電圧検出装置及びそれを用いた電力変換装置
【課題】コストの増大及び大型化を抑制するともに、サージの影響による装置故障を防止した直流高電圧検出装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る電圧検出装置は、直列に接続された複数の抵抗により構成され、かつ直流電源の正極端子側に接続される正極側分圧回路部と、直列に接続された複数の抵抗により構成され、かつ前記直流電源の負極端子側に接続される負極側分圧回路部と、前記正極側分圧回路部及び前記負極側分圧回路部によって分圧された分圧値に基づいて、直流電源の正極と負極との間の電圧値を演算する演算回路部と、前記正極側分圧回路部を構成する複数の抵抗のうちの隣り合う２つの抵抗の接続点と、前記負極側分圧回路部を構成する複数の抵抗のうちの隣り合う２つの抵抗の接続点との間に接続されるコンデンサと、を備える。
【解決手段】本発明に係る電圧検出装置は、直列に接続された複数の抵抗により構成され、かつ直流電源の正極端子側に接続される正極側分圧回路部と、直列に接続された複数の抵抗により構成され、かつ前記直流電源の負極端子側に接続される負極側分圧回路部と、前記正極側分圧回路部及び前記負極側分圧回路部によって分圧された分圧値に基づいて、直流電源の正極と負極との間の電圧値を演算する演算回路部と、前記正極側分圧回路部を構成する複数の抵抗のうちの隣り合う２つの抵抗の接続点と、前記負極側分圧回路部を構成する複数の抵抗のうちの隣り合う２つの抵抗の接続点との間に接続されるコンデンサと、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧検出装置及びそれを用いた電力変換装置に係り、特に直流高電圧を検出する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置は、直流電源から供給された直流電力を回転電機などの交流電気負荷に供給するための交流電力に変換する機能、あるいは回転電機により発電された交流電力を直流電源に供給するための直流電力に変換する電力変換機能を備えている。この電力変換機能を果たすため、電力変換装置はスイッチング素子を有するインバータ回路を有しており、スイッチング素子が導通動作や遮断動作を繰り返すことにより直流電力から交流電力へあるいは交流電力から直流電力への電力変換を行う。
【０００３】
電力変換の電力制御を行うために、直流電源側の電圧値を検出する必要があり、一般に電圧値の計測機能が電力変換装置に内蔵される。なお、電力制御の指令は制御対象となる高電圧系とは絶縁された低電圧系の制御回路が演算する。
【０００４】
従来の直流高電圧検出方法では、直列多段に分圧器を接続して低圧系の制御回路で計測可能な電圧に変換するようにしている。この分圧器には検出対象となる直流高電圧に見合った部品耐圧が必要となり、直列に接続する分圧器の段数を多数にして分圧器一段当たりの部品耐圧を低くするか、段数を少数にして分圧器一段当たりの部品耐圧を高くする構成が適用される。
【０００５】
直流高電圧を検出する方式としては、分圧器として抵抗を使用し、かつ各抵抗に並列にコンデンサを接続して使用電圧の範囲内での過渡的な分圧性能を改善する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
製造現場や人体からの静電気や雷によるサージ（以下、単純にサージと表する）によって電力変換装置の高電圧端子の正極と負極の間や高電圧端子とケース電位（あるいはアース電位）の間に瞬間的に通常使用電圧を超える電圧が印加されることがある。これに対応して、製品の出荷検査において絶縁強度を確認するための耐電圧試験として、通常使用電圧の２〜８倍程度の電圧を印加する場合がある。このため、抵抗器には使用電圧だけでなく瞬時の最高使用電圧（あるいは過負荷電圧）がサージや耐電圧試験に耐えうる性能が要求される。
【０００７】
一般に抵抗器のサージ耐量は抵抗器の段数と抵抗値とサージ電圧値から決定する。例えば多段の抵抗値が全て等しければ、考えうるサージ電圧を段数で除算した値を各抵抗器の最低耐サージ電圧とする。しかし、実際には抵抗器を実装するプリント基板の構造や抵抗器の配置により抵抗器間や各抵抗器とケース電位間には寄生容量が存在し、各抵抗器に印加されるサージ電圧にばらつきが生じる。特に高電圧側に近い抵抗器ほどサージの影響を受けやすく、抵抗器が劣化して装置故障の原因となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２５６２２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、コストの増大及び大型化を抑制するともに、サージの影響による装置故障を防止することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る電圧検出装置は、上記課題を解決するために、直列に接続された複数の抵抗により構成され、かつ直流電源の正極端子側に接続される正極側分圧回路部と、直列に接続された複数の抵抗により構成され、かつ前記直流電源の負極端子側に接続される負極側分圧回路部と、前記正極側分圧回路部及び前記負極側分圧回路部によって分圧された分圧値に基づいて、直流電源の正極と負極との間の電圧値を演算する演算回路部と、前記正極側分圧回路部を構成する複数の抵抗のうちの隣り合う２つの抵抗の接続点と、前記負極側分圧回路部を構成する複数の抵抗のうちの隣り合う２つの抵抗の接続点との間に接続されるコンデンサと、を備える。
【００１１】
これにより、電圧検出装置におけるコストの増大及び大型化を抑制するともに、サージの影響による装置故障を防止することができる。
【００１２】
また、本発明に係る電力変換装置は、上記課題を解決するために、直流電源の正極側に接続され、かつ直列に接続された複数の抵抗により構成される正極側分圧回路部と、前記直流電源の負極側に接続され、かつ直列に接続された複数の抵抗により構成される負極側分圧回路部と、前記正極側分圧回路部及び前記負極側分圧回路部によって分圧された分圧値に基づいて、直流電源の正極と負極との間の電圧値を演算する電圧演算回路と、前記正極側分圧回路部及び前記負極側分圧回路部を実装するための絶縁基板と、前記絶縁基板の一方の面側に配置され、かつ前記正極側分圧回路部と接続される正極側パターン配線と、前記絶縁基板における前記正極側パターン配線が配置された面側に配置され、かつ前記負極側分圧回路部と接続される負極側パターン配線と、前記絶縁基板内に層状に設けられた基板内パターン配線と、を有する電圧検出装置を備えた電力変換装置であって、前記基板内パターン配線は、前記正極側パターン配線及び前記負極側パターン配線の主面と対向するように形成され、かつ前記絶縁基板を介して当該基板内パターン配線と当該正極側パターン配線との間に第１寄生容量を保持できるように形成され、また前記絶縁基板を介して当該基板内パターン配線と当該負極側パターン配線との間に第２寄生容量を保持できるように形成され、さらに前記基板内パターン配線はグランドに電気的に接続される。
【００１３】
これにより、電力変換装置におけるコストの増大及び大型化を抑制するともに、サージの影響による装置故障を防止することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、コストの増大及び大型化を抑制しするともに、サージの影響による装置故障を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態をなすハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図。
【図２】本発明の一実施形態をなす上下アームの直列回路及び制御部を含む車両駆動用電機システムの回路構成を示す図。
【図３】直流高電圧検知装置回路ブロック図。
【図４】図３の分圧抵抗に係る実装形態のうち正極と負極との間に寄生容量を有する構成を示した図。
【図５】図３の分圧抵抗に係る実装形態のうち正極ケース電位間，負極ケース電位間に寄生容量を有する構成を示した図。
【図６】図３の分圧抵抗に係る実装形態のうち寄生容量を低減する構成を示した図。
【図７】本発明の一実施形態をなす正極と負極との間の耐サージ性能を有する直流高電圧検知装置回路を示すブロック図。
【図８】本発明の一実施形態をなす正極負極間の耐サージ性能を有する直流高電圧検知装置回路を示すプロック図。
【図９】本発明の一実施形態をなす正極ケース電位間，負極ケース電位間の耐サージ性能を有する直流高電圧検知装置回路を示すブロック図。
【図１０】図９の分圧抵抗に係る実施形態のうち、正極ケース側分圧抵抗のうち正極に最も近い分圧抵抗と、負極ケース側分圧抵抗のうち負極に最も近い分圧抵抗とが、ケース電位との間に寄生容量を有する構成を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を示す。
【実施例１】
【００１７】
本発明の実施形態に係る直流高電圧検出装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。本発明の実施形態に係る直流高電圧検出装置は、電力変換装置に内蔵され、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車にも適用可能である。一例として、電力変換装置をハイブリッド自動車に適用した場合の制御構成と、電力変換装置の回路構成について、図１と図２を用いて説明する。
【００１８】
図１はハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。本実施形態で示される電力変換装置２００は、自動車に搭載される車載電機システムの車載用電力変換装置、特に、車両駆動用電機システムに用いられる。ここでは、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用電機システムに用いられる車両駆動用インバータ装置３００を例に挙げて説明する。
【００１９】
車両駆動用インバータ装置３００は、モータジェネレータ４００の駆動を制御する制御装置として車両駆動用電機システムに備えられ、車載電源を構成する直流電源１０、或いはモータ４０２から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力をモータジェネレータ４００に供給してモータジェネレータ４００の駆動を制御する。また、モータジェネレータ４００は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置３００は運転モードに応じ、モータジェネレータ４００の発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。変換された直流電力は直流電源１０に供給される。
【００２０】
なお、本実施形態の構成は、自動車やトラックなどの車両駆動用電力変換装置として最適であるが、これら以外の電力変換装置、例えば電車や船舶，航空機などの電力変換装置、さらに工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、或いは家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする家庭用電力変換装置に対しても適用可能である。
【００２１】
以下、図２を用いて電力変換装置２００の動作を説明する。図２は上下アームの直列回路及び制御部を含むインバータ装置３００と、インバータ装置３００の直流側に接続されたコンデンサモジュール７０を備えた電力変換装置２００と、直流電源１０と、モータジェネレータ４００とを有する車両駆動用電機システムの回路構成を示す図である。
【００２２】
電力変換装置２００は、図２に示されたようにインバータ装置３００とコンデンサモジュール７０とを有し、また、インバータ装置３００はインバータ回路３１０と制御部３２０とを有している。制御部３２０はインバータ回路３１０を駆動制御するドライバ回路１００と、ドライバ回路１００へ信号線８０を介して制御信号を供給する制御回路５０とを有している。
【００２３】
制御回路５０はスイッチング素子としての上アーム用ＩＧＢＴ３４０及び下アーム用ＩＧＢＴ３４１のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンには入力情報として、モータジェネレータ４００に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路３１１からモータジェネレータ４００の電機子巻線に供給される電流値、及びモータジェネレータ４００の回転子の磁極位置が入力されている。目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ３３０から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータ４００に設けられた回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても構わない。
【００２４】
制御回路５０内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ４００のｄ，ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ，ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ，ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバ回路１００に出力する。
【００２５】
ドライバ回路１００は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅し、増幅されたＰＷＭ信号をドライブ信号として、対応する下アーム用ＩＧＢＴ３４１のゲート電極に出力する。上アームを駆動する場合は、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、増幅されたＰＷＭ信号をドライブ信号として、対応する上アーム用ＩＧＢＴ３４０のゲート電極に出力する。これにより、上アーム用ＩＧＢＴ３４０及び下アーム用ＩＧＢＴ３４１は、入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作を行う。
【００２６】
また、制御部３２０は、異常検知（過電流，過電圧，過温度など）を行い、上下アーム直列回路３１１を保護している。このため、制御部３２０にはセンシング情報が入力されている。ＩＧＢＴの印加電圧がＩＧＢＴ耐圧を超えると、ＩＧＢＴは直ちに耐圧破壊するおそれがある。この破壊からＩＧＢＴを保護するために直流高電圧検出値をもとに過電圧を検知する必要がある。直流電圧の上昇は、モータ回生運転中の直流電源切断や、モータの急激な回転上昇などによって生じる。過電圧が検知された場合には全ての上アーム用ＩＧＢＴ３４０及び下アーム用ＩＧＢＴ３４１のスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路３１１（引いては、上下アーム直列回路３１１を含む半導体モジュール）を過電圧から保護する。
【００２７】
スイッチング停止方法としては、上下アームすべてのＩＧＢＴを非導通状態にする３相オープン動作、上アーム３相分あるいは下アーム３相分を導通状態にしもう一方のアーム３相分を非導通状態にする３相ショート動作がある。どちらの方式を採用するかはモータ特性やＩＧＢＴ特性，運転条件に合わせて決定する。
【００２８】
図３は、直流高電圧検出の構成を表す回路ブロック図である。以下では、本実施形態として直流高電圧の正極１２とケース電位１４の間、負極１３とケース電位１４の間の２点を測定する構成にて説明するが、必ずしもこの２点での測定に限定されるものではない。ここで、ケース電位１４は、電力変換装置の筐体を介して、車両のアース電位と同電位となる電位のことを指す。
【００２９】
図３に示す直流高電圧検出装置１は、図２に示された制御回路５０内部に実装される。検出対象となる直流高電圧を入力とし、抵抗２１ａ〜２１ｃ，２２，２４ａ〜２４ｃ，２５によって、直流高電圧を制御回路５０で演算できる電圧レベルに変換する。分圧の基準電位は制御回路の基準電位と同じケース電位１４とする。この変換した電圧をバッファ４０，４１を通して演算回路４２，４３，４４へ入力し、演算回路４２，４３，４４の演算結果をマイコン４５へ信号を出力する。
【００３０】
より具体的には、演算回路４２は直流高電圧の正極側の分圧電圧６０と直流高電圧の負極側の分圧電圧６１の差動をとって直流高電圧の正極負極間の分圧電圧６２を演算する。演算回路４３はケース電位に対して負電圧となっている直流高電圧の負極側の分圧電圧６１をケース電位を基準に反転する。演算回路４４は予め設定した過電圧しきい値に対して正極負極間の分圧電圧６２の過電圧判定を実施し、過電圧検知信号６４を出力する。
【００３１】
マイコン４５に対して、直流高電圧正極側の分圧電圧６０を直接Ａ／Ｄ変換ポートに入力したり、演算回路４２の演算結果つまり正極負極間の分圧電圧６２をＡ／Ｄ変換ポートに入力したり、演算回路４３の演算結果つまり負極電圧反転検知信号６３をＡ／Ｄ変換ポートに入力する。マイコン４５は、入力された各演算結果をもとに、モータ制御用のＰＷＭ信号を生成し、直流高電圧のケースへのリークを検知する。また、マイコン４５に対して演算回路４４の演算結果である過電圧検知信号６４を汎用デジタルポートに入力し、過電圧と判定された場合にはスイッチング動作を停止するようにマイコン４５がＰＷＭ信号を制御する。
【００３２】
図４と図５と図６は抵抗２１ａ〜２１ｃ，２４ａ〜２４ｃのプリント基板での実装形態の例を示している。
【００３３】
図４（ａ）ではプリント基板９１の一面に正極側パターン配線１５と正極側に設けられる抵抗２１ａ〜２１ｃを有する。また、プリント基板９１における正極側パターン配線１５と対向する面側に、正極側パターン配線１５と平行に配置される負極側パターン配線１６と負極側に設けられる抵抗２４ａ〜２４ｃを有する。この構成では、正極側パターン配線１５と負極側パターン配線１６でプリント基板９１の絶縁材を挟み込むことになる。そのため、図４（ｂ）に示されるように、正極側パターン配線１５と負極側パターン配線１６の間に寄生容量３５ａ〜３５ｃが形成される。
【００３４】
これにより、直流高電圧に対して抵抗２１ａと寄生容量３５ａと抵抗２４ａによる電流ループ、抵抗２１ｂと寄生容量３５ｂと抵抗２４ｂによる電流ループ、抵抗２１ｃと寄生容量３５ｃと抵抗２４ｃによる電流ループが形成される。直流高電圧の正極と負極の間にサージが重畳すると、特に抵抗２１ａと寄生容量３５ａと抵抗２４ａの電流ループにサージエネルギーが流入しやすく、抵抗２１ａと抵抗２４ａにサージエネルギーが集中する。このサージエネルギーが抵抗２１ａと抵抗２４ａの許容できる耐サージ性能を超えていると、抵抗２１ａと抵抗２４ａは劣化し、破壊に至る。
【００３５】
図５は、プリント基板への他の実装形態を示す。図５（ａ）ではプリント基板９２の一面に正極側パターン配線１５と正極側に設けられる抵抗２１ａ〜２１ｃを有する。また、プリント基板９１における正極側パターン配線１５が配置された面と同一の面に、正極側パターン配線１５と平行に配置される負極側パターン配線１６及び負極側に設けられる抵抗２４ａ〜２４ｃを有する。
【００３６】
そしてプリント基板９２は、プリント基板９２の正極側パターン配線１５と負極側パターン配線１６を有する面に対向する面、あるいは内層にケース電位ベタ層１７を有する。この構成では、正極側パターン配線１５とケース電位ベタ層１７でプリント基板９２の絶縁材を挟み込むことになり、図５（ｂ）に示されるような、正極側パターン配線１５とケース電位ベタ層１７の間に寄生容量３６ａ〜３６ｃが形成される。
【００３７】
同様に負極側パターン配線１６とケース電位ベタ層１７の間にも、図５（ｂ）に示されるような、寄生容量３７ａ〜３７ｃが形成される。
【００３８】
これにより、直流高電圧の正極とケース電位に対して抵抗２１ａと寄生容量３６ａによる電流ループ、抵抗２１ｂと寄生容量３６ｂによる電流ループ、抵抗２１ｃと寄生容量３６ｃによる電流ループが形成される。直流高電圧の正極とケース電位の間にサージが重畳すると、特に抵抗２１ａと寄生容量３６ａの電流ループにサージエネルギーが流入しやすく、抵抗２１ａにサージエネルギーが集中する。このサージエネルギーが抵抗２１ａの許容できる耐サージ性能を超えていると、抵抗２１ａは劣化し、破壊に至る。
【００３９】
同様に直流高電圧の負極とケース電位に対して、抵抗２４ａと寄生容量３７ａによる電流ループ、抵抗２４ｂと寄生容量３７ｂによる電流ループ、抵抗２４ｃと寄生容量３７ｃによる電流ループが形成される。直流高電圧の負極とケース電位の間にサージが重畳すると、特に抵抗２４ａと寄生容量３７ａの電流ループにサージエネルギーが流入しやすく、抵抗２４ａにサージエネルギーが集中する。このサージエネルギーが抵抗２４ａの許容できる耐サージ性能を超えていると、抵抗２４ａは劣化し、破壊に至る。
【００４０】
図６は、プリント基板への他の実装形態を示す。図６ではプリント基板９０の一面に正極側パターン配線１５と正極側に設けられる抵抗２１ａ〜２１ｃを有する。また、プリント基板９０の正極側パターン配線１５と同一の面に正極側パターン配線１５と平行に配置される負極側パターン配線１６と負極側抵抗２４ａ〜２４ｃを有する。
【００４１】
この構成では、正極側パターン配線１５と負極側パターン配線１６との間において、プリント基板９０の厚さ方向の絶縁材を挟み込まないため、図４（ａ）の実装形態と比較して正極側パターン配線１５と負極側パターン配線１６の間に寄生容量が形成されにくい。
【００４２】
これにより、直流高電圧に対して抵抗２１ａ〜２１ｃと寄生容量と抵抗２４ａ〜２４ｃによる電流ループが形成されにくくなり、直流高電圧の正極と負極の間に重畳されるサージエネルギーが特定の部品に集中しなくなる。
【００４３】
また、プリント基板９０の正極側パターン配線１５と負極側パターン配線１６の領域の他層にケース電位が存在しないため、図５（ａ）のような正極側パターン配線１５とケース電位間の寄生容量、負極側パターン配線１６とケース電位間の寄生容量は存在しない。この結果、直流高電圧の正極とケース電位間、直流高電圧の負極とケース電位間に重畳されるサージエネルギーが特定の部品に集中しなくなる。
【００４４】
本発明を係る実施形態においては、抵抗２１ａ〜２１ｃ，２４ａ〜２４ｃの実装形態として、図４から図６のいずれのプリント基板の実装形態を採用することができるが、以下の説明では図６のプリント基板の実装形態を例に採って説明する。
【００４５】
図７は本実施例の直流高電圧検出の構成を表す回路ブロック図である。
【００４６】
抵抗２１ａ〜２１ｃ，２２，２４ａ〜２４ｃ，２５に係る抵抗値と使用電圧と最高使用電圧は、計測に要する分圧比と、正極１２と負極１３の間の絶縁抵抗と、正極１２あるいは負極１３とケース電位１４の間の絶縁抵抗と、瞬間的でなくある一定の期間に印加されうる最大電圧から決定される。高い測定精度を必要とする場合は抵抗２１ａ〜２１ｃ，２２，２４ａ〜２４ｃ，２５を抵抗値のばらつきが小さく（例えば公称値±０.１％）、温度依存性の少ない（例えば、抵抗温度係数が±２５ppm／℃）特性をもつ高精度抵抗器とする。高精度抵抗器としては例えば高精度薄膜抵抗があるが、一般に薄膜抵抗はサージに弱い特性をもつ。以下、抵抗２１ａ〜２１ｃ及び２４ａ〜２４ｃは、この高精度抵抗器が用いられたものとして説明する。
【００４７】
サージ電圧のエネルギーを抵抗２１ａ〜２１ｃや２４ａ〜２４ｃに印加させないようにするため、新たに、コンデンサ３０，抵抗２０ａ，２０ｂ，抵抗２３ａ，２３ｂを設ける。抵抗２０ａ，２０ｂは直流電源の正極側端子とコンデンサ３０との間に設けられ、抵抗２３ａ，２３ｂは、直流電源の負極側端子とコンデンサ３０との間に設けられる。
【００４８】
これにより、直流高電圧入力に対して抵抗２０ａ，２０ｂ，コンデンサ３０，抵抗２３ａ，２３ｂからなるループができる。このループにサージエネルギーを吸収する効果を持たせることで、抵抗２１ａ〜２１ｃ，２４ａ〜２４ｃにサージエネルギーを印加させないようにする。なお、印加されうるサージの電圧値やパルス幅を元に、サージエネルギーをループで吸収できるように抵抗２０ａ，２０ｂ，２３ａ，２１ｂの抵抗値，コンデンサ３０の静電容量を決定する。
【００４９】
図７では正極側の抵抗２０ａ，２０ｂ，負極側の抵抗２３ａ，２３ｂとして、各々２個としたが、２個に限定されるものではない。図８に示すように、正極側の抵抗２０，負極側の抵抗２３と各々１個としてもループは形成されており、抵抗２０，抵抗２３の抵抗値とコンデンサ３０の静電容量を適切に定めることによって十分なサージ吸収効果を得られる。
【００５０】
なお、図８（あるいは図７）の構成とした上で、正極側の抵抗２０（２０ａ，２０ｂ）と、負極側の抵抗２３（２３ａ，２３ｂ）は、高精度な抵抗２１ａ〜２１ｃ，２２，２４ａ〜２４ｃ，２５よりも高い耐サージ性能を有する抵抗器とする。高い耐サージ性能を有する抵抗器としては例えば厚膜抵抗器がある。本実施例においては、正極側の抵抗２０（２０ａ，２０ｂ）と負極側の抵抗２３（２３ａ，２３ｂ）は、この厚膜抵抗器が用いられたものとして説明する。
【００５１】
これにより、抵抗２０（２０ａ，２０ｂ），コンデンサ３０，抵抗２３（２３ａ，２３ｂ）からなるループでサージを吸収するため、高精度な抵抗２１ａ〜２１ｃ，２２，２４ａ〜２４ｃ，２５には通常使用範囲および耐電圧試験に耐えうる最大過負荷電圧を有するだけの抵抗器を使用でき、耐サージ性と高精度を兼ね備える特殊な抵抗器の不要な安価なシステムを構成できる。
【００５２】
また、抵抗２０，２３の抵抗値を抵抗２１ａ〜２１ｃ，２２，２４ａ〜２４ｃ，２５より十分に小さい値とすることで、抵抗２０，２３は精度を必要とせず、耐サージ性能だけを考慮した抵抗を選択できる。この結果、高精度かつ耐サージ性能を有する特殊で高価な抵抗を必要とせず、耐サージ性能にも優れた、安価なシステムを構成できる。
【実施例２】
【００５３】
実施例１では直流高電圧の正極と負極の間にサージが重畳することを想定し、コンデンサ３０を挿入している。一方、直流高電圧の正極とケース電位の間や、負極とケース電位の間にサージが重畳した場合には実施例１のコンデンサ３０には効果がない。
【００５４】
図９は本実施例の直流高電圧検出の構成を示す回路ブロック図である。
【００５５】
図９では、実施例１（図７あるいは図８）のコンデンサ３０の代わりに、直列接続した二つのコンデンサ３１，３２を挿入し、コンデンサ３１，３２の接続点をケース電位に接続している。この構成では、直流高電圧の正極１２とケース電位１４に対して抵抗２０とコンデンサ３１による電流ループが形成される。この結果、直流高電圧の正極１２とケース電位１４の間に重畳したサージを抵抗２０とコンデンサ３１による電流ループで吸収することができ、抵抗２１ａ〜２１ｃにサージエネルギーを印加させない。同様に、直流高電圧の負極１３とケース電位１４に対して抵抗２３とコンデンサ３２による電流ループが形成される。この結果、直流高電圧の負極１３とケース電位１４の間に重畳したサージを抵抗２３とコンデンサ３２による電流ループで吸収することができ、抵抗２４ａ〜２４ｃにサージエネルギーを印加させない。
【００５６】
サージを吸収する抵抗２０，２３、コンデンサ３１，３２の部品選定は実施例１の抵抗２０ａ，２０ｂ，２３ａ，２３ｂ、コンデンサ３０と同様の手法である。
【実施例３】
【００５７】
本実施例では実施例２の直流高電圧検出の構成を示す回路ブロック図（図９）を基本構成とする。図１０（ａ）は本実施例の構成を示す図であり、抵抗２０，２１ａ，２１ｂ，２３，２４ａ，２４ｂのプリント基板での実装形態を示している。
【００５８】
図１０（ａ）では、プリント基板９３の一面に正極側パターン配線１５と正極側抵抗２１ａ〜２１ｃを有する。また、プリント基板９３の正極側パターン配線１５と同一の面に正極側パターン配線１５と平行に配置される負極側パターン配線１６と負極側抵抗２４ａ〜２４ｃを有する。
【００５９】
そしてプリント基板９３は、プリント基板９３の抵抗２０，２３を有する領域であって、正極側パターン配線１５と負極側パターン配線１６を有する面に対向する面、あるいは内層にケース電位ベタ層１７を有する。一方、プリント基板９３は、プリント基板９３の抵抗２１ａ，２１ｂ，２４ａ，２４ｂを有する領域であって、正極側パターン配線１５と負極側パターン配線１６を有する面に対向する面、あるいは内層にはケース電位ベタ層１７を有さない。
【００６０】
この構成では、抵抗２０とケース電位ベタ層１７でプリント基板９３の絶縁材を挟み込むことになり、抵抗２０とケース電位ベタ層の間に寄生容量３８が形成される。一方、抵抗２１ａ，２１ｂと抵抗２１ａ，２１ｂを接続する正極側配線パターンはケース電位ベタ層１７との間でプリント基板材を挟み込まないため、抵抗２１ａ，２１ｂ、抵抗２１ａ，２１ｂを接続する正極側配線パターンとケース電位ベタ層１７の間に寄生容量が形成されにくい。この構成において、抵抗２０と接続する配線パターン幅と配線パターン長を適切に定めることによって、寄生容量３８の静電容量を調整し、図９に示されたコンデンサ３１の代わりとする。
【００６１】
同様に、抵抗２３とケース電位ベタ層１７でプリント基板の絶縁材を挟み込むことになり、抵抗２３とケース電位ベタ層の間に寄生容量３９が形成される。一方、抵抗２４ａ，２４ｂと抵抗２４ａ，２４ｂを接続する負極側配線パターンはケース電位ベタ層１７との間でプリント基板材を挟み込まないため、抵抗２４ａ，２４ｂ、抵抗２４ａ，２４ｂを接続する正極側配線パターンとケース電位ベタ層１７の間に寄生容量が形成されにくい。この構成において、抵抗２３を接続する配線パターン幅と配線パターン長を適切に定めることによって、寄生容量３９の静電容量を調整し、図９に示されたコンデンサ３２の代わりとする。
【符号の説明】
【００６２】
１ 直流高電圧検出装置
１０ 直流電源
１１ 遮断装置
１２ 正極
１３ 負極
１４ ケース電位
１５ 正極側パターン配線
１６ 負極側パターン配線
１７ ケース電位ベタ層
２０，２１，２２，２３，２４，２５ 抵抗
２６ 正極側分圧回路部
２７ 負極側分圧回路部
３０，３１，３２ コンデンサ
３５，３６，３７，３８，３９ 寄生容量
４０，４１ バッファ
４２，４３，４４ 演算回路
４５ マイコン
５０ 制御回路
６０ 正極側の分圧電圧
６１ 負極側の分圧電圧
６２ 正極負極間の分圧電圧
６３ 負極電圧反転検知信号
６４ 過電圧検知信号
７０ コンデンサモジュール
８０ 信号線
９０，９１，９２，９３ プリント基板
１００ ドライバ回路
２００ 電力変換装置
３００，３０１ インバータ装置
３０２ インバータ（パワーモジュール含む補機用）
３１０ インバータ回路
３１１ 上下アームの直列回路
３２０ 制御部
３３０ 電流センサ
３４０ 上アーム用ＩＧＢＴ
３４１ 下アーム用ＩＧＢＴ
４００，４０１ モータジェネレータ
４０２ モータ（補機用＝エアコン，オイルポンプ，冷却ポンプ）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧検出装置及びそれを用いた電力変換装置に係り、特に直流高電圧を検出する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置は、直流電源から供給された直流電力を回転電機などの交流電気負荷に供給するための交流電力に変換する機能、あるいは回転電機により発電された交流電力を直流電源に供給するための直流電力に変換する電力変換機能を備えている。この電力変換機能を果たすため、電力変換装置はスイッチング素子を有するインバータ回路を有しており、スイッチング素子が導通動作や遮断動作を繰り返すことにより直流電力から交流電力へあるいは交流電力から直流電力への電力変換を行う。
【０００３】
電力変換の電力制御を行うために、直流電源側の電圧値を検出する必要があり、一般に電圧値の計測機能が電力変換装置に内蔵される。なお、電力制御の指令は制御対象となる高電圧系とは絶縁された低電圧系の制御回路が演算する。
【０００４】
従来の直流高電圧検出方法では、直列多段に分圧器を接続して低圧系の制御回路で計測可能な電圧に変換するようにしている。この分圧器には検出対象となる直流高電圧に見合った部品耐圧が必要となり、直列に接続する分圧器の段数を多数にして分圧器一段当たりの部品耐圧を低くするか、段数を少数にして分圧器一段当たりの部品耐圧を高くする構成が適用される。
【０００５】
直流高電圧を検出する方式としては、分圧器として抵抗を使用し、かつ各抵抗に並列にコンデンサを接続して使用電圧の範囲内での過渡的な分圧性能を改善する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００６】
製造現場や人体からの静電気や雷によるサージ（以下、単純にサージと表する）によって電力変換装置の高電圧端子の正極と負極の間や高電圧端子とケース電位（あるいはアース電位）の間に瞬間的に通常使用電圧を超える電圧が印加されることがある。これに対応して、製品の出荷検査において絶縁強度を確認するための耐電圧試験として、通常使用電圧の２〜８倍程度の電圧を印加する場合がある。このため、抵抗器には使用電圧だけでなく瞬時の最高使用電圧（あるいは過負荷電圧）がサージや耐電圧試験に耐えうる性能が要求される。
【０００７】
一般に抵抗器のサージ耐量は抵抗器の段数と抵抗値とサージ電圧値から決定する。例えば多段の抵抗値が全て等しければ、考えうるサージ電圧を段数で除算した値を各抵抗器の最低耐サージ電圧とする。しかし、実際には抵抗器を実装するプリント基板の構造や抵抗器の配置により抵抗器間や各抵抗器とケース電位間には寄生容量が存在し、各抵抗器に印加されるサージ電圧にばらつきが生じる。特に高電圧側に近い抵抗器ほどサージの影響を受けやすく、抵抗器が劣化して装置故障の原因となっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２５６２２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明が解決しようとする課題は、コストの増大及び大型化を抑制するともに、サージの影響による装置故障を防止することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る電圧検出装置は、上記課題を解決するために、直列に接続された複数の抵抗により構成され、かつ直流電源の正極端子側に接続される正極側分圧回路部と、直列に接続された複数の抵抗により構成され、かつ前記直流電源の負極端子側に接続される負極側分圧回路部と、前記正極側分圧回路部及び前記負極側分圧回路部によって分圧された分圧値に基づいて、直流電源の正極と負極との間の電圧値を演算する演算回路部と、前記正極側分圧回路部を構成する複数の抵抗のうちの隣り合う２つの抵抗の接続点と、前記負極側分圧回路部を構成する複数の抵抗のうちの隣り合う２つの抵抗の接続点との間に接続されるコンデンサと、を備える。
【００１１】
これにより、電圧検出装置におけるコストの増大及び大型化を抑制するともに、サージの影響による装置故障を防止することができる。
【００１２】
また、本発明に係る電力変換装置は、上記課題を解決するために、直流電源の正極側に接続され、かつ直列に接続された複数の抵抗により構成される正極側分圧回路部と、前記直流電源の負極側に接続され、かつ直列に接続された複数の抵抗により構成される負極側分圧回路部と、前記正極側分圧回路部及び前記負極側分圧回路部によって分圧された分圧値に基づいて、直流電源の正極と負極との間の電圧値を演算する電圧演算回路と、前記正極側分圧回路部及び前記負極側分圧回路部を実装するための絶縁基板と、前記絶縁基板の一方の面側に配置され、かつ前記正極側分圧回路部と接続される正極側パターン配線と、前記絶縁基板における前記正極側パターン配線が配置された面側に配置され、かつ前記負極側分圧回路部と接続される負極側パターン配線と、前記絶縁基板内に層状に設けられた基板内パターン配線と、を有する電圧検出装置を備えた電力変換装置であって、前記基板内パターン配線は、前記正極側パターン配線及び前記負極側パターン配線の主面と対向するように形成され、かつ前記絶縁基板を介して当該基板内パターン配線と当該正極側パターン配線との間に第１寄生容量を保持できるように形成され、また前記絶縁基板を介して当該基板内パターン配線と当該負極側パターン配線との間に第２寄生容量を保持できるように形成され、さらに前記基板内パターン配線はグランドに電気的に接続される。
【００１３】
これにより、電力変換装置におけるコストの増大及び大型化を抑制するともに、サージの影響による装置故障を防止することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、コストの増大及び大型化を抑制しするともに、サージの影響による装置故障を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施形態をなすハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図。
【図２】本発明の一実施形態をなす上下アームの直列回路及び制御部を含む車両駆動用電機システムの回路構成を示す図。
【図３】直流高電圧検知装置回路ブロック図。
【図４】図３の分圧抵抗に係る実装形態のうち正極と負極との間に寄生容量を有する構成を示した図。
【図５】図３の分圧抵抗に係る実装形態のうち正極ケース電位間，負極ケース電位間に寄生容量を有する構成を示した図。
【図６】図３の分圧抵抗に係る実装形態のうち寄生容量を低減する構成を示した図。
【図７】本発明の一実施形態をなす正極と負極との間の耐サージ性能を有する直流高電圧検知装置回路を示すブロック図。
【図８】本発明の一実施形態をなす正極負極間の耐サージ性能を有する直流高電圧検知装置回路を示すプロック図。
【図９】本発明の一実施形態をなす正極ケース電位間，負極ケース電位間の耐サージ性能を有する直流高電圧検知装置回路を示すブロック図。
【図１０】図９の分圧抵抗に係る実施形態のうち、正極ケース側分圧抵抗のうち正極に最も近い分圧抵抗と、負極ケース側分圧抵抗のうち負極に最も近い分圧抵抗とが、ケース電位との間に寄生容量を有する構成を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を示す。
【実施例１】
【００１７】
本発明の実施形態に係る直流高電圧検出装置について、図面を参照しながら以下詳細に説明する。本発明の実施形態に係る直流高電圧検出装置は、電力変換装置に内蔵され、ハイブリッド用の自動車や純粋な電気自動車にも適用可能である。一例として、電力変換装置をハイブリッド自動車に適用した場合の制御構成と、電力変換装置の回路構成について、図１と図２を用いて説明する。
【００１８】
図１はハイブリッド自動車の制御ブロックを示す図である。本実施形態で示される電力変換装置２００は、自動車に搭載される車載電機システムの車載用電力変換装置、特に、車両駆動用電機システムに用いられる。ここでは、搭載環境や動作的環境などが大変厳しい車両駆動用電機システムに用いられる車両駆動用インバータ装置３００を例に挙げて説明する。
【００１９】
車両駆動用インバータ装置３００は、モータジェネレータ４００の駆動を制御する制御装置として車両駆動用電機システムに備えられ、車載電源を構成する直流電源１０、或いはモータ４０２から供給された直流電力を所定の交流電力に変換し、得られた交流電力をモータジェネレータ４００に供給してモータジェネレータ４００の駆動を制御する。また、モータジェネレータ４００は発電機としての機能も有しているので、車両駆動用インバータ装置３００は運転モードに応じ、モータジェネレータ４００の発生する交流電力を直流電力に変換する機能も有している。変換された直流電力は直流電源１０に供給される。
【００２０】
なお、本実施形態の構成は、自動車やトラックなどの車両駆動用電力変換装置として最適であるが、これら以外の電力変換装置、例えば電車や船舶，航空機などの電力変換装置、さらに工場の設備を駆動する電動機の制御装置として用いられる産業用電力変換装置、或いは家庭の太陽光発電システムや家庭の電化製品を駆動する電動機の制御装置に用いられたりする家庭用電力変換装置に対しても適用可能である。
【００２１】
以下、図２を用いて電力変換装置２００の動作を説明する。図２は上下アームの直列回路及び制御部を含むインバータ装置３００と、インバータ装置３００の直流側に接続されたコンデンサモジュール７０を備えた電力変換装置２００と、直流電源１０と、モータジェネレータ４００とを有する車両駆動用電機システムの回路構成を示す図である。
【００２２】
電力変換装置２００は、図２に示されたようにインバータ装置３００とコンデンサモジュール７０とを有し、また、インバータ装置３００はインバータ回路３１０と制御部３２０とを有している。制御部３２０はインバータ回路３１０を駆動制御するドライバ回路１００と、ドライバ回路１００へ信号線８０を介して制御信号を供給する制御回路５０とを有している。
【００２３】
制御回路５０はスイッチング素子としての上アーム用ＩＧＢＴ３４０及び下アーム用ＩＧＢＴ３４１のスイッチングタイミングを演算処理するためのマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と記述する）を備えている。マイコンには入力情報として、モータジェネレータ４００に対して要求される目標トルク値、上下アーム直列回路３１１からモータジェネレータ４００の電機子巻線に供給される電流値、及びモータジェネレータ４００の回転子の磁極位置が入力されている。目標トルク値は、不図示の上位の制御装置から出力された指令信号に基づくものである。電流値は、電流センサ３３０から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。磁極位置は、モータジェネレータ４００に設けられた回転磁極センサ（不図示）から出力された検出信号に基づいて検出されたものである。本実施形態では３相の電流値を検出する場合を例に挙げて説明するが、２相分の電流値を検出するようにしても構わない。
【００２４】
制御回路５０内のマイコンは、目標トルク値に基づいてモータジェネレータ４００のｄ，ｑ軸の電流指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電流指令値と、検出されたｄ，ｑ軸の電流値との差分に基づいてｄ，ｑ軸の電圧指令値を演算し、この演算されたｄ，ｑ軸の電圧指令値を、検出された磁極位置に基づいてＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に変換する。そして、マイコンは、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の電圧指令値に基づく基本波（正弦波）と搬送波（三角波）との比較に基づいてパルス状の変調波を生成し、この生成された変調波をＰＷＭ（パルス幅変調）信号としてドライバ回路１００に出力する。
【００２５】
ドライバ回路１００は、下アームを駆動する場合、ＰＷＭ信号を増幅し、増幅されたＰＷＭ信号をドライブ信号として、対応する下アーム用ＩＧＢＴ３４１のゲート電極に出力する。上アームを駆動する場合は、ＰＷＭ信号の基準電位のレベルを上アームの基準電位のレベルにシフトしてからＰＷＭ信号を増幅し、増幅されたＰＷＭ信号をドライブ信号として、対応する上アーム用ＩＧＢＴ３４０のゲート電極に出力する。これにより、上アーム用ＩＧＢＴ３４０及び下アーム用ＩＧＢＴ３４１は、入力されたドライブ信号に基づいてスイッチング動作を行う。
【００２６】
また、制御部３２０は、異常検知（過電流，過電圧，過温度など）を行い、上下アーム直列回路３１１を保護している。このため、制御部３２０にはセンシング情報が入力されている。ＩＧＢＴの印加電圧がＩＧＢＴ耐圧を超えると、ＩＧＢＴは直ちに耐圧破壊するおそれがある。この破壊からＩＧＢＴを保護するために直流高電圧検出値をもとに過電圧を検知する必要がある。直流電圧の上昇は、モータ回生運転中の直流電源切断や、モータの急激な回転上昇などによって生じる。過電圧が検知された場合には全ての上アーム用ＩＧＢＴ３４０及び下アーム用ＩＧＢＴ３４１のスイッチング動作を停止させ、上下アーム直列回路３１１（引いては、上下アーム直列回路３１１を含む半導体モジュール）を過電圧から保護する。
【００２７】
スイッチング停止方法としては、上下アームすべてのＩＧＢＴを非導通状態にする３相オープン動作、上アーム３相分あるいは下アーム３相分を導通状態にしもう一方のアーム３相分を非導通状態にする３相ショート動作がある。どちらの方式を採用するかはモータ特性やＩＧＢＴ特性，運転条件に合わせて決定する。
【００２８】
図３は、直流高電圧検出の構成を表す回路ブロック図である。以下では、本実施形態として直流高電圧の正極１２とケース電位１４の間、負極１３とケース電位１４の間の２点を測定する構成にて説明するが、必ずしもこの２点での測定に限定されるものではない。ここで、ケース電位１４は、電力変換装置の筐体を介して、車両のアース電位と同電位となる電位のことを指す。
【００２９】
図３に示す直流高電圧検出装置１は、図２に示された制御回路５０内部に実装される。検出対象となる直流高電圧を入力とし、抵抗２１ａ〜２１ｃ，２２，２４ａ〜２４ｃ，２５によって、直流高電圧を制御回路５０で演算できる電圧レベルに変換する。分圧の基準電位は制御回路の基準電位と同じケース電位１４とする。この変換した電圧をバッファ４０，４１を通して演算回路４２，４３，４４へ入力し、演算回路４２，４３，４４の演算結果をマイコン４５へ信号を出力する。
【００３０】
より具体的には、演算回路４２は直流高電圧の正極側の分圧電圧６０と直流高電圧の負極側の分圧電圧６１の差動をとって直流高電圧の正極負極間の分圧電圧６２を演算する。演算回路４３はケース電位に対して負電圧となっている直流高電圧の負極側の分圧電圧６１をケース電位を基準に反転する。演算回路４４は予め設定した過電圧しきい値に対して正極負極間の分圧電圧６２の過電圧判定を実施し、過電圧検知信号６４を出力する。
【００３１】
マイコン４５に対して、直流高電圧正極側の分圧電圧６０を直接Ａ／Ｄ変換ポートに入力したり、演算回路４２の演算結果つまり正極負極間の分圧電圧６２をＡ／Ｄ変換ポートに入力したり、演算回路４３の演算結果つまり負極電圧反転検知信号６３をＡ／Ｄ変換ポートに入力する。マイコン４５は、入力された各演算結果をもとに、モータ制御用のＰＷＭ信号を生成し、直流高電圧のケースへのリークを検知する。また、マイコン４５に対して演算回路４４の演算結果である過電圧検知信号６４を汎用デジタルポートに入力し、過電圧と判定された場合にはスイッチング動作を停止するようにマイコン４５がＰＷＭ信号を制御する。
【００３２】
図４と図５と図６は抵抗２１ａ〜２１ｃ，２４ａ〜２４ｃのプリント基板での実装形態の例を示している。
【００３３】
図４（ａ）ではプリント基板９１の一面に正極側パターン配線１５と正極側に設けられる抵抗２１ａ〜２１ｃを有する。また、プリント基板９１における正極側パターン配線１５と対向する面側に、正極側パターン配線１５と平行に配置される負極側パターン配線１６と負極側に設けられる抵抗２４ａ〜２４ｃを有する。この構成では、正極側パターン配線１５と負極側パターン配線１６でプリント基板９１の絶縁材を挟み込むことになる。そのため、図４（ｂ）に示されるように、正極側パターン配線１５と負極側パターン配線１６の間に寄生容量３５ａ〜３５ｃが形成される。
【００３４】
これにより、直流高電圧に対して抵抗２１ａと寄生容量３５ａと抵抗２４ａによる電流ループ、抵抗２１ｂと寄生容量３５ｂと抵抗２４ｂによる電流ループ、抵抗２１ｃと寄生容量３５ｃと抵抗２４ｃによる電流ループが形成される。直流高電圧の正極と負極の間にサージが重畳すると、特に抵抗２１ａと寄生容量３５ａと抵抗２４ａの電流ループにサージエネルギーが流入しやすく、抵抗２１ａと抵抗２４ａにサージエネルギーが集中する。このサージエネルギーが抵抗２１ａと抵抗２４ａの許容できる耐サージ性能を超えていると、抵抗２１ａと抵抗２４ａは劣化し、破壊に至る。
【００３５】
図５は、プリント基板への他の実装形態を示す。図５（ａ）ではプリント基板９２の一面に正極側パターン配線１５と正極側に設けられる抵抗２１ａ〜２１ｃを有する。また、プリント基板９１における正極側パターン配線１５が配置された面と同一の面に、正極側パターン配線１５と平行に配置される負極側パターン配線１６及び負極側に設けられる抵抗２４ａ〜２４ｃを有する。
【００３６】
そしてプリント基板９２は、プリント基板９２の正極側パターン配線１５と負極側パターン配線１６を有する面に対向する面、あるいは内層にケース電位ベタ層１７を有する。この構成では、正極側パターン配線１５とケース電位ベタ層１７でプリント基板９２の絶縁材を挟み込むことになり、図５（ｂ）に示されるような、正極側パターン配線１５とケース電位ベタ層１７の間に寄生容量３６ａ〜３６ｃが形成される。
【００３７】
同様に負極側パターン配線１６とケース電位ベタ層１７の間にも、図５（ｂ）に示されるような、寄生容量３７ａ〜３７ｃが形成される。
【００３８】
これにより、直流高電圧の正極とケース電位に対して抵抗２１ａと寄生容量３６ａによる電流ループ、抵抗２１ｂと寄生容量３６ｂによる電流ループ、抵抗２１ｃと寄生容量３６ｃによる電流ループが形成される。直流高電圧の正極とケース電位の間にサージが重畳すると、特に抵抗２１ａと寄生容量３６ａの電流ループにサージエネルギーが流入しやすく、抵抗２１ａにサージエネルギーが集中する。このサージエネルギーが抵抗２１ａの許容できる耐サージ性能を超えていると、抵抗２１ａは劣化し、破壊に至る。
【００３９】
同様に直流高電圧の負極とケース電位に対して、抵抗２４ａと寄生容量３７ａによる電流ループ、抵抗２４ｂと寄生容量３７ｂによる電流ループ、抵抗２４ｃと寄生容量３７ｃによる電流ループが形成される。直流高電圧の負極とケース電位の間にサージが重畳すると、特に抵抗２４ａと寄生容量３７ａの電流ループにサージエネルギーが流入しやすく、抵抗２４ａにサージエネルギーが集中する。このサージエネルギーが抵抗２４ａの許容できる耐サージ性能を超えていると、抵抗２４ａは劣化し、破壊に至る。
【００４０】
図６は、プリント基板への他の実装形態を示す。図６ではプリント基板９０の一面に正極側パターン配線１５と正極側に設けられる抵抗２１ａ〜２１ｃを有する。また、プリント基板９０の正極側パターン配線１５と同一の面に正極側パターン配線１５と平行に配置される負極側パターン配線１６と負極側抵抗２４ａ〜２４ｃを有する。
【００４１】
この構成では、正極側パターン配線１５と負極側パターン配線１６との間において、プリント基板９０の厚さ方向の絶縁材を挟み込まないため、図４（ａ）の実装形態と比較して正極側パターン配線１５と負極側パターン配線１６の間に寄生容量が形成されにくい。
【００４２】
これにより、直流高電圧に対して抵抗２１ａ〜２１ｃと寄生容量と抵抗２４ａ〜２４ｃによる電流ループが形成されにくくなり、直流高電圧の正極と負極の間に重畳されるサージエネルギーが特定の部品に集中しなくなる。
【００４３】
また、プリント基板９０の正極側パターン配線１５と負極側パターン配線１６の領域の他層にケース電位が存在しないため、図５（ａ）のような正極側パターン配線１５とケース電位間の寄生容量、負極側パターン配線１６とケース電位間の寄生容量は存在しない。この結果、直流高電圧の正極とケース電位間、直流高電圧の負極とケース電位間に重畳されるサージエネルギーが特定の部品に集中しなくなる。
【００４４】
本発明を係る実施形態においては、抵抗２１ａ〜２１ｃ，２４ａ〜２４ｃの実装形態として、図４から図６のいずれのプリント基板の実装形態を採用することができるが、以下の説明では図６のプリント基板の実装形態を例に採って説明する。
【００４５】
図７は本実施例の直流高電圧検出の構成を表す回路ブロック図である。
【００４６】
抵抗２１ａ〜２１ｃ，２２，２４ａ〜２４ｃ，２５に係る抵抗値と使用電圧と最高使用電圧は、計測に要する分圧比と、正極１２と負極１３の間の絶縁抵抗と、正極１２あるいは負極１３とケース電位１４の間の絶縁抵抗と、瞬間的でなくある一定の期間に印加されうる最大電圧から決定される。高い測定精度を必要とする場合は抵抗２１ａ〜２１ｃ，２２，２４ａ〜２４ｃ，２５を抵抗値のばらつきが小さく（例えば公称値±０.１％）、温度依存性の少ない（例えば、抵抗温度係数が±２５ppm／℃）特性をもつ高精度抵抗器とする。高精度抵抗器としては例えば高精度薄膜抵抗があるが、一般に薄膜抵抗はサージに弱い特性をもつ。以下、抵抗２１ａ〜２１ｃ及び２４ａ〜２４ｃは、この高精度抵抗器が用いられたものとして説明する。
【００４７】
サージ電圧のエネルギーを抵抗２１ａ〜２１ｃや２４ａ〜２４ｃに印加させないようにするため、新たに、コンデンサ３０，抵抗２０ａ，２０ｂ，抵抗２３ａ，２３ｂを設ける。抵抗２０ａ，２０ｂは直流電源の正極側端子とコンデンサ３０との間に設けられ、抵抗２３ａ，２３ｂは、直流電源の負極側端子とコンデンサ３０との間に設けられる。
【００４８】
これにより、直流高電圧入力に対して抵抗２０ａ，２０ｂ，コンデンサ３０，抵抗２３ａ，２３ｂからなるループができる。このループにサージエネルギーを吸収する効果を持たせることで、抵抗２１ａ〜２１ｃ，２４ａ〜２４ｃにサージエネルギーを印加させないようにする。なお、印加されうるサージの電圧値やパルス幅を元に、サージエネルギーをループで吸収できるように抵抗２０ａ，２０ｂ，２３ａ，２１ｂの抵抗値，コンデンサ３０の静電容量を決定する。
【００４９】
図７では正極側の抵抗２０ａ，２０ｂ，負極側の抵抗２３ａ，２３ｂとして、各々２個としたが、２個に限定されるものではない。図８に示すように、正極側の抵抗２０，負極側の抵抗２３と各々１個としてもループは形成されており、抵抗２０，抵抗２３の抵抗値とコンデンサ３０の静電容量を適切に定めることによって十分なサージ吸収効果を得られる。
【００５０】
なお、図８（あるいは図７）の構成とした上で、正極側の抵抗２０（２０ａ，２０ｂ）と、負極側の抵抗２３（２３ａ，２３ｂ）は、高精度な抵抗２１ａ〜２１ｃ，２２，２４ａ〜２４ｃ，２５よりも高い耐サージ性能を有する抵抗器とする。高い耐サージ性能を有する抵抗器としては例えば厚膜抵抗器がある。本実施例においては、正極側の抵抗２０（２０ａ，２０ｂ）と負極側の抵抗２３（２３ａ，２３ｂ）は、この厚膜抵抗器が用いられたものとして説明する。
【００５１】
これにより、抵抗２０（２０ａ，２０ｂ），コンデンサ３０，抵抗２３（２３ａ，２３ｂ）からなるループでサージを吸収するため、高精度な抵抗２１ａ〜２１ｃ，２２，２４ａ〜２４ｃ，２５には通常使用範囲および耐電圧試験に耐えうる最大過負荷電圧を有するだけの抵抗器を使用でき、耐サージ性と高精度を兼ね備える特殊な抵抗器の不要な安価なシステムを構成できる。
【００５２】
また、抵抗２０，２３の抵抗値を抵抗２１ａ〜２１ｃ，２２，２４ａ〜２４ｃ，２５より十分に小さい値とすることで、抵抗２０，２３は精度を必要とせず、耐サージ性能だけを考慮した抵抗を選択できる。この結果、高精度かつ耐サージ性能を有する特殊で高価な抵抗を必要とせず、耐サージ性能にも優れた、安価なシステムを構成できる。
【実施例２】
【００５３】
実施例１では直流高電圧の正極と負極の間にサージが重畳することを想定し、コンデンサ３０を挿入している。一方、直流高電圧の正極とケース電位の間や、負極とケース電位の間にサージが重畳した場合には実施例１のコンデンサ３０には効果がない。
【００５４】
図９は本実施例の直流高電圧検出の構成を示す回路ブロック図である。
【００５５】
図９では、実施例１（図７あるいは図８）のコンデンサ３０の代わりに、直列接続した二つのコンデンサ３１，３２を挿入し、コンデンサ３１，３２の接続点をケース電位に接続している。この構成では、直流高電圧の正極１２とケース電位１４に対して抵抗２０とコンデンサ３１による電流ループが形成される。この結果、直流高電圧の正極１２とケース電位１４の間に重畳したサージを抵抗２０とコンデンサ３１による電流ループで吸収することができ、抵抗２１ａ〜２１ｃにサージエネルギーを印加させない。同様に、直流高電圧の負極１３とケース電位１４に対して抵抗２３とコンデンサ３２による電流ループが形成される。この結果、直流高電圧の負極１３とケース電位１４の間に重畳したサージを抵抗２３とコンデンサ３２による電流ループで吸収することができ、抵抗２４ａ〜２４ｃにサージエネルギーを印加させない。
【００５６】
サージを吸収する抵抗２０，２３、コンデンサ３１，３２の部品選定は実施例１の抵抗２０ａ，２０ｂ，２３ａ，２３ｂ、コンデンサ３０と同様の手法である。
【実施例３】
【００５７】
本実施例では実施例２の直流高電圧検出の構成を示す回路ブロック図（図９）を基本構成とする。図１０（ａ）は本実施例の構成を示す図であり、抵抗２０，２１ａ，２１ｂ，２３，２４ａ，２４ｂのプリント基板での実装形態を示している。
【００５８】
図１０（ａ）では、プリント基板９３の一面に正極側パターン配線１５と正極側抵抗２１ａ〜２１ｃを有する。また、プリント基板９３の正極側パターン配線１５と同一の面に正極側パターン配線１５と平行に配置される負極側パターン配線１６と負極側抵抗２４ａ〜２４ｃを有する。
【００５９】
そしてプリント基板９３は、プリント基板９３の抵抗２０，２３を有する領域であって、正極側パターン配線１５と負極側パターン配線１６を有する面に対向する面、あるいは内層にケース電位ベタ層１７を有する。一方、プリント基板９３は、プリント基板９３の抵抗２１ａ，２１ｂ，２４ａ，２４ｂを有する領域であって、正極側パターン配線１５と負極側パターン配線１６を有する面に対向する面、あるいは内層にはケース電位ベタ層１７を有さない。
【００６０】
この構成では、抵抗２０とケース電位ベタ層１７でプリント基板９３の絶縁材を挟み込むことになり、抵抗２０とケース電位ベタ層の間に寄生容量３８が形成される。一方、抵抗２１ａ，２１ｂと抵抗２１ａ，２１ｂを接続する正極側配線パターンはケース電位ベタ層１７との間でプリント基板材を挟み込まないため、抵抗２１ａ，２１ｂ、抵抗２１ａ，２１ｂを接続する正極側配線パターンとケース電位ベタ層１７の間に寄生容量が形成されにくい。この構成において、抵抗２０と接続する配線パターン幅と配線パターン長を適切に定めることによって、寄生容量３８の静電容量を調整し、図９に示されたコンデンサ３１の代わりとする。
【００６１】
同様に、抵抗２３とケース電位ベタ層１７でプリント基板の絶縁材を挟み込むことになり、抵抗２３とケース電位ベタ層の間に寄生容量３９が形成される。一方、抵抗２４ａ，２４ｂと抵抗２４ａ，２４ｂを接続する負極側配線パターンはケース電位ベタ層１７との間でプリント基板材を挟み込まないため、抵抗２４ａ，２４ｂ、抵抗２４ａ，２４ｂを接続する正極側配線パターンとケース電位ベタ層１７の間に寄生容量が形成されにくい。この構成において、抵抗２３を接続する配線パターン幅と配線パターン長を適切に定めることによって、寄生容量３９の静電容量を調整し、図９に示されたコンデンサ３２の代わりとする。
【符号の説明】
【００６２】
１ 直流高電圧検出装置
１０ 直流電源
１１ 遮断装置
１２ 正極
１３ 負極
１４ ケース電位
１５ 正極側パターン配線
１６ 負極側パターン配線
１７ ケース電位ベタ層
２０，２１，２２，２３，２４，２５ 抵抗
２６ 正極側分圧回路部
２７ 負極側分圧回路部
３０，３１，３２ コンデンサ
３５，３６，３７，３８，３９ 寄生容量
４０，４１ バッファ
４２，４３，４４ 演算回路
４５ マイコン
５０ 制御回路
６０ 正極側の分圧電圧
６１ 負極側の分圧電圧
６２ 正極負極間の分圧電圧
６３ 負極電圧反転検知信号
６４ 過電圧検知信号
７０ コンデンサモジュール
８０ 信号線
９０，９１，９２，９３ プリント基板
１００ ドライバ回路
２００ 電力変換装置
３００，３０１ インバータ装置
３０２ インバータ（パワーモジュール含む補機用）
３１０ インバータ回路
３１１ 上下アームの直列回路
３２０ 制御部
３３０ 電流センサ
３４０ 上アーム用ＩＧＢＴ
３４１ 下アーム用ＩＧＢＴ
４００，４０１ モータジェネレータ
４０２ モータ（補機用＝エアコン，オイルポンプ，冷却ポンプ）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された複数の抵抗により構成され、かつ直流電源の正極端子側に接続される正極側分圧回路部と、
直列に接続された複数の抵抗により構成され、かつ前記直流電源の負極端子側に接続される負極側分圧回路部と、
前記正極側分圧回路部及び前記負極側分圧回路部によって分圧された分圧値に基づいて、直流電源の正極と負極との間の電圧値を演算する演算回路部と、
前記正極側分圧回路部を構成する複数の抵抗のうちの隣り合う２つの抵抗の接続点と、 前記負極側分圧回路部を構成する複数の抵抗のうちの隣り合う２つの抵抗の接続点との間に接続されるコンデンサと、を備える電圧検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載された電圧検出装置であって、
前記コンデンサは、前記正極側分圧回路部を構成する複数の抵抗のうち直流電源の正極端子に最も近い抵抗と当該抵抗に隣り合う抵抗との接続点と、前記負極側分圧回路部を構成する複数の抵抗のうち直流電源の負極端子に最も近い抵抗と当該抵抗に隣り合う抵抗との接続点と、の間に接続される電圧検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載された電圧検出装置であって、
前記正極側分圧回路部を構成する複数の抵抗のうち直流電源（１０）の正極端子に最も近い抵抗は、当該正極側分圧回路部を構成する他の抵抗よりも高い耐電圧に設定され、
前記負極側分圧回路部を構成する複数の抵抗のうち直流電源（１０）の負極端子に最も近い抵抗は、当該負極側分圧回路部を構成する他の抵抗よりも高い耐電圧に設定される電圧検出装置。
【請求項４】
請求項１ないし３に記載されたいずれかの電圧検出装置であって、
前記正極側分圧回路部の複数の抵抗のうち、前記コンデンサと前記演算回路部との間に接続された抵抗は、抵抗値のばらつきが−０.１％から＋０.１％であり、かつ抵抗温度係数が−２５ppm／℃から＋２５ppm／℃である電圧検出装置。
【請求項５】
請求項１ないし４に記載されたいずれかの電圧検出装置であって、
前記正極側分圧回路部，前記負極側分圧回路部、及び前記コンデンサを実装するための絶縁基板と、
前記絶縁基板の一方の面側に配置され、かつ前記正極側分圧回路部と接続される正極側パターン配線と、
前記絶縁基板における前記正極側パターン配線が配置された面側に配置され、かつ前記負極側分圧回路部と接続される負極側パターン配線と、を備える電圧検出装置。
【請求項６】
請求項１に記載された電圧検出装置であって、
前記コンデンサは、第１コンデンサ及び第２コンデンサによって構成され、
前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの接続点は、アースと接続される電圧検出装置。
【請求項７】
直流電源の正極側に接続され、かつ直列に接続された複数の抵抗により構成される正極側分圧回路部と、
前記直流電源の負極側に接続され、かつ直列に接続された複数の抵抗により構成される負極側分圧回路部と、
前記正極側分圧回路部及び前記負極側分圧回路部によって分圧された分圧値に基づいて、直流電源の正極と負極との間の電圧値を演算する電圧演算回路と、
前記正極側分圧回路部及び前記負極側分圧回路部を実装するための絶縁基板と、
前記絶縁基板の一方の面側に配置され、かつ前記正極側分圧回路部と接続される正極側パターン配線と、
前記絶縁基板における前記正極側パターン配線が配置された面側に配置され、かつ前記負極側分圧回路部と接続される負極側パターン配線と、
前記絶縁基板内に層状に設けられた基板内パターン配線と、を有する電圧検出装置を備えた電力変換装置であって、
前記基板内パターン配線は、前記正極側パターン配線及び前記負極側パターン配線の主面と対向するように形成され、かつ前記絶縁基板を介して当該基板内パターン配線と当該正極側パターン配線との間に第１寄生容量を保持できるように形成され、また前記絶縁基板を介して当該基板内パターン配線と当該負極側パターン配線との間に第２寄生容量を保持できるように形成され、さらに前記基板内パターン配線はグランドに電気的に接続される電力変換装置。
【請求項１】
直列に接続された複数の抵抗により構成され、かつ直流電源の正極端子側に接続される正極側分圧回路部と、
直列に接続された複数の抵抗により構成され、かつ前記直流電源の負極端子側に接続される負極側分圧回路部と、
前記正極側分圧回路部及び前記負極側分圧回路部によって分圧された分圧値に基づいて、直流電源の正極と負極との間の電圧値を演算する演算回路部と、
前記正極側分圧回路部を構成する複数の抵抗のうちの隣り合う２つの抵抗の接続点と、 前記負極側分圧回路部を構成する複数の抵抗のうちの隣り合う２つの抵抗の接続点との間に接続されるコンデンサと、を備える電圧検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載された電圧検出装置であって、
前記コンデンサは、前記正極側分圧回路部を構成する複数の抵抗のうち直流電源の正極端子に最も近い抵抗と当該抵抗に隣り合う抵抗との接続点と、前記負極側分圧回路部を構成する複数の抵抗のうち直流電源の負極端子に最も近い抵抗と当該抵抗に隣り合う抵抗との接続点と、の間に接続される電圧検出装置。
【請求項３】
請求項２に記載された電圧検出装置であって、
前記正極側分圧回路部を構成する複数の抵抗のうち直流電源（１０）の正極端子に最も近い抵抗は、当該正極側分圧回路部を構成する他の抵抗よりも高い耐電圧に設定され、
前記負極側分圧回路部を構成する複数の抵抗のうち直流電源（１０）の負極端子に最も近い抵抗は、当該負極側分圧回路部を構成する他の抵抗よりも高い耐電圧に設定される電圧検出装置。
【請求項４】
請求項１ないし３に記載されたいずれかの電圧検出装置であって、
前記正極側分圧回路部の複数の抵抗のうち、前記コンデンサと前記演算回路部との間に接続された抵抗は、抵抗値のばらつきが−０.１％から＋０.１％であり、かつ抵抗温度係数が−２５ppm／℃から＋２５ppm／℃である電圧検出装置。
【請求項５】
請求項１ないし４に記載されたいずれかの電圧検出装置であって、
前記正極側分圧回路部，前記負極側分圧回路部、及び前記コンデンサを実装するための絶縁基板と、
前記絶縁基板の一方の面側に配置され、かつ前記正極側分圧回路部と接続される正極側パターン配線と、
前記絶縁基板における前記正極側パターン配線が配置された面側に配置され、かつ前記負極側分圧回路部と接続される負極側パターン配線と、を備える電圧検出装置。
【請求項６】
請求項１に記載された電圧検出装置であって、
前記コンデンサは、第１コンデンサ及び第２コンデンサによって構成され、
前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの接続点は、アースと接続される電圧検出装置。
【請求項７】
直流電源の正極側に接続され、かつ直列に接続された複数の抵抗により構成される正極側分圧回路部と、
前記直流電源の負極側に接続され、かつ直列に接続された複数の抵抗により構成される負極側分圧回路部と、
前記正極側分圧回路部及び前記負極側分圧回路部によって分圧された分圧値に基づいて、直流電源の正極と負極との間の電圧値を演算する電圧演算回路と、
前記正極側分圧回路部及び前記負極側分圧回路部を実装するための絶縁基板と、
前記絶縁基板の一方の面側に配置され、かつ前記正極側分圧回路部と接続される正極側パターン配線と、
前記絶縁基板における前記正極側パターン配線が配置された面側に配置され、かつ前記負極側分圧回路部と接続される負極側パターン配線と、
前記絶縁基板内に層状に設けられた基板内パターン配線と、を有する電圧検出装置を備えた電力変換装置であって、
前記基板内パターン配線は、前記正極側パターン配線及び前記負極側パターン配線の主面と対向するように形成され、かつ前記絶縁基板を介して当該基板内パターン配線と当該正極側パターン配線との間に第１寄生容量を保持できるように形成され、また前記絶縁基板を介して当該基板内パターン配線と当該負極側パターン配線との間に第２寄生容量を保持できるように形成され、さらに前記基板内パターン配線はグランドに電気的に接続される電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−６４５５９（Ｐ２０１１−６４５５９Ａ）
【公開日】平成２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２１５１３７（Ｐ２００９−２１５１３７）
【出願日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【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２３年３月３１日（２０１１．３．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【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）】
[ Back to top ]