(57)【要約】  正極側の最大発熱相と負極側の最大発熱相が異なる相になる場合、及びオフセット電圧の合成前後で、正極側及び負極側の最大発熱相が変化する場合でも、精度よくスイッチング素子の発熱を分散できる電力変換装置を提供する。オフセット電圧（Voff）の合成後の交流電圧指令に基づいてスイッチング素子をオンオフ制御する状態で、総相数の正極側のスイッチング素子の中で発熱量の評価値が最大になる正極側のスイッチング素子の評価値である正極側最大発熱評価値（Qmaxp）と、総相数の前記負極側のスイッチング素子の中で発熱量の評価値が最大になる負極側のスイッチング素子の評価値である負極側最大発熱評価値（Qmaxn）と、が一致するようなオフセット電圧（Voff）を算出する電力変換装置（１）。
2019202675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から、３以上に設定された総相数の電気負荷に供給する交流電力に電力変換する電力変換装置であって、
前記直流電源の正極側に接続される正極側のスイッチング素子と前記直流電源の負極側に接続される負極側のスイッチング素子とが直列接続され、直列接続の接続点が対応する相の前記電気負荷に接続される各相の直列回路を、前記総相数だけ設けたインバータ回路と、
前記総相数の交流電圧指令の基本値を算出する電圧指令基本値算出部と、
オフセット電圧を算出するオフセット電圧算出部と、
前記総相数の前記交流電圧指令の基本値のそれぞれに前記オフセット電圧を合成して、前記総相数の合成後の交流電圧指令を算出する合成後電圧指令算出部と、
前記総相数の前記合成後の交流電圧指令のそれぞれに基づいて、前記総相数の前記直列回路のそれぞれの前記スイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御部と、を備え、
前記オフセット電圧算出部は、前記合成後の交流電圧指令に基づいて前記スイッチング素子をオンオフ制御する状態で、前記総相数の前記正極側のスイッチング素子の中で発熱量の評価値が最大になる前記正極側のスイッチング素子の評価値である正極側最大発熱評価値と、前記総相数の前記負極側のスイッチング素子の中で発熱量の評価値が最大になる前記負極側のスイッチング素子の評価値である負極側最大発熱評価値と、が一致するような前記オフセット電圧を算出する電力変換装置。
【請求項２】
前記オフセット電圧算出部は、前記評価値が最大になる前記正極側のスイッチング素子の相と、前記評価値が最大になる前記負極側のスイッチング素子の相と、が異なる相であると仮定して、前記正極側最大発熱評価値と前記負極側最大発熱評価値とが一致するような前記オフセット電圧である異相オフセット電圧を算出し、
前記総相数の前記交流電圧指令の基本値の中の最大値、前記総相数の前記交流電圧指令の基本値の中の最小値、及び前記異相オフセット電圧の中の中間値を、前記オフセット電圧として算出する請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記スイッチング素子のそれぞれの発熱量の評価値は、前記スイッチング素子に対応する相の前記直列回路から前記電気負荷に流れる電流と、前記スイッチング素子に対応する相の前記合成後の交流電圧指令とに基づいて算出される値である請求項１又は２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記オフセット電圧算出部は、前記スイッチング素子の発熱量の変化に対する前記スイッチング素子の温度変化の遅れの時定数よりも短い平均期間における前記評価値の平均値を、前記評価値として用いた前記正極側最大発熱評価値及び前記負極側最大発熱評価値が一致するような前記オフセット電圧を算出する請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記平均期間は、前記スイッチング素子のオンオフ制御周期に設定されている請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
直流電源から、３以上に設定された総相数の電気負荷に供給する交流電力に電力変換する電力変換装置であって、
前記直流電源の正極側に接続される正極側のスイッチング素子と前記直流電源の負極側に接続される負極側のスイッチング素子とが直列接続され、直列接続の接続点が対応する相の前記電気負荷に接続される各相の直列回路を、前記総相数だけ設けたインバータ回路と、
前記総相数の交流電圧指令の基本値を算出する電圧指令基本値算出部と、
オフセット電圧を算出するオフセット電圧算出部と、
前記総相数の前記交流電圧指令の基本値のそれぞれに前記オフセット電圧を合成して、前記総相数の合成後の交流電圧指令を算出する合成後電圧指令算出部と、
前記総相数の前記合成後の交流電圧指令のそれぞれに基づいて、前記総相数の前記直列回路のそれぞれの前記スイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御部と、を備え、
前記オフセット電圧算出部は、異相オフセット電圧をVoff_cとし、前記直流電源の直流電圧をVdcとし、前記交流電圧指令の基本値が最大になる相の前記電気負荷に流れる電流をI_maxとし、前記交流電圧指令の基本値が最小になる相の前記電気負荷に流れる電流をI_minとし、０を中心に振動するように調整された前記総相数の前記交流電圧指令の基本値の中の最大値をVb_maxとし、０を中心に振動するように調整された前記総相数の前記交流電圧指令の基本値の中の最小値をVb_minとして、
Voff_c＝Vdc／2×（I_max２−I_min２）／（I_max２＋I_min２）＋（Vb_max×I_max２＋Vb_min×I_min２）／（I_max２＋I_min２）、又は
Voff_c＝Vdc／2×（I_max＋I_min）／（I_max−I_min）＋（Vb_max×I_max−Vb_min×I_min）／（I_max−I_min）
の算出式を用いて、前記異相オフセット電圧を算出し、
前記総相数の前記交流電圧指令の基本値の中の最大値、前記総相数の前記交流電圧指令の基本値の中の最小値、及び前記異相オフセット電圧の中の中間値を、前記オフセット電圧として算出する電力変換装置。
【請求項７】
前記電流として、対応する相の前記交流電圧指令の基本値に基づいて算出される電流の推定値が用いられる請求項３又は６に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記オフセット電圧算出部は、前記スイッチング素子の発熱量の変化に対する前記スイッチング素子の温度変化の遅れの時定数よりも短く、前記スイッチング素子のオンオフ制御周期よりも長い平均期間において平均化した前記総相数の前記交流電圧指令の基本値を、前記オフセット電圧の算出に用いる請求項７に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記電流として、電流の検出値が用いられる請求項３又は６に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記オフセット電圧算出部は、前記スイッチング素子の発熱量の変化に対する前記スイッチング素子の温度変化の遅れの時定数よりも短く、前記スイッチング素子のオンオフ制御周期よりも長い平均期間において平均化した前記総相数の前記交流電圧指令の基本値及び前記電流の検出値を、前記オフセット電圧の算出に用いる請求項９に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記オフセット電圧算出部は、前記スイッチング素子の発熱量の変化に対する前記スイッチング素子の温度変化の遅れの時定数よりも短い期間における平均値が０になる振動成分を、更に前記オフセット電圧に合成する請求項１から１０のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記オフセット電圧算出部は、前記総相数の前記交流電圧指令の基本値の周波数が予め設定された判定周波数よりも高い場合、又は前記電気負荷に流れる電流が予め設定された判定電流よりも小さい場合は、前記オフセット電圧の算出を停止する請求項１から１１のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
前記オフセット電圧算出部は、前記総相数の前記交流電圧指令の基本値が予め設定された下限値から上限値の範囲を超える場合は、前記総相数の前記合成後の交流電圧指令が前記下限値から前記上限値の範囲内になるように前記オフセット電圧を変化させる請求項１から１２のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１４】
前記総相数の電気負荷は、交流モータが備えた前記総相数の巻線とされている請求項１から１３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【請求項１５】
前記交流モータは、電動パワーステアリング装置の駆動力源として用いられる請求項１４に記載の電力変換装置。
【請求項１６】
前記交流モータは、車輪の駆動力源として用いられる請求項１４に記載の電力変換装置。
【請求項１７】
前記交流モータは、エレベータの巻上機の駆動力源として用いられる請求項１４に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、直流電源から、３以上に設定された総相数の電気負荷に供給する交流電力に電力変換する電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
３相以上の多相の電力変換装置において、交流電圧指令の全ての相に等しくオフセット電圧を加えることで、各相の電気負荷に流れる電流を変えることなく、各相の直列回路の正極側のスイッチング素子及び負極側のスイッチング素子の通電時間の分配を変化させることができる。このような方法により、スイッチング素子の発熱を、正極側及び負極側に分散し、発熱が最大になるスイッチング素子の発熱を低減する技術が知られている。【０００３】
例えば、特許文献１の技術では、オフセット電圧を加える前の交流電圧指令のうち、絶対値が最大になる相が最大発熱相であるという仮定をおき、その最大発熱相の正極側及び負極側のスイッチング素子の通電時間を一致させるオフセット電圧を加えるように構成されている。【０００４】
また、特許文献２の技術では、オフセット電圧を加える前の全てのスイッチング素子の発熱量を毎度計算し、正極側のスイッチング素子の中から発熱量が最大になる正極側の最大発熱スイッチング素子を選択し、負極側のスイッチング素子の中から発熱量が最大になる負極側の最大発熱スイッチング素子を選択し、正極側の最大発熱スイッチング素子の発熱量と、負極側の最大発熱スイッチング素子の発熱量との差分が０になるようなオフセット電圧を加えるように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２５３２００号公報
【特許文献２】国際公開第２０１６／１２５７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の技術では、正極側の最大発熱相と負極側の最大発熱相とが同じである場合は、最大発熱相の正極側及び負極側のスイッチング素子の発熱が等しく分散され、最大発熱量を低減する効果がある。しかしながら、正極側の最大発熱相と負極側の最大発熱相とが異なる相になる場合は考慮されていない。よって、異なる相になる場合は、最大発熱相の選択を誤るので、片側のスイッチング素子の発熱が増大し、オフセット電圧を加算する前よりも、最大発熱量が増加する場合があった。【０００７】
特許文献２の技術では、正極側の最大発熱相と負極側の最大発熱相とが異なる場合でも熱の分散が可能である。しかしながら、オフセット電圧を加える前後で、最大発熱相が変化する位相が存在する。特許文献２の技術では、オフセット電圧を加える前の発熱量を算出しており、オフセット電圧を加えた後の発熱量は考慮されていない。そのため、一部の位相では、最大発熱相の選択を誤るので発熱量を正確に分散できない。特に、交流電圧指令の振幅が大きい場合には、正極側の最大発熱量と負極側の最大発熱量との差異が大きくなり、選択の誤りの影響が大きくなる。なお、特許文献２の技術は、全てのスイッチング素子の発熱量を計算し、それらの結果を比較して最大発熱相を選択する処理をしているため、計算負荷が大きくなる。【０００８】
そこで、正極側の最大発熱相と負極側の最大発熱相が異なる相になる場合、及びオフセット電圧の合成前後で、正極側及び負極側の最大発熱相が変化する場合でも、精度よくスイッチング素子の発熱を分散できる電力変換装置が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本願に係る電力変換装置は、直流電源から、３以上に設定された総相数の電気負荷に供給する交流電力に電力変換する電力変換装置であって、
前記直流電源の正極側に接続される正極側のスイッチング素子と前記直流電源の負極側に接続される負極側のスイッチング素子とが直列接続され、直列接続の接続点が対応する相の前記電気負荷に接続される各相の直列回路を、前記総相数だけ設けたインバータ回路と、
前記総相数の交流電圧指令の基本値を算出する電圧指令基本値算出部と、
オフセット電圧を算出するオフセット電圧算出部と、
前記総相数の前記交流電圧指令の基本値のそれぞれに前記オフセット電圧を合成して、前記総相数の合成後の交流電圧指令を算出する合成後電圧指令算出部と、
前記総相数の前記合成後の交流電圧指令のそれぞれに基づいて、前記総相数の前記直列回路のそれぞれの前記スイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御部と、を備え、
前記オフセット電圧算出部は、前記合成後の交流電圧指令に基づいて前記スイッチング素子をオンオフ制御する状態で、前記総相数の前記正極側のスイッチング素子の中で発熱量の評価値が最大になる前記正極側のスイッチング素子の評価値である正極側最大発熱評価値と、前記総相数の前記負極側のスイッチング素子の中で発熱量の評価値が最大になる前記負極側のスイッチング素子の評価値である負極側最大発熱評価値と、が一致するような前記オフセット電圧を算出するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本願に係る電力変換装置によれば、オフセット電圧の合成後において、正極側最大発熱スイッチング素子の発熱評価値と、負極側最大発熱スイッチング素子の発熱評価値とが、釣り合うようにオフセット電圧を変化させることにより、総相数の正極側及び負極側のスイッチング素子の中の最大発熱スイッチング素子の発熱評価値を最小化することができ、スイッチング素子の発熱を分散させることができる。よって、正極側の最大発熱相と負極側の最大発熱相が異なる相になる場合でも、オフセット電圧の合成前後で正極側及び負極側の最大発熱相が変化する場合でも、精度よくスイッチング素子の発熱を分散できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係る電力変換装置の全体構成図である。
【図２】実施の形態１に係る制御装置のブロック図である。
【図３】実施の形態１に係る制御装置のハードウェア構成図である。
【図４】実施の形態１に係るＰＷＭ制御を説明するためのタイムチャートである。
【図５】実施の形態１に係るＰＷＭ制御時の正極側及び負極側の発熱評価値の算出を説明するためのタイムチャートである。
【図６】実施の形態１に係るオフセット電圧の算出を説明するためのタイムチャートである。
【図７】オフセット電圧が０の場合の比較例に係る制御挙動を説明するためのタイムチャートである。
【図８】実施の形態１に係る制御挙動を説明するためのタイムチャートである。
【図９】実施の形態２に係る制御装置のブロック図である。
【図１０】実施の形態３に係る制御装置のブロック図である。
【図１１】実施の形態４に係る電力変換装置の全体構成図である。
【図１２】実施の形態４に係る制御装置のブロック図である。
【図１３】実施の形態５に係る制御装置のブロック図である。
【図１４】実施の形態６に係る電動パワーステアリング装置の全体構成図である。
【図１５】実施の形態７に係る電動車両の全体構成図である。
【図１６】実施の形態８に係るエレベータの全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
１．実施の形態１
実施の形態１に係る電力変換装置１について図面を参照して説明する。電力変換装置１は、直流電源２から、３以上に設定された総相数の電気負荷に供給する交流電力に電力変換する。本実施の形態では、総相数の電気負荷は、交流モータ３が備えた総相数の巻線とされている。図１は、本実施の形態に係る電力変換装置１、直流電源２、及び交流モータ３の概略構成図である。
【００１３】
１−１．交流モータ、インバータ回路の構成
交流モータ３は、３以上に設定された総相数の巻線を備えている。本実施の形態では、総相数は３に設定されており、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相の巻線Ｃｕ、Ｃｖ、Ｃｗが設けられている。本実施の形態では、交流モータ３は、３相の巻線Ｃｕ、Ｃｖ、Ｃｗを設けたステータと、かご型の電気導電体を設けたロータと、を備えた３相誘導モータとされている。３相の巻線Ｃｕ、Ｃｖ、Ｃｗは、スター結線とされてもよいし、デルタ結線とされてもよい。
【００１４】
電力変換装置１は、直流電源２から３相の巻線Ｃｕ、Ｃｖ、Ｃｗに供給する交流電力に電力変換する。電力変換装置１は、インバータ回路４及び制御装置３０を備えている。インバータ回路４は、正極側のスイッチング素子ＳＷＨと負極側のスイッチング素子ＳＷＬとが直列接続された各相の直列回路を、総相数（本例は３つ）だけ設けている。正極側のスイッチング素子ＳＷＨは、直流電源２の正極側に接続され、負極側のスイッチング素子ＳＷＬは、直流電源２の負極側に接続される。各相の直列回路における正極側のスイッチング素子ＳＷＨと負極側のスイッチング素子ＳＷＬとの直列接続の接続点は、対応する相の巻線に接続される。
【００１５】
本実施の形態では、インバータ回路４は、Ｕ相の巻線Ｃｕに接続されるＵ相の直列回路、Ｖ相の巻線Ｃｖに接続されるＶ相の直列回路、及びＷ相の巻線Ｃｗに接続されるＷ相の直列回路を備えている。スイッチング素子には、ダイオードが逆並列接続されたＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等が用いられる。各スイッチング素子のゲート端子は、制御装置３０の出力回路９３に接続されている。各スイッチング素子は、制御装置３０の出力回路９３から出力される制御信号によりオン又はオフされる。
【００１６】
直流電源２は、電力変換装置１（インバータ回路４）に直流電力を供給する電源である。直流電源２には、例えば、蓄電装置、又は商用交流電源を整流して得られた直流電力等が用いられる。
【００１７】
１−２．制御装置の構成
制御装置３０は、インバータ回路４を制御することにより、交流モータ３を制御する。図２に示すように、制御装置３０は、後述する電圧指令基本値算出部３１、オフセット電圧算出部３２、合成後電圧指令算出部３３、及びスイッチング制御部３４等の機能部を備えている。制御装置３０の各機能は、制御装置３０が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置３０は、図３に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算処理装置９０、演算処理装置９０とデータのやり取りする記憶装置９１、演算処理装置９０に外部の信号を入力する入力回路９２、及び演算処理装置９０から外部に信号を出力する出力回路９３を備えている。
【００１８】
演算処理装置９０として、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＩＣ（Integrated Circuit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、各種の論理回路、及び各種の信号処理回路等が備えられてもよい。また、演算処理装置９０として、同じ種類のもの又は異なる種類のものが複数備えられ、各処理が分担して実行されてもよい。記憶装置９１として、演算処理装置９０からデータを読み出し及び書き込みが可能に構成されたＲＡＭ（Random Access Memory）、演算処理装置９０からデータを読み出し可能に構成されたＲＯＭ（Read Only Memory）等が備えられている。入力回路９２は、電流センサ、電圧センサ等の各種のセンサが接続され、これらセンサの信号を演算処理装置９０に入力するＡ／Ｄ変換器等を備えている。出力回路９３には、各スイッチング素子のゲート端子等の電気負荷が接続され、これら電気負荷に演算処理装置９０から制御信号を出力する駆動回路等を備えている。
【００１９】
そして、制御装置３０が備える各制御部３１〜３４等の各機能は、演算処理装置９０が、ＲＯＭ等の記憶装置９１に記憶されたソフトウェア（プログラム）を実行し、記憶装置９１、入力回路９２、及び出力回路９３等の制御装置３０の他のハードウェアと協働することにより実現される。以下、制御装置３０の各機能について詳細に説明する。
【００２０】
１−２−１．電圧指令基本値算出部３１
電圧指令基本値算出部３１は、総相数の交流電圧指令の基本値を算出する。本実施の形態では、総相数は、３つであり、電圧指令基本値算出部３１は、Ｕ相の交流電圧指令の基本値Vb_u、Ｖ相の交流電圧指令の基本値Vb_v、及びＷ相の交流電圧指令の基本値Vb_wを算出する。電圧指令基本値算出部３１は、公知のベクトル制御又はＶ／ｆ制御等により、３相の交流電圧指令の基本値Vb_u、Vb_v、Vb_wを算出する。
【００２１】
式（１）に示すように、例えば、３相の交流電圧指令の基本値Vb_u、Vb_v、Vb_wは、振幅Dを有し、交流電圧指令の基本値の周波数で振動する正弦波（又は余弦波）となり、各相の位相は、交流電圧指令の基本値の周期（３６０deg）で、１２０degずつずれている。
Vb_u＝D×sin（θ）
Vb_v＝D×sin（θ−２π／３）      （１）
Vb_w＝D×sin（θ＋２π／３）
【００２２】
１−２−２．合成後電圧指令算出部３３
合成後電圧指令算出部３３は、総相数の交流電圧指令の基本値のそれぞれに、後述するオフセット電圧Voffを合成して、総相数の合成後の交流電圧指令を算出する。本実施の形態では、合成後電圧指令算出部３３は、次式に示すように、３相の交流電圧指令の基本値Vb_u、Vb_v、Vb_wのそれぞれにオフセット電圧Voffを減算して、３相の合成後の交流電圧指令Vf_u、Vf_v、Vf_wを算出する。なお、交流電圧指令の基本値にオフセット電圧Voffを加算するように構成されてもよい。
Vf_u＝Vb_u−Voff
Vf_v＝Vb_v−Voff            （２）
Vf_w＝Vb_v−Voff
【００２３】
１−２−３．スイッチング制御部３４
スイッチング制御部３４は、総相数の合成後の交流電圧指令のそれぞれに基づいて、総相数の直列回路のそれぞれのスイッチング素子をオンオフ制御する。スイッチング制御部３４は、ＰＷＭ制御(Pulse Width Modulation)によりスイッチング素子をオンオフ制御する。図４に示すように、スイッチング制御部３４は、３相の合成後の交流電圧指令Vf_u、Vf_v、Vf_wのそれぞれと、０を中心に直流電圧Vdc／２の振幅、オンオフ制御周期（ＰＷＭ周期）で振動するキャリア波（三角波）とを比較し、合成後の交流電圧指令がキャリア波を上回った場合は、矩形パルス波をオンさせ、合成後の交流電圧指令がキャリア波を下回った場合は、矩形パルス波をオフさせる。スイッチング制御部３４は、各相について、矩形パルス波がオンされている場合は、正極側のスイッチング素子をオンさせると共に、負極側のスイッチング素子をオフさせ、矩形パルス波がオフされている場合は、正極側のスイッチング素子をオフさせると共に、負極側のスイッチング素子をオンさせる。
【００２４】
x相の１オンオフ制御周期における正極側のスイッチング素子のオンデューティ比Dutyp_x、及び負極側のスイッチング素子のオンデューティ比Dutyn_xは、x相の合成後の交流電圧指令Vf_x、交流電圧指令の基本値Vb_x、及びオフセット電圧Voffを用いて、次式のように表せる。x相は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかとなる。
Dutyp_x＝Vf_x／Vdc＋１／２
＝（Vb_x−Voff）／Vdc＋１／２      （３−１）
Dutyn_x＝１／２−Vf_x／Vdc
＝１／２−（Vb_x−Voff）／Vdc      （３−２）
【００２５】
１−２−４．オフセット電圧算出部３２
１−２−４−１．オフセット電圧の算出原理の導出
＜スイッチング素子の発熱量の偏り＞
ロータが極低回転速度の場合は、交流電圧指令の周期が長くなるため、オンデューティ比の増加により発熱量が最大になる相の切り替わりが遅くなり、特定のスイッチング素子に発熱が集中する。
【００２６】
x相の正極側又は負極側のスイッチング素子の発熱量の評価値Q_x（以下、発熱評価値Q_xと称す）を定義する。式（４）は、x相のスイッチング素子の発熱量は、x相の巻線に流れる電流I_xの２乗に比例するジュール熱に関すると仮定した場合の発熱評価値Q_xであり、x相の電流I_xの２乗に、x相の正極側又は負極側のスイッチング素子のオンデューティ比Duty_xを乗算した値になる。式（５）は、x相のスイッチング素子の発熱量は、x相の巻線に流れる電流I_xの大きさに関すると仮定した場合の発熱評価値Q_xであり、x相の電流I_xの大きさ（絶対値）に、x相の正極側又は負極側のスイッチング素子のオンデューティ比Duty_xを乗算した値になる。
Q_x＝I_x2×Duty_x              （４）
Q_x＝｜I_x｜×Duty_x            （５）
【００２７】
図５に、式（５）の場合における、ＰＷＭ制御時のx相の正極側のスイッチング素子の発熱評価値Qp_x、及びx相の負極側のスイッチング素子の発熱評価値Qn_xを示す。x相の巻線に流れる電流I_xと同じ大きさの電流は、正極側及び負極側のスイッチング素子のいずれかオンになっている方を流れる。よって、正極側及び負極側のスイッチング素子のそれぞれの発熱評価値は、それぞれのオンデューティ比に応じて変化する。図５に示す例では、正極側のオンデューティ比Dutyp_xが０．６６であり、負極側のオンデューティ比Dutyn_xが０．３４である。正極側及び負極側の合計の発熱評価値は、正極側のオンデューティ比Dutyp_x及び負極側のオンデューティ比Dutyn_xに応じて、正極側の発熱評価値Qp_x及び負極側の発熱評価値Qn_xに分配されている。
【００２８】
x相の正極側のオンデューティ比Dutyp_x及び負極側のオンデューティ比Dutyn_xの割合は、オフセット電圧Voffを変化させることによって操作できる。オフセット電圧Voffを減少すると、全相の正極側のスイッチング素子のオンデューティ比及び発熱評価値が増加し、全相の負極側のスイッチング素子のオンデューティ比及び発熱評価値が減少する。逆にオフセット電圧Voffを増加すると、全相の正極側のスイッチング素子のオンデューティ比及び発熱評価値が減少し、全相の負極側のスイッチング素子のオンデューティ比及び発熱評価値が増加する。なお、オフセット電圧Voffを変化させても、相間電圧（線間電圧）は変化しないため、各相の巻線に流れる電流は変化しない。
【００２９】
＜最大発熱評価値を最小化する条件＞
総相数の正極側及び負極側のスイッチング素子の中で、発熱評価値が最大になるスイッチング素子を最大発熱スイッチング素子とする。また、総相数の正極側のスイッチング素子の中で、発熱評価値が最大になるスイッチング素子を正極側最大発熱スイッチング素子とし、総相数の負極側のスイッチング素子の中で、発熱評価値が最大になるスイッチング素子を負極側最大発熱スイッチング素子とする。
【００３０】
最大発熱スイッチング素子が正極側である場合に、最大発熱スイッチング素子の発熱評価値を減少するため、オフセット電圧Voffを増加し過ぎると、負極側最大発熱スイッチング素子の発熱評価値Qmaxnが増加し過ぎてしまう。一方、最大発熱スイッチング素子が負極側である場合に、最大発熱スイッチング素子の発熱評価値を減少するため、オフセット電圧Voffを減少し過ぎると、正極側最大発熱スイッチング素子の発熱評価値Qmaxpが増加し過ぎてしまう。
【００３１】
そこで、次式に示すように、正極側最大発熱スイッチング素子の発熱評価値Qmaxpと、負極側最大発熱スイッチング素子の発熱評価値Qmaxnとが、釣り合うようにオフセット電圧Voffを変化させることにより、最大発熱スイッチング素子の発熱評価値を最小化することができる。
Qmaxp＝Qmaxn      （６）
【００３２】
＜オフセット電圧Voffの合成後で、最大発熱評価値を評価する必要性＞
なお、オフセット電圧Voffを増加させると、全相の正極側のオンデューティ比が減少方向に同じ値だけ変化し、全相の負極側のオンデューティ比が増加方向に同じ値だけ変化する。しかし、式（４）又は式（５）に示すように、発熱評価値は、電流の２乗又は電流の大きさに、オンデューティ比を乗算した値であるため、各相のオンデューティ比が同じ値だけ変化しても、各相の電流の大きさに応じて、各相の発熱評価値の変化量が異なる。よって、オフセット電圧Voffの変化に対して、電流の大きさが大きい相の発熱評価値の変化量が大きくなる。
【００３３】
そのため、オフセット電圧Voffを変化させると、正極側最大発熱スイッチング素子になる相が変化する位相区間が生じ、負極側最大発熱スイッチング素子になる相が変化する位相区間が生じる。従って、正極側最大発熱評価値Qmaxpと負極側最大発熱評価値Qmaxnは、オフセット電圧Voffの合成後のオンデューティ比で評価する必要がある。
【００３４】
＜オフセット電圧の合成後を考慮して、一意的にオフセット電圧を算出する方法＞
例えば、各位相において、オフセット電圧Voffを少しずつ変化させて、正極側及び負極側の最大発熱スイッチング素子を特定し、それぞれの発熱評価値を算出し、式（６）を満たすオフセット電圧Voffを特定する繰り返しの数値計算を行う方法も考えられるが、演算負荷が増大する。そこで、繰り返しの数値計算を行うことなく、一意的に式（６）を満たすオフセット電圧Voffを算出することができる方法を導出する。
【００３５】
式（６）を満たすオフセット電圧Voffを設定した場合において、正極側最大発熱スイッチング素子の相と、負極側最大発熱スイッチング素子の相との組み合わせとして、以下の３つのケースを仮定する。
（ケースａ）：式（６）を満たすオフセット電圧を設定した場合に、正極側最大発熱スイッチング素子の相と、負極側最大発熱スイッチング素子の相と、が同じ相であり、オフセット電圧が０の場合は、正極側最大発熱スイッチング素子の方が、負極側最大発熱スイッチング素子よりも、発熱評価値が大きくなると仮定する。
（ケースｂ）：式（６）を満たすオフセット電圧を設定した場合に、正極側最大発熱スイッチング素子の相と、負極側最大発熱スイッチング素子の相と、が同じ相であり、オフセット電圧が０の場合は、負極側最大発熱スイッチング素子の方が、正極側最大発熱スイッチング素子よりも、発熱評価値が大きくなると仮定する。
（ケースｃ）：式（６）を満たすオフセット電圧を設定した場合に、オフセット電圧の合成後に、正極側最大発熱スイッチング素子の相と、負極側最大発熱スイッチング素子の相とが異なる相であると仮定する。
【００３６】
ケースａでは、オフセット電圧が０の場合は、正極側最大発熱スイッチング素子の方が、負極側最大発熱スイッチング素子よりも、発熱評価値が大きくなるので、電流が最も大きい相が、式（６）を満たすオフセット電圧の設定後に、正極側及び負極側最大発熱スイッチング素子になる。ケースｂでは、オフセット電圧が０の場合は、負極側最大発熱スイッチング素子の方が、正極側最大発熱スイッチング素子よりも、発熱評価値が大きくなるので、電流が最も小さい相が、式（６）を満たすオフセット電圧の設定後に、正極側及び負極側最大発熱スイッチング素子になる。ケースｃでは、式（６）を満たすオフセット電圧の設定後に、電流が最も大きい相が、正極側最大発熱スイッチング素子になり、電流が小さい相が、負極側最大発熱スイッチング素子になる。
【００３７】
各相の電流は、各相の交流電圧指令の基本値に比例するので、電流の最大、最小の代わりに、交流電圧指令の基本値の最大、最小を用いる。交流電圧指令の基本値が最大になる相の巻線に流れる電流、オフセット電圧の設定後の正極側及び負極側のオンデューティ比を、それぞれ、I_max、Dutyp_max、Dutyn_maxとし、交流電圧指令の基本値が最小になる相の巻線に流れる電流、オフセット電圧の設定後の正極側及び負極側のオンデューティ比を、それぞれ、I_min、Dutyp_min、Dutyn_minとする。
【００３８】
＜式（４）の発熱評価値を用いる場合＞
式（４）の発熱評価値を用いる場合は、ケースａ、ケースｂ、ケースｃのそれぞれの正極側及び負極側の最大発熱評価値Qmaxp、Qmaxnは、以下の式（７−ａ）、式（７−ｂ）、式（７−ｃ）のようになる。
Qmaxp＝I_max2×Dutyp_max、Qmaxn＝I_max2×Dutyn_max    （７−ａ）
Qmaxp＝I_min2×Dutyp_min、Qmaxn＝I_min2×Dutyn_min    （７−ｂ）
Qmaxp＝I_max2×Dutyp_max、Qmaxn＝I_min2×Dutyn_min    （７−ｃ）
【００３９】
ここで、Dutyp_max、Dutyn_max、Dutyp_min、Dutyn_minは、式（３−１）、式（３−２）から、以下の式（８−１）〜式（８−４）のようになる。ここで、Vb_maxは、交流電圧指令の基本値が最大になる相の交流電圧指令の基本値であり、Vb_minは、交流電圧指令の基本値が最小になる相の交流電圧指令の基本値である。
Dutyp_max＝（Vb_max−Voff）／Vdc＋１／２    （８−１）
Dutyn_max＝１／２−（Vb_max−Voff）／Vdc    （８−２）
Dutyp_min＝（Vb_min−Voff）／Vdc＋１／２    （８−３）
Dutyn_min＝１／２−（Vb_min−Voff）／Vdc    （８−４）
【００４０】
式（６）、式（７−ａ）〜式（７−ｃ）、式（８−１）〜式（８−４）から、Qmaxp＝Qmaxnの式（６）が成り立つような、オフセット電圧Voffの算出式を導出すると、式（９−ａ）、式（９−ｂ）、式（９−ｃ）を得る。具体的には、式（７−ａ）、式（７−ｂ）、式（７−ｃ）のそれぞれを式（６）に代入し、代入した式に式（８−１）〜式（８−４）を代入した後、オフセット電圧Voffについて解くことによって、各式が導出される。ここで、Voff_aは、ケースａの場合のオフセット電圧であり、正極側同相オフセット電圧と称し、Voff_bは、ケースｂの場合のオフセット電圧であり、負極側同相オフセット電圧と称し、Voff_cは、ケースｃの場合のオフセット電圧であり、異相オフセット電圧と称す。Vb_maxは、交流電圧指令の基本値が最大になる相の交流電圧指令の基本値であり、Vb_minは、交流電圧指令の基本値が最小になる相の交流電圧指令の基本値である。
Voff_a＝Vb_max                  （９−ａ）
Voff_b＝Vb_min                  （９−ｂ）
Voff_c＝Vdc／2×（I_max２−I_min２）／（I_max２＋I_min２）
＋（Vb_max×I_max２＋Vb_min×I_min２）／（I_max２＋I_min２）
（９−ｃ）
【００４１】
＜式（５）の発熱評価値を用いる場合＞
式（５）の発熱評価値を用いる場合は、ケースａ、ケースｂ、ケースｃのそれぞれの正極側及び負極側の最大発熱評価値Qmaxp、Qmaxnは、以下の式（１０−ａ）、式（１０−ｂ）、式（１０−ｃ）のようになる。ここで、最大電流I_maxは正の値になり、最小電流I_minは負の値になることを考慮して、正負の符号を設定している。
Qmaxp＝I_max×Dutyp_max、Qmaxn＝I_max×Dutyn_max    （１０−ａ）
Qmaxp＝−I_min×Dutyp_min、Qmaxn＝−I_min×Dutyn_min  （１０−ｂ）
Qmaxp＝I_max×Dutyp_max、Qmaxn＝−I_min×Dutyn_min  （１０−ｃ）
【００４２】
同様に、式（６）、式（１０−ａ）〜式（１０−ｃ）、式（８−１）〜式（８−４）から、Qmaxp＝Qmaxnの式（６）が成り立つような、オフセット電圧Voffの算出式を導出すると、式（１１−ａ）、式（１１−ｂ）、式（１１−ｃ）を得る。
【００４３】
Voff_a＝Vb_max          （１１−ａ）
Voff_b＝Vb_min          （１１−ｂ）
Voff_c＝Vdc／2×（I_max＋I_min）／（I_max−I_min）
＋（Vb_max×I_max−Vb_min×I_min）／（I_max−I_min）  （１１−ｃ）
【００４４】
ケースａ及びケースｂの場合は、式（４）、式（５）のいずれの発熱評価値を用いる場合も、式（９−ａ）及び式（１１−ａ）、式（９−ｂ）及び式（１１−ｂ）のように、同じオフセット電圧となる。一方、ケースｃの場合は、式（４）、式（５）のいずれの発熱評価値を用いるかで、式（９−ｃ）及び式（１１−ｃ）のように、オフセット電圧が異なる。
【００４５】
＜電流の推定値を用いたVoff_cの算出＞
ケースｃの場合の、式（９−ｃ）及び式（１１−ｃ）の異相オフセット電圧Voff_cを算出するためには、交流電圧指令の基本値が最大及び最小になる相の最大電流I_max及び最小電流I_minが必要になる。計算の簡略化のため、以下を仮定する。ここで、Rは、巻線の抵抗であり、R_sは、スイッチング素子のオン抵抗である。
仮定１： R＞＞R_s
仮定２：交流モータ３が極低回転速度であり、誘起電圧及びインダクタンスによる電圧降下はない。
【００４６】
これらの仮定により、式（１２−１）及び式（１２−２）に示すオームの法則が成立し、巻線の電流は、交流電圧指令の基本値及び巻線の抵抗Ｒから推定することができる。
I_max＝Vb_max／R            （１２−１）
I_min＝Vb_min／R            （１２−２）
【００４７】
式（１２−１）及び式（１２−２）を、式（９−ｃ）及び式（１１−ｃ）に代入すると、それぞれ、式（９−ｃ２）及び式（１１−ｃ２）が得られる。
Voff_c＝Vdc／2×（Vb_max２−Vb_min２）／（Vb_max２＋Vb_min２）
＋（Vb_max３＋Vb_min３）／（Vb_max２＋Vb_min２）  （９−ｃ２）
Voff_c＝（Vb_max＋Vb_min）×（１＋Vdc／２／（Vb_max−Vb_min））
（１１−ｃ２）
【００４８】
＜Voff_a、Voff_b、Voff_cに基づくVoffの設定＞
図６の上段のグラフに、直流電圧Vdcが１２Ｖであり、交流電圧指令の基本値の振幅Dが３Ｖである場合の、３相の交流電圧指令の基本値Vb_u、Vb_v、Vb_wの挙動をしめす。図６の中段のグラフに、式（９−ａ）、式（９−ｂ）、式（９−ｃ２）により算出されたVoff_a、Voff_b、Voff_cの挙動を示す。これらの図に示すように、Voff_cがVoff_aを上回る位相区間、及びVoff_cがVoff_bを下回る位相区間が生じている。しかし、ケースｃは、ケースａとケースｂとの中間の状態であるので、Voff_cが、Voff_aを上回ることはなく、Voff_bを下回ることはない。また、Voff_cが、Voff_aとVoff_bの間にある場合は、ケースｃが成り立つので、ケースａ及びケースｂが成り立たず、Voff_a及びVoff_bを選択できない。
【００４９】
よって、図６の下段のグラフに示すように、式（６）を満たすオフセット電圧Voffは、Voff_cがVoff_aを上回る場合はVoff_aになり、Voff_cがVoff_aとVoff_bの間にある場合はVoff_cになり、Voff_cがVoff_bを下回る場合はVoff_cになる。これを、簡単な演算ロジックで表すと、Voffは、Voff_a、Voff_b、及びVoff_cの中間値となる。これを最小値取りの処理min（）、最大値取りの処理max（）で表すと、式（１３）になる。
Voff＝max（min（Voff_a，Voff_c），Voff_b）    （１３）
【００５０】
１−２−４−２．オフセット電圧算出部３２の構成
そこで、オフセット電圧算出部３２は、オフセット電圧Voffの合成後の交流電圧指令に基づいてスイッチング素子をオンオフ制御する状態で、正極側最大発熱スイッチング素子の発熱量の評価値である正極側最大発熱評価値Qmaxpと、負極側最大発熱スイッチング素子の発熱量の評価値である負極側最大発熱評価値Qmaxnと、が一致するようなオフセット電圧Voffを算出するように構成されている。
【００５１】
この構成によれば、オフセット電圧の合成後において、正極側最大発熱スイッチング素子の発熱評価値Qmaxpと、負極側最大発熱スイッチング素子の発熱評価値Qmaxnとが、釣り合うようにオフセット電圧Voffを変化させることにより、総相数の正極側及び負極側のスイッチング素子の中の最大発熱スイッチング素子の発熱評価値を最小化することができ、スイッチング素子の発熱を分散できる。
【００５２】
上述したように、スイッチング素子のそれぞれの発熱量に関する発熱評価値は、スイッチング素子に対応する相の直列回路から巻線に流れる電流と、スイッチング素子に対応する相の合成後の交流電圧指令とに基づいて算出される値である。
【００５３】
スイッチング素子の発熱量の変化に対するスイッチング素子の温度変化の遅れの時定数よりも短い平均期間における発熱評価値の平均値を用いた発熱評価値とされている。本実施の形態では、平均期間は、オンオフ制御周期に設定されている。そして、図５、式（４）及び式（５）に示したように、オンオフ制御周期におけるオン期間の平均値に相当するオンデューティ比を用いて算出される発熱評価値とされている。オンデューティ比は、式（３−１）又は式（３−２）に示したように、合成後の交流電圧指令に基づいて算出される。本実施の形態では、発熱評価値は、式（４）又は式（５）の算出式により算出される。
【００５４】
なお、スイッチング素子の温度変化の時定数は、スイッチング素子の発熱量をステップ変化させた後、スイッチング素子の温度が、初期温度から最終温度の６３．２％に到達するまでの時間に相当する。時定数は、スイッチング素子の熱容量に比例し、オンオフ制御周期よりも十分大きな値になる。
【００５５】
＜Voff_a、Voff_b、Voff_cの中間値をオフセット電圧に設定＞
本実施の形態では、図２のブロック図に示すように、オフセット電圧算出部３２は、式（１４）に示すように、総相数の交流電圧指令の基本値Vb_u、Vb_v、Vb_wに基づいて、総相数の交流電圧指令の基本値Vb_u、Vb_v、Vb_wの中の最大値Vb_max（以下、交流電圧指令の基本値の最大値Vb_maxと称す）を算出する。また、オフセット電圧算出部３２は、式（１５）に示すように、総相数の交流電圧指令の基本値Vb_u、Vb_v、Vb_wに基づいて、総相数の交流電圧指令の基本値Vb_u、Vb_v、Vb_wの中の最小値Vb_min（以下、交流電圧指令の基本値の最小値Vb_minと称す）を算出する。
Vb_max＝max（Vb_u，Vb_v，Vb_w）          （１４）
Vb_min＝min（Vb_u，Vb_v，Vb_w）          （１５）
【００５６】
ここで、交流電圧指令の基本値の最大値Vb_maxは、総相数の正極側のスイッチング素子の中で、発熱評価値が最大になる正極側のスイッチング素子（正極側最大発熱スイッチング素子）の相と、総相数の負極側のスイッチング素子の中で、発熱評価値が最大になる負極側のスイッチング素子（負極側最大発熱スイッチング素子）の相と、が同じ相であり、オフセット電圧が０の場合は正極側最大発熱スイッチング素子の方が、負極側最大発熱スイッチング素子よりも、発熱評価値が大きくなると仮定して（ケースａ）、正極側最大発熱評価値Qmaxpと負極側最大発熱評価値Qmaxnとが一致するようなオフセット電圧Voff_aである。
【００５７】
また、交流電圧指令の基本値の最小値Vb_minは、正極側最大発熱スイッチング素子の相と、負極側最大発熱スイッチング素子の相と、が同じ相であり、オフセット電圧が０の場合は負極側最大発熱スイッチング素子の方が、正側最大発熱スイッチング素子よりも、発熱評価値が大きくなると仮定して（ケースｂ）、正極側最大発熱評価値Qmaxpと負極側最大発熱評価値Qmaxnとが一致するようなオフセット電圧Voff_bである。
【００５８】
オフセット電圧算出部３２は、正極側最大発熱スイッチング素子の相と、負極側最大発熱スイッチング素子の相と、が異なる相であると仮定して（ケースｃ）、正極側最大発熱評価値Qmaxpと負極側最大発熱評価値Qmaxnとが一致するようなオフセット電圧である異相オフセット電圧Voff_cを算出する。
【００５９】
式（４）の発熱評価値が採用されている場合は、オフセット電圧算出部３２は、式（９−ｃ）を用いて、異相オフセット電圧Voff_cを算出する。式（５）の発熱評価値が採用されている場合は、オフセット電圧算出部３２は、式（１１−ｃ）を用いて、異相オフセット電圧Voff_cを算出する。
【００６０】
本実施の形態では、オフセット電圧算出部３２は、式（９−ｃ）又は式（１１−ｃ）に用いられる最大電流I_max及び最小電流I_minとして、式（１２−１）及び式（１２−２）に示すように、対応する相の交流電圧指令の基本値に基づいて算出される電流の推定値を用いる。
【００６１】
そして、式（４）の発熱評価値が採用されている場合は、オフセット電圧算出部３２は、式（１２−１）及び式（１２−２）を式（９−ｃ）に代入して得られた式（９−ｃ２）を用い、直流電圧Vdc、交流電圧指令の基本値の最大値Vb_max及び最小値Vb_minに基づいて、異相オフセット電圧Voff_cを算出する。式（５）の発熱評価値が採用されている場合は、オフセット電圧算出部３２は、式（１２−１）及び式（１２−２）を式（１１−ｃ）に代入して得られた式（１１−ｃ２）を用い、直流電圧Vdc、交流電圧指令の基本値の最大値Vb_max及び最小値Vb_minに基づいて、異相オフセット電圧Voff_cを算出する。直流電圧Vdcは、電圧センサを用いて検出された値であってもよく、予め設定された値であってもよい。
【００６２】
図６及び式（１３）を用いて説明したように、オフセット電圧算出部３２は、交流電圧指令の基本値の最大値Vb_max（Voff_a）、交流電圧指令の基本値の最小値Vb_min（Voff_b）、及び異相オフセット電圧Voff_cの中の中間値を、オフセット電圧Voffとして算出する。
【００６３】
なお、オフセット電圧Voff_a、Voff_b、Voff_cの算出において、最大発熱評価値Qmaxp、Qmaxn自体は算出されず、最大発熱評価値Qmaxp、Qmaxnの算出式に基づいて導出された算出式を用いて一意に算出することができる。よって、各スイッチング素子の発熱評価値を算出する必要がなく、また、繰り返しの数値計算を行う必要がなく、演算処理負荷を低減できる。
【００６４】
＜制御挙動＞
図７に、本実施の形態とは異なりオフセット電圧Voffを０に設定した比較例に係る制御挙動を示す。図８に、本実施の形態に係る制御挙動の例を示す。これらの例では、式（４）の発熱評価値が用いられている。また、直流電圧Vdcが１２Ｖであり、交流電圧指令の基本値の振幅Dが３Ｖであり、巻線の抵抗Rが１５ｍΩであり、交流モータ３の回転速度は０であり、交流電圧指令の基本値の周波数は、極低周波数になっている。各グラフの横軸は、交流電圧指令の基本値の位相になっている。
【００６５】
図７の比較例では、位相が３０deg変化する毎に、順番に、１つのスイッチング素子の発熱評価値が、他のスイッチング素子の発熱評価値に比べて大幅に大きくなり、特定のスイッチング素子に発熱が集中している。一方、図８の本実施の形態の例では、正極側最大発熱スイッチング素子の発熱評価値Qmaxpと、負極側最大発熱スイッチング素子の発熱評価値Qmaxnとが、一致しており、最大発熱スイッチング素子の発熱評価値を最小化することができている。これは、上述したように、正極側最大発熱スイッチング素子の発熱評価値Qmaxpを減少させるために、オフセット電圧Voffを増加し過ぎると、反対に負極側最大発熱スイッチング素子の発熱評価値Qmaxnが増加し過ぎるため、QmaxpとQmaxnとを一致させることにより、発熱評価値を最小化することができるためである。図７の比較例では、最大の発熱評価値は２８．８Ｗであるのに対して、図８の本実施の形態の例では、最大の発熱評価値は２０．６Ｗであり、約２８％低減できている。
【００６６】
また、例えば、Ｕ相のスイッチング素子が正極側最大発熱スイッチング素子になっている期間Tmaxp、Ｕ相のスイッチング素子が負極側最大発熱スイッチング素子になっている期間Tmaxnは、図７の比較例と、図８の本実施の形態の例とで異なっている。そのため、上述したように、正極側最大発熱評価値Qmaxpと負極側最大発熱評価値Qmaxnは、オフセット電圧Voffの合成後の交流電圧指令で評価する必要があることがわかる。
【００６７】
なお、特許文献１の方法、特許文献２の方法を用いて、図７及び図８と同様の条件で、シミュレーションを行った結果、最大の発熱評価値はそれぞれ２６．６Ｗ、２２．７Ｗとなり、本実施の形態の方法の方が、発熱評価値の低減効果が大きい。
【００６８】
２．実施の形態２
次に、実施の形態２に係る電力変換装置１について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電力変換装置１の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、発熱量の平均期間が、実施の形態１と異なる。
【００６９】
スイッチング素子の熱容量及び冷却機構により、スイッチング素子の発熱に対して、スイッチング素子の温度は遅れて変化する。言い換えると、スイッチング素子の発熱量は、平均化されてスイッチング素子の温度に表れる。よって、実施の形態１のように、オンオフ制御周期の発熱量の平均値を制御しなくても、オンオフ制御周期よりも長く、スイッチング素子の温度変化の遅れの時定数よりも短い期間の発熱評価値の平均値を制御することによって、スイッチング素子の発熱を抑制することができる。
【００７０】
発熱評価値は、総相数の交流電圧指令の基本値に基づいて算出されるため、オフセット電圧Voffの算出に用いられる総相数の交流電圧指令の基本値に平均化処理を行うことにより、発熱評価値の平均値を制御できる。
【００７１】
そこで、本実施の形態では、図９のブロック図に示すように、オフセット電圧算出部３２は、スイッチング素子の発熱量の変化に対するスイッチング素子の温度変化の遅れの時定数よりも短く、オンオフ制御周期よりも長い平均期間において平均化した総相数の交流電圧指令の基本値を、オフセット電圧の算出に用いる。
【００７２】
本実施の形態では、オフセット電圧算出部３２は、平均化処理として移動平均処理、ローパスフィルタ処理等を用いる。移動平均の平均期間は、スイッチング素子の温度変化の遅れの時定数よりも短く、オンオフ制御周期よりも長い期間に設定される。ローパスフィルタのカットオフ周波数は、スイッチング素子の温度変化の遅れの時定数の逆数よりも大きく、オンオフ制御周期の逆数よりも小さい周波数に設定される。
【００７３】
そして、オフセット電圧算出部３２は、平均化処理後の総相数の交流電圧指令の基本値に基づいて、式（１４）、式（１５）、式（９−ｃ２）又は式（１１−ｃ２）を用い、交流電圧指令の基本値の最大値Vb_max（Voff_a）、交流電圧指令の基本値の最小値Vb_min（Voff_b）、及び異相オフセット電圧Voff_cを算出する。そして、オフセット電圧算出部３２は、最大値Vb_max、最小値Vb_min、及び異相オフセット電圧Voff_cの中の中間値を、オフセット電圧Voffとして算出する。
【００７４】
この構成によれば、平均期間を調整することができるので、オフセット電圧Voffの設定の自由度を高めることができる。また、平均化処理によりオフセット電圧Voffの急変動を抑制し、ノイズ成分を抑制することができる。平均化期間内の累積発熱量を考慮し、よりスイッチング素子の温度に近い値を、発熱評価値とすることができるため、スイッチング素子の発熱を分散することができる。
【００７５】
３．実施の形態３
次に、実施の形態３に係る電力変換装置１について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電力変換装置１の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、オフセット電圧Voffに高周波成分が合成される点が、実施の形態１と異なる。
【００７６】
本実施の形態では、図１０のブロック図に示すように、オフセット電圧算出部３２は、正極側最大発熱評価値Qmaxpと負極側最大発熱評価値Qmaxnとが一致するように設定されたオフセット電圧Voffに対して、更に高周波成分を合成するように構成されている。そして、合成後電圧指令算出部３３は、高周波成分が合成されたオフセット電圧Voffを、総相数の交流電圧指令の基本値のそれぞれに合成して、総相数の合成後の交流電圧指令を算出する。
【００７７】
交流電圧指令にオフセット電圧を合成する方法には、本願のようなスイッチング素子の発熱の分散以外にも、従来から、スイッチングノイズのピーク低減、スイッチング損失の低減等、様々なものが存在する。
【００７８】
例えば、スイッチング素子のオンオフタイミングを毎周期前後にずらすための高周波成分がある。この高周波成分により、スイッチングノイズの周波数を広帯域に分散し、ノイズのスペクトルのピークを低減する効果を加えることができる。
【００７９】
また、総相数の合成後の交流電圧指令のいずれか１相を、上限電圧（本例では、Vdc／２）又は下限電圧（−Vdc／２）に固定するような高周波成分を算出する方法がある。これにより、スイッチング回数が減少し、スイッチング損失による発熱も低減することができる。
【００８０】
高周波成分は、スイッチング素子の発熱量の変化に対するスイッチング素子の温度変化の遅れの時定数よりも短い期間における平均値が０になる振動成分とされている。高周波成分を加えると、発熱評価値が変動するが、時定数よりも短い期間での発熱評価値の平均値は変動しない。高周波成分を加えても、スイッチング素子の温度変動を抑制でき、オフセット電圧による発熱の分散効果を維持できる。よって、発熱の分散と、高周波成分によるスイッチングノイズの低減、スイッチング損失の低減等の他の目的とを併用できる。
【００８１】
４．実施の形態４
次に、実施の形態４に係る電力変換装置１について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電力変換装置１の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、電流の算出方法が、実施の形態１と異なる。
【００８２】
実施の形態１では、異相オフセット電圧Voff_cの算出に、交流電圧指令の基本値に基づいて算出される電流の推定値が用いられていた。本実施の形態では、異相オフセット電圧Voff_cの算出に、電流の検出値が用いられる。
【００８３】
図１１の本実施の形態に係る概略構成図に示すように、各相の負極側のスイッチング素子に直列接続された電流センサＣＴが設けられている。電流センサＣＴの出力信号は、制御装置３０に入力される。そして、制御装置３０は、各相の電流センサＣＴの出力信号に基づいて、各相の巻線に流れる電流を検出する。本実施の形態では、電流センサＣＴには、変流器（Current Transformer）が用いられるが、シャント抵抗、又はホール素子などが用いられてもよい。また、電流センサの数が２つ以下とされ、電流検出値と電流推定値を併用してオフセット電圧が算出されてもよい。また、電流センサは、各相の直列回路と各相の巻線とを接続する電線上に設けられてもよく、直流電源２と電力変換装置１とを接続する電線上に設けられてもよい。
【００８４】
図１２のブロック図に示すように、オフセット電圧算出部３２は、交流電圧指令の基本値が最大になる相の巻線に流れる電流を、最大電流I_maxとして選択し、交流電圧指令の基本値が最小になる相の巻線に流れる電流を、最小電流I_minとして選択する。
【００８５】
式（４）の発熱評価値が採用されている場合は、オフセット電圧算出部３２は、式（９−ｃ）を用い、直流電圧Vdc、最大電流I_max、最小電流I_min、交流電圧指令の基本値の最大値Vb_max、及び交流電圧指令の基本値の最小値Vb_minに基づいて、異相オフセット電圧Voff_cを算出する。
【００８６】
式（５）の発熱評価値が採用されている場合は、オフセット電圧算出部３２は、式（１１−ｃ）を用い、直流電圧Vdc、最大電流I_max、最小電流I_min、交流電圧指令の基本値の最大値Vb_max、及び交流電圧指令の基本値の最小値Vb_minに基づいて、異相オフセット電圧Voff_cを算出する。
【００８７】
そして、実施の形態１と同様に、オフセット電圧算出部３２は、交流電圧指令の基本値の最大値Vb_max、交流電圧指令の基本値の最小値Vb_min、及び異相オフセット電圧Voff_cの中の中間値を、オフセット電圧Voffとして算出する。
【００８８】
本実施の形態によれば、交流モータの起電力がある場合、スイッチング抵抗が巻線抵抗に比べて無視できない大きさである場合など、オームの法則を用いることができない場合にも、電流検出値を用いて、スイッチング素子の発熱を精度良く分散することができる。
【００８９】
５．実施の形態５
次に、実施の形態５に係る電力変換装置１について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電力変換装置１の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、所定の運転条件でオフセット電圧の算出を停止する点、及びオフセット電圧を上下限制限する点が実施の形態１と異なる。
【００９０】
交流モータの回転速度が高くなり、総相数の交流電圧指令の基本値の周波数が高くなると、最大発熱スイッチング素子が切り替わる周期が短くなる。この切り替わり周期が、スイッチング素子の温度変化の遅れの時定数よりも小さい場合は、オフセット電圧を合成しなくても、スイッチング素子の温度上昇の偏りが低くなり、オフセット電圧を合成する必要性が低くなる。また、電流の大きさが小さく、オフセット電圧を合成しなくても、スイッチング素子の温度上昇が許容範囲内に収まる場合は、オフセット電圧を合成する必要性がない。これらのように、発熱の分散のためのオフセット電圧を合成する必要がない運転状態が存在する。
【００９１】
そこで、図１３のブロック図に示すように、オフセット電圧算出部３２は、総相数の交流電圧指令の基本値の周波数が予め設定された判定周波数よりも高い場合、又は電気負荷に流れる電流の大きさが予め設定された判定電流よりも小さい場合は、正極側最大発熱評価値Qmaxpと負極側最大発熱評価値Qmaxnとが一致するようなオフセット電圧Voffの算出を停止する。
【００９２】
例えば、オフセット電圧算出部３２は、式（１６）に示すように、交流電圧指令の基本値の角回転速度ωの大きさが、予め設定された判定速度ω_INHよりも大きくなった場合に、QmaxpとQmaxnとが一致するようなオフセット電圧Voffの算出処理を停止し、オフセット電圧Voffを０に設定する。判定速度ω_INHは、交流電圧指令の基本値の周期が、スイッチング素子の温度変化の遅れの時定数よりも短くなるような角回転速度に設定される。これにより、発熱の分散の必要がない角回転速度で、オフセット電圧Voffの算出を停止し、演算処理負荷を軽減できる。
｜ω｜＞ω_INH                （１６）
【００９３】
また、オフセット電圧算出部３２は、式（１７）に示すように、直流電源２からインバータ回路４に流れる直流電流Idcの大きさが、予め設定された判定電流I_INHよりも小さい場合に、QmaxpとQmaxnとが一致するようなオフセット電圧Voffの算出処理を停止し、オフセット電圧Voffを０に設定する。直流電流Idcの代わりに、総相数の交流電流をｄｑ軸の回転座標系上の電流に変換したｑ軸電流が用いられてもよい。発熱が許容できる電流において、オフセット電圧Voffの算出を停止し、演算処理負荷を軽減できる。
｜Idc｜＜I_INH                （１７）
【００９４】
交流電圧指令の基本値の振幅Dが大きくなると、合成後の交流電圧指令が−Vdc／2から＋Vdc／２の範囲を超えるため、交流電圧指令の基本値に応じた適切な巻線への電圧の印加ができなくなったり、スイッチング素子のオン期間が電流検出のために必要な期間を下回ったりする。そこで、オフセット電圧算出部３２は、合成後の交流電圧指令が予め設定された下限値から上限値の範囲を超える場合は、合成後の交流電圧指令が下限値から上限値の範囲内になるように、オフセット電圧Voffを変化させる。
【００９５】
例えば、オフセット電圧算出部３２は、式（１８−１）及び式（１８−２）に示すように、交流電圧指令の基本値の最大値Vb_maxの合成後の電圧指令（Vb_max−Voff）が、予め設定された上限値Vf_pLimよりも大きくなる場合、又は交流電圧指令の基本値の最小値Vb_minの合成後の電圧指令（Vb_min−Voff）が、予め設定された下限値Vf_nLimよりも小さくなる場合に、QmaxpとQmaxnとが一致するようなオフセット電圧Voffの算出処理を停止し、オフセット電圧Voffを０に設定する。上限値Vf_pLimは、＋Vdc／２に応じた値に設定され、下限値Vf_nLimは、−Vdc／2に応じた値に設定される。合成後の交流電圧指令が下限値から上限値の範囲を超えることを防止し、適切な巻線への電圧の印加を行え、精度良く巻線電流を検出できる。
Vb_max−Voff＞Vf_pLim                （１８−１）
Vb_min−Voff＜Vf_nLim                （１８−２）
【００９６】
或いは、オフセット電圧算出部３２は、式（１８−１）が成立する場合は、式（１９−１）を用いて、交流電圧指令の基本値の最大値Vb_maxの合成後の電圧指令（Vb_max−Voff）が上限値Vf_pLimに一致するようにオフセット電圧Voffを変化させ、式（１８−２）が成立する場合は、式（１９−２）を用いて、交流電圧指令の基本値の最小値Vb_minの合成後の電圧指令（Vb_min−Voff）が下限値Vf_nLimに一致するようにオフセット電圧Voffを変化させるオフセット電圧の制限処理を行う。適切な範囲の合成後の交流電圧指令の算出を保障することができる。また、合成後の交流電圧指令を適切な範囲に収めつつ、最大限の発熱の分散効果を得ることができる。
Voff＝Vb_max−Vf_pLim                （１９−１）
Voff＝Vb_min−Vf_nLim                （１９−２）
【００９７】
なお、各種のオフセット電圧の算出停止処理、及びオフセット電圧の上下限制限処理は、それぞれ単独で実行されてもよく、組み合わせて実行されてもよい。
【００９８】
６．実施の形態６
次に、実施の形態６に係る電力変換装置１について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電力変換装置１の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、本実施の形態では、交流モータ３は、電動パワーステアリング装置の駆動力源として用いられる。
【００９９】
図１４に示すように、ステアリングホイール５３に加えられた運転者の操舵力は、ステアリングシャフト５４に伝達される。また、交流モータ３の出力トルクは、減速ギヤ５７を介して、ステアリングシャフト５４に伝達される。ステアリングシャフト５４に伝達された運転者の操舵力及び交流モータ３の出力トルクは、ラック・ピニオンギヤ５５を介して、ラックに伝達され、車輪５６を転舵する。交流モータ３は、運転者の操舵を補助するトルクを出力する。ステアリングシャフト５４に取り付けられたトルクセンサ５２は、運転者の操舵力を検出する。交流モータ３には、ロータの電気角を計測する角度センサが設けられている。
【０１００】
制御装置３０（電圧指令基本値算出部３１）は、トルクセンサ５２により検出した運転者の操舵力、交流モータ３のロータの電気角、及び交流モータ３の巻線に流れる電流に基づいて、総相数の交流電圧指令の基本値を算出する。
【０１０１】
車速が０の状態で、ステアリングホイール５３を切る操舵を据切り操舵という。据切り操舵時は、インバータ回路４に大電流が流れ、特定のスイッチング素子に発熱が集中する問題がある。上記の実施の形態１と同様に、発熱を分散するオフセット電圧Voffを算出することにより、スイッチング素子の温度上昇の偏りを軽減でき、連続した据切り操舵回数を増加させることができる。また、汎用のインバータ回路、冷却機器などの適用も可能になり、システム全体のコストを低減することができる。
【０１０２】
７．実施の形態７
次に、実施の形態７に係る電力変換装置１について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電力変換装置１の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、本実施の形態では、交流モータ３は、車輪の駆動力源として用いられる。
【０１０３】
図１５に示すように、交流モータ３は、電動車両６２（又はハイブリッド車両等）の車輪５６の駆動力源として用いられる。制御装置３０（電圧指令基本値算出部３１）は、運転者のアクセルペダルの操作及び車速等に基づいて、総相数の交流電圧指令の基本値を算出する。
【０１０４】
車両が登坂路において停止し、運転者がアクセルペダルを調整することで、車両を停止状態に保持した場合、交流モータ３の回転速度が極低の状態で、交流モータ３に流れる電流が増加し、特定のスイッチング素子に発熱が集中する問題がある。上記の実施の形態１と同様に、発熱を分散するオフセット電圧Voffを算出することにより、スイッチング素子の温度上昇の偏りを軽減できる。また、汎用のインバータ回路、冷却機器などの適用も可能になり、システム全体のコストを低減することができる。
【０１０５】
８．実施の形態８
次に、実施の形態７に係る電力変換装置１について説明する。上記の実施の形態１と同様の構成部分は説明を省略する。本実施の形態に係る電力変換装置１の基本的な構成は実施の形態１と同様であるが、本実施の形態では、交流モータ３は、エレベータの巻上機の駆動力源として用いられる。
【０１０６】
図１６に示すように、乗りかご７２と釣り合い重り７３はロープ７４によって繋がっており、巻上機７１がロープ７４を巻き上げることによって乗りかご７２を移動させる。釣り合い重り７３は乗りかご７２の重力を相殺し、巻上機７１に必要なトルクを低減させる効果がある。巻上機７１の駆動力源として交流モータ３が用いられている。
【０１０７】
制御装置３０（電圧指令基本値算出部３１）は、交流モータ３のロータの電気角、及び交流モータ３の巻線に流れる電流等に基づいて、総相数の交流電圧指令の基本値を算出する。
【０１０８】
乗りかご７２の移動開始直後は、交流モータ３の回転速度が極低の状態で、交流モータ３に流れる電流が増加し、特定のスイッチング素子に発熱が集中する問題がある。上記の実施の形態１と同様に、発熱を分散するオフセット電圧Voffを算出することにより、スイッチング素子の温度上昇の偏りを軽減できる。
【０１０９】
〔その他の実施の形態〕
最後に、本願のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
【０１１０】
（１）上記の各実施の形態においては、総相数が３つに設定されている場合を例に説明した。しかし、本願の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、総相数は３つ以上に設定されてもよい。例えば、総相数が４つに設定された４相の巻線を有する誘導モータであっても、オフセット電圧算出部３２は、４相の交流電圧指令の基本値の中の最大値Vb_max及び最小値Vb_minを算出し、最大値Vb_max及び最小値Vb_minに基づいて異相オフセット電圧Voff_cを算出し、最大値Vb_max、最小値Vb_min及び異相オフセット電圧Voff_cの中間値を、オフセット電圧Voffとして算出すればよい。
【０１１１】
（２）上記の各実施の形態においては、交流モータ３が誘導モータである場合を例に説明した。しかし、本願の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、交流モータ３は、永久磁石式又は電磁石式の同期モータであってもよく、総相数の電気負荷は、同期モータに設けられた総相数の巻線とされてもよい。同期モータの場合は、交流電圧指令の基本値の周期は、ロータの電気角での回転周期に等しくなる。また、交流モータ３は、電動機の機能及び発電機の機能の一方又は双方を有してもよい。
【０１１２】
（３）上記の実施の形態６から９においては、交流モータ３が、電動パワーステアリング装置、車輪、又はエレベータの巻上機の駆動力源として用いられる場合を例に説明した。しかし、本願の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、交流モータ３は、様々な機器に用いられてもよい。
【０１１３】
（４）上記の各実施の形態においては、総相数の電気負荷が、交流モータ３が備えた総相数の巻線とされている場合を例に説明した。しかし、本願の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、総相数の電気負荷は、抵抗とインダクタンスで表現できる３相以上の種々の回路であってもよい。
【０１１４】
（５）上記の各実施の形態においては、総相数の交流電圧指令の基本値は、０を中心に振動するようにされている場合を例に説明した。しかし、本願の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、総相数の交流電圧指令の基本値は、Vdc／２を中心に振動するように構成されてもよい。この場合は、式（９−ｃ）、式（９−ｃ２）、式（１１−ｃ）、及び式（１１−ｃ２）における最大値Vb_max及び最小値Vb_minとして、Vdc／２を中心に振動する交流電圧指令の基本値の最大値及び最小値からVdc／２が減算された値が用いられればよい。この場合は、スイッチング制御部３４は、Vdc／２を中心に直流電圧Vdc／２の振幅、オンオフ制御周期（ＰＷＭ周期）で振動するキャリア波を用いる。
【０１１５】
（６）上記の実施の形態２においては、電流として、交流電圧指令の基本値に基づいて算出される電流の推定値が用いられ、交流電圧指令の基本値に対して平均化処理を行った値が、オフセット電圧の算出に用いられる場合を例に説明した。しかし、本願の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、実施の形態４のように、電流として、電流の検出値が用いられる場合は、交流電圧指令の基本値及び電流の検出値に対して平均化処理を行った値が、オフセット電圧の算出に用いられてもよい。
【０１１６】
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【０１１７】
I_max  最大電流、I_min  最小電流、Qmaxn  負極側最大発熱評価値、Qmaxp  正極側最大発熱評価値、Vb_max  総相数の交流電圧指令の基本値の中の最大値、Vb_min  総相数の交流電圧指令の基本値の中の最小値、Vdc  直流電圧、Voff  オフセット電圧、Voff_c  異相オフセット電圧、１  電力変換装置、２  直流電源、３  交流モータ、４  インバータ回路、３０  制御装置、３１  電圧指令基本値算出部、３２  オフセット電圧算出部、３３  合成後電圧指令算出部、３４  スイッチング制御部
【図１】
2019202675.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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2019202675.tif 000020
2019202675.tif 000021
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