＢ、２０３Ｂの出力状態（ＯＮ：通常出力状態、ＯＦＦ：ハイインピーダンスすなわち出力遮断）を示す。これらのトリガ信号を優先度の高い順に記すと以下のようになる。
１）ゲートフォルト信号（３相オープン）
２ａ）過電圧検知信号ＯＶによる下アーム３相ショート信号（３相ショート）
２ｂ）過電圧検知信号ＯＶによる上アーム３相ショート信号（３相ショート）
３ａ）過電流検知信号ＯＣによる下アーム３相ショート信号（３相ショート）
３ｂ）過電流検知信号ＯＣによる下アーム３相ショート信号（３相ショート）
４ａ）メインマイコンによる下アーム３相ショート信号（３相ショート）
４ｂ）メインマイコンによる上アーム３相ショート信号（３相ショート）
５）メインマイコンによる３相オープン信号（３相オープン）
６ａ）モータ制御マイコンによる上アーム３相ショート制御
６ｂ）モータ制御マイコンによる下アーム３相ショート制御
７）モータ制御マイコンによる３相オープン制御
８）通常動作（モータ制御マイコンによるＰＷＭ制御）
なお、上述したように、メインマイコン２０７からの制御信号は、モータ制御マイコン２０６がメインマイコンを異常と判断したとき無効とされる。また、上記の他に、モータ制御マイコンリセット状態（３相オープン）があるが、モータ制御マイコン２０６のリセット時はモータ制御不可であるため、メインマイコン２０７からの３相オープン信号により３相オープンとされる。
【００８１】
なお、上記の６ａ）の上アーム３相ショートは、モータ制御マイコン２０６からの上アームの複数の半導体スイッチング素子のスイッチング制御信号の全てをＬｏｗとし、下アームの複数の半導体スイッチング素子のスイッチング制御信号を全てをＨｉｇｈにすることにより、上アーム３相ショートを行うことができる。また６ｂ）の下アーム３相ショートは、上アームの複数の半導体スイッチング素子のスイッチング制御信号の全てをＨｉｇｈとし、下アームの複数の半導体スイッチング素子のスイッチング制御信号を全てをＬｏｗにすることにより、下アーム３相ショートを行うことができる。ただしこれらの場合でも、保護回路部１１０の第１乃至第４の保護回路には制御信号が入力されておらず、モータ制御マイコンからのスイッチング制御信号がそのままゲート駆動部１０９に入力される必要があることは同様である。
同様に、上記の７）の３相オープン制御は、モータ制御マイコン２０６からの上アームおよび下アームの複数の半導体スイッチング素子のスイッチング制御信号を全てＨｉｇｈにすることにより、上アームおよび下アームの複数の半導体スイッチング素子を全てＯｆｆにして実行することができる。ただしこの場合は、保護回路部１１０の第１乃至第４の保護回路には制御信号が入力されておらず、モータ制御マイコンからのスイッチング制御信号がそのままゲート駆動部１０９に入力される必要がある。
【００８２】
図９は図８に示す、３相オープンまたは３相ショートを実行する保護動作の各トリガの優位度を示す検知順序フロー図である。なお、上述したように、メインマイコン２０７からの制御信号は、モータ制御マイコン２０６がメインマイコンを異常と判断したとき無効とされる。また簡単のため、図８の２ａ）と２ｂ）、３ａ）と３ｂ），４ａ）と４ｂ）、６ａ）と６ｂ）はそれぞれ１つにまとめてある。
【００８３】
以上説明したように、本発明による電力変換装置の実施形態は、インバータ部１０３の上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子３ａ〜３ｃおよび下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆをスイッチング動作させ、直流電源１０１から供給される直流電流を交流電流に変換するインバータ部１０３と、これらの半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆそれぞれのスイッチング動作を制御するスイッチング信号を生成する信号生成部としてのモータ制御マイコン２０６を有し、この生成されたスイッチング信号をインバータ部１０３の半導体スイッチング素子のゲート制御信号として出力するゲート駆動部１０９と、モータ駆動制御部１０５と、を備え、このモータ駆動制御部１０５は、非保護動作時にはモータ制御マイコンから出力されたスイッチング信号をそのまま出力し、保護動作時にはモータ制御マイコンからのスイッチング信号に代えて半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆを遮断状態または導通状態とする制御信号を半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆのスイッチング信号としてゲート駆動部１０９に出力する、モータ制御マイコン２０６とゲート駆動部１０９との間のスイッチング信号ライン上に直列に接続されたバッファ２０１Ｂ、２０２ＵＢ、２０２ＬＢ、２０３Ｂを有する。
【００８４】
バッファ２０１Ｂとバッファ２０２ＵＢ、２０２ＬＢとバッファ２０３Ｂは直列に接続されているので、下流側のバッファほど優先度が高くなる。たとえば下流側のバッファをより緊急度の高い制御信号で制御（例えばバッファ２０３Ｂをゲートフォールト信号で制御）することができる。このようにして本発明により、電源装置内で複数の異常が発生した場合、それぞれに対応した複数の３相オープンまたは３相ショートのトリガ信号に優先度をつけて３相オープンまたは３相ショートを実行することができ、車両の状態に最適な保護動作を高い安全性を確保しながら行うように制御することが可能となる。
【００８５】
以上説明した実施形態を次のように変形して実施することができる。
（１）上述した実施の形態では、バッファ２０１Ｂ、２０２ＵＢ、２０２ＬＢおよび２０３Ｂ、３相ショート駆動信号制御ロジック２０４、タイマ回路２０５をそれぞれハードウェア回路でディスクリート構成し、図３に示すタイミングチャートを実現している。しかし、図３のタイミングチャートはＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、マイコンおよびこれにより実行されるソフトウェアプログラム等を用いた構成によっても実現することができる。このような構成では１個のハードウェアディバイスのみで上記の本発明による保護機能を実現することができる。しかしながら、保護回路の安全性を確保するためには、上記のバッファ２０１Ｂ、２０２ＵＢ、２０２ＬＢおよび２０３Ｂ、３相ショート駆動信号制御ロジック２０４、タイマ回路２０５およびモータ制御マイコン２０６、メインマイコン２０７はそれぞれ独立した回路として構成されていることが好ましい。少なくともバッファ２０１Ｂ、２０２ＵＢ、２０２ＬＢ、２０３Ｂと、３相ショート駆動信号制御ロジック２０４と、モータ制御マイコンおよびメインマイコン２０７とはそれぞれ独立した回路で構成されていることが好ましい。
このように構成することにより、ゲートフォールト信号および過電圧検知信号や過電流検知信号が複数の制御回路で検知され、これらの複数の制御回路から複数のバッファが制御されることにより、インバータ部１０３の半導体スイッチング素子の３相オープンまたは３相ショートを確実に行うことができるようになるので、電力変換装置の充分な安全性が確保される。
【００８６】
（２）また、３相ショートでは、上アームの半導体スイッチング素子３ａ〜３ｃもしくは下アームの半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆ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ことになる。よって、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ようにしても良い。この切り替えはメインマイコン２０７もしくはモータ制御マイコン２０６の制御により行うようにしても良いし、上述のように、温度検知部からの温度検知信号と３相ショート駆動信号制御ロジック２０４によっても、またこれとは別の同等の動作が可能なハードウェア回路で行うようにしても良い。また、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１０３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。
【００８７】
（３）また、バッファ２０１Ｂ、２０２ＵＢ、２０２ＬＢおよび２０３Ｂの電源は、モータ制御マイコン２０６およびメインマイコン２０７の少なくとも一方が動作しているときに有効な電源とする。例えば、モータ制御マイコン２０６とメインマイコン２０７とに電源を供給する冗長電源を用いる。このような構成とする理由は、たとえばモータ制御マイコン２０６の電源異常により、モータ制御マイコン２０６によるモータ１０４の制御が不能となった場合に、メインマイコン２０７の信号によりバッファ２０１Ｂ、２０２ＵＢ、２０２ＬＢおよび２０３Ｂの出力を制御し保護動作に移行する必要があるからである。また、メインマイコン２０７の電源異常時でもモータ制御マイコン２０６によりモータを駆動制御する必要があるためである。
【００８８】
上述の実施形態では、第１乃至第４の保護回路を３ステートバッファを用いて構成したが、上述の第１乃至第４の保護回路の同等の機能を持つ回路であれば、３ステートバッファに限定されない。
【００８９】
なお、メインマイコン２０７は電力変換装置を含む車両での異常を検出した際に、必要に応じて３相ショート信号（上アーム３相ショート信号または下アーム３相ショート信号）を保護ロジック回路２００に出力する。また、必ずしも車両の異常の場合ではなく、例えば運転者の操作あるいは車両の運転状態に基づいて、必要に応じて３相ショート信号を発生してもよい。
【００９０】
以上では電動車両におけるモータを駆動するための電力変換装置に本発明を適用した場合を例にして説明したが、本発明はモータを駆動源とした電動車両に限定されず、モータを駆動源として使用した装置で、このモータに大きなフライホイール効果を生じさせるような負荷が接続されているような装置に対し適用可能である。また風力発電のような発電装置に用いられるインバータにおける半導体スイッチング素子の保護にも応用できる。
【００９１】
なお、上述した各実施形態はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて使用しても良い。それぞれの実施形態での効果を単独あるいは相乗して奏することができるからである。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年1月14日(2014.1.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子と下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子とを備えた、直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ部と、
前記上アームおよび前記下アームの複数の半導体スイッチング素子のゲートをそれぞれ駆動してオン／オフさせるゲート駆動信号を前記インバータ部に出力するゲート駆動部と、
前記ゲート駆動部が前記ゲート駆動信号を出力するためのスイッチング制御信号を前記ゲート駆動部に供給する駆動制御部と、
前記インバータ部から出力される電流を測定することにより、過電流の検知を行う過電流検知部と、
前記上アームおよび前記下アームの温度をそれぞれ検知する温度検知部とを備え、
前記駆動制御部は、
前記過電流検知部により前記過電流が検知されたときには前記上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を短絡させる第１の短絡制御手段と、
前記過電流検知部により前記過電流が検知されたときには前記下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を短絡させる第２の短絡制御手段と、
前記第１の短絡制御手段または前記第２の短絡制御手段による短絡制御時に、前記温度検知部により検知された温度情報に基づいて、前記上アームおよび前記下アームのいずれか一方を短絡すべきアームとして選択するアーム選択手段と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明に係る電力変換装置は、上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子と下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子とを備えた、直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ部と、前記上アームおよび前記下アームの複数の半導体スイッチング素子のゲートをそれぞれ駆動してオン／オフさせるゲート駆動信号を前記インバータ部に出力するゲート駆動部と、前記ゲート駆動部が前記ゲート駆動信号を出力するためのスイッチング制御信号を前記ゲート駆動部に供給する駆動制御部と、前記インバータ部から出力される電流を測定することにより、過電流の検知を行う過電流検知部と、前記上アームおよび前記下アームの温度をそれぞれ検知する温度検知部とを備え、前記駆動制御部は、前記過電流検知部により前記過電流が検知されたときには前記上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を短絡させる第１の短絡制御手段と、前記過電流検知部により前記過電流が検知されたときには前記下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を短絡させる第２の短絡制御手段と、前記第１の短絡制御手段または前記第２の短絡制御手段による短絡制御時に、前記温度検知部により検知された温度情報に基づいて、前記上アームおよび前記下アームのいずれか一方を短絡すべきアームとして選択するアーム選択手段と、を備える。
【国際調査報告】
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