特開 2024-163667 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024163667

(43)【公開日】2024-11-22

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/12 20060101AFI20241115BHJP

【ＦＩ】

H02M7/12 G

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023079480

(22)【出願日】2023-05-12

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100124062

【弁理士】

【氏名又は名称】三上 敬史

(74)【代理人】

【識別番号】100148013

【弁理士】

【氏名又は名称】中山 浩光

(74)【代理人】

【識別番号】100171583

【弁理士】

【氏名又は名称】梅景 篤

(72)【発明者】

【氏名】爲永 陽樹

【テーマコード（参考）】

5H006

【Ｆターム（参考）】

5H006CA01

5H006CA02

5H006CB08

5H006CC01

5H006DA04

5H006DB01

5H006DC02

5H006DC05

5H006GA01

5H006GA04

(57)【要約】

【課題】三相交流電圧が停止してから電力変換装置の動作を停止させるまでに要する時間を短縮可能な電力変換装置を提供すること。
【解決手段】電力変換装置１は、電源装置２から供給される三相交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換回路３と、Ｕ相電圧の電圧値Ｖｕ、Ｖ相電圧の電圧値Ｖｖ、及びＷ相電圧の電圧値Ｖｗを検出する電圧検出回路６と、ＡＣ／ＤＣ変換回路３を駆動する駆動信号を出力する制御回路１０と、を備え、制御回路１０は、電圧値Ｖｕの絶対値と電圧値Ｖｖの絶対値と電圧値Ｖｗの絶対値との合計値が予め定められた閾値を下回った場合に、三相交流電圧が停止したと判定し、駆動信号の出力を停止する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電源装置から供給される三相交流電圧であって、第１相電圧、第２相電圧、及び第３相電圧を含む前記三相交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換回路と、
前記第１相電圧の第１電圧値、前記第２相電圧の第２電圧値、及び前記第３相電圧の第３電圧値を検出する検出回路と、
前記ＡＣ／ＤＣ変換回路を駆動する駆動信号を出力する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記第１電圧値の絶対値と前記第２電圧値の絶対値と前記第３電圧値の絶対値との合計値が予め定められた閾値を下回った場合に、前記三相交流電圧が停止したと判定し、前記駆動信号の出力を停止する、電力変換装置。

【請求項2】

前記制御回路は、前記合計値が前記閾値を上回る状態が規定時間継続した場合に、前記三相交流電圧が復帰したと判定し、前記駆動信号の出力を再開する、請求項１に記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

三相交流電源の停止を判定する手法が知られている。例えば、特許文献１には、三相交流電圧を直流電圧に変換する整流器の後段に設けられた中間コンデンサの電圧の瞬時値と瞬時値の平均値との偏差が基準値を下回ると、インバータを停止させる技術が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１６－２５７７９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、中間コンデンサの電圧を用いて三相交流電圧の停止が判定される。しかしながら、三相交流電圧が停止しても中間コンデンサの電圧に即座に反映されないので、三相交流電圧が停止してからインバータを停止させるまでに時間が掛かってしまう。このため、電流が三相交流電源に回生し、過電流により部品が故障するおそれがある。

【0005】

本開示は、三相交流電圧が停止してから電力変換装置の動作を停止させるまでに要する時間を短縮可能な電力変換装置を説明する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一側面に係る電力変換装置は、電源装置から供給される三相交流電圧であって、第１相電圧、第２相電圧、及び第３相電圧を含む三相交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換回路と、第１相電圧の第１電圧値、第２相電圧の第２電圧値、及び第３相電圧の第３電圧値を検出する検出回路と、ＡＣ／ＤＣ変換回路を駆動する駆動信号を出力する制御回路と、を備える。制御回路は、第１電圧値の絶対値と第２電圧値の絶対値と第３電圧値の絶対値との合計値が予め定められた閾値を下回った場合に、三相交流電圧が停止したと判定し、駆動信号の出力を停止する。

【0007】

この電力変換装置においては、第１相電圧の第１電圧値の絶対値と第２相電圧の第２電圧値の絶対値と第３相電圧の第３電圧値の絶対値との合計値が閾値を下回った場合に、三相交流電圧が停止したと判定され、駆動信号の出力が停止される。瞬停が発生した場合、並びに、三相交流電圧の波形が矩形波及び半波波形といった異常な波形である場合には、上記合計値はある程度の大きさを有する。したがって、閾値を適切に設定することにより、瞬停及び異常波形と三相交流電圧の停止とを区別することができる。また、各相電圧の電圧値が用いられるので、三相交流電圧の停止が即座に判定され、駆動信号の出力が即座に停止される。したがって、三相交流電圧が停止してから電力変換装置の動作を停止させるまでに要する時間を短縮することが可能となる。

【0008】

いくつかの実施形態においては、制御回路は、合計値が閾値を上回る状態が規定時間継続した場合に、三相交流電圧が復帰したと判定してもよく、駆動信号の出力を再開してもよい。合計値が閾値付近で変動することがある。このような場合、合計値が閾値を上回ったことに応じて、駆動信号の出力を再開したとすると、駆動信号の出力停止と出力再開とが繰り返され、チャタリングが発生するおそれがある。これに対し、合計値が閾値を上回る状態が規定時間継続した場合に、駆動信号の出力を再開することで、チャタリングが発生する可能性を低減することができる。

【発明の効果】

【0009】

本開示によれば、三相交流電圧が停止してから電力変換装置の動作を停止させるまでに要する時間を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、一実施形態に係る電力変換装置の概略構成図である。

【図2】図２は、図１に示される制御回路が行う三相交流電圧の停止判定方法の一例を示すフローチャートである。

【図3】図３は、正常な三相交流電圧及び合計値の波形を示す図である。

【図4】図４は、瞬停を含む三相交流電圧及び合計値の波形を示す図である。

【図5】図５は、矩形波の三相交流電圧及び合計値の波形を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、添付図面を参照しながら一実施形態に係る電力変換装置を詳細に説明する。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。

【0012】

図１を参照しながら、一実施形態に係る電力変換装置の構成を説明する。図１は、一実施形態に係る電力変換装置の概略構成図である。図１に示される電力変換装置１は、電源装置２から供給された三相交流電圧を直流電圧に変換する装置である。電力変換装置１は、例えば、充電器に適用される。

【0013】

電源装置２は、三相交流電源である。電源装置２は、Ｕ相電圧（第１相電圧）、Ｖ相電圧（第２相電圧）、及びＷ相電圧（第３相電圧）を含む三相交流電圧を供給する。Ｕ相電圧の位相、Ｖ相電圧の位相、及びＷ相電圧の位相は、互いに１２０°ずれている。

【0014】

電力変換装置１は、入力端子１ａ、入力端子１ｂ、入力端子１ｃ、及び入力端子１ｄを有している。電力変換装置１は、入力端子１ａ、入力端子１ｂ、入力端子１ｃ、及び入力端子１ｄを介して電源装置２に接続される。具体的には、入力端子１ａはＵ相電圧を受け、入力端子１ｂはＶ相電圧を受け、入力端子１ｃはＷ相電圧を受ける。入力端子１ｄは、電源装置２の中性点に接続されている。

【0015】

電力変換装置１は、出力端子１ｅ及び出力端子１ｆを有している。出力端子１ｅ及び出力端子１ｆは、直流電圧を出力する。出力端子１ｆは、接地されている。

【0016】

電力変換装置１は、ＡＣ／ＤＣ変換回路３と、フィルタ回路４と、フィルタ回路５と、電圧検出回路６（検出回路）と、電流検出回路７と、制御回路１０と、平滑コンデンサＣ１，Ｃ２と、を含む。

【0017】

ＡＣ／ＤＣ変換回路３は、電源装置２から供給される三相交流電圧を直流電圧に変換する回路である。ＡＣ／ＤＣ変換回路３は、複数のスイッチング素子（スイッチング素子ＳＷ１、スイッチング素子ＳＷ２、スイッチング素子ＳＷ３、スイッチング素子ＳＷ４、スイッチング素子ＳＷ５、及びスイッチング素子ＳＷ６）を含む。

【0018】

各スイッチング素子は、その両端の電気的な接続状態を導通状態（オン状態）と遮断状態（オフ状態）との間で切り替え可能な回路要素である。各スイッチング素子は、例えば、還流ダイオードが並列に接続された金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、又は還流ダイオードが並列に接続された絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）から構成されている。各スイッチング素子に制御回路１０から駆動信号が供給されることによって、スイッチング素子の状態がオン状態とオフ状態との間で切り替えられる。本実施形態では、スイッチング素子として、還流ダイオードが並列に接続されたｎチャネルＭＯＳＦＥＴが例示される。

【0019】

スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ４とは、出力端子１ｅと出力端子１ｆとの間に直列に接続されている。具体的には、スイッチング素子ＳＷ１のドレインは、出力端子１ｅに接続されている。スイッチング素子ＳＷ１のソースとスイッチング素子ＳＷ４のドレインとは互いに接続されており、後述のリアクトル５１及びフィルタ回路４を介して入力端子１ａに接続されている。スイッチング素子ＳＷ４のソースは、出力端子１ｆに接続されている。

【0020】

スイッチング素子ＳＷ２とスイッチング素子ＳＷ５とは、出力端子１ｅと出力端子１ｆとの間に直列に接続されている。具体的には、スイッチング素子ＳＷ２のドレインは、出力端子１ｅに接続されている。スイッチング素子ＳＷ２のソースとスイッチング素子ＳＷ５のドレインとは互いに接続されており、後述のリアクトル５２及びフィルタ回路４を介して入力端子１ｂに接続されている。スイッチング素子ＳＷ５のソースは、出力端子１ｆに接続されている。

【0021】

スイッチング素子ＳＷ３とスイッチング素子ＳＷ６とは、出力端子１ｅと出力端子１ｆとの間に直列に接続されている。具体的には、スイッチング素子ＳＷ３のドレインは、出力端子１ｅに接続されている。スイッチング素子ＳＷ３のソースとスイッチング素子ＳＷ６のドレインとは互いに接続されており、後述のリアクトル５３及びフィルタ回路４を介して入力端子１ｃに接続されている。スイッチング素子ＳＷ６のソースは、出力端子１ｆに接続されている。

【0022】

平滑コンデンサＣ１及び平滑コンデンサＣ２は、ＡＣ／ＤＣ変換回路３から出力される直流電圧を平滑化する。平滑コンデンサＣ１及び平滑コンデンサＣ２は、出力端子１ｅと出力端子１ｆとの間に直列に接続されている。

【0023】

フィルタ回路４及びフィルタ回路５は、ＡＣ／ＤＣ変換回路３のスイッチングによって発生する高調波成分を抑制する回路である。フィルタ回路４及びフィルタ回路５は、入力端子１ａ、入力端子１ｂ、及び入力端子１ｃと、ＡＣ／ＤＣ変換回路３との間に設けられている。フィルタ回路５は、リアクトル５１と、リアクトル５２と、リアクトル５３と、を含む。

【0024】

リアクトル５１の一端はフィルタ回路４を介して入力端子１ａに接続され、リアクトル５１の他端はスイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ４との接続点に接続されている。リアクトル５２の一端はフィルタ回路４を介して入力端子１ｂに接続され、リアクトル５２の他端はスイッチング素子ＳＷ２とスイッチング素子ＳＷ５との接続点に接続されている。リアクトル５３の一端はフィルタ回路４を介して入力端子１ｃに接続され、リアクトル５３の他端はスイッチング素子ＳＷ３とスイッチング素子ＳＷ６との接続点に接続されている。

【0025】

電圧検出回路６は、Ｕ相電圧の電圧値Ｖｕ（第１電圧値）、Ｖ相電圧の電圧値Ｖｖ（第２電圧値）、及びＷ相電圧の電圧値Ｖｗ（第３電圧値）を検出する回路である。電圧値Ｖｕは、Ｕ相電圧の瞬時値である。電圧値Ｖｖは、Ｖ相電圧の瞬時値である。電圧値Ｖｗは、Ｗ相電圧の瞬時値である。電圧検出回路６は、電圧センサ６１と、電圧センサ６２と、電圧センサ６３と、を含む。電圧センサ６１は、電圧値Ｖｕを検出し、電圧値Ｖｕを制御回路１０に出力する。電圧センサ６２は、電圧値Ｖｖを検出し、電圧値Ｖｖを制御回路１０に出力する。電圧センサ６３は、電圧値Ｖｗを検出し、電圧値Ｖｗを制御回路１０に出力する。

【0026】

電流検出回路７は、Ｕ相電流の電流値Ｉｕ、Ｖ相電流の電流値Ｉｖ、及びＷ相電流の電流値Ｉｗを検出する回路である。電流値Ｉｕは、Ｕ相電流の瞬時値である。電流値Ｉｖは、Ｖ相電流の瞬時値である。電流値Ｉｗは、Ｗ相電流の瞬時値である。電流検出回路７は、電流センサ７１と、電流センサ７２と、電流センサ７３と、を含む。電流センサ７１は、電流値Ｉｕを検出し、電流値Ｉｕを制御回路１０に出力する。電流センサ７２は、電流値Ｉｖを検出し、電流値Ｉｖを制御回路１０に出力する。電流センサ７３は、電流値Ｉｗを検出し、電流値Ｉｗを制御回路１０に出力する。

【0027】

制御回路１０は、ＡＣ／ＤＣ変換回路３を駆動するための駆動信号を出力する回路である。制御回路１０は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって駆動信号を生成し、ＡＣ／ＤＣ変換回路３に駆動信号を出力することによってＡＣ／ＤＣ変換回路３に含まれる各スイッチング素子のオン状態とオフ状態とを切り替える。制御回路１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）などから構成される電子制御ユニットである。例えばＲＯＭに格納されているプログラムがＲＡＭ上にロードされてＣＰＵで実行されることにより、制御回路１０の各種機能が実現される。

【0028】

次に、図２～図５を更に参照しながら、制御回路１０が行う三相交流電圧の停止判定方法を説明する。図２は、図１に示される制御回路が行う三相交流電圧の停止判定方法の一例を示すフローチャートである。図３は、正常な三相交流電圧及び合計値の波形を示す図である。図４は、瞬停を含む三相交流電圧及び合計値の波形を示す図である。図５は、矩形波の三相交流電圧及び合計値の波形を示す図である。

【0029】

図２に示される一連の処理は、例えば、所定の時間間隔で繰り返し行われる。なお、電圧検出回路６は、電圧値Ｖｕ、電圧値Ｖｖ、及び電圧値Ｖｗを連続的に検出している。制御回路１０は、ＰＷＭ制御によって、駆動信号を生成し、駆動信号をＡＣ／ＤＣ変換回路３に出力している。

【0030】

図２に示されるように、まず、制御回路１０は、電圧検出回路６から電圧値Ｖｕ、電圧値Ｖｖ、及び電圧値Ｖｗを取得する（ステップＳ１）。そして、制御回路１０は、電圧値Ｖｕ、電圧値Ｖｖ、及び電圧値Ｖｗに基づいて、合計値Ｖａを算出する（ステップＳ２）。具体的に説明すると、式（１）に示されるように、制御回路１０は、電圧値Ｖｕの絶対値と電圧値Ｖｖの絶対値と電圧値Ｖｗの絶対値との総和を合計値Ｖａとして算出する。

【数1】

【0031】

続いて、制御回路１０は、合計値Ｖａと閾値Ｖｔｈとを比較して、合計値Ｖａが閾値Ｖｔｈよりも小さいか否かを判定する（ステップＳ３）。閾値Ｖｔｈは、瞬停及び三相交流電圧の異常波形と三相交流電圧の停止とを区別可能な値であり、予め設定されている。

【0032】

図３に示されるように、電源装置２から正常な三相交流電圧が供給されている場合、合計値Ｖａは、例えば、３００Ｖ～４００Ｖの間で変動する。図４に示されるように、三相交流電圧に瞬停が発生した場合には、いずれか１つの相電圧の電圧値（図４に示される例では、電圧値Ｖｕ）が一時的に０Ｖとなる。この場合、合計値Ｖａは、例えば、１００Ｖ～４００Ｖの間で変動する。図５に示されるように、各相電圧が矩形波である場合には、合計値Ｖａは、例えば、１８０Ｖ～４００Ｖの間で変動する。

【0033】

このように、瞬停が発生した場合、並びに、三相交流電圧の波形が矩形波などの異常な波形である場合でも、合計値Ｖａはある程度の大きさを有する。一方、三相交流電圧が停止した場合には、合計値Ｖａは０Ｖとなる。したがって、三相交流電圧が正常である場合の合計値Ｖａの最小値、瞬停発生時の合計値Ｖａの最小値、並びに、三相交流電圧の波形が矩形波及び半波波形などの異常波形である場合の合計値Ｖａの最小値のうちの最も小さい値と０Ｖとの間の値に、閾値Ｖｔｈは設定される。つまり、閾値Ｖｔｈは、三相交流電圧が停止していないあらゆる場合の合計値Ｖａの最小値のうちの最も小さい値よりも小さく、かつ、０Ｖよりも大きい値に設定される。

【0034】

ステップＳ３において、合計値Ｖａが閾値Ｖｔｈ以上であると判定された場合（ステップＳ３：ＮＯ）、制御回路１０は、三相交流電圧が停止していないと判定し、図２に示される一連の処理を終了する。一方、ステップＳ３において、合計値Ｖａが閾値Ｖｔｈよりも小さいと判定された場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、制御回路１０は、三相交流電圧が停止したと判定し、駆動信号の出力を停止する（ステップＳ４）。

【0035】

続いて、制御回路１０は、電圧検出回路６から電圧値Ｖｕ、電圧値Ｖｖ、及び電圧値Ｖｗを取得し（ステップＳ５）、電圧値Ｖｕ、電圧値Ｖｖ、及び電圧値Ｖｗに基づいて、合計値Ｖａを算出する（ステップＳ６）。ステップＳ５及びステップＳ６は、ステップＳ１及びステップＳ２とそれぞれ同じであるので、ここではその詳細な説明を省略する。

【0036】

続いて、制御回路１０は、合計値Ｖａと閾値Ｖｔｈとを比較して、合計値Ｖａが閾値Ｖｔｈよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ７）。ステップＳ７において、合計値Ｖａが閾値Ｖｔｈ以下であると判定された場合（ステップＳ７：ＮＯ）、制御回路１０は、合計値Ｖａが閾値Ｖｔｈを上回るまで、ステップＳ５～Ｓ７の処理を繰り返す。一方、ステップＳ７において、合計値Ｖａが閾値Ｖｔｈよりも大きいと判定された場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、制御回路１０は、不図示のタイマーを作動させ、合計値Ｖａが閾値Ｖｔｈを上回る状態が継続している時間を計測する。

【0037】

そして、制御回路１０は、合計値Ｖａが閾値Ｖｔｈを上回る状態が規定時間継続しているか否かを判定する（ステップＳ８）。規定時間は、チャタリングを防止するための時間であり、予め設定されている。ステップＳ８において、合計値Ｖａが閾値Ｖｔｈを上回る状態が規定時間継続していないと判定された場合（ステップＳ８：ＮＯ）、制御回路１０は、三相交流電圧が復帰していないと判定し、合計値Ｖａが閾値Ｖｔｈを上回る状態が規定時間継続するまで、ステップＳ５～Ｓ８の処理を繰り返す。

【0038】

一方、ステップＳ８において、合計値Ｖａが閾値Ｖｔｈを上回る状態が規定時間継続していると判定された場合（ステップＳ８：ＹＥＳ）、制御回路１０は、三相交流電圧が復帰したと判定し、駆動信号の出力を再開する（ステップＳ９）。以上により、図２に示される一連の処理が終了する。

【0039】

以上説明した電力変換装置１においては、電圧値Ｖｕの絶対値と電圧値Ｖｖの絶対値と電圧値Ｖｗの絶対値との合計値Ｖａが閾値Ｖｔｈを下回った場合に、三相交流電圧が停止したと判定され、駆動信号の出力が停止される。瞬停が発生した場合（図４参照）、並びに、三相交流電圧の波形が矩形波及び半波波形といった異常な波形である場合（図５参照）には、合計値Ｖａはある程度の大きさを有する。したがって、閾値Ｖｔｈを適切に設定することにより、瞬停及び異常波形と三相交流電圧の停止とを区別することができる。また、各相電圧の電圧値が用いられるので、三相交流電圧の停止が即座に判定され、駆動信号の出力が即座に停止される。したがって、三相交流電圧が停止してから電力変換装置１の動作を停止させるまでに要する時間を短縮することが可能となる。

【0040】

合計値Ｖａが閾値Ｖｔｈ付近で変動することがある。このような場合、合計値Ｖａが閾値Ｖｔｈを上回ったことに応じて、駆動信号の出力を再開したとすると、駆動信号の出力停止と出力再開とが繰り返され、チャタリングが発生するおそれがある。これに対し、合計値Ｖａが閾値Ｖｔｈを上回る状態が規定時間継続した場合に、駆動信号の出力を再開することで、チャタリングが発生する可能性を低減することができる。

【0041】

以上、本開示の一実施形態について詳細に説明されたが、本開示に係る電力変換装置は上記実施形態に限定されない。

【0042】

制御回路１０は、合計値Ｖａが閾値Ｖｔｈを上回ったことに応じて、駆動信号の出力を再開してもよい。この場合、ステップＳ８は省略される。

【0043】

上記実施形態では、制御回路１０が駆動信号の出力を停止し、駆動信号の出力を再開しているが、駆動信号の出力停止及び出力再開を行う構成はこの構成に限られない。例えば、制御回路１０は、駆動信号を出力するとともに、三相交流電圧の停止を示す検出信号を出力してもよい。この場合、制御回路１０の外部に設けられた論理回路が、検出信号に基づいて、駆動信号の出力を停止し、駆動信号の出力を再開してもよい。

【0044】

この場合、ハードウェアによって、駆動信号の出力が停止されるので、三相交流電圧が停止してから電力変換装置１の動作を停止させるまでに要する時間を更に短縮することができる。同様に、ハードウェアによって、駆動信号の出力が再開されるので、三相交流電圧が復帰してから電力変換装置１の動作を再開させるまでに要する時間を短縮することができる。

【符号の説明】

【0045】

１…電力変換装置、２…電源装置、３…ＡＣ／ＤＣ変換回路、６…電圧検出回路（検出回路）、１０…制御回路、Ｖａ…合計値、Ｖｕ…電圧値（第１電圧値）、Ｖｖ…電圧値（第２電圧値）、Ｖｗ…電圧値（第３電圧値）。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】