JP2021136730A - 電力変換装置および電力変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換回路の基本構成を変更することなく、過電流の検出を容易に行うことのできる電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１は、負荷２に接続され電力の授受を行う電力変換回路１１と、電力変換回路１１を通過した電流を検出して、対応する電圧を出力するコイル１２と、コイル１２から出力される電圧を積分することで電流の変化量に相当する電圧信号を生成する積分回路１３と、積分回路１３から出力された電圧信号に基づいて電力変換回路１１への制御信号を生成する保護制御部（制御手段）１４と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は電力変換装置および電力変換システムに係り、特に、電力変換回路の基本構成を変更することなく、過電流の検出を容易に行うことのできる電力変換装置および電力変換システムに関する。

電力を変換して負荷に供給する電力変換装置としては、例えば直流を交流に変換して負荷を駆動するインバータや、交流を直流に変換するコンバータ、あるいは超高圧の電流を入力し所望の電流値にダウンサイズするダイオードなどが知られている。これら電力変換装置では、入力端に蓄電池や外部電源を接続するとともに、出力端を負荷に接続する電力変換回路を制御することによって、負荷の適切な駆動制御を行っている。

このような電力変換装置にあっては、何らかの要因で過電流が発生した際に当該過電流を検出し、直ちに電力変換回路の動作（具体的には、スイッチング素子によるスイッチング動作）を停止するシャットダウン機能が備えられている。例えば、電流検出用シャント抵抗の端子間に生じる電圧をコンパレータ回路により大小判定し、検出された電圧が所定の判定閾値を上回った場合に、ゲートドライバのシャットダウン信号入力端子へ信号入力がなされ、電力変換回路の動作を停止する制御信号が生成されることで、負荷の運転が停止する。

また、これに関連する技術として、電流と電流の変化量とを、抵抗の端子間電圧とコイルの端子間電圧とで把握することで、過負荷状態や短絡状態になったことによって生じる過電流を、より確実に検出することができる過電流検出装置が開示されている（特許文献１参照）。

特開２０１２−０６５４５９号公報

しかしながら、上記のような過電流検出方法はいずれも、電力変換回路に流れる電流の実測値を入出力することで過電流の状態を把握し信号処理する回路構成を採用しているため、制御対象となる負荷に応じて電力変換回路自体の回路構成を再構築しなければならない。そして、制御対象に応じて抵抗定数や許容電力を変更しなければならなくなると、電力変換回路をモジュール化して共通化するといったことが困難となり、これは電力変換装置の汎用化や普及にあたっての障壁となってしまい、好ましいことではない。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、電力変換回路の基本構成を変更することなく、過電流の検出を容易に行うことのできる電力変換装置および電力変換システムを提供することにある。

本発明の一態様は、電力を変換して負荷に供給する電力変換装置において、負荷に接続され電力の授受を行う電力変換回路と、電力変換回路を通過した電流を検出して対応する電圧を出力するコイルと、コイルから出力される電圧を積分することで前記電流の変化量に相当する電圧信号を生成する積分回路と、積分回路から出力された電圧信号に基づいて電力変換回路への制御信号を生成する制御手段と、を有する電力変換装置である。

また、本発明の一態様において、コイルは、電力変換回路を通過した電流を導く配線を取り囲むように基板上に形成されたパターンコイルであってもよい。
また、本発明の一態様において、コイルは、配線の近傍において配線の外周に沿う形状に形成されていてもよい。
また、本発明の一態様において、基板は多層配線基板であり、コイルは多層配線基板の複数の層にわたり連続的に形成されていてもよい。
また、本発明の一態様において、配線は、多層配線基板の複数の層にわたって電気的に並列に複数本配置されていてもよい。
また、本発明の一態様において、制御手段は、積分回路から入力された電圧信号に基づいて電力変換回路の動作の再開または停止を行うための制御信号を生成してもよい。
また、本発明の一態様において、電力変換回路は負荷と授受する電力のＯＮ／ＯＦＦを行うスイッチング部を備え、制御手段はスイッチング部のＯＮ／ＯＦＦに係る制御信号を生成してもよい。
本発明の一態様は、電源と、電源からの電力により動作する負荷と、電源からの電力を変換して負荷に供給する電力変換装置と、を有する電力変換システムにおいて、電力変換装置は、負荷に接続され電力の授受を行う電力変換回路と、電力変換回路を通過した電流を検出して対応する電圧を出力するコイルと、コイルから出力される電圧を積分することで電流の変化量に相当する電圧信号を生成する積分回路と、積分回路から出力された電圧信号に基づいて電力変換回路への制御信号を生成する制御手段と、を有する電力変換システムである。

上述のように構成された電力変換装置および電力変換システムによれば、電力変換回路の基本構成を変更することなく、過電流の検出を容易に行うことができる。

本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を示す図である。 本発明の実施形態に係るコイルによる電流検出の仕組みを説明する模式図 本発明の実施形態に係るコイルおよび積分回路により得られる電圧信号を説明するための模式図。 本発明の実施形態に係るコイルによって検出される電圧信号の波形図である。

以下、本発明の実施形態に係る電力変換装置および電力変換システムについて、図１〜図４を参照しながら説明する。

図１は、第１の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を示す回路図である。
図１に示す電力変換装置１は、電源３から供給される直流電力を三相交流電力に変換して負荷２を駆動させるインバータである。ここで、負荷２は交流モータであり、電力変換装置１から供給される三相交流電力によって駆動する電動モータである。電動モータ２は例えば、電気自動車やハイブリッドカーなどに搭載され、電気機器の駆動力を生成する。この場合、電源３としては車載の蓄電池などが挙げられる。

電力変換装置１はさらに、システム制御部１０と、電力変換回路１１と、コイル１２と、積分回路１３と、保護制御部（制御手段）１４と、を備えている。本実施形態においては、コイル１２と積分回路１３が過電流検出手段を構成している。
なお、電力変換装置１に加えて電源３と負荷２を含めたものが電力変換システムを構成している。

システム制御部１０は、電力変換装置１を含む電力変換システム全体の動作を司るもので、電力変換回路１１に駆動信号を出力してその駆動を制御するゲートドライバとして機能するだけでなく、ここには図示しない監視装置やバックアップ機器などへの制御信号も生成する。システム制御部１０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を搭載したマイクロコンピュータ等によって実現される。システム制御部１０は、例えば中央制御室などに設置される。

電力変換回路１１は、システム制御部１０による制御信号に基づいて駆動することで、蓄電池３から供給される直流電力を三相交流電力に変換する。ここで、電力変換回路１１は、６個のスイッチング素子ＳＷを有してなる。各スイッチング素子ＳＷは、システム制御部１０からの駆動信号（ゲート入力）に基づいて、電流を流すＯＮ状態、電流を遮断するＯＦＦ状態に切り替わる。三相交流をなすＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各々に対応して、それぞれ２つのスイッチング素子ＳＷが、高電位線１５（蓄電池３の高電位側が接続される配線）と低電位線１６（コイル１２を通過して接地される配線）との間に直列に接続される。各スイッチング素子ＳＷが規定されたタイミングでＯＮ／ＯＦＦを繰り返すことで、交流モータ２に三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の交流電力が供給される。

なお、電力変換回路１１に設けられるスイッチング素子ＳＷとしては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が代表的であるが、その他、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field effect transistor）等であってもよい。

ここで、コイル１２は、電力変換回路１１と接地点との間に設置されており、低電位線１６の一部を囲むように挿通する位置関係となるように配置されている。

図２は、本実施形態のコイル１２による電流検出の仕組みを説明する模式図であり、低電位線１６とコイル１２との位置関係を示してある。同図に示されるように、電力変換回路１１が搭載された回路基板１７は多層基板として構成され、複数のレイヤーＬ１〜Ｌ４の集合体からなる。これらレイヤーＬ１〜Ｌ４を貫通するように、複数に分岐した低電位線１６ａ〜１６ｄが並列に配置されている。

本実施形態に係るコイル１２は、その一端１２ａと他端１２ｂがレイヤーＬ３上に形成されており、低電位線１６ａ〜１６ｄに対してレイヤーＬ２とレイヤーＬ３の各層で電流Ｉの検出を行うように構成されている。より具体的には、低電位線１６ａ〜１６ｄのそれぞれを各レイヤーＬ２，Ｌ３ごとに往復するようコイル１２が架設され、かつ低電位線１６ａ〜１６ｄの近傍では低電位線１６ａ〜１６ｄの周囲に沿って取り囲むように環状に屈曲する形状に形成されている。また、コイル１２はレイヤーＬ２，Ｌ３間においては導電性部材からなる導通部１２ｃ，１２ｄで電気的に接続されている。したがってコイル１２は、一端１２ａから他端１２ｂまでがレイヤー間にまたがって敷設された一本のコイル線からなっている。なお、低電位線１６ａ〜１６ｄはレイヤーＬ１およびＬ４の外側においては１本の低電位線１６で構成されており、レイヤーＬ１〜Ｌ４の間で平行分岐することで、各低電位線１６ａ〜１６ｄにはそれぞれ電流ｉが流れる。

本実施形態に係る上述のコイル１２は、あらかじめ回路基板１７の所定のレイヤー上に配線をプリントすることで形成されたいわゆるパターンコイルであり、高周波パターンインダクタである。低電位線１６ａ〜１６ｄの近傍やその他の部分における配線の引き回しや形状などを適宜変更することで、任意のコイル特性を実現できる。
このように製作されたコイル１２を用いることで、低電位線１６（１６ａ〜１６ｅ）に流れる電流を検出し、検出値に応じた電圧信号がコイル１２から出力される。

ここで、コイル１２で検出される電圧信号は低電位線１６（１６ａ〜１６ｅ）に流れる電流の時間変化率に相当するため、実際の電流Ｉに相当する値を得るためには電圧信号の時間積分が必要となる。そのため、コイル１２からの出力信号を積分回路１３に入力して時間積分を行うことで、電流Ｉの変化を反映する線形の時間波形を得ることができる。以下、図３および図４を参照しながら詳説する。

図３は、コイル１２および積分回路１３により得られる電圧信号を説明するための模式図であり、図４は図３において検出される電圧信号の波形図である。まず、低電位線１６に流れる電流Ｉは、電力変換回路１１のスイッチング動作に対応するように、図４（ａ）に示すようなパルス状の信号として表現される。一方、低電位線１６の周囲に配置されたコイル１２はその両端電圧差を検出するものであり、これは電流Ｉの時間変化率ｄｉ／ｄｔの検出に相当することから、例えば図４（ｂ）のような波形として電圧信号Ｖａが検出される。そして、検出された電圧信号Ｖａを積分回路１３に入力して時間積分することで、電流Ｉの時間波形（図４（ａ））を反映する電圧信号Ｖｂ（図４（ｃ））を得ることができる。したがって、コイル１２と積分回路１３を組み合わせることで、低電位線１６に流れる電流Ｉの変化量に相当する電圧信号Ｖｂとして検出し再現することができる。

検出された電圧信号Ｖｂは、図１に描かれた電力変換装置１内の保護制御部１４に入力される。保護制御部１４はその内部に基準テーブルを備え、入力された電圧信号Ｖｂに基づいてコイル１２を通過した電流Ｉが過電流である場合、その原因を基準テーブルと比較することで判断する。過電流の原因を判断する基準としては、電力変換回路１１の設計仕様や、負荷３の設計仕様などを参照して、電流値の時間変化などに基づく判定基準を設けておくことができる。

ここで、電流Ｉが過電流である場合の原因としては、電力変換回路１１における高電位線１５と低電位線１６とがスイッチング素子を通じて短絡している場合（スイッチング短絡）と、高電位線１５と低電位線１６とが負荷２を通じて短絡している場合（負荷短絡）とが考えられる。スイッチング短絡の場合にはスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ切り替えの故障が考えられるため、電力変換回路１１への通電を停止する必要がある。一方、負荷短絡の場合には、負荷２の機械的不具合や負荷２へ供給された駆動信号に対するノイズの重畳などが考えられることから、電力変換回路１１の制御をリセットし再通電することで回復する可能性がある。これらの短絡原因の違いは、電圧信号Ｖｂの時間変化すなわち電圧信号Ｖｂが正常値から過電流に相当する値に至るまでの経過時間により判断することができる。保護制御部１４では、電圧信号Ｖｂの時間変化を基準テーブルと逐次比較することによってスイッチング短絡や負荷短絡をリアルタイムで検出し、電力変換回路１１への通電を再開するかどうかを判断する。そして、適切な制御信号を電力変換回路１１にフィードバックすることでスイッチング素子の動作を制御する。

例えば、スイッチング短絡が検出された場合にはスイッチング素子のＯＦＦ状態を維持して運転停止状態とし、負荷短絡が検出された場合にはスイッチング素子を一旦ＯＦＦにした後に再度ＯＮ／ＯＦＦ動作を開始することで運転を再開する。

積分回路１３から出力された電流信号Ｖｂは、保護制御部１４と並行してシステム制御部１０にも入力される。システム制御部１０は電流Ｉが過電流であることを判断した場合、中央制御室でアラーム信号を発生したり、本発明に係る電力変換装置１を含む電力変換システムに属する機器に対する制御信号を生成する。具体的には、システム内の任意の機器（制御対象）に対して、過電流の検出に基づく減速動作や停止動作を行うための制御信号を生成したり、電力変換装置１の緊急停止に伴うバックアップ機器などへの起動信号を生成し、当該制御対象に出力する。これらの制御信号は、中央制御室のオペレータなどによる判定結果に基づき生成されるものであってもよい。

以上のように構成された本発明の実施形態に係る電力変換装置１および電力変換システムによれば、電力変換回路１１の電流Ｉそのものを過電流検出の信号処理に供するのではなく、電流Ｉを検出するコイル１２からの電圧信号を過電流検出の信号処理に用いている。そのため、過電流検出のための回路が電力変換回路１１とは絶縁された状態で構成されていることから、回路設計上の自由度が大幅に向上する。すなわち、電力変換回路の基本構成を変更することなく、過電流の検出を容易に行うことができる。

そしてこれに伴い、ハードウエアとしての電力変換回路１１を負荷の種類によらず汎用的に利用することができるようになることから、電力変換装置としての安定性を高めることが可能となる。例えば、電力変換回路１１をモジュール化して共通化しようとする場合において、負荷２に応じてコイル１２の構成を変更することなく、他の外付け抵抗を用いて過電流のしきい値を容易に調整することができるようになる。

また、本発明の実施形態に係る電力変換装置１および電力変換システムにおいては、コイル１２を基板上にプリントしたいわゆるパターンコイルにより製作しているため、コイル１２を巻線コイルにより製作する場合と比較して製造工程や製造コストを削減できる。特に、基板上にコイルを作成するスペースを適切に確保しておけば、電力変換回路１１の回路構成を何ら変更することなく、所望の特性のコイル１２を基板上に再現するだけで過電流検出が可能となる。

もちろん、基板上にプリントしたパターンコイルを用いることに限らず、他の周知のコイルを用いることも可能であり、その場合であっても負荷に応じてコイルの構成を変更することなく、他の外付け抵抗を用いて過電流のしきい値を容易に調整することができる。

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更して実施できるものである。

上述の実施形態では、電力変換装置１の電力変換回路１１が交流を直流に変換して負荷に供給する場合を例示したが、それ以外のものであっても本発明の効果が期待できる。具体的には、新幹線などの高速鉄道車両などに適用する際にはコンバータとして搭載することが可能であり、車両内の電気機器の駆動力等を生成するために供される。この場合、電源３は架線を介して接続される交流電源であり、この電力をコンバータおよびインバータを順次介して負荷２である交流モータを駆動する。もちろん、コンバータ方のみを備える適用対象に対しても本発明の効果が期待できる。さらに、大電力を降圧するための電力変換装置１に適用することも可能である。したがって、本発明の電力変換装置１は直流から交流への電力変換に限定されて適用されるものではない。

また、本発明の電力変換装置１の電力変換回路１１に用いられるスイッチング素子としては、酸化ケイ素（ＳｉＣ）や窒化ガリウム（ＧａＮ）などのオン抵抗の低い材料を用いることで、スイッチング特性の向上を図ることができる。また、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、特にコランダム型酸化ガリウム（α−Ｇａ_２Ｏ_３）をスイッチング素子の材料として用いることが好ましく、極めて良好なスイッチング特性が期待できるとともに、電力変換装置１の小型化やコスト低減が実現する。

１ 電力変換装置
２ 負荷
３ 電源
１０ システム制御部
１１ 電力変換回路
１２ コイル
１３ 積分回路
１４ 保護制御部（制御手段）
１５ 高電位線
１６ 低電位線
１７ 回路基板

Claims (14)

1. 電力を変換して負荷に供給する電力変換装置において、
   負荷に接続され電力の授受を行う電力変換回路と、
   前記電力変換回路を通過した電流を検出して対応する電圧を出力するコイルと、
   前記コイルから出力される電圧を積分することで前記電流の変化量に相当する電圧信号を生成する積分回路と、
   前記積分回路から出力された電圧信号に基づいて前記電力変換回路への制御信号を生成する制御手段と、
   を有することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記コイルは、前記電力変換回路を通過した電流を導く配線を取り囲むように基板上に形成されたパターンコイルからなる、請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記コイルは、前記配線の近傍において前記配線の外周に沿う形状に形成されている、請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記基板は多層配線基板であり、前記コイルは前記多層配線基板の複数の層にわたり連続的に形成されている、請求項２記載の電力変換装置。
5. 前記配線は、前記多層配線基板の複数の層にわたって電気的に並列に複数本配置されている、請求項４記載の電力変換装置。
6. 前記制御手段は、前記積分回路から入力された電圧信号に基づいて前記電力変換回路の動作の再開または停止を行うための制御信号を生成する、請求項１記載の電力変換装置。
7. 前記電力変換回路は負荷と授受する電力のＯＮ／ＯＦＦを行うスイッチング部を備え、前記制御手段は前記スイッチング部のＯＮ／ＯＦＦに係る制御信号を生成する、請求項６記載の電力変換装置。
8. 電源と、
   前記電源からの電力により動作する負荷と、
   前記電源からの電力を変換して負荷に供給する電力変換装置と、を有する電力変換システムにおいて、前記電力変換装置は、
   負荷に接続され電力の授受を行う電力変換回路と、
   前記電力変換回路を通過した電流を検出して対応する電圧を出力するコイルと、
   前記コイルから出力される電圧を積分することで前記電流の変化量に相当する電圧信号を生成する積分回路と、
   前記積分回路から出力された電圧信号に基づいて前記電力変換回路への制御信号を生成する制御手段と、
   を有することを特徴とする電力変換システム。
9. 前記コイルは、前記電力変換回路を通過した電流を導く配線を取り囲むように基板上に形成されたパターンコイルからなる、請求項８記載の電力変換システム。
10. 前記コイルは、前記配線の近傍において前記配線の外周に沿う形状に形成されている、請求項９記載の電力変換システム。
11. 前記基板は多層配線基板であり、前記コイルは前記多層配線基板の複数の層にわたり連続的に形成されている、請求項９記載の電力変換システム。
12. 前記配線は、前記多層配線基板の複数の層にわたって電気的に並列に複数本配置されている、請求項１１記載の電力変換システム。
13. 前記制御手段は、前記積分回路から入力された電圧信号に基づいて前記電力変換回路の動作の再開または停止を行うための制御信号を生成する、請求項８記載の電力変換システム。
14. 前記電力変換回路は負荷と授受する電力のＯＮ／ＯＦＦを行うスイッチング部を備え、前記制御手段は前記スイッチング部のＯＮ／ＯＦＦに係る制御信号を生成する、請求項１３記載の電力変換システム。
    
    

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