特許 6944546 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6944546

(24)【登録日】2021年9月14日

(45)【発行日】2021年10月6日

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20210927BHJP

   H02M 1/08 20060101ALI20210927BHJP

   H02P 27/06 20060101ALI20210927BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/48 M

   H02M1/08 C

   H02P27/06

【請求項の数】12

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2019-570327(P2019-570327)

(86)(22)【出願日】2018年12月26日

(86)【国際出願番号】JP2018047723

(87)【国際公開番号】WO2019155776

(87)【国際公開日】20190815

【審査請求日】2020年6月18日

(31)【優先権主張番号】特願2018-19398(P2018-19398)

(32)【優先日】2018年2月6日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】509186579

【氏名又は名称】日立Ａｓｔｅｍｏ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002365

【氏名又は名称】特許業務法人サンネクスト国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小倉 敬史

(72)【発明者】

【氏名】栗原 龍二

(72)【発明者】

【氏名】稲田 遼一

【審査官】 佐藤 匡

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１６／１０４３１８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１７−１１８８１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２４４６２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２３９６０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１５８３９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２１７１３１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／４８

Ｈ０２Ｍ １／０８

Ｈ０２Ｐ ２７／０６

Ｂ６０Ｌ ５０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数のスイッチング素子をそれぞれ有する上アームスイッチング回路および下アームスイッチング回路を含むインバータ回路部と、
前記上アームスイッチング回路にゲート信号を出力する上アームゲート回路と、
前記下アームスイッチング回路にゲート信号を出力する下アームゲート回路と、
前記上アームゲート回路および前記下アームゲート回路に電源を供給するゲートドライブ電源回路と、
前記ゲートドライブ電源回路に代わって、前記上アームゲート回路および前記下アームゲート回路の少なくとも一方に前記電源を供給するバックアップ電源回路と、を備え、
前記ゲートドライブ電源回路は、所定の正常電圧範囲内で前記電源を供給可能であり、
前記バックアップ電源回路は、前記ゲートドライブ電源回路から前記上アームゲート回路および前記下アームゲート回路の少なくとも一方に印加される前記電源の電圧が所定の低電圧異常検出電圧よりも低い場合に、前記上アームゲート回路および前記下アームゲート回路の少なくとも一方に前記電源を供給し、
前記低電圧異常検出電圧は、前記上アームゲート回路および前記下アームゲート回路が正常に動作可能な前記電源の電圧の下限値である第１閾値電圧よりも高く、かつ、前記正常電圧範囲の下限値である第２閾値電圧よりも低い電圧である電力変換装置。

【請求項2】

請求項１に記載の電力変換装置において、
前記ゲートドライブ電源回路から前記上アームゲート回路および前記下アームゲート回路の少なくとも一方に印加される前記電源の電圧が、前記低電圧異常検出電圧未満である場合に、低電圧異常を検出して前記バックアップ電源回路を動作させる低電圧異常検出回路をさらに備える電力変換装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載の電力変換装置において、
前記上アームゲート回路および前記下アームゲート回路に前記ゲート信号を生成するためのＰＷＭ信号をそれぞれ出力する制御回路をさらに備え、
前記バックアップ電源回路は、前記ゲートドライブ電源回路から前記下アームゲート回路に印加される前記電源の電圧が前記低電圧異常検出電圧未満である場合に、前記下アームゲート回路に前記電源を供給し、
前記上アームゲート回路は、前記ゲートドライブ電源回路から印加される前記電源の電圧が前記第１閾値電圧未満である場合に、前記制御回路に所定の異常信号を出力し、
前記制御回路は、前記上アームゲート回路から前記異常信号が出力されると、前記上アームゲート回路が前記上アームスイッチング回路の全ての前記スイッチング素子をオフさせるオープン状態とし、前記下アームゲート回路が前記下アームスイッチング回路の全ての前記スイッチング素子をオンさせるショート状態とするように、前記上アームゲート回路および前記下アームゲート回路に前記ＰＷＭ信号をそれぞれ出力する電力変換装置。

【請求項4】

請求項３に記載の電力変換装置において、
前記上アームゲート回路は、前記異常信号を出力する際に、前記ＰＷＭ信号に関わらず前記上アームスイッチング回路を前記オープン状態とする電力変換装置。

【請求項5】

請求項１または２に記載の電力変換装置において、
前記上アームゲート回路および前記下アームゲート回路に前記ゲート信号を生成するためのＰＷＭ信号をそれぞれ出力する制御回路をさらに備え、
前記バックアップ電源回路は、前記ゲートドライブ電源回路から前記上アームゲート回路に印加される前記電源の電圧が前記低電圧異常検出電圧未満である場合に、前記上アームゲート回路に前記電源を供給し、
前記下アームゲート回路は、前記ゲートドライブ電源回路から印加される前記電源の電圧が前記第１閾値電圧未満である場合に、前記制御回路に所定の異常信号を出力し、
前記制御回路は、前記下アームゲート回路から前記異常信号が出力されると、前記下アームゲート回路が前記下アームスイッチング回路の全ての前記スイッチング素子をオフさせるオープン状態とし、前記上アームゲート回路が前記上アームスイッチング回路の全ての前記スイッチング素子をオンさせるショート状態とするように、前記上アームゲート回路および前記下アームゲート回路に前記ＰＷＭ信号をそれぞれ出力する電力変換装置。

【請求項6】

請求項５に記載の電力変換装置において、
前記下アームゲート回路は、前記異常信号を出力する際に、前記ＰＷＭ信号に関わらず前記下アームスイッチング回路を前記オープン状態とする電力変換装置。

【請求項7】

請求項１または２に記載の電力変換装置において、
前記バックアップ電源回路は、
前記ゲートドライブ電源回路から前記上アームゲート回路に印加される前記電源の電圧が前記低電圧異常検出電圧未満である場合には、前記上アームゲート回路に前記電源を供給し、
前記ゲートドライブ電源回路から前記下アームゲート回路に印加される前記電源の電圧が前記低電圧異常検出電圧未満である場合には、前記下アームゲート回路に前記電源を供給する電力変換装置。

【請求項8】

請求項７に記載の電力変換装置において、
前記インバータ回路部は、前記上アームスイッチング回路および前記下アームスイッチング回路の各スイッチング素子の温度を検出する温度検出回路を有し、
前記上アームスイッチング回路または前記下アームスイッチング回路の一方のスイッチング回路が、全ての前記スイッチング素子がオンされたショート状態であり、他方のスイッチング回路が、全ての前記スイッチング素子がオフされたオープン状態であるときに、前記温度検出回路で検出された前記スイッチング素子の温度が所定温度以上になった場合、前記ショート状態とするスイッチング回路を前記一方のスイッチング回路から前記他方のスイッチング回路に切り替え、前記オープン状態とするスイッチング回路を前記他方のスイッチング回路から前記一方のスイッチング回路に切り替える電力変換装置。

【請求項9】

請求項１または２に記載の電力変換装置において、
前記上アームゲート回路または前記下アームゲート回路の一方のゲート回路は、前記ゲートドライブ電源回路から供給される前記電源の電圧が前記第１閾値電圧未満となったときに、他方のゲート回路へ所定の異常信号を出力し、
前記他方のゲート回路は、前記一方のゲート回路から前記異常信号が入力されると、前記上アームスイッチング回路または前記下アームスイッチング回路の全ての前記スイッチング素子をオンさせてショート状態とする電力変換装置。

【請求項10】

請求項１または２に記載の電力変換装置において、
前記インバータ回路部は、前記上アームスイッチング回路および前記下アームスイッチング回路の各スイッチング素子の温度を検出する温度検出回路と、前記インバータ回路部に蓄積された電荷を放出するアクティブディスチャージ回路と、を有し、
前記バックアップ電源回路は、前記ゲートドライブ電源回路から前記上アームゲート回路および前記下アームゲート回路の少なくとも一方に印加される前記電源の電圧が前記低電圧異常検出電圧未満である場合に、前記温度検出回路および前記アクティブディスチャージ回路の少なくとも一方にも前記電源を供給する電力変換装置。

【請求項11】

請求項８に記載の電力変換装置において、
前記バックアップ電源回路は、前記ゲートドライブ電源回路から前記上アームゲート回路および前記下アームゲート回路の少なくとも一方に印加される前記電源の電圧が前記低電圧異常検出電圧未満である場合に、前記温度検出回路にも前記電源を供給する電力変換装置。

【請求項12】

請求項１または２に記載の電力変換装置において、
複数のスイッチング素子をそれぞれ有する第２の上アームスイッチング回路および第２の下アームスイッチング回路を含む第２のインバータ回路部と、
前記第２の上アームスイッチング回路にゲート信号を出力する第２の上アームゲート回路と、
前記第２の下アームスイッチング回路にゲート信号を出力する第２の下アームゲート回路と、をさらに備え、
前記インバータ回路部および前記第２のインバータ回路部は、共通のモータに接続されており、
前記バックアップ電源回路は、前記第２の上アームゲート回路および前記第２の下アームゲート回路のいずれにも前記電源を供給しない電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

本願発明の背景技術として、特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１には、交流の回転電機を駆動制御するものであって、高圧直流電源と前記回転電機との間に介在され、直流と交流との間で電力変換を行うインバータと、前記高圧直流電源よりも低電圧の電源であり、前記高圧直流電源とは絶縁された低圧直流電源から供給される電力により動作し、前記インバータのスイッチング素子をスイッチング制御するインバータ制御装置と、前記高圧直流電源を電力源として構成され、前記インバータ制御装置に電力を供給可能なバックアップ電源と、前記低圧直流電源から前記インバータ制御装置へ供給される電力が予め規定された基準値以下となった低圧電源低下状態では、前記バックアップ電源から前記インバータ制御装置へ電力を供給するように電力供給経路を切り替える電源切替スイッチと、を備える回転電機制御装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１５−１５９６８４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の技術では、インバータ制御装置に供給される低圧直流電源の電力低下を検出することで、電力供給経路の切り替えを行い、高圧直流電源を用いたバックアップ電源からインバータ制御装置へ電力供給を行うようにしている。そのため、ゲート駆動電源からゲート駆動回路に供給される電源電圧の低下には対処することができず、電源喪失時の可用性に関して改善の余地がある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明による電力変換装置は、複数のスイッチング素子をそれぞれ有する上アームスイッチング回路および下アームスイッチング回路を含むインバータ回路部と、前記上アームスイッチング回路にゲート信号を出力する上アームゲート回路と、前記下アームスイッチング回路にゲート信号を出力する下アームゲート回路と、前記上アームゲート回路および前記下アームゲート回路に電源を供給するゲートドライブ電源回路と、前記ゲートドライブ電源回路に代わって、前記上アームゲート回路および前記下アームゲート回路の少なくとも一方に前記電源を供給するバックアップ電源回路と、を備え、前記ゲートドライブ電源回路は、所定の正常電圧範囲内で前記電源を供給可能であり、前記バックアップ電源回路は、前記ゲートドライブ電源回路から前記上アームゲート回路および前記下アームゲート回路の少なくとも一方に印加される前記電源の電圧が所定の低電圧異常検出電圧よりも低い場合に、前記上アームゲート回路および前記下アームゲート回路の少なくとも一方に前記電源を供給し、前記低電圧異常検出電圧は、前記上アームゲート回路および前記下アームゲート回路が正常に動作可能な前記電源の電圧の下限値である第１閾値電圧よりも高く、かつ、前記正常電圧範囲の下限値である第２閾値電圧よりも低い電圧である。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、電源喪失時の可用性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明の一実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図

【図2】ゲートドライブ電源回路に故障が発生した場合の電力変換装置の動作説明図

【図3】ゲートドライブ電源回路、低電圧異常検出回路およびバックアップ電源回路の回路構成例を示す図

【図4】本発明の比較例に係る電力変換装置の構成を示す図

【図5】本発明の第１の変形例に係る電力変換装置の構成を示す図

【図6】本発明の第２の変形例に係る電力変換装置の構成を示す図

【図7】本発明の第３の変形例に係る電力変換装置の構成を示す図

【図8】本発明の第４の変形例に係る電力変換装置の構成を示す図

【図9】本発明の第５の変形例に係る電力変換装置の構成を示す図

【発明を実施するための形態】

【0008】

図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。図１に示す電力変換装置１は、たとえば車両に搭載されて車両の走行用モータを駆動させるものであり、制御回路１０、インバータ回路部２０、上アームゲート回路３０、下アームゲート回路４０、ゲートドライブ電源回路５０、低電圧異常検出回路６０、およびバックアップ電源回路７０を備える。

【0009】

インバータ回路部２０は、不図示の高圧バッテリから供給される直流電力を交流電力に変換してモータに出力するものであり、上アームスイッチング回路２１および下アームスイッチング回路２２を有する。上アームスイッチング回路２１および下アームスイッチング回路２２は、モータの相数に応じた複数のスイッチング素子をそれぞれ有している。たとえば、モータが三相交流モータである場合、上アームスイッチング回路２１および下アームスイッチング回路２２は、それぞれ３つのスイッチング素子を有する。各スイッチング素子は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）や、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）を用いて構成される。

【0010】

制御回路１０は、不図示の上位コントローラから入力されるモータの動作指令値に基づいて、モータの相数に応じたＰＷＭ信号を生成し、上アームゲート回路３０および下アームゲート回路４０に出力する。たとえば、モータが三相交流モータである場合、制御回路１０は、上アームゲート回路３０および下アームゲート回路４０に対してそれぞれ３つのＰＷＭ信号を生成し、出力する。

【0011】

上アームゲート回路３０および下アームゲート回路４０は、制御回路１０から入力されるＰＷＭ信号に基づいてゲート信号を生成し、上アームスイッチング回路２１と下アームスイッチング回路２２にそれぞれ出力する。上アームスイッチング回路２１は、上アームゲート回路３０からのゲート信号に応じて複数のスイッチング素子をそれぞれスイッチング駆動させる。同様に、下アームスイッチング回路２２は、下アームゲート回路４０からのゲート信号に応じて複数のスイッチング素子をそれぞれスイッチング駆動させる。これにより、直流電力が交流電力に変換されてモータに供給される。

【0012】

ゲートドライブ電源回路５０は、上アームゲート回路３０および下アームゲート回路４０がそれぞれ動作するための電源（以下、「ゲートドライブ電源」と称する）を生成し、これらに供給する。なお、図１ではモータ駆動用の高圧バッテリから供給される直流電力を用いてゲートドライブ電源回路５０がゲートドライブ電源を生成する例を示しているが、制御回路１０等の動作電源として使用される低圧バッテリから供給される直流電力を用いてゲートドライブ電源を生成してもよい。

【0013】

低電圧異常検出回路６０は、ゲートドライブ電源回路５０から下アームゲート回路４０に印加されるゲートドライブ電源の電圧が所定の電圧範囲まで低下すると、これを低電圧異常として検出し、バックアップ電源回路７０を動作させる。以下では、低電圧異常検出回路６０が低電圧異常を検出するゲートドライブ電源の電圧範囲を「低電圧異常検出電圧範囲」と称する。なお、低電圧異常検出電圧範囲の詳細については、後で図２を参照して説明する。

【0014】

バックアップ電源回路７０は、ゲートドライブ電源回路５０から下アームゲート回路４０に印加されるゲートドライブ電源の電圧が、正常時にゲートドライブ電源回路５０が供給可能なゲートドライブ電源の電圧範囲（以下、「正常電圧範囲」と称する）を下回ったときに、ゲートドライブ電源回路５０に代わって、バックアップ用のゲートドライブ電源を下アームゲート回路４０に供給する。具体的には、ゲートドライブ電源回路５０から下アームゲート回路４０に印加されるゲートドライブ電源の電圧が正常電圧範囲よりも低下して上記の低電圧異常検出電圧範囲に達すると、低電圧異常検出回路６０によりバックアップ電源回路７０が起動され、バックアップ電源回路７０から下アームゲート回路４０へのゲートドライブ電源の供給が開始される。なお、ゲートドライブ電源回路５０と同様に、図１ではモータ駆動用の高圧バッテリから供給される直流電力を用いてバックアップ電源回路７０がバックアップ用のゲートドライブ電源を生成する例を示しているが、制御回路１０等の動作電源として使用される低圧バッテリから供給される直流電力を用いてゲートドライブ電源を生成してもよい。

【0015】

上アームゲート回路３０は、自身や上アームスイッチング回路２１の動作状態が異常であることを検知すると、上アームゲート回路異常信号を制御回路１０に出力する。たとえば、ゲートドライブ電源回路５０から供給されるゲートドライブ電源の電圧が、ゲート信号の生成に必要な所定の動作停止電圧未満に低下した場合や、上アームスイッチング回路２１に流れる電流が所定の過電流状態になった場合などに、上アームゲート回路３０は上アームゲート回路異常信号を出力する。同様に、下アームゲート回路４０は、自身や下アームスイッチング回路２２の動作状態が異常であることを検知すると、下アームゲート回路異常信号を制御回路１０に出力する。

【0016】

上アームゲート回路３０から上アームゲート回路異常信号、または下アームゲート回路４０から下アームゲート回路異常信号が入力されると、制御回路１０は、モータを安全に停止させるためのＰＷＭ信号を生成し、上アームゲート回路３０および下アームゲート回路４０に出力する。たとえば、上アームゲート回路３０と下アームゲート回路４０のうち、異常信号を出力した一方のゲート回路に対しては、全てのスイッチング素子をオフさせてオープン状態とするＰＷＭ信号を出力し、他方のゲート回路に対しては、全てのスイッチング素子をオンさせてショート状態とするＰＷＭ信号を出力する。これにより、上アームゲート回路３０、下アームゲート回路４０、上アームスイッチング回路２１または下アームスイッチング回路２２に異常が生じた場合に、モータを安全に停止して車両を安全状態に移行することができる。

【0017】

次に、ゲートドライブ電源回路５０に故障が発生した場合の電力変換装置１の動作について、図２を参照して説明する。図２において、符号１１０に示す電圧範囲は、ゲートドライブ電源回路５０が正常動作時に供給可能なゲートドライブ電源の電圧範囲、すなわち前述の正常電圧範囲を示している。この正常電圧範囲１１０は、たとえば１６Ｖ〜２０Ｖである。また、符号１１２に示す電圧範囲は、上アームゲート回路３０および下アームゲート回路４０が正常に動作できない低電圧異常状態となるゲートドライブ電源の電圧範囲、すなわち前述の動作停止電圧未満となる電圧範囲を示している。この電圧範囲１１２は、たとえば１２．５Ｖ未満である。これらの電圧範囲に対して、符号１１１に示す電圧範囲は、低電圧異常検出回路６０が低電圧異常を検出する低電圧異常検出電圧範囲を示している。この低電圧異常検出電圧範囲１１１は、正常電圧範囲１１０と動作停止電圧未満の電圧範囲１１２との間に設定される。たとえば、１３Ｖ〜１５Ｖで低電圧異常検出電圧範囲１１１が設定される。

【0018】

図２において、破線１２０と実線１２１は、ゲートドライブ電源回路５０に故障が発生した場合に上アームゲート回路３０と下アームゲート回路４０にそれぞれ供給されるゲートドライブ電源の電圧変化の一例を示している。なお、時刻ｔ２までは、破線１２０と実線１２１は共通である。

【0019】

破線１２０および実線１２１に示すように、時刻ｔ１においてゲートドライブ電源回路５０に故障が発生し、ゲートドライブ電源回路５０から上アームゲート回路３０および下アームゲート回路４０に印加されるゲートドライブ電源の電圧が低下し始めたとする。この場合、ゲートドライブ電源の電圧が正常電圧範囲１１０よりも低下して低電圧異常検出電圧範囲１１１内になると、たとえば時刻ｔ２において、低電圧異常検出回路６０が低電圧異常を検出し、バックアップ電源回路７０を起動させる。これにより、ゲートドライブ電源回路５０に代わってバックアップ電源回路７０からバックアップ用のゲートドライブ電源が下アームゲート回路４０に供給され、実線１２１に示すように、下アームゲート回路４０への印加電圧が上昇する。そして、下アームゲート回路４０への印加電圧が所定の動作電圧範囲内になることで、ゲートドライブ電源回路５０の故障時においても、下アームゲート回路４０を正常に動作させることができる。

【0020】

一方、ゲートドライブ電源回路５０に故障が発生すると、ゲートドライブ電源回路５０から上アームゲート回路３０に印加されるゲートドライブ電源の電圧は、破線１２０に示すように低下し続ける。そして、上アームゲート回路３０への印加電圧が電圧範囲１１２に達するまで低下すると、たとえば時刻ｔ３において、上アームゲート回路３０が制御回路１０に上アームゲート回路異常信号を出力する。

【0021】

時刻ｔ３において上アームゲート回路３０から上アームゲート回路異常信号が入力されると、制御回路１０は、上アームゲート回路３０に対して、上アームスイッチング回路２１の全てのスイッチング素子をオフさせるようにＰＷＭ信号を出力する。このＰＷＭ信号を受けた上アームゲート回路３０は、上アームスイッチング回路２１の全てのスイッチング素子をオフさせてオープン状態とする。なお、上アームゲート回路異常信号を出力する際に、制御回路１０からのＰＷＭ信号を待たずに、上アームゲート回路３０が上アームスイッチング回路２１の全てのスイッチング素子をオフさせるように制御してもよい。一方、制御回路１０は、下アームゲート回路４０に対しては、下アームスイッチング回路２２の全てのスイッチング素子をオンさせるようにＰＷＭ信号を出力する。このＰＷＭ信号を受けた下アームゲート回路４０は、下アームスイッチング回路２２の全てのスイッチング素子をオンさせてショート状態とする。これにより、モータの回転数が高い状態でも、モータを安全に停止して車両を安全状態に移行することができる。

【0022】

次に、ゲートドライブ電源回路５０、低電圧異常検出回路６０、およびバックアップ電源回路７０の具体的な回路構成例とその動作について説明する。図３は、三相交流モータに対するゲートドライブ電源回路５０、低電圧異常検出回路６０およびバックアップ電源回路７０の回路構成例を示す図である。ゲートドライブ電源回路５０は、Ｕ相ゲートドライブ電源回路５１、Ｖ相ゲートドライブ電源回路５２、Ｗ相ゲートドライブ電源回路５３により構成される。なお、図３におけるゲートドライブ電源回路５０はフライバック方式による電源回路の２次側のみを図示している。低電圧異常検出回路６０は、Ｕ相低電圧異常検出回路６１、Ｖ相低電圧異常検出回路６２、Ｗ相低電圧異常検出回路６３により構成される。バックアップ電源回路７０は、Ｕ相バックアップ電源回路７１、Ｖ相バックアップ電源回路７２、Ｗ相バックアップ電源回路７３により構成される。

【0023】

Ｕ相低電圧異常検出回路６１において、ツェナーダイオードＺ１１のツェナー電圧Ｖｚは、以下の式（１）に示す範囲内で設定される。式（１）において、Ｖｔｈ１は下アームゲート回路４０が正常動作可能なゲートドライブ電源電圧の最小値、すなわち下アームゲート回路４０の動作停止電圧であり、図２の電圧範囲１１２の上限値に相当する。一方、Ｖｔｈ２はゲートドライブ電源回路５０の出力電圧の最小値であり、図２の正常電圧範囲１１０の下限値に相当する。また、ＶｂｅはトランジスタＴ１１のベース・エミッタ間電圧を表し、ＶｄはダイオードＤ１１の順方向電圧降下の電圧値を表す。なお、Ｖ相低電圧異常検出回路６２およびＷ相低電圧異常検出回路６３についても同様である。
Ｖｔｈ１＋Ｖｂｅ＜Ｖｚ＜Ｖｔｈ２−Ｖｄ＋Ｖｂｅ ・・・（１）

【0024】

Ｕ相ゲートドライブ電源回路５１から出力されるＵ相ゲートドライブ電源の電圧値が低下すると、Ｕ相低電圧異常検出回路６１において、ツェナーダイオードＺ１１がブレイクダウンし、トランジスタＴ１１がオン状態になる。すると、Ｕ相バックアップ電源回路７１において、ツェナーダイオードＺ１のツェナー電圧からトランジスタＴ１のゲートがオンになるゲート閾値電圧を引いた電圧値が、バックアップ用のＵ相ゲートドライブ電源として出力される。なお、Ｖ相低電圧異常検出回路６２およびＶ相バックアップ電源回路７２と、Ｗ相低電圧異常検出回路６３およびＷ相バックアップ電源回路７３とについても、同様である。

【0025】

以上説明したように、Ｕ相低電圧異常検出回路６１では、トランジスタＴ１１のオンオフ状態に応じて、Ｕ相バックアップ電源回路７１によるＵ相ゲートドライブ電源のバックアップの有効・無効を制御している。これにより、Ｕ相ゲートドライブ電源回路５１に異常が発生してからバックアップ用の電源供給が開始されるまでの時間を短縮している。なお、Ｕ相以外のＶ相、Ｗ相についても同様である。

【0026】

（比較例）
ここで、本発明の比較例として、ゲートドライブ電源のバックアップ機能を有しない電力変換装置について説明する。図４は、本発明の比較例に係る電力変換装置の構成を示す図である。図４に示す電力変換装置１Ｎは、低電圧異常検出回路６０およびバックアップ電源回路７０を備えていない点以外は、図１に示した電力変換装置１と同様の構成を有している。

【0027】

電力変換装置１Ｎでは、低電圧異常検出回路６０およびバックアップ電源回路７０を備えていないため、ゲートドライブ電源回路５０に故障が発生すると、ゲートドライブ電源回路５０から上アームゲート回路３０および下アームゲート回路４０に印加されるゲートドライブ電源の電圧が共に低下し続ける。その結果、上アームゲート回路３０と下アームゲート回路４０から制御回路１０に対して、上アームゲート回路異常信号と下アームゲート回路異常信号がそれぞれ出力される。この場合、制御回路１０は、上アームゲート回路３０に対して、上アームスイッチング回路２１の全てのスイッチング素子をオフさせるようにＰＷＭ信号を出力すると共に、下アームゲート回路４０に対しても、下アームスイッチング回路２２の全てのスイッチング素子をオフさせるようにＰＷＭ信号を出力する。

【0028】

上記のように、上アームスイッチング回路２１および下アームスイッチング回路２２において全てのスイッチング素子がオフされてしまうと、モータの回転によって生じる起電力がスイッチング素子に対して印加される。そのため、モータの回転数が高い状態では、モータの起電力がスイッチング素子の耐圧を超過してしまい、スイッチング素子が破壊に至るおそれがある。また、モータの起電力によって生じた回生電流が高圧バッテリに流れ込み、回生トルクが発生するという問題も生じる。電力変換装置１Ｎでは、下アームゲート回路４０にバックアップ用のゲートドライブ電源を供給できないため、これらの問題を回避することができない。

【0029】

以上説明したように、比較例による電力変換装置１Ｎでは、ゲートドライブ電源回路５０に故障が発生すると、上アームゲート回路３０および下アームゲート回路４０の両方がオフになってしまう。そのため、上アームスイッチング回路２１または下アームスイッチング回路２２の一方において、そのスイッチング回路を構成する全てのスイッチング素子をオンさせる３相ショート状態とすることができずに、モータを安全状態に移行することが困難となる。

【0030】

一方、本発明の一実施形態による電力変換装置１では、ゲートドライブ電源回路５０に故障が発生すると、バックアップ電源回路７０から下アームゲート回路４０に対してバックアップ用のゲートドライブ電源を供給し、下アームゲート回路４０の動作を継続させるようにする。そのため、インバータ回路部２０では、下アームゲート回路４０からのゲート信号に応じて、下アームスイッチング回路２２の全てのスイッチング素子をオンさせてショート状態とし、モータを安全状態に移行することができる。

【0031】

なお、以上説明した本発明の実施形態は、以下のように変形してもよい。

【0032】

（第１の変形例）
図５は、本発明の第１の変形例に係る電力変換装置の構成を示す図である。図５に示す電力変換装置１Ａでは、低電圧異常検出回路６０およびバックアップ電源回路７０が上アームゲート回路３０に接続されている。そのため、ゲートドライブ電源回路５０に故障が発生し、ゲートドライブ電源回路５０から上アームゲート回路３０に印加されるゲートドライブ電源の電圧が低下して低電圧異常検出電圧範囲に達すると、ゲートドライブ電源回路５０に代わって、バックアップ用のゲートドライブ電源が上アームゲート回路３０に供給される。これにより、インバータ回路部２０では、上アームゲート回路３０からのゲート信号に応じて、上アームスイッチング回路２１の全てのスイッチング素子をオンさせてショート状態とし、モータを安全状態に移行することができるようになっている。これ以外の点は、第１の実施形態で説明した電力変換装置１と同様である。

【0033】

（第２の変形例）
図６は、本発明の第２の変形例に係る電力変換装置の構成を示す図である。図６に示す電力変換装置１Ｂでは、低電圧異常検出回路６０Ａおよびバックアップ電源回路７０Ａが下アームゲート回路４０に接続されていると共に、低電圧異常検出回路６０Ｂおよびバックアップ電源回路７０Ｂが上アームゲート回路３０に接続されている。なお、低電圧異常検出回路６０Ａ、６０Ｂは、第１の実施形態で説明した低電圧異常検出回路６０とそれぞれ同様のものであり、バックアップ電源回路７０Ａ、７０Ｂは、第１の実施形態で説明したバックアップ電源回路７０とそれぞれ同様のものである。そのため、ゲートドライブ電源回路５０に故障が発生し、ゲートドライブ電源回路５０から出力されるゲートドライブ電源の電圧が低下して低電圧異常検出電圧範囲に達すると、ゲートドライブ電源回路５０に代わって、バックアップ用のゲートドライブ電源が上アームゲート回路３０および下アームゲート回路４０にそれぞれ供給される。これにより、インバータ回路部２０Ｂでは、上アームゲート回路３０または下アームゲート回路４０からのゲート信号に応じて、上アームスイッチング回路２１または下アームスイッチング回路２２のうちいずれか任意の一方の全てのスイッチング素子をオンさせてショート状態とし、他方の全てのスイッチング素子をオフさせてオープン状態とすることで、モータを安全状態に移行することができるようになっている。

【0034】

さらに、図６の電力変換装置１Ｂでは、インバータ回路部２０Ｂが温度検出回路２３を有している。温度検出回路２３は、上アームスイッチング回路２１および下アームスイッチング回路２２の各スイッチング素子の温度を検出し、その検出結果に応じた温度検出信号を制御回路１０に出力する。制御回路１０は、温度検出回路２３から入力される温度検出信号に基づいて、ショート状態で駆動させるスイッチング回路を上アームスイッチング回路２１または下アームスイッチング回路２２のいずれか一方から他方へと切り替える。すなわち、ショート状態で駆動中のスイッチング回路においていずれかのスイッチング素子の温度が所定温度以上になった場合、制御回路１０は当該スイッチング素子が過温度状態にあると判断し、ショート状態で駆動させるスイッチング回路を他方へと切り替える。これ以外の点は、第１の実施形態で説明した電力変換装置１と同様である。

【0035】

（第３の変形例）
図７は、本発明の第３の変形例に係る電力変換装置の構成を示す図である。図７に示す電力変換装置１Ｃでは、上アームゲート回路３０から出力された上アームゲート回路異常信号が、制御回路１０ではなく下アームゲート回路４０に入力される。上アームゲート回路３０から上アームゲート回路異常信号が入力されると、下アームゲート回路４０は、下アームスイッチング回路２２の全てのスイッチング素子をオンさせてショート状態とする。これにより、モータを安全状態に移行することができるようになっている。これ以外の点は、第１の実施形態で説明した電力変換装置１と同様である。

【0036】

なお、図７では、低電圧異常検出回路６０およびバックアップ電源回路７０を下アームゲート回路４０に接続すると共に、上アームゲート回路３０から出力された上アームゲート回路異常信号を下アームゲート回路４０に入力している。しかし、上アームゲート回路３０と下アームゲート回路４０を入れ替えても、同様の動作とすることができる。すなわち、第１の変形例のように、低電圧異常検出回路６０およびバックアップ電源回路７０が上アームゲート回路３０に接続されたものにおいて、下アームゲート回路４０から出力された下アームゲート回路異常信号を上アームゲート回路３０に入力してもよい。この場合、下アームゲート回路４０から下アームゲート回路異常信号が入力されると、上アームゲート回路３０は、上アームスイッチング回路２１の全てのスイッチング素子をオンさせてショート状態とする。このようにしても、モータを安全状態に移行することができる。

【0037】

（第４の変形例）
図８は、本発明の第４の変形例に係る電力変換装置の構成を示す図である。図８に示す電力変換装置１Ｄでは、バックアップ電源回路７０の出力が、下アームゲート回路４０に加えて、さらにインバータ回路部２０Ｄが有する温度検出回路２３およびアクティブディスチャージ回路２４にも接続されている。温度検出回路２３は、上アームスイッチング回路２１および下アームスイッチング回路２２の各スイッチング素子の温度を検出し、その検出結果に応じた温度検出信号を制御回路１０に出力する。アクティブディスチャージ回路２４は、インバータ回路部２０Ｄにおいて、作業者や運転者による不慮の感電を防止するために、不図示の平滑コンデンサ等に蓄積された電荷を電源切断時等に急速に放出させる。これにより、モータ停止時の安全性をさらに向上させている。これ以外の点は、第１の実施形態で説明した電力変換装置１と同様である。

【0038】

なお、図８では、低電圧異常検出回路６０およびバックアップ電源回路７０を下アームゲート回路４０に接続している。しかし、上アームゲート回路３０と下アームゲート回路４０を入れ替えても、同様の動作とすることができる。すなわち、第１の変形例のように、低電圧異常検出回路６０およびバックアップ電源回路７０が上アームゲート回路３０に接続されたものにおいて、バックアップ電源回路７０から温度検出回路２３およびアクティブディスチャージ回路２４にバックアップ用のゲートドライブ電源を供給してもよい。さらに、第２の変形例のように、低電圧異常検出回路６０Ａおよびバックアップ電源回路７０Ａが下アームゲート回路４０に接続されると共に、低電圧異常検出回路６０Ｂおよびバックアップ電源回路７０Ｂが上アームゲート回路３０に接続されたものにおいて、バックアップ電源回路７０Ａおよび７０Ｂの少なくとも一方から温度検出回路２３およびアクティブディスチャージ回路２４にバックアップ用のゲートドライブ電源を供給してもよい。あるいは、図６に示した第２の変形例に係る電力変換装置１Ｂにおいて、バックアップ電源回路７０Ａおよび７０Ｂの少なくとも一方から温度検出回路２３にバックアップ用のゲートドライブ電源を供給してもよい。このようにしても、モータ停止時の安全性をさらに向上させることができる。

【0039】

（第５の変形例）
図９は、本発明の第５の変形例に係る電力変換装置の構成を示す図である。図９に示す電力変換装置では、第１の実施形態で説明した電力変換装置１と、比較例で説明した電力変換装置１Ｎとが、共通の交流モータ８０に接続されている。すなわち、図１で説明した電力変換装置１のインバータ回路部２０と、図４で説明した電力変換装置１Ｎのインバータ回路部２０とは、共通の交流モータ８０に接続されており、この交流モータ８０に対して交流電力をそれぞれ供給する。

【0040】

電力変換装置１、１Ｎにおいてゲートドライブ電源回路５０に故障が発生し、ゲートドライブ電源回路５０から下アームゲート回路４０に印加されるゲートドライブ電源の電圧が低下すると、電力変換装置１のバックアップ電源回路７０は、電力変換装置１の下アームゲート回路４０にバックアップ用のゲートドライブ電源を供給する。これにより、下アームスイッチング回路２２の全てのスイッチング素子をオンさせてショート状態とすることができる。一方、電力変換装置１Ｎはバックアップ電源回路７０を有していないため、電力変換装置１Ｎの下アームゲート回路４０にはバックアップ用のゲートドライブ電源が供給されず、下アームスイッチング回路２２をショート状態とすることができない。しかし、電力変換装置１と電力変換装置１Ｎは同一の交流モータ８０に接続されているため、上記のように電力変換装置１の下アームスイッチング回路２２をショート状態とすることで、電力変換装置１Ｎにおいて前述のような問題が生じることはない。

【0041】

なお、図９では、電力変換装置１と電力変換装置１Ｎとを共通の交流モータ８０に接続しているが、電力変換装置１を各変形例で説明した電力変換装置１Ａ〜１Ｄに置き換えてもよい。また、３つ以上の電力変換装置を一つの交流モータ８０に接続してもよい。交流モータ８０に共通に接続された複数の電力変換装置のうち少なくとも一つが、前述の実施形態および各変形例で説明したような電力変換装置であれば、任意の構成とすることが可能である。

【0042】

以上説明した本発明の実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

【0043】

（１）電力変換装置１，１Ａ〜１Ｄは、複数のスイッチング素子をそれぞれ有する上アームスイッチング回路２１および下アームスイッチング回路２２を含むインバータ回路部２０と、上アームスイッチング回路２１にゲート信号を出力する上アームゲート回路３０と、下アームスイッチング回路２２にゲート信号を出力する下アームゲート回路４０と、上アームゲート回路３０および下アームゲート回路４０にゲートドライブ電源を供給するゲートドライブ電源回路５０と、ゲートドライブ電源回路５０に代わって、上アームゲート回路３０および下アームゲート回路４０の少なくとも一方にゲートドライブ電源を供給するバックアップ電源回路７０と、を備える。ゲートドライブ電源回路５０は、所定の正常電圧範囲１１０内でゲートドライブ電源を供給可能である。バックアップ電源回路７０は、ゲートドライブ電源回路５０から上アームゲート回路３０および下アームゲート回路４０の少なくとも一方に印加されるゲートドライブ電源の電圧が正常電圧範囲１１０よりも低い場合に、上アームゲート回路３０および下アームゲート回路４０の少なくとも一方にゲートドライブ電源を供給する。上アームゲート回路３０および下アームゲート回路４０の少なくとも一方は、バックアップ電源回路７０からゲートドライブ電源を供給されているときには、上アームスイッチング回路２１または下アームスイッチング回路２２の一方のスイッチング回路では全てのスイッチング素子をオンさせるショート状態とし、他方のスイッチング回路では全てのスイッチング素子をオフさせるオープン状態として、上アームスイッチング回路２１および下アームスイッチング回路２２をそれぞれ駆動させる。このようにしたので、ゲートドライブ電源喪失時の可用性を向上させることができる。

【0044】

（２）ゲートドライブ電源回路５０から上アームゲート回路３０および下アームゲート回路４０の少なくとも一方に印加されるゲートドライブ電源の電圧が、正常電圧範囲１１０よりも低い所定の低電圧異常検出電圧範囲１１１内である場合に、低電圧異常を検出してバックアップ電源回路７０を動作させる低電圧異常検出回路６０をさらに備える。このようにしたので、適切なタイミングでバックアップ電源回路７０からバックアップ用のゲートドライブ電源を供給することができる。

【0045】

（３）上アームゲート回路３０および下アームゲート回路４０の少なくとも一方は、ゲートドライブ電源回路５０から供給されるゲートドライブ電源の電圧が所定の動作停止電圧Ｖｔｈ１未満となったときに、オープン状態で上アームスイッチング回路２１および下アームスイッチング回路２２をそれぞれ駆動させる。バックアップ電源回路７０は、ゲートドライブ電源回路５０から上アームゲート回路３０および下アームゲート回路４０の少なくとも一方に印加されるゲートドライブ電源の電圧が正常電圧範囲１１０よりも低く、かつ動作停止電圧Ｖｔｈ１よりも高い場合に、上アームゲート回路３０および下アームゲート回路４０の少なくとも一方にゲートドライブ電源を供給する。このようにしたので、上アームゲート回路３０や下アームゲート回路４０が正常に動作できない低電圧異常状態となる前に、バックアップ用のゲートドライブ電源を供給することができる。

【0046】

（４）電力変換装置１では、バックアップ電源回路７０は、ゲートドライブ電源回路５０から下アームゲート回路４０に印加されるゲートドライブ電源の電圧が正常電圧範囲１１０よりも低い場合に、下アームゲート回路４０にゲートドライブ電源を供給する。このようにしたので、ゲートドライブ電源喪失時の可用性を向上させる際に、消費電力の削減、回路規模の低減、低コスト化等を実現できる。

【0047】

（５）電力変換装置１Ａでは、バックアップ電源回路７０は、ゲートドライブ電源回路５０から上アームゲート回路３０に印加されるゲートドライブ電源の電圧が正常電圧範囲１１０よりも低い場合に、上アームゲート回路３０にゲートドライブ電源を供給する。このようにしたので、上記と同様に、ゲートドライブ電源喪失時の可用性を向上させる際に、消費電力の削減、回路規模の低減、低コスト化等を実現できる。

【0048】

（６）電力変換装置１Ｂでは、バックアップ電源回路７０Ａ，７０Ｂは、ゲートドライブ電源回路５０から上アームゲート回路３０に印加されるゲートドライブ電源の電圧が正常電圧範囲１１０よりも低い場合には、上アームゲート回路３０にゲートドライブ電源を供給し、ゲートドライブ電源回路５０から下アームゲート回路４０に印加されるゲートドライブ電源の電圧が正常電圧範囲１１０よりも低い場合には、下アームゲート回路４０にゲートドライブ電源を供給する。このようにしたので、ゲートドライブ電源喪失時の可用性をさらに向上させることが可能となる。

【0049】

（７）また、電力変換装置１Ｂでは、インバータ回路部２０Ｂは、上アームスイッチング回路２１および下アームスイッチング回路２２の各スイッチング素子の温度を検出する温度検出回路２３を有する。上アームスイッチング回路２１または下アームスイッチング回路２２の一方のスイッチング回路がショート状態で駆動されているときに、温度検出回路２３で検出されたスイッチング素子の温度が所定温度以上になった場合、ショート状態で駆動させるスイッチング回路を一方のスイッチング回路から他方のスイッチング回路に切り替え、オープン状態で駆動させるスイッチング回路を他方のスイッチング回路から一方のスイッチング回路に切り替える。このようにしたので、一方のスイッチング回路においてスイッチング素子が過温度状態になった場合でも、一方のスイッチング回路でショート状態を継続させることができる。

【0050】

（８）電力変換装置１Ｃでは、上アームゲート回路３０または下アームゲート回路４０の一方のゲート回路は、ゲートドライブ電源回路５０から供給されるゲートドライブ電源の電圧が所定の動作停止電圧Ｖｔｈ１未満となったときに、他方のゲート回路へ所定の異常信号を出力する。他方のゲート回路は、一方のゲート回路から異常信号が入力されると、ショート状態で上アームスイッチング回路２１または下アームスイッチング回路２２を駆動させる。このようにしたので、制御回路１０が正常に動作できない場合でも、上アームスイッチング回路２１または下アームスイッチング回路２２をショートとすることができるため、ゲートドライブ電源喪失時の可用性をさらに向上させることが可能となる。

【0051】

（９）電力変換装置１Ｄでは、インバータ回路部２０Ｄは、上アームスイッチング回路２１および下アームスイッチング回路２２の各スイッチング素子の温度を検出する温度検出回路２３と、インバータ回路部２０Ｄに蓄積された電荷を放出するアクティブディスチャージ回路１４とを有する。バックアップ電源回路７０は、ゲートドライブ電源回路５０から上アームゲート回路３０および下アームゲート回路４０の少なくとも一方に印加されるゲートドライブ電源の電圧が正常電圧範囲１１０よりも低い場合に、温度検出回路２３およびアクティブディスチャージ回路２４の少なくとも一方にもバックアップ用のゲートドライブ電源を供給する。また、電力変換装置１Ｂにおいて、バックアップ電源回路７０Ａ、７０Ｂは、ゲートドライブ電源回路５０から上アームゲート回路３０および下アームゲート回路４０の少なくとも一方に印加されるゲートドライブ電源の電圧が正常電圧範囲１１０よりも低い場合に、温度検出回路２３にもバックアップ用の電源を供給することとしてもよい。このようにしたので、モータ停止時の安全性をさらに向上させることができる。

【0052】

（１０）第５の変形例で説明した電力変換装置は、電力変換装置１に加えて、複数のスイッチング素子をそれぞれ有する上アームスイッチング回路２１および下アームスイッチング回路２２を含むインバータ回路部２０と、上アームスイッチング回路２１にゲート信号を出力する上アームゲート回路３０と、下アームスイッチング回路２２にゲート信号を出力する下アームゲート回路４０とを有する電力変換装置１Ｎをさらに備える。電力変換装置１のインバータ回路部２０および電力変換装置１Ｎのインバータ回路部２０は、共通の交流モータ８０に接続されている。電力変換装置１のバックアップ電源回路７０は、電力変換装置１Ｎの上アームゲート回路３０および下アームゲート回路４０のいずれにもゲートドライブ電源を供給しない。このようにしたので、複数のインバータでモータを駆動する構成の電力変換装置において、低コストでゲートドライブ電源喪失時の可用性を向上させることができる。

【0053】

以上説明した実施形態や各種変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。また、上記では種々の実施形態や変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

【符号の説明】

【0054】

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｎ：電力変換装置、１０：制御回路、２０，２０Ｂ，２０Ｄ：インバータ回路部、２１：上アームスイッチング回路、２２：下アームスイッチング回路、２３：温度検出回路、２４：アクティブディスチャージ回路、３０：上アームゲート回路、４０：下アームゲート回路、５０：ゲートドライブ電源回路、６０，６０Ａ，６０Ｂ：低電圧異常検出回路、７０，７０Ａ，７０Ｂ：バックアップ電源回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】