(57)【要約】【課題】  複雑な演算処理を行うことなく片アーム駆動と両アーム駆動とを切り替えることを可能とする電力変換装置を提供する。【解決手段】  インバータ装置１においては、電流位相角φとモータ回転角度θとからモータ電流Ｉｍのゼロクロス区間Ｚｉを予測し、該予測結果に基づいて、インバータ１０の両アーム駆動と片アーム駆動との切替を判断する。このため、このインバータ装置１においては、リプルを予測する必要がないので、複雑な演算処理を行うことなく両アーム駆動と片アーム駆動とを切り替えることが可能となる。【選択図】図１
2014155383.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータに電気的に接続された上アーム及び下アームを有する電力変換部と、前記電力変換部の制御を行う制御部とを備える電力変換装置であって、
前記制御部は、電流位相角とモータ回転角度とからモータ電流のゼロクロス区間を予測し、該予測結果に基づいて、前記上アーム及び前記下アームの両アームでの前記電力変換部の駆動と、前記上アーム又は前記下アームの片アームでの前記電力変換部の駆動との切替を判断するアーム切替部を有している、
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記電力変換部の前記上アーム及び下アームは、ＩＧＢＴと該ＩＧＢＴに並列に接続されたダイオードとを１チップ化したＲＣ−ＩＧＢＴを用いて構成される、ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータに電気的に接続された上アーム及び下アームを有する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ＤＣ／ＤＣコンバータ装置が記載されている。特許文献１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ装置は、負荷に接続された上アーム及び下アームを有するＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するコンバータ制御部とを備えている。コンバータ制御部は、ＤＣ／ＤＣコンバータから出力される電流がゼロ付近（例えばゼロクロス区間）である場合にＤＣ／ＤＣコンバータを両アーム駆動とし、それ以外の場合にＤＣ／ＤＣコンバータを片アーム駆動とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１２０３２９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ＤＣ／ＤＣコンバータ装置のコンバータ制御部は、ＤＣ／ＤＣコンバータの両アーム駆動と片アーム駆動とを切り替えるために、ＤＣ／ＤＣコンバータからの出力電流がゼロより大きいか（或いは小さいか）を判定する。ところで、一般に、出力電流にはリプルがある。したがって、上述したような装置においても、出力電流のリプルを予測し、そのリプルに応じた電流閾値を設定してゼロクロス区間を判定すれば、片アーム駆動と両アーム駆動との切替をスムースに行うことができると考えられる。しかしながら、リプルを予測するための演算処理は複雑となるおそれがある。
【０００５】
本発明は、そのような事情に鑑みてなされたものであり、複雑な演算処理を行うことなく片アーム駆動と両アーム駆動とを切り替えることを可能とする電力変換装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係る電力変換装置は、モータに電気的に接続された上アーム及び下アームを有する電力変換部と、電力変換部の制御を行う制御部とを備える電力変換装置であって、制御部は、電流位相角とモータ回転角度とからモータ電流のゼロクロス区間を予測し、該予測結果に基づいて、上アーム及び下アームの両アームでの電力変換部の駆動と、上アーム又は下アームの片アームでの電力変換部の駆動との切替を判断するアーム切替部を有している、ことを特徴とする。
【０００７】
この電力変換装置においては、電流位相角とモータ回転角度とからモータ電流のゼロクロス区間を予測し、該予測結果に基づいて、電力変換部の両アーム駆動と片アーム駆動との切替を判断する。このため、この電力変換装置においては、リプルを予測する必要がないので、複雑な演算処理を行うことなく両アーム駆動と片アーム駆動とを切り替えることが可能となる。
【０００８】
ところで、現在、上述したような電力変換装置の各アームを構成する素子として、ＲＣ（Reverse  Conducting）−ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）を用いることが検討されている。ＲＣ−ＩＧＢＴは、スイッチング素子としてのＩＧＢＴと、ＩＧＢＴに並列（逆並列）に接続されたダイオードとを１チップ化した素子である。このようなＲＣ−ＩＧＢＴを用いることにより、装置の小型化、低インダクタンス化、及び高速スイッチング化を図ることが可能となる。
【０００９】
しかしながら、電力変換装置の各アームを構成する素子としてＲＣ−ＩＧＢＴを用いた場合には、ダイオードが通電しているときにＩＧＢＴがオンされると、素子内部で電荷の干渉（ゲート干渉）が生じて損失が増加するおそれがある。したがって、ＲＣ−ＩＧＢＴを用いる場合には、ダイオードが通電しているときにＩＧＢＴがオンされることを抑制すべく、ゼロクロス区間において両アーム駆動を行う期間をできるだけ短くすることが望ましい。そのためには、上述したように、リプルを予測してゼロクロス区間を適切に予測することが考えられるが、リプルの予測のために演算処理が複雑となるおそれがある。
【００１０】
これに対して、本発明に係る電力変換装置によれば、上述したように、複雑な演算処理をすることなくゼロクロス区間を予測することが可能であるので、ＲＣ−ＩＧＢＴを用いることによる損失の増加を好適に抑制することができる。その結果、本発明によれば、ＲＣ−ＩＧＢＴを採用し、装置の小型化、低インダクタンス化、及び高速スイッチング化を図ることが可能となる。つまり、本発明に係る電力変換装置は、電力変換部の上アーム及び下アームが、ＩＧＢＴと該ＩＧＢＴに並列に接続されたダイオードとを１チップ化したＲＣ−ＩＧＢＴを用いて構成される場合に特に有効である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、複雑な演算処理を行うことなく片アーム駆動と両アーム駆動とを切り替えることを可能とする電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る電力変換装置の一実施形態としてのインバータ装置の構成を示す図である。
【図２】図１に示されたインバータを示す等価回路図である。
【図３】電流位相とトルクとの関係を示すグラフである。
【図４】モータ電流及びモータ回転角度を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る電力変換装置の一実施形態について、図面参照して詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素、或いは相当する要素には、互いに同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１４】
図１は、本発明に係る電力変換装置の一実施形態としてのインバータ装置の構成を示すブロック図である。図１に示されるように、本実施形態に係るインバータ装置１は、インバータ（電力変換部）１０と、制御部２０とを備えている。インバータ装置１は、例えば車両に搭載されている。
【００１５】
図２は、図１に示されたインバータを示す等価回路図である。図２に示されるように、インバータ１０は３相インバータである。インバータ１０の各相（Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相）は、互いに直列に接続された上アームのスイッチング素子Ｓ１及び下アームのスイッチング素子Ｓ２と、それらのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のそれぞれに並列（逆並列）に接続されたダイオードＤ１，Ｄ２とから構成されている。つまり、インバータ１０は、モータ（モータジェネレータ）ＭＧに電気的に接続された上アーム（スイッチング素子Ｓ１及びダイオードＤ１）及び下アーム（スイッチング素子Ｓ２及びダイオードＤ２）を有している。
【００１６】
ここでは、スイッチング素子Ｓ１（スイッチング素子Ｓ２）はＩＧＢＴである。特に、本実施形態においては、スイッチング素子Ｓ１（スイッチング素子Ｓ２）とダイオードＤ１（ダイオードＤ２）とが１チップ化されたＲＣ−ＩＧＢＴを用いている。つまり、インバータ１０の上アーム及び下アームは、ＲＣ−ＩＧＢＴを用いて構成されている。
【００１７】
制御部２０は、このように構成されるインバータ１０の制御を行う。より具体的には、図１に示されるように、制御部２０は、トルク指令入力部２１、ＰＩ制御部２２、座標変換部２３，２４、ＰＷＭ変換部２５、及び、アーム切替部２６を有している。トルク指令入力部２１は、トルク指令を入力する。
【００１８】
トルク指令は、例えばドライバのアクセル操作に応じて要求されるトルクを示す信号である。トルク指令入力部２１は、入力したトルク指令に応じたトルクをモータジェネレータＭＧにおいて生じさせるためのｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑを決定する。トルク指令入力部２１は、決定したｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑを座標変換部２３に向けて出力する。
【００１９】
ここで、図３は、電流位相とトルクとの関係を示すグラフである。図３における各曲線Ｃ１〜Ｃ３は、電流値を各値で一定としたときの電流位相とトルクとの関係を示す曲線である（代表して３つのみ示している）。図３に示されるように、電流値を一定とした場合でも、電流位相に応じてトルクが異なる。したがって、要求されるトルクを実現するために最も効率の良い電流位相（電流位相角φ）が一意に決定される。
【００２０】
トルク指令入力部２１は、図３に示されるグラフに対応するテーブルを保持している。トルク指令入力部２１は、そのテーブルを参照することにより、要求されるトルクを実現するための最も効率の良い電流位相角φを決定する。トルク指令入力部２１は、決定した電流位相角φをアーム切替部２６に出力する。なお、電流位相角φは、図４に示されるように、モータＭＧの回転角度（モータ回転角度）θに対する正弦波状のモータ電流Ｉｍの位相の遅れ量である。
【００２１】
図１に示されるように、トルク指令入力部２１から出力されたｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑは、ＰＩ制御部２２によって、それぞれ、電圧値Ｖｄ，Ｖｑに変換されて座標変換部２３に入力される。座標変換部２３は、入力した電圧値Ｖｄ，Ｖｑを、３相インバータであるインバータ１０に適合するように電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに座標変換を行う。その際に、モータＭＧに設けられた回転角度センサＳから入力されるモータ回転角度θを用いる。そして、座標変換部２３は、得られた電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，ＶｗをＰＷＭ変換部２５に出力する。
【００２２】
ＰＷＭ変換部２５は、正弦波状である電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを入力し、パルス波状に変換してアーム切替部２６に出力する。アーム切替部２６に出力される電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは、インバータ１０を両アームで駆動するための（すなわち、スイッチング素子Ｓ１及びスイッチング素子Ｓ２のスイッチングを行うための）信号である。アーム切替部２６は、その電圧値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを入力すると共に、インバータ１０の両アームでの駆動と片アームでの駆動とを切り替える。インバータ１０を片アームで駆動する場合には、片アーム分の信号にマスクを施す等してインバータ１０に出力する。
【００２３】
アーム切替部２６の動作の詳細について説明する。アーム切替部２６は、トルク指令入力部２１から入力される電流位相φと、回転角度センサＳから入力されるモータ回転角度θから、モータ電流のゼロクロス区間を予測し、該予測結果に基づいて、上アーム及び下アームの両アームでのインバータ１０の駆動と、上アーム又は下アームの片アームでのインバータ１０の駆動との切替を判断する。
【００２４】
より具体的には、図４に示されるように、電流位相が９０°固定であれば、モータ電流Ｉｍがゼロクロスするのは、モータ回転角度θ＝９０°，２７０°の前後である。しかし、トルク指令により（すなわち、要求されるトルクを効率よく実現するために）、モータ電流Ｉｍは、電流位相角φの分だけモータ回転角度θから遅れるため、モータ回転角度θ＝９０°＋φ，２７０°＋φの前後の期間にモータ電流Ｉｍがゼロクロスする。したがって、モータ回転角度θと電流位相角φとが得られているので、モータ電流Ｉｍが実際にゼロクロスすると考えられる区間（ゼロクロス区間）Ｚｉを予測することができる。
【００２５】
よって、アーム切替部２６は、回転角度センサＳからの検出結果をモニタしておき、その検出結果がゼロクロス区間Ｚｉ（ゼロクロス区間Ｚｉに対応する角度）の範囲内である場合に、インバータ１０を片アーム駆動とし、それ以外である場合にインバータ１０を両アーム駆動とするといったように、両アーム駆動及び片アーム駆動の判断を行うことができる。なお、インバータ１０から出力される電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、フィードバック制御のため、座標変換部２４においてｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑに変換された後に、トルク指令入力部２１から出力されるｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑとの減算に供される。
【００２６】
以上説明したように、本実施形態に係るインバータ装置１においては、電流位相角φとモータ回転角度θとからモータ電流Ｉｍのゼロクロス区間Ｚｉを予測し、該予測結果に基づいて、インバータ１０の両アーム駆動と片アーム駆動との切替を判断する。このため、このインバータ装置１においては、リプルを予測する必要がないので、複雑な演算処理を行うことなく両アーム駆動と片アーム駆動とを切り替えることが可能となる。
【００２７】
特に、本実施形態に係るインバータ装置１においては、インバータ１０の上アーム及び下アームが、ＲＣ−ＩＧＢＴを用いて構成されるが、そのための損失の増加を、複雑な演算処理を行うことなく抑制することができる。その結果、インバータ１０においてＲＣ−ＩＧＢＴを採用することにより、装置の小型化、低インダクタンス化、及び高速スイッチング化を図ることが可能となる。
【００２８】
以上の実施形態は、本発明に係る電力変換装置の一実施形態を説明したものである。したがって、本発明に係る電力変換装置は、上述したインバータ装置１に限定されない。本発明に係る電力変換装置は、各請求項の要旨を変更しない範囲において、インバータ装置１を任意に変更した態様、或いは、他のものに適用した態様とすることができる。
【００２９】
例えば、上記実施形態においては、本発明に係る電力変換装置をインバータ装置に適用した例について説明したが、本発明に係る電力変換装置は、モータに電気的に接続された上アーム及び下アームを有する任意のコンバータ装置等の他のものに適用することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１…インバータ装置（電力変換装置）、１０…インバータ（電力変換部）、２０…制御部、２６…アーム切替部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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