(57)【要約】  実施形態の電力変換器は、直流電源と負荷との間に接続される保護回路、入力される制御信号に応じて前記負荷に通電を行うスイッチングユニットと、前記直流電源の電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧の急峻な上昇を検出し、前記スイッチングユニットによるスイッチング動作を停止させるように保護動作を行う保護動作部とを備え、前記保護動作部は、前記電圧検出部により検出された電圧に所定の電圧を加算する加算回路と、この加算回路の出力に接続される遅延時間生成部とを有し、前記電圧検出部により検出された電圧と、前記遅延時間生成部の出力電圧との差が一定値になると前記保護動作を行う。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と負荷との間に接続される電力変換器であって、前記電力変換器は、入力される制御信号に応じて前記負荷に通電を行うスイッチングユニットと、
前記直流電源の電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧の急峻な上昇を検出し、前記スイッチングユニットによるスイッチング動作を停止させるように保護動作を行う保護動作部とを備えるスイッチングユニットの保護回路において、
前記保護動作部は、前記電圧検出部により検出された電圧に所定の電圧を加算する加算回路と、
この加算回路の出力に接続される積分回路とを有し、
前記電圧検出部により検出された電圧と、前記積分回路の出力電圧との差が一定値になると前記保護動作を行う電力変換器。
【請求項２】
請求の範囲第１項記載の電力変換器において、
前記保護動作部は、前記電圧検出部により検出された電圧と、前記積分回路の出力電圧とを比較するコンパレータを備える電力変換器。
【請求項３】
直流電源と負荷との間に接続され電力変換器であって、前記電力変換器は、入力される制御信号に応じて前記負荷に通電を行うスイッチングユニットと、
前記直流電源の電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧の急峻な上昇を検出し、前記スイッチングユニットによるスイッチング動作を停止させるように保護動作を行う保護動作部とを備えるスイッチングユニットの保護回路において、
前記保護動作部は、前記電圧検出部により検出された電圧を微分する微分回路を有し、
前記微分回路の出力電圧が一定値になると前記保護動作を行う電力変換器。
【請求項４】
直流電源と負荷との間に接続される電力変換器であって、前記電力変換器は、入力される制御信号に応じて前記負荷に通電を行うスイッチングユニットと、
前記直流電源の電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧の急峻な上昇を検出し、前記スイッチングユニットによるスイッチング動作を停止させるように保護動作を行う保護動作部とを備え、
前記保護動作部は、前記電圧検出部により検出された電圧に所定の電圧を加算する加算回路と、
この加算回路の出力に接続される遅延時間生成部とを有し、
前記電圧検出部により検出された電圧と、前記遅延時間生成部の出力電圧との差が一定値になると前記保護動作を行う電力変換器。
【請求項５】
請求の範囲第１項から第４項の何れか一項に記載の電力変換器において、
前記スイッチングユニットは、前記直流電源に並列に接続される２つの半導体スイッチング素子で構成され、
前記保護動作部は、前記保護動作として、前記スイッチングユニットにより前記負荷を短絡する電力変換器。
【請求項６】
請求の範囲第１項から第５項の何れか一項に記載の電力変換器において、
前記保護動作部は、前記制御信号と、前記保護動作を行うために生成したトリガ信号とを論理演算して前記スイッチングユニットの駆動信号を生成する論理演算部を備え、
前記論理演算部は、前記制御信号に優先して前記保護動作を行う電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電力変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、３相ブラシレスモータを駆動するインバータや直流電圧を変換するコンバータは、直流電源にスイッチングユニットを接続し、スイッチング素子をオンオフ動作させることで電力変換を行っている。直流電源は、例えばリチウムイオン電池などのバッテリや、商用交流電源を整流し平滑化して安定した電圧に変換されたもの等が供給される。【０００３】
このような直流電源は、バッテリの充放電状態や商用交流電源の変動等により基準電圧の２０％程度の電圧変動が発生する。そこで、回路素子を過電圧から保護するため、スイッチングユニットには過電圧保護回路が実装されている。過電圧保護回路は、例えば直流電源の電圧値と過電圧を判定するためのしきい値とをコンパレータを用いて比較し、電圧値がしきい値を超えると所定の保護動作を行うといった構成が広く用いられている。【０００４】
直流電圧を検出する回路には、スイッチングユニットの動作周波数よりも低い遮断周波数を設定したローパスフィルタ等が接続されることが多い。これは、正常動作では急峻な電圧変動が発生しないためであり、ノイズ対策を目的として時定数が大きいフィルタが接続される。また、安全性，信頼性を考慮して主回路と制御回路とを絶縁するため、アイソレーションアンプのように高速動作に不向きな素子も接続される。このため、一般的に直流電圧検出回路は応答性が悪く、外部要因による高スルーレートの電圧変動に対し、過電圧保護動作が数１０μ〜数１００μｓ程度遅れることがある。そこで、例えば日本国特許公開公報である特許文献１のように、検出回路の応答性を考慮し、過電圧保護回路の保護しきい値に先んじて動作することで、スイッチングユニットの動作を制限する構成が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１３６５０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記公報の構成では、スイッチングユニットの出力側に接続されるリアクトルのインダクタンスが非常に大きい場合、保護動作時に直流電源側に大きな電力が回生されて瞬時に電圧上昇が発生し、過電圧保護動作が有効となる前に素子定格を超える電圧が印加されるおそれがある。特に、スイッチングユニットの負荷として発電機等が接続されると磁気エネルギによる過大な回生電力が発生し、スイッチングユニットの動作を制限するだけでは素子定格電圧内に直流電圧を制限できず、平滑コンデンサの容量を大きくする等の対策が必要になる。【０００７】
そこで、出力側から過大な電力が回生されても素子定格電圧内に直流電圧値を抑制できる高速な過電圧保護機能を有する電力変換器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の電力変換器は、直流電源と負荷との間に接続される保護回路、入力される制御信号に応じて前記負荷に通電を行うスイッチングユニットと、
前記直流電源の電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧の急峻な上昇を検出し、前記スイッチングユニットによるスイッチング動作を停止させるように保護動作を行う保護動作部とを備え、
前記保護動作部は、前記電圧検出部により検出された電圧に所定の電圧を加算する加算回路と、
この加算回路の出力に接続される遅延時間生成部とを有し、
前記電圧検出部により検出された電圧と、前記遅延時間生成部の出力電圧との差が一定値になると前記保護動作を行う。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施形態であり、スイッチングユニット及びその保護回路を示す図
【図２】保護回路の具体的な構成を示す図
【図３】第１の実施形態において保護回路が動作する場合のタイミングチャート
【図４】第１の実施形態において保護回路が動作しない場合のタイミングチャート
【図５】第２の実施形態であり、スイッチングユニット及びその保護回路を示す図
【図６】第３の実施形態であり、スイッチングユニット及びその保護回路を示す図
【図７】第３の実施形態において動作タイミングチャート
【図８】第４の実施形態であり、スイッチングユニット及びその保護回路を示す図
【図９】２つの保護回路部のそれぞれが応答可能な電圧上昇速度を示す図
【図１０】第５の実施形態であり、スイッチングユニット及びその保護回路を示す図
【図１１】第５の実施形態において過電圧検出回路の構成例を示す図
【図１２】第５の実施形態において保護回路が動作する場合のタイミングチャート
【図１３】第５の実施形態において保護回路が動作しない場合のタイミングチャート
【図１４】その他の実施形態において信号の比較方法を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態について図１から図４を参照して説明する。図１は、スイッチングユニット及びその保護回路を示す。直流電源１の両端は、リレースイッチ２を介して電源線３及び４が接続されている。また、電源線３，４間には、平滑コンデンサＣ１及び電圧検出回路５が接続されている。電圧検出回路５は電圧検出部に相当する。
【００１１】
電圧検出回路５は、具体的には図示しないが分圧回路や差動回路等を有しており、電源線３，４間の直流電圧を検出し、検出信号Ｖdetをしきい値信号生成回路６及びコンパレータＣＰ１の反転入力端子に出力する。しきい値信号生成回路６は、入力される検出信号Ｖdetに基づいてしきい値信号Ｖth1を生成し、コンパレータＣＰ１の非反転入力端子に出力する。
【００１２】
コンパレータＣＰ１は、検出信号Ｖdetとしきい値信号Ｖthとを比較して、ローアクティブの過電圧判定信号Ｖcmp（トリガ信号）を保持回路７に出力する。保持回路７は、信号Ｖcmpの変化状態を保持した割込み信号Ｖ0V1を出力する。割込み信号Ｖ0V1は、論理回路ＬＣ１に直接入力されると共に、デッドタイム生成回路８を介すことで反転割込み信号Ｖ0V2として論理回路ＬＣ２に入力される。
【００１３】
論理回路ＬＣ１及びＬＣ２には、制御ＩＣ９より駆動制御信号が入力されている。論理回路ＬＣ１及びＬＣ２は論理演算部に相当する。論理回路ＬＣ１，ＬＣ２は、前記駆動制御信号と割込み信号Ｖ0V1，Ｖ0V2とをそれぞれ論理合成した信号を、ゲートドライバ９，１０を介して半導体スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２のゲートに出力する。これらのスイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２は例えばＩＧＢＴであり、これらは電源線３，４間に直列に接続されてスイッチングユニット１２を構成している。そして、スイッチング素子ＳＷ２には負荷１３が並列に接続されている。
【００１４】
図２に示すように、しきい値信号生成回路６において、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子には、加算電圧生成回路１４が生成した加算信号Ｖaddが抵抗素子Ｒ１を介して与えられている。また、前記非反転入力端子には、検出信号Ｖdetが抵抗素子Ｒ２を介して与えられている。オペアンプＯＰ１の出力端子とグランドとの間には、抵抗素子Ｒ４及びＲ３の直列回路が接続されている。抵抗素子Ｒ４及びＲ３の共通接続点は、オペアンプＯＰ１の反転入力端子に接続されている。すなわち、これらは加算回路１５を構成しており、加算回路１５は、検出信号Ｖdetと加算信号Ｖaddとを加算して出力する。
【００１５】
加算回路１５の出力端子には、抵抗素子Ｒ５及びコンデンサＣ２からなる遅延時間生成部１６が接続されている。入力信号（Ｖdet＋Ｖadd）には、遅延時間生成部１６により時定数τに基づく遅延時間が付与される。そして、遅延時間生成部１６より出力される信号がしきい値信号Ｖth1となる。遅延時間生成部１６は積分回路に相当する。以上において、電圧検出回路５，しきい値信号生成回路６，コンパレータＣＰ１，保持回路７並びに論理回路ＬＣ１及びＬＣ２は、保護回路１７を構成している。保護回路１７は保護動作部に相当する。
【００１６】
次に、本実施形態の作用について図３及び図４を参照して説明する。図３に示すように、しきい値信号Ｖth1は、検出信号Ｖdetよりも加算信号Ｖaddの分だけ電圧が高く、時定数τによって電圧の変化が遅延する。電源線３，４間に過電圧が発生すると、検出信号Ｖdetとしきい値信号Ｖth1との電圧上昇度合いに差が生じるため、一時的に（Ｖdet≧Ｖth1）となる（（ａ）〜（ｃ）参照）。すると、コンパレータＣＰ１は過電圧判定信号Ｖcmpを出力し、保持回路７により割込み信号Ｖ0V1として保持される（（ｄ）参照）。
【００１７】
ここで、信号保持回路７はラッチ回路等、例えば制御ＩＣ９等が入力する外部信号によって信号Ｖ0V1の保持状態をリセット可能な回路が望ましい。このように構成すれば、例えば電気自動車の急速充電時などに、リセット信号により保護回路１７の動作を無効化することができる。また、例えば過電圧判定信号Ｖcmpがアクティブとなった時点からタイマを起動して、一定時間が経過すると保持状態がリセットされる構成でも良い。
【００１８】
割込み信号Ｖ0V1が出力されると、デッドタイム生成回路８により付与される遅延時間の経過後に、信号Ｖ0V1の反転信号Ｖ0V2が出力される（（ｅ）参照）。遅延時間は、スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２が双方ともＯＦＦ状態になるデッドタイムを付与するもので、例えば数μＳ程度である。
【００１９】
各信号Ｖ0V1及びＶ0V2は、論理回路ＬＣ１及びＬＣ２においてスイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２の駆動制御信号に割り込み、これらのＯＮ／ＯＦＦを所定の状態に固定することで過電圧から回路を保護する。例えば、回生中のロードダンプによる過電圧の場合は、高圧側のスイッチング素子ＳＷ１をＯＦＦにし、その後低圧側のスイッチング素子ＳＷ２をＯＮにすることで（（ｆ），（ｇ）参照）負荷１３とスイッチングユニット１２とで短絡ループを形成し、電力を消費して保護する。
【００２０】
つまり、本実施形態の保護回路１７は、検出信号Ｖdetとしきい値信号Ｖth1との電圧変化率の差に基づき高速に過電圧を検出する。保護回路１７の応答特性は、しきい値信号Ｖth1の生成に用いる加算信号Ｖaddと時定数τとにより任意に変更できる。さらに、加算信号Ｖaddは分圧抵抗やマイコン出力、時定数τはＲＣ時定数など、適用する機器に合わせて容易に変更が可能である。
【００２１】
また、仮に電源線３，４間の電圧が、素子耐圧を超える程の急峻な上昇を伴わない場合は、図４に示すように検出信号Ｖdetとしきい値信号Ｖth1の大小関係は維持されたままとなるから、保護回路１７は動作しない。
【００２２】
以上のように本実施形態によれば、直流電源１と負荷１３との間に接続され、入力される制御信号に応じて負荷１３に通電を行うスイッチングユニット１２に対し、保護回路１７は、電圧検出回路５により検出される直流電源１の電圧の急峻な上昇を検出し、スイッチングユニット１２によるスイッチング動作を停止させるように保護動作を行う。保護回路１７は、検出信号Ｖdetに加算信号Ｖaddを加算する加算回路１５と、加算回路１５の出力に接続される遅延時間生成部１６とを有し、検出信号Ｖdetと、積分回路の出力電圧であり時定数τが付与されたしきい値信号Ｖth1との差が一定値になると保護動作を行う。
【００２３】
このように構成すれば、タイマ等を用いて時間を計測することなく急峻な過電圧を検出することが可能となり、従来の保護回路と比較して回路規模やコストをより低減できる。そして、保護回路１７は、検出信号Ｖdetとしきい値信号Ｖth1とをコンパレータＣＰ１により比較するので、過電圧に至る兆項を迅速に検出することができる。
【００２４】
また、スイッチングユニット１２は、直流電源１に並列に接続される２つのスイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２で構成され、保護回路１７は、保護動作としてスイッチングユニットにより負荷１３を短絡する。したがって、負荷１３が例えばモータの固定子巻線である場合には、短絡制動を作用させてモータの回転を停止させることができる。
【００２５】
更に、保護回路１７は、制御ＩＣ９からの駆動制御信号と、保護動作を行うために生成した過電圧判定信号Ｖcmpに基づく割込み信号Ｖ0V1及びＶ0V2とを論理演算してスイッチングユニット１２の駆動信号を生成する論理回路ＬＣ１及びＬＣ２を備え、これらは駆動制御信号に優先して保護動作を行う。したがって、過電圧に至る兆項を検出した際に、スイッチングユニット１２によるスイッチング動作を迅速に停止させることができる。
【００２６】
（第２の実施形態）
以下、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、異なる部分について説明する。図５に示すように、第２の実施形態の保護回路２１は、デッドタイム生成回路８，論理回路ＬＣ１及びＬＣ２が削除されており、保持回路７より出力される割込み信号Ｖ0V1は、制御ＩＣ９に替わる制御ＩＣ２２に入力されている。すなわち、第２の実施形態では、制御ＩＣ２２が図３に示す動作を置換された回路に替わって行う。
【００２７】
割込み信号Ｖ0V1が入力されると、制御ＩＣ２２は、図３に示すように、ゲート信号ＶＨをローレベルに固定した後、デッドタイムの経過後にゲート信号ＶＬをハイレベルに固定して保護動作を行う。第２の実施形態では、デッドタイムの生成と駆動制御信号への割込みを制御ＩＣ２２のソフトウェアで制御するため、応答速度は遅くなるが回路規模を低減できる。
【００２８】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について図６及び図７を参照して説明する。第３の実施形態の保護回路３１は、しきい値信号生成回路６に替えて、例えば微分回路で構成される電圧変化率検出回路３２を備えている。電圧変化率検出回路３２が出力する電圧変化率信号Ｖdiffは、コンパレータＣＰ１の非反転入力端子に与えられており、同反転入力端子にはしきい値信号Ｖth2が与えられている。
【００２９】
次に、第３の実施形態の作用について図７を参照して説明する。直流電源１の電圧が急上昇すると、その電圧変化を電圧変化率検出回路３２が捉えて電圧変化率信号Ｖdiffのレベルを上昇させる（（ａ），（ｃ）参照）。そして、電圧変化率信号Ｖdiffがしきい値信号Ｖth2（（ｂ）参照）を超えると、コンパレータＣＰ１は過電圧判定信号Ｖcmpを出力し、保持回路７により割込み信号Ｖ0V3として保持される（（ｄ）参照）。割込み信号Ｖ0V3が出力されると、デッドタイム生成回路８により付与された遅延時間の経過後に、その反転信号Ｖ0V4が出力される（（ｅ）参照）。以降の動作は第１の実施形態と同様である。
【００３０】
第３の実施形態では、微分回路によって電圧変化率を直接検出するため、過電圧の発生と同時に保護することが可能となる。しかし、ノイズの影響が大きい機器においては、サージノイズ等により電圧変化の微分値が大きくなり保護回路３１が動作してしまう懸念がある。そのため、特にノイズの影響が大きい場合は第１の実施形態の保護回路１７が適していると考えられる。
【００３１】
（第４の実施形態）
次に第４の実施形態について図８及び図９を参照して説明する。図８に示すように、第４の実施形態の保護回路４１は、第１の実施形態のしきい値信号生成回路６及び第３の実施形態の電圧変化率検出回路３２を共に備えており、電圧変化率検出回路３２側にはコンパレータＣＰ２が配置されている。そして、コンパレータＣＰ１，ＣＰ２の出力信号Ｖcmp1，Ｖcmp2は、それぞれ論理回路ＬＣ３に入力されている。
【００３２】
次に、第４の実施形態の作用について図９を参照して説明する。しきい値信号生成回路６側を保護回路部４１（１），電圧変化率検出回路３２側を保護回路部４１（２）とする。図９は、保護回路部４１（１），４１（２）のそれぞれが応答可能な電圧上昇速度の範囲を示している。過電圧が発生すると、保護回路部４１（１）は第１の実施形態で説明したように、しきい値信号Ｖth1と検出信号Ｖdetとを比較して過電圧検出信号Ｖcmp1を出力する。保護回路部４１（２）は第３の実施形態で説明したように、しきい値電圧Ｖth2と電圧変化率信号Ｖdiffとを比較して過電圧検出信号Ｖcmp2を出力する。
【００３３】
例えば、論理回路ＬＣ３をＯＲゲートで構成すれば、図９に示すように、電圧上昇率が大きい場合は応答速度で優位な保護回路部４１（２）による保護動作を行い、電圧上昇率が小さい場合にはノイズに耐性のある保護回路部４１（１）により保護動作を行う、といったように電圧上昇率で応答する回路部を使い分けることができる。
【００３４】
第３の実施形態の保護回路３１によれば、第１の実施形態と比較して保護動作をより高速に行うことが可能になる。しかし、パワエレ機器等のように大電力を扱うためノイズレベルが高い機器においては、スイッチング時のサージ電圧により保護回路３１が誤動作する懸念がある。そのため、第４の実施形態の構成を採用すれば、ノイズレベルが高い環境下においても信頼性を確保することができる。また、第４の実施形態の構成では、微分回路のしきい値Ｖth2を引き上げて保護回路部４１（２）のノイズ耐性を向上させることが可能になり、検出精度も向上させることが可能となる。
【００３５】
（第５の実施形態）
次に第５の実施形態について図１０から図１３を参照して説明する。図１０に示すように、第５の実施形態の保護回路５１は、第１の実施形態の加算回路１５を備えており、電圧検出回路５と加算回路１５の出力信号が信号遅延・比較部５２に入力される。信号遅延・比較部５２は、図１１に示すようにＡ／ＤコンバータＡＤ１及びＡＤ２と、ＡＤ１の出力信号を一定時間遅延させる遅延時間生成部５３と、遅延時間生成部５３とＡＤ２の出力信号を比較し、比較する信号の電圧上昇率に応じて出力信号を生成する信号比較部５４とから構成されている。
【００３６】
次に過電圧の検出方法を説明する。電圧検出回路５から出力された検出信号Ｖdetは、第１の実施形態と同様に加算回路１５に入力され、Ｖdetに対し一定の電圧Ｖaddが加算された電圧Ｖplusが生成される。ＡＤ１は、Ｖplusを入力信号として離散化した電圧信号ＶAD1を生成する。同様に、ＡＤ２はＶdetを入力信号としてＶAD2を生成する。また、遅延時間生成部５３は、ＶAD1を入力信号として一定時間，例えば数μs遅延させたしきい値信号Ｖth3を生成する。Ｖth3とＶAD2は信号比較部５４に入力され、ＶAD2がＶth3を上回った場合に過電圧検出信号Ｖ0V7が出力される。
【００３７】
このような構成を採用することで、アナログ回路を用いることなくしきい値信号を生成することが可能となり、素子定数のばらつきや温度特性を考慮することなく一定の遅延時間を付加することができ、安定した保護しきい値を設定することができる。
【００３８】
（その他の実施形態）
保護動作として、スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ２を何れもＯＦＦにしても良い。
第４の実施形態において、保護回路部４１（１）及び４１（２）による過電圧検出結果を同時に用いて過電圧判定信号を出力する構成としても良い。この場合、過電圧検出の高速性を保ったままより正確な検出が可能となる。
第５の実施形態において、遅延時間生成部１９を用いずとも、図１４に示すように取得タイミングの異なるＶAD1，ＶAD2の信号を比較しても、しきい値信号に遅延時間を付加したのと同様の効果を得ることができる。
【００３９】
第５の実施形態のＡ／Ｄコンバータ出力信号ＶAD1，ＶAD2は、平均値を用いてもよい。その場合、電圧リプルや電磁ノイズによるＶdetの瞬間的な変化の影響を受けにくくなる。
スイッチングユニットは、２つの半導体スイッチング素子を直列接続した構成に限ることなく、少なくとも１つのスイッチング素子を備えていれば良い。
【００４０】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
以上のように、実施形態に係る電力変換器は、直流電源電圧の急峻な上昇を検出した際にスイッチング動作を停止させるように保護動作を行うものに適用が可能である。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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2017057087.tif 000018
2017057087.tif 000019
2017057087.tif 000020