JP6797233B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本願は、電力変換装置に関するものである。 The present application relates to a power converter.
従来の電力変換装置においては、電力変換装置を構成する半導体スイッチの故障またはノイズによる誤動作等で短絡した場合に発生する短絡電流を検知して電力変換動作を停止し、電力変換装置の故障を防止するようにした短絡電流保護機能を備えることが一般的である。例えば、特許文献１に開示されているモータ制御装置におけるインバータ回路としての電力変換装置は、電力変換装置の低電位側の直流ラインに電流検出用の低抵抗値を有するシャント抵抗が直列に接続され、このシャント抵抗の両端間の電圧降下に基づいて電力変換装置の直流ラインに流れる直流電流の値を検出する電流検出回路を備えており、この電流検出回路が検出した直流電流の値が予め定められた値を超えたとき短絡故障が発生したと判断して、電力変換装置の構成要素としての半導体スイッチを遮断して短絡故障時の電力変換装置の保護を行なうように構成されている。
In the conventional power conversion device, the power conversion operation is stopped by detecting the short-circuit current generated when a short circuit occurs due to a failure of the semiconductor switch constituting the power conversion device or a malfunction due to noise, and the failure of the power conversion device is prevented. It is common to have a short-circuit current protection function. For example, in the power conversion device as an inverter circuit in the motor control device disclosed in
特許文献1に開示された従来の電力変換装置は、短絡故障により流れた短絡電流を検出した後に短絡電流を半導体スイッチにより遮断して電力変換装置を保護するように構成されているため、早期に短絡故障を検出することができず、短絡電流が電力変換回路に流れて半導体スイッチの正常動作領域を逸脱し２次故障を誘引する可能性があるという課題があった。
The conventional power conversion device disclosed in
本願は、従来の電力変換装置における課題を解決するための技術を開示するものであり、短絡電流が電力変換回路に流れる前に短絡故障を検出して電力変換回路の保護を行なうことができる電力変換装置を提供することを目的とする。 The present application discloses a technique for solving a problem in a conventional power conversion device, and is capable of detecting a short-circuit failure and protecting the power conversion circuit before a short-circuit current flows through the power conversion circuit. It is an object of the present invention to provide a conversion device.
本願による電力変換装置は、
直流側が蓄電装置に接続され、ブリッジ接続された半導体スイッチを有する電力変換回路と、前記半導体スイッチを駆動制御する制御回路とを有する電力変換装置であって、
前記制御回路は、前記電力変換回路の入力電圧を監視する電圧検知回路と、前記入力電圧が予め定められた電圧以下の状態が予め定められた時間以上継続した場合に前記半導体スイッチを遮断する保護回路を備え、
前記保護回路は、前記入力電圧が前記予め定められた電圧以下の状態であることを判定して判定信号を出力する電圧判定回路と、前記判定信号の出力時間を検出し前記判定信号の出力時間が前記予め定められた時間以上継続した場合にエラー確定信号を出力する時間検出回路とを備え、前記エラー確定信号に基づいて前記半導体スイッチを遮断するように構成され、
前記予め定められた電圧は、前記電力変換回路の駆動電圧の最小値未満であり、且つ、前記半導体スイッチの短絡時における抵抗値と予め定められた電流から算出した電圧値以上の電圧である、
ことを特徴とする。
The power converter according to the present application is
A power conversion device having a power conversion circuit having a semiconductor switch whose DC side is connected to a power storage device and bridge-connected, and a control circuit for driving and controlling the semiconductor switch.
The control circuit includes a voltage detection circuit that monitors the input voltage of the power conversion circuit, and protection that shuts off the semiconductor switch when the input voltage remains below a predetermined voltage for a predetermined time or longer. Equipped with a circuit
The protection circuit includes a voltage determination circuit that determines that the input voltage is equal to or lower than the predetermined voltage and outputs a determination signal, and an output time of the determination signal that detects the output time of the determination signal. Is provided with a time detection circuit that outputs an error confirmation signal when the voltage continues for a predetermined time or longer, and is configured to shut off the semiconductor switch based on the error confirmation signal .
The predetermined voltage is a voltage that is less than the minimum value of the drive voltage of the power conversion circuit and is equal to or higher than the voltage value calculated from the resistance value at the time of short-circuiting of the semiconductor switch and the predetermined current.
It is characterized by that.
又、本願による電力変換装置は、
直流側に蓄電装置が接続され、ブリッジ接続された半導体スイッチを有する電力変換回路と、前記半導体スイッチを駆動制御する制御回路とを有する電力変換装置であって、
前記制御回路は、前記電力変換回路の入力電圧を監視する電圧検知回路と、前記入力電圧の変化率が予め定められた閾値以上の場合に前記半導体スイッチを遮断する保護回路とを備えた、
ことを特徴とする。
Moreover, the power conversion device according to the present application is
A power conversion device having a power conversion circuit having a semiconductor switch connected to a power storage device connected to the DC side and a bridge connection, and a control circuit for driving and controlling the semiconductor switch.
The control circuit includes a voltage detection circuit that monitors the input voltage of the power conversion circuit, and a protection circuit that shuts off the semiconductor switch when the rate of change of the input voltage is equal to or higher than a predetermined threshold value.
It is characterized by that.
さらに、本願による電力変換装置は、
直流側に蓄電装置が接続され、ブリッジ接続された半導体スイッチを有する電力変換回路と、前記半導体スイッチを駆動制御する制御回路とを有する電力変換装置であって、
前記制御回路は、前記半導体スイッチの駆動を指令する指令信号を発生するマイコンを備え、
前記マイコンは、前記電力変換回路の入力電圧を監視し、前記入力電圧が予め定められた電圧以下の状態が予め定められた時間以上継続した場合、又は、前記入力電圧の変化率が予め定められた閾値以上の場合に、前記半導体スイッチを遮断する指令を発生して前記半導体スイッチを遮断させるように構成されている、
ことを特徴とする。
Furthermore, the power converter according to the present application is
A power conversion device having a power conversion circuit having a semiconductor switch connected to a power storage device connected to the DC side and a bridge connection, and a control circuit for driving and controlling the semiconductor switch.
The control circuit includes a microcomputer that generates a command signal for instructing the drive of the semiconductor switch.
The microcomputer monitors the input voltage of the power conversion circuit, and when the state where the input voltage is equal to or lower than a predetermined voltage continues for a predetermined time or longer, or when the rate of change of the input voltage is predetermined. When the voltage is equal to or higher than the threshold value, a command to shut off the semiconductor switch is generated to shut off the semiconductor switch.
It is characterized by that.
本願による電力変換装置によれば、直流側に蓄電装置が接続されブリッジ接続された半導体スイッチを有する電力変換回路と、前記半導体スイッチを駆動制御する制御回路とを有し、前記制御回路は、前記電力変換回路の入力電圧を監視する電圧検知回路を備えるとともに、前記入力電圧が予め定められた電圧以下の状態が予め定められた時間以上継続した場合に前記半導体スイッチを遮断する保護回路とを備えた電力変換装置であって、前記保護回路は、前記入力電圧が前記予め定められた電圧以下の状態であることを判定して判定信号を出力する電圧判定回路と、前記判定信号の出力時間を検出し前記判定信号の出力時間が前記予め定められた時間以上継続した場合にエラー確定信号を出力する時間検出回路とを備え、前記エラー確定信号により前記半導体スイッチを遮断するように構成されているので、短絡電流が電力変換回路に流れる前に早期に短絡故障を検出して電力変換回路の保護を行なうことができる効果を有する。 According to the power conversion device according to the present application, the power conversion circuit has a power conversion circuit having a semiconductor switch to which a power storage device is connected to the DC side and is bridge-connected, and a control circuit for driving and controlling the semiconductor switch. In addition to being provided with a voltage detection circuit that monitors the input voltage of the power conversion circuit, it is also provided with a protection circuit that shuts off the semiconductor switch when the input voltage remains below a predetermined voltage for a predetermined time or longer. The protection circuit is a voltage conversion device that determines that the input voltage is equal to or lower than the predetermined voltage and outputs a determination signal, and outputs the determination signal. It is provided with a time detection circuit that outputs an error confirmation signal when the output time of the determination signal is detected and continues for a predetermined time or longer, and is configured to shut off the semiconductor switch by the error confirmation signal. Therefore, it has an effect that the short circuit failure can be detected at an early stage and the power conversion circuit can be protected before the short circuit current flows through the power conversion circuit.
又、本願による電力変換装置によれば、直流側に蓄電装置が接続され、ブリッジ接続された半導体スイッチを有する電力変換回路と、前記半導体スイッチを駆動制御する制御回路とを有する電力変換装置であって、前記制御回路は、前記電力変換回路の入力電圧を監視する電圧検知回路と、前記入力電圧の変化率が予め定められた閾値以上の場合に前記半導体スイッチを遮断する保護回路とを備えているので、短絡電流が電力変換回路に流れる前に早期に短絡故障を検出して電力変換回路の保護を行なうことができる効果を有する。 Further, according to the power conversion device according to the present application, it is a power conversion device having a power conversion circuit having a semiconductor switch connected to the DC side and having a bridge connection, and a control circuit for driving and controlling the semiconductor switch. The control circuit includes a voltage detection circuit that monitors the input voltage of the power conversion circuit, and a protection circuit that shuts off the semiconductor switch when the rate of change of the input voltage is equal to or higher than a predetermined threshold value. Therefore, there is an effect that the short-circuit failure can be detected at an early stage and the power conversion circuit can be protected before the short-circuit current flows through the power conversion circuit.
さらに、本願による電力変換装置によれば、直流側に蓄電装置が接続され、ブリッジ接続された半導体スイッチを有する電力変換回路と、前記半導体スイッチを駆動制御する制御回路とを有する電力変換装置であって、前記制御回路は、前記半導体スイッチの駆動を指令する指令信号を発生するマイコンを備え、前記マイコンは、前記電力変換回路の入力電圧を監視し、前記入力電圧が予め定められた電圧以下の状態が予め定められた時間以上継続した場合、又は、前記入力電圧の変化率が予め定められた閾値以上の場合に、前記半導体スイッチを遮断する指令を発生して前記半導体スイッチを遮断させるように構成されているので、短絡電流が電力変換回路に流れる前に早期に短絡故障を検出して電力変換回路の保護を行なうことができる効果を有する。 Further, according to the power conversion device according to the present application, it is a power conversion device having a power conversion circuit having a semiconductor switch connected to the DC side and having a bridge connection, and a control circuit for driving and controlling the semiconductor switch. The control circuit includes a microcomputer that generates a command signal for instructing the drive of the semiconductor switch. The microcomputer monitors the input voltage of the power conversion circuit, and the input voltage is equal to or lower than a predetermined voltage. When the state continues for a predetermined time or longer, or when the rate of change of the input voltage is equal to or higher than a predetermined threshold value, a command to shut off the semiconductor switch is issued to shut off the semiconductor switch. Since it is configured, it has the effect of being able to detect a short-circuit failure at an early stage and protect the power conversion circuit before the short-circuit current flows through the power conversion circuit.
本願による電力変換装置は、ブリッジ接続された半導体スイッチを有し、バッテリなどの蓄電装置の直流電力を交流電力に変換して発電電動機を駆動するように構成され、あるいは、発電電動機が発電した交流電力を直流電力に変換してバッテリなどの蓄電装置に供給するように構成された電力変換装置であって、特に、直流側端子間の短絡故障、例えば半導体スイッチの短絡破壊あるいは誤オンによるアーム短絡故障、または機械的接触による地絡短絡あるいは相間短絡等、を検出して電力変換装置を保護する保護手段を備えたものである。以下、図面を参照して実施の形態１による電力変換装置について説明する。 The power conversion device according to the present application has a bridge-connected semiconductor switch and is configured to convert DC power of a power storage device such as a battery into AC power to drive a power generation electric motor, or an AC power generation electric power generation. A power conversion device configured to convert power into DC power and supply it to a power storage device such as a battery. In particular, a short-circuit failure between DC-side terminals, for example, a short-circuit failure of a semiconductor switch or an arm short-circuit due to erroneous on. It is provided with a protective means for protecting the power conversion device by detecting a failure, a ground fault short circuit due to mechanical contact, an interphase short circuit, or the like. Hereinafter, the power conversion device according to the first embodiment will be described with reference to the drawings.
実施の形態１．
図１は、実施の形態1による電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。図１において、電力変換装置１００は、電力変換回路１０１と、電力変換回路１０１を制御する制御回路１１０とを備えている。電力変換回路１０１は、複数の半導体スイッチにより構成された三相ブリッジ回路を備えており、直流と交流の双方向に電力変換を行うことができる。前述の三相ブリッジ回路は、周知のように、Ｕ相上アーム半導体スイッチと、Ｕ相下アーム半導体スイッチと、Ｖ相上アーム半導体スイッチと、Ｖ相下アーム半導体スイッチと、Ｗ相上アーム半導体スイッチと、Ｗ相下アーム半導体スイッチと、により構成されている。
FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of the power conversion device according to the first embodiment. In FIG. 1, the
Ｕ相上アーム半導体スイッチの一端とＵ相下アーム半導体スイッチの一端とは互いに直列接続され、Ｖ相上アーム半導体スイッチの一端とＶ相下アーム半導体スイッチの一端とは互いに直列接続され、Ｗ相上アーム半導体スイッチの一端とＷ相下アーム半導体スイッチの一端とは互いに直列接続されている。そして、Ｕ相上アーム半導体スイッチとＵ相下アーム半導体スイッチとの直列接続点からＵ相交流側端子Ｕが導出され、Ｖ相上アーム半導体スイッチとＶ相下アーム半導体スイッチとの直列接続点からＶ相交流側端子Ｖが導出され、Ｗ相上アーム半導体スイッチとＷ相下アーム半導体スイッチとの直列接続点からＷ相交流側端子Ｗが導出されている。 One end of the U-phase upper arm semiconductor switch and one end of the U-phase lower arm semiconductor switch are connected in series with each other, and one end of the V-phase upper arm semiconductor switch and one end of the V-phase lower arm semiconductor switch are connected in series with each other. One end of the upper arm semiconductor switch and one end of the W phase lower arm semiconductor switch are connected in series with each other. Then, the U-phase AC side terminal U is derived from the series connection point between the U-phase upper arm semiconductor switch and the U-phase lower arm semiconductor switch, and from the series connection point between the V-phase upper arm semiconductor switch and the V-phase lower arm semiconductor switch. The V-phase AC side terminal V is derived, and the W-phase AC side terminal W is derived from the series connection point between the W-phase upper arm semiconductor switch and the W-phase lower arm semiconductor switch.
また、Ｕ相上アーム半導体スイッチの他端とＶ相上アーム半導体スイッチの他端とＷ相上アーム半導体スイッチの他端は、夫々正極側直流端子Ｐに接続され、Ｕ相下アーム半導体スイッチの他端とＶ相下アーム半導体スイッチの他端とＷ相下アーム半導体スイッチの他端は、夫々負極側直流端子Ｎに接続されている。 Further, the other end of the U-phase upper arm semiconductor switch, the other end of the V-phase upper arm semiconductor switch, and the other end of the W-phase upper arm semiconductor switch are connected to the positive-side DC terminal P, respectively, and are connected to the U-phase lower arm semiconductor switch. The other end, the other end of the V-phase lower arm semiconductor switch, and the other end of the W-phase lower arm semiconductor switch are each connected to the negative side DC terminal N.
なお、電力変換回路１０１の三相ブリッジ回路を構成する半導体スイッチは、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、あるいはパワートランジスタ（Ｐｏｗｅｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、あるいはそれ以外の半導体スイッチでもよく、その種類は問わない。
The semiconductor switch constituting the three-phase bridge circuit of the
以上のように構成された電力変換回路１０１において、そのＵ相交流側端子Ｕと、Ｖ相交流側端子Ｖと、Ｗ相交流側端子Ｗは、三相交流回転電機としての発電電動機１０７の電機子巻線のＵ相巻線端子とＶ相巻線端子とＷ相巻線端子に夫々接続されている。電力変換回路１０１の正極側直流端子Ｐは、第１の逆流防止用半導体素子１０８ａを介して第１の蓄電装置１０３の正極端子に接続され、電力変換回路１０１の負極側直流端子Ｎは、第１の蓄電装置１０３の負極端子に接続されている。なお、１０６は、第1の蓄電装置１０３と電力変換回路１０１を接続する配線の配線インダクタンスを表している。
In the
制御回路１１０は、電力変換回路１０１を駆動するための駆動回路１１３と、駆動回路１１３を制御するマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」と称する）１１２と、電圧検知回路１１１と、電圧判定回路１２１と、時間検出回路１２２と、信号保持回路１２３と、を備えている。電圧判定回路１２１と、時間検出回路１２２と、信号保持回路１２３は、保護回路１２０を構成している。以上のように構成された制御回路１１０の詳細については後述する。
The
電源回路１０２は、電力変換回路１０１の正極側直流端子Ｐと負極側直流端子Ｎとの間に接続されている。第２の蓄電装置１０４は、第２の逆流防止用半導体素子１０８ｂを介して電源回路１０２の両端子間に接続されている。また、電力変換回路１０１の正極側直流端子Ｐと負極側直流端子Ｎとの間には、平滑用コンデンサ１０５が接続されている。平滑用コンデンサ１０５は、電力変換回路１０１の半導体スイッチのスイッチング動作などに起因するノイズを低減し、また電源電圧の変動を抑制する役割を担っており、必要に応じて前述の様に接続されて用いられる。
The
電力変換回路１０１は、第１の蓄電装置１０３から直流電力が供給される。制御回路１１０は、電源回路１０２を介して第１の蓄電装置１０３或いは第２の蓄電装置１０４から直流電力が供給される。電源回路１０２には、第１の逆流防止用半導体素子１０８ａを介して第１の蓄電装置１０３が接続され、且つ第２の逆流防止用半導体素子１０８ｂを介して第２の蓄電装置１０４が接続されているので、制御回路１１０は、第１の蓄電装置１０３と第２の蓄電装置１０４のうち電圧の高い方の蓄電装置から電力が供給される構成となっている。
The
発電電動機１０７を電動機として動作させるときは、電力変換回路１０１は、第１の蓄電装置１０３から正極側直流端子Ｐと負極側直流端子Ｎを介して供給された直流電力を交流電力に変換し、その交流電力を交流側端子Ｕ、Ｖ、Ｗを介して発電電動機１０７の電機子巻線に供給する。他方、発電電動機１０７が車載エンジンなどにより駆動されて発電機として動作するときは、電力変換回路１０１は、発電電動機１０７から交流側端子Ｕ、Ｖ、Ｗを介して入力された発電電動機１０７からの交流電力を直流電力に変換し、その直流電力を正極側直流端子Ｐと負極側直流端子Ｎを介して第１の蓄電装置および第２の蓄電装置１０４に供給し、これ等の蓄電装置を充電する。
When the
制御回路１１０に設けられたマイコン１１２は、駆動回路１１３に対する指令信号としての駆動回路制御信号ｅを駆動回路１１３に入力する。駆動回路１１３は、マイコン１１２から入力された駆動回路制御信号ｅに基づいて、電力変換回路１０１の複数の半導体スイッチのスイッチング動作を制御する制御信号ｇを発生して電力変換回路１０１に入力する。電力変換回路１０１は、駆動回路１１３から入力された制御信号ｇに基づいて複数の半導体スイッチがスイッチング制御されることで、前述の電力変換を行なう。
The
電圧検知回路１１１は、第１の蓄電装置１０３から電力変換回路１０１へ入力される入力電圧Ｖｉｎを常に監視し、検知した入力電圧Ｖｉｎに対応する入力電圧信号ａを保護回路１２０に入力する。保護回路１２０は、電圧検知回路１１１から入力された入力電圧Ｖｉｎに対応する入力電圧信号ａが、予め定められた閾値電圧Ｖｔｈ以下の状態で且つ予め定められた判定時間Ｔ１以上継続した場合に、電力変換回路１０１の動作を停止させるように動作する。
The
更に詳しく述べれば、保護回路１２０は、入力電圧信号ａから得られた入力電圧Ｖｉｎが予め設定された閾値電圧Ｖｔｈ以下である場合に判定信号ｂを出力する電圧判定回路１２１と、電圧判定回路１２１から出力された判定信号ｂが入力され、判定信号ｂが電圧判定回路１２１から出力されている時間を検出し、判定信号ｂが出力されている時間が予め定められた判定時間Ｔ１以上継続した場合にエラー確定信号ｃを出力する時間検出回路１２２と、入力電圧Ｖｉｎが予め定められた閾値電圧Ｖｔｈより大きな値に復帰しても時間検出回路１２２が出力するエラー確定信号ｃを保持する信号保持回路１２３とを備える。前述の予め定められた閾値電圧Ｖｔｈ、および予め定められた判定時間Ｔ１については後述する。
More specifically, the
信号保持回路１２３は、時間検出回路１２２から入力されたエラー確定信号ｃを保持するとともに、保持したエラー確定信号ｃに相当するエラー確定信号ｆを出力する。信号保持回路１２３から出力されたエラー確定信号ｆは、駆動回路１１３に入力される。駆動回路１１３は、信号保持回路１２３からエラー確定信号ｆが入力されることにより駆動動作を停止し、直ちに電力変換回路１０１の電力変換動作を停止させるように電力変換回路１０１の半導体スイッチをオフとする制御信号ｇを電力変換回路１０１に与える。その結果、電力変換回路１０１における半導体スイッチは直ちにオフとなり、電力変換回路１０１の電力変換動作は停止される。これにより、電力変換回路１０１は短絡事故による短絡電流が流れる前に早期に保護される。
The
また、マイコン１１２が信号保持解除信号ｄを常に出力することで、信号保持回路１２３は常に時間検出回路１２２からのエラー確定信号ｃの切り替わりを無効化することができる。従って、必要に応じて、マイコン１１２から信号保持解除信号ｄを常に出力することで、保護回路１２０の動作を無効化することが可能である。
Further, since the
次に、発電電動機１０７の駆動動作中に、三相ブリッジ回路の何れかの相の上アーム半導体スイッチと下アーム半導体スイッチが同時オン状態となり、あるいは半導体スイッチの短絡故障により、電力変換回路１０１の正極側直流端子Ｐと負極側直流端子Ｎとの間が短絡された短絡故障の場合の故障検出の例について、以下に説明する。
Next, during the drive operation of the
ここで、注目すべき点としては、次の２点が挙げられる。１点目は、同相の上アーム半導体スイッチと下アーム半導体スイッチに短絡故障が発生した場合には、入力電圧Ｖｉｎが瞬時に低下することである。そして、２点目は、半導体スイッチに短絡故障が発生した場合、第１の蓄電装置１０３からの短絡電流が増加し、定常的には、非常に大きな短絡電流となるが、配線インダクタンス１０６の影響で、短絡故障発生時点から遅れて第１の蓄電装置１０３からの短絡電流が電力変換装置１００に流れてくることである。
Here, the following two points should be noted. The first point is that when a short-circuit failure occurs in the upper arm semiconductor switch and the lower arm semiconductor switch of the same phase, the input voltage Vin drops instantaneously. The second point is that when a short-circuit failure occurs in the semiconductor switch, the short-circuit current from the first
前述の注目すべき点に着目して電圧検知回路１１１により入力電圧Ｖｉｎの電圧低下を監視すれば、電力変換回路１０１の正極側直流端子Ｐと負極側直流端子Ｎとの間が短絡される短絡故障の検出が可能となる。さらに、短絡故障の検出後、信号保持回路１２３からのエラー確定信号ｆ、つまりエラー確定信号ｃにより駆動回路１１３を停止し、電力変換回路１０１における半導体スイッチを早期に遮断することによって、第１の蓄電装置１０３からの短絡電流が増大する前に、電力変換装置１００の保護が可能となる。
If the
図２は、実施の形態１による電力変換装置の短絡保護動作を示すフローチャートであって、保護回路１２０による短絡保護動作を示している。図２において、まず、ステップ２０１において電圧検知回路１１１により電力変換回路１０１に入力される入力電圧Ｖｉｎを検出する。ステップ２０２では、電圧判定回路１２１により、入力電圧Ｖｉｎが予め定められた閾値電圧Ｖｔｈ以下の状態であるか否かの判定を実施する。ステップ２０２での判定の結果、入力電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈ以下であった場合（Ｙｅｓ）は、ステップ２０３に進み、電圧判定回路１２１から判定信号ｂを出力する。一方、ステップ２０２での判定の結果、入力電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈよりも大きい場合（Ｎｏ）は、電力変換回路１０１は正常に動作していると判断して元の状態に戻る。
FIG. 2 is a flowchart showing the short-circuit protection operation of the power conversion device according to the first embodiment, and shows the short-circuit protection operation by the
ステップ２０４では、時間検出回路１２２により判定信号ｂが予め定められた判定時間Ｔ１以上継続されて出力されているか否かの判定を行なう。ステップ２０４での判定の結果、判定信号ｂが判定時間Ｔ１以上継続されて出力されたと判定された場合（Ｙｅｓ）は、時間検出回路１２２がエラー確定信号ｃを出力する。一方、ステップ２０４での判定の結果、判定信号ｂが判定時間Ｔ１以上継続されて出力されていないと判定された場合（Ｎｏ）は、電力変換回路１０１は正常に動作していると判断して元の状態に戻る。
In
次に、ステップ２０５では、信号保持回路１２３は、時間検出回路１２２から入力されるエラー確定信号ｃを予め定められた時間保持する。ステップ２０６では、マイコン１１２から信号保持解除信号ｄが出力されているか否かを判定し、信号保持解除信号ｄが出力されていなければ（Ｎｏ）、保護回路１２０は無効化されていないので、保持したエラー確定信号ｃに相当するエラー確定信号ｆを駆動回路１１３へ出力する。一方、ステップ２０６での判定の結果、マイコン１１２から信号保持解除信号ｄが出力されていると判定されれば（Ｙｅｓ）、信号保持回路１２３はエラー確定信号ｃを無効化して元の状態に戻る。
Next, in
ステップ２０７では、エラー確定信号ｆが駆動回路１１３に入力され、電力変換回路１０１を停止する。このとき、保持したエラー確定信号ｃに相当するエラー確定信号ｆによる電力変換回路１０１の停止は、半導体スイッチに入力される駆動回路１１３からの制御信号ｇを直接オフすることにより行われるのが望ましい。なお、電力変換回路１０１の駆動制御のために、マイコン１１２とは別にドライバＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を設けてもよく、この場合は、ドライバＩＣの動作を停止させることで電力変換回路１０１を停止させることができる。
In
以上述べたように、短絡電流が流れる前に保護回路１２０により短絡故障を早期に検出して半導体スイッチを遮断し、電力変換回路１０１を保護することが可能となる。
As described above, the
また、電圧検知回路１１１が出力する入力電圧信号ａは、電圧判定回路１２１に入力されると同時にマイコン１１２へも入力される。マイコン１１２では、電圧検知回路１１１から入力された入力電圧信号ａから得られた入力電圧Ｖｉｎが予め定められた条件を満たした場合、例えば前述の保護回路１２０での保護動作と同様に、予め設定された閾値電圧Ｖｔｈ以下であり且つ予め定められた判定時間Ｔ１以上継続した場合に、短絡故障であると判定して駆動回路制御信号ｅにより駆動回路を停止させて電力変換回路１０１の半導体スイッチを遮断させることで、短絡電流が流入する前に早期に電力変換回路１０１を保護することもできる。
Further, the input voltage signal a output by the
このように、短絡事故の発生時に、保護回路１２０の動作により直接、駆動回路１１３を停止させる場合と、マイコン１１２の処理によって駆動回路１１３を停止させる場合の二重系を構成することで、構成部品の不具合等により保護回路１２０が動作しない状況下でも、短絡故障を検出し電力変換回路１０１動作を保護することが可能である。
In this way, when a short-circuit accident occurs, a dual system is configured to directly stop the
次に、電圧判定回路１２１で予め設定される閾値電圧Ｖｔｈについて述べる。閾値電圧Ｖｔｈは、電力変換回路１０１の駆動電圧の最小値Ｖ１未満で、且つ、半導体スイッチの短絡時における抵抗値と予め定められた電流から算出した電圧値Ｖ２よりも大きい値の範囲内に設定されることが好ましい。即ち、［Ｖ１≧Ｖｔｈ≧Ｖ２］とするのが望ましい。
Next, the threshold voltage Vth preset by the
正常動作時には、入力電圧Ｖｉｎは大幅には低下しない。そこで、電圧判定回路１２１が判定信号ｂを出力する閾値電圧Ｖｔｈを、電力変換回路１０１の正常動作時に入力電圧Ｖｉｎが低下し得る最低の電圧値Ｖ１よりも小さい値に設定する。このように構成することで、正常動作時の短絡事故の誤検出を回避することができる。
During normal operation, the input voltage Vin does not drop significantly. Therefore, the threshold voltage Vth at which the
図３は、実施の形態１による電力変換装置における入力電圧の波形図である。図３において、区間Ａは電力変換回路１０１の正常動作時の区間、区間Ｂは電力変換回路１０１の短絡故障時の区間、区間Ｃは電力変換回路１０１の短絡故障後の区間、をそれぞれ示している。図３に示されるように、正常動作時の区間Ａでは、入力電圧Ｖｉｎは、半導体スイッチのオン／オフ切り替え時に、第１の蓄電装置１０３と電力変換回路１０１とを接続する配線の配線インダクタンス１０６、および浮遊容量に起因する電圧振動を伴うことがあるが、その電圧振動を含めて低下し得る最低の電圧値Ｖ１以上である。
FIG. 3 is a waveform diagram of an input voltage in the power conversion device according to the first embodiment. In FIG. 3, section A shows a section during normal operation of the
図３に示すように、短絡故障時の区間Ｂにおいて、電力変換回路１０１における三相ブリッジ回路の何れかの相の上アーム半導体スイッチと下アーム半導体スイッチが同時オン状態となり、あるいは半導体スイッチの短絡故障により、電力変換回路１０１の正極側直流端子Ｐと負極側直流端子Ｎとの間が短絡された短絡故障が発生すると、入力電圧Ｖｉｎは瞬時に電圧値Ｖ２以下に低下する。その後、区間Ｃに示すように、短絡後の入力電圧Ｖｉｎは、短絡抵抗Ｒｆａｉｌと保護すべき短絡電流Ｉｆａｉｌとの積となる電圧値［Ｒｆａｉｌ＊Ｉｆａｉｌ］に収束する。
As shown in FIG. 3, in the section B at the time of short-circuit failure, the upper arm semiconductor switch and the lower arm semiconductor switch of any phase of the three-phase bridge circuit in the
このとき、短絡抵抗Ｒｆａｉｌは、短絡発生直後は高く、短絡電流Ｉｆａｉｌが流れるとともに徐々に低下する特性を有する。そのため、半導体スイッチの短絡発生直後の短絡抵抗値以下の任意の抵抗値と、半導体スイッチの定格電流値以下の電流値とから、前述の電圧値Ｖ２を設定するのが好ましい。 At this time, the short-circuit resistance Rfile has a characteristic that it is high immediately after the occurrence of the short-circuit and gradually decreases as the short-circuit current Ifail flows. Therefore, it is preferable to set the above-mentioned voltage value V2 from an arbitrary resistance value equal to or less than the short-circuit resistance value immediately after the occurrence of the short circuit of the semiconductor switch and a current value equal to or less than the rated current value of the semiconductor switch.
次に、時間検出回路１２２に設定する判定時間Ｔ１について述べる。判定時間Ｔ１は、電力変換回路１０１における半導体スイッチのスイッチング動作に起因する電圧振動、あるいは第１の蓄電装置１０３と電力変換回路１０１とを接続する配線の配線インダクタンス１０６、および浮遊容量から算出される電圧振動の周期Ｔ以上の値とすることが好ましい。
Next, the determination time T1 set in the
図４Ａは、実施の形態１による電力変換装置の誤検出防止動作を説明する説明図、図４Ｂは、図４Ａの部分拡大図であって、区間Ａ―区間Ｂの間を拡大して示している。図４Ｂに示すように、時点４０１において入力電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈ以下となり、その時点４０１にて電圧判定回路１２１から判定信号ｂがハイレベルに立ち上がって出力される。その後、入力電圧Ｖｉｎが上昇に転じて時点４０１１において閾値電圧Ｖｔｈに達し、その時点４０１１で判定信号ｂがローレベルに変化して電圧判定回路１２１からの判定信号ｂは停止する。
FIG. 4A is an explanatory diagram for explaining the false detection prevention operation of the power conversion device according to the first embodiment, and FIG. 4B is a partially enlarged view of FIG. 4A, which is an enlarged view between sections A and B. There is. As shown in FIG. 4B, the input voltage Vin becomes equal to or lower than the threshold voltage Vth at the
即ち、入力電圧Ｖｉｎは、時点４０１から判定時間Ｔ１が経過する時点４０２に至る前の時点４０１１で閾値電圧Ｖｔｈに復帰し、従って、判定信号ｂは時点４０１１にて停止する。このように、判定時間Ｔ１が経過する前に判定信号ｂが停止するので、時間検出回路１２２は、時点４０１から判定時間Ｔ１が経過した時点４０２ではエラー確定信号ｃを出力しない。
That is, the input voltage Vin returns to the threshold voltage Vth at the
次に、時点４０３において入力電圧Ｖｉｎが再び閾値電圧Ｖｔｈ以下となり、その時点４０３において判定信号ｂが出力され、時点４０３から判定時間Ｔ１が経過した時点４０４までの間では、入力電圧Ｖｉｎは継続して閾値電圧Ｖｔｈ以下であるので判定信号ｂが判定時間Ｔ１以上継続して出力される。このため、時間検出回路１２２は、時点４０３においてエラー確定信号ｃを出力する。
Next, at the
このように、判定時間Ｔ１を、電力変換回路１０１における半導体スイッチのスイッチング動作に起因する電圧振動、あるいは第１の蓄電装置１０３と電力変換回路１０１とを接続する配線の配線インダクタンス１０６、および浮遊容量から算出される電圧振動の周期Ｔ以上の値とすることで、電力変換回路１０１の正常動作時において電圧振動による電圧低下が発生して入力電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈを下回った場合でも、短絡故障の誤検出を防ぐことができる。
As described above, the determination time T1 is set by the voltage vibration caused by the switching operation of the semiconductor switch in the
また、時間検出回路１２２は、判定信号ｂを予め定められた時間だけ無効化する機能を有していてもよい。即ち、入力電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈ以下となってから、判定信号ｂを無効化する無効化時間Ｔ２を設定する。また、無効化時間Ｔ２を経過した後、予め定められた判定時間Ｔ３を設定する。判定信号ｂが出力されてから無効化時間Ｔ２を経過した後に入力電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈ以下の状態が判定時間Ｔ３以上継続することでエラー確定信号ｃを出力する。つまり、入力電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈ以下の状態になってから、無効化時間Ｔ２と判定時間Ｔ３の和から算出される時間［Ｔ２＋Ｔ３］経過時にエラー確定信号ｃを出力する。
Further, the
図５は、実施の形態１による電力変換装置にいて無効化時間を設けた場合の波形図である。図５において、無効化時間Ｔ２の期間中に入力電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈ以下となり判定信号ｂが出力されるが、この間、時間検出回路１２２はエラー確定信号ｃを出力しない。そして、無効化時間Ｔ２の経過後も入力電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈ以下であり判定信号ｂが判定時間Ｔ３以上継続して出力されるため、時間検出回路１２２はエラー確定信号ｃを出力する。
FIG. 5 is a waveform diagram when the invalidation time is provided in the power conversion device according to the first embodiment. In FIG. 5, the input voltage Vin becomes equal to or less than the threshold voltage Vth and the determination signal b is output during the invalidation time T2, but the
このとき、無効化時間Ｔ２は、電力変換回路１０１の半導体スイッチのスイッチングに起因する電圧振動、或いは第１の蓄電装置１０３と電力変換回路１０１とを接続する配線の配線インダクタンス１０６及び浮遊容量から算出される電圧振動の周期Ｔの１／２以上の値とすることが望ましい。
At this time, the invalidation time T2 is calculated from the voltage vibration caused by the switching of the semiconductor switch of the
図６は、実施の形態１による電力変換装置において無効化時間を設けた場合の短絡保護動作を示すフローチャートである。図６において、まず、ステップ６０１において電力変換回路１０１に入力される入力電圧Ｖｉｎを電圧検知回路１１１により検出する。ステップ６０２では、電圧判定回路１２１により、入力電圧Ｖｉｎが予め定められた閾値電圧Ｖｔｈ以下の状態であるか否かの判定を実施する。ステップ６０２での判定の結果、入力電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈ以下であった場合（Ｙｅｓ）は、ステップ６０３に進み、電圧判定回路１２１から判定信号ｂを出力する。一方、ステップ６０２での判定の結果、入力電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈよりも大きい場合（Ｎｏ）は、正常動作と判断して元の状態に戻る。
FIG. 6 is a flowchart showing a short-circuit protection operation when an invalidation time is provided in the power conversion device according to the first embodiment. In FIG. 6, first, the input voltage Vin input to the
ステップ６０４では、判定信号ｂの入力から無効化時間Ｔ２を経過した後も入力電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈ以下であるか否か、即ち判定信号ｂが出力されているか否かの判定を行い、判定信号ｂが出力されていれば（Ｙｅｓ）、ステップ６０５へ移行する。一方、ステップ６０４での判定の結果、無効化時間Ｔ２の経過後に判定信号ｂが出力されていなければ（Ｎｏ）は、電力変換回路１０１は正常に動作していると判断し元の状態に戻る。
In
ステップ６０５では、時間検出回路１２２により判定信号ｂが予め定められた判定時間Ｔ３以上継続されて出力されているか否かの判定を行なう。ステップ６０５での判定の結果、判定信号ｂが判定時間Ｔ３以上継続して出力されたと判定された場合（Ｙｅｓ）は、時間検出回路１２２がエラー確定信号ｃを出力する。一方、ステップ６０５での判定の結果、判定信号ｂが判定時間Ｔ３以上継続されて出力されていないと判定された場合（Ｎｏ）は、電力変換回路１０１は正常に動作していると判断して元の状態に戻る。
In
次に、ステップ６０６では、信号保持回路１２３は、時間検出回路１２２から入力されるエラー確定信号ｃを予め定められた時間保持する。ステップ６０７では、マイコン１１２から信号保持解除信号ｄが出力されているか否かを判定し、信号保持解除信号ｄが出力されていなければ（Ｎｏ）、保護回路１２０は無効化されていないので、保持したエラー確定信号ｃに相当するエラー確定信号ｆを駆動回路１１３へ出力する。一方、ステップ２０６での判定の結果、マイコン１１２から信号保持解除信号ｄが出力されていると判定されれば（Ｙｅｓ）、信号保持回路１２３はエラー確定信号ｃを無効化して元の状態に戻る。
Next, in
ステップ６０８では、保持したエラー確定信号ｃに相当するエラー確定信号ｆが駆動回路１１３に入力され、半導体スイッチを遮断して電力変換回路１０１を停止する。このとき、保持したエラー確定信号ｃに相当するエラー確定信号ｆによる電力変換回路１０１の停止は、半導体スイッチに入力される駆動回路１１３からの制御信号ｇを直接オフにして半導体スイッチを遮断することが望ましい。なお、駆動制御のためにマイコン１１２とは別にドライバＩＣを設け、このドライバＩＣの動作を停止させるようにしてもよい。
In
以上述べたように、無効化時間Ｔ２を設定することで、正常動作時において、電圧振動による電圧低下時に、入力電圧Ｖｉｎが閾値電圧Ｖｔｈを下回った場合でも短絡事故の誤検出を防ぐことができる。 As described above, by setting the invalidation time T2, it is possible to prevent erroneous detection of a short-circuit accident even when the input voltage Vin falls below the threshold voltage Vth when the voltage drops due to voltage vibration during normal operation. ..
さらに、判定時間Ｔ１、及び／又は、無効化時間Ｔ２と判定時間Ｔ３の和から算出される時間［Ｔ２＋Ｔ３］は、短絡事故が発生してから保護すべき短絡電流が流れるまでの時間に比べて小さいため、前述のように時間［Ｔ２＋Ｔ３］を判定時間として設定しても短絡電流を早期に遮断することができる。 Further, the time [T2 + T3] calculated from the sum of the determination time T1 and / or the invalidation time T2 and the determination time T3 is compared with the time from the occurrence of the short circuit accident to the flow of the short circuit current to be protected. Since it is small, the short-circuit current can be cut off early even if the time [T2 + T3] is set as the determination time as described above.
次に、電力変換回路１０１を発電電動機１０７の制御に使用した場合について説明する。発電電動機１０７を発電動作させるときには、保護回路１２０を無効化し、電動機として動作させるときには、保護回路１２０を有効にすることが望ましい。そこで、発電動作時には、マイコン１１２が信号保持解除信号ｄを継続して出力するように構成することで、エラー確定信号ｃが駆動回路１１３に入力されないため、保護回路１２０を無効化することができる。また、駆動動作時つまり電動機としての動作時には、マイコン１１２から信号保持解除信号ｄを継続して出力させないことで、保護回路１２０を有効化し、短絡故障を検出した場合にエラー確定信号ｃを出力して保護回路１２０により駆動回路１１３の動作を停止させることができる。
Next, a case where the
なお、保護回路１２０を含む制御回路１１０は、電源回路１０２を介して、第１の蓄電装置１０３及び第２の蓄電装置１０４のうち電圧が高い側の蓄電装置から電力が供給される構成としている。そのため、正極側直流端子Ｐと負極側直流端子Ｎとの間の短絡によって第１の蓄電装置１０３の電圧が低下しても、第２の蓄電装置１０４から電力が供給されるため保護回路１２０が機能することができる。
The
前述の従来の電力変換装置によれば、短絡故障が発生していない正常時にもシャント抵抗に直流電流が流れることで電力損失が発生するため、電力変換装置の効率が低下し、また、その電力損失による過熱を防止するために放熱対策を施す必要が生じ、電力変換装置の大型化につながることになるが、本願の実施の形態１によれば、発電電動機１０７を駆動する際に、電力変換回路１０１の正極側直流端子Ｐと負極側直流端子Ｎと間の電圧低下を電圧検知回路１１１により監視することで、早期に短絡故障の検出を行うことができるので、前述の従来の装置のようにシャント抵抗など短絡電流検出のための電流センサは不要となり、電力変換装置の小型化および高効率化を図ることが可能となる。また、誤検出のリスクを低減し、確実に短絡故障を検出できる。
According to the above-mentioned conventional power conversion device, a direct current flows through the shunt resistor even in a normal state where a short-circuit failure does not occur, resulting in a power loss, which reduces the efficiency of the power conversion device and also reduces the power. It becomes necessary to take heat dissipation measures in order to prevent overheating due to loss, which leads to an increase in the size of the power conversion device. However, according to the first embodiment of the present application, power conversion is performed when driving the
また、従来の電力変換装置は早期に短絡故障を検出することができず、短絡電流が電力変換回路に流れて半導体スイッチの正常動作領域を逸脱し２次故障を誘引する可能性があるが、本願の実施の形態１による電力変換装置は、短絡電流が電力変換回路に流れる前に短絡故障を検出して電力変換装置の保護を行なうことができ、従来の電力変換装置のように短絡電流が電力変換回路に流れて半導体スイッチの正常動作領域を逸脱し２次故障を誘引する可能性をなくすることができる。 Further, the conventional power conversion device cannot detect the short circuit failure at an early stage, and the short circuit current may flow to the power conversion circuit to deviate from the normal operating region of the semiconductor switch and induce a secondary failure. The power conversion device according to the first embodiment of the present application can detect a short-circuit failure and protect the power conversion device before the short-circuit current flows through the power conversion circuit, and the short-circuit current is generated like the conventional power conversion device. It is possible to eliminate the possibility of flowing into the power conversion circuit and deviating from the normal operating region of the semiconductor switch to induce a secondary failure.
実施の形態２．
次に、実施の形態２による電力変換装置について説明する。前述の実施の形態１では、入力電圧Ｖｉｎが予め定められた閾値電圧ｔｈ以下の状態が予め定められた時間以上継続した場合に、電力変換回路１０１を保護するように構成していたが、実施の形態２では、短絡故障時の入力電圧Ｖｉｎの変化率が予め定められた閾値の範囲外となることで電力変換回路１０１の故障を検出して保護するように構成したものである。なお、実施の形態２による電力変換装置は、図１と同様の構成である。
Embodiment 2.
Next, the power conversion device according to the second embodiment will be described. In the above-described first embodiment, the
図７は、実施の形態２による電力変換装置における入力電圧の波形図である。図７において、波形７０１は、電力変換回路１０１の短絡故障時に入力電圧Ｖｉｎが急峻に低下する場合の波形を示している。波形７０２は、電力変換回路１０１の短絡故障時に入力電圧Ｖｉｎが緩慢に低下する場合の波形を示している。さらに、波形７０３は、電力変換回路１０１の短絡故障を検出するための、入力電圧Ｖｉｎの変化率の閾値を示す波形である。
FIG. 7 is a waveform diagram of an input voltage in the power conversion device according to the second embodiment. In FIG. 7, the
例えば、電力変換回路１０１の正極側直流端子Ｐと負極側直流端子Ｎとの間に大容量のコンデンサが実装されている場合には、波形７０２のように短絡故障時に入力電圧Ｖｉｎが緩慢に低下する。入力電圧Ｖｉｎの変化率は、入力電圧Ｖｉｎが第１の閾値電圧Ｖｔｈ１以下となる時点と入力電圧Ｖｉｎが第２の閾値電圧Ｖｔｈ２以下となる時点との間の時間、即ち、入力電圧Ｖｉｎが第１の閾値電圧Ｖｔｈ１と第２の閾値電圧Ｖｔｈ２との電圧差分だけ低下するに要する時間から算出される。即ち、入力電圧Ｖｉｎが波形７０１に示すように急峻に低下するのであれば、入力電圧Ｖｉｎの変化率は、時点ｔ１から時点ｔ２までの時間により算出される。一方、入力電圧Ｖｉｎが波形７０２に示すように緩慢に低下するのであれば、入力電圧Ｖｉｎの変化率は、時点ｔ１から時点ｔ４までの時間により算出される。
For example, when a large-capacity capacitor is mounted between the positive electrode side DC terminal P and the negative electrode side DC terminal N of the
ここで、入力電圧Ｖｉｎが第１の閾値電圧Ｖｔｈ１以下となる時点と入力電圧Ｖｉｎが第２の閾値電圧Ｖｔｈ２以下となる時点との間の時間、即ち、入力電圧Ｖｉｎが第１の閾値電圧Ｖｔｈ１と第２の閾値電圧Ｖｔｈ２との電圧差分だけ低下するに要する時間を、Ｔｄと表記する。入力電圧Ｖｉｎが波形７０１に示すように急峻に低下するのであれば、時点ｔ１から時点ｔ２までの時間が時間Ｔｄであり、入力電圧Ｖｉｎが波形７０２に示すように緩慢に低下するのであれば、時点ｔ１から時点ｔ４までの時間が時間Ｔｄである。
Here, the time between the time when the input voltage Vin becomes the first threshold voltage Vth1 or less and the time when the input voltage Vin becomes the second threshold voltage Vth2 or less, that is, the time when the input voltage Vin becomes the first threshold voltage Vth1 The time required for the voltage difference between the second threshold voltage Vth2 and the second threshold voltage Vth2 to decrease is expressed as Td. If the input voltage Vin drops sharply as shown in the
時間検出回路１２２は、時間Ｔｄが予め定められた判定時間Ｔ４以上［Ｔ４≦Ｔｄ］である波形７０２の場合にエラー確定信号ｃを出力するように構成されている。入力電圧Ｖｉｎの変化率の閾値を示す波形７０３は、時点ｔ３にて第２の閾値電圧Ｖｔｈ２以下となり、その時間Ｔｄは判定時間Ｔ４に等しくなる。なお、設定される第１の閾値電圧Ｖｔｈ１及び第２の閾値電圧Ｖｔｈ２、判定時間Ｔ４については後述する。
The
図８は、実施の形態２における電力変換装置における短絡保護動作を示すフローチャートである。図８において、ステップ８０１では電圧検知回路１１１により入力電圧Ｖｉｎを検出する。ステップ８０２では、電圧判定回路１２１は入力電圧Ｖｉｎが第１の閾値電圧Ｖｔｈ１以下であるか否かの判定を行い、Ｖｉｎ≦Ｖｔｈ１であれば（Ｙｅｓ）、ステップ８０３に進むと同時にステップ８０５に進む。ステップ８０５では、第１の判定信号ｂ１を出力する。一方、ステップ８０２での判定の結果、入力電圧Ｖｉｎが第１の閾値電圧Ｖｔｈ１よりも大きい場合（Ｎｏ）は、電力変換回路１０１が正常に動作していると判定し元の状態に戻る。
FIG. 8 is a flowchart showing a short-circuit protection operation in the power conversion device according to the second embodiment. In FIG. 8, in
ステップ８０３では、電圧判定回路１２１は入力電圧Ｖｉｎが第２の閾値電圧Ｖｔｈ２以下であるか否かの判定を行い、Ｖｉｎ≦Ｖｔｈ２であれば（Ｙｅｓ）、ステップ８０４に進んで第２の判定信号ｂ２を出力する。一方、ステップ８０３での判定の結果、入力電圧Ｖｉｎが第２の閾値電圧Ｖｔｈ２よりも大きい場合（Ｎｏ）は、電力変換回路１０１が正常に動作していると判定し元の状態に戻る。
In
ステップ８０４又はステップ８０５からステップ８０６に進むと、時間検出回路１２２は第１の判定信号ｂ１が出力されてから第２の判定信号ｂ２が出力されるまでの時間Ｔｄを検出し、この時間Ｔｄが判定時間Ｔ４以上であるか否かの判定を行なう。ステップ８０６での判定の結果、Ｔｄ≧Ｔ４であれば（Ｙｅｓ）、ステップ８０８に進んでエラー確定信号ｃを出力する。また、ステップ８０６での判定の結果、Ｔｄ≧Ｔ４でなければ（Ｎｏ）、ステップ８０７に移行する。
When the process proceeds from
ステップ８０７又はステップ８０８からステップ８０９に進むと、信号保持回路１２３は、時間検出回路１２２から入力されるエラー確定信号ｃを予め定められた時間保持する。ステップ８１０では、マイコン１１２から信号保持解除信号ｄが出力されているか否かを判定し、信号保持解除信号ｄが出力されていなければ（Ｎｏ）、保護回路１２０は無効化されていないので、ステップ８１１に進む。一方、ステップ８１０での判定の結果、マイコン１１２から信号保持解除信号ｄが出力されていると判定されれば（Ｙｅｓ）、保護回路１２０は無効化されているので、信号保持回路１２３はエラー確定信号ｃを無効化して元の状態に戻る。
Proceeding from
ステップ８１１では、保持したエラー確定信号ｃに相当するエラー確定信号ｆが駆動回路１１３に入力され、電力変換回路１０１を停止する。このとき、保持したエラー確定信号ｃに相当するエラー確定信号ｆによる電力変換回路１０１の停止は、半導体スイッチに入力される駆動回路１１３からの制御信号ｇを直接オフすることで半導体スイッチを遮断することが望ましい。なお、駆動制御のためにマイコン１１２とは別にドライバＩＣを設け、このドライバＩＣの動作を停止させるようにしてもよい。
In
次に、第１の閾値電圧Ｖｔｈ１と第２の閾値電圧Ｖｔｈ２について説明する。電圧判定回路１２１において、第１の閾値電圧Ｖｔｈ１と第２の閾値電圧Ｖｔｈ２は、駆動電圧の最小値未満、且つ、半導体スイッチの短絡時における抵抗値Ｒｆａｉｌと平滑用コンデンサ１０５の内部抵抗Ｒｃｅｓｒと予め定められた電流から算出した電圧よりも大きい値の範囲内に設定されることが望ましい。なお、実施の形態２では、第１の閾値電圧Ｖｔｈ１は第２の閾値電圧Ｖｔｈ２より大きな値とする。電圧判定回路１２１は、入力電圧Ｖｉｎが第１の閾値電圧Ｖｔｈ１以下になると第１の判定信号ｂ１を出力し、入力電圧Ｖｉｎが第２の閾値電圧Ｖｔｈ２以下になると第２の判定信号ｂ２を出力する。
Next, the first threshold voltage Vth1 and the second threshold voltage Vth2 will be described. In the
また、時間検出回路１２２では、第２の判定信号ｂ２が入力された状態で、且つ、第１の判定信号ｂ１と第２の判定信号ｂ２が入力された時刻の差に相当する時間Ｔｄが判定時間Ｔ４以上であればエラー確定信号ｃを出力する。
Further, in the
ここで、判定時間Ｔ４は、半導体スイッチのスイッチング時に起因する電圧振動、或いは第１の蓄電装置１０３と電力変換回路１０１とを接続する配線の配線インダクタンス１０６及び浮遊容量から算出される電圧振動の周期Ｔの１／４以上の値が好ましい。このように判定時間Ｔ４を設定することで、電力変換回路１０１の正常動作時において、入力電圧Ｖｉｎが電圧振動により低下し、第２の閾値電圧Ｖｔｈ２以下となった場合でも誤検出を防ぐことができる。
Here, the determination time T4 is a period of voltage vibration caused by switching of the semiconductor switch, or a period of voltage vibration calculated from the
このように、入力電圧Ｖｉｎの変化率を検出しエラー確定信号ｃを出力することで、短絡故障時に入力電圧Ｖｉｎが緩慢に低下するような場合でも、電力変換回路１０１を早期に誤検出なく保護することができる。
By detecting the rate of change of the input voltage Vin and outputting the error confirmation signal c in this way, even if the input voltage Vin slowly drops in the event of a short-circuit failure, the
以上のように、実施の形態２によれば、発電電動機１０７を駆動する際に、電力変換回路１０１の入力電圧が低下する変化率を検出することで、短絡故障の検出を行うことができる。その結果、シャント抵抗など短絡電流検出のための電流センサは不要となり、電力変換装置の小型化、高効率化を図ることが可能となる。また、誤検出のリスクを低減し、確実に短絡故障を検出できる。
As described above, according to the second embodiment, the short-circuit failure can be detected by detecting the rate of change in which the input voltage of the
また、従来の電力変換装置は早期に短絡故障を検出することができず、短絡電流が電力変換回路に流れて半導体スイッチの正常動作領域を逸脱し２次故障を誘引する可能性があるが、本願の実施の形態１による電力変換装置は、短絡電流が電力変換回路に流れる前に短絡故障を検出して電力変換装置の保護を行なうことができ、従来の電力変換装置のように短絡電流が電力変換回路に流れて半導体スイッチの正常動作領域を逸脱し２次故障を誘引する可能性をなくすることができる。 Further, the conventional power conversion device cannot detect the short circuit failure at an early stage, and the short circuit current may flow to the power conversion circuit to deviate from the normal operating region of the semiconductor switch and induce a secondary failure. The power conversion device according to the first embodiment of the present application can detect a short-circuit failure and protect the power conversion device before the short-circuit current flows through the power conversion circuit, and the short-circuit current is generated like the conventional power conversion device. It is possible to eliminate the possibility of flowing into the power conversion circuit, deviating from the normal operating region of the semiconductor switch, and inducing a secondary failure.
実施の形態３．
実施の形態３による電力変換装置は、直流側に蓄電装置が接続されブリッジ接続された半導体スイッチをする電力変換回路と、前記半導体スイッチを駆動制御する制御回路とを有する電力変換装置であって、前記制御回路は、前記半導体スイッチの駆動を指令する指令信号を発生するマイコンを備え、前記マイコンは、前記電力変換回路の入力電圧を監視し、前記入力電圧が予め定められた電圧以下の状態が予め定められた時間以上継続した場合、又は、前記入力電圧の変化率が予め定められた閾値以上の場合に、前記半導体スイッチを遮断する指令を発生して前記半導体スイッチを遮断させるようにしたものである。回路構成としては、図１から保護回路１２０を除外した構成となる。
The power conversion device according to the third embodiment is a power conversion device having a power conversion circuit for performing a bridge-connected semiconductor switch to which a power storage device is connected to the DC side and a control circuit for driving and controlling the semiconductor switch. The control circuit includes a microcomputer that generates a command signal for instructing the drive of the semiconductor switch. The microcomputer monitors an input voltage of the power conversion circuit, and the input voltage is in a state of being equal to or lower than a predetermined voltage. When the input voltage continues for a predetermined time or longer, or when the rate of change of the input voltage is equal to or higher than a predetermined threshold value, a command to shut off the semiconductor switch is issued to shut off the semiconductor switch. Is. The circuit configuration is such that the
実施の形態３による電力変換装置によれば、半導体スイッチの駆動を指令する指令信号を発生するマイコンに、電力変換回路の入力電圧を監視し、入力電圧が予め定められた電圧以下の状態が予め定められた時間以上継続した場合、又は、入力電圧の変化率が予め定められた閾値以上の場合に、半導体スイッチを遮断する指令を発生して前記半導体スイッチを遮断させる機能を持たせることで、短絡電流が電力変換回路に流れる前に短絡故障を検出して電力変換装置の保護を行なうことができ、従来の電力変換装置のように短絡電流が電力変換回路に流れて半導体スイッチの正常動作領域を逸脱して２次故障を誘引する可能性をなくすることができる。 According to the power conversion device according to the third embodiment, the input voltage of the power conversion circuit is monitored by the microcomputer that generates the command signal for driving the semiconductor switch, and the input voltage is set to a predetermined voltage or less in advance. By issuing a command to shut off the semiconductor switch when it continues for a predetermined time or longer, or when the rate of change of the input voltage is equal to or higher than a predetermined threshold value, the semiconductor switch can be shut off. It is possible to protect the power conversion device by detecting a short-circuit failure before the short-circuit current flows through the power conversion circuit, and the short-circuit current flows through the power conversion circuit as in the conventional power conversion device, and the normal operating area of the semiconductor switch. It is possible to eliminate the possibility of inducing a secondary failure by deviating from.
また、シャント抵抗など短絡電流検出のための電流センサは不要となり、電力変換装置の小型化、高効率化を図ることが可能となる。また、誤検出のリスクを低減し、確実に短絡故障を検出できる。 In addition, a current sensor for detecting a short-circuit current such as a shunt resistor becomes unnecessary, and the power conversion device can be miniaturized and highly efficient. In addition, the risk of erroneous detection can be reduced, and short-circuit failures can be reliably detected.
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。 Although the present application describes various exemplary embodiments and examples, the various features, embodiments, and functions described in one or more embodiments are applications of a particular embodiment. It is not limited to, but can be applied to embodiments alone or in various combinations. Therefore, innumerable variations not illustrated are envisioned within the scope of the techniques disclosed in the present application. For example, it is assumed that at least one component is modified, added or omitted, and further, at least one component is extracted and combined with the components of other embodiments.
１０１ 電力変換回路、１０２ 電源回路、１０３ 第１の蓄電装置、
１０４ 第２の蓄電装置、１０５ 平滑用コンデンサ、１０６ 配線インダクタンス、
１０７ 発電電動機、１０８ａ 第１の逆流防止用半導体素子、
１０８ｂ 第２の逆流防止用半導体素子、１１０ 制御回路、１１１ 電圧検知回路、
１１２ マイクロコンピュータ、１１３ 駆動回路、１２０ 保護回路、
１２１ 電圧判定回路、１２２ 時間検出回路、１２３ 信号保持回路、
Ｐ 正極側直流端子、Ｎ 負極側直流端子、Ｖｉｎ 入力電圧、Ｖｔｈ 閾値電圧、
Ｖｔｈ１ 第１の閾値電圧、Ｖｔｈ２ 第２の閾値電圧、Ｔ１、Ｔ３、Ｔ４ 判定時間、Ｔ２ 無効化時間、ａ 入力電圧信号、ｂ 判定信号、ｂ１ 第１の判定信号、
ｂ２ 第２の判定信号、ｃ、ｆ エラー確定信号、ｄ 信号保持解除信号、
ｅ 駆動回路制御信号、ｇ 制御信号
101 power conversion circuit, 102 power supply circuit, 103 first power storage device,
104 Second power storage device, 105 Smoothing capacitor, 106 Wiring inductance,
107 Motor Generator, 108a First backflow prevention semiconductor element,
108b Second backflow prevention semiconductor element, 110 control circuit, 111 voltage detection circuit,
112 microcomputer, 113 drive circuit, 120 protection circuit,
121 voltage judgment circuit, 122 time detection circuit, 123 signal holding circuit,
P Positive electrode side DC terminal, N Negative electrode side DC terminal, Vin input voltage, Vth threshold voltage,
Vth1 first threshold voltage, Vth2 second threshold voltage, T1, T3, T4 judgment time, T2 invalidation time, a input voltage signal, b judgment signal, b1 first judgment signal,
b2 Second judgment signal, c, f error confirmation signal, d signal retention release signal,
e Drive circuit control signal, g control signal
Claims (6)
前記制御回路は、前記電力変換回路の入力電圧を監視する電圧検知回路と、前記入力電圧が予め定められた電圧以下の状態が予め定められた時間以上継続した場合に前記半導体スイッチを遮断する保護回路を備え、
前記保護回路は、前記入力電圧が前記予め定められた電圧以下の状態であることを判定して判定信号を出力する電圧判定回路と、前記判定信号の出力時間を検出し前記判定信号の出力時間が前記予め定められた時間以上継続した場合にエラー確定信号を出力する時間検出回路とを備え、前記エラー確定信号に基づいて前記半導体スイッチを遮断するように構成され、
前記予め定められた電圧は、前記電力変換回路の駆動電圧の最小値未満であり、且つ、前記半導体スイッチの短絡時における抵抗値と予め定められた電流から算出した電圧値以上の電圧である、
ことを特徴とする電力変換装置。 A power conversion device having a power conversion circuit having a semiconductor switch whose DC side is connected to a power storage device and bridge-connected, and a control circuit for driving and controlling the semiconductor switch.
The control circuit includes a voltage detection circuit that monitors the input voltage of the power conversion circuit, and protection that shuts off the semiconductor switch when the input voltage remains below a predetermined voltage for a predetermined time or longer. Equipped with a circuit
The protection circuit includes a voltage determination circuit that determines that the input voltage is equal to or lower than the predetermined voltage and outputs a determination signal, and an output time of the determination signal that detects the output time of the determination signal. Is provided with a time detection circuit that outputs an error confirmation signal when the voltage continues for a predetermined time or longer, and is configured to shut off the semiconductor switch based on the error confirmation signal .
The predetermined voltage is a voltage that is less than the minimum value of the drive voltage of the power conversion circuit and is equal to or higher than the voltage value calculated from the resistance value at the time of short-circuiting of the semiconductor switch and the predetermined current.
A power conversion device characterized by that.
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。 The predetermined time is equal to or longer than the period of voltage vibration during switching of the power conversion circuit or the cycle of voltage vibration calculated from the wiring inductance and stray capacitance of the wiring connecting the power conversion device and the power storage device. Is,
The power conversion device according to claim 1.
前記マイクロコンピュータは、前記エラー確定信号が入力されるように構成されるとともに、前記エラー確定信号が入力されたとき、前記駆動回路を停止させるように構成されている、
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。 The control circuit includes a drive circuit for driving the semiconductor switch and a microcomputer for controlling the drive circuit.
The microcomputer is configured to receive the error confirmation signal and to stop the drive circuit when the error confirmation signal is input.
The power conversion device according to claim 1 or 2.
ことを特徴とする請求項１から３のうちの何れか一項に記載の電力変換装置。 The error confirmation signal is output via a signal holding circuit, and the signal holding circuit holds the output state of the error confirmation signal even when the input voltage returns from the predetermined voltage state to the normal state. Is configured to
The power conversion device according to any one of claims 1 to 3, wherein the power conversion device is characterized by the above.
前記電力変換回路は、前記第１の蓄電装置から電力供給されることにより作動するように構成され、
前記制御回路は、前記第１の蓄電装置及び前記第２の蓄電装置のうちの少なくとも一方から電力供給されることにより作動するように構成され、
前記第１の蓄電装置と前記第２の蓄電装置とは、逆流防止用半導体素子を介して前記制御回路に接続され、
前記電力変換回路の入力電圧は、前記第１の蓄電装置の出力に基づく電圧である、
ことを特徴とする請求項１から４のうちの何れか一項に記載の電力変換装置。 The power storage device includes a first power storage device and a second power storage device connected in parallel.
The power conversion circuit is configured to operate by being supplied with power from the first power storage device.
The control circuit is configured to operate by being supplied with electric power from at least one of the first power storage device and the second power storage device.
The first power storage device and the second power storage device are connected to the control circuit via a backflow prevention semiconductor element.
The input voltage of the power conversion circuit is a voltage based on the output of the first power storage device.
The power conversion device according to any one of claims 1 to 4, wherein the power conversion device is characterized by the above.
前記制御回路は、前記発電電動機が前記電動機として動作するときは前記保護回路を作動させ得るようにし、前記発電電動機が前記発電機として動作するときは前記保護回路を無効化するように構成されている、
ことを特徴とする請求項１から５のうちの何れか一項に記載の電力変換装置。 In the power conversion device, when a power generator is connected to the AC side and the power generator operates as a generator, the DC power from the power storage device is converted into AC power and supplied to the power generator to generate the power. When the electric generator is operated as an electric motor, the AC power generated by the generator electric generator is converted into DC power and supplied to the power storage device.
The control circuit is configured to allow the protection circuit to operate when the generator motor operates as the motor, and to disable the protection circuit when the generator motor operates as the generator. Yes,
The power conversion device according to any one of claims 1 to 5 , wherein the power conversion device is characterized.
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