(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電力を蓄える蓄電装置と、
前記蓄電装置が正負の直流端子間に接続され、複数の交流端子間にインダクタンスを有する負荷が接続されたインバータと、
第１，第２の半導体スイッチを直列に接続して構成され、前記第１，第２の半導体スイッチ同士の接続点が前記負荷の中性点に接続される第１の上下アーム部と、
前記第１の上下アーム部に並列に接続された直流電源と、
を備え、
前記インバータの正負の直流端子と前記第１の上下アーム部の正負の端子との両極同士のうち少なくとも一方の両極同士を開閉スイッチにより接続し、他方の同極同士を同電位としたことを特徴とする電力変換システム。
【請求項２】
請求項１に記載した電力変換システムにおいて、
前記インバータの正負の直流端子と前記第１の上下アーム部の正負の端子との両極同士のうち一方の両極同士のみを開閉スイッチにより接続し、他方の両極同士を直接接続したことを特徴とする電力変換システム。
【請求項３】
請求項１に記載した電力変換システムにおいて、
前記インバータの正負の直流端子と前記第１の上下アーム部の正負の端子との両極同士をそれぞれ開閉スイッチにより接続したことを特徴とする電力変換システム。
【請求項４】
請求項１に記載した電力変換システムにおいて、
前記インバータを構成する半導体スイッチ、及び、前記第１の上下アーム部を構成する前記第１，第２の半導体スイッチが、半導体スイッチング素子とこれに逆並列接続された還流ダイオードとによってそれぞれ構成されていることを特徴とする電力変換システム。
【請求項５】
請求項１に記載した電力変換システムにおいて、
前記負荷が交流電動機であり、前記負荷が有するインダクタンスが前記交流電動機の漏れインダクタンスであることを特徴とする電力変換システム。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載した電力変換システムの制御方法において、
前記開閉スイッチをオンし、かつ、前記第１，第２の半導体スイッチをオフした状態で、前記インバータを構成する複数の半導体スイッチをスイッチングすることにより、前記インバータから交流電圧を出力して前記負荷を駆動することを特徴とする電力変換システムの制御方法。
【請求項７】
請求項２に記載した電力変換システムの制御方法において、
前記開閉スイッチをオフし、かつ、前記インバータの上アームまたは下アームの全ての半導体スイッチを同時にオンまたはオフして等価的に第３，第４の半導体スイッチの直列回路からなる第２の上下アーム部を構成すると共に、前記第１，第２の半導体スイッチをオン・オフすることにより、第１の上下アーム部，第２の上下アーム部及び前記負荷のインダクタンスからなる昇降圧チョッパを動作させ、前記蓄電装置を充放電することを特徴とする電力変換システムの制御方法。
【請求項８】
請求項３に記載した電力変換システムの制御方法において、
一方の開閉スイッチを常にオンさせた状態で他方の開閉スイッチをオフし、かつ、前記インバータの上アームまたは下アームの全ての半導体スイッチを同時にオンまたはオフして等価的に第３，第４の半導体スイッチの直列回路からなる第２の上下アーム部を構成すると共に、前記第１，第２の半導体スイッチをオン・オフすることにより、第１の上下アーム部，第２の上下アーム部及び前記負荷のインダクタンスからなる昇降圧チョッパを動作させ、前記蓄電装置を充放電することを特徴とする電力変換システムの制御方法。
【請求項９】
請求項６に記載した電力変換システムの制御方法において、
前記第２の上下アーム部による昇降圧動作を行うための前記インバータのスイッチングパターンが、前記インバータにより交流電圧を出力して前記負荷を駆動するためのスイッチングパターンの一部を構成していることを特徴とする電力変換システムの制御方法。
【請求項１０】
請求項７または８に記載した電力変換システムの制御方法において、
前記第２の上下アーム部による昇降圧動作を行うための前記インバータのスイッチングパターンが、前記インバータにより交流電圧を出力して前記負荷を駆動するためのスイッチングパターンの一部を構成していることを特徴とする電力変換システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電動機等の負荷を駆動するための電力変換システム及びその制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直流電源電圧を昇圧してインバータに供給し、このインバータにより交流電動機を運転する電力変換システムとして、例えば図４に示す従来技術が知られている。
図４において、１０は直流電源、２０は電流可逆式の昇圧コンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）、２１，２２は半導体スイッチ、２３はリアクトル、３０はコンデンサ、４０は三相電圧形インバータ、４１〜４６は半導体スイッチ、５０は交流電動機である。なお、図４にカッコ書きしてあるように、各半導体スイッチ２１，２２，４１〜４６は、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子と、これに逆並列に接続された還流ダイオードとによって構成されている。【０００３】
この従来技術の動作を簡単に説明すると、昇圧コンバータ２０の半導体スイッチ２２のオン・オフにより、リアクトル２３に対するエネルギーの蓄積、放出が繰り返されるため、コンデンサ３０の電圧は、直流電源１０の電圧に対して昇圧される。インバータ４０は、例えばＰＷＭ制御によって半導体スイッチ４１〜４６をオン・オフし、コンデンサ３０の直流電圧を三相交流電圧に変換して交流電動機５０に供給する。
図４に示した従来技術は、例えば特許文献１に記載されている。【０００４】
また、インバータにより零相電圧を制御していわゆる零相コンバータとして動作させることにより、直流電源電圧を昇圧するようにした図５の従来技術が知られている。
図５において、交流電動機５０の中性点（固定子巻線の中性点）５０aと負側直流母線との間には直流電源１０が接続されており、その他の構成部品には図４と同一の番号を付してある。【０００５】
この従来技術では、例えばインバータ４０の下アームの半導体スイッチ４２，４４，４６を同一のタイミングでオン・オフする動作を繰り返すことにより、直流電源１０、交流電動機５０の漏れインダクタンス（零相インダクタンス）及びインバータ４０からなる零相分等価回路が図４の昇圧コンバータ２０と実質的に同一の回路構成になり、コンデンサ３０の電圧を直流電源１０の電圧より高い値に制御することができる。なお、インバータ４０による交流電動機５０の駆動動作は、図４と同様である。
図５に示した従来技術は、例えば特許文献２に記載されている。【０００６】
一方、図６は、特許文献３に記載された従来技術を示す回路図である。
図６において、７０は昇降圧チョッパとして動作するＤＣ／ＤＣコンバータ、７１〜７４は半導体スイッチ、７５はリアクトルであり、半導体スイッチ７１，７２の直列回路は直流電源１０及びコンデンサ３１に並列に接続され、半導体スイッチ７３，７４の直列回路はコンデンサ３２及びインバータ４０に並列に接続されている。１１，６２は電圧検出器、６１は電流検出器、８０は制御回路である。【０００７】
この従来技術では、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０の半導体スイッチ７１，７４及び７２，７３のデューティ比を制御することにより、リアクトル７５に蓄積されるエネルギーを変化させ、直流電源１０の電圧を所望の大きさに制御してコンデンサ３２側に出力する。
図６とほぼ同様の回路は、非特許文献１にも記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１２０８４４号公報（図２，図５，図６等）
【特許文献２】特開２０１１−４１３３６号公報（図１等）
【特許文献３】特開２００４−３５０４７８号公報（図１，図７等）
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】ComparativeEvaluation of Soft-Switching Concepts for Bi-directional Buck+BoostDc-Dc Converters, p.1856-1865, The 2010 International Power ElectronicsConference（Fig.１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図４や図６に示した従来技術では、各コンバータ２０，７０に設けられるリアクトル２３，７５が回路の大型化やコストの増加を招くという問題がある。
また、図５の従来技術では、交流電動機５０を駆動するインバータ４０のスイッチング動作の中でインバータ４０を適宜スイッチングすることにより零相コンバータとして動作させているため、交流電動機５０の運転中は常に昇圧動作が行われることになり、これによってインバータ４０及び交流電動機５０における損失が大きくなるという問題がある。
更に、図５の従来技術において、インバータ４０の上アームまたは下アームの全ての半導体スイッチのオンデューティを調整すれば、交流電動機５０の回転速度に応じてインバータ４０の直流電圧（コンデンサ３０の電圧）を制御することができ、例えば、交流電動機５０の高速回転時にインバータ４０の直流電圧を直流電源１０の電圧よりも高い値に制御することが可能であるが、この直流電圧、ひいてはインバータ４０の交流出力電圧の自由度は概して低いものであった。【００１１】
そこで、本発明の解決課題は、昇圧用のリアクトルや常時の昇圧動作を不要にして装置全体の小型化、損失低減を図ると共に、インバータの直流電圧の自由度を高めることができる電力変換システム及びその制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するため、請求項１に係る電力変換システムは、コンデンサ等の蓄電装置と、蓄電装置が正負の直流端子間に接続され、複数の交流端子間にインダクタンスを有する負荷が接続されたインバータと、第１，第２の半導体スイッチを直列に接続して構成され、第１，第２の半導体スイッチ同士の接続点が負荷の中性点に接続される第１の上下アーム部と、第１の上下アーム部に並列に接続されたバッテリー等の直流電源と、を備え、前記インバータの正負の直流端子と前記第１の上下アーム部の正負の端子との両極同士のうち少なくとも一方の両極同士を開閉スイッチにより接続し、他方の同極同士を同電位としたものである。
ここで、請求項２に記載するように、前記インバータの正負の直流端子と前記第１の上下アーム部の正負の端子との両極同士のうち一方の両極同士のみを開閉スイッチにより接続し、他方の両極同士を直接接続しても良い。
あるいは、請求項３に記載するように、前記インバータの正負の直流端子と前記第１の上下アーム部の正負の端子との両極同士をそれぞれ開閉スイッチにより接続し、一方の開閉スイッチを常にオン状態にすると共に、他方の開閉スイッチをオン・オフ動作させても良い。【００１３】
なお、請求項４に記載するように、前記インバータを構成する半導体スイッチ、及び、第１の上下アーム部を構成する第１，第２の半導体スイッチは、半導体スイッチング素子とこれに逆並列接続された還流ダイオードとによってそれぞれ構成されている。
また、請求項５に記載するように、前記負荷としては交流電動機を接続し、この交流電動機の漏れインダクタンスを昇圧用のインダクタンスとして利用することが望ましい。【００１４】
本発明に係る電力変換システムの制御方法としては、請求項６に記載するように、開閉スイッチをオンし、かつ、第１，第２の半導体スイッチをオフした状態で、インバータを構成する複数の半導体スイッチをスイッチングすることにより、インバータから交流電圧を出力して負荷を駆動することができる。
また、請求項７に記載するように、請求項２における開閉スイッチをオフし、かつ、インバータの上アームまたは下アームの全ての半導体スイッチを同時にオンまたはオフして等価的に第３，第４の半導体スイッチの直列回路からなる第２の上下アーム部を構成すると共に、第１，第２の半導体スイッチをオン・オフすることにより、第１の上下アーム部，第２の上下アーム部及び負荷のインダクタンスからなる昇降圧チョッパを動作させ、蓄電装置を充放電させることもできる。
あるいは、請求項８に記載するように、請求項３における一方の開閉スイッチを常にオンさせた状態で他方の開閉スイッチをオフし、かつ、インバータの上アームまたは下アームの全ての半導体スイッチを同時にオンまたはオフして等価的に第３，第４の半導体スイッチの直列回路からなる第２の上下アーム部を構成すると共に、第１，第２の半導体スイッチをオン・オフすることにより、第１の上下アーム部，第２の上下アーム部及び負荷のインダクタンスからなる昇降圧チョッパを動作させ、蓄電装置を充放電させることもできる。
【００１５】
更に、請求項９または請求項１０に記載するように、第２の上下アーム部による昇降圧動作を行うためのインバータのスイッチングパターンが、インバータにより交流電圧を出力して負荷を駆動するためのスイッチングパターンの一部を構成するようにすれば、蓄電装置に対する昇降圧動作を行いながらインバータにより負荷を駆動することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、交流電動機等の負荷が有するインダクタンスを利用することによって昇圧用のリアクトルが不要になるため、装置の小型化、低価格化が可能である。また、昇圧動作を行わずに、インバータによって負荷を駆動する動作モードを選択できるので、常時昇圧動作を行う従来技術に比べて制御の簡素化が図れると共に、損失の低減が可能になる。
更に、インバータの直流電圧の自由度を高めることにより、例えば負荷が交流電動機である場合、高速回転時にインバータの直流電圧を高めることが可能であるため、電動機を高電圧仕様として電流を減少させ、電動機に電力を供給するケーブルの細径化、接続端子の小型化等を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態を示す回路図である。
【図２】図１の等価回路図である。
【図３】交流電動機の速度とトルク（電流）との関係を示す概略的な特性図である。
【図４】従来技術を示す回路図である。
【図５】従来技術を示す回路図である。
【図６】従来技術を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態を示す回路図である。図１において、蓄電装置としてのコンデンサ３０の両端には、半導体スイッチ４１〜４６からなる三相電圧形インバータ４０の正負の直流端子が接続され、インバータ４０の各交流端子には三相の交流電動機５０が接続されている。
【００１９】
一方、バッテリー等からなる直流電源１０の正極と負極との間には、半導体スイッチ９１，９２を直列接続した上下アーム部９０が接続され、半導体スイッチ９１，９２同士の接続点は交流電動機５０の中性点５０ａに接続されている。ここで、半導体スイッチ９１，９２を第１，第２の半導体スイッチ、上下アーム部９０を第１の上下アーム部と呼ぶこととする。
また、上下アーム部９０の正極端子（直流電源１０の正極）は、双方向性の半導体スイッチまたは機械的スイッチからなる開閉スイッチ１００を介してインバータ４０の一方の直流端子（正極端子）に接続され、上下アーム部９０の負極端子（直流電源１０の負極）はインバータ４０の他方の直流端子（負極端子）に直接接続されて同電位に保たれている。
なお、開閉スイッチ１００を上下アーム部９０の負極端子とインバータ４０の負極端子との間に接続し、上下アーム部９０の正極端子とインバータ４０の正極端子とを直接接続して同電位に保っても良い。
また、図示しないが、上下アーム部９０の正極端子とインバータの正極端子との間、及び、上下アーム部９０の負極端子とインバータの負極端子との間に、開閉スイッチをそれぞれ接続しても良い。この場合、電力変換システムの運転中は、後述する動作により一方の開閉スイッチ（この実施形態の開閉スイッチ１００に相当）をオンまたはオフさせると共に他方の開閉スイッチを常にオン状態として当該開閉スイッチの両端を同電位に保ち、電力変換システムの停止時には当該開閉スイッチをオフさせればよい。
上記構成において、半導体スイッチ４１〜４６，９１，９２は、図１にカッコ書きしてあるように、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子と、これに逆並列に接続された還流ダイオードとによって構成されている。
【００２０】
次に、この実施形態の動作を説明する。
図１の開閉スイッチ１００をオンして上下アーム部９０の半導体スイッチ９１，９２をオフすると、インバータ４０の直流回路には直流電源１０及びコンデンサ３０が並列に接続されることになり、回路全体として通常の三相電圧形インバータからなる交流電動機駆動システムが構成される。このため、インバータ４０は、制御回路（図示せず）から与えられる所定の電圧指令に従ってＰＷＭ制御等を行い、半導体スイッチ４１〜４６をオン・オフすることにより、直流電圧を三相交流電圧に変換して交流電動機５０に供給する。
【００２１】
次いで、開閉スイッチ１００をオフした状態で、インバータ４０の上アームまたは下アームの半導体スイッチを全てオンまたはオフさせて零相電圧を制御する（零相コンバータとして動作させる）スイッチング動作と、正相分電圧指令によるインバータ４０のスイッチング動作とを時分割的に行う場合、図１の回路は等価的に図２のようになる。
【００２２】
図２において、４０Ａは零相コンバータとしてのインバータ４０を等価的に示した上下アーム部であり、上アームの半導体スイッチ４７は、同時にオンまたはオフされる図１の半導体スイッチ４１，４３，４５に相当し、下アームの半導体スイッチ４８は、同時にオフまたはオンされる図１の半導体スイッチ４２，４４，４６に相当する。ここで、上下アーム部４０Ａを構成する半導体スイッチ４７，４８を第３，第４の半導体スイッチ、上下アーム部４０Ａを第２の上下アーム部と呼ぶこととする。
図１に示した回路構成のもとでは、図２における半導体スイッチ４７，４８同士の接続点は、交流電動機５０の漏れインダクタンス（零相インダクタンス）５１を介して上下アーム部９０の半導体スイッチ９１，９２同士の接続点に接続されることとなり、これらの上下アーム部４０Ａ，９０及び漏れインダクタンス５１によって昇降圧コンバータ７０Ａが構成される。
【００２３】
図２に示した回路は、全体的な構成としては前述した図６と実質的に同一であり、図２における昇降圧コンバータ７０Ａは、例えば、特許第３６６６５５７号公報の図３、特許第５０２９３１５号公報の図１，図２等に記載された回路と同様の機能を持つ。
これらの公知文献から明らかなように、図１のインバータ４０を構成する半導体スイッチ４１〜４６に対して正相分電圧指令と零相分電圧指令とを合成して与えた場合、まず正相分電圧指令に応じた通常のインバータ動作により、コンデンサ３０の電圧を三相交流電圧に変換して交流電動機５０に印加することができる。
また、零相分電圧指令に応じてインバータ４０の零相電圧を制御し、等価的に構成される零相コンバータとしての上下アーム部４０Ａと、他方の上下アーム部９０とのスイッチング動作により、直流電源１０とコンデンサ３０との間で零相電力を授受させて昇降圧動作を行うことができる。例えば、零相分電圧指令により図１のインバータ４０の下アームの半導体スイッチ４２，４４，４６を同時にオン（図２の半導体スイッチ４８をオン）させて上下アーム部９０の半導体スイッチ９１をオンさせれば、漏れインダクタンス５１に直流電源１０からエネルギーが蓄積される。次に、図１のインバータ４０の下アームの半導体スイッチ４２，４４，４６を同時にオフ（図２の半導体スイッチ４８をオフ）させると共に半導体スイッチ９１をオフさせれば、漏れインダクタンス５１の蓄積エネルギーが半導体スイッチ４１，４３，４５（図２の半導体スイッチ４７）の還流ダイオード及び半導体スイッチ９２の還流ダイオードを介してコンデンサ３０に供給されるので、コンデンサ３０を充電することができる。なお、半導体スイッチ４２，４４，４６を同時にオフする際には、半導体スイッチ９１をオン状態のまま維持してもよい。
【００２４】
すなわち、図２の昇降圧コンバータ７０Ａは、上下アーム部４０Ａの半導体スイッチ４７，４８と図１，図２における上下アーム部９０の半導体スイッチ９１，９２とのオン・オフ制御により、図２の漏れインダクタンス５１に直流電源１０から電流を流してエネルギーを蓄積し、更にこのエネルギーを図２の半導体スイッチ４７，９２の還流ダイオードを介してコンデンサ３０に供給するため、直流電源１０のエネルギーを用いてコンデンサ３０を充電することができる。
【００２５】
ここで、上下アーム部９０の半導体スイッチ９１，９２及び漏れインダクタンス５１は降圧チョッパとして動作し、上下アーム部４０Ａの半導体スイッチ４７，４８及び漏れインダクタンス５１は昇圧チョッパとして動作する。よって、昇降圧チョッパを構成する半導体スイッチ９１，９２，４７，４８のデューティ比を調整することにより、直流電源１０の電圧に対するインバータ４０の直流電圧（コンデンサ３０の電圧）、ひいてはインバータ４０の交流出力電圧を大きな自由度で制御することが可能である。
【００２６】
上述したように、この実施形態において、図１の開閉スイッチ１００をオンして上下アーム部９０の半導体スイッチ９１，９２をオフした状態では、直流電源１０が直結された通常のインバータ４０の動作によって交流電動機５０を駆動することができる。この動作モードでは昇圧動作を行わないため、図５のようにインバータ４０の運転中に常時、昇圧動作を行う従来技術に比べて制御が簡素化されると共に、交流電動機５０の中性点電流による損失も発生しない。
【００２７】
また、図１の開閉スイッチ１００をオフしてインバータ４０を零相コンバータとして動作させ、かつ、上下アーム部９０の半導体スイッチ９１，９２をスイッチングする場合、従来のようにリアクトルを用いなくても漏れインダクタンス５１を利用して昇降圧動作を行うことができるので、装置全体の小型化、低価格化が可能である。
同時に、前述した如く、昇降圧コンバータ７０Ａを昇降圧チョッパとして動作させるため、インバータ４０の直流電圧の自由度が大きく、所望の大きさの交流電圧を出力させて交流電動機５０を駆動することができる。
【００２８】
更に、例えば電気自動車、ハイブリッド自動車等に使用される永久磁石同期電動機は、一般に図３に示すような速度−トルク特性を有しており、電動機の電流はトルクにほぼ比例することから、速度−電流特性も図４とほぼ同様と考えて良い。
図３によれば、電動機の高速域ほど電流が少なくて済み、言い換えれば、予め設定された発熱量に対して中性点電流（零相電流）を流せる余地が大きいため、本実施形態では、トルクがそれほど必要とされない高速域において昇圧動作させるような場合に好適である。
交流電動機の端子電圧は、一般に回転速度の上昇に伴って上昇するため、昇圧動作を行わせることができれば、それに合わせて電動機の端子電圧を高電圧に設計することができる。その結果として電動機を流れる電流が抑制され、電動機に電力を供給するケーブルの細径化、接続端子や半導体素子の小型化，容量低減により装置全体の小型軽量化、低コスト化に寄与することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、例えば電気自動車、ハイブリッド自動車等に搭載される車載式の電力変換システムを始めとして、インバータにより負荷を駆動する各種の駆動システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１０：直流電源
３０：コンデンサ
４０：インバータ
４０Ａ：第２の上下アーム部
４１〜４８：半導体スイッチ
５０：交流電動機
５０ａ：中性点
７０Ａ：昇降圧コンバータ
９０：第１の上下アーム部
９１，９２：半導体スイッチ
１００：開閉スイッチ
【図１】
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【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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