(57)【要約】  電圧監視回路を設けずにブートストラップ回路の異常を運転開始前に検出可能な電力変換装置を得ることを目的とし、一端が第１の直流電源１の正極に接続され、他端が第１の直流電源１の負極に接続され、第１のスイッチング素子と、第２のスイッチング素子と、シャント抵抗９とがこの順に直列接続された直列回路１０と、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の間に接続された出力部１１と、第１のスイッチング素子をオンオフ駆動する第１の駆動回路と、第１のスイッチング素子とは相補的に、第２のスイッチング素子をオンオフ駆動する第２の駆動回路と、第２の駆動回路の電源である第２の直流電源６と、第２のスイッチング素子がオンすると第２の直流電源６によって充電される、コンデンサ７とを備え、初期充電時にシャント抵抗９の電流を用いて第１の駆動回路の異常を検出する。
2017183208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端が第１の直流電源の正極に接続され、他端が前記第１の直流電源の負極に接続され、第１のスイッチング素子と、第２のスイッチング素子と、シャント抵抗とがこの順に直列接続された直列回路と、
前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との間に接続された出力部と、
前記第１のスイッチング素子をオンオフ駆動する第１の駆動回路と、
前記第１のスイッチング素子とは相補的に、前記第２のスイッチング素子をオンオフ駆動する第２の駆動回路と、
前記第２の駆動回路の電源である第２の直流電源と、
前記第２のスイッチング素子がオンすると前記第２の直流電源によって充電される、前記第１の駆動回路の電源であるコンデンサと、
前記シャント抵抗に流れる電流を用いて前記第１の駆動回路の異常検出を行う制御部とを備えた電力変換装置。
【請求項２】
各々の一端が第１の直流電源の正極に接続され、第１のスイッチング素子と、第２のスイッチング素子とがこの順に直列接続された複数の直列回路と、
一端が前記複数の直列回路の各々の他端に接続され、他端が前記第１の直流電源の負極に接続されたシャント抵抗と、
前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との間に接続された出力部と、
前記第１のスイッチング素子をオンオフ駆動する第１の駆動回路と、
前記第１のスイッチング素子とは相補的に、前記第２のスイッチング素子をオンオフ駆動する第２の駆動回路と、
前記第２の駆動回路の電源である第２の直流電源と、
前記第２のスイッチング素子がオンすると前記第２の直流電源によって充電される、前記第１の駆動回路の電源であるコンデンサと、
前記シャント抵抗に流れる電流を用いて前記第１の駆動回路の異常検出を行う制御部とを備えた電力変換装置。
【請求項３】
一端が第１の直流電源の正極に接続され、他端が前記第１の直流電源の負極に接続され、第１のスイッチング素子と、第２のスイッチング素子と、シャント抵抗とがこの順に直列接続された直列回路と、
前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との間に接続された出力部と、
前記第１のスイッチング素子をオンオフ駆動する第１の駆動回路と、
前記第１のスイッチング素子とは相補的に、前記第２のスイッチング素子をオンオフ駆動する第２の駆動回路と、
前記第２の駆動回路の電源である第２の直流電源と、
前記第２のスイッチング素子がオンすると前記第２の直流電源によって充電される、前記第１の駆動回路の電源であるコンデンサと、
前記第２のスイッチング素子のオン時の充電電流を制限する電流制限抵抗と、
前記電流制限抵抗に流れる電流を用いて前記第１の駆動回路の異常検出を行う制御部とを備えた電力変換装置。
【請求項４】
前記コンデンサの状態の検出は、起動時に、前記第１のスイッチング素子を放電完了時間だけオンして前記コンデンサを放電させ、前記第２のスイッチング素子を充電完了時間だけオンして前記コンデンサを初期充電させて行われることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、駆動回路の異常検出が可能な電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力変換装置の駆動回路では、第１の直流電源の両側に、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子とが直列接続され、上アームスイッチング素子の駆動電源として使用するコンデンサはダイオードを通して第２の直流電源の＋側に接続され、下アームスイッチング素子がオンする時にコンデンサを充電し、上アームスイッチング素子がオンする時にはコンデンサの電荷が消費される。なお、このような回路はブートストラップ回路と呼ばれる。【０００３】
従来技術の一例である特許文献１によれば、このブートストラップ回路のコンデンサの電圧を電圧監視回路によって監視し、電圧が低下した場合にはスイッチングを停止する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平３−１５００７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の従来技術によれば、上アームのゲート電源回路の故障を検出するための電圧監視回路を要する、という問題があった。【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電圧監視回路を設けることなくブートストラップ回路の異常を運転開始前に検出することができる電力変換装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、一端が第１の直流電源の正極に接続され、他端が前記第１の直流電源の負極に接続され、第１のスイッチング素子と、第２のスイッチング素子と、シャント抵抗とがこの順に直列接続された直列回路と、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との間に接続された出力部と、前記第１のスイッチング素子をオンオフ駆動する第１の駆動回路と、前記第１のスイッチング素子とは相補的に、前記第２のスイッチング素子をオンオフ駆動する第２の駆動回路と、前記第２の駆動回路の電源である第２の直流電源と、前記第２のスイッチング素子がオンすると前記第２の直流電源によって充電される、前記第１の駆動回路の電源であるコンデンサと、前記シャント抵抗に流れる電流を用いて前記第１の駆動回路の異常検出を行う制御部とを備えた電力変換装置である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明にかかる電力変換装置は、電圧監視回路を設けることなくブートストラップ回路の異常を運転開始前に検出することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施の形態１にかかる電力変換装置の構成を示す回路図
【図２】図１に示す電力変換装置の初期充電時における上アームスイッチング素子及び下アームスイッチング素子のオンオフパターンを示す図
【図３】図１に示す電力変換装置の充電時の電流経路を示す図
【図４】実施の形態２にかかる電力変換装置の構成を示す回路図
【図５】図４に示す電力変換装置の初期充電時における上アームスイッチング素子及び下アームスイッチング素子のオンオフパターンを示す図
【図６】実施の形態３にかかる電力変換装置の構成を示す回路図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の実施の形態にかかる電力変換装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる電力変換装置の構成を示す回路図である。図１に示す電力変換装置１２は、第１の直流電源である直流電源１と、第１のスイッチング素子である上アームスイッチング素子２と、第２のスイッチング素子である下アームスイッチング素子３と、第１の駆動回路である上アーム側駆動回路４と、第２の駆動回路である下アーム側駆動回路５と、第２の直流電源である直流電源６と、コンデンサ７と、ダイオード８と、シャント抵抗９とを備える。また、上アームスイッチング素子２と、下アームスイッチング素子３と、シャント抵抗９とがこの順に直列接続されて直列回路１０を形成している。
【００１２】
電力変換装置１２は、第１の駆動回路と第２の駆動回路を制御する制御部（図示せず）を備える。この制御部は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）で実現される。
【００１３】
なお、図１においては直列回路１０を１つのみ示しているが、直列回路は実際には複数設けられている。すなわち、単相交流を出力する場合には直列回路は２つ設けられ、三相交流を出力する場合には直列回路は３つ設けられている。上アーム側駆動回路４は、上アームスイッチング素子２のゲートに制御信号を出力して上アームスイッチング素子２をオンオフ駆動する。下アーム側駆動回路５は、下アームスイッチング素子３のゲートに制御信号を出力して上アームスイッチング素子２とは相補的に、下アームスイッチング素子３をオンオフ駆動する。直流電源６は、下アーム側駆動回路５の電源であり、直流電源６の正極はダイオード８のアノード及び下アーム側駆動回路５に接続されている。コンデンサ７は、上アーム側駆動回路４の電源であり、一端が上アーム側駆動回路４及びダイオード８のカソードに接続され、他端が上アーム側駆動回路４及び上アームスイッチング素子２と下アームスイッチング素子３との間に接続されている。下アームスイッチング素子３がオンすると直流電源６によって充電される。ダイオード８は、直流電源６及びコンデンサ７に直列接続されている。シャント抵抗９は、上アームスイッチング素子２及び下アームスイッチング素子３に直列接続されて出力電流を検出する。直列回路１０は、一端が直流電源１の正極に接続され、他端が直流電源１の負極に接続されている。出力部１１は、上アームスイッチング素子２と下アームスイッチング素子３との間に接続されている。
【００１４】
図１に示す電力変換装置１２は、上アームスイッチング素子２及び下アームスイッチング素子３を交互にオンオフさせることで、直流電源１からの直流電圧を交流に変換して出力電流を発生させる。上アーム側駆動回路４は、搬送波と相電圧指令を比較したＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号によって上アームスイッチング素子２をオンオフさせる。下アーム側駆動回路５は、搬送波と相電圧指令を比較したＰＷＭ信号によって下アームスイッチング素子３をオンオフさせる。
【００１５】
上アームスイッチング素子２のオン時にはコンデンサ７の電荷はゲート電源として消費されて、コンデンサ７の電圧が降下する。また、下アームスイッチング素子３のオン時にはコンデンサ７は充電されてコンデンサ７の電圧が上昇する。上アームスイッチング素子２及び下アームスイッチング素子３は相補的に、すなわち交互にオンオフを繰り返し、出力周波数１周期毎に同じ電圧変動を繰り返す。なお、出力停止後に出力再開する場合、すなわち電力変換装置１２の起動時には、コンデンサ７の初期充電を行う。
【００１６】
図２は、図１に示す電力変換装置１２の初期充電時における上アームスイッチング素子２及び下アームスイッチング素子３のオンオフパターンを示す図である。
【００１７】
なお、図２においては、上アームスイッチング素子２及び下アームスイッチング素子３のすべてが一斉にオンしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、上アームスイッチング素子２及び下アームスイッチング素子３のオンするタイミングを相毎にずらしてもよい。ただし、図２に示すように、各相の上アームスイッチング素子２のオンするタイミングを一致させ、各相の下アームスイッチング素子３のオンするタイミングを一致させた方が、起動時間を短くすることができるため好ましい。
【００１８】
図３は、図１に示す電力変換装置１２におけるコンデンサ７の充電時の電流経路を示す図である。初期充電時には、図２に示すように、まず、上アームスイッチング素子２が放電完了時間であるＴ１時間だけオンしてコンデンサ７の電圧を０Ｖに近づけるようにコンデンサ７を放電させる。その後、下アームスイッチング素子３が初期充電完了時間であるＴ２時間だけオンしてコンデンサ７を充電する。このときのコンデンサ７の電圧Ｖｃは、下記の式（１），（２）によって表される。
【００１９】
【数１】
2017183208.tif 000003
【００２０】
【数２】
2017183208.tif 000004
【００２１】
ここで、上記の式（１），（２）において、電圧Ｖｍは直流電源６の電圧であり、容量Ｃはコンデンサ７の容量であり、抵抗Ｒはシャント抵抗９の抵抗値であり、電圧ΔＶは、ダイオード８の順方向電圧と下アームスイッチング素子３のオン電圧との合計電圧値であり、電流ｉは、図３の点線で示される電流経路の電流値である。上記の式（１）を式（２）に代入し、下アームスイッチング素子３をオンするＴ２時間の開始からｔ秒後の理論電流値である電流ｉ（ｔ）は下記の式（３）により表される。
【００２２】
【数３】
2017183208.tif 000005
【００２３】
上記の式（３）にて算出された電流ｉが、シャント抵抗９に流れる電流に対して大きく異なる場合、具体的には、容量Ｃと抵抗Ｒとは既知であり、ΔＶについても理論値を使用し、Ｖｍは変動するため実測値を使用して、時刻ｔにおける理論電流ｉを求めることができる。コンデンサ又は抵抗の部品ばらつき又は温度変化などの最大変化量の組み合わせで求めた理論電流最大値ｉｍａｘ、理論電流最小値ｉｍｉｎと実電流ｉとが外れた場合には、ブートストラップ回路が故障していると判断される。シャント抵抗９の抵抗Ｒが既知であるため、シャント抵抗９の両端の電圧Ｖｒを用いることで実電流ｉが求められる。
【００２４】
従来は、オペアンプ及び絶縁電源を要する電圧監視回路を用いてブートストラップ回路の異常を検出しており、このような電圧監視回路を各相に設ける必要があるため、電力変換装置が大型化し、電力変換装置の作製コストが増大していた。本実施の形態においては、上アームスイッチング素子２の駆動回路である上アーム側駆動回路４の異常をコンデンサ７に流れる電流と供給元である直流電源６の電圧とを測定することによってブートストラップ回路の異常を検出することができる。そのため、従来のような、オペアンプ及び絶縁電源を要する電圧監視回路が不要であるため、電力変換装置を小型化させ、作製コストを抑制することができる。
【００２５】
本実施の形態によれば、電圧監視回路を設けることなくブートストラップ回路の異常を運転開始前に検出することができる。
【００２６】
なお、本実施の形態においては、制御部が、シャント抵抗９に流れる電流を用いてブートストラップ回路の異常を判断する。
【００２７】
実施の形態２．
図４は、本発明の実施の形態２にかかる電力変換装置の構成を示す回路図である。図４に示す電力変換装置１２ａは、シャント抵抗９に代えて、シャント抵抗２０を備える点が図１に示す電力変換装置１２と異なる。シャント抵抗２０は、インバータ回路である直列回路２１，２１ａ，２１ｂの下側の接続点と直流電源１との間に接続されており、通常運転中の出力電流をシャント抵抗２０に流れる母線電流から求めることが可能である。直列回路２１は、Ｕ相の上アームスイッチング素子２及びＵ相の下アームスイッチング素子３を含み、上アームスイッチング素子２と下アームスイッチング素子３との間が出力部１１に接続されている。直列回路２１ａは、Ｖ相の上アームスイッチング素子２ａ及びＶ相の下アームスイッチング素子３ａを含み、上アームスイッチング素子２ａと下アームスイッチング素子３ａとの間が出力部１１ａに接続されている。直列回路２１ｂは、Ｗ相の上アームスイッチング素子２ｂ及びＷ相の下アームスイッチング素子３ｂを含み、上アームスイッチング素子２ｂと下アームスイッチング素子３ｂとの間が出力部１１ｂに接続されている。なお、シャント抵抗２０に印加される電圧は電圧Ｖｒである。
【００２８】
図５は、図４に示す電力変換装置１２ａの初期充電時における上アームスイッチング素子２，２ａ，２ｂ及び下アームスイッチング素子３，３ａ，３ｂのオンオフパターンを示す図である。図４に示す電力変換装置１２ａでは、初期充電時に下アームスイッチング素子３，３ａ，３ｂが同時にオンすると、充電電流が同時に流れるため、異常の検出が困難である。そのため、図５に示すようにＵ相充電期間、Ｖ相充電期間及びＷ相充電期間を各々設けて、各相の下アームスイッチング素子３，３ａ，３ｂがオンするタイミングをずらすことで、各相の充電電流を順にシャント抵抗２０に流すことができる。
【００２９】
なお、図５において、上アームスイッチング素子２，２ａ，２ｂが一斉にオンしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、上アームスイッチング素子２，２ａ，２ｂのオンするタイミングもずらしてもよい。ただし、図５に示すように、上アームスイッチング素子２，２ａ，２ｂのオンするタイミングを一致させた方が、起動時間を短くすることができるため好ましい。
【００３０】
本実施の形態によれば、電圧監視回路を設けることなく、各相にシャント抵抗を設けることなく、シャント抵抗を１つのみ設けてブートストラップ回路の異常を運転開始前に検出することができる。
【００３１】
実施の形態３．
図６は、本発明の実施の形態３にかかる電力変換装置の構成を示す回路図である。図６に示す電力変換装置１２ｂは、直流電源６の下アーム側駆動回路５への分岐点とダイオード８との間に電流制限抵抗３０を備え、シャント抵抗９を備えていない点が図１に示す電力変換装置１２と異なる。
【００３２】
図６に示す電力変換装置１２ｂにおいては、通常運転中の出力電流はインバータ出力からモータへの出力に絶縁した電流検出器を用いることで検出される。このとき、ブートストラップ回路の充電電流は電流検出器には流れないため、電流制限抵抗３０の両端の電圧Ｖｒ＝Ｖｓ−Ｖｍを測定することによって求められる。ここで、電圧Ｖｓは、直流電源６の負極から電流制限抵抗３０のダイオード８のアノード側までの電圧値であり、電圧Ｖｍは、直流電源６の電源電圧値である。電圧Ｖｓ，Ｖｍは、コモンが共通であるため、ＡＤ（Ａｎａｌｏｇ  ｔｏ  Ｄｉｇｉｔａｌ）変換器で同時に測定することが可能である。
【００３３】
本実施の形態によれば、電圧監視回路及びシャント抵抗を設けることなく、ブートストラップ回路の異常を運転開始前に検出することができる。
【００３４】
なお、実施の形態１から実施の形態３において、異常検出は、電力変換装置の制御部を実現する図示しないＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）が行う。
【００３５】
以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１，６  直流電源、２，２ａ，２ｂ  上アームスイッチング素子、３，３ａ，３ｂ  下アームスイッチング素子、４  上アーム側駆動回路、５  下アーム側駆動回路、７  コンデンサ、８  ダイオード、９，２０  シャント抵抗、１０，２１，２１ａ，２１ｂ  直列回路、１１，１１ａ，１１ｂ  出力部、１２，１２ａ，１２ｂ  電力変換装置、３０  電流制限抵抗。
【図１】
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【図２】
2017183208.tif 000007
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年3月16日(2017.3.16)
【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】
一端が第１の直流電源の正極に接続され、他端が前記第１の直流電源の負極に接続され、第１のスイッチング素子と、第２のスイッチング素子と、シャント抵抗とがこの順に直列接続された直列回路と、
前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との間に接続された出力部と、
前記第１のスイッチング素子をオンオフ駆動する第１の駆動回路と、
前記第１のスイッチング素子とは相補的に、前記第２のスイッチング素子をオンオフ駆動する第２の駆動回路と、
前記第２の駆動回路の電源である第２の直流電源と、
前記第２のスイッチング素子がオンすると前記第２の直流電源によって充電される、前記第１の駆動回路の電源であるコンデンサと、
前記コンデンサの初期充電時における前記シャント抵抗に流れる電流を用いて、前記コンデンサを含むブートストラップ回路の異常検出を運転開始前に行う制御部とを備えた電力変換装置。
【請求項２】
一端が第１の直流電源の正極に接続され、他端が前記第１の直流電源の負極に接続され、第１のスイッチング素子と、第２のスイッチング素子とがこの順に直列接続された直列回路と、
前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との間に接続された出力部と、
前記第１のスイッチング素子をオンオフ駆動する第１の駆動回路と、
前記第１のスイッチング素子とは相補的に、前記第２のスイッチング素子をオンオフ駆動する第２の駆動回路と、
前記第２の駆動回路の電源である第２の直流電源と、
前記第２のスイッチング素子がオンすると前記第２の直流電源によって充電される、前記第１の駆動回路の電源であるコンデンサと、
前記第２の直流電源と前記コンデンサ及び前記第１の駆動回路との間に設けられ、前記第２のスイッチング素子のオン時の充電電流を制限する電流制限抵抗と、
前記コンデンサの初期充電時における前記電流制限抵抗に流れる電流を用いて、前記コンデンサを含むブートストラップ回路の異常検出を運転開始前に行う制御部とを備えた電力変換装置。
【請求項３】
前記ブートストラップ回路の異常検出は、起動時に、前記第１のスイッチング素子を放電完了時間だけオンして前記コンデンサを放電させ、前記第２のスイッチング素子を充電完了時間だけオンして前記コンデンサを初期充電させて行われることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、一端が第１の直流電源の正極に接続され、他端が前記第１の直流電源の負極に接続され、第１のスイッチング素子と、第２のスイッチング素子と、シャント抵抗とがこの順に直列接続された直列回路と、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との間に接続された出力部と、前記第１のスイッチング素子をオンオフ駆動する第１の駆動回路と、前記第１のスイッチング素子とは相補的に、前記第２のスイッチング素子をオンオフ駆動する第２の駆動回路と、前記第２の駆動回路の電源である第２の直流電源と、前記第２のスイッチング素子がオンすると前記第２の直流電源によって充電される、前記第１の駆動回路の電源であるコンデンサと、前記コンデンサの初期充電時における前記シャント抵抗に流れる電流を用いて、前記コンデンサを含むブートストラップ回路の異常検出を運転開始前に行う制御部とを備えた電力変換装置である。
【国際調査報告】
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