(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスイッチング素子を含むインバータ回路と、
第１抵抗を介して前記スイッチング素子へゲート駆動信号を供給する第１ゲート駆動回路と、
前記第１抵抗よりも低い第２抵抗を介して前記スイッチング素子へゲート駆動信号を供給する第２ゲート駆動回路と、
外部からの出力指令と、直流負荷と前記インバータ回路との間に接続する直流ライン間の電圧と、前記インバータ回路と交流負荷との間に接続する交流ラインの電流との値を受信し、前記出力指令の値を実現するように前記スイッチング素子を切替えるＰＷＭ信号を生成して出力し、かつ、前記直流ライン間の電圧と前記交流ラインの電流との値に基づいて、前記第１ゲート駆動回路と前記第２ゲート駆動回路とのいずれか一方を選択する速度切替信号を生成して出力する制御部と、
前記スイッチング素子の両端の電圧或いは前記スイッチング素子のゲート電圧に基づいて、前記速度切替信号に基づいて選択された前記第１ゲート駆動回路又は前記第２ゲート駆動回路の異常の有無を検出し、異常があると検出したときに、前記速度切替信号に基づいて選択されたゲート駆動回路から他方のゲート駆動回路へ前記ＰＷＭ信号の出力先を切替えるゲート信号処理回路と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記ゲート信号処理回路にて異常があると検出したことに基づいて前記ＰＷＭ信号の出力先を切替えたのちは、前記他方のゲート駆動回路の異常が検出されないときには、前記速度切替信号に関わらず、前記ＰＷＭ信号の出力先を切替えないことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記ゲート信号処理回路にて異常があると検出したことに基づいて前記ＰＷＭ信号の出力先を切替えたのちは、前記他方のゲート駆動回路の異常が検出されたときには、前記インバータ回路を停止する指令を前記制御部へ出力することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記ゲート信号処理回路は、前記第１ゲート駆動回路又は前記第２ゲート駆動回路に異常があると判断し、かつ、第１ゲート駆動回路により前記スイッチング素子へゲート駆動信号が供給されているときに、前記インバータ回路の回生動作を制限することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記直流ライン間に接続した一対のスイッチング素子を備えた昇圧器を更に備え、
前記ゲート信号処理回路は、前記第１ゲート駆動回路又は前記第２ゲート駆動回路に異常があると判断し、かつ、第１ゲート駆動回路により前記スイッチング素子へゲート駆動信号が供給されているときに、前記昇圧器により昇圧する電圧を制限することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の電力変換装置。
【請求項６】
複数のスイッチング素子を含むインバータ回路と、
第１抵抗を介して前記スイッチング素子へゲート駆動信号を供給する第１ゲート駆動回路と、
前記第１抵抗よりも低い第２抵抗を介して前記スイッチング素子へゲート駆動信号を供給する第２ゲート駆動回路と、
外部からの出力指令と、直流負荷と前記インバータ回路との間に接続する直流ライン間の電圧と、前記インバータ回路と交流負荷との間に接続する交流ラインの電流との値を受信し、前記出力指令の値を実現するように前記スイッチング素子を切替えるＰＷＭ信号を生成して出力し、かつ、前記直流ライン間の電圧と前記交流ラインの電流との値に基づいて、前記第１ゲート駆動回路と前記第２ゲート駆動回路とのいずれか一方を選択する速度切替信号を生成して出力する制御部であって、前記交流ラインの電流の１周期間の積分値がゼロでないときに前記速度切替信号を、前記選択されたゲート駆動回路とは異なるゲート駆動回路を選択する値とする前記制御部と、
前記速度切替信号に基づいて、前記第１ゲート駆動回路と前記第２ゲート駆動回路のいずれか一方へ前記ＰＷＭ信号を出力するゲート信号処理回路と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
直流負荷としての直流電源と、
交流負荷としてのモータと、
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の電力変換装置と、
前記モータの動力を車輪に伝達する車軸と、
を備えたことを特徴とする車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電力変換装置および車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータ回路は、例えば、直流電源と接続した直流ラインと、直流ラインの高電位側と低電位側との間で直列に接続した一対のスイッチング素子と、を備える。一対のスイッチング素子間は交流負荷と電気的に接続している。
【０００３】
インバータ回路におけるエネルギー損失は、主に導通損失とスイッチング損失との２つに分けられる。導通損失は、インバータ回路の各相上下アームに設けられたスイッチング素子を電流が流れる際に発生する。インバータ回路におけるスイッチング損失は、例えば発熱損失であって、スイッチング素子のスイッチング時に電流・電圧が変化率を持って変化することにより、電圧および電流が変化している期間の電圧と電流の積として発生する損失である。したがって、インバータ回路ではスイッチング速度が速いほど、スイッチング素子で発生する発熱損失は低下する。
【０００４】
また、インバータ回路のスイッチング素子を切り替えるタイミングに同期して、直流ラインに瞬間的に大きな電圧（サージ電圧）が発生することがある。スイッチング素子のスイッチング速度が早いほど、切替わる時にスイッチング素子に流れる電流変化量が大きくなり、サージ電圧は大きくなる。
【０００５】
従来、例えば、ゲート充電電荷量によって電流を制御するパワー半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等）を採用したインバータ回路において、小電流域のみにおいてゲート充電電流の大きさを切り替える事によりスイッチング速度を変化させる方法や、負荷の大きさに応じてスイッチング素子のゲート抵抗を切替えてスイッチング素子の寿命を延ばす方法が提案されている。
【０００６】
また、上記のように、スイッチング素子のスイッチング速度が早いほど、サージ電圧が大きくなることから、直流電源の電圧に応じてゲート充電電流の大きさを切替えることによりスイッチング速度を変化させる方法も提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平５−３２８７４６号公報
【特許文献２】特開２００２−１２５３６２号公報
【特許文献３】特開２００１−３４６３７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
先述のようなゲート充電電流を切替える手段を有するインバータの構成で、スイッチング素子にゲート駆動信号を伝達する経路に設けられたトランジスタや抵抗等に異常が発生した場合、正常動作を行うことができなくなり、インバータ回路の動作を停止させる必要があった。しかしながら、異常が発生した際に、正常動作に比べてパフォーマンスが低下してもインバータ回路およびその搭載機器の運転を継続可能とすることが望まれていた。
【０００９】
本発明の実施形態は、上記事情を鑑みて成されたものであって、制御回路に異常が発生した際に、運転継続することが可能な電力変換装置および車両を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
実施形態による電力変換装置は、複数のスイッチング素子を含むインバータ回路と、第１抵抗を介して前記スイッチング素子へゲート駆動信号を供給する第１ゲート駆動回路と、前記第１抵抗よりも低い第２抵抗を介して前記スイッチング素子へゲート駆動信号を供給する第２ゲート駆動回路と、外部からの出力指令と、直流負荷と前記インバータ回路との間に接続する直流ライン間の電圧と、前記インバータ回路と交流負荷との間に接続する交流ラインの電流との値を受信し、前記出力指令の値を実現するように前記スイッチング素子を切替えるＰＷＭ信号を生成して出力し、かつ、前記直流ライン間の電圧と前記交流ラインの電流との値に基づいて、前記第１ゲート駆動回路と前記第２ゲート駆動回路とのいずれか一方を選択する速度切替信号を生成して出力する制御部と、前記スイッチング素子の両端の電圧或いは前記スイッチング素子のゲート電圧に基づいて、前記速度切替信号に基づいて選択された前記第１ゲート駆動回路又は前記第２ゲート駆動回路の異常の有無を検出し、異常があると検出したときに、前記速度切替信号に基づいて選択されたゲート駆動回路から他方のゲート駆動回路へ前記ＰＷＭ信号の出力先を切替えるゲート信号処理回路と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、第１実施形態の電力変換装置および車両の一構成例を説明するための図である。
【図２】図２は、図１に示す第１ゲート駆動回路および第２ゲート駆動回路の一構成例を概略的に示す図である。
【図３】図３は、図１に示す第１ゲート駆動回路および第２ゲート駆動回路の他の構成例を概略的に示す図である。
【図４】図４は、図１乃至図３に示す制御部およびゲート信号処理回路の動作の一例を説明するためのフローチャートである。
【図５】図５は、第２実施形態の電力変換装置および車両の一構成例を説明するための図である。
【図６】図６は、第２実施形態の電力変換装置および車両における制御部およびゲート信号処理回路の動作の一例を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施形態の電力変換装置および車両について、図面を参照して説明する。  
図１は、第１実施形態の電力変換装置および車両の一構成例を説明するための図である。
【００１３】
第１実施形態の車両は、電力変換装置と、直流電源ＢＴと、交流負荷である電動機Ｍと、車軸を介して電動機Ｍの回転動力が伝達される車輪ＷＬ、ＷＬ、を備えている。  
第１実施形態の電力変換装置は、インバータ回路ＩＮＶと、制御回路ＣＴＲＬと、電流検出部２０と、平滑コンデンサＣと、放電抵抗器Ｒと、を備えている。
【００１４】
直流電源（直流負荷）ＢＴは、例えばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池等の蓄電池を含む。直流電源ＢＴから出力した直流電力は、インバータ回路ＩＮＶへ供給される。また、直流電源ＢＴはインバータ回路ＩＮＶを介して接続された交流負荷、例えば電動機Ｍが発電する電気エネルギーを充電する。
【００１５】
インバータ回路ＩＮＶは、直流電源ＢＴから供給された直流電力を３相交流電力に変換する３相インバータである。インバータ回路ＩＮＶは、複数のスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚを備えている。インバータ回路ＩＮＶは、後述する制御回路ＣＴＲＬからのゲート駆動信号に従って、複数のスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚが開閉することにより、電動機Ｍへ３相交流電流を供給する。
【００１６】
インバータ回路ＩＮＶは、直流電源ＢＴと電動機Ｍとの間に接続し、直流電源ＢＴからの電流を供給する直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間に直列に接続した一対のスイッチング素子を備えた複数のスイッチ回路を備えている。Ｕ相のスイッチ回路はスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘを含み、Ｖ相のスイッチ回路はスイッチング素子Ｓｖ、Ｓｙを含み、Ｗ相のスイッチ回路はスイッチング素子Ｓｗ、Ｓｚを含む。各相のスイッチ回路は互いに並列に接続している。各相において、一対のスイッチング素子が直列に接続し、一対のスイッチング素子間において電動機Ｍに接続している。例えば、Ｕ相において、一対のスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘは直列に接続し、一対のスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘの直列接続点は電動機Ｍに接続している。スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚは、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＦＥＴ（Field-Effect Transistor）、ＧＴＯ（gate turn-off thyristor）、トランジスタなどの電気的に開閉制御することができる半導体スイッチである。
【００１７】
平滑コンデンサＣと放電抵抗器Ｒとは、高電位側の直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）と低電位側の直流ラインＬＩＮＫ（Ｌ）との間に接続し、直流電源ＢＴとインバータ回路ＩＮＶとの間において、複数のスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚ、および、直流電源ＢＴと並列に接続している。平滑コンデンサＣは、インバータ回路ＩＮＶが運転することにより、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）の電圧が変動することを抑制する。平滑コンデンサＣに蓄積された容量は、放電抵抗器Ｒに流れる電流により放電される。
【００１８】
インバータ回路ＩＮＶと直流電源ＢＴとは遮断手段（図示せず）により接続あるいは開放される。遮断手段は、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）それぞれに設けられている。遮断手段は、例えば上位制御装置からの制御信号に従って直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）の開閉動作を行う手段であって、例えば電磁接触器である。インバータ回路ＩＮＶと交流負荷との間には交流ラインが接続し、インバータ回路ＩＮＶと交流負荷とは交流ラインを介して交流電流を互いに供給可能である。
【００１９】
電動機（交流負荷）Ｍは、インバータ回路ＩＮＶから供給された電流によりトルクを発生する。電動機Ｍの出力軸には、負荷装置が接続されて発生したトルクが伝達される。また、電動機Ｍは、負荷装置の運動エネルギーを電力に変換して回生運転する。電動機Ｍの回生運転による電力はインバータ回路ＩＮＶで直流電力へ変換されて、直流電源ＢＴに充電される。本実施形態では、電動機Ｍの出力軸には、車軸が接続されて発生したトルクが車軸を介して車輪ＷＬへ伝達される。また、電動機Ｍは、車軸を介して伝達された車輪ＷＬの運動エネルギーを電力に変換して回生運転する。
【００２０】
電流検出部２０は、電流検出器２２、２４、２６を備えている。電流検出器２２は、Ｕ相の交流ラインに流れる電流を検出する。電流検出器２４は、Ｖ相の交流ラインに流れる電流を検出する。電流検出器２６は、Ｗ相の交流ラインに流れる電流を検出する。
【００２１】
制御回路ＣＴＲＬは、電圧検出部１０と、制御部１２と、ゲート信号処理回路１４と、第１ゲート駆動回路１６と、第２ゲート駆動回路１８と、を備えている。  
電圧検出部１０は、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧を検出して、制御部１２へ供給する。
【００２２】
制御部１２は、例えばＣＰＵ（central processing unit）等の演算装置とメモリとを備えている。制御部１２は、外部から入力される出力指令（図示せず）と、直流電源ＢＴの電源電圧（直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧）と、交流ラインによりモータＭに供給される各相の電流（相電流）と、予めメモリ（図示せず）に格納されたキャリア波とに基づいて、外部からの出力指令値を実現するようにスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、ＳｚのＰＷＭ信号を演算して出力する。ＰＷＭ信号は、例えば、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚそれぞれに対して生成される。
【００２３】
制御部１２は、各相のスイッチ回路の速度切替信号を出力する。なお、速度切替信号は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のスイッチ回路に共通の信号であってもよく、各相それぞれについて生成される信号であってもよい。速度切替信号は、後述する第１ゲート駆動回路１６と第２ゲート駆動回路１８との一方をゲート駆動回路として選択するための信号である。制御部１２は、例えば、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧値と、電動機Ｍへ出力する電流値（相電流）とに応じて、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚのゲート充電電流の大きさを切替えてスイッチング速度を変化させる速度切替信号を生成する。
【００２４】
ゲート信号処理回路１４は、制御部１２からスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚの動作を制御するためのＰＷＭ信号と、速度切替信号とを受信する。また、ゲート信号処理回路１４は、速度切替信号に従って、第１ゲート駆動回路１６と第２ゲート駆動回路１８とのいずれか一方を選択し、ＰＷＭ信号を出力する。
【００２５】
ゲート信号処理回路１４は、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚの両端の電圧に基づいて第１ゲート駆動回路１６又は第２ゲート駆動回路１８の異常を検出したときに、速度切替信号に基づいて選択されたゲート駆動回路から他方のゲート駆動回路へＰＷＭ信号の出力先を切替える。例えば、ゲート信号処理回路１４は、第１ゲート駆動回路１６又は第２ゲート駆動回路１８に異常を検出したときに、速度切替信号を異なる値とする。すなわち、速度切替信号に基づいて第１ゲート駆動回路１６が選択されているときに、第１ゲート駆動回路１６に異常を検出したときには、ゲート信号処理回路１４は、第２ゲート駆動回路１８へＰＷＭ信号が出力されるように切替える（例えば、速度切替信号を第２ゲート駆動回路１８を選択する値とする）。速度切替信号に基づいて第２ゲート駆動回路１８が選択されているときに、第２ゲート駆動回路１８に異常を検出したときには、ゲート信号処理回路１４は、第１ゲート駆動回路１６へＰＷＭ信号が出力されるように切替える（例えば、速度切替信号を第１ゲート駆動回路１６を選択する値とする）。
【００２６】
また、ゲート信号処理回路１４は、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚにゲート信号を伝達する経路に設けられたトランジスタや抵抗等の異常を検出した際に、速度切替信号に基づいて選択されたゲート駆動回路から他方のゲート駆動回路へ切替える（例えば、速度切替信号を異なる値とする）。
【００２７】
第１ゲート駆動回路１６および第２ゲート駆動回路１８は、ゲート信号処理回路１４から受信したＰＷＭ信号に応じて、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚへゲート駆動信号を印加する。
【００２８】
図２は、図１に示す第１ゲート駆動回路および第２ゲート駆動回路の一構成例を概略的に示す図である。なお、ここでは、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚの１つを駆動する回路を示し、他の回路を省略している。図２に示す第１ゲート駆動回路１６および第２ゲート駆動回路１８は、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚの夫々のゲートの前段に設けられている。
【００２９】
ゲート信号処理回路１４には、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚの両端の電圧Ｖｃｅが入力される。ゲート信号処理回路１４は、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚの両端の電圧Ｖｃｅを監視し、ゲート駆動信号の状態と一致しなければ回路に異常を検出する。すなわち、正常な状態であれば、ゲート駆動信号がハイレベル（オン）であるときには電圧Ｖｃｅは低くなり、ゲート駆動信号がローレベル（オフ）であるときには電圧Ｖｃｅは高くなる。
【００３０】
例えば、ゲート信号処理回路１４は、ゲート駆動信号がローレベルのときに電圧Ｖｃｅが所定の値（第１閾値）より低いときと、ゲート駆動信号がハイレベルのときに電圧Ｖｃｅが所定の値（第２閾値）より高いときと、の少なくとも一方であるときに、回路の異常を検出する。また、ゲート信号処理回路１４は、例えば、ゲート駆動信号がハイレベルの時に電圧Ｖｃｅが所定の範囲に含まれていないときと、ゲート駆動信号がローレベルの時に電圧Ｖｃｅが所定の範囲に含まれていないときと、の少なくとも一方であるときに、回路に異常を検出してもよい。
【００３１】
第１ゲート駆動回路１６は、トランジスタＳ１、Ｓ２と、抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３とを有している。  
トランジスタＳ１のエミッタとトランジスタＳ２のエミッタとは、抵抗器Ｒ１、Ｒ３を介して接続している。トランジスタＳ１およびトランジスタＳ２のゲートは、ゲート信号処理回路１４のＰＷＭ信号の出力端子の一方と電気的に接続している。トランジスタＳ１のコレクタはハイレベル電圧に接続され、トランジスタＳ２のコレクタはローレベル電圧に接続されている。抵抗器Ｒ２は、抵抗器Ｒ１、Ｒ３間とスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚのゲートとの間に直列に接続している。
【００３２】
トランジスタＳ１とトランジスタＳ２とは互いに極性が逆となっている。トランジスタＳ１とトランジスタＳ２とのゲートには共通のＰＷＭ信号が印加される。したがって、トランジスタＳ１が導通するタイミングでトランジスタＳ２は非導通状態となり、トランジスタＳ２が導通するタイミングでトランジスタＳ１は非導通状態となる。
【００３３】
例えば低速のスイッチング速度とする速度切替信号がゲート信号処理回路１４へ入力されているとき、第１ゲート駆動回路１６が動作し、第１ゲート駆動回路１６からスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚを低速で切替えるゲート駆動信号が出力される。ＰＷＭ信号に従ってトランジスタＳ１が導通しているときに、第１ゲート駆動回路１６によりスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚのゲートにハイレベルのゲート駆動信号が印加され、トランジスタＳ２が導通しているときに、第１ゲート駆動回路１６によりスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚのゲートにローレベルのゲート駆動信号が印加される。
【００３４】
第２ゲート駆動回路１８は、トランジスタＳ３、Ｓ４と、抵抗器Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６とを有している。第１ゲート駆動回路１６の抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３と、第２ゲート駆動回路１８の抵抗器Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６とは抵抗値が異なっており、他の構成は第１ゲート駆動回路１６と同様である。トランジスタＳ３およびトランジスタＳ４のゲートは、ゲート信号処理回路１４のＰＷＭ信号出力端子の他方と電気的に接続している。トランジスタＳ３のコレクタはハイレベル電圧に接続され、トランジスタＳ４のコレクタはローレベル電圧に接続されている。
【００３５】
例えば高速のスイッチング速度とする速度切替信号がゲート信号処理回路１４へ入力されているとき、第２ゲート駆動回路１８が動作し、第２ゲート駆動回路１８からスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚを高速で切替えるゲート駆動信号が出力される。ＰＷＭ信号に従ってトランジスタＳ３が導通しているときに、第２ゲート駆動回路１８は、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚのゲートにハイレベルのゲート駆動信号が印加し、トランジスタＳ４が導通しているときに、第２ゲート駆動回路１８は、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚのゲートにローレベルのゲート駆動信号が印加する。
【００３６】
第１ゲート駆動回路１６の抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、第２ゲート駆動回路１８の抵抗器Ｒ４、Ｒ５、Ｒ６よりも、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚのゲート抵抗が高くなるように設定されている。したがって、第１ゲート駆動回路１６によりスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚのゲートへ駆動信号が印加されるときには、ゲート充電電流が小さくなりスイッチング速度が遅くなる。また、第２ゲート駆動回路１８によりスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚのゲートへ駆動信号が印加されるときには、ゲート充電電流が大きくなりスイッチング速度が速くなる。
【００３７】
図３は、図１に示す第１ゲート駆動回路および第２ゲート駆動回路の他の構成例を概略的に示す図である。なお、図２に示す回路と同様に、図３に示す第１ゲート駆動回路１６および第２ゲート駆動回路１８は、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚの夫々のゲートの前段に設けられている。
【００３８】
この回路では、ゲート信号処理回路１４が回路の異常を検出する構成が図２と異なっている。
ゲート信号処理回路１４には、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚのゲート電圧が入力されている。ゲート信号処理回路１４は、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚのゲート電圧を監視し、ゲート駆動信号の状態と一致しなければ回路の異常を検出する。すなわち、正常な状態であれば、ゲート駆動信号がハイレベル（オン）であるときにはゲート電圧はハイレベル（オン）であり、ゲート駆動信号がローレベル（オフ）であるときにはゲート電圧はローレベル（オフ）である。
【００３９】
例えば、ゲート信号処理回路１４は、ゲート駆動信号がハイレベルのときにゲート電圧が所定の値（第３閾値）より低いときと、ゲート駆動信号がローレベルのときにゲート電圧が所定の値（第４閾値）より高いときと、の少なくとも一方であるときに回路の異常を検出する。また、ゲート信号処理回路１４は、例えば、ゲート駆動信号がハイレベルの時にゲート電圧が所定の範囲に含まれていないときと、ゲート駆動信号がローレベルの時にゲート電圧が所定の範囲に含まれていないときと、の少なくとも一方であるときに、回路の異常を検出してもよい。
なお、ゲート信号処理回路１４は、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚの両端の電圧Ｖｃｅとゲート電圧との両方を監視して、両方の電圧に基づいて異常を検出しても構わない。
【００４０】
図４は、図１乃至図３に示す制御部およびゲート信号処理回路の動作の一例を説明するためのフローチャートである。  
ゲート信号処理回路１４は、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚの両端の電圧Ｖｃｅ或いはゲート電圧を監視し、回路に異常を検出する。（ステップＳＡ１）
【００４１】
ゲート信号処理回路１４は、ステップＳＡ１で異常を検出したときに、制御部１２から受信した速度切替信号に基づいて、現在、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚのゲート抵抗が高い状態か、低い状態かを検出する。（ステップＳＡ２）
【００４２】
ゲート抵抗が低い状態であるとき、ゲート信号処理回路１４は、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚへゲート駆動信号を供給する回路を第２ゲート駆動回路１８から第１ゲート駆動回路１６に切替え、ゲート抵抗を高くする。（ステップＳＡ３）
【００４３】
ゲート抵抗が高い状態であるとき、ゲート信号処理回路１４は、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚへゲート駆動信号を供給する回路を第１ゲート駆動回路１６から第２ゲート駆動回路１８に切替え、ゲート抵抗を低くする。
【００４４】
このとき、ゲート信号処理回路１４は、電動機Ｍの回生動作を制限又は回生動作を禁止する指令を制御部１２へ通知する。通常、車両が減速（モータ減速）するとエネルギーがインバータＩＮＶ側に戻り、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧が上昇する（回生動作）。ゲート抵抗が低い状態に固定された状態で回生動作を行い、直流電圧が上昇すると、ゲート抵抗が高い状態への切替が出来ないため、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚが破壊する恐れがある。したがって、制御部１２は、ゲート信号処理回路１４から回生動作を制限する指令を受けると、電動機Ｍの出力トルクが負とならないようにＰＷＭ信号を生成する。このように回生動作を制限又は回生動作を禁止することにより、直流電圧の上昇を抑制し、スイッチング素子の破壊を回避することができる。（ステップＳＡ４）
【００４５】
なお、本実施形態において、例えば、制御部１２は、通常使用での上限となるバッテリ残量における開放電圧値Ｖｍａｘ以上であるときに低速のスイッチング速度（ゲート抵抗高）となるように速度切替信号を生成する。このときにゲート抵抗が高い第１ゲート駆動回路１６が故障した場合、前述のように回生動作を制限してもよく、上述の開放電圧値Ｖｍａｘを上限として回生動作を禁止するよう回生量を調整しても良い。
【００４６】
続いて、ゲート信号処理回路１４は、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚの両端の電圧Ｖｃｅ或いはゲート電圧を監視し、回路に異常を検出する。（ステップＳＡ５）
【００４７】
ゲート信号処理回路１４は、ステップＳＡ５で異常が検出されないとき、ステップＳＡ３又はステップＳＡ４で切替えた速度切替信号にてインバータ回路ＩＮＶの運転を継続する。ここで、ゲート信号処理回路１４は、制御部１２から送信される速度切替信号に関わらず、切替えた後のゲート駆動回路へＰＷＭ信号を出力するように運転を継続する。ゲート信号処理回路１４は、切替えた後のゲート駆動回路が選択されるように、速度切替信号の値を固定して運転を継続してもよい。このとき、ゲート信号処理回路１４は、回路に異常がある旨のアラームを制御部１２へ通知する。アラームを受けた制御部１２は、例えば、上位制御装置（図示せず）へ回路に異常があることを通知する。（ステップＳＡ６）
【００４８】
ゲート信号処理回路１４は、ステップＳＡ５で異常が検出されたときに、インバータ回路ＩＮＶの運転を停止する指令を制御部１２へ通知する。制御部１２は、インバータ回路ＩＮＶの運転を停止する指令を受信すると、全てのスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚを開いてインバータ回路ＩＮＶの動作を停止させる。（ステップＳＡ７）
【００４９】
上記のように、本実施形態の電力変換装置および車両では、ゲート駆動信号を伝達するライン上のトランジスタや抵抗等に異常が発生したときに、ゲート駆動信号を出力するゲート駆動回路をもう一方へ切り替えることで、インバータ回路ＩＮＶの運転を停止させることなく、運転を継続することが可能となる。  
すなわち、本実施形態によれば、制御回路に異常が発生した際に、運転継続することが可能な電力変換装置および車両を提供することができる。
【００５０】
次に、第２実施形態の電力変換装置および車両について図面を参照して説明する。  
図５は、第２実施形態の電力変換装置および車両の一構成例を説明するための図である。本実施形態の電力変換装置は、昇圧回路ＢＳＴを更に備えている点が上述の第１実施形態と異なっている。
【００５１】
昇圧器ＢＳＴは、直流電源ＢＴとインバータＩＮＶとの間に接続され、電源電圧ＢＴより大きい電圧値を直流リンクＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）に出力する。昇圧器ＢＳＴは双方向にエネルギーを伝達することができるため、インバータ回路ＩＮＶが回生したエネルギーを直流電源ＢＴに充電することができる。
【００５２】
昇圧回路ＢＳＴは、入力コンデンサＣＩＮと、昇圧リアクトルＬと、スイッチング素子ＳＡ、ＳＢと、を備えている。
スイッチング素子ＳＡ、ＳＢは、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＦＥＴ（Field-Effect Transistor）、ＧＴＯ（gate turn-off thyristor）、トランジスタなどの電気的に開閉制御することができる半導体スイッチである。
【００５３】
スイッチング素子ＳＡとスイッチング素子ＳＢとは互いに直列に接続している。また、スイッチング素子ＳＡとスイッチング素子ＳＢとは、インバータＩＮＶの複数のスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚと並列に接続している。スイッチング素子ＳＡとスイッチング素子ＳＢとの接続ラインは、昇圧リアクトルＬを介して直流電源ＢＴの正極と電気的に接続している。入力コンデンサＣＩＮは、直流電源ＢＴと並列に接続している。
【００５４】
制御回路ＣＴＲＬは、入力コンデンサＣＩＮの両端の電圧を検出する電圧検出部１１と、スイッチング素子ＳＡ、ＳＢへゲート駆動信号を出力する第１ゲート駆動回路１６、第２ゲート駆動回路１８と、を更に備えている。
【００５５】
制御部１２は、外部から入力される出力指令（図示せず）と、入力コンデンサＣＩＮの両端の電圧と、インバータ回路ＩＮＶの直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧と、交流ラインによりモータＭに供給される各相の電流（相電流）と、予めメモリ（図示せず）に格納されたキャリア波とに基づいて、所望の出力値を実現するようにＰＷＭ信号を演算して出力する。ＰＷＭ信号は、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚ、ＳＡ、ＳＢそれぞれに対して生成される。
【００５６】
制御部１２は、各相のスイッチ回路について、速度切替信号を出力する。なお、速度切替信号は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のスイッチ回路に共通の信号であってもよく、各相それぞれについて生成される信号であってもよい。制御部１２は、例えば、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧値と、モータＭへ出力する電流値（相電流）とに応じてスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚ、ＳＡ、ＳＢのゲート充電電流の大きさを切替えてスイッチング速度を変化させる速度切替信号を生成する。
【００５７】
本実施形態の電力変換装置および車両において、ゲート信号処理回路１４、第１ゲート駆動回路１６、および、第２ゲート駆動回路１８は、図２および図３を用いて説明した構成と同様である。
【００５８】
図６は、第２実施形態の電力変換装置および車両における制御部およびゲート信号処理回路の動作の一例を説明するためのフローチャートである。
ゲート信号処理回路１４は、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚ、ＳＡ、ＳＢの両端の電圧Ｖｃｅ或いはゲート電圧を監視し、回路の異常を検出する。（ステップＳＢ１）
【００５９】
ゲート信号処理回路１４は、ステップＳＢ１で異常を検出したときに、制御部１２から受信した速度切替信号に基づいて、現在、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚ、ＳＡ、ＳＢのゲート抵抗が高い状態か、低い状態かを検出する。（ステップＳＢ２）
ゲート抵抗が低い状態であるとき、ゲート信号処理回路１４は、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚ、ＳＡ、ＳＢへゲート駆動信号を供給する回路を第２ゲート駆動回路１８から第１ゲート駆動回路１６に切替え、ゲート抵抗を高くする。（ステップＳＢ３）
【００６０】
ゲート抵抗が高い状態であるとき、ゲート信号処理回路１４は、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚ、ＳＡ、ＳＢへゲート駆動信号を供給する回路を第１ゲート駆動回路１６から第２ゲート駆動回路１８に切替え、ゲート抵抗を低くする。
【００６１】
ここで、ゲート抵抗が高い状態からゲート抵抗が低い状態へ切り替えると、ゲートの充電電流の変化が大きくなるため直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）に生じるサージ電圧が大きくなる。このときに主電源電圧を高くすると、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧がスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚ、ＳＡ、ＳＢの耐電圧を超過して、故障の原因となる。そこで、本実施形態では、ゲート抵抗が高い状態からゲート抵抗が低い状態へ切り替えるときに、ゲート信号処理回路１４は昇圧回路ＢＳＴの昇圧動作を停止若しくは昇圧後の電圧を制限して、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚ、ＳＡ、ＳＢの故障を回避する。（ステップＳＢ４）
【００６２】
続いて、ゲート信号処理回路１４は、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚ、ＳＡ、ＳＢの両端の電圧Ｖｃｅ或いはゲート電圧を監視し、回路の異常を検出する。（ステップＳＢ５）
ゲート信号処理回路１４は、ステップＳＢ５で異常がないとき、ステップＳＢ３又はステップＳＢ４で切替えた速度切替信号にてインバータ回路ＩＮＶの運転を継続する。ここで、ゲート信号処理回路１４は、制御部１２から送信される速度切替信号に関わらず、切替えた後のゲート駆動回路へＰＷＭ信号を出力するように運転を継続する。ゲート信号処理回路１４は、切替えた後のゲート駆動回路が選択されるように、速度切替信号の値を固定して運転を継続してもよい。このとき、ゲート信号処理回路１４は、回路に異常がある旨のアラームを制御部１２へ通知する。アラームを受けた制御部１２は、例えば、上位制御装置（図示せず）へ回路に異常があることを通知する。（ステップＳＢ６）
【００６３】
ゲート信号処理回路１４は、ステップＳＢ５で異常があるときに、インバータ回路ＩＮＶの運転を停止する指令を制御部１２へ通知する。制御部１２は、インバータ回路ＩＮＶの運転を停止する指令を受信すると、全てのスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚ、ＳＡ、ＳＢを開いてインバータ回路ＩＮＶの動作を停止させる。（ステップＳＢ７）
【００６４】
上記のように、本実施形態の電力変換装置および車両では、ゲート駆動信号を伝達するライン上のトランジスタや抵抗等に異常が発生したときに、ゲート駆動信号を出力するゲート駆動回路をもう一方へ切り替えることで、インバータ回路ＩＮＶの運転を停止させることなく、運転を継続することが可能となる。  
すなわち、本実施形態によれば、制御回路に異常が発生した際に、運転継続することが可能な電力変換装置および車両を提供することができる。
【００６５】
次に、第３実施形態の電力変換装置および車両について図面を参照して説明する。  
本実施形態の電力変換装置および車両は、昇圧器を含む構成と含まない構成とのいずれにも適用可能であり、上述の第１実施形態および第２実施形態の電力変換装置および車両と同様の構成については同一の符号を付して説明する。本実施形態では、制御部１２が、電流検出部２０で検出したインバータ回路ＩＮＶの出力電流を１周期間積分し、その値がゼロか否かにより、異常の有無を検出する異常検出手段（図示せず）を備えている。
【００６６】
制御回路ＣＴＲＬからインバータ回路ＩＮＶへ出力されるゲート駆動信号が、外部からの出力指令を実現するものであれば、インバータ回路ＩＮＶの出力電流を１周期間積分した値はゼロとなる。この積分値がゼロとならないときには、制御回路ＣＴＲＬの出力指令値を受信してゲート駆動信号を出力するまでの経路、もしくは、インバータ回路ＩＮＶに異常がある可能性がある。
【００６７】
制御部１２の異常検出手段は、異常があると検出したときに、現在、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚ、ＳＡ、ＳＢのゲート抵抗が高い状態か、低い状態かを検出する。
ゲート抵抗が低い状態であるとき、制御部１２の異常検出手段は、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚ、ＳＡ、ＳＢへゲート駆動信号を供給する回路を第２ゲート駆動回路１８から第１ゲート駆動回路１６に切替え、ゲート抵抗を高くする。
【００６８】
ゲート抵抗が高い状態であるとき、制御部１２の異常検出手段は、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚ、ＳＡ、ＳＢへゲート駆動信号を供給する回路を第１ゲート駆動回路１６から第２ゲート駆動回路１８に切替え、ゲート抵抗を低くする。
【００６９】
ここで、ゲート抵抗が高い状態からゲート抵抗が低い状態へ切り替えるときに、制御部１２の異常検出手段は昇圧回路ＢＳＴの昇圧動作を停止若しくは昇圧後の電圧を制限して、スイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚ、ＳＡ、ＳＢの故障を回避する。また、ゲート抵抗が高い状態からゲート抵抗が低い状態へ切り替えるときに、制御部１２は、電動機Ｍの出力トルクが負とならないようにＰＷＭ信号を生成する。このように回生動作を制限又は回生動作を禁止して、直流電圧の上昇を抑制し、スイッチング素子の破壊を回避する。
【００７０】
続いて、制御部１２の異常検出手段は、電流検出部２０で検出したインバータ回路ＩＮＶの出力電流を１周期間積分し、積分結果がゼロであるか否かにより異常があるか否か検出する。
制御部１２の異常検出手段は、積分結果がゼロであり異常がないとき、現在の速度切替信号にてインバータ回路ＩＮＶの運転を継続する。ここで、制御部１２の異常検出手段は、速度切替信号の値を固定して運転を継続し、回路に異常がある旨のアラームを、例えば、上位制御装置（図示せず）へ回路に異常があることを通知する。
【００７１】
制御部１２の異常検出手段は、ゲート駆動回路を切替えた後に未だ積分結果がゼロではなく異常があると検出したときに、全てのスイッチング素子Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚ、ＳＡ、ＳＢを開いてインバータ回路ＩＮＶの動作を停止させる。
【００７２】
上記のように、本実施形態の電力変換装置および車両では、ゲート駆動信号を伝達するライン上のトランジスタや抵抗等に異常が発生したときに、ゲート駆動信号を出力するゲート駆動回路をもう一方へ切り替えることで、インバータ回路ＩＮＶの運転を停止させることなく、運転を継続することが可能となる。  
すなわち、本実施形態によれば、制御回路に異常が発生した際に、運転継続することが可能な電力変換装置および車両を提供することができる。
なお、上記第１乃至第３実施形態の電力変換装置および車両の構成を組み合わせても構わない。その場合であっても上述の第１乃至第３実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００７３】
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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。上述の実施形態において、例えば、ゲート信号処理回路１４は、ゲート駆動回路を他方へ切替える際に、速度切替信号を異なる値としても良く、制御部１２から受信する速度切替信号の値は変えずに、例えば、異常が検出される際に立ち上がる異常フラグ等に応じて他方のゲート駆動回路を選択してもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１０…電圧検出部、１１…電圧検出部、１２…制御部、１４…ゲート信号処理回路、１６…第１ゲート駆動回路、１８…第２ゲート駆動回路、２０…電流検出部、２２、２４、２６…電流検出器、Ｒ１〜Ｒ６…抵抗器、Ｓ１〜Ｓ４…トランジスタ、ＩＮＶ…インバータ回路、Ｍ…電動機、ＷＬ…車輪、ＣＴＲＬ…制御回路、Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚ、ＳＡ、ＳＢ…スイッチング素子、ＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）…直流ライン。
【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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