(57)【要約】【課題】４象限ＤＣ／ＤＣコンバータとインバータとを備えた電力変換装置を小型軽量化するとともに、コストを低減する。【解決手段】電力変換装置２は、バッテリ５から供給される直流電力を昇圧又は降圧した後に、３相交流電力に変換してモータ７へ供給する。電力変換装置２は、４象限のＤＣ／ＤＣコンバータ３とインバータ４とを一体構造とするとともに、ＩＧＢＴ−Ｑ３とＩＧＢＴ−Ｑ４とをＤＣ／ＤＣコンバータ３とインバータ４とで共有する。ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ１４とモータコントローラ１０とは、ＩＧＢＴ−Ｑ３とＩＧＢＴ−Ｑ４の組のデューティと、ＩＧＢＴ−Ｑ１とＩＧＢＴ−Ｑ２の組のデューティとの比と、入力電圧(Vin )と出力電圧(Vout)との比が等しくなるように、ＩＧＢＴ−Ｑ１〜Ｑ４のデューティ制御する。【選択図】図１
2010226786.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリから供給される直流電力を昇圧又は降圧した後に、３相交流電力に変換する電力変換装置であって、
バッテリの正極に、一方の端子が接続される第１のスイッチング素子と、
第１のスイッチング素子の他方の端子と前記バッテリの負極との間に接続される第２のスイッチング素子と、
上下アームに１つづつ３組設けられ、３相交流の各相電力の供給を制御する第３〜第８のスイッチング素子と、
第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子との間と前記１組のスイッチング素子とを接続するリアクトルとを備え、
各スイッチング素子をデューティ制御する場合、リアクトルが接続された１組のスイッチング素子のデューティーと、第１と第２のスイッチング素子のデューティとの比と、入力電圧と出力電圧との比が等しくなるように、各スイッチング素子をデューティ制御することを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＡＣインバータとを備えた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両駆動及び回生制動に交流モータを使用する電動車両は、通常、４象限ＤＣ／ＤＣコンバータとインバータを備えている。４象限ＤＣ／ＤＣコンバータは、双方向に昇圧及び降圧が可能なＤＣ／ＤＣコンバータである。４象限ＤＣ／ＤＣコンバータの一方の側に、バッテリが接続され、他方の側には、直流出力を平滑するコンデンサが接続される。またコンデンサには、さらに直流を交流に変換して交流モータに供給するインバータが接続される。
【０００３】
また燃料電池車両は、通常、燃料電池の起動用及び燃料電池出力を補助するためにバッテリを備えている。バッテリは、燃料電池の出力に余裕がある場合、あるいは車両の回生制動時に充電される。バッテリと燃料電池との間には、相互の電圧変換のために４象限ＤＣ／ＤＣコンバータが設けられ、バッテリまたは燃料電池は、インバータを介して交流モータに交流電圧を供給する（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１０９６４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような４象限ＤＣ／ＤＣコンバータとインバータとを備えた電力変換装置において、４象限ＤＣ／ＤＣコンバータは、リアクトルの一端と他端にそれぞれハイ側とロー側のスイッチング素子を備え、インバータは、３相交流モータを制御するために、各相毎にハイ側とロー側のスイッチング素子を備える。従って、このような電力変換装置は、合わせて１０個のスイッチング素子が必要となり、コストの増大や大型化の虞があるという問題点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題点を解決するために本発明は、バッテリから供給される直流電力を昇圧又は降圧した後に、３相交流電力に変換する電力変換装置であって、バッテリとアース間に直列接続された第１、第２のスイッチング素子と、上下アームに１つづつ３組設けられ、３相交流の各相への電力の供給を制御する第３〜第８のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子との間と、前記１組のスイッチング素子とを接続するリアクトルとを備える。そして、リアクトルが接続された１組のスイッチング素子のデューティーと、第１と第２のスイッチング素子のデューティとの比と、入力電圧と出力電圧との比が等しくなるように、各スイッチング素子をデューティ制御する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、４象限ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子の一部と、インバータの１相分のスイッチング素子を共有化することができ、電力変換装置のスイッチング素子の数を減らすことができる。このため、電力変換装置を小型化できるとともに、コストを低減することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の電力変換装置の実施形態を説明する電力変換システムの構成図である。
【図２】実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータコントローラの制御ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
次に図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。尚、特に限定されないが本発明の電力変換装置は、小型軽量化及び電力変換損失の低減が必要な電動車両のモータ制御に好適な電力変換装置である。
【００１０】
図１は、本発明に係る電力変換装置を用いた電力変換システムの構成を説明するシステム構成図である。図１において、電力変換システム１は、力行時に、バッテリ５の直流電圧を昇圧または降圧した後、３相交流電圧に変換してモータ７に供給する一方、回生時に、モータ７が発生する３相交流を整流した後、降圧または昇圧してバッテリ５へ充電する電力変換装置２を備えている。
【００１１】
また、電力変換システム１は、電力変換装置２からモータ７へ供給する各相毎の電流を検出する電流センサ６と、モータ７の回転子位置θを検出する位置センサ８とを備える。さらに電力変換システム１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を制御するＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ９と、インバータ４を制御することによりモータ７を制御するモータコントローラ１０を備える。
【００１２】
電力変換装置２は、４象限のＤＣ／ＤＣコンバータ３とインバータ４とを一体構造とするとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ３のＩＧＢＴ−Ｑ３，Ｑ４と、インバータ４の１相分のＩＧＢＴ−Ｑ３、Ｑ４とを共有化したものである。
【００１３】
電力変換装置２は、第１のスイッチング素子であるＩＧＢＴ−Ｑ１から第８のスイッチング素子であるＩＧＢＴ−Ｑ８までの８個のスイッチング素子を備えている。また電力変換装置２は、電圧センサ１１と、コンデンサ１２と、リアクタンス１３と、ゲート駆動回路１４と、電圧センサ１５と、コンデンサ１６と、ゲート駆動回路１７とを備える。本実施例では、スイッチング素子として、それぞれフライホイールダイオードを内蔵したＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor)を使用している。しかし、スイッチング素子の種類は、ＩＧＢＴに限らず、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)やバイポーラトランジスタ、ＧＴＯ（Gate Turn-Off Thyristor)等のサイリスタが使用可能である。
【００１４】
次に、電力変換装置２の回路接続構成を説明する。ＩＧＢＴ−Ｑ１のコレクタは、バッテリ５の正極に接続され、ＩＧＢＴ−Ｑ１のエミッタは、ＩＧＢＴ−Ｑ２のコレクタに接続され、ＩＧＢＴ−Ｑ２のエミッタは、アースレベル（接地電位）であるバッテリ５の負極に接続されている。また、バッテリ５の正負極間には、バッテリ電圧（Ｖｉｎ）を検出する電圧センサ１１とバッテリ電圧を平滑するコンデンサ１２が接続されている。ＩＧＢＴ−Ｑ１のゲートと、ＩＧＢＴ−Ｑ２のゲートとは、ゲート駆動回路１４に接続され、ゲート駆動回路１４から駆動される。
【００１５】
また、ＩＧＢＴ−Ｑ１のエミッタとＩＧＢＴ−Ｑ２のコレクタとの接続点には、リアクタンス１３の一端が接続され、リアクタンス１３の他端は、後述するインバータ４の一組の上下アームの接続点である、ＩＧＢＴ−Ｑ３のエミッタとＩＧＢＴ−Ｑ４のコレクタとの接続点に接続されている。
【００１６】
ＩＧＢＴ−Ｑ３〜Ｑ８は、インバータ４の３組の上下アームを構成している。ＩＧＢＴ−Ｑ３，Ｑ５，Ｑ７の各コレクタは、コンデンサ１６の一端に接続されている。ＩＧＢＴ−Ｑ３，Ｑ５，Ｑ７の各エミッタは、それぞれＩＧＢＴ−Ｑ４，Ｑ６，Ｑ８の各コレクタに接続されている。ＩＧＢＴ−Ｑ４，Ｑ６，Ｑ８の各エミッタは、アースレベル及びコンデンサ１６の他端に接続されている。また、ＩＧＢＴ−Ｑ３，Ｑ５，Ｑ７の各エミッタと、ＩＧＢＴ−Ｑ４，Ｑ６，Ｑ８の各コレクタとの接続点は、それぞれモータ７の各相に接続されている。また、ＩＧＢＴ−Ｑ３のエミッタと、ＩＧＢＴ−Ｑ４のコレクタとの接続点には、リアクタンス１３の他端が接続されている。コンデンサ１６の両端は、インバータＤＣ電圧（Ｖｏｕｔ）を検出する電圧センサ１５が接続されている。ＩＧＢＴ−Ｑ３〜Ｑ８の各ゲートは、ゲート駆動回路１７に接続され、ゲート駆動回路１７から駆動される。
【００１７】
ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ９は、バッテリ電圧（Ｖｉｎ）と、インバータＤＣ電圧（Ｖｏｕｔ）と、外部から与えられるインバータＤＣ電圧指令値（Ｖｏｕｔ＊）とを入力して、ＩＧＢＴ−Ｑ１とＱ２のデューティ比を指示するＤ１＿ＰＷＭ信号をゲート駆動回路１４へ出力する。ゲート駆動回路１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ９からＤ１＿ＰＷＭ信号を受けて、ＩＧＢＴ−Ｑ１とＱ２へＰＭＷスイッチングするためのゲート駆動信号を出力する。
【００１８】
モータコントローラ１０は、インバータＤＣ電圧（Ｖｏｕｔ）と、電流センサ６が検出したモータ７の各相の電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗと、位置センサ８が検出した回転子の位置検出信号θとを入力して、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相のデューティを指示する信号であるＤｕ−ＰＷＭ信号，Ｄｖ−ＰＷＭ信号，Ｄｗ−ＰＷＭ信号をゲート駆動回路１７へ出力する。
【００１９】
ゲート駆動回路１７は、モータコントローラ１０から、Ｄｕ−ＰＷＭ信号，Ｄｖ−ＰＷＭ信号，Ｄｗ−ＰＷＭ信号を受けて、ＩＧＢＴ−Ｑ３〜Ｑ８へＰＭＷスイッチングするためのゲート駆動信号を出力する。モータコントローラ１０及びゲート駆動回路１７の動作は、従来の回生機能付きインバータ制御回路と同等の制御を行う。
【００２０】
次に、図２の制御ブロック図を参照して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３の制御を説明する。図２は、ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ９の内部構成を示すブロック図である。ＤＣ／ＤＣコンバータコントローラ９は、インバータＤＣ電圧指令値（Ｖｏｕｔ＊）からインバータＤＣ電圧（Ｖｏｕｔ）を減算して制御偏差を求める減算器２０と、減算器２０が算出した制御偏差に基づいて、電圧誤差信号（Ｖｅｒｒ）を発生する電圧制御部２１と、電圧誤差信号（Ｖｅｒｒ）及びインバータＤＣ電圧Ｖｏｕｔ及びバッテリ電圧（Ｖｉｎ）に基づいて、ＩＧＢＴ−Ｑ１，Ｑ２のデューティ比を指示するＤ１＿ＰＷＭ信号を生成するデューティ決定部２２とを備えている。ここで、インバータＤＣ電圧指令値（Ｖｏｕｔ＊）は、外部から与えられるＤＣ／ＤＣコンバータ３の出力電圧目標値である。
【００２１】
電圧制御部２１は、例えばＰＩ制御等により、減算器２０が算出した制御偏差に基づいて、電圧誤差信号（Ｖｅｒｒ）を発生する。
【００２２】
デューティ決定部２２は、インバータＤＣ電圧（Ｖｏｕｔ）と、電圧誤差信号（Ｖｅｒｒ）と、バッテリ電圧（Ｖｉｎ）とに基づいて、インバータＤＣ電圧（Ｖｏｕｔ）がインバータＤＣ電圧指令値（Ｖｏｕｔ＊）となるように、基本デューティ比である（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）を補正したＩＧＢＴ−Ｑ１，Ｑ２のデューティ比を指示するＤ１＿ＰＷＭ信号を出力する。
【００２３】
より具体的には、力行時には、バッテリ電圧（Ｖｉｎ）をインバータＤＣ電圧指令値（Ｖｏｕｔ＊）に降圧して出力するために、ＩＧＢＴ−Ｑ１のオンオフを制御するデューティ比を式（１）とし、
Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ＝Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）          …（１）
電圧誤差信号（Ｖｅｒｒ）に応じて（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）を補正した信号をＤ１＿ＰＷＭ信号として出力する。このとき、ＩＧＢＴ−Ｑ２はオフを維持する。
【００２４】
回生時には、インバータＤＣ電圧（Ｖｏｕｔ）をバッテリ電圧（Ｖｉｎ）に昇圧して出力するために、ＩＧＢＴ−Ｑ２のオンオフを制御するデューティ比を式（２）に基づいて設定し、
Ｖｉｎ／Ｖｏｕｔ＝（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）／Ｔｏｆｆ        …（２）
このデューティ比を指示する信号をＤ１＿ＰＷＭ信号として出力する。このとき、ＩＧＢＴ−Ｑ１はオフを維持する。
【００２５】
以上の制御内容により、力行時には、バッテリ電圧（Ｖｉｎ）をインバータＤＣ電圧指令値（Ｖｏｕｔ＊）へ変換してインバータ４へ供給するとともに、回生時には、インバータＤＣ電圧（Ｖｏｕｔ）をバッテリ電圧（Ｖｉｎ）へ変換して充電することができる。
【００２６】
以上説明した本実施形態によれば、４象限ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子の一部と、インバータの１相分のスイッチング素子を共有化することができ、電力変換装置のスイッチング素子の数を減らすことができる。このため、電力変換装置を小型化できるとともに、コストを低減することができるという効果がある。
【００２７】
また、本実施形態によれば、スイッチング素子を駆動するドライバ回路２つが削除でき、省スペース、低コスト化が可能となるという効果がある。
【符号の説明】
【００２８】
１  電力変換システム
２  電力変換装置
３  ＤＣ／ＤＣコンバータ
４  インバータ
５  バッテリ
１３  リアクトル
Ｑ１  ＩＧＢＴ（第１のスイッチング素子）
Ｑ２  ＩＧＢＴ（第２のスイッチング素子）
Ｑ３〜Ｑ８  ＩＧＢＴ（第３〜第８のスイッチング素子）
【図１】
2010226786.tif 000003
【図２】
2010226786.tif 000004