JP6313181B2 - インバータ制御装置、電力変換装置、および、電動車両 - Google Patents

インバータ制御装置、電力変換装置、および、電動車両 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、インバータ制御装置、電力変換装置、および、電動車両に関する。
インバータは、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の直列接続点は負荷と接続している。
インバータ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）が印加されることがある。サージ電圧の大きさは、スイッチング素子のスイッチング速度等の様々な条件に依存する。
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において、小電流域のみにおいてゲート充電電流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。
また、スイッチング素子のスイッチング速度が早い程、スイッチング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、サージ電圧が大きくなる。このことから、直流電源の電圧に応じてゲート充電電流を制御する方法も提案されている。
一方、例えばインバータの回生運転中に、直流電源を保護するために直流ラインに設けられた遮断装置が切断したり、あるいは、何らかの故障により直流電源が開放されたりした場合、インバータの直流電源入出力部に設けられた平滑コンデンサの電圧が短時間に急上昇する事が知られている。このときに過電圧を検出する制御手段の応答時間が不足する場合には、別途、所定の電圧を超えた際にＰＷＭ信号を遮断する手段を設けることが提案されている。
特開平５−３２８７４６号公報 特開２００２−１２５３６２号公報 特開２００１−３４６３７６号公報
しかしながら、スイッチング速度を調整可能なインバータでは、過電圧を検出する際の閾値は、コンデンサ、半導体素子の最大定格電圧から最大スイッチング速度における最大サージ電圧を引いた値以下に設定する必要があり、通常運転動作時にスイッチング素子に印加される最大電圧と閾値との差（過電圧検出マージン）が小さくなり、過電圧の検出時の誤動作を招く恐れがあった。また、過電圧検出マージンを確保するために、最大スイッチング速度を低く抑えてサージ電圧を低く抑える必要が生じ、その結果、インバータにおけるスイッチング損失が増大する可能性があった。
本発明の実施形態は、上記の事情を鑑みて成されたものであって、信頼性の高いインバータ制御装置、電力変換装置、および、電動車両を提供することを目的とする。
実施形態によれば、外部からの出力指令と、直流負荷とインバータ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ための前記インバータの複数のスイッチの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スイッチのゲートの抵抗値を切替える第１切替信号を出力するＰＷＭ信号生成装置と、前記ＰＷＭ信号を受信して前記スイッチへゲート駆動信号を出力する駆動回路と、を備え、前記ＰＷＭ信号生成装置は、前記直流ライン間の電圧が第１電圧閾値以上であって前記交流ラインの電流の値が第１電流閾値未満であるとき、および、前記直流ライン間の電圧が前記第１電圧閾値以上であって前記交流ラインの電流の値が前記第１電流閾値よりも大きい第２電流閾値以上であるときに、前記ゲートの抵抗値を大きくする前記第１切替信号を出力し、前記直流ライン間の電圧が前記第１電圧閾値よりも大きい第２電圧閾値以上であって前記交流ラインの電流の値が前記第１電流閾値以上であって前記第２電流閾値未満であるときに、前記ゲートの抵抗値を大きくする前記第１切替信号を前記インバータへ出力することを特徴とするインバータ制御装置が提供される。
図１は、本実施形態のインバータ制御装置、電力変換装置、および、電動車両の一構成例について説明するための図である。 図２は、スイッチが閉じる（導通する）際にスイッチに流れる電流とサージ電圧との関係の一例を説明するための図である。 図３は、スイッチが開く（絶縁する）際にスイッチに流れる電流とサージ電圧との関係の一例を説明するための図である。 図４は、本実施形態のインバータ制御装置、電力変換装置、および、電動車両における、相電流とスイッチに印加される電圧とに対するスイッチング速度の関係の一例を示す図である。 図５は、本実施形態のインバータ制御装置、電力変換装置、および、電動車両の動作を説明するための図である。
以下、実施形態のインバータ制御装置、電力変換装置、および、電動車両について、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態のインバータ制御装置、電力変換装置、および、電動車両の一構成例について説明するための図である。
本実施形態の電動車両は、直流電源ＢＴと、電力変換装置と、モータＭと、車軸を介してモータＭの動力が伝達される車輪ＷＬ、ＷＬと、を備えている。電力変換装置は、インバータＩＮＶと、インバータ制御装置と、を備えている。
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から出力された直流電力はインバータＩＮＶへ供給されるとともに、直流電源ＢＴはインバータＩＮＶを介して接続された負荷、例えばモータＭが発電する電気エネルギーを充電する。
インバータ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ＩＮＶは、複数のスイッチＳｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚと、平滑コンデンサＣと、を備えている。インバータＩＮＶは、後述する駆動回路４０からのゲート駆動信号に従って、複数のスイッチＳｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚが開閉することにより、モータＭへ３相交流電流を供給する。
インバータＩＮＶは、直流電源ＢＴと負荷との間に接続し、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Ｓｕ、Ｓｘを含み、Ｖ相のスイッチ回路はスイッチＳｖ、Ｓｙを含み、Ｗ相のスイッチ回路はスイッチ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、一対のスイッチが直列に接続し、一対のスイッチの直列接続点はモータＭに接続している。例えば、Ｕ相において、一対のスイッチＳｕ、Ｓｘは直列に接続し、一対のスイッチＳｕ、Ｓｘの直列接続点はモータＭに接続している。スイッチ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スイッチである。
平滑コンデンサＣ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ＩＮＶとの間において、複数のスイッチ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。
インバータＩＮＶと直流電源ＢＴとは遮断手段ＣＮにより接続あるいは開放される。遮断手段ＣＮ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ＣＮ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。
モータ（交流負荷）Ｍは、インバータＩＮＶから供給された電流によりトルクを発生する。モータ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、モータ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。モータＭの回生運転による電力はインバータ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、モータ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、モータ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。
インバータ制御装置は、スイッチング速度可変回路１０と、ＰＷＭ信号生成装置２０と、スイッチ速度切替回路３０と、駆動回路４０と、差動増幅回路５０と、電源６０と、抵抗器Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３と、第１比較器ＣＯＭ１と、第２比較器ＣＯＭ２と、を備えている。
スイッチング速度可変回路１０は、スイッチＳｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚそれぞれのゲートの前段に接続している。なお図１では、スイッチＳｕ、Ｓｘのゲートの前段のみにスイッチング速度可変回路１０を記載し、スイッチＳｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚのゲートの前段についてはスイッチング速度可変回路１０の記載を省略している。スイッチング速度可変回路１０は、例えば複数の抵抗器を含み、スイッチ速度切替回路３０が出力するスイッチ速度切替信号（第２切替信号）によりスイッチスイッチＳｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚのゲートに接続する抵抗器を切り替えて、ゲート抵抗の大きさを変化させる。駆動回路４０から出力するゲート駆動信号は、スイッチング速度可変回路１０の抵抗器を介してスイッチスイッチＳｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚのゲートに印加される。
ＰＷＭ信号生成装置２０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。ＰＷＭ信号生成装置２０は、外部から入力される出力指令と、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Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚそれぞれに対して生成される。
ＰＷＭ信号生成装置２０は、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧が所定の電圧閾値（後述の第４電圧閾値Ｖｏｖｔｈ）を超えたと判断したときには、例えば、スイッチＳｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚを開いてインバータＩＮＶの動作を停止させる信号を出力する。
また、ＰＷＭ信号生成装置２０は、各相のスイッチ回路について、スイッチ速度切替信号（第１切替信号）を出力する。ＰＷＭ信号生成装置２０は、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Ｓｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚの開閉速度を変化させる。
図２は、スイッチが閉じる（導通する）際にスイッチに流れる電流とサージ電圧との関係の一例を説明するための図である。
ここでは、スイッチのゲート抵抗が小さい（低い）ときの特性の一例を実線で示し、スイッチのゲート抵抗が大きい（高い）ときの特性の一例を破線で示している。スイッチのゲート抵抗が小さいときには、スイッチを切り替える際にスイッチに流れる電流変化量が大きくなるとともにスイッチング速度が速くなる。スイッチのゲート抵抗が大きいときには、スイッチを切り替える際にスイッチに流れる電流変化量が小さくなるとともにスイッチング速度が遅くなる。
スイッチが閉じる際には、スイッチに流れる電流が小さい領域でサージ電圧が大きくなっている。また、スイッチのゲート抵抗が小さいときには、スイッチのゲート抵抗が大きいときと比較すると、サージ電圧が大きくなっている。
上記特性から、スイッチが閉じる（導通する）際には、スイッチに流れる電流が小さい領域ではスイッチのゲート抵抗を高くする、すなわちスイッチング速度を遅くすることが望ましい。
図３は、スイッチが開く（絶縁する）際にスイッチに流れる電流とサージ電圧との関係の一例を説明するための図である。ここでは、スイッチのゲート抵抗が小さいときの特性の一例を実線で示し、スイッチのゲート抵抗が大きいときの特性の一例を破線で示している。
スイッチが開く際には、スイッチに流れる電流が小さい領域でサージ電圧が小さくなっている。また、スイッチのゲート抵抗が小さいときには、スイッチのゲート抵抗が大きいときと比較すると、サージ電圧が高くなっている。
上記特性から、スイッチが開く（絶縁する）際には、スイッチに流れる電流が大きい領域では、スイッチのゲート抵抗を高くする、すなわちスイッチング速度を遅くすることが望ましい。
図４は、本実施形態のインバータ制御装置、電力変換装置、および、電動車両における、相電流と直流ライン間の電圧とに対するスイッチング速度の関係の一例を示す図である。
上述の図２および図３で示したように、過大なサージ電圧の発生を回避するためには、スイッチに流れる電流が小さい領域においてスイッチング速度を遅くすることが望ましく、また、スイッチに流れる電流が大きい領域においてスイッチング速度を遅くすることが望ましい。
また、スイッチの最大定格電圧から最大サージ電圧を引いた値と、直流電源の通常使用範囲の最大値との差が所定値（過電圧検出マージン）以上となることが望ましい。しかしながら、スイッチング速度が速くかつ直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧が大きいときにはサージ電圧が大きくなるため、過電圧検出マージンを設けることが困難になることが考えられる。したがって、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧が大きいときにはスイッチング速度を遅くすることが望ましい。
上記のことを鑑みると、サージ電圧が大きくなる条件では半導体素子のスイッチング素子を低くして過電圧検出マージンを確保し、サージ電圧が小さい条件では半導体素子のスイッチング素子を早くしてスイッチング損失を低減することが望ましい。
これらのことを考慮して、スイッチＳｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚに流れる電流が所定の閾値（第１電流閾値Ｉ１）未満であるとき、および、所定の閾値（第２電流閾値Ｉ２）以上のときには、スイッチング速度を低くするときの直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧についての電圧閾値を低く設定することが望ましい。
そこで、本実施形態では、スイッチＳｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚに流れる電流が所定の閾値（第１電流閾値Ｉ１）未満であるとき、および、所定の閾値（第２電流閾値Ｉ２）以上ときには、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧が第１電圧閾値（例えば２７５Ｖ）以上であるときにスイッチング速度を低くし、スイッチに流れる電流が第１電流閾値Ｉ１以上かつ第２電流閾値Ｉ２未満であるときには直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧が第２電圧閾値（例えば３２５Ｖ）以上であるときにスイッチング速度を低くするものとしている。
すなわち、本実施形態では、ＰＷＭ信号生成装置２０は、例えば、インバータＩＮＶからモータＭへ出力される電流（スイッチに流れる電流）が第１電流閾値Ｉ１[Ａ]未満であって直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧が２７５[Ｖ]未満であるとき、インバータＩＮＶからモータＭへ出力される電流が第２電流閾値Ｉ２[Ａ]以上であって直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧が２７５Ｖ未満であるとき、および、インバータＩＮＶからモータＭへ出力される電流が第１電流閾値Ｉ１[Ａ]以上第２電流閾値Ｉ２[Ａ]未満であって直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧が３２５[Ｖ]未満であるとき、スイッチング速度を「高速」（ゲート抵抗を「小」）とする第１切替信号を出力する。
ＰＷＭ信号生成装置２０は、例えば、インバータＩＮＶからモータＭへ出力される電流が第１電流閾値Ｉ１[Ａ]未満であって直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧が２７５[Ｖ]以上であるとき、インバータＩＮＶからモータＭへ出力される電流が第２電流閾値Ｉ２[Ａ]以上であって直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧が２７５[Ｖ]以上であるとき、および、インバータＩＮＶからモータＭへ出力される電流が第１電流閾値Ｉ１[Ａ]以上第２電流閾値Ｉ２[Ａ]未満であって直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧が３２５[Ｖ]以上であるとき、スイッチング速度を「低速」（ゲート抵抗を「大」）とする第１切替信号を出力する。
このとき、ＰＷＭ信号生成装置２０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相のスイッチ回路のスイッチング速度を独立して切替てもよく、全ての相のスイッチ回路のスイッチング速度を同時に切替てもよい。
直流ラインの電圧と、交流ラインの電流との値に応じてスイッチング速度を切替えることにより、スイッチング損失を抑制しつつ、過電圧検出時のスイッチング速度を確実に低速としてサージ電圧を抑制することが可能である。
スイッチ速度切替回路３０は、ＰＷＭ信号生成装置２０から第１切替信号と、第１比較器ＣＯＭ１からの信号とを受信する。スイッチ速度切替回路３０は、例えば、第１比較器ＣＯＭ１から受信した信号が第２レベル（例えばロー（Ｌ）レベル）であるときには、受信した第１切替信号と同じ値の第２切替信号を出力する。スイッチ速度切替回路３０は、例えば、第１比較器ＣＯＭ１から受信した信号が第１レベル（例えばハイ（Ｈ）レベル）であるときには、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のすべての相についてスイッチング速度を「低速」とする第２切替信号を出力する。
スイッチ速度切替回路３０は、例えば、第１比較器ＣＯＭ１の出力信号と第１切替信号との少なくともいずれか一方が第１レベルであるとき、ゲートの抵抗値が大きくなるように第２切替信号をインバータＩＮＶへ出力し、第１比較器ＣＯＭ１の出力信号と第１切替信号との両方が第２レベルであるとき、ゲートの抵抗値が小さくなるように第２切替信号をインバータＩＮＶへ出力する。
駆動回路４０は、ＰＷＭ信号生成装置２０からスイッチＳｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚそれぞれに対するＰＷＭ信号と、第２比較器ＣＯＭ２からの信号と、各種センサからの信号と、を受信する。各種センサからの信号は、インバータＩＮＶの出力電流が所定値以上である状態（過電流）や、スイッチの駆動電圧低下や、スイッチング素子の加熱等、のインバータＩＮＶの異常を通知する信号である。
駆動回路４０は、各種センサよりインバータＩＮＶの異常が通知されていないとき、および、第２比較器ＣＯＭ２からの信号が第２レベル（例えばロー（Ｌ）レベル）であるときに、ＰＷＭ信号生成装置２０から受信したＰＷＭ信号を用いてゲート駆動信号を生成し、スイッチＳｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚそれぞれのスイッチング速度可変回路１０へ出力する。なお、一般的にインバータＩＮＶの各相の上下段スイッチが電気的に短絡することを防止するために、上下段スイッチを両方オフするデッドタイム期間を設けるようにゲート駆動信号を生成することが望ましい。
駆動回路４０は、各種センサよりインバータＩＮＶの異常が通知されたとき、および、例えば第２比較器ＣＯＭ２からの信号が第１レベル（例えばハイ（Ｈ）レベル）であるときに、スイッチＳｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚを開いてインバータＩＮＶの動作を停止させるゲート駆動信号を出力する。
差動増幅回路５０は、低電位側の直流ラインＬＩＮＫ（Ｌ）の電圧と高電位側の直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）との電圧の差分を増幅する。本実施形態では、差動増幅回路５０の増幅率は０．０１とする。差動増幅回路５０の出力は、第１比較器ＣＯＭ１および第２比較器ＣＯＭ２の非反転（＋）入力端子に入力される。
電源６０と第１抵抗器Ｒ１と、第２抵抗器Ｒ２と、第３抵抗器Ｒ３とは互いに直列に接続し、電源６０の高電位側から、第１抵抗器Ｒ１、第２抵抗器Ｒ２、第３抵抗器Ｒ３の順に直列に接続している。
第２比較器ＣＯＭ２の非反転（＋）入力端子には差動増幅回路５０の出力値が入力され、反転（−）入力端子には抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２との間の電位が入力される。ここで、第２比較器ＣＯＭ２の反転入力端子に入力される値は、ＰＷＭ信号生成装置２０が直流ラインＬＩＮＫ（Ｌ）と直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）との間の電圧について過電圧であると判断するための電圧閾値（第４電圧閾値）Ｖｏｖｔｈに相当する値である。
第２比較器ＣＯＭ２は、差動増幅回路５０からの出力値が第４電圧閾値Ｖｏｖｔｈに相当する値以上であるときにはハイ（Ｈ）レベル信号を出力し、差動増幅回路５０からの出力値が第４電圧閾値Ｖｏｖｔｈに相当する値未満であるときにはロー（Ｌ）レベルの信号を出力する。
第１比較器ＣＯＭ１の非反転（＋）入力端子には、差動増幅回路５０の出力値が入力され、反転（−）入力端子には抵抗器Ｒ２と抵抗器Ｒ３との間の電位が入力される。ここで、第１比較器ＣＯＭ１の反転入力端子に入力される値は、第４電圧閾値Ｖｏｖｔｈよりも小さい第３電圧閾値Ｖｌｓｔｈ相当値である。
本実施形態では、第４電圧閾値ＶｏｖｔｈはＰＷＭ信号生成装置２０がインバータＩＮＶの過電圧を検出する閾値であって、第３電圧閾値Ｖｌｓｔｈは例えば図４に示す第２電圧閾値（例えば３２５Ｖ）と同じ値（或いは、第１電圧閾値と同じ値）に設定されている。電源６０、第１抵抗器Ｒ１、第２抵抗器Ｒ２、および、第３抵抗器Ｒ３は、差動増幅回路５０の増幅率、第３電圧閾値、第４電圧閾値等の設定に応じて設計される。
第１比較器ＣＯＭ１は、差動増幅回路５０からの出力値が第３電圧閾値Ｖｌｓｔｈ相当値以上であるときには第１レベル（例えばハイ（Ｈ）レベル）の信号を出力し、差動増幅回路５０からの出力値が第３電圧閾値Ｖｌｓｔｈ相当値未満であるときには第２レベル（例えばロー（Ｌ）レベル）の信号を出力する。
図５は、本実施形態のインバータ制御装置、電力変換装置、および、電動車両の動作を説明するための図である。
ここでは、インバータＩＮＶの回生運転中に遮断手段ＣＮが開いて直流電源ＢＴが開放されたときの、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧の時間変化の一例を示している。
インバータＩＮＶの回生運転中に、上位制御装置の故障等により遮断手段ＣＮが開いてしまった場合、平滑コンデンサＣの電圧が急峻に高くなり、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧が急峻に上昇することとなる。
このとき、ＰＷＭ信号生成装置２０では、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧が第４電圧閾値Ｖｏｖｔｈ以上となったときに過電圧であることを検出して、スイッチＳｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚを開いてインバータＩＮＶが動作を停止するようにＰＷＭ信号を生成して出力する。
しかしながら、ＰＷＭ信号生成装置２０が直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧が第４電圧閾値Ｖｏｖｔｈ以上であると判断してから、インバータＩＮＶを停止するまでには所定の時間ΔＴｄｌｙを要する。したがって、第４電圧閾値Ｖｏｖｔｈは、ＰＷＭ信号生成装置２０が過電圧であると判断し、インバータＩＮＶを停止するまでの時間ΔＴｄｌｙにおける、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧上昇分ΔＶｄｌｙを考慮すべきである。すなわち、第４電圧閾値Ｖｏｖｔｈは、最大サージ電圧値と電圧上昇分ΔＶｄｌｙとをスイッチの最大定格電圧から引いた値となる。
さらに、インバータＩＮＶの通常運転中において誤って過電圧であると検出することを避けるためには、直流電源ＢＴの通常運転電圧範囲の最大値と第４電圧閾値Ｖｏｖｔｈとの間に過電圧検出マージンを設けることが必要である。
ここで、スイッチＳｕ、Ｓｘ、Ｓｖ、Ｓｙ、Ｓｗ、Ｓｚのスイッチング速度が高速であるときにはサージ電圧が大きくなるため、第４電圧閾値Ｖｏｖｔｈを低く設定しなければならず、直流電源ＢＴの通常運転電圧範囲の最大値と第４電圧閾値Ｖｏｖｔｈとの間に過電圧検出マージンを設けることが困難になる。
そこで本実施形態では、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧が、例えば、過電圧を検出する第４電圧閾値Ｖｏｖｔｈよりも低い第３電圧閾値Ｖｌｓｔｈ以上となったときに、スイッチ速度切替回路３０がスイッチング速度を強制的に低速に切替えて、過電圧検出時のスイッチング速度を低速としている。
なお、スイッチ速度切替回路３０は、差動増幅回路５０の出力と第３電圧閾値Ｖｌｓｔｈ相当値とを比較する第１比較器ＣＯＭ１の出力値に基づいて、スイッチのゲート抵抗値を切替えるため、ＰＷＭ信号生成装置２０のＣＰＵが相電流に基づいて第３電圧閾値Ｖｌｓｔｈ以上の電圧であると判断してから第１切替信号を出力するよりも高速にスイッチング速度を低速に切替えることが可能である。すなわち、ＰＷＭ信号生成装置２０では、ＰＷＭ信号を生成する演算と第１切替信号を生成する演算とを行うため、過電圧が生じたときの演算量が多くなり、処理時間が長くなる可能性がある。この場合、スイッチ速度切替回路３０は、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧と閾値とを比較した結果から直接第２切替信号を切替えるため、ＰＷＭ信号生成装置２０よりも信号の切替えを高速に行うことが可能となる。
したがって、例えばインバータＩＮＶの回生運転中に遮断手段ＣＮが開いて直流電源ＢＴが開放されたときのように、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧が急峻に上昇する場合でも、過電圧検出マージンを大きくとることなく、過電圧検出時のスイッチング速度をより確実に低速としてサージ電圧を抑制することが可能である。
上記のように、ＰＷＭ信号生成装置２０が相電流に応じてスイッチ回路のスイッチング速度を切替えることにより、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）に印加されるサージ電圧が大きくなる条件のときにスイッチング速度を低速となり、サージ電圧が小さくなる条件のときにスイッチング速度を高速となり、スイッチに過大な電圧が印加されることを回避するとともに、インバータＩＮＶにおけるスイッチング損失の増大を抑制することが可能となる。
更に、本実施形態では、ＰＷＭ信号生成装置２０とスイッチ速度切替回路３０とによりスイッチング速度を切替えるため、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧の上昇が急速である場合にも、スイッチに過大な電圧が印加されることを回避することが可能となる。
また、本実施形態では、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧が、過電圧を検出する第４電圧閾値Ｖｏｖｔｈ以上となることがあっても、そのタイミングでのスイッチング速度は低速となっているため、直流電源ＢＴの通常運転電圧範囲の最大値と第４電圧閾値Ｖｏｖｔｈとの間に過電圧検出マージンを設けることが可能となる。その結果、本実施形態によれば、過電圧の誤検出を回避することが可能となる。
また、本実施形態では、スイッチ速度切替回路３０がスイッチング速度を強制的に低速に切替えるのは、直流ラインＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）間の電圧が第３電圧閾値Ｖｌｓｔｈ以上となったときのみであるので、インバータにおけるスイッチング損失の増大を抑制することが可能である。
すなわち、本実施形態によれば、信頼性の高いインバータ制御装置、電力変換装置、および、電動車両を提供することができる。
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。例えば、直流負荷と交流負荷とは上述の実施形態に限定されるものではない。
上記実施形態では、第３電圧閾値Ｖｌｓｔｈは第２電圧閾値とは同じ値であったが、スイッチ速度切替回路３０がゲート抵抗値を切替える第３電圧閾値Ｖｌｓｔｈは第２電圧閾値と同じ値に限定されるものではない。スイッチ速度切替回路３０がゲート抵抗値を切替えるときの第３電圧閾値Ｖｌｓｔｈは第４電圧閾値Ｖｏｖｔｈよりも小さい値であればよく、例えば第１電圧閾値やその他の値に相当する値に設定されても構わない。ただし、スイッチ速度切替回路３０がゲート抵抗値を切替えるときの第３電圧閾値Ｖｌｓｔｈは、過電圧検出時において、スイッチング速度が確実に低速となるように設定すべきである。
また、上記実施形態では、ＰＷＭ信号生成装置２０が出力する第１切替信号がスイッチ速度切替回路３０を介してスイッチング速度可変回路１０へ入力されているが、ＰＷＭ信号生成装置２０からスイッチング速度可変回路１０へ第１切替信号を入力して、スイッチ速度切替回路３０を省略してもよい。すなわち、スイッチ速度切替回路３０は、第１切替信号と第２切替信号との少なくとも一方と、ゲート駆動信号とが入力され、第１切替信号又は第２切替信号に応じてスイッチのゲートの抵抗値を切替えてもよい。その場合であっても、サージ電圧が大きくなる条件のときにスイッチング速度を低速となり、サージ電圧が小さくなる条件のときにスイッチング速度を高速となり、信頼性の高いインバータ制御装置、電力変換装置、および、電動車両を提供することができる。
１０…スイッチング速度可変回路、２０…ＰＷＭ信号生成装置、３０…スイッチ速度切替回路、４０…駆動回路、５０…差動増幅回路、６０…電源、ＢＴ…直流電源（直流負荷）、ＣＯＭ１…第１比較器、ＩＮＶ…インバータ、ＣＯＭ２…第２比較器（比較器）、ＬＩＮＫ（Ｈ）、ＬＩＮＫ（Ｌ）…直流ライン、Ｍ…モータ（交流負荷）。

Claims (5)

  1. 外部からの出力指令と、直流負荷とインバータ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ための前記インバータの複数のスイッチの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スイッチのゲートの抵抗値を切替える第１切替信号を出力するＰＷＭ信号生成装置と、
    前記ＰＷＭ信号を受信して前記スイッチへゲート駆動信号を出力する駆動回路と、を備え、
    前記ＰＷＭ信号生成装置は、前記直流ライン間の電圧が第１電圧閾値以上であって前記交流ラインの電流の値が第１電流閾値未満であるとき、および、前記直流ライン間の電圧が前記第１電圧閾値以上であって前記交流ラインの電流の値が前記第１電流閾値よりも大きい第２電流閾値以上であるときに、前記ゲートの抵抗値を大きくする前記第１切替信号を出力し、
    前記直流ライン間の電圧が前記第１電圧閾値よりも大きい第２電圧閾値以上であって前記交流ラインの電流の値が前記第１電流閾値以上であって前記第２電流閾値未満であるときに、前記ゲートの抵抗値を大きくする前記第１切替信号を前記インバータへ出力することを特徴とするインバータ制御装置。
  2. 前記ゲートの抵抗値を大きくする前記第１切替信号は第１レベルであり、前記ゲートの抵抗値を小さくする前記第１切替信号は第２レベルであって、
    前記直流ライン間の電圧を増幅して出力する増幅回路と、
    前記増幅回路の出力が非反転入力端子に入力され、第３電圧閾値に対応する値が反転入力端子に入力されて、前記増幅回路の出力値が前記第３電圧閾値に対応する値以上であるときに第１レベルの信号を出力し、前記増幅回路の出力値が前記第３電圧閾値に対応する値未満であるときに第２レベルの信号を出力する比較器と、
    前記比較器の出力信号と前記第１切替信号とを受信し、前記比較器の出力信号と前記第１切替信号との少なくともいずれか一方が第１レベルであるとき、前記ゲートの抵抗値が大きくなるように第２切替信号を前記インバータへ出力し、前記比較器の出力信号と前記第１切替信号との両方が第２レベルであるとき、前記ゲートの抵抗値が小さくなるように前記第２切替信号を前記インバータへ出力するスイッチ速度切替回路と、を更に備え、
    前記ＰＷＭ信号生成装置は、前記第１切替信号を前記インバータへ出力する代わりに、前記第１切替信号をスイッチ速度切換回路に出力する、
    ことを特徴とする請求項１記載のインバータ制御装置。
  3. 直流負荷と交流負荷との間に接続可能であって、前記直流負荷と接続した直流ラインと、前記直流ライン間に直列に接続する一対のスイッチと、前記一対のスイッチ間に接続する前記交流ラインと、前記第１切替信号と前記ゲート駆動信号とが入力され、前記第１切替信号に応じて前記スイッチの前記ゲートの抵抗値を切替えて前記ゲートに前記ゲート駆動信号を出力するスイッチング速度可変回路と、を備えた前記インバータと、
    請求項１記載のインバータ制御装置と、を備えたことを特徴とする電力変換装置。
  4. 直流負荷と交流負荷との間に接続可能であって、前記直流負荷と接続した直流ラインと、前記直流ライン間に直列に接続する一対のスイッチと、前記一対のスイッチ間に接続する前記交流ラインと、前記第２切替信号と、前記ゲート駆動信号とが入力され、前記第２切替信号に応じて前記スイッチの前記ゲートの抵抗値を切替えて前記ゲートに前記ゲート駆動信号を出力するスイッチング速度可変回路と、を備えた前記インバータと、
    請求項２記載のインバータ制御装置と、
    を備えたことを特徴とする電力変換装置。
  5. 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３又は請求項４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電動車両。
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