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JP7179118B1 - 電源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】コンバータの過熱保護と安定した電圧の出力を実現する。【解決手段】電源電圧に接続され、複数のスイッチング素子を有するコンバータと、コンバータの温度を検出する温度検出回路と、コンバータと負荷との間に接続され、コンバータの出力電圧を変換して、負荷に出力するインバータと、コンバータのスイッチング素子を制御する制御部と、を備えた電源装置であって、温度検出回路で検出された温度が第一の制限値を超えた場合に、制御部は前記スイッチング素子を制御し、コンバータの出力電圧が設定された変化率で電源電圧となるように制御する。【選択図】図６

Description

本願は、電源装置に関するものである。
電動機のような負荷に接続される電源装置は、代表的な構成として、電源電圧からの電圧を所定の母線電圧に昇圧するコンバータと、負荷に電力を供給するインバータと、を備えている。コンバータが動作中にコンバータを構成する部品が過熱してしまうと、コンバータの動作不良が発生し、電源装置が機能しなくなる虞がある。そのため、コンバータを構成する各部品の過熱保護のために、母線電圧の上限値を設けることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１においては、動力出力装置を構成するコンバータのリアクトル及びトランジスタの温度を測定し、測定された温度に基づいて母線電圧の上限値を設定し、その上限値を超えないように例えばコンバータのスイッチング周波数を調整する。
特許第３７３２８２８号公報（第２の実施形態、図１４～図１６）
特許文献１においては、コンバータを構成する部品の温度に応じて設定された周波数でスイッチング動作が行われるので、部品の過熱から保護される。しかし、母線電圧の上限値を超えないように、電圧センサにより母線電圧を検出しながら、調整された周波数でスイッチングを行うと、電圧センサに異常が発生した場合、主回路の耐圧を超えてしまうあるいは許容電流を超えるなどにより動力出力装置の機能が維持できなくなる虞がある。
そのため、電圧センサに依存しないで、コンバータを構成する部品の過熱保護の方法が求められている。
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、電圧センサに依存しないで、コンバータの過熱保護が可能な電源装置を提供することを目的とする。
本願に開示される電源装置は、電源に接続され、複数のスイッチング素子を有するコンバータと、前記コンバータの温度を検出する温度検出回路と、前記コンバータと負荷との間に接続され、前記コンバータの出力電圧を変換して、前記負荷に出力するインバータと、前記コンバータの出力電圧が予め設定された目標出力電圧となるように複数の前記スイッチング素子を制御する制御部と、を備えた電源装置であって、
前記制御部は、
予め設定された第一の制限値、前記第一の制限値よりも低く設定された第二の制限値、前記第二の制限値より低く設定された解除値に対し、
前記温度検出回路で検出された温度が前記第二の制限値を超えた場合に、
前記出力電圧を前記目標出力電圧より低く、前記電源の電圧より高い電圧に設定して、複数の前記スイッチング素子を制御し、
前記温度検出回路で検出された温度が予め設定された第一の制限値を超えた場合に、
前記コンバータの出力電圧が前記目標出力電圧から予め設定された変化率で前記電源の電圧となるように、複数の前記スイッチング素子を制御し、
前記温度検出回路で検出された温度が前記解除値を下回った場合に、前記出力電圧を前記目標出力電圧となるように複数の前記スイッチング素子を制御するものである。
本願に開示される電源装置によれば、電圧センサに依存することなく、コンバータの過熱保護が可能となり、コンバータ回路の過熱による動作不良を回避することが可能となる。
実施の形態１に係る電源装置の構成を示す回路ブロック図である。 実施の形態１に係るコンバータの回路例と各部の電流、電圧波形を示す図である。 実施の形態１に係るコンバータの各電圧におけるリアクトル損失と半導体損失の等高線を示した図である。 母線電圧と電動機のトルク及び回転数との関係を示す図である。 実施の形態１に係るコンバータの動作可能範囲を説明するための図である。 実施の形態１に係るコンバータの制御手順を示すフローチャートである。 実施の形態１に係るコンバータの温度と母線電圧の変化を示す図である。 実施の形態１に係るコンバータのスイッチング素子Ｑ２のＤＵＴＹの推移に対する母線電圧及び電流リプルの変化を示す図である。 実施の形態１に係るコンバータのスイッチング素子Ｑ２のＤＵＴＹの別の推移パターンに対する母線電圧及び電流リプルの変化を示す図である。 実施の形態２に係るコンバータのスイッチング素子Ｑ２のＤＵＴＹの推移に対する母線電圧及び電流リプルの変化を示す図である。 実施の形態３に係るコンバータのスイッチング素子Ｑ２のＤＵＴＹの推移に対する母線電圧及び電流値の変化を示す図である。 実施の形態４に係るコンバータのスイッチング素子Ｑ２のＤＵＴＹの推移に対する母線電圧の変化を示す図である。 実施の形態５に係るコンバータの制御手順を示すフローチャートである。 実施の形態５に係るコンバータの温度と母線電圧の変化を示す図である。 実施の形態６に係るコンバータの制御手順を示すフローチャートである。 実施の形態６に係るコンバータの各部の電流、電圧波形を示す図である。 実施の形態１から６に係る電源装置における制御部のハードウエア構成図である。
以下、本願で開示される電源装置の実施の形態について図を参照して説明する。なお、各図中、同一符号は、同一または相当部分を示すものとする。
実施の形態１．
以下に、実施の形態１に係る電源装置について図を用いて説明する。
図１は、実施の形態１に係る電源装置の構成を示す回路ブロック図である。図において、電源装置１０は、電源１と負荷である電動機４との間に、コンバータ２とインバータ３とが接続されて配置され、コンバータ２の両端には入力コンデンサＣ１と出力コンデンサＣ２とが接続されている。電源１とコンバータ２との間には、電源電圧Ｖ１を検出する電圧検出回路６１が、コンバータ２とインバータ３との間にはコンバータの出力電圧である母線電圧Ｖ２を検出する電圧検出回路６２が設けられ、検出した電圧を定電圧に変換し、制御部５に電圧検出信号として出力する。コンバータ２には温度検出回路７が接続され、コンバータ２の温度保護対象の構成部品であるスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、あるいはリアクトルＬ１の温度をサーミスタ等で検出し、制御部５に温度検出信号として出力する。
コンバータ２は、例えば、整流素子Ｄ１、Ｄ２がそれぞれ並列に接続されたスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２とリアクトルＬ１とを有し、制御部５によりスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフ動作が制御されることで、電源電圧Ｖ１を昇圧し母線電圧Ｖ２を制御する。
インバータ３は、整流素子Ｄ３～Ｄ８がそれぞれ並列に接続されたスイッチング素子Ｑ３～Ｑ８を有する３相インバータの構成であり、制御部５によりスイッチング素子Ｑ３～Ｑ８のオンオフ動作が制御されることで、電動機４を駆動する。
なお、インバータ３は３相インバータの例を示しているがこれに限らず、単相のインバータなど他の構成であってもよい。
また、図示していないが、コンバータ２およびインバータ３のスイッチング素子のオンオフ動作等によるノイズを除去するために、温度検出回路７、電圧検出回路６１、６２と制御部５との間にフィルタ回路を設けてもよい。
次に、コンバータ２の動作について説明する。
図２は、コンバータの回路例と各部の電流、電圧波形を示す図である。図２中（ａ）は、コンバータ２の回路例である。図において、電源電圧Ｖ１と並列にコンバータ２の入力コンデンサＣ１が接続される。入力コンデンサＣ１の一端とリアクトルＬ１の一端が接続される。スイッチング素子Ｑ１と整流素子Ｄ１との並列接続と、スイッチング素子Ｑ２と整流素子Ｄ２との並列接続とが直列に接続され、その接続点にリアクトルの他端が接続される。スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２との直列接続と並列にコンバータの出力コンデンサＣ２が接続される。コンバータ２は、出力コンデンサＣ２の電圧すなわち母線電圧Ｖ２を制御する。
図２中（ｂ）及び（ｃ）はスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフを制御する制御部５からの制御信号である、Ｑ１制御信号、Ｑ２制御信号とリアクトルＬ１に印加される電圧、電流との関係を示す図である。図に示すようにスイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２は交互にオン、オフする。図２中（ｂ）は母線電圧Ｖ２を高くする場合、図２中（ｃ）は（ｂ）よりも母線電圧Ｖ２を低くする場合である。スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２とが同時にオンとならないように、実際は、スイッチング素子Ｑ１がオン（ＯＮ）からオフ（ＯＦＦ）となりスイッチング素子Ｑ２がオフからオンとなる期間、及びスイッチング素子Ｑ２がオンからオフとなりスイッチング素子Ｑ１がオフからオンとなる期間に遅延を設ける。ここでは説明の簡略化のために、遅延期間を省略している。
なお、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ８は、例えば半導体素子である、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などに代表される自己消弧形の半導体スイッチング素子が用いられる。整流素子Ｄ１～Ｄ８は、例えばダイオードとして、フリーホイールダイオードが用いられる。ＭＯＳＦＥＴの場合はフリーホイールダイオードを接続せずに寄生ダイオードを利用してもよい。
リアクトルＬ１にはスイッチング素子Ｑ２がオン、スイッチング素子Ｑ１がオフの期間にＶ１の電圧が印加され、Ｖ１／インダクタンス値の傾き（傾きは正）で電流が変化する。この期間の電流をΔＩとすると、
ΔＩ=（Ｖ１／インダクタンス値）×（スイッチング素子Ｑ２のオン期間）
で表される。
また、スイッチング素子Ｑ１がオン、スイッチング素子Ｑ２がオフの期間には、リアクトルＬ１には、Ｖ１－Ｖ２の電圧が印加され、（Ｖ１－Ｖ２）／インダクタンス値の傾き(傾きは負)で電流が変化する。
さらに、図２に示すように、Ｉ１はリアクトルＬ１を流れる電流の直流成分を示す。
なお、実際にリアクトルＬ１に印加される電圧は、コンバータ２を構成するスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、整流素子Ｄ１、Ｄ２、及びそれらを接続する部材の電圧降下を引いたものになるが、ここでは省略している。
母線電圧Ｖ２を高くする場合は、図２中（ｂ）のようにスイッチング素子Ｑ２のオン期間を長くし、母線電圧Ｖ２を低くする場合は、図２中（ｃ）のようにスイッチング素子Ｑ２のオン期間を短くすればよい。
すなわち、スイッチング素子Ｑ２のオン期間の割合をＤＵＴＹ、オフ期間の割合を１－ＤＵＴＹとすると、母線電圧Ｖ２を高くする場合はＤＵＴＹを大きくし、母線電圧Ｖ２を低くする場合はＤＵＴＹを小さくすればよい。
次に、図２（ａ）で示したコンバータ２において、電源電圧Ｖ１、母線電圧Ｖ２と損失との関係について図３を用いて説明する。図３中（ａ）は、電源電圧Ｖ１、母線電圧Ｖ２の各電圧におけるリアクトル損失の等高線を示した図、（ｂ）は、電源電圧Ｖ１、母線電圧Ｖ２の各電圧における半導体損失の等高線を示した図である。ここで、半導体損失とはコンバータ２を構成するスイッチング素子及び整流素子の損失の中で損失が一番大きい素子の損失のことである。
図３中（ａ）で示すように、リアクトル損失は、電源電圧Ｖ１が高いほど、昇圧比であるＶ２／Ｖ１が高いほど大きくなる。
また、図３中（ｂ）で示すように、半導体損失は、母線電圧Ｖ２が高いほど、昇圧比Ｖ２／Ｖ１が高いほど大きくなる。なお、各図の右下のＶ１＞Ｖ２部分はコンバータ２の動作範囲外となる。
次に、負荷である電動機４のトルク及び回転数と母線電圧Ｖ２との関係について説明する。図４は、電動機のトルク及び回転数と母線電圧Ｖ２との関係を示す等高線図である。母線電圧Ｖ２は電動機のトルク及び回転数に応じて必要な電圧が求められることを示している。具体的には、トルクが大きいほど、回転数が大きいほど、母線電圧Ｖ２を高くする必要があり、目標の母線電圧Ｖ２はトルクと回転数で決まる電圧の下限値（Ｖ２ｍｉｎ）以上に設定される。そのため、図に示したように、トルクが大きいほど、回転数が大きいほど、母線電圧の下限値も高くなる。
上述のことから、コンバータ２の動作範囲は図５のように示される。コンバータ２が昇圧動作を行うことから図中Ｖ２＝Ｖ１となる直線より上側（Ｖ２＞Ｖ１となる側）でかつ、図４で説明した電動機４のトルクと回転数で決まる電圧を下限値（Ｖ２min）とした領域（Ｖ２＞Ｖ２min）が設定可能な動作範囲である。
ここで、温度検出回路７で検出されたコンバータ２の構成部品の温度が所定の温度より低い場合は、例えば、コンバータ２、インバータ３、電動機４の損失が小さくなるような目標母線電圧Ｖ２targetが設定され、電圧検出回路６１、６２によって検出される電源電圧Ｖ１、母線電圧Ｖ２の電圧検出値を用いて、制御部５においてフィードバック制御によって設定された目標母線電圧Ｖ２targetとなるように制御される。
温度検出回路７で検出されたコンバータ２の構成部品の温度が所定の温度より高くなった場合は、母線電圧Ｖ２が目標母線電圧Ｖ２targetから低下するようにコンバータ２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフ動作が制御部５により制御される。
次に、温度検出回路７で検出されたコンバータ２の構成部品の温度Ｔｍとコンバータ２の動作について詳細に説明する。図６はコンバータ２の構成部品の温度Ｔｍに応じてコンバータ２を制御する動作手順を示すフローチャート、図７はコンバータ２の構成部品の温度Ｔｍ、母線電圧Ｖ２の推移を示すタイムチャートである。
まず電源装置１０の動作が開始される（ステップＳ１０１）。ステップＳ１０２において、コンバータ２は、出力電圧である母線電圧Ｖ２が、電動機４のトルクと回転数で決まる電圧を下限値（Ｖ２min）以上の電圧であって、コンバータ２、インバータ３、電動機４の損失が小さい目標母線電圧Ｖ２targetとなるように、制御部５により制御される。このとき、電圧検出回路６１で検出されたＶ１及び電圧検出回路６２で検出されたＶ２に基づいて、制御部５はフィードバック制御によりスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフ動作を制御し、母線電圧Ｖ２の電圧制御を実施する。目標母線電圧Ｖ２targetでコンバータ２が動作中の定常状態が、図７において、時刻ｔ１より前の時刻ｔ０の状態である。
図７において、時刻ｔ１で例えばコンバータ２を冷却している冷却器の水温が上昇するなどの異常が発生すると、温度検出回路７で検出されたコンバータ２を構成する部品の温度Ｔｍが上昇し始める。時刻ｔ２で予め設定された第一の制限値である温度Ｔｌｉｍ１を超えると（ステップＳ１０３）、母線電圧Ｖ２を抑制し、目標母線電圧Ｖ２targetから電源電圧Ｖ１に低下するように、制御部５は制御を行う（ステップＳ１０４）。具体的には、フィードバック制御を停止し、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフ動作においてスイッチング素子Ｑ２のＤＵＴＹを小さくする制御に切り替える。ここで、母線電圧Ｖ２が電源電圧Ｖ１となるということは、インバータ３が電源１と直結した状態になることである。
時刻ｔ２から一定時間経過すると、母線電圧Ｖ２は電源電圧Ｖ１と等しくなるとともに、コンバータ２を構成する部品の温度Ｔｍも低下する。コンバータ２を構成する部品の温度Ｔｍが予め設定された第一の解除値となる温度Ｔｒｅｌより低下するまで、母線電圧Ｖ２が電源電圧Ｖ１に直結した状態となる制御を続ける。時刻ｔ３で異常が解除され、時刻ｔ４でコンバータ２を構成する部品の温度Ｔｍが第一の制限値の温度Ｔｌｉｍ１より小さく設定された第一の解除値の温度Ｔｒｅｌを下回った場合（ステップＳ１０５でＹＥＳ）、母線電圧Ｖ２が電源電圧Ｖ１に直結した状態を解除し、すなわち母線電圧Ｖ２を抑制する状態を解除し（ステップＳ１０６）、再び、母線電圧Ｖ２が目標母線電圧Ｖ２targetとなるように、制御する。
ステップＳ１０４で、母線電圧Ｖ２を電源電圧Ｖ１とする直結状態に移行するということは、図２（ｃ）で示したスイッチング素子Ｑ２のＤＵＴＹを小さくすることである。そのため、フィードバック制御のように、電圧検出回路６１及び電圧検出回路６２の検出電圧を要しない。したがって、コンバータ２を構成する部品の温度Ｔｍが昇温した際に、電圧検出回路６１で電源電圧Ｖ１を、及び電圧検出回路６２で母線電圧Ｖ２を検出できなくても母線電圧Ｖ２を抑制する直結状態に移行できる。
次に、ステップＳ１０４において、母線電圧Ｖ２を電源電圧Ｖ１とする直結状態に移行する際のスイッチング素子Ｑ２のオン時間の割合（ＤＵＴＹ）の推移の例と母線電圧Ｖ２の変化及びコンバータ２の電流リプルの変化について説明する。図８はコンバータ２のスイッチング素子Ｑ２のオン時間の割合（ＤＵＴＹ）の推移に対する母線電圧Ｖ２の変化及び電流リプルの変化を示す図、図９は図８とコンバータ２のスイッチング素子Ｑ２のオン時間の割合（ＤＵＴＹ）の推移が異なる例に対応する図である。
図８に示すように、電圧検出回路６１、６２によって検出される電圧検出値を用いないで、コンバータ２のスイッチング素子Ｑ２のＤＵＴＹを時間に対する変動量一定で徐変させると、母線電圧Ｖ２はすぐに低下し始め、その後徐々に緩やかに電源電圧Ｖ１に達する。すなわち、インバータ３が電源１と直結状態に移行する。この時、コンバータ２のリプル電流も時間経過とともに低減することでコンバータ２を構成する部品の損失低減を図ることが可能となる。
この直結移行の際に、電圧検出値を用いないことで、温度を検知するセンサ異常、電圧検出回路６１、６２の異常、及び電源電圧Ｖ１に過渡的な変動があった場合においても、これらに影響されることなく制御安定性を維持することが可能である。
同様に、電圧検出回路６１、６２によって検出される電圧検出値を用いないで、図９に示すように、母線電圧Ｖ２が電源電圧Ｖ１に一定の変化率となるようにコンバータ２のスイッチング素子Ｑ２のＤＵＴＹを所定のパターンで徐変させると、コンバータ２のリプル電流は緩やかに低減し始める。スイッチング素子Ｑ２のＤＵＴＹの変化パターンは予め設定し記憶しておけばよい。図９においては、図８の場合よりも母線電圧Ｖ２の変化率が急激ではない。このように、母線電圧Ｖ２の変化率をインバータ３側の応答性に対して遅い変化率かつコンバータ２を構成する部品の熱時定数よりも早い変化率とすることによって、インバータ３への電圧変動による動作ショックを低減したうえで、コンバータ２を構成する部品の損失低減を図ることができる。したがって、制御切り替え後のコンバータ２の温度上昇を抑制もしくは、温度を低下の促進に寄与することができる。
なお、ここでいうインバータ３側の応答性とは、トルク制御応答性のことを指し示すのが一般的であるが、電力制御の応答性等、電流制御の応答性であってもよい。
以上のように、実施の形態１によれば、コンバータ２を構成する部品の温度Ｔｍが昇温した際に、電圧検出回路６１及び電圧検出回路６２による検出電圧値を用いることなく、母線電圧Ｖ２が電源電圧Ｖ１に移行するようにコンバータ２を制御する。したがって、電圧検出回路６１及び電圧検出回路６２による検出電圧値を用いることなく、コンバータ２を構成する部品の過熱保護が可能となり、安定した電力供給が可能な信頼性の高い電源装置１０を提供することが可能となる。
なお、図７において、イベントとして異常発生、異常解除を例にしたが、これに限るものではない。異常発生が起きることなく、コンバータ２の運転中に構成部品の温度Ｔｍが上昇することがあっても、コンバータ２を構成する部品が保護されるように、母線電圧Ｖ２が電源電圧Ｖ１に直結するように制御を切り替えてもよい。また、異常解除にならなくても、所定時間経過後に構成部品の温度Ｔｍが第一の解除値となる温度Ｔｒｅｌを下回れば、母線電圧Ｖ２が目標母線電圧Ｖ２targetとなるように、制御を切り替えてもよい。
実施の形態２．
以下に、実施の形態２に係る電源装置について図を用いて説明する。
本実施の形態２は、実施の形態１と電源装置１０の回路構成は同じであるが、コンバータ２の制御方法が異なる。
図１０は、本実施の形態２に係るコンバータ２の制御方法を説明するための図で、コンバータ２を構成する部品の温度Ｔｍが第一の制限値の温度Ｔｌｉｍ１を超えた場合、母線電圧Ｖ２が電源電圧Ｖ１となる直結状態への移行時間を実施の形態１の図８で示したよりも短くするための制御方法を示すものである。母線電圧Ｖ２が電源電圧Ｖ１となる直結状態への移行時間を短くするには、以下の条件を満たすようにスイッチング素子Ｑ２のＤＵＴＹの変化率を大きくすればよい。
すなわち、コンバータ２には、リアクトルＬ１を流れる直流電流Ｉ１、リプル電流（ａ）及び出力コンデンサＣ２の電荷を入力コンデンサＣ１に移動させるために発生する電流（ｂ）が流れる。これらの電流和（ａ＋ｂ＋直流電流）がコンバータ２の許容電流を超えないようにする。この許容電流はスイッチング素子を破壊しないように決定される。
図１０において、リプル電流を破線で、二点鎖線をコンデンサＣ２からコンデンサＣ１への電荷移動により発生する電流、実線を電流和とすると、母線電圧Ｖ２が高く、リプル電流が大きいときには、ＤＵＴＹの変化率を緩やかにし、Ｖ２が低く、リプル電流が小さくなるにしがたい、ＤＵＴＹの変化率を急峻にし、コンデンサＣ２からコンデンサＣ１への電荷移動により発生する電流の割合を調整して電流和が許容電流を超えない範囲に設定する。これにより許容電流超過によりコンバータ２を構成する部品の破壊などが発生することなく、速やかにコンバータ２の温度Ｔｍを低下させることが可能となる。
図１０には、図９のＤＵＴＹの変化率に対応するリプル電流、コンデンサＣ２からコンデンサＣ１への電荷移動により発生する電流、電流和をそれぞれ細線で示しているが、実施の形態１の図９のパターンにおいても、電流和は許容電流値を超えないが、コンバータ２の温度Ｔｍは時間を要して、緩やかに低下させていることがわかる。
以上のように、実施の形態２によれば、実施の形態１の効果を奏する。さらに、リプル電流、コンデンサＣ２からコンデンサＣ１への電荷移動により発生する電流、これらにリアクトルＬ１を流れる直流電流を加えた電流和が許容電流を超えないように調整しながらスイッチング素子Ｑ２のＤＵＴＹの変化率を大きくしているので、許容電流超過によるコンバータ２の破壊を発生させることなく、速やかにコンバータ２の温度Ｔｍを低下させることが可能となる。
実施の形態３．
以下に、実施の形態３に係る電源装置について図を用いて説明する。
本実施の形態３は、実施の形態１と電源装置１０の回路構成は同じであるが、コンバータ２の制御方法が異なる。
実施の形態１では、ステップＳ１０５でコンバータ２を構成する部品の温度Ｔｍが第一の制限値の温度Ｔｌｉｍ１より小さく設定された第一の解除値の温度Ｔｒｅｌを下回った場合、母線電圧Ｖ２が電源電圧Ｖ１に直結した状態を解除（ステップＳ１０６）し、再び、母線電圧Ｖ２が目標母線電圧Ｖ２targetとなるように、制御するようにした。
本実施の形態３では、ステップＳ１０６で、母線電圧Ｖ２が電源電圧Ｖ１に直結した状態を解除したときに、スイッチング素子Ｑ２のＤＵＴＹの変化率を調整しながらステップＳ１０２のフィードバック制御に戻る方法について図１１を用いて説明する。
図１１は、ステップＳ１０６からステップＳ１０２に戻る場合のＤＵＴＹの変化に対応する、母線電圧Ｖ２の変化及びリプル電流の変化を示したものである。ステップＳ１０６からステップＳ１０２に戻る場合にコンバータ２を流れる電流は主にリプル電流となるため、ＤＵＴＹを急激に大きくすると、コンバータ２のリプル電流が急増してしまう。そのため、図１１に示すように、リプル電流が許容電流値を超えない範囲で、最大の母線電圧Ｖ２の変化率となるように、ＤＵＴＹを変化させるのがよい。これにより、コンバータ２を構成する部品を許容電流超過により破壊することなく、フィードバック制御状態まで早急に復帰することができる。
実施の形態４．
以下に、実施の形態４に係る電源装置について図を用いて説明する。
本実施の形態４は、実施の形態１と電源装置１０の回路構成は同じであるが、コンバータ２の制御方法が異なる。
本実施の形態４では、ステップＳ１０６で、母線電圧Ｖ２が電源電圧Ｖ１に直結した状態を解除したときに、実施の形態３とは異なり、スイッチング素子Ｑ２のＤＵＴＹの変化率を調整しながらステップＳ１０２のフィードバック制御に戻る。以下、この方法について図１２を用いて説明する。
図１２は、ステップＳ１０６からステップＳ１０２に戻る場合のＤＵＴＹの変化及び母線電圧Ｖ２の変化を示したものである。ステップＳ１０６からステップＳ１０２に戻る場合に急激に母線電圧Ｖ２が変動すると、インバータ３への動作ショックが大きくなる。そのため、図１２のように、母線電圧Ｖ２の変化率をインバータ３側の応答性に対して遅い変化率とすることによって、インバータ３への動作ショックを抑制できる。母線電圧Ｖ２が所定の電圧値へと到達すれば、電圧検出回路６１、６２によってそれぞれ検出される電源電圧Ｖ１、母線電圧Ｖ２を用いた、フィードバック制御へと移行することができる。
実施の形態５．
以下に、実施の形態５に係る電源装置について図を用いて説明する。
本実施の形態５は、実施の形態１と電源装置１０の回路構成は同じであるが、コンバータ２の制御方法が異なる。
本実施の形態５では、コンバータ２を構成する部品の温度Ｔｍに対し、第一の制限値（温度Ｔｌｉｍ１）より低い、第二の制限値の温度Ｔｌｉｍ２が設定されている例である。この第二の制限値の温度Ｔｌｉｍ２は第一の解除値の温度Ｔｒｅｌよりも高い。
次に、本実施の形態５において、温度検出回路７で検出されたコンバータ２の構成部品の温度Ｔｍとコンバータ２の動作について詳細に説明する。図１３はコンバータ２の構成部品の温度Ｔｍに応じてコンバータ２を制御する動作手順を示すフローチャート、図１４はコンバータ２の構成部品の温度Ｔｍ、母線電圧Ｖ２の推移を示すタイムチャートである。
まず、電源装置１０の動作が開始される（ステップＳ２０１）。ステップＳ２０２において、コンバータ２は、出力電圧である母線電圧Ｖ２が、電動機４のトルクと回転数で決まる電圧を下限値（Ｖ２min）以上の電圧であって、コンバータ２、インバータ３、電動機４の損失が小さい目標母線電圧Ｖ２targetとなるように、制御部５により制御される。このとき、電圧検出回路６１で検出されたＶ１及び電圧検出回路６２で検出されたＶ２に基づいて、制御部５はフィードバック制御によりスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフ動作を制御し、母線電圧Ｖ２の電圧制御を実施する。目標母線電圧Ｖ２targetでコンバータ２が動作中の定常状態が、図１４において、時刻ｔ１より前の時刻ｔ０の状態である。ステップＳ２０１、ステップＳ２０２は、実施の形態１の図６のステップＳ１０１、ステップＳ１０２と同様である。
図１４において、時刻ｔ１１で例えばコンバータ２を冷却している冷却器の水温が上昇するなどの異常が発生すると、温度検出回路７で検出されたコンバータ２を構成する部品の温度Ｔｍが上昇し始める。時刻ｔ１２で予め設定された第二の制限値である温度Ｔｌｉｍ２を超えると（ステップＳ２０３）、母線電圧Ｖ２を抑制し、目標母線電圧Ｖ２targetから母線電圧Ｖ２が電圧Ｖ１＋ΔＶ１に低下するように、制御部５は制御を行う（ステップＳ２０４）。具体的には、フィードバック制御を停止し、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフ動作においてスイッチング素子Ｑ２のＤＵＴＹを小さくする制御に切り替える。この母線電圧Ｖ２を抑制する制御は第一の制限値である温度Ｔｌｉｍ１を超えない範囲で継続する（ステップＳ２０５でＮＯ）。
時刻ｔ１２から一定時間経過し、コンバータ２を構成する部品の温度Ｔｍが再び上昇して、第一の制限値である温度Ｔｌｉｍ１を超えると（ステップＳ２０５でＹＥＳ）、実施の形態１のステップＳ１０４と同様に、母線電圧Ｖ２を抑制し、目標母線電圧Ｖ２targetから母線電圧Ｖ２が電源電圧Ｖ１に低下するように、制御部５は制御を行う（ステップＳ２０６）。
以下、ステップＳ２０６からステップＳ２０８までの動作は、実施の形態１の図６におけるステップＳ１０４からステップＳ１０６までの動作と同様であるので、説明を省略する。
なお、ステップＳ２０８からステップＳ２０２に戻る場合の制御に、実施の形態３及び実施の形態４の制御方法を用いることができることは言うまでもない。
また、ステップＳ２０５からステップＳ２０６に移行する場合の制御に、実施の形態１及び実施の形態２の制御方法を用いることができることは言うまでもない。
以上のように、本実施の形態５に係る電源装置によれば、実施の形態１から４と同様の効果を奏する。また、第一の制限値よりも小さい第二の制限値を設けることで、母線電圧Ｖ２を抑制し過ぎることなく、コンバータ２を構成する部品の温度上昇を抑制するとともに、温度が上昇し続けて、第一の制限値を超過した場合においては、実施の形態１から４と同様に電源電圧への直結動作への移行および、直結動作からのフィードバック制御への復帰動作を実施することが可能である。

また、第一の制限値と第二の制限値の間を、さらに分割して制限値を設定し、その制限値に対応して母線電圧Ｖ２の上限値であるＶ２＝Ｖ１＋ΔＶ１におけるΔＶ１を細分化して設定することで、段階的に母線電圧Ｖ２を抑制制御することが可能となる。これにより、温度上昇を細分化して確認するとともに、それに応じて母線電圧Ｖ２を急激に変化させることがなくなり、部品への負荷が低減する。
なお、上記実施の形態においては、時刻ｔ１２から一定時間経過し、コンバータ２を構成する部品の温度Ｔｍが再び上昇して、第一の制限値である温度Ｔｌｉｍ１を超える場合について説明したが、時刻ｔ１２から一定時間経過し、コンバータ２を構成する部品の温度Ｔｍが第一の解除値である温度Ｔｒｅｌを下回った場合は、フィードバック制御に戻ってもよい。すなわち、図１３ではステップＳ２０５において第一の制限値である温度Ｔｌｉｍ１を超えない場合は、ステップＳ２０４に戻っていたが、ステップＳ２０３に戻り、第二の制限値である温度Ｔｌｉｍ２を超えているかどうか確認すればよい。
実施の形態６．
以下に、実施の形態６に係る電源装置について図を用いて説明する。
本実施の形態６は、実施の形態１と電源装置１０の回路構成は同じであるが、電圧検出回路６１、６２で電圧が検出できない場合のコンバータ２の制御方法について説明する。その他の制御方法については実施の形態１から５と同様である。
次に、本実施の形態６において、温度検出回路７で検出されたコンバータ２の構成部品の温度Ｔｍとコンバータ２の動作について詳細に説明する。図１５はコンバータ２の構成部品の温度Ｔｍに応じてコンバータ２を制御する動作手順を示すフローチャート、図１６はコンバータ２における各部の電流、電圧波形を示す図である。図１６中（ａ）は母線電圧Ｖ２を高くする場合、図１６中（ｂ）は（ａ）よりも母線電圧Ｖ２を低くする場合である。ここでは、電圧検出回路６２で母線電圧Ｖ２が検出できない例で説明する。電圧が検出できないとは、回路中に設けた電圧センサが故障することが主であるが、ここでは、それも含めて電圧検出回路の故障と称して説明する。
まず、電源装置１０の動作が開始される（ステップＳ３０１）。ステップＳ３０２において、コンバータ２は、出力電圧である母線電圧Ｖ２が、電動機４のトルクと回転数で決まる電圧を下限値（Ｖ２min）以上の電圧であって、コンバータ２、インバータ３、電動機４の損失が小さい目標母線電圧Ｖ２targetとなるように、制御部５により制御される。このとき、電圧検出回路６１で検出されたＶ１及び電圧検出回路６２で検出されたＶ２に基づいて、制御部５はフィードバック制御によりスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフ動作を制御し、母線電圧Ｖ２の電圧制御を実施する。
電圧検出回路６２の故障が発生すると（ステップＳ３０３でＹＥＳ）、制御部５は、他方の電圧検出回路６１で検出された電源電圧Ｖ１を用いて母線電圧Ｖ２を推定し（ステップＳ３０４）、電圧検出回路６１で検出された電源電圧Ｖ１とそれをもとに推定された母線電圧Ｖ２を用いてフィードバック制御を行う。
次に、ステップＳ３０４で母線電圧Ｖ２を推定する方法について説明する。
制御部５は、母線電圧Ｖ２電圧を電圧検出回路６１によって検出された電源電圧Ｖ１とスイッチング素子Ｑ２のＤＵＴＹ比を元に、電圧検出回路６２での読み値である母線電圧Ｖ２を
Ｖ２＝Ｖ１/（１－ＤＵＴＹ）
と推定し、この値に置き換える。そして、この置き換えられたＶ２と電圧検出回路６１によって検出された電源電圧Ｖ１とを用いてフィードバック制御を実施する。
スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフ制御は図１６に示す通りであり、このときのリアクトルＬ１の電圧変化すなわち母線電圧Ｖ２の変化も図１６の通りである。
母線電圧Ｖ２を上述のように電源電圧Ｖ１を用いて読み替え値を用いているため、実際の母線電圧Ｖ２の値との乖離により、コンバータ２を構成する部品の温度Ｔｍの上昇が進むことも予想される。温度Ｔｍが上昇し、第二の制限値の温度Ｔｌｉｍ２を超えると（ステップＳ３０５）、母線電圧Ｖ２を抑制し、目標母線電圧Ｖ２targetから母線電圧Ｖ２が電圧Ｖ１＋ΔＶ１に低下するように、制御部５は制御を行い（ステップＳ３０６）、温度上昇の抑制を図る。
母線電圧Ｖ２の上限値をＶ２＝Ｖ１＋ΔＶ１とした場合においても、温度上昇が継続し、第一の制限値の温度Ｔｌｉｍ１を超過した場合（ステップＳ３０７）には、電圧検出回路６１で検出される電源電圧Ｖ１の検出値を用いない所定のパターンで、母線電圧が電源電圧に直結する状態となるように、ＤＵＴＹを徐変させる（ステップＳ３０８）。この時のＤＵＴＹ変動パターンは、実施の形態１、２に記載のパターンと同様である。
母線電圧Ｖ２の抑制によって、コンバータ２を構成する部品の温度Ｔｍが第一の解除値の温度Ｔｒｅｌを下回った場合に、母線電圧Ｖ２の電圧抑制を解除し、電圧検出回路６２での読み値Ｖ２をＶ２＝Ｖ１/（１－ＤＵＴＹ）として置き換えられた状態でフィードバック制御に復帰させる。直結状態からフィードバック制御状態への復帰のＤＵＴＹ変動のパターンは、実施の形態３、４に記載のパターンと同様である。
上記実施の形態においては、電圧検出回路６２が故障した場合について説明したが、電圧検出回路６１が故障した場合も同様な制御方法でカバーできる。例えば、電圧検出回路６１が故障し、Ｖ１が正常に読み取れない場合、電圧検出回路６２での読み値Ｖ２を元に、Ｖ１＝Ｖ２×（１－ＤＵＴＹ）として置き換えて、フィードバック制御を行えばよい。
以上のように、実施の形態６によれば、電源電圧Ｖ１を検出する電圧検出回路６１及び母線電圧Ｖ２を検出する電圧検出回路６２の一方が故障しても、他方で検出する電圧値を推定し、読み替えた値を用いることで、コンバータ２に具備するスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフ制御によるフィードバック制御が可能となる。
なお、電源装置の制御部５は、ハードウエアの一例を図１７に示すように、プロセッサ１００と記憶装置２００から構成される。記憶装置は図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ１００は、記憶装置２００から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ１００にプログラムが入力される。また、プロセッサ１００は、演算結果等のデータを記憶装置２００の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
１：電源、 ２：コンバータ、 ３：インバータ、 ４：電動機、 ５：制御部、 ６１：電圧検出回路、 ６２：電圧検出回路、 ７：温度検出回路、 １０：電源装置、 Ｃ１：入力コンデンサ、 Ｃ２：出力コンデンサ、 Ｄ１～Ｄ８：整流素子、 Ｌ１：リアクトル、 Ｑ１～Ｑ８：スイッチング素子、 Ｖ１：電源電圧、 Ｖ２：母線電圧。

Claims (7)

  1. 電源に接続され、複数のスイッチング素子を有するコンバータと、
    前記コンバータの温度を検出する温度検出回路と、
    前記コンバータと負荷との間に接続され、前記コンバータの出力電圧を変換して、前記負荷に出力するインバータと、
    前記コンバータの出力電圧が予め設定された目標出力電圧となるように複数の前記スイッチング素子を制御する制御部と、を備えた電源装置であって、
    前記制御部は、
    予め設定された第一の制限値、前記第一の制限値よりも低く設定された第二の制限値、前記第二の制限値より低く設定された解除値に対し、
    前記温度検出回路で検出された温度が前記第二の制限値を超えた場合に、
    前記出力電圧を前記目標出力電圧より低く、前記電源の電圧より高い電圧に設定して、複数の前記スイッチング素子を制御し、
    前記温度検出回路で検出された温度が予め設定された第一の制限値を超えた場合に、
    前記コンバータの出力電圧が前記目標出力電圧から予め設定された変化率で前記電源の電圧となるように、複数の前記スイッチング素子を制御し、
    前記温度検出回路で検出された温度が前記解除値を下回った場合に、前記出力電圧を前記目標出力電圧となるように複数の前記スイッチング素子を制御する電源装置。
  2. 前記制御部は、前記温度検出回路で検出された温度が予め設定された第一の制限値を超えた場合に、前記出力電圧の変化率が前記インバータの応答性に対して遅く、かつ一定の変化率となるように、複数の前記スイッチング素子を制御する請求項１に記載の電源装置。
  3. 前記制御部は、前記温度検出回路で検出された温度が予め設定された第一の制限値を超えた場合に、前記コンバータの許容電流を超えない範囲で、前記出力電圧の変化率が最大となるように、複数の前記スイッチング素子を制御する請求項１に記載の電源装置。
  4. 前記温度検出回路で検出された温度が前記第一の制限値よりも低い予め設定された解除値を下回った場合に、
    前記制御部は、前記コンバータの許容電流を超えない範囲で、前記出力電圧の変化率が最大となるように複数の前記スイッチング素子を制御し、前記出力電圧を前記目標出力電圧とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電源装置。
  5. 前記温度検出回路で検出された温度が前記第一の制限値よりも低い予め設定された解除値を下回った場合に、
    前記制御部は、制御された前記出力電圧の変化率が前記インバータの応答性に対して遅く、かつ一定の変化率となるように、複数の前記スイッチング素子を制御し、前記出力電圧を前記目標出力電圧とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電源装置。
  6. 前記電源の電圧を検出する第一の電圧検出回路と、前記コンバータの出力電圧を検出する第二の電圧検出回路とを備え、
    前記制御部は、前記第一の電圧検出回路で検出された電圧及び前記第二の電圧検出回路で検出された電圧を用いたフィードバック制御により前記コンバータの出力電圧が前記目標出力電圧となるように制御を行う請求項１から５のいずれか１項に記載の電源装置。
  7. 前記第一の電圧検出回路及び前記第二の電圧検出回路のいずれか一方で電圧が検出できないとき、
    前記制御部は、検出可能な電圧検出回路の電圧値及び前記コンバータの複数の前記スイッチング素子のオン時間とオフ時間との割合から検出できない電圧検出回路の電圧値を推定し、フィードバック制御を行う請求項６に記載の電源装置。
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