特許 7530303 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】

(24)【登録日】2024-07-30

(45)【発行日】2024-08-07

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20240731BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 M

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021004384

(22)【出願日】2021-01-14

(65)【公開番号】P2022109060

(43)【公開日】2022-07-27

【審査請求日】2023-07-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000002107

【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(74)【代理人】

【識別番号】100116274

【弁理士】

【氏名又は名称】富所 輝観夫

(72)【発明者】

【氏名】関 雄太

【審査官】佐藤 匡

(56)【参考文献】

【文献】特開平０９－２８５１８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０５５０９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－０１４０９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１１９２６２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

上アームと下アームを有する出力段と、
ソフトウェア制御により、前記上アームと前記下アームのオン、オフを指示する制御信号を生成するコントローラと、
イネーブル状態とディセーブル状態が切りかえ可能であり、前記イネーブル状態において前記制御信号にもとづいて前記出力段を制御し、前記ディセーブル状態において出力を停止するドライバ回路と、
前記コントローラに供給される電源電圧が、前記コントローラの最低動作電圧より高く定められる所定の第１しきい値を下回ると、前記ドライバ回路を前記ディセーブル状態とする保護回路と、
を備え、
前記保護回路は、リセットＩＣ（Integrated Circuit）であることを特徴とする電力変換装置。

【請求項2】

前記コントローラは前記電源電圧を監視し、前記電源電圧が所定の第２しきい値を下回ると、前記制御信号の生成を停止することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記第２しきい値は、前記第１しきい値よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記コントローラは、前記保護回路による保護がかかったことをログとして残すことを特徴とする請求項１から３のいずれか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】

産業機械、産業車両、工場、電気自動車、発電システムなどに、インバータやコンバータをはじめとする電力変換装置が使用される。図１は、インバータ装置のブロック図である。

【0003】

インバータ装置１００Ｒは、出力段１１０、コントローラ１２０、ドライバ回路１３０、電源回路１４０を備える。出力段１１０は、上アーム１１２と下アーム１１４を含み、その出力には、負荷２としてたとえばモータが接続される。出力段１１０は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＩＰＭ（Intelligent Power Module）などのパワートランジスタで構成される。コントローラ１２０は、負荷２の状態にもとづくフィードバック信号Ｓｆｂが目標値Ｓｒｅｆに近づくように、フィードバック制御により、制御信号Ｓｃｔｒｌを生成する。制御信号Ｓｃｔｒｌは、たとえば負荷２に供給すべき電圧レベルに応じたデューティサイクルを有するパルス信号である。ドライバ回路１３０は、制御信号Ｓｃｔｒｌに応じて駆動信号Ｓｄｒｖを発生し、上アーム１１２と下アーム１１４を制御する。

【0004】

電源回路１４０は、ＡＣ／ＤＣコンバータを含み、系統からの交流電圧Ｖａｃを受け、直流の電源電圧Ｖｄｄ、Ｖｄｃに変換する。制御系の電源電圧Ｖｄｄは、コントローラ１２０やドライバ回路１３０等に供給される。駆動系の電源電圧Ｖｄｃは、出力段１１０やドライバ回路１３０に供給される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２０００－３５８３７７号公報

【文献】特開２０１６－１２７７３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

コントローラ１２０は、プロセッサを有するマイクロコントローラやＣＰＵ（Central Processing Unit）などで実装され、プロセッサがソフトウェアプログラムを実行することにより、制御信号Ｓｃｔｒｌが生成される。

【0007】

インバータ装置１００Ｒの使用環境下では、瞬時的なあるいは長期的な交流電圧Ｖａｃの遮断や、交流電圧Ｖａｃの電圧レベルの変動が生ずる。交流電圧Ｖａｃの遮断や変動は、電源電圧ＶｄｄやＶｄｃの低下あるいは変動を引き起こす。特に電源電圧Ｖｄｄの低下や変動は、コントローラ１２０やドライバ回路１３０を誤動作させ、不適切な駆動信号Ｓｄｒｖが発生する要因となる。不適切な駆動信号Ｓｄｒｖは、出力段１１０の上アーム１１２、下アーム１１４を、意図しない状態に遷移させる場合がある。

【0008】

電源変動に起因する誤動作を防止するための第１のアプローチとして、交流電圧Ｖａｃの遮断時に、電源電圧Ｖｄｄが低下しないように非常用電源を設けるものが考えられる。このアプローチでは、非常用電源を追加する必要があり、システムのコストが高くなる。

【0009】

第２のアプローチとしては、コントローラ１２０に保護機能を実装するものが考えられる。具体的には、コントローラ１２０のプロセッサは、コントローラ１２０に供給される電源電圧Ｖｄｄを監視し、電源電圧Ｖｄｄが所定のしきい値電圧Ｖｔｈを下回ると、所定の保護シーケンスを実行し、出力段１１０が安全な状態となるように、制御信号Ｓｃｔｒｌを変化させる。

【0010】

このようなコントローラ１２０による保護機能は、ソフトウェアプログラムにもとづくソフトウェア処理で実装されるため、追加のハードウェアは不要である。しかしながら、保護シーケンスが終了する前に、電源電圧Ｖｄｄがプロセッサの最低動作電圧Ｖｍｉｎを下回ると、コントローラ１２０の処理が停止し、出力段１１０が不適切な状態で動作不能に陥ることになる。

【0011】

本開示は係る課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、低電圧状態における電力変換装置の誤動作を防止することにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本開示のある態様は、電力変換装置に関する。電力変換装置は、上アームと下アームを有する出力段と、ソフトウェア制御により、上アームと下アームのオン、オフを指示する制御信号を生成するコントローラと、イネーブル状態とディセーブル状態が切りかえ可能であり、イネーブル状態において制御信号にもとづいて出力段を制御し、ディセーブル状態において出力を停止するドライバ回路と、コントローラに供給される電源電圧が、コントローラの最低動作電圧より高く定められる所定の第１しきい値を下回ると、ドライバ回路をディセーブル状態とする保護回路と、を備える。

【0013】

この構成によれば、電源変動によって仮にコントローラが動作不能に陥ったとしても、ドライバ回路を、コントローラのソフトウェア制御には依存しない経路でディセーブル状態に遷移させることができる。これにより、ドライバ回路を確実にディセーブル状態とし、出力段を適切な状態で停止させることができる。

【0014】

コントローラは電源電圧を監視し、電源電圧が所定の第２しきい値を下回ると、制御信号の生成を停止してもよい。保護回路を経由するハードウェア制御の保護処理と並列に、コントローラを経由するソフトウェア制御の保護処理を併存させることで、より堅牢な保護が実現できる。

【0015】

保護回路は、リセットＩＣ（Integrated Circuit）であってもよい。無停電電源に比べてはるかに安価な市販のリセットＩＣを利用することで、コスト増を抑制できる。

【0016】

保護回路は、電源電圧をしきい値と比較するコンパレータと、コンパレータの出力にもとづいてドライバ回路のイネーブル状態、ディセーブル状態を制御するインタフェース回路と、を含んでもよい。

【0017】

コントローラは、保護回路による保護がかかったことをログとして残してもよい。これにより、電力変換装置のユーザは、電源環境を評価し、あるいは対策を施すことが可能となる。

【0018】

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや本発明の構成要素や表現を、方法、装置、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、低電圧状態における電力変換装置の誤動作を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】インバータ装置のブロック図である。

【図2】実施形態に係るインバータ装置のブロック図である。

【図3】保護回路の構成例を示すブロック図である。

【図4】図２のインバータ装置の動作を説明する図である。

【図5】図２のインバータ装置の別の保護動作を説明する図である。

【図6】変形例１に係るインバータ装置のブロック図である。

【図7】変形例２に係る保護回路の回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

【0022】

ここではインバータ装置を例として、実施形態に係る電力変換装置について説明する。図２は、実施形態に係るインバータ装置２００のブロック図である。

【0023】

インバータ装置２００は、出力段２１０、コントローラ２２０、ドライバ回路２３０、電源回路２４０、保護回路２５０を備える。

【0024】

出力段２１０は、上アーム２１２と下アーム２１４を有する。出力段２１０の相数は特に限定されず、単相であってもよいし、三相であってもよい。

【0025】

コントローラ２２０は、ソフトウェアプログラムを実行可能なプロセッサを含むマイクロコントローラやＣＰＵ（Central Processing Unit）で実装される。コントローラ２２０は、ソフトウェア制御により、上アーム２１２と下アーム２１４それぞれのオン、オフを指示する制御信号Ｓｃｔｒｌを生成する。より詳しくは、コントローラ２２０は、ソフトウェアプログラムを実行し、負荷２の状態にもとづくフィードバック信号Ｓｆｂが、目標信号Ｓｒｅｆに近づくように、制御信号Ｓｃｔｒｌを生成する（サーボ制御）。負荷２の状態は、負荷２の電気的状態、たとえば電流や電圧、電力であってもよい。あるいは負荷２の状態は、負荷２の機械的な状態、たとえば回転数や回転角（位置）であってもよい。

【0026】

ドライバ回路２３０は、イネーブル端子ＥＮを有し、イネーブル端子ＥＮの状態に応じて、イネーブル状態とディセーブル状態が切りかえ可能である。イネーブル端子付きのドライバ回路２３０は、市販品を用いてもよいし、専用に設計してもよい。ドライバ回路２３０は、イネーブル状態において制御信号Ｓｃｔｒｌにもとづいて駆動信号Ｓｄｒｖを発生し、出力段２１０の上アーム２１２および下アーム２１４それぞれのオン、オフを制御する。またドライバ回路２３０は、ディセーブル状態において出力である駆動信号Ｓｄｒｖを停止する。出力段２１０の出力ＯＵＴは、駆動信号Ｓｄｒｖに応じて、（i）上アーム２１２がオン、下アーム２１４がオフであるハイ出力状態（Ｈ）、（ii）上アーム２１２がオフ、下アーム２１４がオンであるロー出力状態（Ｌ）、（iii）上アーム２１２と下アーム２１４が両方オフであるハイインピーダンス状態（ＨｉＺ）の三状態を取り得る。本実施形態において、ドライバ回路２３０はディセーブル状態において、制御信号Ｓｃｔｒｌにかかわらず、出力段２１０の出力ＯＵＴがハイインピーダンス状態となるように、駆動信号Ｓｄｒｖを生成する。

【0027】

電源回路２４０は、ＡＣ／ＤＣコンバータを含み、系統からの交流電圧Ｖａｃを受け、直流の電源電圧Ｖｄｄ、Ｖｄｃに変換する。制御系の電源電圧Ｖｄｄは、コントローラ２２０やドライバ回路２３０等に供給される。駆動系の電源電圧Ｖｄｃは、出力段２１０やドライバ回路２３０に供給される。

【0028】

保護回路２５０は、コントローラ２２０に供給される電源電圧Ｖｄｄが所定の第１しきい値Ｖｔｈ１を下回ると、ドライバ回路２３０をディセーブル状態とする。第１しきい値Ｖｔｈ１は、低電圧状態の判定のためのしきい値であり、コントローラ２２０の最低動作電圧Ｖｍｉｎよりわずかに高く定められる。保護回路２５０は、ハードウェアのみで構成されており、保護回路２５０における処理には、ソフトウェアは介在しない。

【0029】

また、コントローラ２２０は、自分自身に供給される電源電圧Ｖｄｄを監視し、電源電圧Ｖｄｄが所定の第２しきい値Ｖｔｈ２を下回ると、制御信号Ｓｃｔｒｌの生成を停止する。コントローラ２２０は上述のようにソフトウェアプログラムとプロセッサの組み合わせで実装されており、コントローラ２２０による低電圧状態の保護処理も、ソフトウェアが介在している。コントローラ２２０をマイクロコントローラで実装する場合、マイクロコントローラが内蔵するＡ／Ｄコンバータを利用して電源電圧Ｖｄｄをデジタルの検出信号に変換し、この検出信号を第２しきい値Ｖｔｈ２に対応するデジタルのしきい値と比較し、検出信号がしきい値を下回ると、低電圧状態を検出してもよい。コントローラ２２０は、低電圧状態を検出すると、フィードバック信号Ｓｆｂにもとづくフィードバック制御の制御ループを抜けて、回路保護のためのルーチンにジャンプし、出力段２１０が適切な状態（ハイインピーダンス状態）で停止するように、制御信号Ｓｃｔｒｌを生成する。

【0030】

２つのしきい値電圧Ｖｔｈ１，Ｖｔｈ２は、以下の関係を満たすように定めてもよい。
Ｖｍｉｎ＜Ｖｔｈ２≦Ｖｔｈ１

【0031】

図３は、保護回路２５０の構成例を示すブロック図である。保護回路２５０は、市販のリセットＩＣ（Integrated Circuit）を用いて構成することができる。リセットＩＣ２５２は、ボルテージディテクタとも称され、電圧の監視に広く利用されいる。リセットＩＣ２５２は、入力端子ＩＮに入力された電圧信号Ｖｉｎを、内部の基準電圧Ｖｒｅｆと比較し、大小関係に応じた信号を、出力端子ＯＵＴから出力する。リセットＩＣ２５２の入力端子ＩＮには、抵抗分圧回路Ｒ１１，Ｒ１２によって分圧された電圧信号Ｖｉｎが入力される。
Ｖｉｎ＝Ｖｄｄ×（Ｒ１２）／（Ｒ１１＋Ｒ１２）

【0032】

リセットＩＣ２５２の出力信号（比較信号Ｓｃｏｍｐという）は、入力電圧Ｖｉｎと基準電圧Ｖｒｅｆの比較結果に応じて二状態で変化する。たとえば比較信号Ｓｃｏｍｐは、ハイ、ローの２状態で変化してもよい。

【0033】

リセットＩＣ２５２の出力端子ＯＵＴとドライバ回路２３０のイネーブル端子ＥＮの間には、必要に応じてインタフェース回路２５４を設けてもよい。インタフェース回路２５４は、必要に応じて、リセットＩＣ２５２の出力Ｓｃｏｍｐをレベル変換し、および／または論理反転し、ドライバ回路２３０のイネーブル端子ＥＮに供給する。インタフェース回路２５４は、ディスクリート素子で構成することができる。

【0034】

以上がインバータ装置２００の構成である。続いてその動作を説明する。図４は、図２のインバータ装置２００の動作を説明する図である。制御信号Ｓｃｔｒｌおよび駆動信号Ｓｄｒｖに関して、Ｈはハイ出力状態を指示する状態、Ｌはロー出力状態を指示する状態、ＨｉＺはハイインピーダンス状態を指示する状態を表す。

【0035】

時刻ｔ_０に電源が投入され、電源電圧Ｖｄｄが上昇し始める。時刻ｔ_１に、電源電圧Ｖｄｄが、コントローラ２２０の最低動作電圧Ｖｍｉｎを上回ると、コントローラ２２０を構成するプロセッサが起動を開始する。

【0036】

プロセッサの起動の完了後、時刻ｔ_１～ｔ_２の間は、電源電圧Ｖｄｄが、第２しきい値電圧Ｖｔｈ２より低いため、プロセッサは、低電圧保護状態となり、サーボ制御を開始せず、制御信号Ｓｃｔｒｌを、安全なレベル（ここではＨｉＺ）に固定している。

【0037】

時刻ｔ_２に電源電圧Ｖｄｄが第２しきい値電圧Ｖｔｈ２を超えると、プロセッサはサーボ制御を開始し、負荷の状態に応じてハイ・ローをとる制御信号Ｓｃｔｒｌの生成を開始する。ただし、この時点では、ドライバ回路２３０はディセーブル状態であるから、駆動信号Ｓｄｒｖはハイインピーダンスである。

【0038】

時刻ｔ_３に電源電圧Ｖｄｄが第１しきい値電圧Ｖｔｈ１を超えると、通常動作状態となる。通常動作状態では、電源電圧Ｖｄｄは、第１しきい値電圧Ｖｔｈ１より高い正常電圧範囲となり、コントローラ２２０はサーボ制御を実行し、制御信号Ｓｃｔｒｌは、負荷２が目標とする状態となるように生成されている。ここでは制御信号ＳｃｔｒｌがＨ，Ｌを交互に繰り返しているが、実際には、Ｈ，Ｌの間に、ＨｉＺが挿入されてもよい。

【0039】

時刻ｔ_４に、電源電圧Ｖｄｄが低下する。時刻ｔ_５に電源電圧Ｖｄｄが第１しきい値電圧Ｖｔｈ１を下回ると、保護回路２５０は、ドライバ回路２３０をディセーブル状態に移行させる。これにより、駆動信号Ｓｄｒｖは、ハイインピーダンス状態ＨｉＺを指示する状態となる。その結果、インバータ装置２００は、出力段２１０の出力ＯＵＴをハイインピーダンス状態ＨｉＺとして停止することができる。

【0040】

また時刻ｔ_６に電源電圧Ｖｄｄが第２しきい値Ｖｔｈ２を下回ると、コントローラ２２０は保護処理を実行し、制御信号Ｓｃｔｒｌをハイインピーダンス状態ＨｉＺとする。

【0041】

図４の例では、コントローラ２２０におけるソフトウェア制御による保護処理と、保護回路２５０およびドライバ回路２３０によるハードウェア制御による保護処理の両方によって、出力段２１０が適切な状態で停止する。

【0042】

図５は、図２のインバータ装置２００の別の保護動作を説明する図である。時刻ｔ_４より前の動作は、図４と同様である。図５が図４と異なるのは、時刻ｔ_４に電源電圧Ｖｄｄが低下した後、コントローラ２２０のマイクロコントローラの最低動作電圧Ｖｍｉｎを下回っている点である。

【0043】

時刻ｔ_７に電源電圧Ｖｄｄが、最低動作電圧Ｖｍｉｎを下回ると、コントローラ２２０は、保護処理を実行できなくなり、制御不能となる。コントローラ２２０からは、不適切な状態（たとえばＨ）の制御信号Ｓｃｔｒｌが出力され続ける。

【0044】

この場合であっても、それより前に、ドライバ回路２３０がディセーブル状態に移行しているため、制御信号Ｓｃｔｒｌが不適切レベルであるにもかかわらず、インバータ装置２００は、出力段２１０の出力ＯＵＴをハイインピーダンス状態ＨｉＺとして停止することができる。

【0045】

このように、図５の例では、コントローラ２２０におけるソフトウェア制御による保護処理が実行不可能な状況においても、保護回路２５０およびドライバ回路２３０によるハードウェア制御による保護処理によって、出力段２１０を適切な状態で停止させることができる。

【0046】

ここで説明した実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。

【0047】

（変形例１）
図６は、変形例１に係るインバータ装置２００Ａのブロック図である。コントローラ２２０Ａは、保護回路２５０の出力、すなわちドライバ回路２３０のイネーブル状態／ディセーブル状態を監視する。具体的には、コントローラ２２０Ａの監視用の端子ＭＯＮには、保護回路２５０の出力に応じた信号が入力されている。監視用の端子ＭＯＮとしては、マイクロコントローラに標準的に備わるＧＰＩＯ（General Purpose Input/Output）を用いてもよいし、割り込み用のピンを用いてもよい。

【0048】

コントローラ２２０Ａは、ドライバ回路２３０がディセーブル状態に切り替わると、つまり、ハードウェアによる低電圧保護がかかると、それに関する情報を、不揮発性メモリ２２２にログとして残す。不揮発性メモリ２２２は、コントローラ２２０Ａに内蔵されてもよいし、外付けの記憶装置であってもよい。これにより、インバータ装置２００Ａのユーザは、インバータ装置２００Ａの電源環境を評価し、あるいは対策を施すことが可能となる。

【0049】

変形例１において、コントローラ２２０Ａは、監視用の端子ＭＯＮにもとづいて、ソフトウェア処理による保護を実行してもよい。すなわち、ドライバ回路２３０がディセーブル状態に切り替わったことをトリガーとして、保護処理のためのルーチンに移行してもよい。これにより、コントローラ２２０Ａを構成するマイクロコントローラがＡ／Ｄコンバータを内蔵しない場合や、内蔵する場合であっても、ピンが不足するような場合に、ソフトウェア制御による保護をかけることができる。

【0050】

（変形例２）
実施形態では、ハードウェアによる保護処理とソフトウェアによる保護処理を二重で行ったが、ソフトウェアによる保護処理は省略してもよい。

【0051】

（変形例３）
保護回路２５０の構成は、図３のそれに限定されない。図７は、変形例２に係る保護回路２５０Ａの回路図である。保護回路２５０Ａは、電圧コンパレータ２５６およびインタフェース回路２５８を含む。電圧コンパレータ２５６は、電源電圧Ｖｄｄ（もしくは図３のように電源電圧Ｖｄｄを分圧して得られる検出電圧）を、基準電圧Ｖｒｅｆと比較する。インタフェース回路２５８は、必要に応じて、電圧コンパレータ２５６の出力Ｓｃｏｍｐをラッチし、電圧コンパレータ２５６の出力Ｓｃｏｍｐをレベル変換し、および／または論理反転し、ドライバ回路２３０のイネーブル端子に供給する。インタフェース回路２５８は、組み合わせ回路、順序回路あるいは組み合わせ順序回路で構成してもよい。電圧コンパレータ２５６はヒステリシスコンパレータであってもよい。

【0052】

実施の形態にもとづき、具体的な語句を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。

【符号の説明】

【0053】

２００ インバータ装置
２１０ 出力段
２１２ 上アーム
２１４ 下アーム
２２０ コントローラ
２３０ ドライバ回路
２４０ 電源回路
２５０ 保護回路
２５２ リセットＩＣ
２５４ インタフェース回路
２５６ 電圧コンパレータ
２５８ インタフェース回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】