(57)【要約】【課題】コントローラの異常対応制御を簡略化することが可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置は、ブリッジ接続されたパワー半導体素子と、パワー半導体素子を駆動するドライバ回路と、パワー半導体素子に印加される第１の直流電圧を入力としてドライバ回路に電圧を供給するドライバ電源回路と、第１の直流電圧以下の電圧である第２の直流電圧を入力としてドライバ電源回路の入力に第３の直流電圧を供給する電圧変換回路と、第１の直流電圧および第３の直流電圧のいずれか高い方の電圧をドライバ電源回路に入力させる制御回路と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブリッジ接続されたパワー半導体素子と、
前記パワー半導体素子を駆動するドライバ回路と、
前記パワー半導体素子に印加される第１の直流電圧を入力として前記ドライバ回路に電圧を供給するドライバ電源回路と、
前記第１の直流電圧以下の電圧である第２の直流電圧を入力として前記ドライバ電源回路の入力に第３の直流電圧を供給する電圧変換回路と、
前記第１の直流電圧および前記第３の直流電圧のいずれか高い方の電圧を前記ドライバ電源回路に入力させる制御回路と、
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、
前記制御回路は、前記ドライバ電源回路にそれぞれ供給される前記第１の直流電圧と前記第３の直流電圧とを、整流素子により各々独立して前記ドライバ電源回路に供給することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の電力変換装置において、
前記電圧変換回路は、前記第１の直流電圧より低い前記第３の直流電圧を供給することを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置において、
前記パワー半導体素子は、永久磁石形同期電動機を駆動す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、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流電源の電圧からスイッチングにより３相交流を作り出してモータ等を駆動するインバータ装置が知られている。例えば特許文献１には、異常発生時にインバータの交流出力端子を短絡するインバータ装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】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】
【０００４】
特許文献１に記載のインバータ装置には、次のような問題があった。すなわち、スイッチを制御するコントローラへの電圧供給が絶たれると交流出力の短絡を継続することができないため、異常発生時に複雑な制御が要求されるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に記載の電力変換装置は、ブリッジ接続されたパワー半導体素子と、前記パワー半導体素子を駆動するドライバ回路と、前記パワー半導体素子に印加される第１の直流電圧を入力として前記ドライバ回路に電圧を供給するドライバ電源回路と、前記第１の直流電圧以下の電圧である第２の直流電圧を入力として前記ドライバ電源回路の入力に第３の直流電圧を供給する電圧変換回路と、前記第１の直流電圧および前記第３の直流電圧のいずれか高い方の電圧を前記ドライバ電源回路に入力させる制御回路と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、コントローラの異常対応制御を簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施の形態に係るインバータ装置の構成を模式的に示す回路図である。
【図２】電圧変換回路２３の構成を模式的に示す回路図である。
【図３】補助コントローラ３０が実行する故障対応処理のフローチャートである。
【図４】各電圧の時間変化を示す模式図である。
【図５】比較例であるインバータ装置の構成を示す回路図である。
【図６】高電圧ＨＶＤＣの時間変化を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図５は、比較例であるインバータ装置の構成を示す回路図である。インバータ装置１１は、バッテリー１６からの直流高電圧（例えば３００Ｖ）を３相交流の電圧に変換してモータ１０に印加し、モータ１０を駆動する。モータ１０は、永久磁石を用いた同期モータである。バッテリー１６とインバータ装置１１との間にはコンタクタ１５が接続される。コンタクタ１５は、図示しない上位コントローラにより制御され、バッテリー１６からインバータ装置１１への電力供給のオンオフを行う。
【０００９】
インバータ装置１１は、３相ブリッジ構成を成すパワー半導体モジュール１２と、電圧平滑用のキャパシタ１３と、ドライバ回路２１が設けられたドライバ回路基板１７と、ドライバ回路２１に制御パルスを送出するモータコントローラ１８とを備える。ドライバ回路基板１７は、バッテリー１６から供給される高電圧ＨＶＤＣにより動作する。
【００１０】
モータコントローラ１８は、バッテリー１６とは別に設けられた電源１９から供給される低電圧ＶＢ（例えば１２Ｖ）により動作する。低電圧ＶＢは、バッテリー１６からの高電圧より低い。
【００１１】
ドライバ回路基板１７は、３相ブリッジ構成を構成する電力用半導体スイッチング素子の各々に対応する６相分のドライバ回路２１と、ドライバ電源回路２３と、アイソレータ３１と、補助コントローラ３０とを備える。
【００１２】
ドライバ電源回路２３は、バッテリー１６から供給される高電圧を入力として、ドライバ回路２１の各々に絶縁された電圧を供給する。アイソレータ３１は、モータコントローラ１８からの制御パルスを絶縁し、ドライバ回路２１の各々に伝達する。補助コントローラ３０は、モータコントローラ１８に異常が発生した際に出力される異常検知信号を受信して、モータ１０を安全に停止させるために必要な制御を行う。
【００１３】
図示しない上位コントローラは、トルクや回転速度に関する情報等を含む信号を、モータ１０の駆動指令としてモータコントローラ１８に送信する。モータコントローラ１８は、この指令に応じた制御パルス（ＰＷＭ信号）をドライバ回路２１の各々に与える。
【００１４】
ドライバ回路２１はそれぞれ、モータコントローラ１８から与えられたＰＷＭ信号に応じてパワー半導体モジュール１２の電力用半導体スイッチング素子をスイッチング制御する。これにより、バッテリー１６から供給される直流の高電圧が、モータ１０を駆動するための３相交流の電圧に変換される。
【００１５】
次に、モータ１０の駆動中に、モータコントローラ１８が何らかの原因（例えば故障等）により停止した場合の動作を説明する。図示しない上位コントローラは、モータコントローラ１８が予期せず停止したことを検知して、コンタクタ１５をオフする。これにより、バッテリー１６とインバータ装置１１とが電気的に切り離される。
【００１６】
このときモータ１０が回転していると、モータ１０の回転により誘起電圧が発生する。発生した誘起電圧は、パワー半導体モジュール１２内の上アーム２８が備えるダイオードを通して、パワー半導体モジュール１２やキャパシタ１３、ドライバ回路基板１７等の各部品に印加される。ドライバ回路基板１７上の補助コントローラ３０は、モータ１０の誘起電圧が各部品の耐圧を越えないような制御を行う。
【００１７】
以下、具体的にその制御の内容を説明する。補助コントローラ３０には、モータコントローラ１８から、モータコントローラ１８の停止を報知するための信号ＭＣＬＯＳＴが入力されている。補助コントローラ３０は、この信号ＭＣＬＯＳＴの変化からモータコントローラ１８の停止を検知すると、パワー半導体モジュール１２の下アーム２９をオンする。これにより、パワー半導体モジュール１２の３相がショートされる。これに加えて、補助コントローラ３０は、図示しない放電抵抗と半導体スイッチとにより、キャパシタ１３の電荷を急速放電する。補助コントローラ３０のこの制御により、パワー半導体モジュール１２やキャパシタ１３、ドライバ回路基板１７等に印加される高電圧ＨＶＤＣは、時間経過と共に低下する。
【００１８】
ところが、ドライバ電源回路２３は、高電圧ＨＶＤＣを入力として、ドライバ回路基板１７上の各部品に電圧を供給しているため、高電圧ＨＶＤＣが一定の電圧（例えば１００Ｖ）以下に低下すると、ドライバ電源回路２３から補助コントローラ３０の動作に必要な電圧が供給されなくなる。この結果、補助コントローラ３０は動作を停止し、パワー半導体モジュール１２の下アーム２９をオンすることもできなくなってしまう。
【００１９】
補助コントローラ３０が動作を停止すると、下アーム２９は再びオフになり、モータ１０からの誘起電圧による高電圧ＨＶＤＣが再度上昇を始める。高電圧ＨＶＤＣが１００Ｖ以上になれば、補助コントローラ３０は再度動作を開始するが、高電圧ＨＶＤＣの上昇速度が補助コントローラ３０の動作開始速度よりも速いと、補助コントローラ３０による下アーム２９のオン動作が間に合わず、高電圧ＨＶＤＣが各部品の耐圧以上に上昇してしまう。
【００２０】
図６は、補助コントローラ３０が上記制御を行ったときの高電圧ＨＶＤＣの時間変化を示す模式図である。当初は約３００Ｖだった高電圧ＨＶＤＣは、時刻ｔ１１にコンタクタ１５がオフになったことにより上昇を始める。しかし、その直後の時刻ｔ１２に補助コントローラ３０によりパワー半導体モジュール１２の３相がショートされ、高電圧ＨＶＤＣは時間の経過と共に低下していく。時刻ｔ１３に１００Ｖまで低下したとき、補助コントローラ３０への印加電圧が低下して下アーム２９がオフし、パワー半導体モジュール１２の３相ショートが解除される。その結果、時刻ｔ１３以降、高電圧ＨＶＤＣは再度上昇を始める。そして、時刻ｔ１４に再び高電圧ＨＶＤＣが３００Ｖに近づくと、補助コントローラ３０はパワー半導体モジュール１２の下アーム２９をオンして、パワー半導体モジュール１２の３相をショートさせる。補助コントローラ３０は、モータ１０の回転が完全に停止して誘起電圧が収まるまで、上記の動作を繰り返し、高電圧ＨＶＤＣを３００Ｖから１００Ｖの間に保持する。
【００２１】
次に、上述のインバータ装置１１に本発明を適用した実施の形態について説明する。
【００２２】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るインバータ装置の構成を模式的に示す回路図である。図１に示したインバータ装置４１の構成は、図５に示したインバータ装置１１と比較して、ドライバ回路基板１７に電圧変換回路３２と整流素子３３，３４とが設けられている点が異なっている。以下、相違点について主に説明する。
【００２３】
電圧変換回路３２は、低圧電源１９から供給される低電圧ＶＢを、ドライバ電源回路２３の動作に必要な電圧Ｖ３に変換し、低電圧ＶＢとは絶縁してドライバ電源回路２３に供給する。電圧変換回路３２から出力される電圧Ｖ３の配線は、ドライバ回路基板１７上において、ドライバ電源回路２３に接続される。上記接続点と電圧変換回路３２との間には、高電圧ＨＶＤＣが電圧変換回路３２に流入するのを防止する整流素子３３が設けられている。同様に、上記接続点と高電圧ＨＶＤＣが供給される配線との間には、電圧変換回路３２からの電圧Ｖ３がキャパシタ１３やパワー半導体モジュール１２に流入するのを防止する整流素子３４が設けられている。
【００２４】
整流素子３３と整流素子３４とが存在することで、ドライバ電源回路２３への入力電圧ＶＤｉｎは、高電圧ＨＶＤＣと電圧Ｖ３とのいずれか高い方の電圧となる。つまり、ドライバ電源回路２３の入力端子に設けられた整流素子３３と整流素子３４とは、高電圧ＨＶＤＣと電圧Ｖ３とのいずれか高い方の電圧をドライバ電源回路２３に入力させる制御回路を構成する。例えばドライバ電源回路２３の動作に４０Ｖ程度が必要である場合には、電圧変換回路３２から供給される電圧Ｖ３を４０Ｖ以上（例えば６０Ｖ程度）にすればよい。
【００２５】
図２は、電圧変換回路２３の構成を模式的に示す回路図である。電圧変換回路２３はフライバック電源で構成され、二次側回路は出力回路とフィードバック回路とから構成されている。低電圧ＶＢが印加される端子には、入力フィルタキャパシタＣ２とスイッチングレギュレータ制御回路ＳＷ１とが並列に接続される。スイッチングレギュレータ制御回路ＳＷ１は、電源トランスＬ１に接続されたスイッチング用トランジスタＴ１を、二次側の電圧が一定の電圧となるようにフィードバック制御しながら駆動する。
【００２６】
フィードバック回路は、ダイオードＤ２０と、キャパシタＣ２０と、ブリーダ抵抗Ｒ２０とから構成される。フィードバック電圧ＶＦＢは、フィードバック電圧としてスイッチングレギュレータ制御回路ＳＷ１により使用される。フィードバック電圧ＶＦＢは更にモータコントローラ１８にも供給される。モータコントローラ１８はフィードバック電圧ＶＦＢを監視し、電圧変換回路３２が正常に動作しているかどうかを確認する。
【００２７】
出力回路は、ダイオードＤ１０と、キャパシタＣ１０と、ブリーダ抵抗Ｒ１０とから構成され、電圧Ｖ３を出力する。出力回路の後段には、上述した整流素子３３と整流素子３４とが設けられ、高電圧ＨＶＤＣと電圧Ｖ３とのいずれか高い方の電圧が、ドライバ電源回路２３への入力電圧ＶＤｉｎとなる。
【００２８】
本実施形態では、電圧変換回路３２の出力電圧Ｖ３は６０Ｖである。従って、高電圧ＨＶＤＣが６０Ｖ以上の場合には、ドライバ電源回路２３への入力電圧ＶＤｉｎは高電圧ＨＶＤＣと等しくなる。他方、高電圧ＨＶＤＣが６０Ｖ未満の場合には、電圧変換回路３２の出力電圧Ｖ３（６０Ｖ）がドライバ電源回路２３への入力電圧ＶＤｉｎとなる。
【００２９】
次に、モータ１０の駆動中に、モータコントローラ１８が何らかの原因（例えば故障等）により停止した場合の動作を説明する。
【００３０】
図３は、補助コントローラ３０が実行するモータコントローラ１８の故障対応処理のフローチャートである。補助コントローラ３０は、インバータ装置４１の動作時、図３に示す処理を繰り返し実行する。なお、図３に示した処理の実行形態はどのようなものであってもよい。例えば、図３の処理を実行するための制御プログラムとして不図示のメモリに格納しておき、補助コントローラ３０内に搭載した不図示のＣＰＵがその制御プログラムを読み込んで実行するように補助コントローラ３０を構成してもよい。あるいは、補助コントローラ３０を、図３に示した処理を実行する電子回路として構成してもよい。
【００３１】
まずステップＳ１００において、補助コントローラ３０は、信号ＭＣＬＯＳＴを参照し、モータコントローラ１８が停止したか否かを判定する。信号ＭＣＬＯＳＴは、例えばモータコントローラ１８が一定のクロックで出力するパルス信号とし、パルスが観測できなくなった（信号ＭＣＬＯＳＴが一定の電圧のまま変動しなくなった）とき、補助コントローラ３０はモータコントローラ１８が停止したと判定する。モータコントローラ１８が停止していなかった場合、補助コントローラ３０は図３に示す処理の実行を終了する。他方、モータコントローラ１８が停止していた場合、補助コントローラ３０は処理をステップＳ１１０に進める。
【００３２】
図示しない上位コントローラは、モータコントローラ１８が予期せず停止したことを検知して、コンタクタ１５をオフする。これにより、バッテリー１６とインバータ装置１１とが電気的に切り離される。
【００３３】
ステップＳ１１０で補助コントローラ３０は、電圧変換回路３２の出力電圧Ｖ３が異常か否かを判定する。例えば出力電圧Ｖ３が６０Ｖから大きく乖離した電圧であれば、補助コントローラ３０は出力電圧Ｖ３が異常であると判定する。出力電圧Ｖ３が異常ではないと判定した場合、すなわち電圧変換回路３２が正常に動作していると判定した場合、補助コントローラ３０は処理をステップＳ１６０に進める。ステップＳ１６０において補助コントローラ３０は、パワー半導体モジュール１２の下アーム２９をオンすることにより、パワー半導体モジュール１２の３相をショートさせる。なお図３では明示していないが、補助コントローラ３０はこれに加えて、図示しない放電抵抗と半導体スイッチとにより、キャパシタ１３の電荷を急速放電する。
【００３４】
他方、ステップＳ１１０において、出力電圧Ｖ３が異常であると判定した場合、すなわち電圧変換回路３２が正常に動作していないと判定した場合、補助コントローラ３０は処理をステップＳ１２０に進める。ステップＳ１２０で補助コントローラ３０は、高電圧ＨＶＤＣが１００Ｖを下回っているか否かを判定し、下回っていた場合にはステップＳ１３０に進んで下アーム２９をオフにする。また、ステップＳ１４０で補助コントローラ３０は、高電圧ＨＶＤＣが３００Ｖを上回っているか否かを判定し、上回っていた場合にはステップＳ１５０に進んで下アーム２９をオンにする。
【００３５】
このように、電圧変換回路３２が異常な状態である場合、補助コントローラ３０は高電圧ＨＶＤＣがドライバ電源回路２３の動作電圧以下となる前（例えば１００Ｖ以下となる前）にパワー半導体モジュール１２の３相ショートをオフし、意図的にモータ１０の誘起電圧をインバータ装置４１に印加させる。そして、高電圧ＨＶＤＣが高くなりすぎないよう、再び高電圧ＨＶＤＣが３００Ｖに近づくと、パワー半導体モジュール１２の下アーム２９をオンして、パワー半導体モジュール１２の３相をショートさせる。補助コントローラ３０は、モータ１０による誘起電圧が収まるまで、上記の動作を繰り返し、高電圧ＨＶＤＣを３００Ｖから１００Ｖの間に保持する。
【００３６】
図４は、補助コントローラ３０がステップＳ１６０の制御を行ったときの各電圧の時間変化を示す模式図である。当初は約３００Ｖだったドライバ電源回路２３への入力電圧ＶＤｉｎ（高電圧ＨＶＤＣ）は、時刻ｔ１にコンタクタ１５がオフになったことにより上昇を始める。しかし、その直後の時刻ｔ２に補助コントローラによりパワー半導体モジュール１２の３相がショートされ、入力電圧ＶＤｉｎ（高電圧ＨＶＤＣ）は時間の経過と共に低下していく。そして、時刻ｔ３に６０Ｖまで低下した後も、高電圧ＨＶＤＣは低下を続けるが、電圧変換回路３２の出力電圧Ｖ３が整流素子３３を介してドライバ電源回路２３の入力側に接続されているため、入力電圧ＶＤｉｎは時刻ｔ３以降、６０Ｖ程度のままそれ以上低下しなくなる。
【００３７】
上述した第１の実施の形態によるインバータ装置によれば、次の作用効果が得られる。
（１）ドライバ電源回路２３には、パワー半導体モジュール１２に印加される高電圧ＨＶＤＣと、電圧変換回路３２が高電圧ＨＶＤＣ以下の電圧である低電圧ＶＢを入力として出力する電圧Ｖ３とのいずれか高い方の電圧が供給される。このようにしたので、高電圧ＨＶＤＣが低下しても補助コントローラ３０は何ら制御を変える必要がなく、補助コントローラ３０の異常対応制御を簡略化することができる。
【００３８】
（２）高電圧ＨＶＤＣと電圧Ｖ３とは、整流素子３３，３４により各々独立してドライバ電源回路２３に供給される。このようにしたので、簡易な回路構成になり、高電圧ＨＶＤＣと電圧Ｖ３との一方が他方より高い場合であっても、ドライバ電源回路２３以外の部品に一方の電圧が印加されることがない。
【００３９】
次のような変形も本発明の範囲内であり、変形例の一つ、もしくは複数を上述の実施形態と組み合わせることも可能である。
【００４０】
（変形例１）
上述した実施の形態では、バッテリー１６から供給される電圧は３００Ｖ、電源１９から供給される電圧は１２Ｖ、電圧変換回路３２から供給される電圧は６０Ｖとしたが、各電圧の値がこれとは異なっていてもよい。例えば、電圧変換回路３２がバッテリー１６から供給されるものよりも高い電圧を供給してもよい。また、電圧変換回路３２に異常が発生したときに補助コントローラ３０が高電圧ＨＶＤＣを１００Ｖ以上に保つ制御を行うが、この１００Ｖという値についても、これとは異なる値としてよい。
【００４１】
（変形例２）
上述した実施の形態では、モータ１０を永久磁石形同期電動機であるとしたが、これとは異なる形式の電動機を駆動する電力変換装置（インバータ装置）についても本発明を適用することが可能である。
【００４２】
（変形例３）
図１に示したインバータ装置４１において、ドライバ電源回路２３の入力端子に設けられた整流素子３３と整流素子３４とが、高電圧ＨＶＤＣと電圧Ｖ３とのいずれか高い方の電圧をドライバ電源回路２３に入力させる制御回路を構成しているが、これ以外の構成の制御回路により、高電圧ＨＶＤＣと電圧Ｖ３とのいずれか高い方の電圧をドライバ電源回路２３に入力させてもよい。
【００４３】
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限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００４４】
１０…モータ、１１，４１…インバータ装置、１２…パワー半導体モジュール、１６…バッテリー、１７…ドライバ回路基板、１８…モータコントローラ、１９…電源、２３…ドライバ電源回路、３０…補助コントローラ、３２…電圧変換回路、３３，３４…整流素子
【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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