(57)【要約】【課題】  電力変換装置で生じる異常を検出する。【解決手段】  電力変換装置は、上アームの第１スイッチング素子に対する第１駆動信号に応じて第１スイッチング素子のゲート電圧を制御するとともに、第１スイッチング素子のゲート電圧を監視する第１駆動回路と、下アームの第２スイッチング素子に対する第２駆動信号に応じて、第２スイッチング素子のゲート電圧を制御するとともに、第２スイッチング素子のゲート電圧を監視する第２駆動回路とを備える。第１駆動回路は、第２駆動信号がさらに入力されるように構成されており、第２駆動信号と第１スイッチング素子のゲート電圧とに基づいて、異常の有無を判定する。同様に、第２駆動回路は、第１駆動信号がさらに入力されるように構成されており、第１駆動信号と第２スイッチング素子のゲート電圧とに基づいて、異常の有無を判定する。【選択図】図１
2019092311.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上アームに設けられた第１スイッチング素子と、
前記上アームに対応する下アームに設けられた第２スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子に対する第１駆動信号に応じて前記第１スイッチング素子のゲート電圧を制御するとともに、前記第１スイッチング素子の前記ゲート電圧を監視する第１駆動回路と、
前記第２スイッチング素子に対する第２駆動信号に応じて、前記第２スイッチング素子のゲート電圧を制御するとともに、前記第２スイッチング素子の前記ゲート電圧を監視する第２駆動回路と、
を備え、
前記第１駆動回路は、前記第２駆動信号がさらに入力されるように構成されており、前記第２駆動信号と前記第１スイッチング素子の前記ゲート電圧とに基づいて、異常の有無を判定し、
前記第２駆動回路は、前記第１駆動信号がさらに入力されるように構成されており、前記第１駆動信号と前記第２スイッチング素子の前記ゲート電圧とに基づいて、異常の有無を判定する、
電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータといった電力変換装置が知られている。この種の電力変換装置は、複数のスイッチング素子を有しており、各々のスイッチング素子が選択的に駆動されることによって、各種の電力変換が行われるように構成されている。これに関連して、特許文献１には、スイッチング素子の駆動装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−２２０１０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
多くの電力変換装置では、直列に接続された二つのスイッチング素子によって、上下のアームが構成されている。上下のアームを構成する二つのスイッチング素子は、通常、交互にターンオンされる必要があり、その制御において異常が発生したときは、意図した電力変換が不能になるだけでなく、周辺機器へ損傷を与えることも想定される。本明細書は、このような異常の有無を判定し得る技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する技術は、電力変換装置に具現化される。この電力変換装置は、上アームに設けられた第１スイッチング素子と、上アームに対応する下アームに設けられた第２スイッチング素子と、第１スイッチング素子に対する第１駆動信号に応じて第１スイッチング素子のゲート電圧を制御するとともに、第１スイッチング素子のゲート電圧を監視する第１駆動回路と、第２スイッチング素子に対する第２駆動信号に応じて、第２スイッチング素子のゲート電圧を制御するとともに、第２スイッチング素子のゲート電圧を監視する第２駆動回路とを備える。第１駆動回路は、第２駆動信号がさらに入力されるように構成されており、第２駆動信号と第１スイッチング素子のゲート電圧とに基づいて、異常の有無を判定する。同様に、第２駆動回路は、第１駆動信号がさらに入力されるように構成されており、第１駆動信号と第２スイッチング素子のゲート電圧とに基づいて、異常の有無を判定する。
【０００６】
上記した構成によると、第１駆動回路が、第１スイッチング素子のゲート電圧を監視しながら、第１スイッチング素子のゲート電圧を制御することができる。これにより、第１駆動回路は、第１スイッチング素子のゲート電圧を正しく制御できないときに、異常が発生していると判定することができる。しかしながら、このような異常の判定は、第１スイッチング素子に対する第１駆動信号が、第１駆動回路へ正しく入力されていることを前提とする。即ち、第１駆動信号自体に異常が生じていたり、第１駆動回路へ第１駆動信号を伝送する経路に異常が生じていたりしても、第１駆動信号と第１スイッチング素子のゲート電圧とを比較するだけでは、その異常を検出することはできない。
【０００７】
そこで、本技術に係る電力変換装置では、第１駆動回路が、第２スイッチング素子に対する第２駆動信号も取得し、第２駆動信号と第１スイッチング素子のゲート電圧とに基づいて、異常の有無を判定する。第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子は、電力変換装置において上下のアームを構成することから、交互にターンオンされる必要がある。そのことから、第１駆動信号と第２駆動信号との両者は、互いに対称的な関係にあるので、第２スイッチング素子に対する第２駆動信号に基づいて、第１スイッチング素子に対する第１駆動信号を推測することができる。例えば、第２駆動信号が第２スイッチング素子のターンオフを示す場合、第１スイッチング素子はターンオンされるべきであり、このときに第１スイッチング素子がターンオンされない場合は、異常と判定することができる。この判定では、第１駆動信号が必要とされないので、第１駆動信号自体に生じた異常や、第１駆動回路へ第１駆動信号を伝送する経路に生じた異常等についても、正しく検出することができる。
【０００８】
第２駆動回路にも同様の構成が採用されている。即ち、第２駆動回路は、第１スイッチング素子に対する第１駆動信号も取得し、第１駆動信号と第２スイッチング素子のゲート電圧とに基づいて、異常の有無を判定する。これにより、第２駆動信号自体に生じた異常や、第２駆動回路へ第２駆動信号を伝送する経路に生じた異常等についても、正しく検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】電力変換装置１０の構成を示す回路ブロック図。
【図２】正常時における第１駆動信号Ｖ１、第２駆動信号Ｖ２、第１スイッチング素子１２のゲート電圧Ｖａ１、第２スイッチング素子１４のゲート電圧Ｖａ２を経時的に示すタイムチャート。
【図３】異常時における第１駆動信号Ｖ１、第２駆動信号Ｖ２、第１スイッチング素子１２のゲート電圧Ｖａ１、第２スイッチング素子１４のゲート電圧Ｖａ２を経時的に示すタイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図面を参照して、実施例の電力変換装置１０について説明する。一例ではあるが、本実施例の電力変換装置１０は、直流電力と三相交流電力との間で電力変換を行う三相インバータであり、図１に示す上下のアームに係る構造を合計で三つ備えている。なお、本実施例で説明する上下のアームに係る構造は、インバータに限られず、例えばＤＣ−ＤＣコンバータといった他の種類の電力変換装置にも採用することができる。本実施例の電力変換装置１０は、特に限定されないが、ハイブリッド車、燃料電池車又は再充電式の電気自動車といった、車輪をモータによって駆動する自動車へ好適に採用することができる。
【００１１】
図１に示すように、電力変換装置１０は、第１スイッチング素子１２と第２スイッチング素子１４とを備える。第１スイッチング素子１２と第２スイッチング素子１４は、互いに直列に接続されており、上下のアームを構成している。図１から明らかなように、第１スイッチング素子１２は、上アームに設けられており、第２スイッチング素子１４は、下アームに設けられている。各々のスイッチング素子１２、１４の種類や具体的な構造については特に限定されない。例えば、各々のスイッチング素子１２、１４には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＲＣ（Reverse Conducting）−ＩＧＢＴ、（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）などを採用することができる。また、各々のスイッチング素子１２、１４には、フリーホイールダイオードが逆並列に接続されていてもよい。
【００１２】
電力変換装置１０は、第１駆動回路１６と第２駆動回路１８とをさらに備える。第１駆動回路１６は、第１スイッチング素子１２のゲート１２ｇに接続されており、第１スイッチング素子１２に対する第１駆動信号Ｖ１に応じて、第１スイッチング素子１２のゲート電圧Ｖａ１を制御する。ここで、第１スイッチング素子１２のゲート電圧Ｖａ１は、第１駆動回路１６へ入力されるように構成されている。これにより、第１駆動回路１６は、第１スイッチング素子１２のゲート電圧Ｖａ１を監視しながら、第１スイッチング素子１２のゲート電圧Ｖａ１を制御することができる。
【００１３】
同様に、第２駆動回路１８は、第２スイッチング素子１４のゲート１４ｇに接続されており、第２スイッチング素子１４に対する第２駆動信号Ｖ２に応じて、第２スイッチング素子１４のゲート電圧Ｖａ２を制御する。ここで、第２スイッチング素子１４のゲート電圧Ｖａ２は、第２駆動回路１８へ入力されるように構成されている。これにより、第２駆動回路１８は、第２スイッチング素子１４のゲート電圧Ｖａ２を監視しながら、第２スイッチング素子１４のゲート電圧Ｖａ２を制御することができる。
【００１４】
電力変換装置１０は、コントローラ６０をさらに備える。コントローラ６０は、特に限定されないが、一つ又は複数のマイクロコンピュータを用いて構成されることができる。コントローラ６０は、前述した第１駆動信号Ｖ１と第２駆動信号Ｖ２とを生成し、出力する。ここで、第１スイッチング素子１２及び第２スイッチング素子１４は、電力変換装置１０において上下のアームを構成することから、交互にターンオンされる必要がある。そのことから、図２に示すように、第１駆動信号Ｖ１と第２駆動信号Ｖ２との両者は、互いに対称的な関係となっている。即ち、第１駆動信号Ｖ１がオン指令（ローレベル）のときは、第２駆動信号Ｖ２がオフ指令（ハイレベル）となり、第１駆動信号Ｖ１がオフ指令（ハイレベル）のときは、第２駆動信号Ｖ２がオフ指令（ローレベル）となる。
【００１５】
なお、第１駆動信号Ｖ１がオン指令となる期間Ｔ１と、第２駆動信号Ｖ２がオン指令となる期間Ｔ２との間には、デッドタイムＴＤが設けられている。これにより、第１スイッチング素子１２と第２スイッチング素子１４が同時にターンオンされることが防止されている。また、第１駆動信号Ｖ１がオン指令となる期間Ｔ１に対して、第１スイッチング素子１２が実際にターンオンされる期間Ｔａ１には、例えばゲート１２ｇの充放電に起因する遅れ時間ＴＬが生じる。同様に、第２駆動信号Ｖ２がオン指令となる期間Ｔ２に対して、第２スイッチング素子１４が実際にターンオンされる期間Ｔａ２にも、同程度の遅れ時間ＴＬが生じる。
【００１６】
ここで、図２に示す第１駆動信号Ｖ１と第２駆動信号Ｖ２は、第１駆動回路１６や第２駆動回路１８に入力される段階での状態を示しており、コントローラ６０から出力された段階の第１駆動信号Ｖ１と第２駆動信号Ｖ２と比較して、それぞれ極性が反転されている。但し、このような極性の反転は、下記する伝送経路２０、３０、４０、５０の例示的な構造に起因するものであり、本技術において任意の事項である。
【００１７】
電力変換装置１０は、第１伝送経路２０と、第２伝送経路３０と、第３伝送経路４０と、第４伝送経路５０とを備える。第１伝送経路２０は、コントローラ６０と第１駆動回路１６との間を接続しており、コントローラ６０が出力した第１駆動信号Ｖ１を第１駆動回路１６へ伝送する。第１伝送経路２０の具体的な構成は特に限定されない。一例ではあるが、本実施例における第１伝送経路２０は、トランジスタ２２、抵抗器２４、２６及びフォトカプラ２８を用いて構成されている。例えばコントローラ６０が第１駆動信号Ｖ１としてオン指令を出力すると、トランジスタ２２がターンオンされ、抵抗器２４、２６に電流が流れることで、フォトカプラ２８がターンオンする。これにより、第１駆動回路１６には第１駆動信号Ｖ１としてオン指令（ローレベル）が入力される。なお、第１伝送経路２０にフォトカプラ２８が介挿されていることで、低電圧域で動作するコントローラ６０と、高電圧域で動作する第１駆動回路１６との間は、電気的に絶縁されている。
【００１８】
第２伝送経路３０は、コントローラ６０と第２駆動回路１８との間を接続しており、コントローラ６０が出力した第２駆動信号Ｖ２を第２駆動回路１８へ伝送する。第２伝送経路３０の具体的な構成についても特に限定されない。一例ではあるが、本実施例における第２伝送経路３０は、第１伝送経路２０と同様の構成を有しており、トランジスタ３２、抵抗器３４、３６及びフォトカプラ３８を用いて構成されている。第２伝送経路３０の動作についても、上記した第１伝送経路２０と同様であることから、重複する説明を省略する。
【００１９】
第３伝送経路４０は、コントローラ６０と第２駆動回路１８との間を接続しており、コントローラ６０が出力した第１駆動信号Ｖ１を第２駆動回路１８へ伝送する。これにより、第２駆動回路１８には、第２スイッチング素子１４に対する第２駆動信号Ｖ２だけでなく、第１スイッチング素子１２に対する第１駆動信号Ｖ１も入力されるように構成されている。第３伝送経路４０の具体的な構成についても特に限定されない。一例ではあるが、本実施例における第３伝送経路４０は、第１伝送経路２０と同様の構成を有しており、トランジスタ２２、抵抗器４４、４６及びフォトカプラ４８を用いて構成されている。第３伝送経路４０の動作についても、上記した第１伝送経路２０と同様であることから、重複する説明を省略する。
【００２０】
第４伝送経路５０は、コントローラ６０と第１駆動回路１６との間を接続しており、コントローラ６０が出力した第２駆動信号Ｖ２を第１駆動回路１６へ伝送する。これにより、第１駆動回路１６には、第１スイッチング素子１２に対する第１駆動信号Ｖ１だけでなく、第２スイッチング素子１４に対する第２駆動信号Ｖ２も入力されるように構成されている。第４伝送経路５０の具体的な構成についても特に限定されない。一例ではあるが、本実施例における第４伝送経路５０は、第１伝送経路２０と同様の構成を有しており、トランジスタ３２、抵抗器５４、５６及びフォトカプラ５８を用いて構成されている。第３伝送経路４０の動作についても、上記した第１伝送経路２０と同様であることから、重複する説明を省略する。
【００２１】
ここで、本実施例における第３伝送経路４０は、第１伝送経路２０との間でトランジスタ２２を共有している。同様に、第４伝送経路５０は、第２伝送経路３０との間でトランジスタ３２を共有している。これに関して、他の実施形態では、第３伝送経路４０が、第１伝送経路２０との間でより多くの部分を共有してもよい。あるいは、第３伝送経路４０は、第１伝送経路２０から完全に独立して構成されてもよい。第４伝送経路５０についても、第２伝送経路３０との間でより多くの部分を共有してもよいし、第２伝送経路３０から完全に独立して構成されてもよい。
【００２２】
以上の構成により、本実施例の電力変換装置１０では、第１駆動回路１６が、第１スイッチング素子１２のゲート電圧Ｖａ１を監視しながら、第１駆動信号Ｖ１に応じて、第１スイッチング素子１２のゲート電圧Ｖａ１を制御することができる。これにより、第１駆動回路１６は、第１スイッチング素子１２のゲート電圧Ｖａ１を正しく制御できないときに、異常が発生していると判定することができる。しかしながら、このような異常の判定は、第１スイッチング素子１２に対する第１駆動信号Ｖ１が、第１駆動回路１６へ正しく入力されていることを前提とする。即ち、第１駆動信号Ｖ１自体に異常が生じていたり、第１伝送経路２０に異常が生じていたりしても、第１駆動信号Ｖ１と第１スイッチング素子１２のゲート電圧Ｖａ１とを比較するだけでは、その異常を検出することはできない。
【００２３】
そこで、本実施例の電力変換装置１０では、第１駆動回路１６が、第２スイッチング素子１４に対する第２駆動信号Ｖ２をさらに取得し、第２駆動信号Ｖ２と第１スイッチング素子１２のゲート電圧１２Ｖａ１とに基づいて、異常の有無を判定する。前述したように、第１駆動信号Ｖ１と第２駆動信号Ｖ２との両者は、互いに対称的な関係にある（図２参照）。従って、第２スイッチング素子１４に対する第２駆動信号Ｖ２に基づいて、第１スイッチング素子１２に対する第１駆動信号Ｖ１（即ち、第１スイッチング素子１２の意図された動作）を推測することができる。例えば、第２駆動信号Ｖ２がオフ指令を示す場合、第１スイッチング素子１２はターンオンされるべきであり、このときに第１スイッチング素子１２がターンオンされない場合は、異常と判定することができる。この判定では、第１駆動信号Ｖ１が必要とされないので、第１駆動信号Ｖ１自体に生じた異常や、第１伝送経路２０に生じた異常等についても、正しく検出することができる。
【００２４】
図３を参照して、上記した異常判定の一具体例を説明する。図３に示すように、時刻Ｘ１において異常が発生し、第１駆動回路１６へ入力される第１駆動信号Ｖ１が、意図せずオフ指令（ハイレベル）に固定されたとする。この場合、第１駆動回路１６は、その第１駆動信号Ｖ１に従って、第１スイッチング素子１２をターンオフし続ける。この段階では、第１駆動回路１６が異常を検出することはできない。その後、時刻Ｘ２において、正常な第２駆動信号Ｖ２はオン指令からオフ指令へと変化する。このとき、第１駆動回路１６は、時刻Ｘ２から計時を開始し、所定の監視期間ＴＰ内に第１スイッチング素子１２がターンオンされないとき（例えば、ゲート電圧Ｖａ１が所定値以下のとき）に、異常が発生していると判定する。ここで、監視期間ＴＰについては、適宜定めることができるが、図２に示したデッドタイムＴＤ及び遅れ時間ＴＬの合計以上の値とするとよい。一例として、監視期間ＴＰは、数マイクロ秒とすることができる。
【００２５】
第１駆動回路１６が異常を検出した場合、電力変換装置１０は、その動作を速やかに停止してもよいし、異常時のために用意された特別な制御態様で動作を継続してもよい。後者の場合、第１駆動回路１６は、第２駆動信号Ｖ２に基づいて第１駆動信号Ｖ１を推定し、推定した第１駆動信号Ｖ１に基づいて第１スイッチング素子１２を制御してもよい。
【００２６】
第２駆動回路１８にも同様の構成が採用されている。即ち、第２駆動回路１８は、第１スイッチング素子１２に対する第１駆動信号Ｖ１をさらに取得し、第１駆動信号Ｖ１と第２スイッチング素子１４のゲート電圧Ｖａ２とに基づいて、異常の有無を判定する。これにより、第２駆動信号Ｖ２自体に生じた異常や、第２伝送経路３０に生じた異常等についても、正しく検出することができる。第２駆動回路１８が異常を検出した場合についても、電力変換装置１０は、その動作を速やかに停止してもよいし、異常時のために用意された特別な制御態様で動作を継続してもよい。
【００２７】
以上、いくつかの具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものである。
【符号の説明】
【００２８】
１０：電力変換装置
１２：第１スイッチング素子
１４：第２スイッチング素子
１６：第１駆動回路
１８：第２駆動回路
２０：第１伝送経路
３０：第２伝送経路
４０：第３伝送経路
５０：第４伝送経路
Ｔ１：第１駆動信号Ｖ１のオン指令の期間
Ｔ２：第２駆動信号Ｖ２のオン指令の期間
ＴＤ：デッドタイム
ＴＬ：遅れ時間
ＴＰ：監視期間
Ｔａ１：第１スイッチング素子１２がターンオンされる期間
Ｔａ２：第２スイッチング素子１４がターンオンされる期間
Ｖ１：第１駆動信号
Ｖ２：第２駆動信号
Ｖａ１：第１スイッチング素子１２のゲート電圧
Ｖａ２：第２スイッチング素子１４のゲート電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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