(57)【要約】【課題】システムの複雑化やコストアップを伴うことなく、車両の衝突時や動力の停止時に、インバータや三相交流電動機を適正に保護しながら、平滑コンデンサに蓄えられた電荷を速やかに放電させることができる電力変換装置および電力変換方法を得る。【解決手段】放電判定指示部が、放電動作の実行を指示した場合に、インバータ制御部は、インバータに含まれるパワー半導体素子の短絡故障の有無を検出するとともに、インバータと電動機との接続点の電位を、あらかじめ設定された電位に固定し、コンバータ制御部は、インバータと電動機との接続点の電位が、あらかじめ設定された電位に固定された後に、第１平滑コンデンサおよび第２平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電させる。【選択図】図１
2015033153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、
前記直流電源から供給される直流電圧を昇圧する昇圧コンバータと、
前記直流電源と前記昇圧コンバータとの間の電圧を平滑化する第１平滑コンデンサと、
前記昇圧コンバータから出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
前記昇圧コンバータと前記インバータとの間の電圧を平滑化する第２平滑コンデンサと、
前記インバータから出力される交流電圧が印加される電動機と、
前記昇圧コンバータに含まれるパワー半導体素子のスイッチング動作を制御するコンバータ制御部と、
前記インバータに含まれるパワー半導体素子のスイッチング動作を制御するインバータ制御部と、
車両の衝突を検知した場合および車両の使用を終了し動力の停止状態とする場合の少なくとも一方の場合に、前記第１平滑コンデンサおよび前記第２平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電する指示を出す放電判定指示部と、を備え、
前記放電判定指示部が、放電動作の実行を指示した場合に、
前記インバータ制御部は、前記インバータに含まれるパワー半導体素子の短絡故障の有無を検出するとともに、前記インバータと前記電動機との接続点の電位を、あらかじめ設定された電位に固定し、
前記コンバータ制御部は、前記インバータと前記電動機との接続点の電位が、あらかじめ設定された電位に固定された後に、前記第１平滑コンデンサおよび前記第２平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電させる
電力変換装置。
【請求項２】
前記インバータは、
高電圧側パワー半導体素子および低電圧側パワー半導体素子を含むスイッチングアームを有し、
前記昇圧コンバータは、
複数のパワー半導体素子を直列接続したアームと、
前記アームのパワー半導体素子の直列接続体において、変換主回路の２次側端子の高電圧側ノードに接続されるパワー半導体素子と、変換主回路の２次側端子の低電圧側ノードに接続されるパワー半導体素子とを除いて、前記複数のパワー半導体素子のうち、最高電圧ノードと最低電圧ノードとの間に接続されたエネルギー移行用コンデンサと、
前記複数のパワー半導体素子の少なくとも１つのパワー半導体素子同士の接続ノードに接続されたリアクトルと、を有し、
前記インバータ制御部は、
前記スイッチングアームの前記高電圧側パワー半導体素子および前記低電圧側パワー半導体素子のうち、何れの側も短絡故障している相を含む場合を除いて、
短絡故障している相を含む側のすべての半導体スイッチ素子をオン動作させるとともに、何れの相も短絡故障していない側のすべての半導体スイッチ素子をオフ動作させることで、前記インバータと前記電動機との接続点の電位を所定電位に固定し、
前記コンバータ制御部は、
前記昇圧コンバータの前記パワー半導体素子を構成する半導体スイッチ素子のスイッチを、前記２次平滑コンデンサから前記エネルギー移行用コンデンサへ電荷を放電させると場合と、前記１次平滑コンデンサ、前記２次平滑コンデンサおよび前記エネルギー移行用コンデンサに蓄積された電荷を同時に放電させる場合とで切り替えることにより、前記１次平滑コンデンサ、前記２次平滑コンデンサおよび前記エネルギー移行用コンデンサに蓄積された電荷を放電させる
請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記昇圧コンバータに含まれる前記パワー半導体素子は、バンドギャップがＳｉ材料のバンドギャップよりも大きい半導体材料からなる電界効果トランジスタである
請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
直流電源と、
前記直流電源から供給される直流電圧を昇圧する昇圧コンバータと、
前記直流電源と前記昇圧コンバータとの間の電圧を平滑化する第１平滑コンデンサと、
前記昇圧コンバータから出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
前記昇圧コンバータと前記インバータとの間の電圧を平滑化する第２平滑コンデンサと、
前記インバータから出力される交流電圧が印加される電動機と、
前記昇圧コンバータに含まれるパワー半導体素子のスイッチング動作を制御するコンバータ制御部と、
前記インバータに含まれるパワー半導体素子のスイッチング動作を制御するインバータ制御部と、
車両の衝突を検知した場合および車両の使用を終了し動力の停止状態とする場合の少なくとも一方の場合に、前記第１平滑コンデンサおよび前記第２平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電する指示を出す放電判定指示部と、を備えた電力変換装置によって実行される電力変換方法であって、
前記放電判定指示部が、放電動作の実行を指示した場合に、
前記インバータに含まれるパワー半導体素子の短絡故障の有無を検出するステップと、
前記インバータと前記電動機との接続点の電位を、あらかじめ設定された電位に固定するステップと、
前記第１平滑コンデンサおよび前記第２平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電させるステップと、を有する
電力変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばハイブリッド自動車等の車両に搭載される電力変換装置および電力変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、充放電可能な直流電源と、直流電源から供給される直流電圧を昇圧する昇圧コンバータと、直流電源と昇圧コンバータとの間の電圧を平滑化する第１平滑コンデンサと、昇圧コンバータから出力される高圧の直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、昇圧コンバータとインバータとの間の電圧を平滑化する第２平滑コンデンサと、インバータから出力される交流電圧が印加されることにより、車両の駆動力や制動力が制御される三相交流電動機とを備えたハイブリッド自動車が知られている。
【０００３】
このようなハイブリッド自動車では、車両の安全性を確保するために、車両の衝突時や動力の停止時に、平滑コンデンサに蓄えられた高電圧の電荷を速やかに放電し、感電を防止する必要がある。
【０００４】
そこで、衝突検知手段により衝突が検知された後、インバータの上アームトランジスタのすべてをオフすると同時に下アームトランジスタのすべてをオンし、その後、三相交流電動機に逆起電力が発生していない場合には、インバータの上アームトランジスタの少なくとも１つに所定値（トランジスタがオンする電圧）よりも低い入力電圧を印加するとともに、この所定値よりも低い入力電圧が印加された上アームトランジスタに直列に接続された下アームトランジスタをオンする車両およびその制御方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
具体的には、この車両およびその制御方法では、衝突検知手段により衝突が検知された後に、インバータの上アームトランジスタのすべてがオフされると同時に下アームトランジスタのすべてがオンされる。これにより、衝突が検知された後に三相交流電動機に逆起電力が発生している場合には、逆起電力による電流が、インバータの各下アームトランジスタおよびダイオードを概ね均等に分配されながら流れることになる。
【０００６】
したがって、単一の下アームトランジスタに集中して電流が流れるのを抑制して、下アームトランジスタを保護するとともに、三相交流電動機の各相に半波電流が流れないようにして、三相交流電動機の磁石に減磁が生じるのを抑制している。
【０００７】
また、インバータの上アームトランジスタのすべてをオフすると同時に下アームトランジスタのすべてをオンすることにより、平滑コンデンサからの放電電流と逆起電力による電流とが同時に流れることで、インバータの上アームトランジスタおよび下アームトランジスタが過熱状態となるのを抑制している。
【０００８】
なお、三相交流電動機に逆起電力が発生した場合、この三相交流電動機には、その回転を止める方向のトルクが発生し、このトルクにより三相交流電動機の回転がある程度低下した段階で逆起電力が発生しなくなる。
【０００９】
次に、インバータの上アームトランジスタのすべてがオフされると同時に下アームトランジスタのすべてがオンされた後、三相交流電動機に逆起電力が発生していない場合には、インバータの上アームトランジスタの少なくとも１つに所定値よりも低い入力電圧が印加されるとともに、この所定値よりも低い入力電圧が印加された上アームトランジスタに直列に接続された下アームトランジスタがオンされる。
【００１０】
このとき、インバータの上アームトランジスタのうち、所定値よりも低い入力電圧が印加された上アームトランジスタの抵抗値は、完全オン時の抵抗値よりも大きくなり、この上アームトランジスタを流れる電流の値は小さくなる。
【００１１】
したがって、所定値よりも低い入力電圧が印加された上アームトランジスタに対応した下アームトランジスタをオンすることで、上アームトランジスタおよび下アームトランジスタに大電流が流れるのを抑制しながら、平滑コンデンサに蓄えられた電荷を速やかに放電させることを可能としている。
【００１２】
すなわち、この車両およびその制御方法により、衝突検知時にインバータや三相交流電動機を適正に保護しながら、平滑コンデンサに蓄えられた電荷を速やかに放電させることを可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特許第５１７７２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１に記載された車両およびその制御方法では、衝突が検知された後に、インバータの上アームトランジスタのすべてがオフされると同時に下アームトランジスタのすべてがオンされるが、例えば衝突により上アームトランジスタの少なくとも１つが短絡した場合が考慮されていない。
【００１５】
ここで、上アームトランジスタの少なくとも１つに短絡状態（常時完全オン）となる故障が生じていた場合には、この上アームトランジスタおよびこの上アームトランジスタに直列に接続された下アームトランジスタに集中して許容値を超える大電流が流れ続け、このトランジスタの異常な温度上昇によって発煙、発火に至る恐れがある。
【００１６】
また、大電流が流れることにより、上アームトランジスタおよび下アームトランジスタの少なくとも１つが破壊されると、三相交流電動機の逆起電力がなくなってから、インバータの上アームトランジスタの少なくとも１つに所定値よりも低い入力電圧が印加されるとともに、この所定値よりも低い入力電圧が印加された上アームトランジスタに直列に接続された下アームトランジスタがオンされても、平滑コンデンサに蓄えられた電荷を速やかに放電させることができない恐れがある。
【００１７】
さらに、三相交流電動機の逆起電力がなくなってから、インバータの上アームトランジスタの少なくとも１つに所定値よりも低い入力電圧が印加されるとともに、この所定値よりも低い入力電圧が印加された上アームトランジスタに直列に接続された下アームトランジスタがオンされる場合に、上アームトランジスタの少なくとも１つに短絡状態（常時完全オン）となる故障が生じていたときも、上記と同様に許容値を超える大電流が流れ続け、このトランジスタの異常な温度上昇によって発煙、発火に至る恐れがある。
【００１８】
なお、大電流が流れることによる上アームトランジスタおよび下アームトランジスタの破壊を防止する保護装置が作動し、上アームトランジスタまたは下アームトランジスタが自動でオフされた場合には、電流が遮断され、平滑コンデンサに蓄えられた電荷を速やかに放電させることができない恐れがある。
【００１９】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、システムの複雑化やコストアップを伴うことなく、車両の衝突時や動力の停止時に、インバータや三相交流電動機を適正に保護しながら、平滑コンデンサに蓄えられた電荷を速やかに放電させることができる電力変換装置および電力変換方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
この発明に係る電力変換装置は、直流電源と、直流電源から供給される直流電圧を昇圧する昇圧コンバータと、直流電源と昇圧コンバータとの間の電圧を平滑化する第１平滑コンデンサと、昇圧コンバータから出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、昇圧コンバータとインバータとの間の電圧を平滑化する第２平滑コンデンサと、インバータから出力される交流電圧が印加される電動機と、昇圧コンバータに含まれるパワー半導体素子のスイッチング動作を制御するコンバータ制御部と、インバータに含まれるパワー半導体素子のスイッチング動作を制御するインバータ制御部と、車両の衝突を検知した場合および車両の使用を終了し動力の停止状態とする場合の少なくとも一方の場合に、第１平滑コンデンサおよび第２平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電する指示を出す放電判定指示部と、を備え、放電判定指示部が、放電動作の実行を指示した場合に、インバータ制御部は、インバータに含まれるパワー半導体素子の短絡故障の有無を検出するとともに、インバータと電動機との接続点の電位を、あらかじめ設定された電位に固定し、コンバータ制御部は、インバータと電動機との接続点の電位が、あらかじめ設定された電位に固定された後に、第１平滑コンデンサおよび第２平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電させるものである。
【発明の効果】
【００２１】
この発明に係る電力変換装置によれば、放電判定指示部が、放電動作の実行を指示した場合に、インバータ制御部は、インバータに含まれるパワー半導体素子の短絡故障の有無を検出するとともに、インバータと電動機との接続点の電位を、あらかじめ設定された電位に固定し、コンバータ制御部は、インバータと電動機との接続点の電位が、あらかじめ設定された電位に固定された後に、第１平滑コンデンサおよび第２平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電させる。
そのため、システムの複雑化やコストアップを伴うことなく、車両の衝突時や動力の停止時に、インバータや三相交流電動機を適正に保護しながら、平滑コンデンサに蓄えられた電荷を速やかに放電させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】この発明の実施の形態１に係る電力変換装置を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る電力変換装置の昇圧コンバータによる平滑コンデンサの電荷を放電する放電動作を示すフローチャートである。
【図３】この発明の実施の形態１に係る電力変換装置における昇圧コンバータの変換主回路の接続を示す説明図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置における昇圧コンバータによる平滑コンデンサの放電動作を示す説明図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る電力変換装置における昇圧コンバータの半導体スイッチ素子によるスイッチング動作を示す説明図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係る電力変換装置の昇圧コンバータを示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、この発明に係る電力変換装置および電力変換方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。なお、以下の実施の形態では、電力変換装置がハイブリッド自動車に搭載されている場合について説明するが、電力変換装置は、ハイブリッド自動車以外の車両に搭載されてもよい。
【００２４】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電力変換装置を示す構成図である。図１において、この電力変換装置は、直流電源１０、昇圧コンバータ２０、第１平滑コンデンサ３０および１次電圧センサ３１、インバータ４０、第２平滑コンデンサ５０および２次電圧センサ５１、電動機６０、リレー７０並びに放電制御部８０を備えている。
【００２５】
直流電源１０は、充放電可能であり、インバータ４０を介して電動機６０と電力をやり取りする。昇圧コンバータ２０は、直流電源１０とインバータ４０との間に設けられ、直流電源１０から供給される直流電圧を、ＤＣ／ＤＣ変換により昇圧する。第１平滑コンデンサ３０は、直流電源１０と昇圧コンバータ２０との間に接続され、直流電源１０と昇圧コンバータ２０との間の電圧を平滑化する。１次電圧センサ３１は、第１平滑コンデンサ３０の高電圧ノードと低電圧ノードとの間の電圧を計測する。
【００２６】
インバータ４０は、昇圧コンバータ２０から出力される高圧の直流電圧を、ＤＣ／ＡＣ変換により交流電圧に変換する。第２平滑コンデンサ５０は、昇圧コンバータ２０とインバータ４０との間に接続され、昇圧コンバータ２０とインバータ４０との間の電圧を平滑化する。２次電圧センサ５１は、第２平滑コンデンサ５０の高電圧ノードと低電圧ノードとの間の電圧を計測する。
【００２７】
電動機６０は、インバータ４０から出力される交流電圧が印加されることにより、車両の駆動力や制動力が制御される。リレー７０は、車両の稼動時には、直流電源１０と第１平滑コンデンサ３０および昇圧コンバータ２０とを閉状態で接続し、車両の衝突時または動力の停止時には、直流電源１０と第１平滑コンデンサ３０および昇圧コンバータ２０とを開状態で切断する。
【００２８】
放電制御部８０は、放電判定指示部８１、コンバータ制御部８２およびインバータ制御部８３を有している。放電判定指示部８１は、例えば加速度センサ（図示せず）により、車両の衝突を検知した場合（車両の衝突時）や、車両の使用を終了し動力の停止状態とする場合（動力の停止時）に、コンバータ制御部８２およびインバータ制御部８３に対して、第１平滑コンデンサ３０、第２平滑コンデンサ５０および昇圧コンバータ２０内のエネルギー移行用コンデンサに蓄えられた電荷を放電するよう指示を出す。
【００２９】
コンバータ制御部８２は、昇圧コンバータ２０に含まれるパワー半導体素子の構成要素である半導体スイッチ素子のスイッチング動作を制御し、昇圧コンバータ２０でのＤＣ／ＤＣ変換を行う。インバータ制御部８３は、インバータ４０に含まれるスイッチングアームの高電圧側パワー半導体素子および低電圧側パワー半導体素子内の半導体スイッチ素子のスイッチング動作を制御し、インバータ４０でのＤＣ／ＡＣ変換を行う。
【００３０】
昇圧コンバータ２０およびインバータ４０において、パワー半導体素子は、半導体スイッチ素子と半導体整流素子とを相互に逆並列に接続したものを単位とする。また、パワー半導体素子の直列接続体をアームと称する。
【００３１】
ここで、インバータ４０の詳細な構成について説明する。インバータ４０内のアームは、駆動する電動機の相数に対応する本数が設けられており、図１に示されるように、電動機６０が三相の電動機である場合、インバータ４０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３つのスイッチングアーム４１で構成される。
【００３２】
インバータ４０のＵ相のスイッチングアーム４１は、半導体スイッチ素子４２ａ、４２ｂとして、Ｓｉを材料とした絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用い、半導体整流素子４３ａ、４３ｂとして、同じくＳｉを材料としたＰｉＮダイオードを用いている。
【００３３】
半導体スイッチ素子４２ａのコレクタ電極Ｃには、半導体整流素子４３ａのカソード電極Ｋが接続され、半導体スイッチ素子４２ａのエミッタ電極Ｅには、半導体整流素子４３ａのアノード電極Ａが接続され、相互に逆並列に接続されて、パワー半導体素子の一単位になっている。
【００３４】
また、同様に、半導体スイッチ素子４２ｂのコレクタ電極Ｃには、半導体整流素子４３ｂのカソード電極Ｋが接続され、半導体スイッチ素子４２ｂのエミッタ電極Ｅには、半導体整流素子４３ｂのアノード電極Ａが接続されている。
【００３５】
このように、インバータ４０のＵ相のスイッチングアーム４１は、半導体スイッチ素子４２ａおよび半導体整流素子４３ａからなるパワー半導体素子と、半導体スイッチ素子４２ｂおよび半導体整流素子４３ｂからなるパワー半導体素子とが直列接続されて構成されている。
【００３６】
なお、インバータ４０のＶ相およびＷ相のスイッチングアーム４１も、半導体スイッチ素子４２ｃおよび半導体整流素子４３ｃからなるパワー半導体素子と、半導体スイッチ素子４２ｄおよび半導体整流素子４３ｄからなるパワー半導体素子との直列接続、並びに半導体スイッチ素子４２ｅおよび半導体整流素子４３ｅからなるパワー半導体素子と、半導体スイッチ素子４２ｆおよび半導体整流素子４３ｆからなるパワー半導体素子との直列接続により構成されている。
【００３７】
また、インバータ制御部８３は、インバータ４０に含まれるスイッチングアーム４１の高電圧側パワー半導体素子４４および低電圧側パワー半導体素子４５内の半導体スイッチ素子のスイッチング動作を制御して、電動機６０との接続ノードＵａｃ、Ｖａｃ、Ｗａｃの電位を調整することで、電動機６０に流れる電流量を制御する。この結果、電動機６０が車両の駆動力や制動力を制御することとなる。また、インバータ制御部８３は、電動機６０の回転情報を併せて取得する。
【００３８】
続いて、昇圧コンバータ２０の詳細な構成について説明する。昇圧コンバータ２０は、パワー半導体素子を４つ直列接続したアームを備えている。図１に示されるように、昇圧コンバータ２０のアームは、半導体スイッチ素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄとして、Ｓｉを材料としたＩＧＢＴを用い、半導体整流素子２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄとして、同じくＳｉを材料としたＰｉＮダイオードを用いている。
【００３９】
半導体スイッチ素子２１ａのコレクタ電極Ｃには、半導体整流素子２２ａのカソード電極Ｋが接続され、半導体スイッチ素子２１ａのエミッタ電極Ｅには、半導体整流素子２２ａのアノード電極Ａが接続され、相互に逆並列に接続されて、パワー半導体素子の一単位になっている。
【００４０】
ここで、半導体スイッチ素子２１ｄのエミッタ電極Ｅは、第１平滑コンデンサ３０の低電圧ノードＮ１と接続され、かつ第２平滑コンデンサ５０の低電圧ノードＮ２と接続されている。また、低電圧ノードＮ１は、リレー７０を介して直流電源１０の低電圧側出力端子と接続され、低電圧ノードＮ２は、インバータ４０の低電圧側パワー半導体素子４５のノードＮｕ、Ｎｖ、Ｎｗと接続されている。
【００４１】
したがって、リレー７０が閉の状態では、直流電源１０の低電圧側出力端子、低電圧ノードＮ１、Ｎ２およびインバータ４０の低電圧側パワー半導体素子４５のノードＮｕ、Ｎｖ、Ｎｗは、すべて同電位（代表して、電位Ｖｎ）となる。
【００４２】
また、半導体スイッチ素子２１ｄのコレクタ電極Ｃは、半導体スイッチ素子２１ｃのエミッタ電極Ｅおよびエネルギー移行用コンデンサ２３の低電圧側ノードと接続されている。半導体スイッチ素子２１ｃのコレクタ電極Ｃは、半導体スイッチ素子２１ｂのエミッタ電極Ｅおよびリアクトル２４のコイルの一端と接続されている。
【００４３】
また、半導体スイッチ素子２１ｂのコレクタ電極Ｃは、半導体スイッチ素子２１ａのエミッタ電極Ｅおよびエネルギー移行用コンデンサ２３の高電圧側ノードと接続されている。なお、リアクトル２４の第１平滑コンデンサ３０側には、昇圧コンバータ２０を通過する電流を計測する電流センサ２５が接続されている。また、エネルギー移行用コンデンサ２３の近傍には、エネルギー移行用コンデンサ２３の電圧を計測するエネルギー移行用コンデンサ部電圧センサ２６が設けられている。
【００４４】
一方、半導体スイッチ素子２１ａのコレクタ電極Ｃは、第２平滑コンデンサ５０の高電圧ノードＰ２と接続されている。また、高電圧ノードＰ２は、インバータ４０の高電圧側パワー半導体素子４４のノードＰｕ、Ｐｖ、Ｐｗと接続されている。したがって、高電圧ノードＰ２およびインバータ４０の高電圧側パワー半導体素子４４のノードＰｕ、Ｐｖ、Ｐｗは、すべて同電位（代表して、電位Ｖｐ）となる。
【００４５】
次に、車両の衝突時や動力の停止時における電力変換装置の動作について説明する。まず、放電制御部８０は、例えば加速度センサにより、車両の衝突を検知した場合や、車両の使用を終了し動力の停止状態とする場合に、エンジン（図示せず）を停止して、車両を安全に停車させる。
【００４６】
続いて、放電判定指示部８１は、コンバータ制御部８２およびインバータ制御部８３に対して、放電動作の実行を指示する。放電判定指示部８１による放電動作の実行の指示に従い、インバータ制御部８３は、まず、インバータ４０内の半導体スイッチ素子をすべてオフ（開）状態となるように制御するとともに、電動機６０の回転情報を取得する。
【００４７】
ここで、上記の制御を行ったにもかかわらず、電動機６０からの回転情報が、電動機が回転中であることを示している場合には、車両の駆動輪（図示せず）が路面から浮いている状態で空転しているか、または衝突後も車両が完全に停止していない等、外的要因で電動機６０が回転し続けている可能性がある。
【００４８】
このような場合には、電動機６０に逆起電力が発生し、インバータ４０内のパワー半導体素子に電流が流れることにより、本来は放電すべき第２平滑コンデンサ５０が蓄電される恐れがある。
【００４９】
そこで、もし車両が衝突し、何らかの乗員の救護処置や車両の事故後処理を行うべきであるにもかかわらず、電動機６０が回転し逆起電力が発生している状況であって、電力変換装置内部の平滑コンデンサに蓄積された電荷を速やかに放電し、感電を防止するためには、逆起電力が生じていても、平滑コンデンサを蓄電しないように制御することが望ましい。
【００５０】
そのため、電動機６０とインバータ４０との接続点の電位を、あらかじめ設定された所定電位に固定することで、インバータ４０から第２平滑コンデンサ５０への電荷の充電を阻止することが考えられる。ここで、この発明の実施の形態１において、所定電位とは、第２平滑コンデンサ５０の高電圧ノードＰ２の電位Ｖｐ２、または低電圧ノードＮ２の電位Ｖｎ２と同じ電位である。
【００５１】
具体的には、この発明の実施の形態１では、電動機６０の逆起電力による第２平滑コンデンサ５０への充電を阻止するために、インバータ４０の高電圧側パワー半導体素子４４および低電圧側パワー半導体素子４５の短絡を検出し、適切なインバータ制御を行えるようにしている。
【００５２】
以下、インバータ４０の高電圧側パワー半導体素子４４および低電圧側パワー半導体素子４５の短絡故障を検出する動作について説明する。まず、インバータ制御部８３により、インバータ４０の低電圧側パワー半導体素子４５をすべてオン動作する。このとき、それ以外のインバータ４０の高電圧側パワー半導体素子４４をすべてオフ動作する。
【００５３】
続いて、昇圧コンバータ２０内の電流センサ２５により、昇圧コンバータ２０を通過する電流が計測され、インバータ４０の低電圧側パワー半導体素子４５すべてのオン動作によって、過大電流が導通する場合には、インバータ４０の高電圧側パワー半導体素子４４の少なくとも１つが短絡故障していると判定される。
【００５４】
このときの判定閾値は、低電圧側パワー半導体素子４５および高電圧側パワー半導体素子４４の短絡経路に許容値を超える過大電流が流れても、パワー半導体素子の異常な温度上昇による発煙、発火には至らない程度の値に設定される。また、このときの判定時間は、過大電流が導通しても高電圧側パワー半導体素子４４および低電圧側パワー半導体素子４５が破壊されない時間、例えば１０μｓ以内に制限される。
【００５５】
なお、インバータ４０の低電圧側パワー半導体素子４５をすべてオン動作しても、電流センサ２５に過大電流が流れない場合には、引き続きこのオン動作を継続する。
【００５６】
これに対して、インバータ４０の低電圧側パワー半導体素子４５をすべてオン動作すると、電流センサ２５に過大電流が流れる場合には、低電圧側パワー半導体素子４５のオン動作を止め、すべてオフ動作に切り替えた上で、高電圧側パワー半導体素子４４をすべてオン動作し、電流センサ２５により、昇圧コンバータ２０に過大電流が導通するか否かを判定する。
【００５７】
このとき、インバータ４０の高電圧側パワー半導体素子４４すべてのオン動作によっても、過大電流が導通する場合には、インバータ４０の低電圧側パワー半導体素子４５および高電圧側パワー半導体素子４４の双方が、それぞれ少なくとも１つの相で短絡故障していると判定され、高電圧側パワー半導体素子４４のオン動作を止める。
【００５８】
なお、インバータ４０の高電圧側パワー半導体素子４４をすべてオン動作しても、電流センサ２５に過大電流が流れない場合には、引き続きこのオン動作を継続する。
【００５９】
次に、電流センサ２５に過大電流が流れない場合には、引き続きこのオン動作を継続しつつ、リレー７０を開状態として、直流電源１０と第１平滑コンデンサ３０および昇圧コンバータ２０との間を電気的に切断する。
【００６０】
これにより、インバータ４０の低電圧側パワー半導体素子４５および高電圧側パワー半導体素子４４の双方が、それぞれ少なくとも１つの相で短絡故障している場合を除いて、電動機６０とインバータ４０との接続点の電位を所定電位に固定することにより、インバータ４０から第２平滑コンデンサ５０への電荷の充電を阻止する。
【００６１】
ここで、所定電位とは、第２平滑コンデンサ５０の高電圧ノードＰ２の電位Ｖｐ２、または低電圧ノードＮ２の電位Ｖｎ２と同じ電位であることから、以下に説明するように、昇圧コンバータ２０による第１平滑コンデンサ３０および第２平滑コンデンサ５０の電荷の放電によって電位Ｖｐ２が変化しても、電動機６０から第２平滑コンデンサ５０へ電荷が充電されることはない。
【００６２】
また、このとき、オフ動作している高電圧側パワー半導体素子４４または低電圧側パワー半導体素子４５には、短絡故障したパワー半導体素子がないので、過大電流が流れず、インバータ４０および電動機６０を保護することができる。
【００６３】
以上説明したように、インバータ４０の高電圧側パワー半導体素子４４および低電圧側パワー半導体素子４５の短絡故障判定が終了すると、直流電源１０と第１平滑コンデンサ３０および昇圧コンバータ２０との間が電気的に切断される。
【００６４】
続いて、コンバータ制御部８２により、昇圧コンバータ２０に含まれるパワー半導体素子の構成要素である半導体スイッチ素子２１をスイッチング動作させ、第１平滑コンデンサ３０、第２平滑コンデンサ５０およびエネルギー移行用コンデンサ２３の電荷を放電する放電動作について説明する。
【００６５】
まず、これまで説明したように、放電制御部８０は、車両の衝突を検知した場合や、車両の使用を終了し動力の停止状態とする場合に、エンジンを停止して、車両を安全に停車させている。また、放電判定指示部８１は、コンバータ制御部８２およびインバータ制御部８３に、放電動作の実行を指示している。
【００６６】
また、インバータ４０の低電圧側パワー半導体素子４５および高電圧側パワー半導体素子４４の双方が、それぞれ少なくとも１つの相で短絡故障している場合を除いて、電動機６０とインバータ４０との接続点の電位は、電位Ｖｐまたは電位Ｖｎに固定されており、さらに、リレー７０を開状態として、直流電源１０と第１平滑コンデンサ３０および昇圧コンバータ２０との間は、電気的に切断されている。
【００６７】
以下、図２に示したフローチャートを参照しながら、コンバータ制御部８２により、半導体スイッチ素子２１のスイッチング動作を制御して、第１平滑コンデンサ３０、第２平滑コンデンサ５０およびエネルギー移行用コンデンサ２３の電荷を放電する放電動作について説明する。
【００６８】
まず、開始後（ステップＳ１００）、コンバータ制御部８２は、半導体スイッチ素子２１ｄをオン動作させるとともに、半導体スイッチ素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃをオフ動作させる（ステップＳ１０１）。半導体スイッチ素子２１ｄをオン動作させることで、エネルギー移行用コンデンサ２３の低電圧ノードが、第２平滑コンデンサ５０の低電圧ノードと同じ電位Ｖｎになる。
【００６９】
次に、コンバータ制御部８２は、エネルギー移行用コンデンサ部電圧センサ２６から、エネルギー移行用コンデンサ２３の高電圧ノードと電位Ｖｎとの間の電圧Ｖ０を取得し、２次電圧センサ５１から、第２平滑コンデンサ５０の高電圧ノードと低電圧ノードとの間の電圧Ｖ２を取得する（ステップＳ１０２）。
【００７０】
ここで、この発明と同一の出願人による特許第５０５９１６０号公報において、エネルギー移行用コンデンサ２３の両端電圧が、第２平滑コンデンサ５０の端子間電圧Ｖ２の１／２倍となることが示されている。
【００７１】
このとき、半導体スイッチ素子２１ｄをオン動作していることから、エネルギー移行用コンデンサ２３の高電圧ノードと電位Ｖｎとの間の電圧Ｖ０は、エネルギー移行用コンデンサ２３の両端電圧とほぼ等しいことから、Ｖ０≒（Ｖ２／２）となり、Ｖ０＜Ｖ２の関係が成り立っている。
【００７２】
続いて、コンバータ制御部８２は、電圧Ｖ２と電圧Ｖ０との電圧差ΔＶ２０＝（Ｖ２−Ｖ０）を算出し（ステップＳ１０３）、ΔＶ２０があらかじめ設定された所定閾値Ｖｔｈ１以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。
【００７３】
ステップＳ１０４において、ΔＶ２０が所定閾値Ｖｔｈ１以上である（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、ステップＳ１０５に移行する。なお、所定閾値Ｖｔｈ１は、第２平滑コンデンサ５０の電荷を、エネルギー移行用コンデンサ２３へ移す処理を行うか否かを判定する設定値となる。
【００７４】
次に、コンバータ制御部８２は、半導体スイッチ素子２１ｄをオン動作させ、半導体スイッチ素子２１ｂ、２１ｃをオフ動作させるとともに、半導体スイッチ素子２１ａをスイッチング動作させて（ステップＳ１０５）、再度ステップＳ１０２に移行する。すなわち、ステップＳ１０１の状態から、新たに半導体スイッチ素子２１ａをスイッチング動作させる。
【００７５】
このとき、昇圧コンバータ２０の変換主回路の接続は、図３に示すようになる。図３より、第２平滑コンデンサ５０の低電圧ノードとエネルギー移行用コンデンサ２３の低電圧ノードとは等しい。また、第２平滑コンデンサ５０の高電圧ノードとエネルギー移行用コンデンサ２３の高電圧ノードとは、半導体スイッチ素子２１ａがオン動作の場合に短絡され、半導体スイッチ素子２１ａがオフ動作の場合、半導体整流素子２２ａによって、電圧Ｖ０＞電圧Ｖ２のときにはほぼ短絡状態となり、電圧Ｖ０≦電圧Ｖ２のときには開放状態となる。
【００７６】
そのため、半導体スイッチ素子２１ａがオン動作の場合には、第２平滑コンデンサ５０からエネルギー移行用コンデンサ２３へ電荷が移り、図４（ａ）〜（ｃ）に示されるように、電圧Ｖ２と電圧Ｖ０とは、平衡する。
【００７７】
これにより、昇圧コンバータ２０によって昇圧され、高電圧となっている第２平滑コンデンサ５０の電荷は、エネルギー移行用コンデンサ２３へ移り、その電圧は速やかに減少するので、感電の危険性は減少する。
【００７８】
図２に戻って、一方、ステップＳ１０４において、電圧Ｖ２と電圧Ｖ０との電圧差ΔＶ２０が所定閾値Ｖｔｈ１未満である（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合、すなわち、電圧Ｖ２と電圧Ｖ０とがほぼ平衡したと判定される場合には、ステップＳ１０６に移行する。
【００７９】
続いて、コンバータ制御部８２は、半導体スイッチ素子２１ａ、２１ｄをオン動作させるとともに、半導体スイッチ素子２１ｂ、２１ｃをスイッチング動作させる（ステップＳ１０６）。この半導体スイッチ素子の動作は、図５（ａ）に示すようになる。
【００８０】
図５（ａ）は、半導体スイッチ素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄのオン、オフ動作を時系列で示したタイムチャートであって、半導体スイッチ素子２１ａ、２１ｄは、常にオン動作としている。これにより、第２平滑コンデンサ５０とエネルギー移行用コンデンサ２３とは、互いの高電圧ノードおよび低電圧ノードが繋がり、並列接続となっている。
【００８１】
また、半導体スイッチ素子２１ｂは、あらかじめ任意に設定された所定オン時間ｔｏｎでスイッチング動作する。この場合、スイッチングＤＵＴＹは、ＤＵＴＹ＝（ｔｏｎ／Ｔ）である。一方、半導体スイッチ素子２１ｃは、半導体スイッチ素子２１ｂと相補の論理関係となる。スイッチング動作の周波数ｆｓｗ−ｄｓｃｈｒｇは、平滑コンデンサの放電動作用の周波数として、正常時に昇圧コンバータ２０の昇圧電圧を制御するときのｆｓｗとは異なる高い周波数に設定される。
【００８２】
図５（ｂ）は、リアクトル２４を導通する電流ＩＬを示しており、図５（ａ）のスイッチング動作のタイムチャートと時間を同期して表記されている。リアクトル２４を導通する電流ＩＬは、すなわち昇圧コンバータ２０を通過する電流であり、電流センサ２５にて検出される。
【００８３】
この電流ＩＬは、０（ゼロ）を跨いで正、負の極性に流れ、その平均値はおおよそ０、振幅はΔＩＬとなる。また、この電流ＩＬは、第１平滑コンデンサ３０と、第２平滑コンデンサ５０およびエネルギー移行用コンデンサ２３との間を行き来する電流であり、半導体スイッチ素子２１ｃがオン動作の場合に負極性から正極性へ向けて増加し、オフ動作の場合に正極性から負極性へ向けて減少する。
【００８４】
ここで、電動機６０とインバータ４０との接続点の電位が所定電位に固定されていることから、電動機６０は、電気負荷として作用していない。すなわち、リアクトル２４には、直流成分の負荷電流は導通せず、第１平滑コンデンサ３０と、第２平滑コンデンサ５０およびエネルギー移行用コンデンサ２３との間で、無負荷電流が流れるのみである。
【００８５】
しかしながら、この無負荷電流は、昇圧コンバータ２０内のリアクトル２４、半導体スイッチ素子２１および半導体整流素子２２を導通経路とする。そのため、リアクトル２４、半導体スイッチ素子２１および半導体整流素子２２に電流が流れることで、経路の抵抗成分にて損失が発生し、電気エネルギーが熱に変換されて第１平滑コンデンサ３０、第２平滑コンデンサ５０およびエネルギー移行用コンデンサ２３に蓄積された電荷が放電される。
【００８６】
すなわち、図５（ｂ）に示されるように、第１平滑コンデンサ３０、第２平滑コンデンサ５０およびエネルギー移行用コンデンサ２３に蓄積された電荷の放電により、時刻ｔ１における振幅ΔＩＬ１に対して、無負過電流の導通を繰り返した後の時刻ｔ２における振幅ΔＩＬ２は、減衰した値となる。
【００８７】
図２に戻って、ステップＳ１０６で、半導体スイッチ素子２１ａ、２１ｄをオン動作させるとともに、半導体スイッチ素子２１ｂ、２１ｃをオン時間ｔｏｎでスイッチング動作させるように設定した後、コンバータ制御部８２は、２次電圧センサ５１から、第２平滑コンデンサ５０の高電圧ノードと低電圧ノードとの間の電圧Ｖ２を取得する（ステップＳ１０７）。
【００８８】
次に、コンバータ制御部８２は、電圧Ｖ２があらかじめ設定された所定閾値Ｖｔｈ２以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０８）。
【００８９】
ステップＳ１０８において、電圧Ｖ２が所定閾値Ｖｔｈ２以上である（すなわち、Ｙｅｓ）と判定された場合には、再度ステップＳ１０６に移行して、上述した動作フローを繰り返す。
【００９０】
一方、ステップＳ１０８において、電圧Ｖ２が所定閾値Ｖｔｈ２未満である（すなわち、Ｎｏ）と判定された場合には、ステップＳ１０９に移行する。具体的には、第１平滑コンデンサ３０、第２平滑コンデンサ５０およびエネルギー移行用コンデンサ２３に蓄積された電荷の放電につれて、電圧Ｖ１、電圧Ｖ２が減少し、やがてＶ２がＶｔｈ２未満となったところで、ステップＳ１０９に移行する。
【００９１】
続いて、コンバータ制御部８２は、半導体スイッチ素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄのすべてをオフ動作に設定し（ステップＳ１０９）、第１平滑コンデンサ３０、第２平滑コンデンサ５０およびエネルギー移行用コンデンサ２３の電荷を放電する放電動作を終了する（ステップＳ１１０）。
【００９２】
このように、正常動作時に必要な電力変換装置の構成に新たな部品を付加することなく、車両の衝突を検知した場合や、車両の使用を終了し動力の停止状態とする場合に、インバータ４０の低電圧側パワー半導体素子４５および高電圧側パワー半導体素子４４のオン動作およびオフ動作を、上述した手順に従って切り替えることにより、電動機６０とインバータ４０との接続点の電位を所定電位に固定する。
【００９３】
また、リレー７０を開状態として、直流電源１０と第１平滑コンデンサ３０および昇圧コンバータ２０との間を電気的に切断した後、まず、半導体スイッチ素子２１ｄをオン動作させ、半導体スイッチ素子２１ｂ、２１ｃをオフ動作させるとともに、半導体スイッチ素子２１ａをスイッチング動作させて、第２平滑コンデンサ５０からエネルギー移行用コンデンサ２３へ電荷を移し、電力変換装置の中で最も高電圧な部位である第２平滑コンデンサ５０の電圧Ｖ２を減少させる。これにより、感電の危険は速やかに減少する。
【００９４】
続いて、半導体スイッチ素子２１ａ、２１ｄをオン動作させるとともに、第２平滑コンデンサ５０とエネルギー移行用コンデンサ２３とを並列接続としつつ、半導体スイッチ素子２１ｂ、２１ｃをスイッチング動作させて無負荷動作を行う。
【００９５】
この無負荷動作によって、昇圧コンバータ２０内のリアクトル２４、半導体スイッチ素子２１および半導体整流素子２２に電流を流し、経路の抵抗成分で電気エネルギーが熱に変換されて第１平滑コンデンサ３０、第２平滑コンデンサ５０およびエネルギー移行用コンデンサ２３に蓄積された電荷が放電される。これにより、何らかの乗員の救護処置や車両の事故後処理を行うべき場合に、感電を防止して安全性を確保することができる。
【００９６】
以上のように、実施の形態１によれば、放電判定指示部が、放電動作の実行を指示した場合に、インバータ制御部は、インバータに含まれるパワー半導体素子の短絡故障の有無を検出するとともに、インバータと電動機との接続点の電位を、あらかじめ設定された電位に固定し、コンバータ制御部は、インバータと電動機との接続点の電位が、あらかじめ設定された電位に固定された後に、第１平滑コンデンサおよび第２平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電させる。
【００９７】
また、インバータは、高電圧側パワー半導体素子および低電圧側パワー半導体素子を含むスイッチングアームを有し、昇圧コンバータは、複数のパワー半導体素子を直列接続したアームと、アームのパワー半導体素子の直列接続体において、変換主回路の２次側端子の高電圧側ノードに接続されるパワー半導体素子と、変換主回路の２次側端子の低電圧側ノードに接続されるパワー半導体素子とを除いて、複数のパワー半導体素子のうち、最高電圧ノードと最低電圧ノードとの間に接続されたエネルギー移行用コンデンサと、複数のパワー半導体素子の少なくとも１つのパワー半導体素子同士の接続ノードに接続されたリアクトルと、を有し、インバータ制御部は、スイッチングアームの高電圧側パワー半導体素子および低電圧側パワー半導体素子のうち、何れの側も短絡故障している相を含む場合を除いて、短絡故障している相を含む側のすべての半導体スイッチ素子をオン動作させるとともに、何れの相も短絡故障していない側のすべての半導体スイッチ素子をオフ動作させることで、インバータと電動機との接続点の電位を所定電位に固定し、コンバータ制御部は、昇圧コンバータのパワー半導体素子を構成する半導体スイッチ素子のスイッチを、２次平滑コンデンサからエネルギー移行用コンデンサへ電荷を放電させると場合と、１次平滑コンデンサ、２次平滑コンデンサおよびエネルギー移行用コンデンサに蓄積された電荷を同時に放電させる場合とで切り替えることにより、１次平滑コンデンサ、２次平滑コンデンサおよびエネルギー移行用コンデンサに蓄積された電荷を放電させる。
【００９８】
そのため、システムの複雑化やコストアップを伴うことなく、車両の衝突時や動力の停止時に、インバータや三相交流電動機を適正に保護しながら、平滑コンデンサに蓄えられた電荷を速やかに放電させることができる。
【００９９】
実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２に係る電力変換装置の昇圧コンバータを示す構成図である。図６において、この昇圧コンバータ２０Ａのアームは、半導体スイッチ素子２６ａ、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄとして、図１に示したＳｉ材料からなるＩＧＢＴではなく、バンドギャップがさらに大きいシリコンカーバイド（ＳｉＣ：炭化珪素）材料のユニポーラ型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いている。
【０１００】
この発明の実施の形態２に係る電力変換装置は、昇圧コンバータ２０Ａのパワー半導体素子が、バンドギャップがＳｉ材料のバンドギャップよりも大きい半導体材料を用いた電界効果トランジスタで構成されることを除いて、上述した実施の形態１の電力変換装置と同様である。そこで、以下、実施の形態１と同じ構成、動作、作用については、適宜説明を省略する。
【０１０１】
電界効果トランジスタは、その内部構造に起因して、双方向導通が可能な半導体素子であり、電圧の逆バイアス時（ドレイン電極の電位よりもソース電極の電位の方が高い状態）でオフ動作であっても、ソース電極からドレイン電極の方向へ電流を導通することができる。
【０１０２】
一方、順バイアス時（ソース電極の電位よりもドレイン電極の電位の方が高い状態）では、オン動作の場合にドレイン電極からソース電極の方向へ電流を導通し、オフ動作の場合には、電流は導通しない。この特性から、半導体スイッチ素子としての機能と半導体整流素子としての機能とを兼ねることができる。
【０１０３】
また、電界効果トランジスタは、ユニポーラ型の半導体素子なので、オン動作の状態からオフ動作の状態に切り替わるターンオフ時の終盤に、ＩＧＢＴのようにドリフト層内の蓄積キャリアが再結合により消滅するまでの期間としてテール電流が流れるといった現象が生じず、スイッチングの応答が速いという特徴がある。そのため、ＩＧＢＴよりも高周波数でのスイッチング動作が可能となる。
【０１０４】
さらに、半導体材料として、Ｓｉではなくバンドギャップがさらに大きいワイドバンドギャップ材料であるシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を用いることにより、高い耐圧のユニポーラ型パワー半導体素子を、実用的な特性で実現することができる。これは、ワイドバンドギャップ半導体材料の絶縁破壊強度が、Ｓｉの絶縁破壊強度よりも数倍以上高い数値であるということに起因する。
【０１０５】
すなわち、高い耐圧のパワー半導体素子を実現するためには、半導体の内部のドリフト領域に厚みを持たせ、内部の電界強度が絶縁破壊を起こさないように厚みを設定する必要がある。しかしながら、Ｓｉ材料を用いたユニポーラ型のパワー半導体素子では、耐圧が１００Ｖを超える領域において絶縁破壊を生じない厚みを設定すると、ドリフト領域での抵抗成分による損失が著しく増加し、同程度の耐圧のバイポーラ型のパワー半導体素子と比較して、特性が劣ってしまう。
【０１０６】
例えば、自動車に搭載の電気駆動システム用の電力変換装置に適用するパワー半導体素子は、直流電圧が１００Ｖから約７００Ｖに到る範囲の電圧帯を扱うので、耐圧が６００Ｖ、あるいは１２００Ｖのものが用いられる。このとき、Ｓｉ材料を用いたユニポーラ型のパワー半導体素子では、損失が大きく、発熱による温度上昇により耐熱温度を超過することから、実用が困難であった。
【０１０７】
一方、ワイドバンドギャップ半導体材料の高絶縁破壊強度という特徴をいかすと、半導体の内部のドリフト領域の厚みを薄くすることができ、耐圧が６００Ｖから１２００Ｖ程度であっても、特性が良いユニポーラ型のパワー半導体素子が実現することができる。なお、絶縁破壊強度は、Ｓｉが３．０×１０５Ｖ／ｃｍであり、シリコンカーバイド（４Ｈ−ＳｉＣ）が２．５×１０６Ｖ／ｃｍである。
【０１０８】
この発明の実施の形態２に係る電力変換装置では、上記シリコンカーバイド材料の電界効果トランジスタの特徴を用いて、昇圧コンバータ２０Ａの半導体スイッチ素子のスイッチング動作の周波数ｆｓｗ−ｄｓｃｈｒｇ−ＳｉＣを、上述した実施の形態１でのスイッチング動作の周波数ｆｓｗ−ｄｓｃｈｒｇと比べて高く動作させる。
【０１０９】
これにより、リアクトル２４を導通する電流のリプル成分ΔＩＬは、波形の山部と谷部との間隔が短縮されて振幅が小さくなるものの、それに増してリアクトル２４で発生する損失が増大し、第１平滑コンデンサ３０、第２平滑コンデンサ５０およびエネルギー移行用コンデンサ２３に蓄積された電荷の放電を促進して、より短時間で電荷を放電することができる。
【０１１０】
なお、リアクトル２４で生じる損失は、コイル部分で発生する銅損成分と、コイルに導通する電流によって誘導される磁気により、コア部分で発生する鉄損成分とからなる。また、銅損成分は、コイルに直流電流が流れることで生じる直流抵抗損と、交流電流（リプル電流）が流れることで生じる交流抵抗損と、コアからの漏れ磁束が導体に鎖交することで生じる損失とに分けられる。
【０１１１】
ここで、この発明の実施の形態２に係る電力変換装置において、平滑コンデンサに蓄積された電荷の放電動作に際しては、直流成分の負荷電流は導通せず、第１平滑コンデンサ３０、第２平滑コンデンサ５０およびエネルギー移行用コンデンサ２３の間で無負荷電流が流れるのみであり、直流抵抗損は生じない。
【０１１２】
また、交流抵抗損は、コイルに流れる交流電流の周波数が高いほど、導体の中心部に電流が流れにくくなる表皮効果と、コイルの隣接する巻回部分に、同方向に電流が流れると、相互の導体の近接部分で磁束数が増すので、近接していない側を流れようとして抵抗が増す近接効果とに起因する。これらは、何れも電流の周波数に対して、指数的に損失が増大する。
【０１１３】
また、鉄損成分は、コアの内部の磁束が変化し、磁区が磁界の向きを変える際に生じるヒステリシス損と、コアに渦電流が流れることで生じる渦電流損とに起因する。これらは、何れもコイルに流れる交流電流によって誘導される交番磁束の周波数に対して、指数的に損失が増大する。
【０１１４】
したがって、上述したように、リアクトル２４のコイルに導通する交流電流（リプル電流）の周波数が高ければ高いほど、発生する損失が増大する。パワー半導体素子よりも著しく熱容量が大きいリアクトル２４において、積極的に第１平滑コンデンサ３０、第２平滑コンデンサ５０およびエネルギー移行用コンデンサ２３に蓄積された電荷を熱に変換するよう作用させれば、温度上昇による部品の劣化を抑制しながら、さらに迅速に電荷を放電することができる。
【０１１５】
このように、昇圧コンバータ２０のパワー半導体素子が、バンドギャップがＳｉ材料のバンドギャップよりも大きい半導体材料を用いた電界効果トランジスタで構成され、平滑コンデンサに蓄積された電荷の放電動作に際して、半導体スイッチ素子のシリコンカーバイド材料による電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を、Ｓｉ材料によるＩＧＢＴよりも高周波数でスイッチングすることにより、リアクトル２４の損失を増大させて、短時間に放電を終了し、感電の可能性をさらに低減することができる。
【０１１６】
また、実用的な半導体接合部温度の上限が、Ｓｉ材料によるパワー半導体素子（半導体スイッチ素子、半導体整流素子）よりも引き上げられることから、Ｓｉ材料によるパワー半導体素子を用いたものよりも、さらに速やかに平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電し、感電する可能性を低減することができる。
【０１１７】
以上のように、実施の形態２によれば、昇圧コンバータに含まれるパワー半導体素子は、バンドギャップがＳｉ材料のバンドギャップよりも大きい半導体材料からなる電界効果トランジスタである。
そのため、Ｓｉ材料によるパワー半導体素子を用いたものよりも、さらに速やかに平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電することができる。
【０１１８】
なお、上述した実施の形態１および実施の形態２は、この発明の好適な実施事例を例示したものに過ぎない、すなわち、これらの実施の形態の構成、動作に限定されるものでなく、この発明の範囲内にある限り、別な構成、動作へ変更を加えて実施してもよい。
【０１１９】
例えば、昇圧コンバータ２０、２０Ａとして、単一のリアクトル、単一のアームおよび単一のエネルギー移行用コンデンサを備えた構成を用いて説明したが、これに限定されず、複数のリアクトル、複数のアームおよび複数のエネルギー移行用コンデンサを備えて並列動作するものであってもよい。
【０１２０】
また、インバータ４０は、これにより駆動される電動機６０を１つ備える構成を用いて示したが、これに限定されず、必ずしもインバータと電動機との組は、１つでなくてもよい。すなわち、複数の組を備え、電動機が自動車の前後の異なる駆動軸に動力を伝達するものであってもよく、また、同じ駆動軸に複数の電動機から動力を伝達するものであってもよい。
【０１２１】
何れの場合であっても、この発明の構成、動作によって、車両の衝突時や動力の停止時に、インバータや電動機を適正に保護しながら平滑コンデンサに蓄えられた電荷を速やかに放電して感電を防止することができる。
【符号の説明】
【０１２２】
１０  直流電源、２０、２０Ａ  昇圧コンバータ、２１ａ〜２１ｄ  半導体スイッチ素子、２２ａ〜２２ｄ  半導体整流素子、２３  エネルギー移行用コンデンサ、２４  リアクトル、２５  電流センサ、２６  エネルギー移行用コンデンサ部電圧センサ、２６ａ〜２６ｄ  半導体スイッチ素子、３０  第１平滑コンデンサ、３１  １次電圧センサ、４０  インバータ、４１  スイッチングアーム、４２ａ〜４２ｆ  半導体スイッチ素子、４３ａ〜４３ｆ  半導体整流素子、４４  高電圧側パワー半導体素子、４５  低電圧側パワー半導体素子、５０  第２平滑コンデンサ、５１  ２次電圧センサ、６０  電動機、７０  リレー、８０  放電制御部、８１  放電判定指示部、８２  コンバータ制御部、８３インバータ制御部。
【図１】
2015033153.tif 000003
【図２】
2015033153.tif 000004
【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26年12月3日(2014.12.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】
この発明に係る電力変換装置は、直流電源と、直流電源から供給される直流電圧を昇圧する昇圧コンバータと、直流電源と昇圧コンバータとの間の電圧を平滑化する第１平滑コンデンサと、昇圧コンバータから出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、昇圧コンバータとインバータとの間の電圧を平滑化する第２平滑コンデンサと、インバータから出力される交流電圧が印加される電動機と、昇圧コンバータに含まれるパワー半導体素子のスイッチング動作を制御するコンバータ制御部と、インバータに含まれるパワー半導体素子のスイッチング動作を制御するインバータ制御部と、車両の衝突を検知した場合および車両の使用を終了し動力の停止状態とする場合の少なくとも一方の場合に、第１平滑コンデンサおよび第２平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電する指示を出す放電判定指示部と、昇圧コンバータを通過する電流を計測する電流センサと、直流電源と第１平滑コンデンサとの間に接続されたリレーと、を備え、インバータは、高電圧側パワー半導体素子および低電圧側パワー半導体素子を含むスイッチングアームを有し、昇圧コンバータは、複数のパワー半導体素子を直列接続したアームと、アームのパワー半導体素子の直列接続体において、変換主回路の２次側端子の高電圧側ノードに接続されるパワー半導体素子と、変換主回路の２次側端子の低電圧側ノードに接続されるパワー半導体素子とを除いて、複数のパワー半導体素子のうち、最高電圧ノードと最低電圧ノードとの間に接続されたエネルギー移行用コンデンサと、複数のパワー半導体素子の少なくとも１つのパワー半導体素子同士の接続ノードに接続されたリアクトルと、を有し、放電判定指示部が、放電動作の実行を指示した場合に、インバータ制御部は、インバータに含まれるパワー半導体素子の短絡故障の有無を検出するとともに、インバータと電動機との接続点の電位を、あらかじめ設定された電位に固定し、コンバータ制御部は、インバータと電動機との接続点の電位が、あらかじめ設定された電位に固定された後に、リレーが開放して、直流電源と第１平滑コンデンサとの間を電気的に切断した状態で、第１平滑コンデンサおよび第２平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電させるものであり、インバータ制御部は、インバータを構成する高電圧側パワー半導体素子および低電圧側パワー半導体素子のうち、一方をオン動作させるとともに、他方をオフ動作させ、このとき電流センサで計測された電流に基づいて、高電圧側パワー半導体素子および低電圧側パワー半導体素子の短絡故障の有無を検出し、スイッチングアームの高電圧側パワー半導体素子および低電圧側パワー半導体素子のうち、何れの側も短絡故障している相を含む場合を除いて、短絡故障している相を含む側のすべての半導体スイッチ素子をオン動作させるとともに、何れの相も短絡故障していない側のすべての半導体スイッチ素子をオフ動作させることで、インバータと電動機との接続点の電位を、あらかじめ設定された電位に固定し、コンバータ制御部は、昇圧コンバータのパワー半導体素子を構成する半導体スイッチ素子のスイッチを、第２平滑コンデンサからエネルギー移行用コンデンサへ電荷を放電させ、その後、第１平滑コンデンサ、第２平滑コンデンサおよびエネルギー移行用コンデンサに蓄積された電荷を放電させるように動作させることにより、第１平滑コンデンサ、第２平滑コンデンサおよびエネルギー移行用コンデンサに蓄積された電荷を放電させるものである。
【手続補正２】
【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】
直流電源と、
前記直流電源から供給される直流電圧を昇圧する昇圧コンバータと、
前記直流電源と前記昇圧コンバータとの間の電圧を平滑化する第１平滑コンデンサと、
前記昇圧コンバータから出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
前記昇圧コンバータと前記インバータとの間の電圧を平滑化する第２平滑コンデンサと、
前記インバータから出力される交流電圧が印加される電動機と、
前記昇圧コンバータに含まれるパワー半導体素子のスイッチング動作を制御するコンバータ制御部と、
前記インバータに含まれるパワー半導体素子のスイッチング動作を制御するインバータ制御部と、
車両の衝突を検知した場合および車両の使用を終了し動力の停止状態とする場合の少なくとも一方の場合に、前記第１平滑コンデンサおよび前記第２平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電する指示を出す放電判定指示部と、
前記昇圧コンバータを通過する電流を計測する電流センサと、
前記直流電源と前記第１平滑コンデンサとの間に接続されたリレーと、を備え、
前記インバータは、
高電圧側パワー半導体素子および低電圧側パワー半導体素子を含むスイッチングアームを有し、
前記昇圧コンバータは、
複数のパワー半導体素子を直列接続したアームと、
前記アームのパワー半導体素子の直列接続体において、変換主回路の２次側端子の高電圧側ノードに接続されるパワー半導体素子と、変換主回路の２次側端子の低電圧側ノードに接続されるパワー半導体素子とを除いて、前記複数のパワー半導体素子のうち、最高電圧ノードと最低電圧ノードとの間に接続されたエネルギー移行用コンデンサと、
前記複数のパワー半導体素子の少なくとも１つのパワー半導体素子同士の接続ノードに接続されたリアクトルと、を有し、
前記放電判定指示部が、放電動作の実行を指示した場合に、
前記インバータ制御部は、前記インバータに含まれるパワー半導体素子の短絡故障の有無を検出するとともに、前記インバータと前記電動機との接続点の電位を、あらかじめ設定された電位に固定し、
前記コンバータ制御部は、前記インバータと前記電動機との接続点の電位が、あらかじめ設定された電位に固定された後に、前記リレーが開放して、前記直流電源と前記第１平滑コンデンサとの間を電気的に切断した状態で、前記第１平滑コンデンサおよび前記第２平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電させるものであり、
前記インバータ制御部は、
前記インバータを構成する高電圧側パワー半導体素子および低電圧側パワー半導体素子のうち、一方をオン動作させるとともに、他方をオフ動作させ、このとき前記電流センサで計測された電流に基づいて、前記高電圧側パワー半導体素子および前記低電圧側パワー半導体素子の短絡故障の有無を検出し、
前記スイッチングアームの前記高電圧側パワー半導体素子および前記低電圧側パワー半導体素子のうち、何れの側も短絡故障している相を含む場合を除いて、短絡故障している相を含む側のすべての半導体スイッチ素子をオン動作させるとともに、何れの相も短絡故障していない側のすべての半導体スイッチ素子をオフ動作させることで、前記インバータと前記電動機との接続点の電位を、あらかじめ設定された電位に固定し、
前記コンバータ制御部は、
前記昇圧コンバータの前記パワー半導体素子を構成する半導体スイッチ素子のスイッチを、前記第２平滑コンデンサから前記エネルギー移行用コンデンサへ電荷を放電させ、その後、前記第１平滑コンデンサ、前記第２平滑コンデンサおよび前記エネルギー移行用コンデンサに蓄積された電荷を放電させるように動作させることにより、前記第１平滑コンデンサ、前記第２平滑コンデンサおよび前記エネルギー移行用コンデンサに蓄積された電荷を放電させる
電力変換装置。
【請求項２】
前記昇圧コンバータに含まれる前記パワー半導体素子は、バンドギャップがＳｉ材料のバンドギャップよりも大きい半導体材料からなる電界効果トランジスタである
請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
直流電源と、
前記直流電源から供給される直流電圧を昇圧する昇圧コンバータと、
前記直流電源と前記昇圧コンバータとの間の電圧を平滑化する第１平滑コンデンサと、
前記昇圧コンバータから出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
前記昇圧コンバータと前記インバータとの間の電圧を平滑化する第２平滑コンデンサと、
前記インバータから出力される交流電圧が印加される電動機と、
前記昇圧コンバータに含まれるパワー半導体素子のスイッチング動作を制御するコンバータ制御部と、
前記インバータに含まれるパワー半導体素子のスイッチング動作を制御するインバータ制御部と、
車両の衝突を検知した場合および車両の使用を終了し動力の停止状態とする場合の少なくとも一方の場合に、前記第１平滑コンデンサおよび前記第２平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電する指示を出す放電判定指示部と、
前記昇圧コンバータを通過する電流を計測する電流センサと、
前記直流電源と前記第１平滑コンデンサとの間に接続されたリレーと、を備え
前記インバータは、
高電圧側パワー半導体素子および低電圧側パワー半導体素子を含むスイッチングアームを有し、
前記昇圧コンバータは、
複数のパワー半導体素子を直列接続したアームと、
前記アームのパワー半導体素子の直列接続体において、変換主回路の２次側端子の高電圧側ノードに接続されるパワー半導体素子と、変換主回路の２次側端子の低電圧側ノードに接続されるパワー半導体素子とを除いて、前記複数のパワー半導体素子のうち、最高電圧ノードと最低電圧ノードとの間に接続されたエネルギー移行用コンデンサと、
前記複数のパワー半導体素子の少なくとも１つのパワー半導体素子同士の接続ノードに接続されたリアクトルと、を有する電力変換装置によって実行される電力変換方法であって、
前記放電判定指示部が、放電動作の実行を指示した場合に、
前記インバータに含まれるパワー半導体素子の短絡故障の有無を検出するステップと、
前記インバータと前記電動機との接続点の電位を、あらかじめ設定された電位に固定するステップと、
前記リレーが開放して、前記直流電源と前記第１平滑コンデンサとの間を電気的に切断した状態で、前記第１平滑コンデンサおよび前記第２平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電させるステップと、を有するものであり、
短絡故障の有無を検出するステップは、前記インバータを構成する高電圧側パワー半導体素子および低電圧側パワー半導体素子のうち、一方をオン動作させるとともに、他方をオフ動作させ、このとき前記電流センサで計測された電流に基づいて、前記高電圧側パワー半導体素子および前記低電圧側パワー半導体素子の短絡故障の有無を検出し、
あらかじめ設定された電位に固定するステップは、前記スイッチングアームの前記高電圧側パワー半導体素子および前記低電圧側パワー半導体素子のうち、何れの側も短絡故障している相を含む場合を除いて、短絡故障している相を含む側のすべての半導体スイッチ素子をオン動作させるとともに、何れの相も短絡故障していない側のすべての半導体スイッチ素子をオフ動作させることで、前記インバータと前記電動機との接続点の電位を、あらかじめ設定された電位に固定し、
電荷を放電させるステップは、前記昇圧コンバータの前記パワー半導体素子を構成する半導体スイッチ素子のスイッチを、前記第２平滑コンデンサから前記エネルギー移行用コンデンサへ電荷を放電させ、その後、前記第１平滑コンデンサ、前記第２平滑コンデンサおよび前記エネルギー移行用コンデンサに蓄積された電荷を放電させるように動作させることにより、前記第１平滑コンデンサ、前記第２平滑コンデンサおよび前記エネルギー移行用コンデンサに蓄積された電荷を放電させる
電力変換方法。