電力変換装置及び電力変換システム
【課題】更なる信頼性向上を図れる電力変換装置及び電力変換システムを提供すること。
【解決手段】上記課題を解決するために、例えば、インバータ回路は、前記モータ制御回路からのＰＷＭ信号に基づき前記インバータ回路を構成する半導体スイッチング素子を駆動するゲートドライブ回路とサージ電圧検出信号を検出するサージ電圧検出回路を備え、サージ電圧検出回路により検出されたサージ電圧検出信号はモータ制御回路に入力され、サージ電圧検出信号を検出した際に前記電流指令生成部からの電流指令値と所定の電流指令値と対比することによりサージ電圧を抑制するサージ電圧抑制手段の実施の可否を選択するような手段を設けるようにすればよい。
【解決手段】上記課題を解決するために、例えば、インバータ回路は、前記モータ制御回路からのＰＷＭ信号に基づき前記インバータ回路を構成する半導体スイッチング素子を駆動するゲートドライブ回路とサージ電圧検出信号を検出するサージ電圧検出回路を備え、サージ電圧検出回路により検出されたサージ電圧検出信号はモータ制御回路に入力され、サージ電圧検出信号を検出した際に前記電流指令生成部からの電流指令値と所定の電流指令値と対比することによりサージ電圧を抑制するサージ電圧抑制手段の実施の可否を選択するような手段を設けるようにすればよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ主回路を構成する半導体スイッチング素子が遮断時に発生するサージ電圧を検出し、電流指令値と対比することで、インバータ主回路の異常検出するインバータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、複数のスイッチング素子によって構成される電力変換装置において、前記スイッチング素子が遮断時に発生するサージ電圧から過電圧破壊を防ぐ手法は知られており、例えば、特許文献１では、スイッチング素子のコレクタ電圧を分圧した電位を検出することでサージ電圧を検出し、異常判定の際には電動機トルク制限指令信号によって電動機のトルクを制限している。
【０００３】
さらに、特許文献２では、ＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間に印加される電圧が定電圧ダイオードの定電圧レベル異常になると、定電圧ダイオードとダイオードを経由してゲート電流を流すことでゆっくりとターンオフさせることで過大な電圧が印加されるのを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２３６３７１号公報
【特許文献２】特開平７−１７０６５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献いずれの手法においては、あくまで大電流駆動時の最大サージ電圧の検出を想定するものであり、実モータ駆動時で多用される小電流領域でのサージ電圧に対しては考慮されていない。そのため、インバータ主回路の異常検知に対する信頼性が損なわれる可能性があった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、更なる信頼性向上を図れる電力変換システムおよび電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、例えば、サージ電圧検出回路により検出されたサージ電圧検出信号はモータ制御回路に入力され、サージ電圧検出信号を検出した際に前記電流指令生成部からの電流指令値と所定の電流指令値と対比することによりサージ電圧を抑制するサージ電圧抑制手段の実施の可否を選択するような手段を設けるようにすればよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、信頼性の高い電力変換システムおよび電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る電力変換システムのモータ制御装置の制御ブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係るサージ電圧検出装置のブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るサージ電圧検出回路である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係るサージ電圧検出動作波形である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るサージ電圧検出のフローチャートである。
【図６】半導体スイッチング素子の５０Ａおよび６５０Ａ遮断時の波形例である。
【図７】半導体スイッチング素子におけるコレクタ電流とサージ電圧の関係例である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係るサージ電圧検出回路である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係るサージ電圧検出のフローチャートである。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係るサージ電圧検出回路である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係るサージ電圧検出回路である。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係るサージ電圧検出のフローチャートである。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係るサージ電圧検出レベルと半導体スイッチング素子の保護範囲である。
【図１４】本発明の第４の実施形態に係るサージ電圧検出回路である。
【図１５】本発明の第４の実施形態に係るサージ電圧検出回路である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態に係る電力変換システムおよび電力変換装置について簡単に原理を説明する。
【００１１】
インバータをはじめとする電力変換システムは、半導体スイッチング素子の組み合わせにより構成され、各素子を順次スイッチング動作させることで、電力変換を実施している。半導体スイッチング素子のスイッチング動作時において、その遮断時にはスイッチング速度により、跳ね上がり（サージ）電圧が発生する。
【００１２】
半導体スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間（またはドレイン−ソース間）に印加されている電圧に対して、このサージ電圧が、半導体スイッチング素子の耐圧を超える場合には、半導体スイッチング素子は自らのサージ電圧により過電圧破壊をきたす可能性がある。
【００１３】
サージ電圧は、Ｖ＝Ｌ×ｄｉ／ｄｔで計算される主回路インダクタンスＬまたは電流変化率ｄｉ／ｄｔに比例した電圧である。すなわち、インバータの出力電流が大きく、ｄｉ／ｄｔが大きくなる程、発生するサージ電圧は出力電流値に比例して大きくなる特徴がある。
【００１４】
一般的に、半導体スイッチング素子のゲートドライブ回路設計の際には、使用する半導体スイッチング素子のサージ電圧が耐圧を超えないように、ゲート抵抗を設定する等のマッチングを行っている。そのため、サージ電圧そのものはモニタされておらず、電力変換システム駆動中の経年劣化やシステムの不具合等により、主回路インダクタンスや電流変化率に変化が生じてサージ電圧が拡大していたとしても、半導体スイッチング素子が破壊に至るまでに捉えることは難しかった。
【００１５】
本発明の実施形態に係る電力変換システムおよび電力変換装置は、ゲートドライブ回路に設けたサージ電圧検出手段からのサージ電圧検出信号をモニタし、モータ制御回路の電流指令生成部にて生成される電流指令値とその電流指令値に相対するサージ電圧値との対比を行うことを特徴とする。
【００１６】
ここで、インバータ出力電流値に相対した所定の電圧値以上のサージ電圧が検出された場合には、サージ電圧異常検出信号を出力するとともに、電流制御系のゲイン調整や出力電流を制限することで、半導体スイッチング素子への過大なサージ電圧印加を防ぐことができる。
【００１７】
特に、小電流領域でのサージ電圧検出を積極的に実施することで、主回路インピーダンスの変化を早期に検出できるため、更なる信頼性向上を図れるモータ制御装置を提供することができる。
【００１８】
以下、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の実施形態に係る電力変換システムのモータ制御装置の制御ブロック図である。モータ１は永久磁石同期モータであり、回転速度および磁極位置はレゾルバやエンコーダ等の回転センサにより検出される。モータ１は、ケーブルを介してインバータ回路２と接続されており、電力の供給を受けている。
【００２０】
インバータ回路２は、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子から構成されており、ＰＷＭ信号により各相上下アームをスイッチングすることで電力変換を行っている。インバータ回路２から出力され、ケーブルを介してモータ１へ流れる電流は、電流センサ３より検出される。電流センサ３により検出されたインバータ出力電流値は、モータ制御回路４内の演算処理装置に含まれるＡ／Ｄ変換機能等を介して、電流制御部８へフィードバックされる。
【００２１】
図２は、本発明の実施形態に係るサージ電圧検出装置のブロック図である。
【００２２】
電流指令は、上位コントローラからのトルク指令値τ*とモータ１の回転速度ωおよび磁極位置θをモータ制御回路４の電流指令生成部７で生成される。生成された電流指令値は、モータ制御回路４の電流制御部８にて、電流センサ３より検出されたインバータ出力電流のフィードバック値との偏差を演算し、制御器を通じてＰＷＭ信号へ変換される。ＰＷＭ信号は、ゲートドライブ回路５を介してＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子をスイッチング駆動させている。
【００２３】
次に、第１の実施形態におけるサージ電圧検出手段を以下説明する。
【００２４】
図３は、第１の実施形態に係るサージ電圧検出回路である。所定のツェナー電圧を有するツェナーダイオードと逆流防止用ダイオードと抵抗器を直列接続した回路は、半導体スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間（またはドレイン−ソース間）に、前記半導体スイッチング素子と並列に接続される。この回路構成により、半導体スイッチング素子の遮断時にコレクタ−エミッタ間（またはドレイン−ソース間）に印加されるサージ電圧が所定のツェナー電圧を超えた時に発生するツェナー電流を検出する。
【００２５】
次に、図４を用いて、第１の実施形態に係るサージ電圧検出動作波形について説明する。所定のツェナー電圧Ｖｚを有するツェナーダイオードは、Ｖｚを超えるサージ電圧が印加されることによって、ツェナー電流Ｉｚを流す。ツェナー電流は微小な電流であるので、図３に示すような差動増幅回路等により、検出レベルを増幅する。
【００２６】
また、サージ電圧は数十ｎｓ単位の短時間で変化する電圧であり、この電圧を検出信号として捕らえるために、サージ電圧検出回路には、検出したツェナー電流を一定時間保持するラッチ回路または検出したツェナー電流をトリガとした１ショットパルス出力回路を備えることが望ましい。
【００２７】
サージ電圧検出回路により検出されたサージ電圧検出信号Ｖｓは、フォトカプラ等の絶縁伝達素子により、モータ制御回路に備えられた演算処理装置等へ入力される。演算処理装置は、入力されるサージ電圧検出信号Ｖｓｏのレベル（Ｈ／Ｌ）で、所定の電圧値以上のサージ電圧印加の有無を判定する。
【００２８】
図５は第１の実施形態に係るサージ電圧検出のフローチャートである。ステップＳ１０１は、図３に示したサージ電圧検出回路からのサージ電圧検出信号Ｖｓｏのレベル判定部である。所定の電圧値以上のサージ電圧印加がある場合には、サージ電圧検出回路よりＶｓｏはＬとして入力される。
【００２９】
一方、サージ電圧検出信号ＶｓｏがＨである場合は、所定の電圧値以上のサージ電圧は発生していないので、通常のインバータ駆動を継続する。サージ電圧検出信号ＶｓｏがＬである場合には、次のステップＳ１０２で、サージ電圧検出時における電流指令値の妥当性比較を行う。
【００３０】
ここで、モータ制御回路上の演算処理装置では、電流指令値を随時モニタしており、サージ電圧検出信号ＶｓｏがＬレベルで入力された時点での電流指令値Ｉｓ_ｃｍｄをメモリへ記憶しておく。一方で、サージ電圧検出レベルは、ツェナー電圧により設定できるので、予め任意のサージ電圧検出レベルを設定しておく。出力電流値に対するサージ電圧との相関関係より、ある所定の電流指令値Ｉ_ｃｍｄでの駆動時に発生するサージ電圧よりも大きいツェナー電圧を有するツェナーダイオードを用いてサージ電圧検出回路を構成しておく。
【００３１】
ステップＳ１０２では、サージ電圧検出時の電流指令値Ｉｓ_ｃｍｄと予め設定しておいた所定の電流指令値Ｉ_ｃｍｄを比較し、Ｉｓ_ｃｍｄ≦Ｉ_ｃｍｄである場合には、本来発生することのないサージが発生しているものと判定される。
【００３２】
正常動作時には、所定の電流値Ｉ_ｃｍｄに対するサージ電圧が設定したツェナー電圧を超えることが無いため、サージ電圧検出信号は出力されない。また、サージ電圧検出時の電流指令値Ｉｓ_ｃｍｄが設定された所定の電流指令値以上であった場合（Ｉｓ_ｃｍｄ＞Ｉ_ｃｍｄ）には、サージ電圧が検出されても良い電流領域であるため通常のモータ駆動を継続する。
【００３３】
ステップＳ１０２で、設定された電流指令値以下であった場合（Ｉｓ_ｃｍｄ≦Ｉ_ｃｍｄ）には、サージ電圧異常が発生しているものと判断し、ステップＳ１０３でサージ電圧異常、主回路異常判定の信号を出力する。さらに、ステップＳ１０３からのサージ電圧異常信号を受け、ステップＳ１０４では、以降のモータ駆動に対して出力電流値を制限するための電流出力制限信号を出力する。
【００３４】
サージ電圧異常判定により、インバータ出力電流値を抑えることで、大電流駆動時のサージ電圧による半導体スイッチング素子の過電圧破壊を防ぐことができる。また、小電流領域でのサージ電圧異常を早期に検出することにより、大電流駆動への電流移行中に主回路異常が検出できるため、信頼性の高い電力変換システムおよび電力変換装置を提供することができる。
【００３５】
本実施形態におけるサージ電圧検出に関して、具体例を用いて以下説明する。
【００３６】
図６は、半導体スイッチング素子遮断時のコレクタ電圧およびコレクタ電流の動作波形例である。図６（ａ）は５０Ａ遮断時、図６（ｂ）は６５０Ａ遮断時のコレクタ電圧およびコレクタ電流をそれぞれ示す。また、図７は半導体スイッチング素子におけるコレクタ電流とサージ電圧の関係例を示す。５０Ａ、６５０Ａ遮断時のサージ電圧は、それぞれ４５０Ｖ、６２０Ｖに達し、出力電流が大きいほどサージ電圧が大きい。
【００３７】
ここでは、サージ電圧検出レベルは４８０Ｖと設定し、ツェナー電圧Ｖｚ＝４８０Ｖのツェナーダイオードを用いてサージ電圧検出を行い、サージ電圧異常検出時に演算処理装置で妥当性比較を行う所定の電流指令値はＩ_ｃｍｄ＝５０Ａとしている。
【００３８】
通常の５０Ａ遮断時のサージ電圧は４５０Ｖであり、ツェナー電圧４８０Ｖ以下であるため、サージ電圧検出信号は出力されない。一方で、２００Ａ以上での遮断時では、サージ電圧は４８０Ｖを超えてくるため、サージ電圧検出信号が出力されるが、モータ制御回路に備えられた演算処理装置での、電流指令値の妥当性比較により、Ｉｓ_ｃｍｄ＞５０Ａのため異常判定はされない。
【００３９】
図７に示す破線グラフは、電力変換システムの経年劣化による主回路インダクタンス拡大や電流センサ等の不具合により、サージ電圧が拡大した場合を想定したものである。コレクタ電流に対するサージ電圧が全体的に３０Ｖ大きくなると仮定すると、従来５０Ａ遮断時に発生していた４５０Ｖのサージ電圧は４８０Ｖへ拡大し、６５０Ａ遮断時に発生していた６２０Ｖのサージ電圧は６５０Ｖまで拡大してしまう。その結果、６５０Ａ遮断時のサージ電圧はＩＧＢＴ素子の耐圧である６５０Ｖに達してしまうため、過電圧破壊に繋がる恐れがある。
【００４０】
しかし、本実施例を適用することにより、４８０Ｖのサージ電圧検出レベルと所定の電流指令値Ｉ_ｃｍｄ＝５０Ａの設定をすることで、電流指令５０Ａ遮断時に発生した４８０Ｖのサージ電圧を異常電圧として検出することができる。さらに、小電流駆動時にサージ電圧異常を検出して、電流指令値を制限することによって、６５０Ａ遮断時による６５０Ｖのサージ電圧の印加を避けることができる。
【００４１】
以上のように、所定の電流指令値に対するサージ電圧検出信号の有無によって、本来検出されるはずの無い小電流領域でサージ電圧異常の信号を認識した場合に、主回路インダクタンスまたは電流変化率に異常をもたらす変化がモータ制御システム内で発生していることを認識でき、さらに電流指令制限等のサージ電圧抑制手段を用いることで、半導体スイッチング素子への大電流駆動によるサージ電圧印加を避けることができる。
【００４２】
＜第２の実施形態＞
図８は、第２の実施形態に係るサージ電圧検出回路である。図１および図２に示す基本的なモータ制御ブロック図は第１の実施形態と同様である。また、サージ電圧の検出方法および演算処理装置での電流指令値の妥当性比較も第１の実施形態と同様である。
【００４３】
第２の実施形態におけるサージ電圧検出回路は、第１の実施形態に加え、ゲートドライブ回路にゲート抵抗の切り替え機能を追加した形態である。
【００４４】
接続されるゲート抵抗は、通常駆動時のゲート抵抗値Ｒを有する抵抗器Ａと、Ｒよりも大きいゲート抵抗値Ｒｓを有する抵抗器Ｂである（Ｒ＜Ｒｓ）。通常のモータ駆動時には、ゲート抵抗は抵抗器Ａに接続されている。
【００４５】
図９は、第２の実施形態に係るサージ電圧検出のフローチャートである。第１の実施形態と同様に所定のサージ電圧検出レベルを設定し、モータ制御装置上の演算処理装置が、ステップＳ１０２でサージ電圧検出時の電流指令値の妥当性比較により、サージ電圧検出時の電流指令値Ｉｓ_ｃｍｄと予め設定しておいた所定の電流指令値Ｉ_ｃｍｄを比較し、Ｉｓ_ｃｍｄ≦Ｉ_ｃｍｄであると判定した場合には、ステップＳ１０３よりサージ電圧異常、主回路異常判定の信号を出力する。ステップＳ１０３からのサージ電圧異常信号を受け、ステップＳ１０５でゲート抵抗切り替え信号を出力する。演算処理装置から出力されたゲート抵抗切り替え信号により、ゲートドライブ回路では、通常駆動時に接続されている抵抗器Ａから、ゲート抵抗Ａよりも大きい抵抗値を有するゲート抵抗器Ｂへ接続を切り替えることにより、半導体スイッチング素子のｄｉ／ｄｔを調整してサージ電圧を抑制する。
【００４６】
なお、本実施例は、第１の実施例に示した出力電流値の制限と併用しても良い。
【００４７】
＜第３の実施形態＞
図１０は、第３の実施形態に係るサージ電圧検出回路である。図１および図２に示す基本的なモータ制御ブロック図は第１の実施形態と同様である。
【００４８】
第３の実施形態におけるサージ電圧検出回路は、第１または第２の実施例に加えて、ツェナー電圧の異なるツェナーダイオードと逆流防止ダイオードと抵抗器を直列接続した回路を半導体スイッチング素子と並列に接続することで、サージ電圧検出レベルの異なるサージ電圧検出回路を追加した形態である。サージ電圧検出回路１〜３には、ツェナー電圧の異なるツェナーダイオード１〜３を用いており、検出したツェナー電流を一定時間保持するラッチ回路または１ショットパルス出力回路を有する。
【００４９】
ここで、任意に設定するツェナー電圧Ｖｚ１〜Ｖｚ３がサージ電圧検出レベルであり、各検出レベルを超えたサージ電圧が印加された場合に、各々のサージ電圧検出回路からの検出信号Ｖｓｏ１〜Ｖｓｏ３が出力される。ここでは、各ツェナーダイオードは、ツェナー電圧１＜ツェナー電圧２＜ツェナー電圧３となる異なるツェナー電圧をそれぞれ有する。
【００５０】
なお、図１１に示すように、ツェナー電圧の異なるツェナーダイオードを複数直列接続することで、サージ電圧検出レベルを設定する構成としても良い。
【００５１】
図１２は、第３の実施形態におけるサージ電圧検出のフローチャートである。出力されたサージ電圧検出信号Ｖｓｏ１〜Ｖｓｏ３に従って、検出したサージ電圧のレベルを場合分けすることができるので、各々のサージ電圧レベルに妥当性比較用の電流指令値Ｉ_ｃｍｄ_１〜Ｉ_ｃｍｄ_３を設定する。
【００５２】
ここでは、サージ電圧検出レベルとして、ツェナーダイオード１〜３のツェナー電圧は、Ｖｚ１＝４８０Ｖ、Ｖｚ２＝５４０Ｖ、Ｖｚ３＝６００Ｖと設定し、比較用電流指令値は、Ｉ_ｃｍｄ_１＝５０Ａ、Ｉ_ｃｍｄ_２＝３００Ａ、Ｉ_ｃｍｄ_３＝５００Ａ、と設定する。
【００５３】
まずステップＳ２０１〜２０３では、サージ電圧検出信号Ｖｓｏ１、Ｖｓｏ２、Ｖｓｏ３のＨ／Ｌ組み合わせにより、
Ｖｓｏ１＝Ｌ、Ｖｓｏ２＝Ｈ、Ｖｓｏ３＝Ｈは、４８０Ｖ以上、５４０Ｖ未満のサージ電圧検出、
Ｖｓｏ１＝Ｌ、Ｖｓｏ２＝Ｌ、Ｖｓｏ３＝Ｈは、５４０Ｖ以上、６００Ｖ未満のサージ電圧検出、
Ｖｓｏ１＝Ｌ、Ｖｓｏ２＝Ｌ、Ｖｓｏ３＝Ｌは、６００Ｖ以上のサージ電圧検出、
というように、検出したサージ電圧のレベルを区分けすることができる。
【００５４】
ステップＳ２０１では、４８０Ｖ以上のサージ電圧検出有無をサージ電圧検出信号Ｖｓｏ１により判定する。
【００５５】
Ｖｓｏ１＝Ｈの場合は、サージ電圧検出無しの判定であり、モータ駆動を継続する。
【００５６】
Ｖｓｏ１＝Ｌの場合は、ステップＳ２０２にて、５４０Ｖ以上のサージ電圧検出有無をサージ電圧検出信号Ｖｓｏ２により判定する。
【００５７】
Ｖｓｏ２＝Ｈの場合は、４８０Ｖ以上、５４０Ｖ未満のサージ電圧検出と判定され、ステップＳ２１１にて、サージ電圧検出時の電流指令値Ｉｓ_ｃｍｄと予め設定した電流指令値Ｉ_ｃｍｄ_１＝５０Ａとを比較する。Ｉｓ_ｃｍｄ≦Ｉ_ｃｍｄ_１であれば、ステップＳ２２１でサージ電圧異常信号を出力すると共に、ステップＳ２３１でゲートドライブ回路上のゲート抵抗切り替えによるサージ電圧抑制手段を実施する。一方で、Ｉｓ_ｃｍｄ＞Ｉ_ｃｍｄ_１であれば、大電流駆動でのサージ電圧検出と判断され、通常のモータ駆動を継続する。
【００５８】
Ｖｓｏ２＝Ｌの場合は、ステップＳ２０３にて、Ｖｚ３＝６００Ｖ以上のサージ電圧検出有無をサージ電圧検出信号Ｖｓｏ３により判定する。
【００５９】
Ｖｓｏ３＝Ｈの場合は、５４０Ｖ以上、６００Ｖ未満のサージ電圧検出と判定され、ステップＳ２１２にて、サージ電圧検出時の電流指令値Ｉｓ_ｃｍｄと予め設定した電流指令値Ｉ_ｃｍｄ_２＝３００Ａとを比較する。Ｉｓ_ｃｍｄ≦Ｉ_ｃｍｄ_２であれば、ステップＳ２２２でサージ電圧異常信号を出力すると共に、ステップＳ２３２で電流指令制限によるサージ電圧抑制手段を実施する。一方で、Ｉｓ_ｃｍｄ＞Ｉ_ｃｍｄ_２であれば、電流指令値に対するサージ電圧異常があるが、モータの継続駆動は可能と判断できるため、ステップＳ２１１でサージ電圧異常信号を出力すると共に、ステップＳ２３１でゲートドライブ回路上のゲート抵抗切り替えによるサージ電圧抑制手段を実施する。
【００６０】
Ｖｓｏ３＝Ｌの場合は、６００Ｖ以上のサージ電圧検出と判定され、ステップＳ２１３にて、サージ電圧検出時の電流指令値Ｉｓ_ｃｍｄと予め設定した電流指令値Ｉ_ｃｍｄ_３＝５００Ａとを比較する。Ｉｓ_ｃｍｄ≦Ｉ_ｃｍｄ_３であれば、５００Ａ以下での遮断時に６００Ｖ以上のサージ電圧が発生していると判定できるので、ステップＳ２２３でサージ電圧異常信号を出力すると共に、ステップＳ２３３でモータ駆動を即停止する。
【００６１】
一方で、Ｉｓ_ｃｍｄ＞Ｉ_ｃｍｄ_３であれば、電流指令値に対するサージ電圧異常があるが、モータの継続駆動は可能と判断できるため、ステップＳ２２２でサージ電圧異常信号を出力すると共にステップＳ２３２で電流指令制限によるサージ電圧抑制手段を実施する。
【００６２】
図１３は第３の実施形態に係るサージ電圧検出レベルと半導体スイッチング素子の保護範囲を示す。サージ電圧検出レベルＶｚと所定の電流指令値Ｉ_ｃｍｄで囲まれる範囲が、各サージ電圧抑制手段が適用される範囲であり、上述した実施例に依れば、電流指令値Ｉ_ｃｍｄ_１＝５０Ａとサージ電圧検出レベルＶｚ１＝４８０Ｖで設定され、２点鎖線で囲まれる範囲では、ゲート抵抗切り替えによるサージ電圧抑制手段を実施し、電流指令値Ｉ_ｃｍｄ_２＝３００Ａとサージ電圧検出レベルＶｚ２＝５４０Ｖで設定され、１点鎖線で囲まれる範囲では、電流指令制限によるサージ電圧抑制手段を実施し、電流指令値Ｉ_ｃｍｄ_３＝５００Ａとサージ電圧検出レベルＶｚ２＝６００Ｖで設定され、実太線で囲まれる範囲ではモータ駆動を停止する。
【００６３】
以上のように、複数設けたサージ電圧検出レベルとサージ電圧検出時点での電流指令値との比較により、サージ電圧抑制手段を切り替えることができる。
【００６４】
サージ電圧検出レベルに対して実施するサージ電圧抑制手段の組み合わせは任意であり、種々のサージ電圧抑制手段を持つことにより、半導体スイッチング素子の過電圧破壊を避けながら、モータ駆動を継続できる電力変換システムおよび電力変換装置を提供することができる。
【００６５】
＜第４の実施形態＞
図１４は、第４の実施形態に係るサージ電圧検出回路である。図１および図２に示す基本的なモータ制御ブロック図は第１の実施形態と同様である。第４の実施形態におけるサージ電圧検出回路は、半導体スイッチング素子のコレクタ−エミッタ（またはドレイン−ソース）間に印加される電圧を抵抗器で分圧して直接検出する。分圧されたコレクタ（またはドレイン）電圧は、ピークホールド回路を介することで、印加されたサージ電圧のピーク値Ｖｐとして一定時間出力される。なお、サージ電圧検出レベルは、分圧抵抗の分圧比により決定される。
【００６６】
また、図１５に示すように、分圧したコレクタ（またはドレイン）電圧は、差動増幅回路等を介して検出可能なレベルに変換し、マイクロコンピュータ等の演算処理装置で検出しても良い。演算処理装置等を用いることで、サージ電圧検出レベルはソフトで任意に設定することができる。そして、演算処理装置内で、任意に設定するサージ電圧検出レベルを閾値とし、ピークホールド回路から出力されたサージ電圧のピーク値とを比較することで、サージ電圧検出信号Ｖｓの出力を決定する。
【００６７】
上述したサージ電圧検出回路により検出されたサージ電圧のピーク値Ｖｐ、またはサージ電圧検出信号Ｖｓは、フォトカプラ等の絶縁伝達素子により、モータ制御回路に備えられた演算処理装置等へ入力される。演算処理装置は、入力されるサージ電圧検出信号Ｖｓｏのレベル（Ｈ／Ｌ）で、所定の電圧値以上のサージ電圧印加の有無を判定する。
【００６８】
本実施形態におけるサージ電圧異常検出後の処理は、第１の実施形態と同様に、図５で示すフローチャートに従い、サージ電圧抑制手段として電流指令を制限する手段を実施する。また、第２の実施形態のように、ゲート抵抗切り替え機能を備える場合には、図９に示すフローチャートに従い、サージ電圧抑制手段としてゲート抵抗切り替え手段を実施しても良い。さらに、第３の実施形態のように、複数のサージ電圧検出回路を備える場合には、図１２に示すフローチャートに従い、サージ電圧検出レベルと電流指令値により、複数のサージ電圧抑制手段を切り替える手段を実施しても良い。
【００６９】
以上、第１から第４の実施形態の適用により、サージ電圧を検出することでＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を過電圧破壊から防ぐことが可能となり、信頼性の高い電力変換装置を提供することが可能になる。
【００７０】
また、上述したサージ電圧検出手段は、インバータ主回路のインダクタンスや電流変化率の異常によるサージ電圧の拡大を検知すると共に、サージ電圧異常判定部よりフェール信号を出力し、そのフェール信号をもとにモータ制御装置の操作盤や制御機器に表示する。例えば、電気自動車に適用される場合には、内部パネルに警告ランプを点灯させる等を実施することにより、モータ制御装置操作者またはメンテナンス作業者へ、サージ電圧異常を通知することができる。
【００７１】
加えて、小電流領域でのサージ電圧異常を早期に検出することにより、トルク制限をかけるまたはゲート抵抗を切り替える等のサージ電圧抑制手段を実施することで、半導体スイッチング素子への過電圧印加を避けながら、モータ制御システムを継続駆動することが可能になるため、信頼性の高い電力変換装置を提供することが可能となる。
【００７２】
本発明の応用範囲としては、本文中で例を挙げた永久磁石同期モータ駆動システムを利用した自動車の他、エレベータ、圧縮機等、半導体スイッチング素子により構成された電力変換回路を有し、特に遮断時には、半導体スイッチング素子にサージ電圧が印加されるようなシステムとそのシステムを利用している機器が考えられる。
【符号の説明】
【００７３】
１ モータ
２ インバータ回路
３ 電流センサ
４ モータ制御回路
５ ゲートドライブ回路
６ サージ電圧検出手段
７ 電流指令生成部
８ 電流制御部
９ ツェナーダイオード
１０ 逆流防止ダイオード
１１ 検出抵抗器
１２ 増幅回路
１３ ラッチ回路
１４ 絶縁伝達素子
１５ ゲート抵抗Ａ
１６ ゲート抵抗Ｂ
１７ ゲート抵抗切り替えスイッチ
１８ ツェナーダイオード１ Ｖｚ１
１９ ツェナーダイオード２ Ｖｚ２
２０ ツェナーダイオード３ Ｖｚ３
２１ ツェナーダイオード４
２２ ツェナーダイオード５
２３ 分圧抵抗器Ａ
２４ 分圧抵抗器Ｂ
２５ ピークホールド回路
２６ マイクロコンピュータ
５０ サージ電圧保護領域１
５１ サージ電圧保護領域２
５２ サージ電圧保護領域３
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ主回路を構成する半導体スイッチング素子が遮断時に発生するサージ電圧を検出し、電流指令値と対比することで、インバータ主回路の異常検出するインバータ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、複数のスイッチング素子によって構成される電力変換装置において、前記スイッチング素子が遮断時に発生するサージ電圧から過電圧破壊を防ぐ手法は知られており、例えば、特許文献１では、スイッチング素子のコレクタ電圧を分圧した電位を検出することでサージ電圧を検出し、異常判定の際には電動機トルク制限指令信号によって電動機のトルクを制限している。
【０００３】
さらに、特許文献２では、ＩＧＢＴのコレクタ・エミッタ間に印加される電圧が定電圧ダイオードの定電圧レベル異常になると、定電圧ダイオードとダイオードを経由してゲート電流を流すことでゆっくりとターンオフさせることで過大な電圧が印加されるのを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２３６３７１号公報
【特許文献２】特開平７−１７０６５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献いずれの手法においては、あくまで大電流駆動時の最大サージ電圧の検出を想定するものであり、実モータ駆動時で多用される小電流領域でのサージ電圧に対しては考慮されていない。そのため、インバータ主回路の異常検知に対する信頼性が損なわれる可能性があった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、更なる信頼性向上を図れる電力変換システムおよび電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、例えば、サージ電圧検出回路により検出されたサージ電圧検出信号はモータ制御回路に入力され、サージ電圧検出信号を検出した際に前記電流指令生成部からの電流指令値と所定の電流指令値と対比することによりサージ電圧を抑制するサージ電圧抑制手段の実施の可否を選択するような手段を設けるようにすればよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、信頼性の高い電力変換システムおよび電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る電力変換システムのモータ制御装置の制御ブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係るサージ電圧検出装置のブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るサージ電圧検出回路である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係るサージ電圧検出動作波形である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るサージ電圧検出のフローチャートである。
【図６】半導体スイッチング素子の５０Ａおよび６５０Ａ遮断時の波形例である。
【図７】半導体スイッチング素子におけるコレクタ電流とサージ電圧の関係例である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係るサージ電圧検出回路である。
【図９】本発明の第２の実施形態に係るサージ電圧検出のフローチャートである。
【図１０】本発明の第３の実施形態に係るサージ電圧検出回路である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係るサージ電圧検出回路である。
【図１２】本発明の第３の実施形態に係るサージ電圧検出のフローチャートである。
【図１３】本発明の第３の実施形態に係るサージ電圧検出レベルと半導体スイッチング素子の保護範囲である。
【図１４】本発明の第４の実施形態に係るサージ電圧検出回路である。
【図１５】本発明の第４の実施形態に係るサージ電圧検出回路である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態に係る電力変換システムおよび電力変換装置について簡単に原理を説明する。
【００１１】
インバータをはじめとする電力変換システムは、半導体スイッチング素子の組み合わせにより構成され、各素子を順次スイッチング動作させることで、電力変換を実施している。半導体スイッチング素子のスイッチング動作時において、その遮断時にはスイッチング速度により、跳ね上がり（サージ）電圧が発生する。
【００１２】
半導体スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間（またはドレイン−ソース間）に印加されている電圧に対して、このサージ電圧が、半導体スイッチング素子の耐圧を超える場合には、半導体スイッチング素子は自らのサージ電圧により過電圧破壊をきたす可能性がある。
【００１３】
サージ電圧は、Ｖ＝Ｌ×ｄｉ／ｄｔで計算される主回路インダクタンスＬまたは電流変化率ｄｉ／ｄｔに比例した電圧である。すなわち、インバータの出力電流が大きく、ｄｉ／ｄｔが大きくなる程、発生するサージ電圧は出力電流値に比例して大きくなる特徴がある。
【００１４】
一般的に、半導体スイッチング素子のゲートドライブ回路設計の際には、使用する半導体スイッチング素子のサージ電圧が耐圧を超えないように、ゲート抵抗を設定する等のマッチングを行っている。そのため、サージ電圧そのものはモニタされておらず、電力変換システム駆動中の経年劣化やシステムの不具合等により、主回路インダクタンスや電流変化率に変化が生じてサージ電圧が拡大していたとしても、半導体スイッチング素子が破壊に至るまでに捉えることは難しかった。
【００１５】
本発明の実施形態に係る電力変換システムおよび電力変換装置は、ゲートドライブ回路に設けたサージ電圧検出手段からのサージ電圧検出信号をモニタし、モータ制御回路の電流指令生成部にて生成される電流指令値とその電流指令値に相対するサージ電圧値との対比を行うことを特徴とする。
【００１６】
ここで、インバータ出力電流値に相対した所定の電圧値以上のサージ電圧が検出された場合には、サージ電圧異常検出信号を出力するとともに、電流制御系のゲイン調整や出力電流を制限することで、半導体スイッチング素子への過大なサージ電圧印加を防ぐことができる。
【００１７】
特に、小電流領域でのサージ電圧検出を積極的に実施することで、主回路インピーダンスの変化を早期に検出できるため、更なる信頼性向上を図れるモータ制御装置を提供することができる。
【００１８】
以下、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１９】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の実施形態に係る電力変換システムのモータ制御装置の制御ブロック図である。モータ１は永久磁石同期モータであり、回転速度および磁極位置はレゾルバやエンコーダ等の回転センサにより検出される。モータ１は、ケーブルを介してインバータ回路２と接続されており、電力の供給を受けている。
【００２０】
インバータ回路２は、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子から構成されており、ＰＷＭ信号により各相上下アームをスイッチングすることで電力変換を行っている。インバータ回路２から出力され、ケーブルを介してモータ１へ流れる電流は、電流センサ３より検出される。電流センサ３により検出されたインバータ出力電流値は、モータ制御回路４内の演算処理装置に含まれるＡ／Ｄ変換機能等を介して、電流制御部８へフィードバックされる。
【００２１】
図２は、本発明の実施形態に係るサージ電圧検出装置のブロック図である。
【００２２】
電流指令は、上位コントローラからのトルク指令値τ*とモータ１の回転速度ωおよび磁極位置θをモータ制御回路４の電流指令生成部７で生成される。生成された電流指令値は、モータ制御回路４の電流制御部８にて、電流センサ３より検出されたインバータ出力電流のフィードバック値との偏差を演算し、制御器を通じてＰＷＭ信号へ変換される。ＰＷＭ信号は、ゲートドライブ回路５を介してＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子をスイッチング駆動させている。
【００２３】
次に、第１の実施形態におけるサージ電圧検出手段を以下説明する。
【００２４】
図３は、第１の実施形態に係るサージ電圧検出回路である。所定のツェナー電圧を有するツェナーダイオードと逆流防止用ダイオードと抵抗器を直列接続した回路は、半導体スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間（またはドレイン−ソース間）に、前記半導体スイッチング素子と並列に接続される。この回路構成により、半導体スイッチング素子の遮断時にコレクタ−エミッタ間（またはドレイン−ソース間）に印加されるサージ電圧が所定のツェナー電圧を超えた時に発生するツェナー電流を検出する。
【００２５】
次に、図４を用いて、第１の実施形態に係るサージ電圧検出動作波形について説明する。所定のツェナー電圧Ｖｚを有するツェナーダイオードは、Ｖｚを超えるサージ電圧が印加されることによって、ツェナー電流Ｉｚを流す。ツェナー電流は微小な電流であるので、図３に示すような差動増幅回路等により、検出レベルを増幅する。
【００２６】
また、サージ電圧は数十ｎｓ単位の短時間で変化する電圧であり、この電圧を検出信号として捕らえるために、サージ電圧検出回路には、検出したツェナー電流を一定時間保持するラッチ回路または検出したツェナー電流をトリガとした１ショットパルス出力回路を備えることが望ましい。
【００２７】
サージ電圧検出回路により検出されたサージ電圧検出信号Ｖｓは、フォトカプラ等の絶縁伝達素子により、モータ制御回路に備えられた演算処理装置等へ入力される。演算処理装置は、入力されるサージ電圧検出信号Ｖｓｏのレベル（Ｈ／Ｌ）で、所定の電圧値以上のサージ電圧印加の有無を判定する。
【００２８】
図５は第１の実施形態に係るサージ電圧検出のフローチャートである。ステップＳ１０１は、図３に示したサージ電圧検出回路からのサージ電圧検出信号Ｖｓｏのレベル判定部である。所定の電圧値以上のサージ電圧印加がある場合には、サージ電圧検出回路よりＶｓｏはＬとして入力される。
【００２９】
一方、サージ電圧検出信号ＶｓｏがＨである場合は、所定の電圧値以上のサージ電圧は発生していないので、通常のインバータ駆動を継続する。サージ電圧検出信号ＶｓｏがＬである場合には、次のステップＳ１０２で、サージ電圧検出時における電流指令値の妥当性比較を行う。
【００３０】
ここで、モータ制御回路上の演算処理装置では、電流指令値を随時モニタしており、サージ電圧検出信号ＶｓｏがＬレベルで入力された時点での電流指令値Ｉｓ_ｃｍｄをメモリへ記憶しておく。一方で、サージ電圧検出レベルは、ツェナー電圧により設定できるので、予め任意のサージ電圧検出レベルを設定しておく。出力電流値に対するサージ電圧との相関関係より、ある所定の電流指令値Ｉ_ｃｍｄでの駆動時に発生するサージ電圧よりも大きいツェナー電圧を有するツェナーダイオードを用いてサージ電圧検出回路を構成しておく。
【００３１】
ステップＳ１０２では、サージ電圧検出時の電流指令値Ｉｓ_ｃｍｄと予め設定しておいた所定の電流指令値Ｉ_ｃｍｄを比較し、Ｉｓ_ｃｍｄ≦Ｉ_ｃｍｄである場合には、本来発生することのないサージが発生しているものと判定される。
【００３２】
正常動作時には、所定の電流値Ｉ_ｃｍｄに対するサージ電圧が設定したツェナー電圧を超えることが無いため、サージ電圧検出信号は出力されない。また、サージ電圧検出時の電流指令値Ｉｓ_ｃｍｄが設定された所定の電流指令値以上であった場合（Ｉｓ_ｃｍｄ＞Ｉ_ｃｍｄ）には、サージ電圧が検出されても良い電流領域であるため通常のモータ駆動を継続する。
【００３３】
ステップＳ１０２で、設定された電流指令値以下であった場合（Ｉｓ_ｃｍｄ≦Ｉ_ｃｍｄ）には、サージ電圧異常が発生しているものと判断し、ステップＳ１０３でサージ電圧異常、主回路異常判定の信号を出力する。さらに、ステップＳ１０３からのサージ電圧異常信号を受け、ステップＳ１０４では、以降のモータ駆動に対して出力電流値を制限するための電流出力制限信号を出力する。
【００３４】
サージ電圧異常判定により、インバータ出力電流値を抑えることで、大電流駆動時のサージ電圧による半導体スイッチング素子の過電圧破壊を防ぐことができる。また、小電流領域でのサージ電圧異常を早期に検出することにより、大電流駆動への電流移行中に主回路異常が検出できるため、信頼性の高い電力変換システムおよび電力変換装置を提供することができる。
【００３５】
本実施形態におけるサージ電圧検出に関して、具体例を用いて以下説明する。
【００３６】
図６は、半導体スイッチング素子遮断時のコレクタ電圧およびコレクタ電流の動作波形例である。図６（ａ）は５０Ａ遮断時、図６（ｂ）は６５０Ａ遮断時のコレクタ電圧およびコレクタ電流をそれぞれ示す。また、図７は半導体スイッチング素子におけるコレクタ電流とサージ電圧の関係例を示す。５０Ａ、６５０Ａ遮断時のサージ電圧は、それぞれ４５０Ｖ、６２０Ｖに達し、出力電流が大きいほどサージ電圧が大きい。
【００３７】
ここでは、サージ電圧検出レベルは４８０Ｖと設定し、ツェナー電圧Ｖｚ＝４８０Ｖのツェナーダイオードを用いてサージ電圧検出を行い、サージ電圧異常検出時に演算処理装置で妥当性比較を行う所定の電流指令値はＩ_ｃｍｄ＝５０Ａとしている。
【００３８】
通常の５０Ａ遮断時のサージ電圧は４５０Ｖであり、ツェナー電圧４８０Ｖ以下であるため、サージ電圧検出信号は出力されない。一方で、２００Ａ以上での遮断時では、サージ電圧は４８０Ｖを超えてくるため、サージ電圧検出信号が出力されるが、モータ制御回路に備えられた演算処理装置での、電流指令値の妥当性比較により、Ｉｓ_ｃｍｄ＞５０Ａのため異常判定はされない。
【００３９】
図７に示す破線グラフは、電力変換システムの経年劣化による主回路インダクタンス拡大や電流センサ等の不具合により、サージ電圧が拡大した場合を想定したものである。コレクタ電流に対するサージ電圧が全体的に３０Ｖ大きくなると仮定すると、従来５０Ａ遮断時に発生していた４５０Ｖのサージ電圧は４８０Ｖへ拡大し、６５０Ａ遮断時に発生していた６２０Ｖのサージ電圧は６５０Ｖまで拡大してしまう。その結果、６５０Ａ遮断時のサージ電圧はＩＧＢＴ素子の耐圧である６５０Ｖに達してしまうため、過電圧破壊に繋がる恐れがある。
【００４０】
しかし、本実施例を適用することにより、４８０Ｖのサージ電圧検出レベルと所定の電流指令値Ｉ_ｃｍｄ＝５０Ａの設定をすることで、電流指令５０Ａ遮断時に発生した４８０Ｖのサージ電圧を異常電圧として検出することができる。さらに、小電流駆動時にサージ電圧異常を検出して、電流指令値を制限することによって、６５０Ａ遮断時による６５０Ｖのサージ電圧の印加を避けることができる。
【００４１】
以上のように、所定の電流指令値に対するサージ電圧検出信号の有無によって、本来検出されるはずの無い小電流領域でサージ電圧異常の信号を認識した場合に、主回路インダクタンスまたは電流変化率に異常をもたらす変化がモータ制御システム内で発生していることを認識でき、さらに電流指令制限等のサージ電圧抑制手段を用いることで、半導体スイッチング素子への大電流駆動によるサージ電圧印加を避けることができる。
【００４２】
＜第２の実施形態＞
図８は、第２の実施形態に係るサージ電圧検出回路である。図１および図２に示す基本的なモータ制御ブロック図は第１の実施形態と同様である。また、サージ電圧の検出方法および演算処理装置での電流指令値の妥当性比較も第１の実施形態と同様である。
【００４３】
第２の実施形態におけるサージ電圧検出回路は、第１の実施形態に加え、ゲートドライブ回路にゲート抵抗の切り替え機能を追加した形態である。
【００４４】
接続されるゲート抵抗は、通常駆動時のゲート抵抗値Ｒを有する抵抗器Ａと、Ｒよりも大きいゲート抵抗値Ｒｓを有する抵抗器Ｂである（Ｒ＜Ｒｓ）。通常のモータ駆動時には、ゲート抵抗は抵抗器Ａに接続されている。
【００４５】
図９は、第２の実施形態に係るサージ電圧検出のフローチャートである。第１の実施形態と同様に所定のサージ電圧検出レベルを設定し、モータ制御装置上の演算処理装置が、ステップＳ１０２でサージ電圧検出時の電流指令値の妥当性比較により、サージ電圧検出時の電流指令値Ｉｓ_ｃｍｄと予め設定しておいた所定の電流指令値Ｉ_ｃｍｄを比較し、Ｉｓ_ｃｍｄ≦Ｉ_ｃｍｄであると判定した場合には、ステップＳ１０３よりサージ電圧異常、主回路異常判定の信号を出力する。ステップＳ１０３からのサージ電圧異常信号を受け、ステップＳ１０５でゲート抵抗切り替え信号を出力する。演算処理装置から出力されたゲート抵抗切り替え信号により、ゲートドライブ回路では、通常駆動時に接続されている抵抗器Ａから、ゲート抵抗Ａよりも大きい抵抗値を有するゲート抵抗器Ｂへ接続を切り替えることにより、半導体スイッチング素子のｄｉ／ｄｔを調整してサージ電圧を抑制する。
【００４６】
なお、本実施例は、第１の実施例に示した出力電流値の制限と併用しても良い。
【００４７】
＜第３の実施形態＞
図１０は、第３の実施形態に係るサージ電圧検出回路である。図１および図２に示す基本的なモータ制御ブロック図は第１の実施形態と同様である。
【００４８】
第３の実施形態におけるサージ電圧検出回路は、第１または第２の実施例に加えて、ツェナー電圧の異なるツェナーダイオードと逆流防止ダイオードと抵抗器を直列接続した回路を半導体スイッチング素子と並列に接続することで、サージ電圧検出レベルの異なるサージ電圧検出回路を追加した形態である。サージ電圧検出回路１〜３には、ツェナー電圧の異なるツェナーダイオード１〜３を用いており、検出したツェナー電流を一定時間保持するラッチ回路または１ショットパルス出力回路を有する。
【００４９】
ここで、任意に設定するツェナー電圧Ｖｚ１〜Ｖｚ３がサージ電圧検出レベルであり、各検出レベルを超えたサージ電圧が印加された場合に、各々のサージ電圧検出回路からの検出信号Ｖｓｏ１〜Ｖｓｏ３が出力される。ここでは、各ツェナーダイオードは、ツェナー電圧１＜ツェナー電圧２＜ツェナー電圧３となる異なるツェナー電圧をそれぞれ有する。
【００５０】
なお、図１１に示すように、ツェナー電圧の異なるツェナーダイオードを複数直列接続することで、サージ電圧検出レベルを設定する構成としても良い。
【００５１】
図１２は、第３の実施形態におけるサージ電圧検出のフローチャートである。出力されたサージ電圧検出信号Ｖｓｏ１〜Ｖｓｏ３に従って、検出したサージ電圧のレベルを場合分けすることができるので、各々のサージ電圧レベルに妥当性比較用の電流指令値Ｉ_ｃｍｄ_１〜Ｉ_ｃｍｄ_３を設定する。
【００５２】
ここでは、サージ電圧検出レベルとして、ツェナーダイオード１〜３のツェナー電圧は、Ｖｚ１＝４８０Ｖ、Ｖｚ２＝５４０Ｖ、Ｖｚ３＝６００Ｖと設定し、比較用電流指令値は、Ｉ_ｃｍｄ_１＝５０Ａ、Ｉ_ｃｍｄ_２＝３００Ａ、Ｉ_ｃｍｄ_３＝５００Ａ、と設定する。
【００５３】
まずステップＳ２０１〜２０３では、サージ電圧検出信号Ｖｓｏ１、Ｖｓｏ２、Ｖｓｏ３のＨ／Ｌ組み合わせにより、
Ｖｓｏ１＝Ｌ、Ｖｓｏ２＝Ｈ、Ｖｓｏ３＝Ｈは、４８０Ｖ以上、５４０Ｖ未満のサージ電圧検出、
Ｖｓｏ１＝Ｌ、Ｖｓｏ２＝Ｌ、Ｖｓｏ３＝Ｈは、５４０Ｖ以上、６００Ｖ未満のサージ電圧検出、
Ｖｓｏ１＝Ｌ、Ｖｓｏ２＝Ｌ、Ｖｓｏ３＝Ｌは、６００Ｖ以上のサージ電圧検出、
というように、検出したサージ電圧のレベルを区分けすることができる。
【００５４】
ステップＳ２０１では、４８０Ｖ以上のサージ電圧検出有無をサージ電圧検出信号Ｖｓｏ１により判定する。
【００５５】
Ｖｓｏ１＝Ｈの場合は、サージ電圧検出無しの判定であり、モータ駆動を継続する。
【００５６】
Ｖｓｏ１＝Ｌの場合は、ステップＳ２０２にて、５４０Ｖ以上のサージ電圧検出有無をサージ電圧検出信号Ｖｓｏ２により判定する。
【００５７】
Ｖｓｏ２＝Ｈの場合は、４８０Ｖ以上、５４０Ｖ未満のサージ電圧検出と判定され、ステップＳ２１１にて、サージ電圧検出時の電流指令値Ｉｓ_ｃｍｄと予め設定した電流指令値Ｉ_ｃｍｄ_１＝５０Ａとを比較する。Ｉｓ_ｃｍｄ≦Ｉ_ｃｍｄ_１であれば、ステップＳ２２１でサージ電圧異常信号を出力すると共に、ステップＳ２３１でゲートドライブ回路上のゲート抵抗切り替えによるサージ電圧抑制手段を実施する。一方で、Ｉｓ_ｃｍｄ＞Ｉ_ｃｍｄ_１であれば、大電流駆動でのサージ電圧検出と判断され、通常のモータ駆動を継続する。
【００５８】
Ｖｓｏ２＝Ｌの場合は、ステップＳ２０３にて、Ｖｚ３＝６００Ｖ以上のサージ電圧検出有無をサージ電圧検出信号Ｖｓｏ３により判定する。
【００５９】
Ｖｓｏ３＝Ｈの場合は、５４０Ｖ以上、６００Ｖ未満のサージ電圧検出と判定され、ステップＳ２１２にて、サージ電圧検出時の電流指令値Ｉｓ_ｃｍｄと予め設定した電流指令値Ｉ_ｃｍｄ_２＝３００Ａとを比較する。Ｉｓ_ｃｍｄ≦Ｉ_ｃｍｄ_２であれば、ステップＳ２２２でサージ電圧異常信号を出力すると共に、ステップＳ２３２で電流指令制限によるサージ電圧抑制手段を実施する。一方で、Ｉｓ_ｃｍｄ＞Ｉ_ｃｍｄ_２であれば、電流指令値に対するサージ電圧異常があるが、モータの継続駆動は可能と判断できるため、ステップＳ２１１でサージ電圧異常信号を出力すると共に、ステップＳ２３１でゲートドライブ回路上のゲート抵抗切り替えによるサージ電圧抑制手段を実施する。
【００６０】
Ｖｓｏ３＝Ｌの場合は、６００Ｖ以上のサージ電圧検出と判定され、ステップＳ２１３にて、サージ電圧検出時の電流指令値Ｉｓ_ｃｍｄと予め設定した電流指令値Ｉ_ｃｍｄ_３＝５００Ａとを比較する。Ｉｓ_ｃｍｄ≦Ｉ_ｃｍｄ_３であれば、５００Ａ以下での遮断時に６００Ｖ以上のサージ電圧が発生していると判定できるので、ステップＳ２２３でサージ電圧異常信号を出力すると共に、ステップＳ２３３でモータ駆動を即停止する。
【００６１】
一方で、Ｉｓ_ｃｍｄ＞Ｉ_ｃｍｄ_３であれば、電流指令値に対するサージ電圧異常があるが、モータの継続駆動は可能と判断できるため、ステップＳ２２２でサージ電圧異常信号を出力すると共にステップＳ２３２で電流指令制限によるサージ電圧抑制手段を実施する。
【００６２】
図１３は第３の実施形態に係るサージ電圧検出レベルと半導体スイッチング素子の保護範囲を示す。サージ電圧検出レベルＶｚと所定の電流指令値Ｉ_ｃｍｄで囲まれる範囲が、各サージ電圧抑制手段が適用される範囲であり、上述した実施例に依れば、電流指令値Ｉ_ｃｍｄ_１＝５０Ａとサージ電圧検出レベルＶｚ１＝４８０Ｖで設定され、２点鎖線で囲まれる範囲では、ゲート抵抗切り替えによるサージ電圧抑制手段を実施し、電流指令値Ｉ_ｃｍｄ_２＝３００Ａとサージ電圧検出レベルＶｚ２＝５４０Ｖで設定され、１点鎖線で囲まれる範囲では、電流指令制限によるサージ電圧抑制手段を実施し、電流指令値Ｉ_ｃｍｄ_３＝５００Ａとサージ電圧検出レベルＶｚ２＝６００Ｖで設定され、実太線で囲まれる範囲ではモータ駆動を停止する。
【００６３】
以上のように、複数設けたサージ電圧検出レベルとサージ電圧検出時点での電流指令値との比較により、サージ電圧抑制手段を切り替えることができる。
【００６４】
サージ電圧検出レベルに対して実施するサージ電圧抑制手段の組み合わせは任意であり、種々のサージ電圧抑制手段を持つことにより、半導体スイッチング素子の過電圧破壊を避けながら、モータ駆動を継続できる電力変換システムおよび電力変換装置を提供することができる。
【００６５】
＜第４の実施形態＞
図１４は、第４の実施形態に係るサージ電圧検出回路である。図１および図２に示す基本的なモータ制御ブロック図は第１の実施形態と同様である。第４の実施形態におけるサージ電圧検出回路は、半導体スイッチング素子のコレクタ−エミッタ（またはドレイン−ソース）間に印加される電圧を抵抗器で分圧して直接検出する。分圧されたコレクタ（またはドレイン）電圧は、ピークホールド回路を介することで、印加されたサージ電圧のピーク値Ｖｐとして一定時間出力される。なお、サージ電圧検出レベルは、分圧抵抗の分圧比により決定される。
【００６６】
また、図１５に示すように、分圧したコレクタ（またはドレイン）電圧は、差動増幅回路等を介して検出可能なレベルに変換し、マイクロコンピュータ等の演算処理装置で検出しても良い。演算処理装置等を用いることで、サージ電圧検出レベルはソフトで任意に設定することができる。そして、演算処理装置内で、任意に設定するサージ電圧検出レベルを閾値とし、ピークホールド回路から出力されたサージ電圧のピーク値とを比較することで、サージ電圧検出信号Ｖｓの出力を決定する。
【００６７】
上述したサージ電圧検出回路により検出されたサージ電圧のピーク値Ｖｐ、またはサージ電圧検出信号Ｖｓは、フォトカプラ等の絶縁伝達素子により、モータ制御回路に備えられた演算処理装置等へ入力される。演算処理装置は、入力されるサージ電圧検出信号Ｖｓｏのレベル（Ｈ／Ｌ）で、所定の電圧値以上のサージ電圧印加の有無を判定する。
【００６８】
本実施形態におけるサージ電圧異常検出後の処理は、第１の実施形態と同様に、図５で示すフローチャートに従い、サージ電圧抑制手段として電流指令を制限する手段を実施する。また、第２の実施形態のように、ゲート抵抗切り替え機能を備える場合には、図９に示すフローチャートに従い、サージ電圧抑制手段としてゲート抵抗切り替え手段を実施しても良い。さらに、第３の実施形態のように、複数のサージ電圧検出回路を備える場合には、図１２に示すフローチャートに従い、サージ電圧検出レベルと電流指令値により、複数のサージ電圧抑制手段を切り替える手段を実施しても良い。
【００６９】
以上、第１から第４の実施形態の適用により、サージ電圧を検出することでＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を過電圧破壊から防ぐことが可能となり、信頼性の高い電力変換装置を提供することが可能になる。
【００７０】
また、上述したサージ電圧検出手段は、インバータ主回路のインダクタンスや電流変化率の異常によるサージ電圧の拡大を検知すると共に、サージ電圧異常判定部よりフェール信号を出力し、そのフェール信号をもとにモータ制御装置の操作盤や制御機器に表示する。例えば、電気自動車に適用される場合には、内部パネルに警告ランプを点灯させる等を実施することにより、モータ制御装置操作者またはメンテナンス作業者へ、サージ電圧異常を通知することができる。
【００７１】
加えて、小電流領域でのサージ電圧異常を早期に検出することにより、トルク制限をかけるまたはゲート抵抗を切り替える等のサージ電圧抑制手段を実施することで、半導体スイッチング素子への過電圧印加を避けながら、モータ制御システムを継続駆動することが可能になるため、信頼性の高い電力変換装置を提供することが可能となる。
【００７２】
本発明の応用範囲としては、本文中で例を挙げた永久磁石同期モータ駆動システムを利用した自動車の他、エレベータ、圧縮機等、半導体スイッチング素子により構成された電力変換回路を有し、特に遮断時には、半導体スイッチング素子にサージ電圧が印加されるようなシステムとそのシステムを利用している機器が考えられる。
【符号の説明】
【００７３】
１ モータ
２ インバータ回路
３ 電流センサ
４ モータ制御回路
５ ゲートドライブ回路
６ サージ電圧検出手段
７ 電流指令生成部
８ 電流制御部
９ ツェナーダイオード
１０ 逆流防止ダイオード
１１ 検出抵抗器
１２ 増幅回路
１３ ラッチ回路
１４ 絶縁伝達素子
１５ ゲート抵抗Ａ
１６ ゲート抵抗Ｂ
１７ ゲート抵抗切り替えスイッチ
１８ ツェナーダイオード１ Ｖｚ１
１９ ツェナーダイオード２ Ｖｚ２
２０ ツェナーダイオード３ Ｖｚ３
２１ ツェナーダイオード４
２２ ツェナーダイオード５
２３ 分圧抵抗器Ａ
２４ 分圧抵抗器Ｂ
２５ ピークホールド回路
２６ マイクロコンピュータ
５０ サージ電圧保護領域１
５１ サージ電圧保護領域２
５２ サージ電圧保護領域３
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相交流電流を出力するインバータ回路と、
前記３相交流電流を検出する電流センサと、
前記インバータ回路を駆動するモータ制御回路を備え、
前記インバータ回路は、前記モータ制御回路からのＰＷＭ信号に基づき前記インバータ回路を構成する半導体スイッチング素子を駆動するゲートドライブ回路とサージ電圧検出信号を検出するサージ電圧検出回路を備え、
前記モータ制御回路は、電流指令値を生成および記憶する電流指令生成部を備え、
前記サージ電圧検出回路により検出されたサージ電圧検出信号は前記モータ制御回路に入力され、
前記サージ電圧検出信号を検出した際に前記電流指令生成部からの電流指令値と所定の電流指令値と対比することによりサージ電圧を抑制するサージ電圧抑制手段の実施の可否を選択する選択手段を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記モータ制御回路は、上位コントローラからのトルク指令値に基づいて電流指令を生成する電流指令生成部を有し、
前記電流指令生成部は、前記サージ電圧検出信号が検出された時点における電流指令値が所定の電流値以下である場合には、サージ電圧異常であると判定することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電力変換装置であって、
前記サージ電圧検出回路は、ツェナーダイオードとダイオードと抵抗器とを直列接続し、半導体スイッチング素子のコレクタ・エミッタ間またはドレイン・ソース間に並列に接続することで、所定のツェナー電圧値を超えた場合に前記ツェナーダイオードに流れるツェナー電流を検出することを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項２に記載の電力変換装置であって、
前記サージ電圧検出回路は、分圧抵抗により半導体スイッチング素子のコレクタ・エミッタ（またはドレイン・ソース）間の電圧を分圧して取り込み、ピークホールド回路によってコレクタ・エミッタ間に印加されるサージ電圧のピーク値を検出することを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項３に記載の電力変換装置であって、
前記サージ電圧検出回路は、複数のツェナーダイオードを直列接続することで、サージ電圧の検出レベルの異なる検出回路を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項３又は５記載の電力変換装置であって、
前記サージ電圧検出回路は、単一もしくは複数のツェナーダイオードとダイオードと抵抗器とを直列接続し、半導体スイッチング素子のコレクタ・エミッタまたはドレイン・ソース間に複数並列に接続することで、複数のサージ電圧検出レベルを有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項１乃至６いずれかに記載の電力変換装置であって、
前記モータ制御回路は、上位コントローラからのトルク指令値に基づいて電流指令を生成する電流指令生成部を有し、前記電流指令生成部は、前記サージ電圧検出手段からのサージ電圧検出信号が入力された場合に前記電流指令値の最大出力値を制限することを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項１乃至６いずれかに記載の電力変換装置であって、
前記モータ制御回路は、上位コントローラからのトルク指令値に基づいて電流指令を生成する電流指令生成部を有し、前記電流指令生成部は、前記サージ電圧検出手段からのサージ電圧検出信号が入力された場合に、サージ電圧が規定値以下になるまで電流値を下げる帰還制御を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項１乃至６いずれかに記載の電力変換装置であって、
前記モータ制御回路は、上位コントローラからのトルク指令値に基づいて電流指令を生成する電流指令生成部を有し、前記電流指令生成部７は、前記サージ電圧検出手段からのサージ電圧検出信号が入力された場合に、前記電流指令値の生成を停止することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９いずれかに記載の電力変換システムであって、
前記モータ制御回路は、上位コントローラからのトルク指令値に基づいて電流指令を生成する電流指令生成部を有し、前記電流指令生成部は、マイクロコンピュータ等の演算処理装置により構成され、前記サージ電圧検出信号が検出された時点における電流指令値が、任意に定めた電流値以下である場合には、前記ゲートドライブ回路のゲート抵抗値を切り替えることでモータ駆動を継続することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】
モータとインバータとを含む電力変換システムにおいて、
前記電力変換装置は、３相交流電流を前記モータに出力するインバータ回路と、前記３相交流電流を検出する電流センサと、前記インバータ回路を駆動するモータ制御回路を備え、前記インバータ回路は、前記モータ制御回路からのＰＷＭ信号に基づき前記インバータ回路を構成する半導体スイッチング素子を駆動するゲートドライブ回路とサージ電圧検出信号を検出するサージ電圧検出回路を備え、前記モータ制御回路は、電流指令値を生成および記憶する電流指令生成部を備え、前記サージ電圧検出回路により検出されたサージ電圧検出信号は前記モータ制御回路に入力され、前記サージ電圧検出信号を検出した際に前記電流指令生成部からの電流指令値と所定の電流指令値と対比することによりサージ電圧を抑制するサージ電圧抑制手段の実施の可否を選択する選択手段を備えることを特徴とする電力変換システム。
【請求項１】
３相交流電流を出力するインバータ回路と、
前記３相交流電流を検出する電流センサと、
前記インバータ回路を駆動するモータ制御回路を備え、
前記インバータ回路は、前記モータ制御回路からのＰＷＭ信号に基づき前記インバータ回路を構成する半導体スイッチング素子を駆動するゲートドライブ回路とサージ電圧検出信号を検出するサージ電圧検出回路を備え、
前記モータ制御回路は、電流指令値を生成および記憶する電流指令生成部を備え、
前記サージ電圧検出回路により検出されたサージ電圧検出信号は前記モータ制御回路に入力され、
前記サージ電圧検出信号を検出した際に前記電流指令生成部からの電流指令値と所定の電流指令値と対比することによりサージ電圧を抑制するサージ電圧抑制手段の実施の可否を選択する選択手段を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記モータ制御回路は、上位コントローラからのトルク指令値に基づいて電流指令を生成する電流指令生成部を有し、
前記電流指令生成部は、前記サージ電圧検出信号が検出された時点における電流指令値が所定の電流値以下である場合には、サージ電圧異常であると判定することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電力変換装置であって、
前記サージ電圧検出回路は、ツェナーダイオードとダイオードと抵抗器とを直列接続し、半導体スイッチング素子のコレクタ・エミッタ間またはドレイン・ソース間に並列に接続することで、所定のツェナー電圧値を超えた場合に前記ツェナーダイオードに流れるツェナー電流を検出することを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項２に記載の電力変換装置であって、
前記サージ電圧検出回路は、分圧抵抗により半導体スイッチング素子のコレクタ・エミッタ（またはドレイン・ソース）間の電圧を分圧して取り込み、ピークホールド回路によってコレクタ・エミッタ間に印加されるサージ電圧のピーク値を検出することを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項３に記載の電力変換装置であって、
前記サージ電圧検出回路は、複数のツェナーダイオードを直列接続することで、サージ電圧の検出レベルの異なる検出回路を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項３又は５記載の電力変換装置であって、
前記サージ電圧検出回路は、単一もしくは複数のツェナーダイオードとダイオードと抵抗器とを直列接続し、半導体スイッチング素子のコレクタ・エミッタまたはドレイン・ソース間に複数並列に接続することで、複数のサージ電圧検出レベルを有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項１乃至６いずれかに記載の電力変換装置であって、
前記モータ制御回路は、上位コントローラからのトルク指令値に基づいて電流指令を生成する電流指令生成部を有し、前記電流指令生成部は、前記サージ電圧検出手段からのサージ電圧検出信号が入力された場合に前記電流指令値の最大出力値を制限することを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項１乃至６いずれかに記載の電力変換装置であって、
前記モータ制御回路は、上位コントローラからのトルク指令値に基づいて電流指令を生成する電流指令生成部を有し、前記電流指令生成部は、前記サージ電圧検出手段からのサージ電圧検出信号が入力された場合に、サージ電圧が規定値以下になるまで電流値を下げる帰還制御を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項１乃至６いずれかに記載の電力変換装置であって、
前記モータ制御回路は、上位コントローラからのトルク指令値に基づいて電流指令を生成する電流指令生成部を有し、前記電流指令生成部７は、前記サージ電圧検出手段からのサージ電圧検出信号が入力された場合に、前記電流指令値の生成を停止することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
請求項１乃至９いずれかに記載の電力変換システムであって、
前記モータ制御回路は、上位コントローラからのトルク指令値に基づいて電流指令を生成する電流指令生成部を有し、前記電流指令生成部は、マイクロコンピュータ等の演算処理装置により構成され、前記サージ電圧検出信号が検出された時点における電流指令値が、任意に定めた電流値以下である場合には、前記ゲートドライブ回路のゲート抵抗値を切り替えることでモータ駆動を継続することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】
モータとインバータとを含む電力変換システムにおいて、
前記電力変換装置は、３相交流電流を前記モータに出力するインバータ回路と、前記３相交流電流を検出する電流センサと、前記インバータ回路を駆動するモータ制御回路を備え、前記インバータ回路は、前記モータ制御回路からのＰＷＭ信号に基づき前記インバータ回路を構成する半導体スイッチング素子を駆動するゲートドライブ回路とサージ電圧検出信号を検出するサージ電圧検出回路を備え、前記モータ制御回路は、電流指令値を生成および記憶する電流指令生成部を備え、前記サージ電圧検出回路により検出されたサージ電圧検出信号は前記モータ制御回路に入力され、前記サージ電圧検出信号を検出した際に前記電流指令生成部からの電流指令値と所定の電流指令値と対比することによりサージ電圧を抑制するサージ電圧抑制手段の実施の可否を選択する選択手段を備えることを特徴とする電力変換システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−２７２１７（Ｐ２０１３−２７２１７Ａ）
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１６１５３２（Ｐ２０１１−１６１５３２）
【出願日】平成２３年７月２５日（２０１１．７．２５）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月４日（２０１３．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月２５日（２０１１．７．２５）
【出願人】（５０９１８６５７９）日立オートモティブシステムズ株式会社 (2,205)
【Ｆターム（参考）】
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