(57)【要約】【課題】電流状態が異常の場合に、インピーダンスソースインバータを停止させる。【解決手段】電力変換回路１００は、二次電池Ｖ0を有し、３相スイッチング部Ｓ3phにおけるショートスルーの時間区間を、キャパシタの昇圧の為に積極的に利用するものである。電流Ｉap〜Ｉcnについて、所定の正の閾値を越えるものが１つでもあれば電流状態が異常であると判定される。各スイッチ素子Ｑap〜Ｑcn毎に、ゲート指令がオフ状態であるのに電流Ｉap〜Ｉcnが正である場合も、電流状態が異常であると判定される。この場合、ＰＷＭコントローラ（ＣＰＵ）１０１は、３相交流出力を遮断し、二次電池Ｖ0を充電するようにゲート駆動回路１０２に指令を出す。外部負荷への３相交流電圧が印加されなくなり、外部負荷に蓄積されたエネルギーと２つのキャパシタＣ1及びＣ2に蓄積された静電エネルギーが二次電池Ｖ0に還流される。【選択図】図１
2010119173.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池と第１の双方向スイッチとを有する直流電源部と、
第１及び第２のインダクタと、第１及び第２のキャパシタとを有するインピーダンス部と、
６個の第２の双方向スイッチを有し、３相の入出力端子を有する３相スイッチング部とを少なくとも有する電力変換回路であって、
前記第１及び第２の双方向スイッチは、各々、制御電位により一方向に導通を行うトランジスタと、それとは逆並列に接続されたダイオードとから成り、
前記インピーダンス部は、
前記第１のインダクタの第１端子と、前記第１のキャパシタの第１端子とが前記直流電源部の正極側に接続され、
前記第１のインダクタの第２端子と、前記第２のキャパシタの第１端子とが前記３相スイッチング部の第１極側に接続され、
前記第２のインダクタの第１端子と、前記第１のキャパシタの第２端子とが前記３相スイッチング部の第２極側に接続され、
前記第２のインダクタの第２端子と、前記第２のキャパシタの第２端子とが前記直流電源部の負極側に接続されており、
前記３相スイッチング部は、前記６個の第２の双方向スイッチが２個ずつ同方向に直列接続されたスイッチ列を３組、同方向に並列接続されたものであって、各双方向スイッチを制御することで前記第１極側から前記第２極側に電流を流すものであり、前記３相の入出力端子は３組の前記スイッチ列の前記２個ずつの第２の双方向スイッチの中間点に接続されており、
前記３相スイッチング部の少なくとも１箇所の電流状態を常に検知して、異常を検出した場合には前記第１の双方向スイッチをオンとして、前記二次電池を充電するように制御する制御装置を有することを特徴とする電力変換回路。
【請求項２】
前記検知する電流状態は、少なくとも１個の前記第２の双方向スイッチの電流であり、当該電流が正の閾値を超えた場合に異常を検出することを特徴とする請求項１に記載の電力変換回路。
【請求項３】
前記検知する電流状態は、前記３相スイッチング部の前記第１極への流入電流又は前記３相スイッチング部の前記第２極からの流出電流であり、当該電流が正の閾値を超えた場合に異常を検出することを特徴とする請求項１に記載の電力変換回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は二次電池（充電池）から交流電力を生成する電力変換回路とその制御方法に関する。本発明は回生電力が入力された場合に二次電池（充電池）に充電する際に有効である。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１、非特許文献１及び２には、Ｐｅｎｇらによる、インピーダンスソースインバータが提案されている。インピーダンスソースインバータは、２個のインダクタと２個のキャパシタを組み合わせたインピーダンス部を、電源部と３相スイッチング部との間に配置し、３相スイッチング部の６個のトランジスタスイッチをパルス幅変調（ＰＷＭ）によりオンオフ制御して、例えば直流電源から３相交流への変換及び出力を可能とするものである。
インピーダンスソースインバータの特長は、スイッチング素子のデットタイムがノイズにより消滅してショートスルー状態が生じても問題が無いので、インバータの高信頼性化を図れること、インバータの高スイッチング周波数化を図れること、更には定圧直流電源よりも高い電圧を３相交流出力とできることである。ここでデッドタイムとは、各相の上下スイッチを同時にオンとできない場合に、上下スイッチのオンオフを逆転させる際に、その間に上下スイッチをいずれもオフとする状態を言う。
【特許文献１】ＵＳＰ７１３０２０５
【非特許文献１】ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，ｖｏｌ．３９，Ｎｏ．２，ｐｐ．５０４−５１０，Ｍａｒｃｈ／Ａｐｒｉｌ  ２００３
【非特許文献２】Ｐｒｏｃ．ｏｆ  ＩＥＥＥ  ＩＡＳ  ２００５  ｐｐ．１２５３−１２６０
【０００３】
インピーダンスソースインバータの構成とスイッチ制御について、非特許文献１の記載を中心に、説明する。
図２は、従来例に係るインピーダンスソースインバータ９００の構成を示す回路図である。
図２に示すように、充電可能でない定圧直流電源Ｖdcの正極側にダイオードＤの正極が接続されている。ダイオードＤの負極には、第１のインダクタＬ1の第１端子が接続され、第１のインダクタＬ1の他端である第２端子が３相スイッチング部Ｓ3phの第１極Ｐに接続されている。ダイオードＤの負極には更に第１のキャパシタＣ1の正極である第１端子が接続されている。第１のキャパシタＣ1の負極である第２端子は３相スイッチング部Ｓ3phの第２極Ｎに接続されている。
また、第２のキャパシタＣ2の正極である第１端子が３相スイッチング部Ｓ3phの第１極Ｐに接続されている。第２のキャパシタＣ2の負極である第２端子が充電可能でない定圧直流電源Ｖdcの負極側に接続されている。
また、第２のインダクタＬ2の第１端子が３相スイッチング部Ｓ3phの第２極Ｎに接続されている。第２のインダクタＬ2の第２端子が充電可能でない定圧直流電源Ｖdcの負極側に接続されている。
【０００４】
図２の３相スイッチング部Ｓ3phは、直流電源側端子として第１極Ｐ及び第２極Ｎ、３相交流側端子として端子Ａ、Ｂ、Ｃを有し、これらを６つのトランジスタと６つのダイオードで接続したものである。
第１極Ｐと端子Ａの間には、例えばＩＧＢＴから成るスイッチ素子Ｑapが接続されている。スイッチ素子Ｑapは、制御電圧により、電流の遮断と、第１極Ｐから端子Ａへの電流の導通を切り替えることが可能なスイッチである。また、スイッチ素子Ｑapには逆並列に、ダイオードＤapが接続されている。即ちダイオードＤapは、常時、端子Ａから第１極Ｐへの電流の導通を可能とするものである。
端子Ａと第２極Ｎとの間には、例えばＩＧＢＴから成るスイッチ素子Ｑanが接続されている。スイッチ素子Ｑanは、制御電圧により、電流の遮断と、端子Ａから第２極Ｎへの電流の導通を切り替えることが可能なスイッチである。また、スイッチ素子Ｑanには逆並列に、ダイオードＤanが接続されている。即ちダイオードＤanは、常時、第２極Ｎから端子Ａへの電流の導通を可能とするものである。
これらダイオードＤap及びＤanは、例えばＩＧＢＴから成るスイッチ素子Ｑap及びＱanとは独立した素子を接続しても良い。或いは、ダイオードＤap及びＤanは、各々、例えばＩＧＢＴから成るスイッチ素子Ｑap及びＱanの寄生ダイオードを用いても良い。
【０００５】
全く同様に、第１極Ｐと端子Ｂの間に、逆並列に接続されたスイッチ素子ＱbpとダイオードＤbpが接続され、端子Ｂと第２極Ｎとの間に、逆並列に接続されたスイッチ素子ＱbnとダイオードＤbnが接続されている。更に、第１極Ｐと端子Ｃの間に、逆並列に接続されたスイッチ素子ＱcpとダイオードＤcpが接続され、端子Ｃと第２極Ｎとの間に、逆並列に接続されたスイッチ素子ＱcnとダイオードＤcnが接続されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１及び２に記載されたインピーダンスソースインバータ９００は、３相スイッチング部Ｓ3phにおけるショートスルーの時間区間を、キャパシタの昇圧の為に積極的に利用するものである。このため、スイッチング時に、所定区間以外で短時間のショートスルーが生じたとしても、直ちに回路の各素子の破壊が生じるものではない。しかし、スイッチング素子の回復不能な故障によって異常電流が長期間継続した場合に、スイッチング素子の破壊が回避できるわけではない。
本発明者らは、非特許文献１及び２に記載されたインピーダンスソースインバータ９００に追加的構成を加えることで、スイッチング素子の回復不能な故障によって異常電流が長期間継続した場合にスイッチング素子の破壊が回避を可能とできることを着想し、本願発明を完成した。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の特徴は、インピーダンスソースインバータの直流電源に二次電池を用い、電流の異常を検知した場合には、当該二次電池を充電する方向に電流を流すことである。
即ち、請求項１に記載の発明は、二次電池と第１の双方向スイッチとを有する直流電源部と、第１及び第２のインダクタと、第１及び第２のキャパシタとを有するインピーダンス部と、６個の第２の双方向スイッチを有し、３相の入出力端子を有する３相スイッチング部とを少なくとも有する電力変換回路であって、第１及び第２の双方向スイッチは、各々、制御電位により一方向に導通を行うトランジスタと、それとは逆並列に接続されたダイオードとから成り、インピーダンス部は、第１のインダクタの第１端子と、第１のキャパシタの第１端子とが直流電源部の正極側に接続され、第１のインダクタの第２端子と、第２のキャパシタの第１端子とが３相スイッチング部の第１極側に接続され、第２のインダクタの第１端子と、第１のキャパシタの第２端子とが３相スイッチング部の第２極側に接続され、第２のインダクタの第２端子と、第２のキャパシタの第２端子とが直流電源部の負極側に接続されており、３相スイッチング部は、６個の第２の双方向スイッチが２個ずつ同方向に直列接続されたスイッチ列を３組、同方向に並列接続されたものであって、各双方向スイッチを制御することで第１極側から第２極側に電流を流すものであり、３相の入出力端子は３組のスイッチ列の２個ずつの第２の双方向スイッチの中間点に接続されており、３相スイッチング部の少なくとも１箇所の電流状態を常に検知して、異常を検出した場合には第１の双方向スイッチをオンとして、二次電池を充電するように制御する制御装置を有することを特徴とする電力変換回路である。
【０００８】
請求項２に係る発明は、検知する電流状態は、少なくとも１個の第２の双方向スイッチの電流であり、当該電流が正の閾値を超えた場合に異常を検出することを特徴とする。
請求項３に係る発明は、検知する電流状態は、３相スイッチング部の第１極への流入電流又は３相スイッチング部の第２極からの流出電流であり、当該電流が正の閾値を超えた場合に異常を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
非特許文献１及び２のインピーダンスソースインバータは、スイッチング素子の異常、特にオフとなるべき区間でのオン状態の継続のような、モータ等の外部負荷の暴走や、大電流による発熱、回路各素子の破壊に対して無防備である。これは異常時の電力供給の切断と電力の除去が困難であるからである。本発明によれば、異常電流を二次電池に充電することが可能なので、異常時の電力供給の切断と電力の除去を同時に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施方法を、回路図と供に簡単に説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は、本発明の具体的な第１の実施例に係る電力変換回路１００の構成を示す回路図である。図１の電力変換回路１００は、図２のインピーダンスソースインバータ９００において、定圧直流電源Ｖdcに替えて二次電池（充電池）Ｖ0を用い、ダイオードＤを、ＩＧＢＴから成るスイッチ素子Ｑ0とダイオードＤ0とが逆並列に接続された双方向スイッチとしたものである。尚、既に述べた通り、双方向スイッチのダイオードＤ0は、ＩＧＢＴの寄生ダイオードを利用しても良く、或いは別のダイオードを逆並列に接続しても良い。
ＩＧＢＴから成るスイッチ素子Ｑ0は二次電池（充電池）Ｖ0を充電する場合にオンする。スイッチ素子Ｑ0がオフの状態では、二次電池（充電池）Ｖ0はダイオードＤ0を通じて放電することはあっても、充電はされない。
【００１２】
図１の電力変換回路１００の、その他の部分である、２つのインダクタＬ1及びＬ2、２つのキャパシタＣ1及びＣ2、３相スイッチング部Ｓ3phの構成は、図２のインピーダンスソースインバータ９００と全く同一であるので、これら自体の詳細な説明については省略する。
図１の電力変換回路１００の更なる特徴は、６つのＩＧＢＴから成るスイッチ素子Ｑap、Ｑbp、Ｑcp、Ｑan、Ｑbn、Ｑcnの、オン状態での電流が正常であるかどうかを検知する制御する機能を、ＰＷＭコントローラ（ＣＰＵ）１０１が有していることである。
即ち、スイッチ素子Ｑap、Ｑbp、Ｑcp、Ｑan、Ｑbn、Ｑcnの電流がＩap、Ｉbp、Ｉcp、Ｉan、Ｉbn、Ｉcnとして検知され、インターフェース（ＩＦ）１０３を介してＰＷＭコントローラ（ＣＰＵ）１０１に入力される。電流Ｉap、Ｉbp、Ｉcp、Ｉan、Ｉbn、Ｉcnは、いずれも各スイッチ素子Ｑap、Ｑbp、Ｑcp、Ｑan、Ｑbn、Ｑcnがオン状態（導通状態）である場合の電流方向を正とする。例えば、第１極Ｐからスイッチ素子Ｑap、Ｑbp、Ｑcpに電流が流れている場合は電流Ｉap、Ｉbp、Ｉcpは正であり、スイッチ素子Ｑan、Ｑbn、Ｑcnから第２極Ｎに電流が流れている場合は電流Ｉan、Ｉbn、Ｉcnは正である。
ＰＷＭコントローラ（ＣＰＵ）１０１は、電流Ｉap、Ｉbp、Ｉcp、Ｉan、Ｉbn、Ｉcnについて、各スイッチ素子Ｑap、Ｑbp、Ｑcp、Ｑan、Ｑbn、Ｑcnのゲート電位ｇap、ｇbp、ｇcp、ｇan、ｇbn、ｇcn、即ちＩＧＢＴであるスイッチ素子Ｑap、Ｑbp、Ｑcp、Ｑan、Ｑbn、Ｑcnがオン状態であるかオフ状態であるかと比較し、次のように判断する。
【００１３】
まず、電流Ｉap、Ｉbp、Ｉcp、Ｉan、Ｉbn、Ｉcnについて、所定の正の閾値を越えるものが１つでもあれば電流状態が異常であると判定される。
電流Ｉap、Ｉbp、Ｉcp、Ｉan、Ｉbn、Ｉcnについて、所定の正の閾値を越えるものが１つも無い場合に、各スイッチ素子Ｑap、Ｑbp、Ｑcp、Ｑan、Ｑbn、Ｑcn毎に、ＰＷＭコントローラ（ＣＰＵ）１０１のゲート指令がオフ状態である場合に電流Ｉap、Ｉbp、Ｉcp、Ｉan、Ｉbn、Ｉcnが正であるかどうかが判定される。これら６個のスイッチ素子のうちに一つでも、ＰＷＭコントローラ（ＣＰＵ）１０１のゲート指令がオフ状態であるにもかかわらず電流が正であるものがある場合は、電流状態が異常であると判定される。
電流Ｉap、Ｉbp、Ｉcp、Ｉan、Ｉbn、Ｉcnについて、所定の正の閾値を越えるものが１つも無く、且つこれら６個のスイッチ素子のうちに、ＰＷＭコントローラ（ＣＰＵ）１０１のゲート指令がオフ状態であって電流が正であるものが１つも無い場合には、電流状態は正常であると判定される。
【００１４】
こうして、電流状態が正常であると判定された場合は、ＰＷＭコントローラ（ＣＰＵ）１０１は、通常の３相交流出力を続行するようにゲート駆動回路１０２に指令を出す。こうしてゲート駆動回路１０２から、スイッチ素子Ｑ0へのゲート電位ｇ0、スイッチ素子Ｑap、Ｑbp、Ｑcp、Ｑan、Ｑbn、Ｑcnへのゲート電位ｇap、ｇbp、ｇcp、ｇan、ｇbn、ｇcnが出力される。
電流状態が異常であると判定された場合は、ＰＷＭコントローラ（ＣＰＵ）１０１は、３相交流出力を遮断し、二次電池Ｖ0を充電するようにゲート駆動回路１０２に指令を出す。こうして、ゲート駆動回路１０２から、スイッチ素子Ｑ0へのゲート電位ｇ0として連続オンとなるように所定の電位が印加される。これにより、キャパシタＣ1及びＣ2に蓄積された電荷が二次電池Ｖ0に移される。また、ゲート駆動回路１０２から、スイッチ素子Ｑap、Ｑbp、Ｑcp、Ｑan、Ｑbn、Ｑcnへのゲート電位ｇap、ｇbp、ｇcp、ｇan、ｇbn、ｇcnとして、連続オフとなるように所定の電位が印加される。これにより、電力変換回路１００の３つの端子Ａ、Ｂ、Ｃは同電位となって、外部負荷には３相交流電圧が印加されなくなる。尚、外部負荷が例えば３相誘導モータ等の場合には、３相誘導モータ等が停止するまで回生電流が二次電池Ｖ0を充電する方向に流れる。
このようにして、電力変換回路１００において電流状態が異常であると判定された場合は、外部負荷への３相交流電圧が印加されなくなり、外部負荷に蓄積されたエネルギーと２つのキャパシタＣ1及びＣ2に蓄積された静電エネルギーが二次電池Ｖ0に還流される。
【００１５】
更に、必要に応じ、異常時にキャパシタＣ1の両端子を短絡する回路、キャパシタＣ2の両端子を短絡する回路、第１極Ｐと第２極Ｎを短絡する回路を追加して、速やかにエネルギーを消費するよう構成しても良い。この場合、スイッチ素子Ｑ0及びダイオードＤ0から成る第１の双方向スイッチと同じ構成の双方向スイッチを、逆直列に接続し、正常時は当該スイッチをオンとし、異常時は当該スイッチをオフとして、二次電池Ｖ0からの電流の流出を遮断すると良い。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
本発明は、回生電流を有効利用できるので、ハイブリッドタイプを含む電動機を有する車両、電動車、その他に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の具体的な一実施例に係る電力変換回路１００の回路図。
【図２】従来例に係るインピーダンスソースインバータ９００の回路図。
【符号の説明】
【００１８】
１００：電力変換回路
１０１：ＰＷＭコントローラ（ＣＰＵ）
１０２：ゲート駆動回路
１０３：インターフェース（ＩＦ）
Ｖ0：二次電池（充電池）
Ｑ0：第１の双方向スイッチを形成するスイッチ素子（ＩＧＢＴ）
Ｄ0：第１の双方向スイッチを形成するダイオード
Ｌ1：第１のインダクタ
Ｌ2：第２のインダクタ
Ｃ1：第１のキャパシタ
Ｃ2：第２のキャパシタ
Ｓ3ph：３相スイッチング回路
Ｐ：３相スイッチング回路Ｓ3phの第１極（直流高電位側）
Ｎ：３相スイッチング回路Ｓ3phの第２極（直流低電位側）
Ａ、Ｂ、Ｃ：３相スイッチング回路Ｓ3phの３相交流端子
Ｑap、Ｑbp、Ｑcp、Ｑan、Ｑbn、Ｑcn：３相スイッチング回路Ｓ3phの第２の双方向スイッチを形成するスイッチ素子（ＩＧＢＴ）
Ｄap、Ｄbp、Ｄcp、Ｄan、Ｄbn、Ｄcn：３相スイッチング回路Ｓ3phの第２の双方向スイッチを形成するダイオード
【図１】
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【図２】
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