(57)【要約】【課題】スイッチング素子が短絡故障した場合でも車両を他の車両や歩行者などの妨げにならない場所まで退避させるようにする。【解決手段】直流母線１に対して並列に接続されるインバータ４１、４２を構成するスイッチング素子９０が短絡状態であるか否かを過電流検出回路９３が判断し、過電流検出回路９３からの短絡状態を示す信号に基づいて制御装置７１、７２は遮断信号及び短絡信号を出力し、遮断装置２１、２２は遮断信号に基づいて短絡状態にあるスイッチング素子９０を有するインバータ４１、４２と直流母線１を遮断させ、短絡装置６１、６２は短絡信号に基づいて短絡状態にあるスイッチング素子９０を有するインバータ４１、４２に関して直流母線１間を短絡させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相で一組を構成する巻線がｎ組（ｎは２以上の自然数）存在するｎ重三相交流モータを駆動するための交流モータ駆動装置であって、
上記交流モータ駆動装置は直流電力を給電する直流母線に対して並列に接続されるｎ個のインバータと、
上記インバータを構成するスイッチング素子と、
上記スイッチング素子が短絡状態であるか否かを判断する過電流検出回路と、
上記過電流検出回路からの短絡状態を示す信号に基づいて遮断信号及び短絡信号を出力する制御装置と、
上記制御装置からの上記遮断信号に基づいて、短絡状態にある上記スイッチング素子を有する上記インバータと上記直流母線との間を遮断させる遮断装置と、
上記制御装置からの上記短絡信号に基づいて、短絡状態にある上記スイッチング素子を有する上記インバータに関して上記直流母線の高電位側と低電位側との間を短絡させる短絡装置とを備えたことを特徴とする交流モータ駆動装置。
【請求項２】
上記遮断装置は上記直流母線を構成する高電位側給電線及び低電位側給電線のうちの少なくともいずれか１つに設けたことを特徴とする請求項１に記載の交流モータ駆動装置。
【請求項３】
上記過電流検出回路から出力される信号のうち、上記スイッチング素子のうちの１つでも短絡状態を示す信号があれば上記制御装置に上記スイッチング素子は短絡状態であることを通知する論理和装置を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の交流モータ駆動装置。
【請求項４】
上記スイッチング素子は、主電流を流すスイッチング素子と上記主電流から分流された小電流を流すスイッチング素子とから構成される電流センス機能付スイッチング素子であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の交流モータ駆動装置。
【請求項５】
上記短絡装置は上記直流母線を構成する高電位側給電線と低電位側給電線間において、直列に接続されたスイッチング素子及び抵抗を介在させることにより構成したことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の交流モータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は自動車などにおいて直流電力を交流電力に変換するインバータによって交流モータを駆動する交流モータ駆動装置に関するものであり、特にインバータが短絡故障をした場合に自動車の安全な退避行動を可能にする交流モータ駆動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近頃環境に配慮したり災害時の電源確保を目的として、モータのみを駆動源とした電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｖｅｈｉｃｌｅ：以降、ＥＶと記載する）やエンジンとモータとの双方を駆動源として併用するハイブリッド自動車（Ｈｙｂｒｉｄ  Ｖｅｈｉｃｌｅ：以後、ＨＥＶと記載する）の普及がすすんでいる。
【０００３】
ＥＶやＨＥＶは、直流電源からの直流電力を直流母線を介して、インバータに供給し、インバータにおいて交流電力に変換する。インバータにおいては、インバータに内蔵されているスイッチング素子（以後、ＳＷ素子と記載する）を導通状態または遮断状態にすることにより、入力される直流電力を所望の交流電力に変換し、交流モータを回転させ、ＥＶやＨＥＶの動力を得る。
【０００４】
従来よりＳＷ素子が短絡故障した場合に関する技術は多く開示されており、例えば特許文献１には、直流母線を流れる電流量が所定の電流量以上の場合には直流電源からインバータへ流れる電流をスイッチング手段を使用して遮断する技術が開示されている。
【０００５】
また特許文献２には、モータ駆動装置はインバータの異常が検出されたことに応じて、インバータを構成する３相アームの中から短絡相を特定するとともに、その特定した短絡相の上下アームを導通状態に固定することにより、モータ駆動装置を搭載した車両は、インバータの異常検出後にモータジェネレータに誘起される逆起電力によりインバータおよび導電線が過熱されるのを防止することが可能となるモータ駆動装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２０００６６号公報
【特許文献２】特開２００８−０５４４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のモータ駆動装置は以上のように構成されており、特許文献１のように、インバータが故障した場合に直流母線とインバータとの間を遮断してしまうと、ＥＶはその場に立ち往生してしまい、その後の交通混乱や交通事故を誘発する原因になるという問題点があった。
【０００８】
また特許文献２のように、平滑コンデンサのエネルギーによる発熱現象を利用して故障したインバータにおける直流母線間を短絡すると、過大な熱が発生するという問題点があった。
【０００９】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、ＳＷ素子が短絡故障した場合でも車両を他の車両や歩行者などの妨げにならない場所まで退避させる、いわゆる退避行動を行うことができると共に、故障時に過大な熱の発生を防止することのできる交流モータ駆動装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係る交流モータ駆動装置は、三相で一組を構成する巻線がｎ組（ｎは２以上の自然数）存在するｎ重三相交流モータを駆動するためのものであって、直流電力を給電する直流母線に対して並列に接続されるｎ個のインバータと、インバータを構成するスイッチング素子と、スイッチング素子が短絡状態であるか否かを判断する過電流検出回路と、過電流検出回路からの短絡状態を示す信号に基づいて遮断信号及び短絡信号を出力する制御装置と、制御装置からの遮断信号に基づいて、短絡状態にあるスイッチング素子を有するインバータと直流母線との間を遮断させる遮断装置と、制御装置からの短絡信号に基づいて、短絡状態にあるスイッチング素子を有するインバータに関して直流母線の高電位側と低電位側との間を短絡させる短絡装置とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明に係る交流モータ駆動装置は、上記のように構成されているので、スイッチング素子が短絡故障した場合でも車両を他の車両や歩行者などの妨げにならない場所まで退避させる、いわゆる退避行動を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１による交流モータの駆動装置を示すブロック構成図である。
【図２】電流センス機能付ＳＷ素子の等価回路を示す回路図である。
【図３】実施の形態１によるインバータを示す回路図である。
【図４】過電流検出回路の構成を示す回路図である。
【図５】短絡装置の内部を示す回路構成図である。
【図６】実施の形態２による交流モータの駆動装置を示すブロック構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
実施形態の対象となる交流モータはｎ重三相の交流モータ（ｎは２以上の自然数）であり、ここでｎ重三相とは三相で一組を構成する巻線がｎ組存在することをいう。ｎ重三相交流モータは、一組の三相交流でも駆動が可能な交流モータである。コストや組立性を考慮してｎ＝２とするのが一般的ではあるが、本実施形態はｎ＝２に限らない。しかし説明の簡便性から、以下ではｎ＝２の場合を例に図を用いて説明する。
【００１４】
図１は実施の形態１による交流モータの駆動装置を示すブロック構成図である。図示していない直流電源から出力される直流電力は直流母線１に給電される。直流母線１は高電位側給電線１１（高電位側）と低電位側給電線１２（低電位側）とから構成される。高電位側給電線１１には、第１の遮断装置２１と第２の遮断装置２２とが並列に接続される。第１の遮断装置２１は、高電位側給電線１１と第３の給電線３１との間を後述する第１の遮断信号２３に基づいて導通状態にするかあるいは遮断状態にする。同様に第２の遮断装置２２は、高電位側給電線１１と第４の給電線３２との間を後述する第２の遮断信号２４に基づいて導通状態にするかあるいは遮断状態にする。
【００１５】
第３の給電線３１は第１のインバータ４１の直流高電位側入力端Ｐ１に接続され、第１のインバータ４１の直流低電位側入力端Ｎ１は低電位側給電線１２と接続される。同様に第４の給電線３２は第２のインバータ４２の直流高電位側入力端Ｐ２に接続され、第２のインバータ４２の直流低電位側入力端Ｎ２は低電位側給電線１２と接続される。即ち、第１のインバータ４１と第２のインバータ４２とは、直流母線１に対して並列に接続されるとともに、直流母線１との間に第１の遮断装置２１と第２の遮断装置２２とがそれぞれ直流高電位側に挿入されている。そして第１の遮断装置２１は第１のインバータ４１に対応し、第２の遮断装置２２は第２のインバータ４２に対応するものである。
【００１６】
第１のインバータ４１は直流高電位側入力端Ｐ１と直流低電位側入力端Ｎ１とから給電される直流電力を所望の三相交流電力に変換して、３本１組の動力線５１を介して、２重三相交流モータ５０を駆動する。同様に、第２のインバータ４２は直流高電位側入力端Ｐ２と直流低電位側入力端Ｎ２とから給電される直流電力を所望の三相交流電力に変換して、上記動力線５１とは別の３本１組の動力線５２を介して、２重三相交流モータ５０を駆動する。
【００１７】
第３の給電線３１と低電位側給電線１２との間には、第１のインバータ４１に対応する第１の短絡装置６１が接続されるとともに、第４の給電線３２と低電位側給電線１２との間には、第２のインバータ４２に対応する第２の短絡装置６２が接続される。第１の短絡装置６１は、後述する第１の短絡信号６３に基づいて、第３の給電線３１と低電位側給電線１２との間を開放状態にするかあるいは短絡状態にする。同様に、第２の短絡装置６２は、後述する第２の短絡信号６４に基づいて、第４の給電線３２と低電位側給電線１２との間を開放状態にするかあるいは短絡状態にする。
【００１８】
次に第１のインバータ４１と第２のインバータ４２のそれぞれにおいて使用される電流センス機能付ＳＷ素子について、図２の等価回路を用いて説明する。尚電流センス機能付ＳＷ素子については三菱電機技報２０１２年５月号７頁から９頁において詳しく説明されている。電流センス機能付ＳＷ素子９０は、主電流を流すＳＷ素子９１と主電流から分流された小電流（以後、センス電流と呼ぶ）を流すＳＷ素子９２から構成される。
【００１９】
例えば、ＳＷ素子９１、９２とがＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ）の場合には、ＳＷ素子９１のドレイン端子とＳＷ素子９２のドレイン端子は接続され、電流センス機能付ＳＷ素子９０のドレイン電極Ｄとなる。また、ＳＷ素子９１のソース端子は、電流センス機能付ＳＷ素子９０のソース電極Ｓとセンス電流検出用の端子Ｓｏとに接続される。ＳＷ素子９１のゲート端子とＳＷ素子９２のゲート端子は、電流センス機能付ＳＷ素子９０のゲート電極Ｇにそれぞれ接続されている。一方ＳＷ素子９２のソース電極は、電流センス機能付ＳＷ素子９０のセンス電極Ｓｅｎに接続されている。
【００２０】
上記のように構成される電流センス機能付ＳＷ素子９０を６個用いて第１のインバータ４１及び第２のインバータ４２は構成される。図３は第１のインバータ４１及び第２のインバータ４２の回路図である。６個の電流センス機能付ＳＷ素子９０ａ〜９０ｆの内の３個のＳＷ素子９０ａ、９０ｃ、９０ｅのドレイン電極Ｄを接続し、第１のインバータ４１の直流高電位側入力端Ｐ１または第２のインバータ４２の直流高電位側入力端Ｐ２に接続する。残りの３個のＳＷ素子９０ｂ、９０ｄ、９０ｆのソース電極Ｓを接続し、第１のインバータ４１の直流低電位側入力端Ｎ１または第２のインバータ４２の直流低電位側入力端Ｎ２に接続する。
【００２１】
電流センス機能付ＳＷ素子９０ａのソース電極と電流センス機能付ＳＷ素子９０ｂのドレイン電極が接続され、第１の動力線５１または第２の動力線５２のうちの１本として出力される。同様に電流センス機能付ＳＷ素子９０ｃのソース電極と電流センス機能付ＳＷ素子９０ｄのドレイン電極が接続され、第１の動力線５１または第２の動力線５２のうちの上記とは別の１本として出力される。更に電流センス機能付ＳＷ素子９０ｅのソース電極と電流センス機能付ＳＷ素子９０ｆのドレイン電極が接続され、第１の動力線５１または第２の動力線５２のうちの残りの１本として出力される。第１のインバータ４１および第２のインバータ４２には、サージ電圧対策や直流電力を安定させる目的のためにコンデンサなどの静電容量を有する静電素子が直流高電位側入力端Ｐ１／Ｐ２と直流低電位側入力端Ｎ１／Ｎ２との間に設置されている。これらの静電素子をまとめて、図３ではコンデンサ９５で示す。
【００２２】
また、電流センス機能付ＳＷ素子９０ａ〜９０ｆのそれぞれのセンス電極Ｓｅｎとセンス電流検出用の端子Ｓｏとは、電流センス機能付ＳＷ素子９０ａ〜９０ｆそれぞれに対応する過電流検出回路９３ａ〜９３ｆに接続される。図４は過電流検出回路９３の構成を示す回路図である。過電流検出回路９３においては、センス電極Ｓｅｎとセンス電流検出用の端子Ｓｏとの間にシャント抵抗９３１を接続する。ＳＷ素子９１に流れる主電流から一定の割合で分流されたＳＷ素子９２を流れる電流は、このシャント抵抗９３１で電圧値に変換される。
【００２３】
シャント抵抗９３１の両端電圧が、ＳＷ素子９１が短絡状態と判断される基準電圧値９３２を超えているか否かを比較器９３３で判断する。シャント抵抗９３１の両端電圧値が基準電圧値９３２を超えるとラッチ手段９３４は過電流信号として短絡状態を表す信号を出力し、その後回復することはない。上記のように動作する６個の過電流信号は、図３に示すように、第１のインバータ４１ないし第２のインバータ４２の論理和装置９４に入力され、６個の過電流信号のうち１つでも短絡状態を示した場合には、その旨の制御信号を出力する。
【００２４】
尚図３において、第１のインバータ４１ないし第２のインバータ４２における電流センス機能付ＳＷ素子９０へのゲート信号生成部は図示されていない。また上記の説明ではＳＷ素子９１、９２がＭＯＳＦＥＴの場合について説明したが、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌｅｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのパワー素子でもよい。
【００２５】
図１に戻って、第１のインバータ４１からの制御信号を第１の制御信号４３とし、第２のインバータ４２からの制御信号を第２の制御信号４４とする。第１の制御信号４３は、第１の制御装置７１に出力される。第１の制御装置７１は、第１の制御信号４３が短絡状態を示した場合に、第１の遮断装置２１が高電位側給電線１１と第３の給電線３１との間を遮断させるための第１の遮断信号２３を出力すると共に、第１の短絡装置６１が第３の給電線３１と低電位側給電線１２との間を短絡させるための第１の短絡信号６３を出力する。
【００２６】
同様に第２の制御信号４４は、第２の制御装置７２に出力される。第２の制御装置７２は、第２の制御信号４４が短絡状態を示した場合に、第２の遮断装置２２が高電位側給電線１１と第４の給電線３２との間を遮断させるための第２の遮断信号２４を出力すると共に、第２の短絡装置６２が第４の給電線３２と低電位側給電線１２との間を短絡させるための第２の短絡信号６４を出力する。
【００２７】
図５は第１の短絡装置６１及び第２の短絡装置６２の内部を示す回路構成図である。第１の短絡装置６１は、第３の給電線３１と低電位側給電線１２との間を直列に接続されたスイッチング素子６５と抵抗６７を介して接続することにより構成される。通常状態では、第１の制御信号４３に基づき、スイッチング素子６５は遮断状態となり、第３の給電線３１と低電位側給電線１２との間は開放状態になっている。しかし第１の制御信号４３が第１のインバータ４１内の電流センス機能付ＳＷ素子９０のうちの少なくとも１つが短絡状態であることを示すと、第１の短絡装置６１内のスイッチング素子６５は導通状態となり、第１のインバータ４１内の静電素子９５の電荷を放出させてエネルギーを抵抗６７で消費させる。
【００２８】
一旦第１の短絡信号６３が短絡状態を示せば、その状態を保持するので、第１の短絡装置６１は第３の給電線３１と低電位側給電線１２との間を導通状態で保持し、２重三相交流モータ５０で発生する回生電力の内、第１のインバータ４１を介して第３の給電線３１と低電位側給電線１２との間に回生される直流電力は、抵抗６７で消費され続ける。この時第１のインバータ４１の系統は第１の遮断装置２１により直流母線１から切り離され、かつ第２のインバータ４２の系統は通常状態を保っているため、２重三相交流モータ５０は供給されるエネルギーは減少するものの、駆動機能は保持される。
【００２９】
同様に第２の短絡装置６２は、第４の給電線３２と低電位側給電線１２との間を、図５に示すように、直列に接続されたスイッチング素子６６と抵抗６８を介して接続することにより構成される。動作に関しては、第１の短絡装置６１と同様のため記載を省略する。そして第２の制御信号４４が短絡状態を示す時、第２のインバータ４２の系統は直流母線１から第２の遮断装置２２により切り離され、かつ第１のインバータ４１の系統は通常状態を保っているため、２重三相交流モータ５０は供給されるエネルギーは減少するものの、駆動機能は保持される。
【００３０】
本実施形態に係る交流モータ駆動装置は上記のように構成されているため、電流センス機能付ＳＷ素子９０の短絡故障に伴い一部のインバータが故障した場合においても、電流検出装置を用いることなく、残りのインバータを利用してＥＶやＨＥＶの退避行動が可能となる。上記特許文献１においては電流検出装置が必要となってしまうが、電流検出装置は、大型で高価であるという問題点があった。これに対して本実施形態においては電流検出装置が不要となるので、このような問題点が発生しなくなる。また上記特許文献２と異なり、故障インバータの短絡までに過大な熱を発生させることなく、ＥＶやＨＥＶの退避行動に伴うモータの起電力に因る故障インバータの電荷の蓄積や電圧の上昇を回避することができる。
【００３１】
また短絡装置として抵抗６７、６８を使用することにより、故障インバータに蓄えられている電荷を緩やかに消費することが可能になる。更にインバータの電流センス機能付ＳＷ素子９０を採用することにより、各インバータに流れる直流電流量を個別に測定する必要がなくなるため、装置を安価に構成することができる。
【００３２】
実施の形態２．
図６は実施の形態２による交流モータの駆動装置を示すブロック構成図である。実施の形態１では、直流母線１の高電位側給電線１１と第１の短絡装置６１との間に第１の遮断装置２１を、また直流母線１の高電位側給電線１１と第２の短絡装置６２との間に第２の遮断装置２２を設置する場合を説明した。本実施の形態２では、図６に示すように、第１の遮断装置２１と第２の遮断装置２２に加えて、更に直流母線１の低電位側給電線１２と第１の短絡装置６１との間に第３の遮断装置２５を挿入し、第３の遮断装置２５と第１のインバータ４１の直流低電位側入力端Ｎ１との間の給電線を第５の給電線３３として分離したものである。
【００３３】
更に直流母線１の低電位側給電線１２と第２の短絡装置６２との間に第４の遮断装置２６を挿入し、第４の遮断装置２６と第２のインバータ４２の直流低電位側入力端Ｎ２との給電線を第６の給電線３４として分離したものである。第３の遮断装置２５と第４の遮断装置２６は、第１の遮断装置２１及び第２の遮断装置２２と同一の機能および構成を有する。そして第３の遮断装置２５は第１の遮断信号２３に基づき、低電位側給電線１２と第５の給電線３３との間を導通状態または遮断状態にし、第４の遮断装置２６は第２の遮断信号２４に基づき、直流母線１の低電位側給電線１２と第６の給電線３４との間を導通状態または遮断状態にする。
【００３４】
尚図６において、実施の形態１と同一の機能を有する構成要素には同一の名称と同一の符号を附し、説明を省略する。本実施の形態によれば、故障インバータは直流母線１の高電位側給電線１１側と低電位側給電線１２のいずれにおいても直流母線１から切り離すことができるため、遮断信号が遮断装置へ伝達されなくなる可能性を低減できる。また一方の遮断装置が故障しても、他方の遮断装置が正常であれば、故障したインバータを直流母線から切り離すことができる。
【００３５】
上記実施形態においては高電位側給電線１１及び低電位側給電線１２の両者、あるいは高電位側給電線１１側のみに遮断装置を設けた場合について説明したが、低電位側給電線１２のみに遮断装置を設けてもよい。尚本発明は、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。
【符号の説明】
【００３６】
１  直流母線、１１  高電位側給電線、１２  低電位側給電線、
２１，２２，２５，２６  遮断装置、４１，４２  インバータ、
５０  ｎ重三相交流モータ、６１，６２  短絡装置、
６５，６６，９０ａ〜９０ｆ，９１，９２  スイッチング素子、７１，７２  制御装置、
９３ａ〜９３ｆ  過電流検出回路、９４  論理和装置。
【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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