(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動機を駆動するための交流電流を生成するインバータ回路部と、このインバータ回路部を構成する半導体スイッチング素子を制御するゲート駆動部を少なくとも備えた電力変換装置において、
前記電動機と前記インバータ回路部との間を結ぶＵ相、Ｖ相及びＷ相の各出力線を流れる電流を検出する電流センサの出力部をスター結線した抵抗負荷に接続し、前記スター結線した抵抗負荷の中性点の出力を判定器に入力して前記出力の変化から地絡現象を検出し、この地絡現象を検出すると前記ゲート駆動部の動作を制限する保護ロジック回路を動作させると共に、前記電流センサは前記出力線を流れる電流を弱電系で使用される電圧に変換し、この弱電系に変換された電圧は前記ゲート駆動部を制御する電動機制御マイクロコンピュータと前記スター結線した抵抗負荷に入力され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、
前記スター結線した抵抗負荷の中性点の出力は電圧として検出され、この中性点の電圧は電圧比較器に入力されて所定の比較電圧と比較されて地絡現象が検出されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
電動機を駆動するための交流電流を生成するインバータ回路部と、このインバータ回路部を構成する半導体スイッチング素子を制御するゲート駆動部を少なくとも備えた電力変換装置において、
前記電動機と前記インバータ回路部との間を結ぶＵ相、Ｖ相及びＷ相の各出力線を流れる電流を検出する電流センサの出力部をスター結線した抵抗負荷に接続し、前記スター結線した抵抗負荷の中性点の出力を判定器に入力して前記出力の変化から地絡現象を検出し、この地絡現象を検出すると前記ゲート駆動部の動作を制限する保護ロジック回路を動作させると共に、前記スター結線した抵抗負荷の中性点の出力は電圧として検出され、この中性点の電圧は電圧比較器に入力されて所定の比較電圧と比較されて地絡現象が検出され、更に前記電圧比較器は第１の電圧比較器及び第２の電圧比較器から構成されており、前記第１の電圧比較器で所定の第１の比較電圧と前記中性点の電位が比較されてこれを超えると地絡現象が検出され、前記第２の電圧比較器で所定の第２の比較電圧と前記中性点の電位が比較されてこれを下回ると地絡現象が検出されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記保護ロジック回路は前記ゲート駆動部と前記電動機制御マイクロコンピュータとの間に設けられ、更に前記保護ロジック回路は前記判定器によって地絡現象が検出されると前記電動機制御マイクロコンピュータからの制御信号を前記ゲート駆動部に伝えるのを遮断する遮断機能部を備えていることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
電動機を駆動するための交流電流を生成するインバータ回路部と、このインバータ回路部を構成する半導体スイッチング素子を制御するゲート駆動部を少なくとも備えた電力変換装置において、
前記電動機と前記インバータ回路部との間を結ぶＵ相、Ｖ相及びＷ相の各出力線を流れる電流を検出する電流センサの出力部をスター結線した抵抗負荷に接続し、前記スター結線した抵抗負荷の中性点の出力を判定器に入力して前記出力の変化から地絡現象を検出し、この地絡現象を検出すると前記ゲート駆動部の動作を制限する保護ロジック回路を動作させると共に、前記保護ロジック回路は前記ゲート駆動部と当該ゲート駆動部を制御する電動機制御マイクロコンピュータとの間に設けられ、更に前記保護ロジック回路は前記判定器によって地絡現象が検出されると前記電動機制御マイクロコンピュータからの制御信号を前記ゲート駆動部に伝えるのを遮断する遮断機能部を備え、更に前記保護ロジック回路の遮断機能部は前記インバータ回路部にあるスイッチング素子の全てに繋がる制御信号ライン上に設けられた第１及び第２のバッファと、前記第１及び前記第２のバッファの間で前記制御信号ラインの半分の制御信号ライン上に設けられた第３のバッファと、前記第１及び前記第２のバッファの間で前記制御信号ラインの残りの半分の制御信号ライン上に設けられた第４のバッファとから構成され、前記第１のバッファ、前記第３のバッファ及び前記第４のバッファに前記判定器の地絡検出信号が入力され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】
本発明は半導体スイッチング素子を用いた電力変換装置に係り、特に地絡現象を検出する新規な交流電流の地絡検出装置を備えた電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体スイッチング素子を備えたインバータ回路により電力変換を行い、その電力を三相誘導電動機のような負荷に供給する電力変換装置においては、種々の異常検出装置が備えられている。例えば、過電流検出装置や過電圧検出装置、及び地絡検出装置等がその代表的なものである。
【０００３】
ここで、本発明が対象とするのは交流電流の地絡現象(以下では単に地絡現象という)を検出する地絡検出装置であって、一般にはインバータ回路部と三相誘導電動機の間を流れる交流電流を検出する電流センサの信号をマイクロコンピュータによって所定の周期でサンプリングしてその変化度合を監視して地絡現象を検出していた。
【０００４】
また、この他に三相誘導電動機の二次側の異常を検出するものとして、特開２００６−１４１１０８号公報（特許文献１）にあるように、三相誘導電動機の二次側のそれぞれの相に対して抵抗をスター接続し、この中性点の電流或いは電圧を検出して地絡現象を検出するものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１４１１０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように、従来の交流電流の地絡現象の検出は電流センサの情報を元にマイクロコンピュータのソフトウエア処理により行っていた。しかしながら、マイクロコンピュータの異常や電流センサの情報を読み取るサンプリングのタイミングによっては地絡現象を検出できない状況が発生する。
【０００７】
更に、地絡現象が発生してから保護回路による保護動作へ移るまでの動作時間がマイクロコンピュータの処理速度や処理タスクの起動周期に依存しているので地絡現象に対する保護動作が間に合わない状況も発生することが懸念される。
【０００８】
また、特許文献１に記載の技術では三相誘導電動機の負荷側に地絡検出回路を設けているが、各相の抵抗を負荷側と直接的に接続するので検出回路の高耐圧化が要求され、このため地絡検出回路が大型、高コスト化するという課題があった。
【０００９】
本発明の目的は、確実に交流電流の地絡現象の発生を検出できると共に、高耐圧化を必要としない地絡検出装置を備えた電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の特徴は、インバータ回路と負荷の間を結ぶＵ相、Ｖ相及びＷ相の各出力線を流れる交流電流の電流値を検出する電流センサの出力部をスター結線した抵抗負荷に接続し、スター結線した抵抗負荷の中性点の出力を判定器に入力して地絡現象を検出し、この地絡現象の検出によってインバータ回路を駆動するゲート駆動回路の動作を保護回路によって制限するようにしたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各電流センサの出力部をスター結線した抵抗負荷に接続し、スター結線した抵抗負荷の中性点出力を判定器に入力する構成としたので確実に地絡現象をすることができ、しかも電流センサから抵抗負荷に電流を供給するので弱電系の回路として構成できるので地絡検出装置に高耐圧化の対応を考慮しなくてよくなるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施例になる地絡検出装置を備えた電力変換装置の構成を示す構成図である。
【図２】本発明の一実施例になる地絡検出装置の回路図である。
【図３】電力変換装置の保護回路を説明するための回路図である。
【図４】電力変換装置の保護回路を説明するための回路図である。
【図５】保護回路の出力とゲート信号の関係を示すチャート図である。
【図６】３相ショート駆動信号制御ロジックの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図1は電力変換装置の一例としてのハイブリッド自動車用の三相誘導電動機駆動装置の回路図を示しており、このハイブリッド自動車用の三相誘導電動機駆動装置は直流電源１０１、平滑コンデンサ１０２、インバータ回路部１０３、三相誘導電動機１０４、電動機駆動制御部１０５、ゲート駆動部１０６等より構成されている。
【００１４】
そして、直流電源１０１と並列に平滑コンデンサ１０２が接続されており、直流電圧を電動機駆動制御部１０５の制御信号に応じてゲート駆動部１０６がインバータ回路部１０３をスイッチングして交流電圧に変換し、三相誘導電動機１０４を駆動制御するものである。
【００１５】
電動機駆動制御部１０５は少なくとも電動機制御用マイクロコンピュータ１１０と、この電動機制御用マイクロコンピュータ１１０とインバータ回路部１０３を駆動するゲート駆動部１０６との間に介装され、ゲート駆動部１０６の動作を制限する保護ロジック回路１０８及び地絡検出部１０９を備えている。
【００１６】
地絡検出部１０９はインバータ回路部１０３から三相誘導電動機１０４に交流出力を供給する出力線１１１に設けられた電流センサ１０７からの出力が入力されている。
【００１７】
この電流センサ１０７の出力は電動機制御用マイクロコンピュータ１１０にも入力されており、インバータ回路部１０３の位相角制御等に利用されている。
【００１８】
電流センサ１０７は出力線１１１に流れる電流を直接測定するのではなく、電流に比例して発生する磁界をホール素子によって弱電系の電圧に変換し、間接的に電流検出をしている。尚、電流センサ１０７は電圧出力であり、電動機制御用マイクロコンピュータ１１０で利用される。
【００１９】
したがって、電流センサ１０７の出力は電動機制御用マイクロコンピュータ１１０にも直接的に入力が可能である。この場合には、電動機制御用マイクロコンピュータ１１０によって所定のサンプルタイミングで電流センサ１０７の出力が取り込まれ、Ａ／Ｄ変換されて使用されるものである。
【００２０】
電流センサ１０７は出力線１１１の数に応じて設けられており、実際には出力線１１１はＵ相、Ｖ相及びＷ相があるので電流センサ１０７もＵ相、Ｖ相及びＷ相の電流を検出するように３個設けられている。
【００２１】
そして、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の電流は地絡検出部１０９のスター結線された抵抗負荷１１２、１１３、１１４に供給されるように構成されている。つまり、Ｕ相の電流は抵抗負荷１１２に与えられ、Ｖ相の電流は抵抗負荷１１３に与えられ、Ｗ相の電流は抵抗負荷１１４に与えられるものである。ここで、各抵抗負荷１１２、１１３、１１４は同じ抵抗値に設定されている
そして、スター結線された抵抗負荷の中性点１１５の出力は判定器１１６に入力されて地絡現象が判定されるものである。ここで、中性点１１５の出力は電圧を使用しているが、この他に電流に変換して使用するようにしても良い。以下の説明においては中性点１１５の電圧を利用するようにしている。
【００２２】
インバータ回路部１０３は直流電源１０１からの直流電圧が入力され、電動機駆動制御部１０５の信号に従いＰＷＭ（パルス変調：Pulse Width Modulation）制御を行い、直流電圧を任意の３相交流に変換する機能を有している。
【００２３】
このインバータ回路部１０３は半導体によるスイッチング素子３ａ〜３ｆを３相フルブリッジ接続で構成している。本実施形態のスイッチング素子にはＩＧＢＴと還流用ダイオードが搭載されたものを用いている。
【００２４】
インバータ回路部１０３と三相誘導電動機１０４の間に流れるＵ相、Ｖ相及びＷ相の各相の電流は、電流センサ１０７によって弱電系で使用される電圧に変換されて電動機駆動制御部１０５の電動機制御マイクロコンピュータ１１０に入力され、また、地絡検出部１０９へ入力される。
【００２５】
次に地絡検出部１０９の具体的な回路構成について図２を用いて説明する。この地絡検出部１０９は５Ｖ電源で駆動されるものであり、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各電流センサ１０７の出力をスター結線した同一抵抗負荷につなぐと、スター結線の中性点１１５の中性点電位は通常では所定の一定値で安定する。
【００２６】
例えば、電流センサ１０７の仕様が５００Ａ/Ｖの電流電圧変換比で、電流測定範囲が−１０００Ａ〜＋１０００Ａ、出力電圧が２．５Ｖを中心に±２Ｖとすると、中性点電位は約２．５Ｖで安定する。
【００２７】
本実施例では抵抗負荷１１２、１１３、１１４の抵抗値は電流センサ１０７の出力の電源ショート故障も考慮して１０kΩとする。そして、この中性点１１５を図２のように判定器１６を構成する上側閾値判定器２０１と下側閾値判定器２０２に接続する。
【００２８】
上側閾値判定器２０１を構成する比較器２０３の＋側入力端子電圧は抵抗２０３と抵抗２０４の分圧抵抗によって決まる。例えば抵抗２０３を２ｋΩ、抵抗２０４を３kΩとすると比較器２０５の＋側入力端子電圧は３Ｖとなる。この＋側入力端子電圧は比較基準電圧であり、また上側閾値となるものである。
【００２９】
よって、三相誘導電動機を通常駆動している場合では中性点１１５の電位は約２．５Ｖで安定している。このため、中性点電位が＋側入力端子電圧である３Ｖより低いので比較器２０５の出力はハイインピーダンスとなり、最終段のトランジスタ２０６には５Ｖが入力され、ＯＦＦとなって地絡検出信号は出力されない。
【００３０】
一方、地絡事故の影響等によりスター結線された抵抗負荷の中性点１１５の電位が３Ｖを越えると、比較器２０５の＋側入力端子電圧である３Ｖより高いので出力はＬｏｗレベルに反転する。したがって、最終段のトランジスタ２０６はＯＮとなって５Ｖの地絡検出信号が出力されることになる。
【００３１】
ここで、比較器２０５の出力がＬｏｗレベルとなると比較器２０５の＋側入力端子電圧は抵抗２０４と抵抗２０７の抵抗値とダイオード２０８の順方向電圧降下、比較器２０５のＬｏｗレベル出力電圧によって変化する。例えば、抵抗２０７を１３kΩ、ダイオード２０８の順方向電圧降下を０．５Ｖ、比較器２０５のＬｏｗレベル出力電圧が０．２Ｖだとすると、＋側入力端子電圧は約２．８Ｖとなる。これにより＋側入力端子電圧にヒステリシスを持たせることができ、中性点１１５の電位が変動してもチャタリングを防止できる。
【００３２】
次に、下側閾値判定器２０２を構成する比較器２０９の−側入力端子電圧は抵抗２１０と抵抗２１１の分圧抵抗によって決まる。例えば、抵抗２１０６を３kΩ、抵抗２１１を２kΩとすると比較器２０９の−側入力端子電圧は２Ｖとなる。この−側入力端子電圧は比較基準電圧であり、また下側閾値となるものである。
【００３３】
よって、三相誘導電動機を通常駆動している場合では中性点１１５の電位は約２．５Ｖで安定しているので−側入力端子電圧である２Ｖより高くなって比較器２０９の出力はハイインピーダンスとなる。比較器２０９の出力がハイインピーダンスであると最終段のトランジスタ２０６はＯＦＦとなって地絡検出信号は出力されない。
【００３４】
一方、地絡事故の影響等によりスター結線された抵抗負荷の中性点１１５の電位が２Ｖを下回ると比較器２０９の出力はＬｏｗレベルに反転する。したがって、最終段のトランジスタ２０６はＯＮとなって５Ｖの地絡検出信号が出力されることになる。
【００３５】
比較器２０９の出力がＬｏｗレベルとなると下側閾値判定器２０２の比較器２０９の−側入力端子電圧は、抵抗２１１と抵抗２１２の抵抗値とトランジスタ２１３のコレクタ−エミッタ電圧Ｖｃｅによって決まるようになる。
【００３６】
例えば、抵抗２１２が１３kΩ、Ｖｃｅが０．３Ｖだとすると−側入力端子電圧は約２．２Ｖとなる。これにより−側入力端子電圧にヒステリシスを持たせることができ、チャタリングを防止できる。尚、トランジスタ２０６とトランジスタ２１３に接続された抵抗は調整抵抗である。
【００３７】
図２に示すように、上側閾値判定器２０１と下側閾値判定器２０２のフィードドバック系をスター結線された抵抗負荷の中性点１１５と無関係に構成することで、スター結線された抵抗負荷の中性点１１５の電位を変動させることなく各閾値にヒステリシスを持たせることができる。
【００３８】
以上の構成によって、高耐圧化を考慮せずに地絡現象の検出を精度良くおこなうことができる。
すなわち、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各相の電流を電流センサで検出し、この各相の電流に比例した電圧をスター結線された抵抗負荷に与えるようにして中性点の電位を検出し、この中性点電位を判定器、好ましくは上側閾値と下側閾値を有する比較器によって比較することで地絡状態を常に検出することが可能となり、またインバータ回路部と三相誘導電動機を結ぶ出力線に流れる電流を弱電系で使用できる電圧に変換してスター結線された抵抗負荷に与え、これによって得られた中性点の電位を判定器で判定するので上記した高耐圧化を考慮せずに地絡現象の検出を精度良くおこなうことができるという効果を奏することができるものである。
これによって、マイクロコンピュータのソフトウエア処理により行っていた地絡検出方法で生じていた、マイクロコンピュータの異常や電流センサの情報を読み取るサンプリングのタイミングによっては地絡を検出できない状況が発生したり、地絡現象が発生してから保護回路による保護動作へ移るまでの動作時間がマイクロコンピュータの処理速度や処理タスクの起動周期に依存しているので地絡現象に対する保護動作が間に合わない状況が発生したりするといった課題を解決できるものである。
【００３９】
また、三相誘導電動機の負荷側に地絡検出回路を設けているものでは、各相の抵抗を負荷側と直接接続するので検出回路の高耐圧化が要求され、このため地絡検出回路が大型、高コスト化する、という課題についても解決できるものである。
【００４０】
次に、上記した地絡検出装置１０９を用いて電力変換装置の保護を行うためにゲート駆動部１０６の動作を制限する保護ロジック回路１０８の構成について説明する。
【００４１】
図３は地絡現象を検出した際に、３相オープン制御の保護動作を行う場合の電動機駆動制御部１０５に設けた保護ロジック回路１０８の実施形態を示している。
【００４２】
図４は地絡を検出した際に、３相ショート制御の保護動作を行う場合の電動機駆動制御部１０５に設けた保護ロジック回路１０８の実施形態を示している。
【００４３】
インバータ回路部１０３は通常では電動機駆動制御部１０５に設けた電動機制御マイクロコンピュータ１１０によって制御されている。電動機制御マイクロコンピュータ１１０は、三相誘導電動機に任意のトルクや回転数を与えるために、インバータ回路部１０３の半導体スイッチング素子の適切なスイッチング時間を演算し、ＰＷＭ制御を行うように機能する。
【００４４】
その結果、三相誘導電動機１０４の各相には交流電圧及び電流が印加され、その速度等が駆動制御される。
【００４５】
電動機制御マイクロコンピュータ１１０とゲート駆動部１０６との間のスイッチング制御信号のライン上には、保護ロジック回路１０８を構成する第１のバッファ３０１、第２のバッファ３０３、これらの間に配置された第３のバッファ３０２ａ及び第４のバッファ３０２ｂが設けられている。
【００４６】
これらのバッファ３０１、３０２ａ、３０２ｂ、３０３は電動機制御マイクロコンピュータ１１０からの制御信号をゲート駆動部１０６に伝達したり、異常時に制御信号の伝達を遮断する遮断機能部として作用する。
【００４７】
バッファ３０１、３０３は上下アームを構成する半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆのスイッチング制御信号ライン上の全てに設けられている。
【００４８】
一方、バッファ３０２ａは上アームを構成する半導体スイッチング素子３ａ、３ｂ、３ｃのスイッチング制御信号ライン上に設けられ、バッファ３０２ｂは下アームを構成する半導体スイッチング素子３ｄ、３ｅ、３ｆのスイッチング制御信号ライン上に設けられている。
【００４９】
電動機制御マイクロコンピュータ１１０から出力された各半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆを制御するスイッチング制御信号は、これらのバッファ３０１、３０２ａ、３０２ｂ、３０３を介してゲート駆動部１０６に入力される。バッファ３０１、３０２ａ、３０２ｂ、３０３は３ステートバッファであって、３相オープン信号や３相ショート信号等が各バッファの状態を変更する制御信号（以下では、トリガ信号と称する）として入力される。
【００５０】
電力変換装置が正常に動作している場合はトリガ信号が入力されない状態となっており、バッファ３０１、３０２ａ、３０２ｂ、３０３は導通状態であって、電動機制御マイクロコンピュータ１１０から出力された各半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆを制御するスイッチング制御信号は各バッファ３０１、３０２ａ、３０２ｂ、３０３を通過してそのまま出力されゲート駆動回路１０６に伝達される。
【００５１】
一方、電力変換装置に異常が生じてトリガ信号が入力されると、各バッファ３０１、３０２ａ、３０２ｂ、３０３は遮断状態（ハイインピーダンス状態）に反転される。バッファ３０１が遮断状態となると、バッファ３０１の出力側（すなわち、バッファ３０２ａ、３０２ｂの入力側）はＨｉｇｈ状態にプルアップされる。
【００５２】
バッファ３０２ａ、３０２ｂが遮断状態となると、バッファ３０２ａ、３０２ｂの出力側（すなわち、バッファ３０３の入力側）はＬｏｗ状態にプルダウンされる。バッファ３０３が遮断状態となると、バッファ３０３の出力側（すなわち、ゲート駆動部１０９の入力側)はハイインピーダンス状態となり、ゲート駆動部１０６内のフォトカプラは非導通となるためスイッチング素子３ａ〜３ｆはＯＦＦとなる。
【００５３】
ゲート駆動部１０６はＬｏｗ信号が入力されると半導体スイッチング素子をＯＮ（導通状態）にし、逆に、Ｈｉｇｈ信号が入力されると半導体スイッチング素子をＯＦＦ（遮断状態）にする。
【００５４】
本実施形態では、電力変換装置の異常時の保護動作として、バッファ３０１、３０２ａ、３０２ｂ、３０３の内の特定のバッファ出力を遮断することによって、半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆを全てＯＦＦにする３相オープン動作や、上アーム３ａ〜３ｃ、または下アーム（３ｄ〜３ｆ）のみをＯＮにして他をＯＦＦする３相ショート（上アーム３相ショート、下アーム３相ショート）動作を行うようにしてゲート駆動部１０６の動作を制限するものである。
【００５５】
次に、上述した保護ロジック回路１０８を用いた具体的な保護動作として、３相オープン動作、３相ショート動作について説明するが、これらの保護動作は異常状態の種類によって選択されるものである。
『３相オープン動作』
３相オープン動作は図２に示した実施例で検出される地絡検出信号３０６や、過電流検出信号３０７や、過電圧検出信号３０８等の３相オープン信号によって実行されるものであり、３相オープン動作のトリガ信号はタイマ回路３０５を介してバッファ３０１に入力する。
【００５６】
トリガ信号がタイマ回路３０５を介してバッファ３０１に入力されると、上述したようにバッファ３０１は遮断状態とされ、バッファ３０１の出力側はＨｉｇｈ状態となる。
【００５７】
一方、バッファ３０２ａ、３０２ｂ、３０３にはトリガ信号が入力されないのでいずれも導通状態となっており、入力された信号はＨｉｇｈ状態及びＬｏｗ状態を変えることなくそのまま出力される。
【００５８】
すなわち、３相オープン動作時にはバッファ３０１は遮断状態となり、バッファ３０２ａ、３０２ｂ、３０３は導通状態となっているので上下アームの全ての半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆに関してＨｉｇｈ信号がゲート駆動部１０６に入力される。その結果、半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆの全てが遮断状態とされる。
【００５９】
尚、上述したようにゲート駆動部１０６にＨｉｇｈ信号が入力されると半導体スイッチング素子はＯＦＦ（遮断状態）とされ、Ｌｏｗ信号が入力されると半導体スイッチング素子はＯＮ（導通状態）とされる。
【００６０】
次に、電力変換装置の異常が解消されて正常に復帰すると、トリガ信号の入力がなくなるので、タイマ回路３０５により設定された所定の時間だけバッファ３０１への３相オープン信号の入力が保持された後に、バッファ３０１への３相オープン信号の入力がなくなる。この結果、バッファ３０１への３相オープン信号の入力がなくなるとバッファ３０１は導通状態となって通常のＰＷＭ制御に復帰するようになる。
『３相ショート動作』
上述したように、３相ショート動作には上アームの３相をショートする場合と、下アームの３相をショートする場合とがあり、本実施例では電動機駆動制御部１０５とは別のエンジンコントロールユニット等の上位マイクロコンピュータから上アーム３相ショート動作と下アーム３相ショート動作の両方あるいはどちらか一方の動作を行うトリガ信号３０９を出せるものとし、過電圧検出信号３０８と図２における地絡検出信号３０６は下アーム３相ショート動作を行うトリガ信号とするものである。
【００６１】
図４にあるようにバッファ３０１には図３に示す例に加えてに上位マイクロコンピュータからのトリガ信号３０９が入力され、バッファ３０２ａ、３０２ｂには上位マイクロコンピュータからのトリガ信号３０９、過電圧信号３０８、地絡信号３０６が入力されるようになっている。
【００６２】
上述したように、３相ショート動作には上アームの３相をショートする場合と、下アームの３相をショートする場合とがあるが、図５には下アーム３相ショートの場合のタイミングチャートを示している。尚、上アーム３相ショートの場合のタイミングチャートも、図５に示す下アーム３相ショートの場合と同様である。
【００６３】
上位マイクロコンピュータ等からの３相ショート信号（下アーム３相ショート）は、バッファ３０１と３相ショート駆動信号制御ロジック３０４に入力される。３相ショート信号がバッファ３０１に入力されると、バッファ３０１の出力は遮断され、その結果バッファ３０１の後段に設けられているバッファ３０２ａ、バッファ３０２ｂの入力側はＨｉｇｈ状態にプルアップされる。
【００６４】
上述したように、ゲート駆動部１０６に対してＬｏｗ信号が入力されると半導体スイッチング素子がＯＮされ、Ｈｉｇｈ信号が入力されると半導体スイッチング素子がＯＦＦされるので、３相ショート信号がバッファ３０１に入力されると、上述したようにバッファ３０２ａ、バッファ３０２ｂの入力側（バッファ３０１の出力側）はＨｉｇｈ状態となる。
そして、Ｈｉｇｈ信号はバッファ３０３を通過してそのままゲート駆動部１０９に入力されるため、半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆがＯＦＦされる動作を行なう。図５の「バッファ３０１出力」に示されたような出力を生じる。
【００６５】
また、これとは別に３相ショート信号が３相ショート駆動信号制御ロジック３０４に入力されると、３相ショート駆動信号制御ロジック３０４は遅延動作を行ないバッファ３０１の出力遮断より所定遅延時間Δｔ１だけ遅れて上アーム３相ショート信号（上アーム３相ショート動作の場合）もしくは下アーム３相ショート信号（下アーム３相ショート動作の場合）を出力する。
【００６６】
その結果、バッファ３０２ａもしくはバッファ３０２ｂの出力が遮断されるが、図５は下アーム３相ショートの場合を示しているので、バッファ３０１の出力遮断より所定遅延時間Δｔ１だけ遅れてバッファ３０２ｂの出力が遮断される。
【００６７】
バッファ３０２ｂの出力が遮断されると、バッファ３０２ｂの出力側はＬｏｗ状態にプルダウンされる。その結果、図５の「半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆ」の状態にあるように、下アームの半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆに関してはＬｏｗ信号がゲート駆動部１０６に入力され、半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆがＯＮされることになる。
【００６８】
このように、本実施の形態では、３相ショート動作への突入時においては、最初に全ての半導体スイッチング素子３ａ〜３ｆをＯＦＦにする３相オープン動作を行い、その後に半導体スイッチング素子３ａ〜３ｃもしくは半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆをＯＮするようにしている。（図５では半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆをＯＮするように動作する。）
３相ショート信号がなくなると図５の「バッファ３０２ｂ出力」にあるように、バッファ３０２ｂ（上アーム３相ショート動作の場合にはバッファ３０２ａ）は即座に動通状態に戻る。このとき、バッファ３０１の出力側はＨｉｇｈになっているので半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆがＯＦＦされ、３相オープン状態に切り替わる。
【００６９】
そして、図５の「半導体スイッチング素子３ｄ〜３ｆ」の状態にあるように、タイマ回路３０５により設定される時間Δｔ２だけバッファ３０１の出力遮断が保持された後に、バッファ３０１は導通状態に戻り、通常のＰＷＭ制御に復帰する。
【００７０】
すなわち、３相ショート動作からの復帰時においては、３相ショート信号がなくなった後は、３相オープンの状態にしてから通常のＰＷＭ制御に復帰するように動作するものである。
【００７１】
上述のように、本実施の形態では、３相ショート動作の制御を行う際には、実際に半導体スイッチング素子が３相ショートとされる期間の前後に、３相オープンとする期間を設けている。
【００７２】
すなわち、前後にデッドタイムを生成していることになるため、３相ショート制御の際に、上下アーム半導体スイッチング素子の上下短絡の発生を防止することができ、安全性の高い構成となっている。
【００７３】
例えば、インバータ回路部１０３が保証するデッドタイム値が５μsであるならば、この３相ショート期間の前後の３相オープン期間（Δｔ１、Δｔ２）は最低でも5μs以上を確保することで、上下短絡の発生を確実に防止することができる。
【００７４】
また、これら一連の保護ロジック回路１０８やタイマ回路３０５、３相ショート駆動信号制御ロジック３０４をハード系で構成することにより、マイクロコンピュータとソフトを用いた構成に比べてコスト低減を図れる。
【００７５】
更に、マイクロコンピュータの異常時やソフトバグが起きたときでも十分なデッドタイムを確保しながら保護動作を行うことができ、安全性の向上に繋がる。
【００７６】
図６は、３相ショート駆動信号制御ロジック３０４の詳細回路を示す図である。上述したデッドタイムΔｔ１は、図６の回路６０２および回路６０３により生成される。回路６０２、６０３に設けられた抵抗やキャパシタの設計定数を調整することにより、デッドタイムΔｔ１の長さを調整することができる。
【００７７】
上述したように、上位マイクロコンピュータによる制御信号には、バッファ３０２ａの出力を遮断する上アーム３相ショート信号と、バッファ３０２ｂの出力を遮断する下アーム３相ショート信号がある。
【００７８】
しかし、この二つの信号が同時に出力された場合、上下短絡を引き起こすことが考えられる。そこで、電動機駆動制御部１０５では、図６に示すような３相ショート駆動信号制御ロジック３０４を用いることにより、上アーム３相ショート信号と下アーム３相ショート信号との間に優先度を設定し、上下短絡に至らないようにしている。
【００７９】
図６において、上位マイクロコンピュータから上アーム３相ショート信号と下アーム３相ショート信号とが同時に入力された場合を考える。メインマイクロコンピュータから下アーム３相ショート信号が出力されると、バッファ３０１の出力が遮断される。そのため、上アーム３相ショート信号は出力されず、上下短絡が防止される。
【００８０】
尚、この上下アームの優先度は信号入力を入れ替えることで選択可能である。更に、過電圧検出信号や地絡検出信号も３相ショート駆動信号制御ロジック３０４に入力することで、上位マイクロコンピュータによる３相ショート信号と過電圧検出信号、地絡検出信号が同時に発生したときの上下短絡防止が可能となる。
【００８１】
以上に説明した地絡検出装置１０９及び保護ロジック回路１０８を用いた電力変換装置の「通常時の動作」と「地絡発生時の動作」の概略について以下に説明する。
【００８２】
通常動作時はインバータ回路部１０３から三相誘導電動機１０４へ交流電流が出力されるが、このときの電流センサ１０７の出力電圧は２．５Ｖを中心とした正弦波となっている。インバータから三相誘導電動機への出力電流はＵ相、Ｖ相及びＷ相で１２０度ずれているため、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の電流センサ１０７の出力電圧も位相が１２０度ずつずれている。
【００８３】
よって、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の電流センサの出力をスター結線した抵抗負荷１１２、１１３、１１４に繋ぐとスター結線の中性点電位は略２．５Ｖで安定する。本実施例では判定器２０１の閾値を３Ｖ、判定器２０２の閾値を２Ｖとしているので地絡検出信号は出力されず、保護ロジック回路１０８の各バッファ３０１、３０２a、３０２b及び３０３は導通状態となり、電動機制御マイクロコンピュータ１１０からのＰＷＭ信号はそのままゲート駆動部１０６へ送られ三相誘導電動機１０４を正常に駆動する。
【００８４】
一方、地絡現象が発生すると、インバータ回路部１０３からの出力電流は地絡地点から漏れて乱れることになる。インバータ回路部１０３の出力電流が乱れたことにより、電流センサ１０７の出力電圧も正弦波から乱れて電流センサ１０７とスター結線された抵抗負荷の中性点１１５の電位は２．５Ｖから変動する。この変動した中性点１１５の電位が判定器２０１の上側閾値である３Ｖを越える、または判定器２０２の下側閾値である２Ｖを下回ると地絡検出信号が出力される。
【００８５】
このような地絡検出装置１０９によって地絡現象が検出されると、保護ロジック回路１０８は次のような動作を行なうことになる。
【００８６】
３相オープン動作の場合、図３に示したように、地絡検出信号３０６は保護ロジック回路１０８のタイマ回路３０５を経由しバッファ３０１に入力される。３相オープン時の動作は上述した通りで、スイッチング素子３ａ〜３ｆの全てをＯＦＦ状態とする。３相オープン状態ではスイッチング素子３ａ〜３ｆの全てをＯＦＦにしているため、三相誘導電動機１０４へ電流が供給されずに地絡電流が流れることがないようになる。
【００８７】
一方、３相ショート動作の場合、図４に示したように、地絡検出信号３０６は保護ロジック回路１０８のタイマ回路３０５を経由しバッファ３０１と、３相ショート駆動信号制御ロジック３０４の両方に入力される。
【００８８】
３相ショート時の動作は上述した通りで、スイッチング素子３ａ〜３ｃをＯＮして残りをＯＦＦする上アーム３相ショート状態か、スイッチング素子３ｄ〜３ｆをＯＮして残りをＯＦＦする下アーム３相ショート状態にする。
【００８９】
このようにすることで、３相ショート状態では三相誘導電動機の誘起電圧によるスイッチング素子の耐圧破壊を防ぐことができる。
【００９０】
また、地絡現象が発生している状態では誘起電圧が地絡地点の電位を中心に正側と負側の上下方向で発生することになる。このとき発生した誘起電圧が直流電源の電位を上回るとスイッチング素子の還流ダイオードを経由して予期せぬ電流がインバータ回路部１０３や平滑コンデンサ１０２、直流電源１０１へ流れ込んでしまい、これらを破壊する可能性がある。
【００９１】
これに対して、３相ショート動作ではスイッチング素子３ａ〜３ｃ、またはスイッチング素子３ｄ〜３ｆをＯＮにし、他のスイッチング素子をＯＦＦするため、三相誘導電動機１０４とＯＮ状態のスイッチング素子間で電流が還流させることができ、還流ダイオードを経由した電流の流入を防ぐことができる。
【００９２】
本実施例の電流センサ１０７はホール素子による絶縁された電流センサを用いており、これにより直流電源１０１の電圧から絶縁されるようになるので、弱電系（５Ｖ等）の電源で地絡検出部１０９を構成することができ、小型、低コスト化が可能となる。
【００９３】
また、地絡検出部１０９の抵抗１１２、抵抗１１３、抵抗１１４をネットワーク抵抗で構成すれば、抵抗１１２、抵抗１１３、抵抗１１４の抵抗値の相対誤差を小さくすることでスター結線された抵抗負荷の中性点１１５の電位のばらつきを抑えることができ、より高精度に地絡現象を検出することができる。
【００９４】
尚、ゲート駆動部１０６に地絡検出部１０９と保護動作を行う保護ロジック回路１０８を作りこむように構成しても良いが、電流センサ１０７の出力は導電動機駆動制御部１０５に入力されるためゲート駆動部１０６へ電流センサ１０７の信号を送る信号線を増やす必要があり、また、ゲート駆動部１０６は弱電系の電源でないため高耐圧化させる必要があり回路構成が高コストとなる課題を有しているので好ましいものではない。
【００９５】
これに対して、本発明では、電流センサ１０７の出力は電動機駆動制御部１０５に入力されるため信号線を増やす必要がなく、また、電動機駆動制御部１０５は弱電系の電源であるので高耐圧化させる必要がないものである。
【００９６】
更に、地絡検出部１０９と保護ロジック回路１０８の電源を別系統で構成し、地絡検出信号をＨｉｇｈレベルの電圧信号とすることで地絡検出部１０９の電源が故障等により落ちたときでも、保護ロジック回路１０８が誤動作しないようにできる、という効果も期待できる。
【００９７】
従来の交流電流の地絡現象の検出は電流センサの情報を元にマイクロコンピュータのソフトウエア処理により行っていたので、マイクロコンピュータの異常や電流センサの情報を読み取るサンプリングのタイミングによっては地絡現象を検出できない状況が発生したり、交流電流の地絡が発生してから保護回路による保護動作へ移るまでの動作時間がマイクロコンピュータの処理速度や処理タスクの起動周期に依存しているので地絡現象に対する保護動作が間に合わない状況も発生するといった課題があった。
【００９８】
また、三相誘導電動機の負荷側に地絡検出回路を設けると、各相の抵抗を負荷側と直接接続するので検出回路の高耐圧化が要求され、このため地絡検出回路が大型、高コスト化するという課題があった。
【００９９】
これに対して、本発明では、インバータ回路部と電動機のような負荷の間を結ぶＵ相、Ｖ相及びＷ相の各出力線を流れる交流電流の電流値を検出する電流センサの出力部をスター結線した抵抗負荷に接続し、スター結線した抵抗負荷の中性点の出力を判定器に入力して地絡現象を検出し、この地絡現象の検出によってインバータ回路を駆動するゲート駆動回路の動作を制限する保護ロジック回路を動作させるようにしたので、確実に地絡現象をすることができ、しかも電流センサから抵抗負荷に電流を供給するので弱電系の回路構成とでき地絡検出装置に高耐圧化の対応を考慮しなくてよくなるものである。
【符号の説明】
【０１００】
１０１…直流電源、１０２…平滑コンデンサ、１０３…インバータ回路部、１０４…三相誘導電動機、１０５…電動機駆動制御部、１０６…ゲート駆動部、１０７…電流センサ、１０８…保護ロジック回路、１０９…地絡検出部、１１０…電動機制御マイクロコンピュータ、１１１…出力線、１１２，１１３，１１４…抵抗負荷、１１５…中性点、１１６…判定器、
２０１…上側閾値判定器、２０２…下側閾値判定器、２０３，２０４，２０７、２１０、２１１、２１２…抵抗、２０５、２０９…比較器、３０１、３０２a、３０２ｂ、３０３…バッファ。
【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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