JP5681210B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
また特許文献1は、インバータ回路の故障検出と、故障を検出した際のスイッチング素子の停止を行う制御回路を開示している。
この特許文献2の3ステートバッファ回路は、ゲート駆動回路に供給されるPWM信号を遮断し、モータはフリーラン状態となって、ゆっくり停止する。しかしながら、この3ステートバッファへの制御入力は外部のモータ停止スイッチにより手動で行われるように構成されている。
図1はハイブリッド自動車用モータ駆動装置に本発明を適用した場合の電力変換回路の例を示す。図1において、101は直流電源、102は平滑コンデンサ、103はインバータ部、104はモータ、105はモータ駆動制御部、106は過電圧検知部、107は過電流検知部、108はインバータ異常検知部、109はゲート駆動部、111は温度検知部である。平滑コンデンサ102は、直流電源101と並列に接続される。直流電源101にはコンタクタ101aを設ける。
温度検出部111は、さらに検出された上アームと下アームの温度を比較する。その結果を示す上アーム温度信号と下アーム温度信号とは3相ショート駆動信号ロジックに204に入力される。上アームの温度の方が高い場合は、上アーム温度信号はHigh、下アーム温度信号はLowとされる。逆に下アームの温度の方が高い場合には、上アーム温度信号にはLow、下アーム温度信号はHighとされる。
本発明の実施形態では、モータ駆動制御部105に設けるモータ制御マイコン206と、モータ制御マイコン206よりも上位の制御装置であるメインマイコン207とが用いられる。モータ駆動制御部105は、通常、モータ制御マイコン206によって制御される。モータ制御マイコン206は、モータに任意のトルクや回転数を与えるために、インバータ部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。その結果、モータ104の各相には交流電圧及び電流が印加され、駆動制御される。なお、本発明の実施形態で説明するメインマイコン207が担っている保護機能は、モータ制御マイコン206が担うことも可能である。
例えば、メインマイコン207とモータ制御マイコン206間でSPI(Serial Peripheral Interface)通信を行い、メインマイコン207からモータ制御マイコン206への演算指令に対する解答(例えば、「1+1」という演算指令に対する解答)の整合性を確認することで、モータ制御マイコン206の異常かどうかを検知する。
本発明では、第1から第4の保護回路201、202U、202L、203によって、モータ制御マイコン206からのスイッチング信号のゲート駆動部109への供給/遮断が制御され、モータ制御マイコン206からのスイッチング制御信号が遮断される場合は、このスイッチング制御信号に代えて各保護回路からの出力信号がスイッチング制御信号としてゲート駆動部109に入力される。
電力変換装置に異常が発生しておらず、したがって異常に基づくトリガ信号が発生していない場合は、モータ制御マイコン206から出力された各半導体スイッチング素子3a〜3fをスイッチング駆動するスイッチング制御信号はそのまま、これらのバッファ201B、202UB、202LB、203Bを通過してゲート駆動部109に入力される。
なお、3相ショートを行うと、モータ104のコイルには自己誘導による逆起電力が発生し、これに伴うブレーキング効果が発生する。このブレーキング効果を用いて、車両を速やかに停止あるいは低速とすることにより、電力変換器での異常発生時に車両の安全を確保することができる。
3相オープン動作は、メインマイコン207からの3相オープンのトリガ信号または、インバータ異常検知部108がインバータ部103の異常を検知した際に発生されるトリガ信号である、インバータ異常検知部108からのインバータ異常検知信号(ゲートフォールト信号)によって実行される。なお、ゲートフォルト信号によって実行される3相オープン動作については後述する。
メインマイコン207による3相オープンのトリガ信号は、メインマイコン207が電力変換装置の動作状態(異常を含む)をモニターして、3相オープンが必要と判断された種々の場合に発生される。各々の場合については後で詳述する。
なお、このモータ制御マイコン206から出力される半導体スイッチング素子のスイッチング制御信号をHighとすることによっても半導体スイッチング素子の3相オープン動作を実行することができる。この場合の3相オープンは、通常のPWM制御の中の一部として行う場合と、メインマイコン207が発生する3相オープンのトリガ信号または他の異常状態によるトリガ信号(後述)のゲート駆動部109への入力により3相オープンを行う時に、安全性を更に確保するために実行する場合とがある。
図3は本発明による電力変換装置の保護回路部110の3相ショート動作を説明する図である。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、以下では下アームを3相ショートする場合について説明する。
メインマイコン207による3相ショートのトリガ信号は、メインマイコン207が電力変換装置の動作状態(異常を含む)および車両の状態をモニターして、3相ショートが必要と判断された種々の場合に発生される。各々の場合については後で詳述する。
なお、この際上記のように、さらに動作の安全性を高めるために、半導体スイッチング素子が3相オープン動作となるように、モータ制御マイコン206からのスイッチング制御信号をHighにしてもよい。メインマイコン207とモータ制御マイコン206はSPI接続されているので、メインマイコン207の指示によりこのようなゲート制御が行われる。この場合は通常モータ制御マイコン206から出力されるPWM信号ではなく、High状態の信号がスイッチング制御信号としてモータ制御マイコン206から出力されることになる。
インバータ部に半導体スイッチング素子として使用しているIGBTは、スイッチングの際にIGBT固有のデッドタイム、すなわちゲート信号がHighからLowあるいはLowからHighに切り替わった際に不安定な状態となる期間を持つ。そのため、上記のような3相ショート制御を行う際に、このIGBTのデッドタイムより長い時間だけ、上下アーム半導体スイッチング素子がオープン状態となるように、半導体スイッチング素子のゲート信号をLow状態とすることにより、上側アームと下側アームの半導体スイッチング素子の短絡の発生を防止することができ、安全性の高い構成とすることができる。
例えば、半導体スイッチング素子3a〜3fに用いているIGBTのデッドタイムの定格値が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。通常このIGBTのデッドタイムは、スイッチング(ゲート信号)の立ち上がりの方が立ち下がりより若干長いので、Δt2>Δt1となるように設定する。
3相ショート駆動信号制御ロジック204には、3相ショート(上3相ショートまたは下3相ショート)を行う複数のトリガ信号(制御信号)が入力される。これらのトリガ信号には、メインマイコン207からの上アーム3相ショート信号、過電圧検知信号OV、および過電流検知信号OCが入力される。また3相ショート駆動信号制御ロジック204には温度検知部からの上アーム温度信号と下アーム温度信号が入力される。
また、メインマイコン207からの下アーム3相ショート信号、過電圧検知による下アーム3相ショート信号、および過電流による下アーム3相ショート信号は、OR回路506を通過し、これらいずれか1つの信号がHigh状態であれば、下アーム3相ショート信号がアーム選択回路600に入力される。
しかしながら、メインマイコン207の異常あるいは温度検知部の異常により、上アーム3相ショート信号と下アーム3相ショート信号が同時に発生して、両方ともアーム選択回路600に入力される可能性がある。
アーム選択回路600は、このように何らかの異常によって上アーム3相ショート信号と下アーム3相ショート信号が同時に発生した場合でも、どちらか一方の信号を選択して、バッファ202UBまたはバッファ202LBに出力する回路である。
アーム選択回路600は、上アーム3相ショート信号を出力する回路と、下アーム3相ショート信号を出力する回路とを備えている。上アーム3相ショート信号を出力する回路は、3ステートバッファ604および信号波形の遅延ならびに成形を行う遅延回路602とからなる。同様に下アーム3相ショート信号を出力する回路は、3ステートバッファ605および遅延回路603とからなる、
メインマイコン207からの上アーム3相ショートを行う信号、過電圧検知信号に基づく上アーム3相ショートを行う信号、過電流検知信号に基づく上アーム3相ショート信号は3ステートバッファ601に入力される。また、メインマイコン207からの下アーム3相ショートを行う信号、過電圧検知信号に基づく下アーム3相ショートを行う信号、過電流検知信号に基づく下アーム3相ショート信号は3ステートバッファは605に入力されると共に、3ステートバッファ601の制御信号として入力される。
3ステートバッファ601がハイインピーダンスとなると、プルダウン抵抗R3によって3ステートバッファ601の出力側は速やかにLow状態にプルダウンされる。これにより上アーム3相ショート信号と下アーム3相ショート信号との僅かな時間差により、3ステートバッファ601から僅かに信号が出力された場合でも、駆動信号制御ロジック204から上アーム3相ショート信号は出力されない。
したがって上アーム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アーム選択回路600に入力された場合、下アーム3相ショート信号のみが遅延回路603を通過してバッファ201Bの制御信号として出力され、上アーム3相ショート信号は出力されない。すなわち3ステートバッファ601により、下アーム3相ショート信号が優先的に出力される。
このように駆動信号制御ロジック204に上アーム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でも、駆動信号制御ロジック204からは上アーム3相ショート信号は出力されず、したがって上アーム側と下アーム側の半導体スイッチング素子の短絡が防止される。
図5(b)は、上アーム3相ショートと下アーム3相ショートの優先度を変更するための、図5(a)のアーム選択回路600の変形実施例である。図5(b)では、図5(a)に示すアーム選択回路の入力側にもう1つの3ステートバッファ606と2つの切り換えスイッチS1、S2とを設け、メインマイコン207によって、スイッチS1、S2を同時にを切り換えることにより、容易に上アーム3相ショート信号と下アーム3相ショート信号の優先度を変更することができる。
遅延回路602および603は、それぞれ抵抗R1、R2、キャパシタC1と負論理シュミットトリガST1とで構成される。
遅延回路602のシュミットトリガST1から出力される上アーム3相ショート信号は、3ステートバッファ202UBの制御入力として出力され、遅延回路603のシュミットトリガST1から出力される下アーム3相ショート信号は、3ステートバッファ202LBの制御入力として出力される。
また遅延Δt3は、図3で示す3相ショート信号の立ち下がり時の波形の遅延であり、この場合は3ステートバッファ605はハイインピーダンス状態でないので、シュミットトリガST1の入力側のLow状態は、抵抗R1とC1で定まる時定数τ2=R1×C1で上昇してHigh状態となる。
したがって、R1≪R2の関係により、τ2≪τ1であり、Δt3≪Δt1となって、図3に示すような信号タイミングとなる。
本発明による電力変換装置の保護回路は、過電流を検知した場合に上記のような3相ショートを行う保護動作を行う。過電流検知時に3相ショートを行う場合は、メインマイコンに依存せず、上述のように過電流検知部107からの過電流検知信号と温度検出部111によって検出された上アームまたは下アームの温度に基づいて、上記のように上アーム3相ショートまたは下アーム3相ショートを行う。以下では簡単のため下アーム3相ショートを行う場合の例について説明する。
本発明による電力変換装置の保護回路は、過電流検知に加え、過電圧を検知した場合にも3相ショートの保護動作を行う。過電圧検知時に3相ショートを行う場合は、過電流検知時と同様に、メインマイコン207に依存せず、上述のように過電圧検知部106からの過電圧検知信号と温度検出部111によって検出された上アームまたは下アームの温度に基づいて上アーム3相ショートまたは下アーム3相ショートを行う。以下では簡単のため下アーム3相ショートを行う場合の例について説明する。
ここでは、本発明による電力変換装置を含む、ハイブリッド自動車用モータ駆動装置で過電圧の異常が発生する場合の例とこの際の保護動作について説明する。
3相ショートに移行後は徐々に直流電源ラインの電圧は降下し、ヒステリシスを含んだ第一過電圧検知範囲を下回ったときに3相ショート信号は消える。その結果、3相ショートから3相オープンへと移行した後に、通常動作に復帰する。
3相ショート動作への移行時には、モータ104のコイル電流が過渡的に増加し過電流検知部107の閾値以上となり、過電流検知信号OCが出力される場合がある。
過電流時の保護動作を3相ショートでなく、従来の3相オープンとした場合には、3相ショートにおけるブレーキング効果が充分得られない。たとえば3相ショート動作中に過渡的な電流増加が過電流検知された場合に、3相ショートから3相オープンにしたとする、(図2の回路でこの動作を行わせるには、過電流検知信号OCが出力された場合、これを3相オープンを行うトリガー信号としてバッファ201Bにのみ入力し、また駆動信号制御回路に入力されている他の3相ショート信号をブロックするような回路を追加しておく。)。3相ショート動作の指令元が3相ショート指令を出し続けていると、過電流状態が解除された後に再び3相ショート動作に移行するため、3相ショート動作と3相オープン動作が繰り返され、3相ショートで充分なブレーキ効果が得られなくなる。
次に、インバータ異常検知部108がインバータ部103の異常を検知し、インバータ異常検知部108からゲートフォルト信号が出力されたときの動作について説明する。前述したように、異常と判断するのは、例えば、IGBTの短絡電流検知時やIGBTのゲート駆動電源電圧が閾値より低下したときである。
インバータ部103で異常が検出される場合は、半導体スイッチング素子等の破損が既に発生している可能性があり、インバータ部103を含めた電力変換装置の内部で短絡が発生している可能性があるため、他の異常発生の場合より緊急度が高く、また直流電源101とインバータ部103との接続ならびにインバータ部103とモータ104との接続を遮断する必要がある。この場合、3ステートバッファ203Bの出力を遮断し、速やかに3相オープンを行う。
これによりゲート駆動回路のフォトカップラの発光ダイオード210には電流が流れなくなり、ゲート駆動部109からインバータ部103の半導体スイッチング素子のゲート信号出力は全てLow状態となり、全ての半導体スイッチング素子が動作停止し非導通の状態となる。すなわち上アーム側下アーム側共に3相オープンとなる。
なお、本発明の実施形態では、メインマイコン207とモータ制御マイコン206とが備えられているが、通常、モータ駆動制御部105はモータ制御マイコン206によって制御する。そのため、モータ制御マイコン206に異常が生じた場合、このモータ制御マイコン206の代替機能がないと、モータ104の異常動作や半導体スイッチング素子3a〜3fの不具合等を招く可能性がある。
メインマイコン207からの3相オープン信号や3相ショート信号がモータ制御マイコンにより無効化された場合は、モータ制御マイコンが3相オープン信号や3相ショート信号を保護回路部110に入力する。
図示していないが、実際の電動車両には、たとえば車内エアコン用のコンプレッサで用いるモータなど複数のモータとこれを駆動する電力変換回路が備えられており、これらの電力変換回路はそれぞれモータ制御マイコンを備えている。これらのモータ制御マイコンはメインマイコン207とSPI接続されているので、これらの複数のモータ制御マイコンとメインマイコン207を用いて整合性を確認する。
このようにして、メインマイコン207が3相オープン信号や3相ショート信号を出力しても、メインマイコン207側に異常が生じた場合にはその信号は無視され、保護動作が誤って実行されるのを防止できる。
1)ゲートフォルト信号(3相オープン)
2a)過電圧検知信号OVによる下アーム3相ショート信号(3相ショート)
2b)過電圧検知信号OVによる上アーム3相ショート信号(3相ショート)
3a)過電流検知信号OCによる下アーム3相ショート信号(3相ショート)
3b)過電流検知信号OCによる下アーム3相ショート信号(3相ショート)
4a)メインマイコンによる下アーム3相ショート信号(3相ショート)
4b)メインマイコンによる上アーム3相ショート信号(3相ショート)
5)メインマイコンによる3相オープン信号(3相オープン)
6a)モータ制御マイコンによる上アーム3相ショート制御
6b)モータ制御マイコンによる下アーム3相ショート制御
7)モータ制御マイコンによる3相オープン制御
8)通常動作(モータ制御マイコンによるPWM制御)
なお、上述したように、メインマイコン207からの制御信号は、モータ制御マイコン206がメインマイコンを異常と判断したとき無効とされる。また、上記の他に、モータ制御マイコンリセット状態(3相オープン)があるが、モータ制御マイコン206のリセット時はモータ制御不可であるため、メインマイコン207からの3相オープン信号により3相オープンとされる。
同様に、上記の7)の3相オープン制御は、モータ制御マイコン206からの上アームおよび下アームの複数の半導体スイッチング素子のスイッチング制御信号を全てHighにすることにより、上アームおよび下アームの複数の半導体スイッチング素子を全てOffにして実行することができる。ただしこの場合は、保護回路部110の第1乃至第4の保護回路には制御信号が入力されておらず、モータ制御マイコンからのスイッチング制御信号がそのままゲート駆動部109に入力される必要がある。
(1)上述した実施の形態では、バッファ201B、202UB、202LBおよび203B、3相ショート駆動信号制御ロジック204、タイマ回路205をそれぞれハードウェア回路でディスクリート構成し、図3に示すタイミングチャートを実現している。しかし、図3のタイミングチャートはPLD(Programmable Logic Device)やFPGA(Field Programmable Gate Array)、マイコンおよびこれにより実行されるソフトウェアプログラム等を用いた構成によっても実現することができる。このような構成では1個のハードウェアディバイスのみで上記の本発明による保護機能を実現することができる。しかしながら、保護回路の安全性を確保するためには、上記のバッファ201B、202UB、202LBおよび203B、3相ショート駆動信号制御ロジック204、タイマ回路205およびモータ制御マイコン206、メインマイコン207はそれぞれ独立した回路として構成されていることが好ましい。少なくともバッファ201B、202UB、202LB、203Bと、3相ショート駆動信号制御ロジック204と、モータ制御マイコンおよびメインマイコン207とはそれぞれ独立した回路で構成されていることが好ましい。
このように構成することにより、ゲートフォールト信号および過電圧検知信号や過電流検知信号が複数の制御回路で検知され、これらの複数の制御回路から複数のバッファが制御されることにより、インバータ部103の半導体スイッチング素子の3相オープンまたは3相ショートを確実に行うことができるようになるので、電力変換装置の充分な安全性が確保される。
Claims (1)
- 上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子と下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子とを備えた、直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ部と、
前記上アームおよび前記下アームの複数の半導体スイッチング素子のゲートをそれぞれ駆動してオン/オフさせるゲート駆動信号を前記インバータ部に出力するゲート駆動部と、
前記ゲート駆動部が前記ゲート駆動信号を出力するためのスイッチング制御信号を前記ゲート駆動部に供給する駆動制御部と、
前記インバータ部に入力される電圧を測定することにより、過電圧の検知を行う過電圧検知部と、
前記インバータ部から出力される電流を測定することにより、過電流の検知を行う過電流検知部と、
前記上アームおよび前記下アームの温度をそれぞれ検知する温度検知部とを備え、
前記駆動制御部は、
前記過電圧検知部により前記過電圧が検知されるか、または前記過電流検知部により前記過電流が検知されたときには、前記上アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を短絡させる第1の短絡制御手段と、
前記過電圧検知部により前記過電圧が検知されるか、または前記過電流検知部により前記過電流が検知されたときには、前記下アームを構成する複数の半導体スイッチング素子を短絡させる第2の短絡制御手段と、
前記第1の短絡制御手段または前記第2の短絡制御手段による短絡制御時に、前記温度検知部により検知された温度情報に基づいて、前記上アームおよび前記下アームのいずれか一方を短絡すべきアームとして選択するアーム選択手段と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
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