JP6260242B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電流を直流又は交流に変換可能な電力変換装置に関する。

特許文献１には、バッテリと電動モータとの間に電気的に接続され、バッテリから電動モータに供給される直流電流を交流電流に変換するとともに、電動モータからバッテリに回生される交流電流を直流電流に変換する電力変換装置が開示されている。

特開２０１２−５２２９号公報

電力変換装置は、複数のスイッチング素子と、これらスイッチング素子をオン・オフ制御する制御部とから構成されている。電気自動車等に搭載される電力変換装置では、電動モータの駆動時等にバッテリの過電圧が検出された場合、バッテリ正極側の全てのスイッチング素子又はバッテリ負極側の全てのスイッチング素子をオンとし、それ以外のスイッチング素子をオフとする。

しかしながら、バッテリの過電圧が検出された場合、正極側又は負極側の全てのスイッチング素子をオンとするため、オン状態（導通状態）となったスイッチング素子のみに電動モータからの還流電流が流れこむ。還流電流はオン状態となっているスイッチング素子に集中して流れるため、導通状態の正極側又は負極側のスイッチング素子のみの温度が高くなる可能性がある。

そこで、本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、過電圧が検出された場合においてスイッチング素子の温度上昇を抑制することが可能な電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明の電力変換装置は、電源と電動機の間に接続される電力変換装置である。電力変換装置は、電源の正極及び負極にそれぞれ接続される正極側電源線及び負極側電源線と、電動機の各相に設けられるとともに、正極側電源線と負極側電源線の間において直列に接続される正極側スイッチング素子及び負極側スイッチング素子と、電源の両端間の電圧に基づいて電源が過電圧状態であるか否かを判定する電圧状態判定部と、正極側スイッチング素子及び負極側スイッチング素子をオン及びオフする制御部と、正極側電源線と負極側電源線の間に接続されるコンデンサと、正極側電源線と負極側電源線の間において、コンデンサに対して並列に接続される抵抗と、を備える。制御部は、電源が過電圧状態であると判定された場合に、正極側スイッチング素子の全てをオンとし、負極側スイッチング素子の全てをオフとする第１制御と、負極側スイッチング素子の全てをオンとし、正極側スイッチング素子の全てをオフとする第２制御と、を交互に実行する。制御部はさらに、所定のスイッチング周波数に基づいて第１制御と第２制御とを交互に実行するように構成されており、スイッチング周波数は、第１制御及び第２制御を実行する時に、コンデンサに充電される電気エネルギが抵抗で消費される電気エネルギよりも小さくなる周波数に設定される。

本発明による電力変換装置では、第１制御及び第２制御が交互に実行されることで、電動機からの還流電流が正極側スイッチング素子と負極側スイッチング素子とを交互に通過するので、過電圧状態において正極側又は負極側のスイッチング素子のみの温度が高くなることを抑制できる。

図１は、第１実施形態による電力変換装置を備えるモータ制御システムの概略構成図である。 図２は、電力変換装置のコントローラの概略構成図である。 図３は、コントローラが実行するスイッチング制御を示すフローチャートである。 図４は、保護スイッチング制御を例示するタイミングチャートである。 図５は、保護スイッチング制御時の電流の流れを示す図である。 図６は、スイッチング周波数とスイッチング素子温度との関係、及びスイッチング周波数とデッドタイム中における充放電エネルギとの関係を示す図である。 図７は、電動モータの回転数と電動モータ内を流れる電流との関係、及び電動モータの回転数と終了スイッチング制御時の充放電エネルギとの関係を示す図である。 図８は、第２実施形態による電力変換装置のコントローラの概略構成図である。 図９は、第２実施形態による電力変換装置のコントローラが実行するスイッチング制御を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態による電力変換装置１０を備えるモータ制御システム１００の概略構成図である。

図１に示すモータ制御システム１００は、電気自動車やハイブリッド自動車等の電動車両に搭載されるシステムである。モータ制御システム１００は、電源としてのバッテリ２０と、車輪を駆動する駆動源としての電動モータ３０と、バッテリ２０及び電動モータ３０に電気的に接続される電力変換装置１０と、を備える。モータ制御システム１００は、バッテリ２０から放電された電力を用いて電動モータ３０の駆動制御を実行したり、電動モータ３０によって発電された電力を用いてバッテリ２０の回生制御を実行したりする。

バッテリ２０は、充放電可能な２次電池であって、例えばリチウムイオン電池により構成されている。

電動モータ３０は、Ｕ相端子、Ｖ相端子及びＷ相端子を備える三相交流モータ（電動機）である。電動モータ３０は、通常時には駆動源として機能するが、回生時には発電機として機能する。

電力変換装置１０は、バッテリ２０と電動モータ３０との間に電気的に接続される。電力変換装置１０は、通常時にはバッテリ２０の直流電力を交流電力に変換して交流電力を電動モータ３０に供給し、回生時には電動モータ３０からの交流電力を直流電力に変換して直流電力をバッテリ２０に供給する。電力変換装置１０は、正側電源線１１と、負側電源線１２と、Ｕ相配線１３Ｕと、Ｖ相配線１３Ｖと、Ｗ相配線１３Ｗと、を備える。

正側電源線１１は、リレースイッチ４０を介してバッテリ２０の正極に接続される。負側電源線１２は、バッテリ２０の負極に接続される。

正側電源線１１と負側電源線１２との間には、バッテリ２０と電力変換装置１０との間で授受される直流電力を平滑化する電力バッファとしてのコンデンサ１４が接続されている。また、正側電源線１１と負側電源線１２との間には、放電用の抵抗１５も接続されている。これらコンデンサ１４及び抵抗１５は、バッテリ２０に対して並列に接続されている。このように、抵抗１５はコンデンサ１４に対して並列に配置されている。

電力変換装置１０は、６つのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６をさらに備えている。各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）と、ＩＧＢＴとは逆方向への電流の流れを許容する整流ダイオードとから構成される。

正側電源線１１と負側電源線１２との間には、バッテリ２０の正極側に位置するＵ相用のスイッチング素子Ｓ１と、バッテリ２０の負極側に位置するＵ相用のスイッチング素子Ｓ２とが直列に接続される。また、正側電源線１１と負側電源線１２との間には、正極側に位置するＶ相用のスイッチング素子Ｓ３と負極側に位置するＶ相用のスイッチング素子Ｓ４とが直列に接続され、正極側に位置するＷ相用のスイッチング素子Ｓ５と負極側に位置するＷ相用のスイッチング素子Ｓ６とが直列に接続される。

Ｕ相配線１３Ｕは、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の接続点と、電動モータ３０のＵ相端子とを接続する。また、Ｖ相配線１３Ｖはスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の接続点と、電動モータ３０のＶ相端子とを接続し、Ｗ相配線１３Ｗはスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６の接続点と、電動モータ３０のＷ相端子とを接続する。

上記した６つのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のＩＧＢＴは、コントローラ５０からの制御信号に基づいてオン制御又はオフ制御される。

コントローラ５０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ５０には、Ｕ相電流を検出する電流センサ５１やＶ相電流を検出する電流センサ５２、Ｗ相電流を検出する電流センサ５３の検出信号が入力する。また、コントローラ５０には、これら信号の他、バッテリ３０及びコンデンサ１４の両端間の電圧を検出する電圧センサ５４、及び電動モータ３０の回転子の回転数を検出する回転数センサ５５の検出信号が入力する。

コントローラ５０は、上述の検出信号や車両コントローラ（図示省略）からのトルク指令値等に基づいてパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を生成し、これらＰＷＭ信号によりスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６をスイッチング制御する。

図２に示すように、コントローラ５０（制御部）は、通常スイッチング制御を実行するための通常制御部６１と、保護スイッチング制御を実行するための保護制御部６２と、終了スイッチング制御を実行するための終了制御部６３と、各制御部６１，６２，６３からの制御信号に応じたＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ出力部６４と、を備える。

通常制御部６１は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を通常スイッチング制御するための制御信号を生成する。通常スイッチング制御は、車両運転状態に応じてモータ駆動制御や回生制御を実行するために、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のＩＧＢＴをオン又はオフする制御である。

保護制御部６２は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を保護スイッチング制御するための制御信号を生成する。保護制御部６２は、電圧センサ５４の検出信号に基づいてバッテリ電圧値を測定する電圧測定部６２Ａと、検出されたバッテリ電圧値に基づいてバッテリ２０が過電圧状態であるか否かを判定する過電圧判定部６２Ｂと、を備える。

保護制御部６２は、バッテリ２０が過電圧状態である場合に保護スイッチング制御を実行するための制御信号を生成する。保護スイッチング制御は、バッテリ２０や電力変換装置１０を保護するために、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のＩＧＢＴをオン又はオフする制御である。

終了制御部６３は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を終了スイッチング制御するための制御信号を生成する。終了制御部６３は、各電流センサ５１，５２，５３の検出信号に基づいて電動モータ３０の各相端子に流れる電流値を測定する電流測定部６３Ａと、検出された電流値に基づいて保護スイッチング制御を終了する終了条件が成立したか否かを判定する終了条件判定部６３Ｂと、を備える。

終了制御部６３は、終了条件が成立した場合に終了スイッチング制御を実行するための制御信号を生成する。終了スイッチング制御は、電力変換装置１０におけるスイッチング制御を終了させるために、全てのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のＩＧＢＴをオフにする制御である。

ＰＷＭ出力部６４は、各制御部６１，６２，６３からの制御信号に応じたＰＷＭ信号を出力し、これらＰＷＭ信号を対応するスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のＩＧＢＴに提供する。これにより、車両の運転状態に応じて、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６がスイッチング制御される。

次に、図３を参照して、モータ制御システム１００における電力変換装置１０のスイッチング制御について説明する。図３は、電力変換装置１０のコントローラ５０が実行するスイッチング制御を示すフローチャートである。スイッチング制御は、所定の制御周期で繰り返し実行される。

ステップ１０１（Ｓ１０１）では、コントローラ５０は、電圧センサ５４の検出信号に基づいて現在のバッテリ電圧値Ｖｂを取得する。

Ｓ１０２では、コントローラ５０は、取得したバッテリ電圧値Ｖｂが基準電圧値Ｖｒよりも大きいか否かを判定する。コントローラ５０は、バッテリ電圧値Ｖｂが基準電圧値Ｖｒ以下の場合にはバッテリ２０の電圧状態は正常であると判定し、バッテリ電圧値Ｖｂが基準電圧値Ｖｒより大きい場合にはバッテリ２０が過電圧状態であると判定する。

Ｓ１０２の処理でバッテリ２０の電圧状態が正常であると判定された場合、コントローラ５０はＳ１０３の処理を実行する。Ｓ１０３では、コントローラ５０は、通常スイッチング制御を実行し、その後スイッチング制御処理を終了する。通常スイッチング制御では、コントローラ５０は、車両運転状態に応じたモータ駆動制御や回生制御が実行されるように、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のＩＧＢＴをオン・オフ制御する。

一方、Ｓ１０２の処理でバッテリ２０が過電圧状態であると判定された場合、コントローラ５０はＳ１０４〜Ｓ１０７の処理を実行する。

Ｓ１０４では、コントローラ５０は、電流センサ５１，５２，５３の検出信号に基づいて現在の電動モータ３０の各相電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを取得する。

Ｓ１０５では、コントローラ５０は、取得した電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの全てが基準電流値Ｉｒよりも小さいか否かを判定する。

コントローラ５０は、電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのいずれかが基準電流値Ｉｒ以上である場合には、過電圧状態のバッテリ２０やコンデンサ１４に電動モータ３０からの電流が流れ込むことにより、バッテリ２０や電力変換装置１０が故障する可能性があると判定する。この場合、コントローラ５０はＳ１０６の処理を実行する。これに対して、コントローラ５０は、電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの全てが基準電流値Ｉｒより小さい場合には、電動モータ３０からの還流電流が電力変換装置１０等に悪影響を及ぼさないと判定する。この場合、コントローラ５０はＳ１０７の処理を実行する。

Ｓ１０６では、コントローラ５０は、保護スイッチング制御を実行する。図４に示す通り、保護スイッチング制御では、コントローラ５０はバッテリ２０や電力変換装置１０が保護されるようにスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６をオン・オフ制御する。

図４は、保護スイッチング制御時のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のスイッチング状態を示すタイミングチャートである。

図４に示すように、保護スイッチング制御では、正極側の全てのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５をオンとし、負極側の全てのスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６をオフとする第１制御と、負極側の全てのスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６をオンとし、正極側の全てのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５をオフとする第２制御とが交互に実行される。第１制御及び第２制御は、所定のスイッチング周波数ｆに基づいて交互に実行される。本実施形態では、スイッチング周波数ｆは第１制御実行周期及び第２制御実行周期が同一周期Ｔとなるように設定されている。

なお、第１制御には、正極側スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５をオンとし、負極側スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６をオフとした後に、全スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６をオフとするデッドタイム（ＤＴ）が含まれる。また、第２制御には、負極側スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６をオンとし、正極側スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５をオフとした後に、全スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６をオフとするデッドタイム（ＤＴ）が含まれる。

図３に戻り、保護スイッチング制御を終了させる終了スイッチング制御について説明する。図３のＳ１０５において電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが基準電流値Ｉｒより小さいと判定された場合には、コントローラ５０はＳ１０７において終了スイッチング制御を実行する。終了スイッチング制御（第３制御）では、コントローラ５０は全てのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６をオフに制御する。このように制御することで、電力変換装置１０の動作が安全に停止され、一連の保護制御が終了する。

図５を参照して、電力変換装置１０での保護スイッチング制御による作用効果について説明する。

図５（Ａ）は保護スイッチング制御の第１制御中におけるモータ制御システム１００での電流の流れを示し、図５（Ｃ）は保護スイッチング制御の第２制御中におけるモータ制御システム１００での電流の流れを示す。図５（Ｂ）は、第１制御及び第２制御の後半のデッドタイムにおけるモータ制御システム１００での電流の流れを示す。

電動モータ３０による回生制御の実行中等にバッテリ２０が過電圧状態であると判定されると、バッテリ２０及び電力変換装置１０を保護するための保護スイッチング制御が実行される。つまり、第１制御及び第２制御が交互に実行される。

図５（Ａ）に示すように、第１制御では、正極側の全てのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５がオンとなり、負極側の全てのスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６がオフとなる。この時、回転中の電動モータ３０のＶ相端子及びＷ相端子から出力される還流電流は、例えばスイッチング素子Ｓ３，Ｓ５の整流ダイオードを通じて正側電源線１１に流れ、オン状態のスイッチング素子Ｓ１のＩＧＢＴを通じて電動モータ３０のＵ相端子に流れ込む。このように、第１制御によれば、電動モータ３０からの還流電流がバッテリ２０側に流れ込むことがない。

また、第１制御の実行後には、図５（Ｃ）に示すように第２制御が実行される。第２制御では、負極側の全てのスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６がオンとなり、正極側の全てのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５がオフとなる。この時、回転中の電動モータ３０のＶ相端子及びＷ相端子から出力される還流電流は、例えばオン状態のスイッチング素子Ｓ４，Ｓ６のＩＧＢＴを通じて負側電源線１２に流れ、スイッチング素子Ｓ２の整流ダイオードを通じて電動モータ３０のＵ相端子に流れ込む。このように、第２制御によれば、電動モータ３０からの還流電流がバッテリ２０側に流れ込むことがない。

上述の通り、第１制御及び第２制御では、電動モータ３０からの還流電流がバッテリ２０側に流れ込むことが回避されるので、バッテリ２０及びコンデンサ１４の過電圧促進や過電圧に起因するスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の故障が防止される。

特に本実施形態では、第１制御及び第２制御が交互に実行されるので、保護スイッチング制御時の還流電流は、第１制御時にオン状態となるスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５と、第２制御時にオン状態となるスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６とを交互に通過することとなる。このように還流電流が正極側スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５と負極側スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６とを交互に通過するので、保護スイッチング制御時においてスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の発熱が抑制される。

なお、第１制御及び第２制御の後半にはデッドタイムが設けられており、図５（Ｂ）に示すように第１制御と第２制御との切替時には全てのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６が一時的にオフに制御される。このようにデッドタイムを設けることにより、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のオンオフの切り替えに応答遅れが生じる場合であっても、第１制御と第２制御との切替時に全てのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６が短絡状態となってしまうことを防止できる。

次に、図６を参照して、保護スイッチング制御時におけるスイッチング周波数ｆについて説明する。保護スイッチング制御の第１制御及び第２制御は、スイッチング周波数ｆに基づいて交互に実行される。

図６（Ａ）は、スイッチング周波数とスイッチング素子温度との関係を示す特性図である。

第１制御と第２制御の切り替え周波数であるスイッチング周波数と、スイッチング素子の温度との間には、図６（Ａ）の線Ｌ１に示すような関係がある。スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６には耐熱温度Ｔｍが設定されており、保護スイッチング制御時におけるスイッチング周波数はスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の温度が耐熱温度Ｔｍを越えない周波数に設定される。

図６（Ａ）に示すように、スイッチング周波数がｆ１よりも低い低周波数である場合には、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６での導通損失に起因して、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の温度は耐熱温度Ｔｍよりも高くなってしまう。一方、スイッチング周波数がｆ３よりも高い高周波数である場合には、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６でのスイッチング損失に起因して、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の温度が耐熱温度Ｔｍよりも高くなってしまう。

したがって、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の耐熱温度Ｔｍの観点から、保護スイッチング制御時におけるスイッチング周波数ｆはｆ１からｆ３の範囲内の周波数、つまりスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の温度が耐熱温度Ｔｍよりも低くなる周波数に設定される。

ところで、第１制御及び第２制御におけるデッドタイム中には、図５（Ｂ）に示すように、電動モータ３０からの還流電流がコンデンサ１４へ流れ込んでコンデンサ１４が充電されるとともに、コンデンサ１４の電気エネルギが放電用の抵抗１５で消費される。

図６（Ｂ）は、スイッチング周波数とデッドタイム中における充放電エネルギとの関係を示す特性図である。

図６（Ｂ）において、線Ｌ２はスイッチング周波数とデッドタイム中にコンデンサ１４に蓄えられる電気エネルギとの関係を示す線であり、線Ｌ３はスイッチング周波数とデッドタイム中に抵抗１５で消費される電気エネルギとの関係を示す線である。線Ｌ４は、コンデンサ１４に蓄えられる電気エネルギと抵抗１５で消費される電気エネルギとを積算した充放電エネルギを示す線である。

線Ｌ２に示すように、第１制御及び第２制御のデッドタイム中にコンデンサ１４に充電される電気エネルギは、スイッチング周波数が高くなるほど増加する。一方、線Ｌ３に示すように、抵抗１５ではスイッチング周波数によらず一定量の電気エネルギが消費される。したがって、線Ｌ４に示すように、スイッチング周波数がｆ２より小さい場合には、デッドタイム中にコンデンサ１４に蓄えられる全ての電気エネルギが抵抗１５で消費されることとなる。

保護スイッチング制御はバッテリ２０が過電圧の場合に実行される制御であるため、デッドタイム中にコンデンサ１４が充電されることは避けなければならない。したがって、デッドタイム中の充放電エネルギの観点から、保護スイッチング制御時におけるスイッチング周波数ｆはｆ２より低い周波数、つまりコンデンサ１４に蓄積される電気エネルギが抵抗１５で消費される電気エネルギよりも小さくなる周波数に設定される。

なお、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の耐熱温度及びデッドタイム中の充放電エネルギの両者を考慮すると、保護スイッチング制御時におけるスイッチング周波数ｆはｆ１からｆ２の範囲内の周波数に設定されることが好ましい。

上述した保護スイッチング制御は、終了条件が成立した時、つまり図３のＳ１０５において電動モータ３０の各相電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが基準電流値Ｉｒよりも低くなった時に終了する。終了条件成立後は終了スイッチング制御が実行され、全てのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のＩＧＢＴがオフに制御される。これにより、モータ制御システム１００の動作が安全に停止する。

図７を参照して、終了条件の成立を判定するための基準電流値Ｉｒについて説明する。

図７（Ａ）は電動モータ３０の回転数と電動モータ３０内を流れる電流との関係を示し、図７（Ｂ）は電動モータ３０の回転数と終了スイッチング制御時の充放電エネルギとの関係を示す図である。

図７（Ｂ）において、線Ｌ６は、終了スイッチング制御時に、電動モータ３０のコイルに蓄積されたエネルギに基づいてコンデンサ１４に蓄えられる電気エネルギを示す線である。線Ｌ７は、終了スイッチング制御時に、モータ回転数に応じて出力される還流電流によりコンデンサ１４に蓄えられる電気エネルギを示す線である。線Ｌ８は、終了スイッチング制御時に、抵抗１５で消費される電気エネルギを示す線である。線Ｌ９は、コンデンサ１４に蓄えられる電気エネルギと抵抗１５で消費される電気エネルギとを積算した充放電エネルギを示す線である。

終了スイッチング制御のように全スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を完全にオフにする場合、図７（Ｂ）の線Ｌ６，Ｌ７に示すように、コンデンサ１４には回転中の電動モータ３０からの電気エネルギが蓄えられる。一方、線Ｌ８に示すように、抵抗１５ではモータ回転数によらず一定量の電気エネルギが消費される。したがって、線Ｌ９に示すように、モータ回転数がＲｒ以上の場合にはコンデンサ１４に電気エネルギが蓄積されるが、モータ回転数がＲｒより小さい場合にはコンデンサ１４に電気エネルギが蓄積されることがない。

保護スイッチング制御はバッテリ２０が過電圧の場合に実行される制御であるため、保護スイッチング制御後に実行される終了スイッチング制御時にもコンデンサ１４が充電されることは避けなければならない。したがって、終了スイッチング制御中の充放電エネルギの観点から、終了スイッチング制御の実行時には、電動モータ３０の回転数は、基準回転数Ｒｒよりも小さい回転数、つまりコンデンサ１４に蓄積される電気エネルギが抵抗１５で消費される電気エネルギよりも小さくなる回転数となっている必要がある。図７（Ａ）を参照して言い換えると、終了スイッチング制御の実行時には、電動モータ３０の各相電流が基準電流値Ｉｒよりも小さくなっている必要がある。

したがって、本実施形態では図３のＳ１０５に示したように、電動モータ３０の各相電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが基準電流値Ｉｒよりも小さい場合に、終了スイッチング制御が実行される。このように制御することで、終了スイッチング制御時においてバッテリ２０及びコンデンサ１４の過電圧促進や過電圧に起因するスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の故障が防止される。

上記した第１実施形態のモータ制御システム１００の電力変換装置１０によれば、以下の効果を得ることができる。

電力変換装置１０では、バッテリ２０が過電圧状態であると判定された場合、保護スイッチング制御における第１制御と第２制御とが交互に実行される。第１制御及び第２制御が交互に実行されることで、電動モータ３０からの還流電流は、第１制御時にオン状態となるスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５と、第２制御時にオン状態となるスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６とを交互に通過することとなる。このように還流電流が正極側スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５と負極側スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ５６を交互に通過するので、保護スイッチング制御時においてスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の発熱が抑制される。したがって、保護スイッチング制御の実行中に、温度上昇に起因するスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の故障を防止することが可能となる。

第１制御及び第２制御の後半にはデッドタイムが設けられており、第１制御と第２制御の切替時には全てのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６が一時的にオフに制御される。このようにデッドタイムを設けることにより、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のオンオフの切り替えに応答遅れが生じる場合であっても、第１制御と第２制御の切替時に全てのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６が短絡状態となってしまうことを防止できる。したがって、保護スイッチング制御時において第１制御及び第２制御を安全に切り替えることが可能となる。

第１制御及び第２制御は、所定のスイッチング周波数ｆに基づいて交互に実行される。スイッチング周波数ｆは、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の温度が耐熱温度Ｔｍよりも低くなる周波数に設定される。したがって、導通損失やスイッチング損失によるスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の温度上昇を抑制でき、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の故障をより確実に防止できる。

また、スイッチング周波数ｆは、デッドタイム中にコンデンサ１４に充電される電気エネルギが抵抗１５で消費される電気エネルギよりも小さくなる周波数に設定される。したがって、保護スイッチング制御の実行中に、バッテリ２０及びコンデンサ１４の過電圧促進や過電圧に起因するスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の故障を防止することができる。

さらに、電力変換装置１０では、保護スイッチング制御中に終了条件が成立した場合に、全てのスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６をオフとする終了スイッチング制御（第３制御）が実行される。したがって、電力変換装置１０及びモータ制御システム１００の動作を的確なタイミングで安全に停止させることが可能となる。

電力変換装置１０は、電動モータ３０の各相電流値Ｉｕ，Iｖ，Ｉｗが基準電流値Ｉｒよりも小さい場合に終了条件が成立したと判定する。そして、基準電流値Ｉｒは、終了スイッチング制御（第３制御）の実行時に、コンデンサ１４に充電される電気エネルギが抵抗１５で消費される電気エネルギよりも小さくなる電流値に設定される。したがって、終了スイッチング制御の実行中に、バッテリ２０及びコンデンサ１４の過電圧促進や過電圧に起因するスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の故障を防止することができる。

（第２実施形態）
図８及び図９を参照して、本発明の第２実施形態による電力変換装置１０を備えるモータ制御システム１００について説明する。

第２実施形態による電力変換装置１０は、コントローラ５０の終了制御部６３の構成が第１実施形態とは相違する。なお、以下の実施形態では第１実施形態と同じ機能を果たす構成には同一の符号を用い、重複する記載を適宜省略して説明する。

図８に示すように、第２実施形態による電力変換装置１０では、コントローラ５０の終了制御部６３は、電動モータ３０の各相端子に流れる電流値を測定する電流測定部６３Ａではなく、回転数センサ５５の検出信号に基づいて電動モータ３０の回転子の回転数を測定する回転数測定部６３Ｃを備えている。また、終了制御部６３の終了条件判定部６３Ｂは、検出された電動モータ３０の回転数に基づいて保護スイッチング制御を終了する終了条件が成立したか否かを判定する。終了制御部６３は、終了条件が成立した場合に終了スイッチング制御を実行するための制御信号を生成する。

次に、図９を参照して、第２実施形態による電力変換装置１０のスイッチング制御について説明する。図９は、電力変換装置１０のコントローラ５０が実行するスイッチング制御を示すフローチャートである。図９のＳ１０１〜Ｓ１０３、Ｓ１０６及びＳ１０７の処理は図３のＳ１０１〜Ｓ１０３、Ｓ１０６及びＳ１０７の処理と同じであるので、詳細な説明を省略する。

図９に示すように、第２実施形態による電力変換装置１０のコントローラ５０は、Ｓ１０２でバッテリ電圧値Ｖｂが基準電圧値Ｖｒよりも大きいと判定された場合にＳ１０８の処理を実行する。

Ｓ１０８では、コントローラ５０は、回転数センサ５５の検出信号に基づいて現在の電動モータ３０の回転数Ｒを取得する。

Ｓ１０９では、コントローラ５０は、取得した回転数Ｒが基準回転数Ｒｒよりも小さいか否かを判定する。基準回転数Ｒｒは、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）を参照して前述したように、終了スイッチング制御実行時においてコンデンサ１４に蓄積される電気エネルギが抵抗１５で消費される電気エネルギよりも小さくなる回転数に設定されている。

コントローラ５０は、回転数Ｒが基準回転数Ｒｒ以上である場合には、過電圧状態のバッテリ２０やコンデンサ１４に電動モータ３０からの電流が流れ込むことにより、バッテリ２０や電力変換装置１０が故障する可能性があると判定する。この場合、コントローラ５０はＳ１０６の処理を実行する。

これに対して、コントローラ５０は、回転数Ｒが基準回転数Ｒｒより小さい場合には、電動モータ３０からの還流電流が電力変換装置１０等に悪影響を及ぼさないと判定する。この場合、コントローラ５０はＳ１０７の処理を実行する。

上記した第２実施形態のモータ制御システム１００の電力変換装置１０によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、第２実施形態による電力変換装置１０は、電動モータ３０の回転数Ｒが基準回転数Ｒｒよりも小さい場合に終了条件が成立したと判定する。そして、基準回転数Ｒｒは、終了スイッチング制御（第３制御）を実行した時にコンデンサ１４に充電される電気エネルギが抵抗１５で消費される電気エネルギよりも小さくなる回転数に設定される。したがって、終了スイッチング制御の実行中に、バッテリ２０及びコンデンサ１４の過電圧促進や過電圧に起因するスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の故障を防止することができる。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。

上述した各実施形態は、それぞれ単独の実施形態として説明したが、適宜組み合わせてもよい。

１００ モータ制御システム
１０ 電力変換装置
２０ バッテリ（電源）
３０ 電動モータ（電動機）
１１ 正側電源線
１２ 負側電源線
１４ コンデンサ
１５ 抵抗
５０ コントローラ（制御部）
６２ 保護制御部
６２Ａ 電圧測定部
６２Ｂ 過電圧判定部
６３ 終了制御部
６３Ａ 電流測定部
６３Ｂ 終了条件判定部
６３Ｃ 回転数測定部
Ｓ１〜Ｓ６ スイッチング素子

Claims (6)

1. 電源と電動機の間に接続される電力変換装置であって、
   電源の正極及び負極にそれぞれ接続される正極側電源線及び負極側電源線と、
   前記電動機の各相に設けられるとともに、前記正極側電源線と前記負極側電源線の間において直列に接続される正極側スイッチング素子及び負極側スイッチング素子と、
   前記電源の両端間の電圧に基づいて前記電源が過電圧状態であるか否かを判定する電圧状態判定部と、
   前記正極側スイッチング素子及び前記負極側スイッチング素子をオン及びオフする制御部と、
   前記正極側電源線と前記負極側電源線の間に接続されるコンデンサと、
   前記正極側電源線と前記負極側電源線の間において、前記コンデンサに対して並列に接続される抵抗と、を備え、
   前記制御部は、前記電源が過電圧状態であると判定された場合に、前記正極側スイッチング素子の全てをオンとし、前記負極側スイッチング素子の全てをオフとする第１制御と、前記負極側スイッチング素子の全てをオンとし、前記正極側スイッチング素子の全てをオフとする第２制御と、を交互に実行し、
   前記制御部はさらに、所定のスイッチング周波数に基づいて前記第１制御と前記第２制御とを交互に実行するように構成されており、
   前記スイッチング周波数は、前記第１制御及び前記第２制御を実行する時に、前記コンデンサに充電される電気エネルギが前記抵抗で消費される電気エネルギよりも小さくなる周波数に設定される、
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第１制御には、前記正極側スイッチング素子の全てをオンとし、前記負極側スイッチング素子の全てをオフとした後に、前記正極側スイッチング素子及び前記負極側スイッチング素子の全てをオフとするデッドタイムが含まれ、
   前記第２制御には、前記負極側スイッチング素子の全てをオンとし、前記正極側スイッチング素子の全てをオフとした後に、前記正極側スイッチング素子及び前記負極側スイッチング素子の全てをオフとするデッドタイムが含まれる、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記スイッチング周波数は、前記正極側スイッチング素子及び前記負極側スイッチング素子の温度が耐熱温度より低くなる周波数に設定される、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 前記第１制御及び前記第２制御を交互に実行する保護制御を終了する終了条件が成立したか否かを判定する条件判定部をさらに備え、
   前記制御部は、前記終了条件が成立した場合に、前記正極側スイッチング素子及び前記負極側スイッチング素子の全てをオフとする第３制御を実行する
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の電力変換装置。
5. 前記電動機に流れている電流を検出する電流検出部をさらに備え、
   前記条件判定部は、検出された電流値が基準電流値よりも小さい場合に、前記終了条件が成立したと判定するように構成され、
   前記基準電流値は、前記第３制御を実行した時に、前記コンデンサに充電される電気エネルギが前記抵抗で消費される電気エネルギよりも小さくなる電流値に設定される、
   ことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記電動機の回転数を検出する回転数検出部をさらに備え、
   前記条件判定部は、検出された回転数が基準回転数よりも小さい場合に、前記終了条件が成立したと判定するように構成され、
   前記基準回転数は、前記第３制御を実行した時に、前記コンデンサに充電される電気エネルギが前記抵抗で消費される電気エネルギよりも小さくなる回転数に設定される、
   ことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。

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