JP2015136269A - 電力変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、電動車両に搭載された電力変換器に含まれる昇圧用電圧コンバータのスイッチング素子が短絡故障した場合であってもバッテリを切り離さずに走行を継続することのできる技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する電圧変換器２は、バッテリ１４の電力を昇圧する電圧コンバータ回路３を備えている。電圧コンバータ回路３は、その入力側と出力側の高電位端間に接続されているリアクトル１２と、リアクトル１２の出力側とグランド線との間に直列に接続されている第１スイッチング素子Ｔ８及び第２スイッチング素子Ｔ９を備えている。電圧変換器２の備えられたコントローラ１５は、第２スイッチング素子Ｔ９を導通状態に保持したまま、第１スイッチング素子Ｔ８で導通と遮断を繰り返してバッテリ１４の電圧を昇圧し、第１スイッチング素子Ｔ８が短絡故障した場合に第２スイッチング素子Ｔ９を導通状態から遮断状態に切り換える。【選択図】図１

Description

本発明が開示する技術は、電動車両に搭載される電力変換器に関する。ここで、「電動車両」とは、モータを備えるがエンジンは備えない電気自動車のほか、モータとともにエンジンを備えるハイブリッド車及び燃料電池車を含む。

電動車両は、バッテリの直流電力を交流に変換するインバータ回路（電力変換器）を備える。電動車両に搭載されるモータは、定格出力が数十キロワットであり、高出力となる。そのため、電動車両用の電力変換器の中には、インバータ回路だけでなく、バッテリの電圧を昇圧してインバータ回路に供給する電圧コンバータ回路も備えるタイプがある（例えば特許文献１）。なお、特許文献１の電圧コンバータ回路は、バッテリの電圧を昇圧してインバータ回路に供給する昇圧動作と、インバータ回路から供給される回生電力を降圧してバッテリに供給する降圧動作を行うことができるチョッパ型の昇降圧コンバータ回路である。

なお、課題や目的が異なるが本明細書で開示する電力変換器の回路と似た構造の回路があるのでここで説明しておく。特許文献２に開示される電力変換器の電圧コンバータ回路は、直列に接続された４個のスイッチング素子を備えている。４個のスイッチング素子の直列回路は、インバータ側の高電位端と、バッテリ側とインバータ側の双方に共通のグランド線との間に接続されている。説明の便宜上、４個のスイッチング素子を、高電位側から第１、第２、第３、及び、第４スイッチング素子と称する。その電圧コンバータ回路は、第２スイッチング素子と第３スイッチング素子の中間点と、グランド線の間に、第１リアクトルと第１電源（バッテリ）の直列回路が接続されている。また、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の中間点と、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子の中間点の間に、第２リアクトルと第２電源（キャパシタ）の直列回路が接続されている。その回路は、第１電源を使った昇降圧チョークコンバータ回路と第２電源を使った昇降圧チョークコンバータ回路を混在させたものである。その回路は、上記の４つのスイッチング素子のオンオフを切り替えることで、第１及び第２の電源を昇圧する。さらに、上記の４つのスイッチング素子のオンオフを切り替えることで、第１及び第２の電源を並列若しくは直列に接続し、電力変換器の先に接続されたインバータ回路に電力を供給する。特許文献２の技術は、特に、第１電源で第２電源をプリチャージするためのスイッチング素子の制御技術に着目している。

特開２０１３−１８８１０６号公報 特開２０１３−１０２５９５号公報

電力変換器のインバータ回路やコンバータ回路は、多数のスイッチング素子を含む。高出力に対応するため、トランジスタには大きな電流が流れ、その負荷は大きい。そのため、トランジスタが故障する虞がある。特に、チョッパ型の昇圧コンバータ回路は、バッテリにリアクトルとスイッチング素子が直列に接続されているため、スイッチング素子が短絡故障すると、バッテリが短絡してしまう。そのような場合、単純に電力変換器をバッテリから切り離してしまえばよいが、それでは走行性能が著しく低下してしまう。本明細書は、電力変換器、特にチョッパ型の昇圧コンバータ回路を含む電力変換器において、昇圧用のスイッチング素子が短絡した場合に、走行性能の低下を可能な限り抑制することのできる技術を提供する。

まず、よく知られているチョッパ型の昇圧コンバータ回路を説明する。昇圧コンバータ回路は、入力側（バッテリ側）の高電位端と出力側（インバータ側）の高電位端の間に電力エネルギを蓄えるリアクトルが接続されている。なお、入力側の低電位端と出力側の低電位端は直結されており、その線をグランド線と呼ぶ。リアクトルの出力側とグランド線の間にスイッチング素子が接続されている。また、リアクトルの出力側とグランド線の間にコンデンサが接続されている。なお、リアクトルとコンデンサの高電位側との間には逆流防止のダイオードが接続されている。ダイオードは、アノードがリアクトルと接続しており、カソードがコンデンサ及びコンバータの出力側の高電位端と接続している。

本明細書が開示する電力変換器は、チョッパ型の昇圧コンバータ回路とインバータ回路を備える。そして、昇圧コンバータ回路において、リアクトルの出力側とグランド線の間に接続されているスイッチング素子に、別のスイッチング素子を直列に挿入する。即ち、リアクトルの出力側とグランド線の間に第１及び第２スイッチング素子を直列に接続する。なお、第１及び第２スイッチング素子の直列回路は、上記したコンデンサと並列になる。昇圧コンバータ回路のコントローラは、昇圧コンバータが正常の間は、第２スイッチング素子を導通状態に保持したまま、第１スイッチング素子で導通と遮断を繰り返してバッテリの電圧を昇圧する。そして、コントローラは、第１スイッチング素子が短絡故障した場合、第２スイッチング素子を導通状態から遮断状態に切り換える。そうすると、バッテリの短絡は回避される。他方、昇圧コンバータの出力側には、バッテリの電力がダイレクトに出力されることになる。即ち、昇圧動作は継続できないが、バッテリを短絡させることなく、バッテリの電力をダイレクトに出力側に伝えることができる。インバータ回路は、バッテリの出力電圧の電力を交流電力に変換してモータに出力する。上記の電力変換器は、昇圧された直流電力を使った当初の性能には劣るが昇圧コンバータ回路のスイッチング素子の短絡後もバッテリを切り離すことなく走行を継続することができる。

上記の構成では、第１スイッチング素子が通常の昇圧動作を行うためのトランジスタである。短絡時にバッテリの短絡を遮断する第２スイッチング素子は、単なるリレーでもよいし、半導体スイッチであってもよい。しかし、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子が同型のトランジスタであることが望ましい。その場合、第１スイッチング素子が短絡故障しても、それと同型の第２スイッチングで全く同じ昇圧動作を継続することができる。また、スイッチング素子は電磁リレーなどのスイッチと比較して動作が高速であるので、短絡が検知されたときに直ちにバッテリの短絡を遮断できる。さらに、トランジスタは、アーク放電が発生しない点で電磁リレーに比べて優位である。

前述したように、電動車両用の電力変換器では、インバータ回路から供給される回生電力を降圧してバッテリに供給する降圧動作も有していることが好ましい。上記の技術をチョッパ型の昇降圧コンバータ回路に適用する場合、第３のスイッチング素子を、リアクトルと出力側の高電位端の間に接続すればよい。この場合、昇降圧コンバータ回路（電圧コンバータ回路）は３個のスイッチング素子を備えることになる。他方、３相交流モータを駆動するインバータ回路は、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成をしている。近年、発熱量の大きいスイッチング素子を樹脂でモールドしたパッケージ（パワーカード）が使われている。そこで、電圧コンバータ回路及びインバータ回路に用いられる複数のスイッチング素子を一つのパッケージに収めたパワーカードを使うと、インバータ回路と電圧コンバータ回路を含む電力変換器が次のとおりコンパクトに実現できる。即ち、第１、第２、及び、第３スイッチング素子及びインバータ回路のスイッチング素子が複数のパワーカードに分散して組み込まれ、複数のパワーカードが複数の冷却器と交互に積層される。そうすると、複数のスイッチング素子をコンパクトに集約することができると共に、発熱量の大きいスイッチング素子の冷却も効率よく実現することができる。

本明細書は、インバータ回路と、チョッパ型の昇圧用電圧コンバータ回路を有する電動車両の電力変換器に関し、昇圧用電圧コンバータのスイッチング素子が短絡故障した場合であっても走行を継続することのできる技術を提供する。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電力変換器を備えた電動車両の電力系のブロック図である。 電力変換器のシステム起動時のフローチャート図である。 電力変換器の走行時のフローチャート図である。 電力変換器に備えられるパワーカードの積層ユニットを示す斜視図である。

図面を参照して実施例の電力変換器を説明する。図１に実施例の電力変換器２を含む電動車両１００の電力系のブロック図を示す。電動車両１００は、２個のモータ５ａ、５ｂを備える。そのため、電力変換器２は、２個のインバータ回路４ａ、４ｂを備える。なお、２個のモータ５ａ、５ｂの出力は、動力分配機構６で合成または分配されて車軸７（即ち駆動輪）へ伝達される。

電力変換器２は、システムメインリレー１３を介してバッテリ１４と接続されている。電力変換器２は、バッテリ１４の電圧を昇圧する電圧コンバータ回路３と、昇圧後の直流電力を交流に変換する２セットのインバータ回路４ａ、４ｂを含む。電力変換器２を介して変換された電力によりモータ５ａ、５ｂが駆動する。また、モータ５ａ、５ｂからの回生電力を電力変換器２を介してバッテリ１４に蓄電することもできる。この場合、電圧コンバータ回路３は、降圧回路として動作する。つまり、モータ５ａ、５ｂからの回生電力がインバータ回路４ａ、４ｂにより直流電力に変換された後、電圧コンバータ回路３により降圧され、バッテリ１４に蓄電される。

電圧コンバータ回路３の回路構成について説明する。電圧コンバータ回路３の高電位側のラインにおける出力側と入力側の間には、リアクトル１２及びスイッチング素子Ｔ７が接続されている。そして、低電位側のラインは、電圧コンバータ回路３の入力側と出力側が直接接続されている。以下、低電位側のラインをグランド線Ｇと称する。即ち、電圧コンバータ回路３の入力側（バッテリ１４側）の低電位端と出力側（インバータ回路４ａ、４ｂの側）の低電位端を直接に接続するラインがグランド線Ｇに相当する。リアクトル１２の一端は、入力側（バッテリ１４側）の高電位端に接続され、その他端（出力側）にはスイッチング素子Ｔ７が接続されている。また、電圧コンバータ回路３は、スイッチング素子Ｔ８、Ｔ９の直列回路を含んでいる。その直列回路の一端は、リアクトル１２とスイッチング素子Ｔ７の間（リアクトル１２の出力側）に接続され、他端は、グランド線Ｇに接続されている。また、リアクトル１２の入力側とグランド線Ｇの間には、フィルタコンデンサ８が接続され、リアクトル１２の出力側とグランド線Ｇの間には平滑コンデンサ９が接続されている。なお、各スイッチング素子Ｔ７、Ｔ８、Ｔ９には、逆並列にダイオードが接続されている。また、電圧コンバータ回路３の各スイッチング素子には、コントローラ１５からパルス信号が送られ、各スイッチング素子のオンオフがコントロールされている。ここで、スイッチング素子を「オン」の状態にするとは、スイッチング素子を「導通状態」にすることを示し、「オフ」の状態にするとは、スイッチング素子を「遮断状態」にすることを示す。

インバータ回路４ａの回路構成について説明する。インバータ回路４ａは、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している（Ｔ１とＴ４、Ｔ２とＴ５、Ｔ３とＴ６）。各スイッチング素子にはダイオードが逆並列に接続されている。３セットの直列回路の高電位側がインバータ回路４ａの高電位側の入力端に接続されており、３セットの直列回路の低電位側がインバータ回路４ａの低電位側の入力端に接続されている。３セットの直列回路の中点から３相交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）が出力される。

インバータ回路において、直流電力の高電位入力側からモータまでの電流経路は上アームと呼ばれており、モータから直流電力の低電位入力側までの電流経路は下アームと呼ばれている。つまり、インバータ回路４ａの上アームは電圧コンバータ回路３の高電位側の出力端と接続され、インバータ回路４ａの下アームは電圧コンバータ回路３のグランド線Ｇと接続される。図１のスイッチング素子Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３は「上アーム」に含まれ、スイッチング素子Ｔ４、Ｔ５、Ｔ６は「下アーム」に含まれる。なお、以下では、説明の便宜のため、インバータ回路４ａ、４ｂの高電位側のラインと、電圧コンバータ回路３の出力側高電位端とを結ぶ線を高電位ラインＰＬと称する。反対に、インバータ回路４ａ、４ｂの低電位側のラインと、電圧コンバータ回路３のグランド線Ｇとを結ぶ線を低電位ラインと称する。

インバータ回路４ｂの回路構成は、インバータ回路４ａの回路構成と同じであるため、図１では具体的な回路の図示は省略している。インバータ回路４ｂも、インバータ回路４ａと同様に、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している。コンバータ回路４ａ、４ｂの各スイッチング素子には、電圧コンバータ回路３と同様にコントローラ１５からパルス信号が送られ、各スイッチング素子のオンオフがコントロールされる。なお、インバータ回路４ａ、４ｂの動作はよく知られている技術であるので、説明は省略する。

スイッチング素子Ｔ１からＴ９としては、トランジスタが利用される。典型的には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられる。しかし、このトランジスタは、他のトランジスタ、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよい。あるいは、将来的には異なるタイプのスイッチング素子が電力変換器に用いられるかもしれない。本明細書が開示する技術は、スイッチング素子のタイプに依存しない。

電圧コンバータ回路３の動作について説明する。電圧コンバータ回路３は、バッテリ１４の電圧を昇圧してインバータ回路４ａ、４ｂに電力を供給する昇圧動作と、インバータ回路４ａ、４ｂから入力された直流電力を降圧してバッテリ１４に電力を供給する降圧動作の双方を行うことができる。典型的なチョッパ型の昇降圧コンバータ回路は、グランド線側に接続されたスイッチング素子は一つである。本明細書で開示する電圧コンバータ回路３をその昇降圧コンバータ回路と同様の動作を行うようにするためには、グランド線Ｇ側に接続されたスイッチング素子Ｔ８、Ｔ９のどちらかを常時オンの状態にする。以下の説明では、スイッチング素子Ｔ９を常時オンの状態として説明をする。なお、スイッチング素子Ｔ８、Ｔ９のどちらを常時オンとしても電圧コンバータ回路３は同様の動作をすることができることに留意されたい。また、常時オンの状態とするスイッチング素子Ｔ９のことを、説明の便宜上、以下では短絡スイッチと称する場合がある。

先ず、昇圧動作について説明する。短絡スイッチ（スイッチング素子Ｔ９）をオンに保持したままスイッチング素子Ｔ８のオンオフをコントロールすることで昇圧動作を行うことができる。なお、このとき、スイッチング素子Ｔ７はオフに保持される。スイッチング素子Ｔ８をオンにすることで、リアクトル１２の出力側がグランド線Gと通電する。このため、リアクトル１２に流れる電流が増加し、リアクトル１２に磁気エネルギが蓄積される。この状態で、スイッチング素子Ｔ８をオフにすると、リアクトル１２が増加した電流を減少させないように働き、蓄積した磁気エネルギを放出する。その結果、電圧コンバータ回路３の出力側（インバータ回路４ａ、４ｂと接続される側）の電圧がバッテリ１４の電圧より高圧となる。上記のオンオフを繰り返すことで、平均してバッテリ１４の電圧より高い電圧が電圧コンバータ回路３の出力側から出力される。昇圧された電力は、インバータ回路４ａ、４ｂを介して交流電力に変換され、モータ５ａ、５ｂに供給される。

次に、降圧動作について説明する。スイッチング素子Ｔ７のオンオフをコントロールすることで降圧動作を行うことができる。なお、このとき、スイッチング素子Ｔ８はオフに保持される。スイッチング素子Ｔ７をオンにすることで、モータ５ａ、５ｂからの回生電力により、リアクトル１２に電流が流れ、リアクトル１２に磁気エネルギが蓄積される。リアクトル１２のバッテリ側の電位がバッテリ電位をわずかに超えたところでスイッチング素子Ｔ７をオフにする。そうすると、リアクトル１２は、蓄積した磁気エネルギを放出し、これによって電流を流し続ける方向に起電力が発生する。この起電力によって発生する電流は、スイッチング素子Ｔ８及びＴ９に並列に接続されたダイオードとフィルタコンデンサ８との間で還流し、徐々に減衰する。上記のオンオフを繰り返すことで、平均して回生電力より低い電圧であってバッテリ電圧よりわずかに高い電圧が電圧コンバータ回路３の入力側（バッテリ１４と接続される側）から出力される。降圧された電力は、バッテリ１４に充電される。

上記の電圧コンデンサ回路３において、スイッチング素子Ｔ８が短絡故障を起こした場合、そのスイッチング素子Ｔ８を介してバッテリ１４が短絡してしまう。以下では、上述の説明で常時オンの状態としていたスイッチング素子Ｔ９（短絡スイッチ）を利用することで、バッテリ１４の短絡を防止する技術について説明する。

図２を参照して、電力変換器２のシステム起動時に短絡故障が検出されたときの動作について説明する。先ず、電動車両１００が停止している状態で、システムメインリレー１３がオンされる（Ｓ１）。これにより、電力変換器２にバッテリ１４から電力が供給される。次に、コントローラ１５は、スイッチング素子Ｔ９（短絡スイッチ）をオンにする（Ｓ２）。次に、コントローラ１５は、昇圧用のスイッチング素子Ｔ８が短絡しているか否かを確認する（Ｓ３）。なお、トランジスタであるスイッチング素子の短絡は、トランジスタに設けられた電流検出用端子により検出される。実施例で用いられるトランジスタであるＩＧＢＴには、典型的には電流検出用端子として、センスエミッタ端子が設けられている。このセンスエミッタ端子を用いて短絡を検出することができる。この技術はよく知られているので詳細な説明は省略する。以下、スイッチング素子Ｔ８が短絡しているか否かで短絡スイッチの動作を切り替える。

スイッチング素子Ｔ８が短絡していない場合、短絡スイッチのオン状態は継続される（Ｓ４）。その後、電圧コンバータ回路３は上記で説明したように通常の昇降圧動作を行う（Ｓ５）。これにより、電動車両１００は、通常の走行状態となる（Ｓ６）。

一方、スイッチング素子Ｔ８が短絡している場合、短絡スイッチをオフにする（Ｓ７）。これにより、リアクトル１２の出力側とグランド線Gの間は遮断される。したがって、スイッチング素子Ｔ８が短絡していても、バッテリ１４の短絡が回避される。そして、電動車両１００は、フェール走行のモードに設定される（Ｓ８）。ここで、フェール走行とは、バッテリ１４の電力を昇圧しないで電動車両１００を走行させる状態のことをいう。具体的には、アクセル開度等に基づいてモータの出力を決定するコントローラが、バッテリ１４の出力電圧で対応可能な範囲にモータの出力を制限する。

短絡スイッチをオフにした場合、高電位ラインＰＬに接続されたスイッチング素子Ｔ７に並列に接続されたダイオードにより、電圧コンバータ回路３の出力側には、バッテリ１４の電力がダイレクトに出力することになる。したがって、バッテリ１４の電圧により電動車両１００の走行を継続することができる。

図３を参照して通常走行時に短絡故障が検出された時の動作について説明する。通常走行では、電圧変換器２の内部で過電流（予定されている電流よりも大きい電流が流れること）が生じていないかコントローラ１５が常に監視している。具体的には、コントローラ１５は、先に述べたセンスエミッタを流れる電流を定期的に計測している。コントローラ１５は、センスエミッタの電流値を計測し（Ｓ１１）、昇圧用のスイッチング素子Ｔ８が短絡しているか否かを確認する（Ｓ１２）。スイッチング素子Ｔ８が短絡していない場合、短絡スイッチのオン状態は継続され（Ｓ１３）、電動車両１００の通常走行が継続される。一方で、スイッチング素子Ｔ８が短絡している場合、コントローラ１５は短絡スイッチをオフにする（Ｓ１４）。上記と同様、リアクトル１２の出力側とグランド線Ｇの間は遮断される。また、バッテリ１４の電力は、ダイレクトに電圧コンバータ回路３の出力側に出力される。そして、電動車両１００はフェール走行のモードに移行する（Ｓ１５）。

上記のアルゴリズムを電圧コンバータ回路３に採用することで、昇圧用のスイッチング素子Ｔ８が短絡しても、バッテリ１４が短絡することが回避される。また、昇圧用のスイッチング素子Ｔ８が短絡しても、電動車両１００の走行は、フェール走行モードで継続することができる。この場合、バッテリ１４の電圧がダイレクトに出力されるため、電動車両１００の走行性能は、正常のときと比較して劣ることになる。しかし、バッテリを切り離すことなく、車両を走行させることができる。

実施例の電力変換器２のハードウエア構成について説明する。大電流を扱うスイッチング素子は、発熱量も大きい。複数のスイッチング素子を効率よく冷却するため、電力変換器２は、８個のパワーカードＰＣ１からＰＣ８と複数の冷却器２１を交互に積層した積層ユニット２００を備える。図４に積層ユニット２００の模式的斜視図を示す。ここで、パワーカードとは、複数のスイッチング素子を樹脂でモールドしたパッケージである。そのパッケージには、その内部に収容されたスイッチング素子を外部の素子と接続するための端子が設けられている。なお、各端子は図１に示す回路構成となるように互いに接続されるが、図４では、その接続構造が省略されていることに留意されたい。また、リアクトル１２、フィルタコンデンサ８、平滑コンデンサ９の図示が省略されていることに留意されたい。

図４に示されるように、各パワーカードはその両側を冷却器２１により挟まれている。複数の冷却器２１の内部は冷媒が通る空洞である。各冷却器２１の長手方向（図中のＸ軸方向）の両側に孔が設けられており、隣接する冷却器２１が連結管２４ａ、２４ｂで連結されている。積層方向の端に位置する冷却器２１には冷媒供給管２２と冷媒排出管２３が接続されている。冷媒供給管２２から供給された冷媒は、連結管２４ａを通じて全ての冷却器２１に分配される。冷媒は、各冷却器２１の内部を通過する間に隣接するパワーカードの熱を吸収し、他方の連結管２４ｂを通じて冷媒排出管２３へと送られる。なお、冷媒は、液体であり、例えば、水、あるいは、ＬＬＣ（Long Life Coolant）である。

実施例の電力変換器２では、図１の破線で囲んだように、２個のスイッチング素子を１セットとして収容する７セットのパワーカードＰＣ１からＰＣ７及び１個のスイッチング素子を収容するパワーカードＰＣ８が構成される。ハードウエアとしては、２個又は１個のスイッチング素子と、これに付随するダイオードが一つのパワーカードに収容されている。具体的には、２個又は１個のスイッチング素子とダイオードが樹脂で封止されており、その樹脂パッケージの内部でスイッチング素子が接続されているとともに、各スイッチング素子にダイオードが逆並列に接続されている。

パワーカードＰＣ１について説明する。図４に示すように、パワーカードＰＣ１は、積層方向（Ｚ軸方向）に薄い平板形状である。後述するパワーカードＰＣ２からＰＣ８も同様に平板形状である。図１において符号ＰＣ１が示す破線の範囲が、パワーカードＰＣ１に含まれる回路に相当する。パワーカードＰＣ１には、インバータ回路４ａのスイッチング素子Ｔ１とＴ４の直列回路が収容されている。そして、パワーカードＰＣ１には、図１に示した高電圧ラインＰＬと接続される正極端子Ｐ１と、インバータ回路の低電位ラインと接続される負極端子Ｎ１が設けられている。また、パワーカードＰＣ１には、モータ５ａのＵ相に接続される中間端子Ｍ１が設けられている。中間端子Ｍ１は、スイッチング素子Ｔ１とＴ４の間に接続される。図１に示される各端子Ｐ１、Ｎ１、Ｍ１は、図４に示されるパワーカードＰＣ１の上面から突出する３本の端子に対応している。なお、正極端子Ｐ１、負極端子Ｎ１、中間端子Ｍ１という呼称は、他のパワーカードでも用いる。

インバータ回路４ａの他のスイッチング素子Ｔ２、Ｔ３、Ｔ５、Ｔ６も、パワーカードＰＣ１と同様にパワーカードＰＣ２、ＰＣ３に収容されている。パワーカードＰＣ２、ＰＣ３の構造は、パワーカードＰＣ１と同様である。図１の破線の範囲に示すように、パワーカードＰＣ２にはスイッチング素子Ｔ２、Ｔ５の直列回路が収容され、パワーカードＰＣ３にはスイッチング素子Ｔ３、Ｔ６の直列回路が収容される。パワーカードＰＣ２、ＰＣ３には、高電圧ラインＰＬに接続される正極端子Ｐ１、低電位ラインに接続される負極端子Ｎ１、モータの各相に接続される中間端子Ｍ１がパワーカードＰＣ１と同様に設けられている。パワーカードＰＣ２の中間端子Ｍ１はモータ５ａのＶ相に接続され、パワーカードＰＣ３の中間端子Ｍ１はモータ５ａのＷ相に接続される。

インバータ回路４ｂのスイッチング素子もインバータ回路４ａと同様に、各スイッチング素子２個の直列回路が夫々、パワーカードＰＣ４、ＰＣ５、ＰＣ６の中に収容されている。パワーカードＰＣ４、ＰＣ５、ＰＣ６の構成は夫々、パワーカードＰＣ１、ＰＣ２、ＰＣ３の構成と同様であり、パワーカードＰＣ４、ＰＣ５、ＰＣ６の中間端子は夫々モータ５ｂのＵ相、Ｖ相、Ｗ相に接続される。

パワーカードＰＣ７について説明する。図１において符号ＰＣ７が示す破線の範囲が、パワーカードＰＣ７に含まれる回路に相当する。パワーカードＰＣ７には、電圧コンバータ回路３のスイッチング素子Ｔ７とＴ８の直列回路が収容されている。その構造は、パワーカードＰＣ１と同様である。図１に示すように、正極端子Ｐ１は、高電圧ラインＰＬに接続され、負極端子Ｎ１は、後述するパワーカードＰＣ８の正極端子Ｐ１に接続される。そして、中間端子Ｍ１は、リアクトル１２の出力側と接続される。

また、電圧コンバータ回路３の残り１個のスイッチング素子Ｔ９は、図１の破線の範囲に示すようにパワーカードＰＣ８に収容されている。パワーカードＰＣ８には、１個のスイッチング素子Ｔ９とそのスイッチング素子Ｔ９に逆並列に接続されたダイオードが収容されている。パワーカードＰＣ８には、スイッチング素子Ｔ９の一方の端子が接続された正極端子Ｐ１と他方の端子が接続された負極端子Ｎ１が設けられている。図１に示すように、正極端子Ｐ１は、パワーカードＰＣ７の負極端子に接続され、負極端子Ｎ１はグランド線Ｇに接続される。図４に示すように、パワーカードＰＣ８の上面には正極端子Ｐ1と負極端子Ｎ１が２本突出している。なお、パワーカードＰＣ８の長手方向（Ｘ軸方向）の幅は、他のパワーカードＰＣ１等に比べて短くなっている。

このようなハードウエア構成にすることで、実施例の電力変換器２は、電圧コンバータ回路３とインバータ回路４ａ、４ｂのスイッチング素子をコンパクトに収容することができる。即ち、第１、第２、及び、第３スイッチング素子及びインバータ回路のスイッチング素子が複数のパワーカードに分散して組み込まれ、複数のパワーカードが複数の冷却器と交互に積層される。このような構成により、複数のスイッチング素子をコンパクトに集約することができると共に、発熱量の大きいスイッチング素子の冷却も効率よく実現することができる。

また、本実施例が開示する電力変換器において、短絡スイッチをトランジスタから電磁リレー等に変えても同様の動作を実現することができる。しかし、その場合、電磁リレーは他のスイッチング素子が収容されたパワーカードとは別に配置する必要があり、電力変換器の構造が複雑化することになる。したがって、本実施例で示すように、短絡スイッチにトランジスタを用いることで、他のスイッチング素子と同様にパワーカード内に短絡スイッチを収容することができる。これにより、電力変換器のコンパクト化に寄与することができる。

さらにまた、短絡スイッチにトランジスタを用いる利点として、トランジスタの動作が、電磁リレー等と比較して高速であることが挙げられる。電圧コンバータのスイッチング素子の短絡が検知されたときに直ちにバッテリの短絡を遮断できる。さらに、トランジスタは、アーク放電が発生しない点で電磁リレーに比べて優位である。

以下、実施例で示した技術に関する留意点を述べる。上記の実施例において、短絡スイッチとしてスイッチング素子Ｔ９を選んだが、スイッチング素子Ｔ８を選んでもよい。この場合、スイッチング素子Ｔ９が電圧コンバータ回路３が昇圧動作をするときにオンオフが切り替えられるスイッチング素子となる。

また、上記の実施例では、パワーカードＰＣ１からＰＣ７において、２つのスイッチング素子を１つのパワーカードに収容していたが、このような構成に限らない。すべてのスイッチング素子において、パワーカードＰＣ８のように、１つのスイッチング素子を１つのパワーカードに収容してもよい。この場合、積層ユニットとして、横方向（パワーカードの長手方向）に２つ若しくは２つ以上のパワーカードを並べ、その横に並べたパワーカードを冷却器と交互に積層する構成が考えられる。また、上記の実施例では、電力変換器に２つのモータが接続されていたが、そのような構成に限らない。１つのモータが接続されていてもよいし、２つ以上のモータが接続されていてもよい。

実施例における「スイッチング素子Ｔ８」が特許請求の範囲における「第１スイッチング素子」の一例であり、「スイッチング素子Ｔ９」が特許請求の範囲における「第２スイッチング素子」の一例であり、「スイッチング素子Ｔ７」が特許請求の範囲における「第３スイッチング素子」の一例である。なお、繰り返しとなるが、「第１スイッチング素子」に対応するのが「スイッチング素子Ｔ９」であり、「第２スイッチング素子」に対応するのが「スイッチング素子Ｔ８」であっても、本発明の構成及び効果を変えるものではない。

以上、本発明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。本明細書また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り、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電力変換器
３：電圧コンバータ回路
４ａ、４ｂ：インバータ回路
５ａ、５ｂ：モータ
６：動力変換機構
７：車軸
８：フィルタコンデンサ
９：平滑コンデンサ
１２：リアクトル
１３：システムメインリレー
１４：バッテリ
１５：コントローラ
２１：冷却器
２２：冷媒供給管
２３：冷媒排出管
２４ａ、２４ｂ：連結管
１００：電動車両
２００：積層ユニット
Ｐ１、Ｐ２：正極端子
Ｎ１、Ｎ２：負極端子
ＱＵ、ＱＶ、ＱＷ：出力端子
ＱＧ：信号端子
Ｔ１−Ｔ９：スイッチング素子

Claims (3)

1. バッテリの電力を昇圧する電圧コンバータ回路と、
   電圧コンバータ回路によって昇圧された電力を交流に変換して走行用モータに供給するインバータ回路と、
   を備えている電動車両の電力変換器であって、
   前記電圧コンバータ回路は、
   入力側の高電位端と出力側の高電位端の間に接続されているリアクトルと、
   入力側の低電位端と出力側の低電位端を直結するグランド線と、
   前記リアクトルの前記出力側と、前記グランド線との間に直列に接続されている第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子と、
   前記リアクトルの前記出力側と前記グランド線の間に接続されているコンデンサと、
   前記第１及び第２スイッチング素子を制御するコントローラと、
   を備えており、前記コントローラは、
   前記第２スイッチング素子を導通状態に保持したまま、前記第１スイッチング素子で導通と遮断を繰り返して前記バッテリの電圧を昇圧し、
   前記第１スイッチング素子が短絡故障した場合に前記第２スイッチング素子を導通状態から遮断状態に切り換える、
   ことを特徴とする電力変換器。
2. 前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子が同型のトランジスタである請求項１に記載の電力変換器。
3. 前記電圧コンバータ回路は、前記リアクトルと出力側の高電位端の間に接続されている第３スイッチング素子を備えており、
   前記第１、第２、及び、第３スイッチング素子及び前記インバータ回路のスイッチング素子が複数のパワーカードに組み込まれており、
   前記複数のパワーカードが複数の冷却器と交互に積層されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換器。

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