JP6201447B2 - 電力変換装置及び電力変換装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置及び電力変換装置の制御方法に関する。

一般的に電力変換装置には、直流電源からの直流電力を交流電力に変換する際に発生するリップル成分を平滑化するための平滑コンデンサが設けられている。このため、直流電源からの直流電力の供給の停止または直流電力が供給される回路の切り離しの際に、メンテナンス等のために、平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電させる必要がある。特許文献１には、平滑コンデンサの正側と負側との間に直列に接続された２つのスイッチング素子を同時にオン状態とし、過電流となる前にスイッチング素子をオフ状態にして、残留電荷を放電する方法が開示されている。

特開２００９−２３２６２０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、上下のスイッチング素子を同時にオンして放電させる構成となっているので、スイッチング素子を破壊しないように、スイッチング素子に流れる電流を所定の電流レベル以下に制限する必要があり、電流検出手段が必要となるという問題があった。

本発明は、電流検出手段を必要とせずに、スイッチ手段に過剰な電流が流れるのを防ぎつつ、電荷蓄積手段に蓄積された電荷を放電する技術を提供することを目的とする。

本発明による電力変換装置は、第１スイッチ手段と、第１スイッチ手段と直列に接続された第２スイッチ手段と、直列に接続された第１スイッチ手段および第２スイッチ手段と並列に接続された電荷蓄積手段と、第１スイッチ手段および第２スイッチ手段の動作を制御する制御手段とを備える。制御手段は、電荷蓄積手段に蓄積された電荷を放電する際に、第１スイッチ手段および第２スイッチ手段を交互に導通・非導通させるように動作させるとともに、制御上のデッドタイムを通常動作時の制御上のデッドタイムより短く設定し、かつ、第１スイッチ手段と第２スイッチ手段が同時にオンとなる制御期間を生じさせる。

本発明によれば、第１スイッチ手段および第２スイッチ手段を交互に導通・非導通させるように動作させることによって、電荷蓄積手段に蓄積された電荷を放電するので、スイッチ手段が同時に導通状態となる時間が長くなり過ぎることを防ぐことができ、スイッチ手段に過剰な電流が流れるのを防ぐことができる。

図１は、一実施の形態における電力変換装置の構成を示す図である。 図２（ａ）は、電力変換装置の通常動作時におけるスイッチング素子Ｑ１及びＱ２の制御信号及び駆動信号の時間変化を示す図であり、図２（ｂ）は、平滑コンデンサ３に蓄えられた電荷の放電時におけるスイッチング素子Ｑ１及びＱ２の制御信号及び駆動信号の時間変化を示す図である。 図３は、制御上のデッドタイムを変化させた場合の放電時間の違いを説明するための図である。 図４は、制御上のデッドタイムが異なる場合の貫通電流の違いを示す図である。 図５は、一実施の形態における電力変換装置の制御方法の流れを示すフローチャートである。

図１は、一実施の形態における電力変換装置の構成を示す図である。この電力変換装置は、直流電源４からの直流電力を交流電力に変換して、三相交流モータ６に供給する。また、三相交流モータ６からの交流電力を直流電力に変換して、直流電源４に供給することも可能である。この電力変換装置は、例えば、電気自動車に搭載されて使用される。電気自動車に搭載される場合、三相交流モータ６が車両の駆動源となる。

一実施の形態における電力変換装置は、複数のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と逆並列に接続されるダイオードＤ１〜Ｄ６と、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を駆動する駆動回路１と、駆動回路１に制御信号を送信する制御回路２と、平滑コンデンサ３とを備える。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、例えばＩＧＢＴである。

スイッチング素子Ｑ１およびＱ２は直列に接続され、両スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点は、三相交流モータ６のＵ相に接続されている。スイッチング素子Ｑ３およびＱ４は直列に接続され、両スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４の接続点は、三相交流モータ６のＶ相に接続されている。スイッチング素子Ｑ５およびＱ６は直列に接続され、両スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６の接続点は、三相交流モータ６のＷ相に接続されている。

直列に接続されたスイッチング素子Ｑ１及びＱ２（Ｑ３とＱ４、Ｑ５とＱ６）と並列に、平滑コンデンサ３が接続されている。平滑コンデンサ３は、直流電源４からの直流電圧を平滑化する。

平滑コンデンサ３と直流電源４との間、より具体的には、直流電源４の正極側には、リレースイッチ５が設けられている。リレースイッチ５は、制御回路２からの制御信号に基づいてオン／オフする。

電力変換装置の通常動作時では、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング制御を行う際、上側のスイッチング素子と下側のスイッチング素子が同時にオンして短絡状態となるのを防ぐために、上下のスイッチング素子が共にオフ状態となるデッドタイムが設けられる。なお、通常動作時とは、後述する平滑コンデンサ３に蓄えられた電荷の放電時以外の電力変換動作時である。

図２（ａ）は、電力変換装置の通常動作時におけるスイッチング素子Ｑ１及びＱ２の制御信号及び駆動信号の時間変化を示す図である。ここでは、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２の制御について説明するが、スイッチング素子Ｑ３及びＱ４、スイッチング素子Ｑ５及びＱ６についても同様である。

制御信号は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のオン／オフを制御するために、制御回路２から駆動回路１に送信される信号であり、駆動信号は、制御回路２から入力される制御信号に基づいてスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６をオン／オフするために、駆動回路１から各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に送信される信号である。以下では、スイッチング素子Ｑ１の制御信号及び駆動信号をＱ１制御信号及びＱ１駆動信号と記載し、スイッチング素子Ｑ２の制御信号及び駆動信号をＱ２制御信号及びＱ２駆動信号と記載する。

スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を動作させるための駆動信号は、制御回路２からの制御信号を受け取った駆動回路１によってスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に送信される。しかしながら、駆動回路１内においては、種々の電子部品が介在していることにより、動作遅延が生じてしまう。この動作遅延の時間を遅延時間と呼び、ターンオン制御信号が駆動回路１に入力されてから、ターンオン駆動信号がスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に伝わるまでの遅延時間をターンオン遅延時間、ターンオフ制御信号が駆動回路１に入力されてから、ターンオフ駆動信号がスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に伝わるまでの遅延時間をターンオフ遅延時間と呼ぶ。

図２（ａ）に示す例では、Ｑ１制御信号がオフからオンになった時刻Ｔ２から、Ｑ１駆動信号がオフからオンになった時刻Ｔ３までの時間をターンオン遅延時間ｔ_d(on)と呼び、Ｑ２制御信号がオンからオフになった時刻Ｔ１から、Ｑ２駆動信号がオンからオフになった時刻Ｔ２までの時間をターンオフ遅延時間ｔ_d(off)と呼ぶ。また、Ｑ２制御信号がオンからオフになる時刻Ｔ１から、Ｑ１制御信号がオフからオンになる時刻Ｔ２までの時間を、制御上のデッドタイムｔ_deadと呼ぶ。

スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオン・オフの切り替え時に、上下のスイッチング素子が共にオフ状態となるデッドタイムが設けられるようにするためには、制御上のデッドタイムｔ_deadと、ターンオン遅延時間ｔ_d(on)およびターンオフ遅延時間ｔ_d(off)との間に、次式（１）の関係が成り立つ必要がある。
ｔ_dead＞ｔ_d(off)−ｔ_d(on) …（１）

式（１）の関係が成立している場合には、対となる上下のスイッチング素子が短絡状態となることはない。

直流電源４からの直流電力の供給の停止または直流電力が供給される回路の切り離しの際に、メンテナンス等のために、平滑コンデンサ３に蓄えられた電荷を放電させる必要がある。本実施形態では、平滑コンデンサ３に蓄えられた電荷の放電時には、制御上のデッドタイムｔ_deadを、通常動作時よりも短くする。より具体的には、電荷放電時の制御上のデッドタイムｔ_deadは、次式（２）の関係が成り立つようにする。
ｔ_dead＜ｔ_d(off)−ｔ_d(on) …（２）

式（２）の関係が成立している場合には、対となる上下のスイッチング素子のオン／オフを交互に行う際に、上下のスイッチング素子が同時にオンとなる導通状態となる制御期間が生じる。導通状態となる制御期間は、スイッチング素子のオン／オフを交互に行っている間に生じるため、その期間が長くなり過ぎることはない。

図２（ｂ）は、平滑コンデンサ３に蓄えられた電荷の放電時におけるスイッチング素子Ｑ１及びＱ２の制御信号及び駆動信号の時間変化を示す図である。通常動作時の制御を示す図２（ａ）と比べると明らかなように、電荷放電時の制御上のデッドタイムｔ_deadは、通常動作時の制御上のデッドタイムｔ_deadより短い。また、時刻Ｔ４でＱ１駆動信号がオフからオンになっており、時刻Ｔ５でＱ２駆動信号がオンからオフになっているため、時刻Ｔ４から時刻Ｔ５までの間は、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２が共にオンとなる導通状態となっており、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２に貫通電流が流れる。同様に、Ｑ２駆動信号がオフからオンとなる時刻Ｔ６から、Ｑ１駆動信号がオンからオフとなる時刻Ｔ６までの間も、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２が共にオンとなる導通状態となっており、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２に貫通電流が流れる。

図３は、制御上のデッドタイムｔ_deadを変化させた場合の放電時間の違いを説明するための図である。図３中のｔ_dead1は式（１）の関係が成立する値であり、ｔ_dead2およびｔ_dead3は、式（２）の関係が成立する値である。また、ｔ_dead1、ｔ_dead2、ｔ_dead3は、次式（３）の関係が成り立つ。
ｔ_dead3＜ｔ_dead2＜ｔ_dead1 …（３）

式（１）の関係が成立している場合には、平滑コンデンサ３に蓄えられている電荷の放電は行われないが、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６やダイオードＤ１〜Ｄ６の寄生容量によって、スイッチング動作を行った際に微量の貫通電流が流れる。図３のデッドタイムｔ_dead1に関する放電時間は、この貫通電流によるものである。

図３に示すように、制御上のデッドタイムがｔ_dead1、ｔ_dead2、ｔ_dead3の順に短くなるほど、平滑コンデンサ３に蓄えられた電荷の放電時間は短くなる。

図４は、制御上のデッドタイムｔ_deadが異なる場合の貫通電流の違いを示す図である。図４では、制御上のデッドタイムが式（１）の関係を満たすｔ_dead1の場合と、式（２）の関係を満たすｔ_dead3の場合の貫通電流を示している。図４に示すように、式（２）の関係を満たす制御上のデッドタイムｔ_dead3の場合の貫通電流は、式（１）の関係を満たす制御上のデッドタイムｔ_dead1の場合の貫通電流に比べてかなり大きい。

ここで、電荷の放電時に、スイッチング素子に流れる貫通電流によってスイッチング素子が破壊されるのを防ぐために、上下のスイッチング素子が同時にオンとなる導通状態の時間は、短絡耐量ｔ_SCより短くなるようにする。すなわち、次式（４）の関係が成り立つように、制御上のデッドタイムｔ_deadを規定する。なお、短絡耐量ｔ_SCは、例えば、実験等により、適切な値を設定しておく。
｜ｔ_dead−（ｔ_d(off)−ｔ_d(on)）｜＜ｔ_SC …（４）

式（４）の関係が成り立つように、制御上のデッドタイムｔ_deadを規定することにより、電荷放電時の貫通電流によってスイッチング素子が破壊されるのを防ぐことができる。

図５は、一実施の形態における電力変換装置の制御方法の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１０から始まる処理は、制御回路２によって行われる。

ステップＳ１０では、放電動作を行うか否かを判定する。例えば、直流電源４からの直流電力の供給を停止したタイミングや、直流電力が供給される回路を切り離すタイミング等において、放電動作を行うものとする。放電動作を行うタイミングであると判定すると、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、制御上のデッドタイムｔ_deadを、式（２）の関係が成り立つ値に設定する。

ステップＳ３０では、上下のスイッチング素子をオン／オフさせるための制御信号を駆動回路１に送信する。駆動回路１は、この制御信号に基づいて、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を交互にオン／オフさせるための駆動信号を送信する。式（２）の関係が成り立つように、制御上のデッドタイムｔ_deadを設定しているので、上下のスイッチング素子を交互にオン／オフさせる制御時に、上下のスイッチング素子が同時にオンとなる導通状態となる時間が存在するため、平滑コンデンサ３の電荷の放電が行われる。

ステップＳ４０では、放電が完了したか否かを判定する。例えば、放電動作を開始してから所定時間が経過したら、放電が完了したと判定する。放電が完了していないと判定するとステップＳ３０に戻って放電動作を継続し、放電が完了したと判定すると、フローチャートの処理を終了する。

一方、ステップＳ１０において、放電動作を行うタイミングではないと判定すると、ステップＳ５０に進む。ステップＳ５０では、制御上のデッドタイムｔ_deadを、式（１）の関係が成り立つ値に設定する。この後、通常動作時の制御として、上下のスイッチング素子をオン／オフさせるための制御信号を駆動回路１に送信すると、駆動回路１は、この制御信号に基づいて、上下のスイッチング素子を交互にオン／オフさせるための駆動信号を送信する。

以上、一実施の形態における電力変換装置によれば、平滑コンデンサ３に蓄積された電荷を放電する際に、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２（Ｑ３およびＱ４、Ｑ５およびＱ６）を交互に導通・非導通させるように動作させる。平滑コンデンサ３に蓄積された電荷を放電するために、上下のスイッチング素子を同時にオンする制御を行う従来の方法では、スイッチング素子に流れる電流を所定の電流レベル以下に制限するために、電流検出手段が必要となるが、本実施形態の電力変換装置によれば、上下のスイッチング素子を交互に導通・非導通とすることによって、電荷の放電を行うので、放電時間が長くなることはなく、電流検出手段が必要とならない。また、スイッチング素子に流れる電流を所定の電流レベル以下に制限する従来の方法では、残留電荷の放電に時間がかかるが、本実施形態の電力変換装置によれば、スイッチング素子に流れる電流を所定の電流レベル以下に制限する必要がないので、残留電荷をすばやく放電させることができる。

一実施の形態における電力変換装置によれば、平滑コンデンサ３に蓄積された電荷を放電するときの制御上のデッドタイムを、通常動作時の制御上のデッドタイムより短く設定する。特に、制御上のデッドタイムを、上下のスイッチング素子のうちの一方のスイッチング素子を導通状態から非導通状態に切り替える際のターンオフ遅延時間と、他方のスイッチング素子を非導通状態から導通状態に切り替える際のターンオン遅延時間との差よりも短い時間に設定する。これにより、上下のスイッチング素子を交互に導通・非導通させる制御時に、上下のスイッチング素子を同時に導通状態とさせて貫通電流を流させるので、制御方式の変更のみで残留電荷をすばやく放電させることができる。

また、平滑コンデンサ３に蓄積された電荷を放電する際に、上下のスイッチング素子が同時に導通状態となる時間が所定時間以下となるように、スイッチング素子の動作を制御する。これにより、電荷放電時の貫通電流によってスイッチング素子が破壊されるのを防ぐことができる。

一実施の形態における電力変換装置によれば、平滑コンデンサ３に蓄積された電荷を放電する際に、上下のスイッチング素子を交互に導通・非導通させる動作を繰り返し行わせるので、より短時間で放電を行うことができる。

本発明は、上述した一実施の形態に限定されることはない。例えば、この電力変換装置は、電気自動車だけでなく、ハイブリッド車や燃料電池車に搭載して使用することが可能であるし、自動車以外の用途で使用することもできる。また、電力変換装置の構造が図１に示す構造に限定されることもない。

１…駆動回路
２…制御回路（制御手段）
３…平滑コンデンサ（電荷蓄積手段）
４…直流電源
Ｑ１〜Ｑ６…スイッチング素子（スイッチ手段）

Claims (5)

1. 第１スイッチ手段と、
   前記第１スイッチ手段と直列に接続された第２スイッチ手段と、
   直列に接続された前記第１スイッチ手段および前記第２スイッチ手段と並列に接続された電荷蓄積手段と、
   前記第１スイッチ手段および前記第２スイッチ手段の動作を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記電荷蓄積手段に蓄積された電荷を放電する際に、前記第１スイッチ手段および前記第２スイッチ手段を交互に導通・非導通させるように動作させるとともに、制御上のデッドタイムを通常動作時の制御上のデッドタイムより短く設定し、かつ、前記第１スイッチ手段と前記第２スイッチ手段が同時にオンとなる制御期間を生じさせることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記制御手段は、前記電荷蓄積手段に蓄積された電荷を放電するときの制御上のデッドタイムを、前記第１スイッチ手段および前記第２スイッチ手段のうちの一方のスイッチ手段を導通状態から非導通状態に切り替える際のターンオフ遅延時間と、他方のスイッチ手段を非導通状態から導通状態に切り替える際のターンオン遅延時間との差よりも短い時間に設定することを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置において、
   前記制御手段は、前記電荷蓄積手段に蓄積された電荷を放電する際に、前記第１スイッチ手段および前記第２スイッチ手段が同時に導通状態となる時間が所定時間以下となるように、前記第１スイッチ手段および前記第２スイッチ手段の動作を制御することを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電力変換装置において、
   前記制御手段は、前記電荷蓄積手段に蓄積された電荷を放電する際に、前記第１スイッチ手段および前記第２スイッチ手段を交互に導通・非導通させる動作を繰り返し行わせることを特徴とする電力変換装置。
5. 第１スイッチ手段と、前記第１スイッチ手段と直列に接続された第２スイッチ手段と、直列に接続された前記第１スイッチ手段および前記第２スイッチ手段と並列に接続された電荷蓄積手段とを備えた電力変換装置の制御方法であって、
   前記電荷蓄積手段に蓄積された電荷を放電する際に、前記第１スイッチ手段および前記第２スイッチ手段を交互に導通・非導通させるように動作させるとともに、制御上のデッドタイムを通常動作時の制御上のデッドタイムより短く設定し、かつ、前記第１スイッチ手段と前記第２スイッチ手段が同時にオンとなる制御期間を生じさせることを特徴とする電力変換装置の制御方法。