(57)【要約】【課題】低回転領域で損失を大きく低減する電力変換装置を提供する。【解決手段】直流電圧の電圧をパルス状電圧に変換し、交流電圧を生成することで多相交流モータを駆動する電力変換装置(30)であって、相間を直結可能とする相間ダイレクトスイッチ(37,38,39)を各相間に備えることを特徴とする電力変換装置を提供する。相間ダイレクトスイッチで相間を直接短絡することが可能となり、電力変換器の特定の部位（即ち特定のパワー素子）に電流が流れて熱が集中するのを防止し、損失を低減することができる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧の電圧をパルス状電圧に変換し、交流電圧を生成することで多相交流モータを駆動する電力変換装置において、
相間を直結可能とする相間ダイレクトスイッチを各相間に備える、
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記相間ダイレクトスイッチの各々が、そのスイッチが接続されている両端の相電位が同じになった場合にオン状態にされる、
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記相間ダイレクトスイッチが、全ての相電位が同じになった場合にオン状態にされる、
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
前記相間ダイレクトスイッチが、相電流の大きさ及び極性のうちの少なくとも一方に応じて、オン状態になることを停止する機能を有する、
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
前記相間ダイレクトスイッチのうち、相電流が同じ符号である相間に接続されたものはオン状態にしない、
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
前記相間ダイレクトスイッチの各々は一方向の電流のみ導通可能な２つのスイッチを組み合わせて構成されており、そのときの前記電力変換器の状態における順方向のスイッチのみをオン状態にする、
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置において、
前記相間ダイレクトスイッチが、所定周期におけるオン時間の割合の上限値が設定されている、
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】
本発明は電力変換装置に関するものであり、特に、相間を直結可能とする相間ダイレクトスイッチを各相間に備える電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置の従来技術として、例えば、特開２０００−１３４９９０号公報（特許文献１を参照されたい。）ある。この従来例では、電力変換器の発熱量を低減するためにスイッチング周波数を下げる方法が開示されている。この従来例は、加熱を防止するために電力変換器の温度が高くなった場合にスイッチング周波数を下げることでスイッチング損失を減らす技術である。
【特許文献１】特開２０００−１３４９９０号公報（段落0010-0011、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、スイッチング周波数を下げることにより、騒音が増大したり電流リップルが増大したりするなどの新たな問題が生じる。また、例えば自動車用途などを中心に、インバータの損失を低減したいという要求がある。特に０回転を含む低回転領域では電力変換器の特定の部位に熱が集中し易いため、損失の低減が強く求められている。
以上の点を鑑みて、本発明は、低回転領域で損失を大きく低減する電力変換装置を提供するものである。また本発明は、従来例のような騒音の問題を生じさせたり、電流リップルを増大させたりなどスイッチング周波数を下げることにより生じる問題を回避できるだけではなく、低回転領域での損失を常時低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上述した諸課題を解決すべく、第１の発明による電力変換装置は、
直流電圧の電圧をパルス状電圧に変換し、交流電圧を生成することで多相交流モータを駆動する電力変換装置であって、
相間を直結可能とする相間ダイレクトスイッチを各相間に備える、ことを特徴とする。
また、第２の発明による電力変換装置は、
前記相間ダイレクトスイッチの各々が、そのスイッチが接続されている両端の相電位が同じ、或いはほぼ同じになった場合（例えば電位差が所定の範囲内におさまる場合）にオン状態にされる、ことを特徴とする。
【０００５】
また、第３の発明による電力変換装置は、
前記相間ダイレクトスイッチが、全ての相電位が同じ、或いはほぼ同じになった場合にオン状態にされる、ことを特徴とする。
また、第４の発明による電力変換装置は、
前記相間ダイレクトスイッチが、相電流の大きさ及び極性のうちの少なくとも一方に応じて、オン状態になることを停止する機能を有する、ことを特徴とする。
【０００６】
また、第５の発明による電力変換装置は、
前記相間ダイレクトスイッチのうち、相電流が同じ符号である相間に接続されたものはオン状態にしない、即ち、相電流が異符号である相間に接続された相間ダイレクトスイッチのみをオンにする、ことを特徴とする。
また、第６の発明による電力変換装置は、
前記相間ダイレクトスイッチの各々は一方向の電流のみ導通可能な２つのスイッチを組み合わせて構成されており、そのときの前記電力変換器の状態における順方向のスイッチのみ（即ち、当該変換器の状態において電流を流すべき方向であり、力行時には力行の順方向、回生時には回生の順方向にあたるスイッチのみ）をオン状態にする、
ことを特徴とする。
【０００７】
また、第７の発明による電力変換装置は、
前記相間ダイレクトスイッチが、所定周期におけるオン時間の割合の上限値が設定されている、ことを特徴とする。
上述したように本発明の解決手段を装置として説明してきたが、本発明はこれらに実質的に相当する方法、プログラム、プログラムを記録した記憶媒体としても実現され得るものであり、本発明の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。
【発明の効果】
【０００８】
第１の発明によれば、相間を直結可能とする相間ダイレクトスイッチを備える構成にすることで、この相間ダイレクトスイッチで相間を直接短絡することが可能となり、電力変換器の特定の部位（即ち幾つかの特定のパワー素子）に電流が流れてそこに熱が集中するのを防止し、損失を低減することができる。
第２の発明によれば、相間ダイレクトスイッチがそのスイッチが接続されている両端の相電位が同じになった場合にオン状態にされるようにしてあるため、従来の電力変換器と比べ、相電位が同じ状態の場合に電力変換器での損失が低減できる。つまり、従来の電力変換器では複数のスイッチを経由して相間が短絡されていたのに対し、本発明ではスイッチ一つを経由するのみであるため、結果としてスイッチのオン損失が低減される。
第３の発明によれば、相間ダイレクトスイッチが全ての相電位が同じになった場合にオン状態にされるように構成してあるため、第２の発明と比べ相間ダイレクトスイッチを駆動する信号の生成がより簡単になる。
第４の発明によれば、相間ダイレクトスイッチが相電流の大きさや極性に応じて、オン状態にすることを停止する機能を有するように構成してあるため、損失を低減する働きをしない相間ダイレクトスイッチをオンにしないようにできるので、相間ダイレクトスイッチの駆動電力を低減することができる。
【０００９】
第５の発明によれば、相間ダイレクトスイッチが相電流が同じ符号である相間に接続されたものはオン状態にしないように構成してあるため、相電流が同じ符号の相間には相間ダイレクトスイッチをオンにしても電流は流れないので、オン状態にしないことで電力変換器のオン損失低減効果を低減することなく相間ダイレクトスイッチの駆動電力を低減することができる。
第６の発明によれば、相間ダイレクトスイッチが、一方向の電流のみ導通可能な２つのスイッチを組み合わせて構成されており、電流が流れる方向のみのスイッチをオン状態にするようにしてあるため、相間ダイレクトスイッチが一方向の導通が可能なスイッチを逆向きに並列接続することで構成されたスイッチである場合、電力変換器のオン損失低減効果を低減することなく相間ダイレクトスイッチの駆動電力を低減することができる。
第７の発明によれば、相間ダイレクトスイッチに対して所定周期におけるオン時間の割合の上限値を設定してあるため、変調率が小さい場合に相間ダイレクトスイッチのみに発熱が集中することを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以降、諸図面を参照しつつ、本発明の実施態様を詳細に説明する。実施例を説明する前に、まず、広く用いられている一般的な電力変換器の動作を図1、図２を用いて説明する。電力変換器は、例えば図２に示すような周期の電圧を出力する。１ＰＷＭ周期に全ての相の電圧が同じ状態になっている零電圧の状態が存在する。すなわち、図２においてハッチングされている領域である電圧V０と電圧V７である。例えば、Ｖ７の状態の場合、図１に示すようにアッパー側の素子でモータの３相端子が短絡されることになる。この際、相電流は、アッパー側素子を通過することになる。この際、電流は、電流が流れ出す相の端子からその電流が流れ込む相の端子に到るまでに２つの素子を通過する。従って、パワー素子２個分の電圧ドロップと流れた電流の積に応じた損失が生じる。
【００１１】
次に、図３、図４を用いて、電力変換器の負荷対象であるモータの動作範囲と損失との間の一般的な関係を説明する。図３は、モータの動作点と電力変換器の出力電圧と間の一般的な関係を示したものである。電力変換器が入力する直流電圧を使って出力可能な最大電圧を１に正規化した出力電圧の指標である変調率で示した。この図に示すように、低回転域では変調率は小さく高回転域では変調率は大きくなる。図４には変調率と３相の電圧が同じ状態となる零電圧（図２におけるV０、V７）の時間比率を示した。変調率が小さいほど、零電圧出力時間比率が大きい。つまり、低回転域ほど、零電圧の時間割合が大きい。また、電力変換器においては低回転領域ほど熱的な条件が厳しいため、低回転域で損失を低減することが求められている。
以上のことを鑑みて、本発明では低回転域の零電圧の状態（全ての相の電圧が同じ状態）の時に損失を低減する構成を提供する。さらに、全ての相の電圧が同じ場合ではない場合においても相電圧の状態が同じ相のスイッチの損失を低減する構成を提供する。
【００１２】
第１の実施例（第１、２、６の発明、図５〜７）
図６は、本発明の第１の実施例による構成を説明するブロック図である。本実施例は、直流電圧源であるバッテリ10と、この電圧を入力し、これらの電圧からモータに印加するパルス状電圧を生成する電力変換器30と、この電力変換器で駆動されるモータ20と電力変換器のスイッチングを操作することでモータを制御する制御装置40とで構成される。モータ20は３相交流モータである。このモータは、後述する電力変換器30から出力されるパルス状交流電圧により駆動される。電力変換器30は、バッテリ10の電圧からモータに印加する電圧を生成する直流-交流電力変換器であり、図５に示す回路構成図のようになっている。すなわち、半導体スイッチ31〜36で構成される３相ブリッジに、37、38、39の双方向スイッチ（本明細書では相間ダイレクトスイッチと称する。）をそれぞれＵ相Ｖ相間、Ｖ相Ｗ相間、Ｗ相Ｕ相間に接続した構成である。これらのスイッチにより、各相間を短絡することが可能にされている。
【００１３】
制御装置40について説明する。41は、外部より与えられるトルク指令とモータの回転速度とからモータのｄ軸電流の指令値ｉd*とｑ軸電流の指令値ｉq*とを演算するトルク制御手段である。42は、ｄｑ軸電流指令値ｉd*、ｉq*とｄｑ軸電流値ｉd、ｉqとから、これらを一致させるための電圧指令値ｖd*、ｖq*を演算する電流制御手段である。ｉd、ｉqは３相／ｄｑ変換手段47で３相電流ｉu、ｉｖから求められる。43は、ｄｑ軸電圧指令値ｖd*、ｖq*を３相電圧指令ｖu*、ｖv*、ｖw*に変換するｄｑ／３相電圧変換手段である。44は、バッテリの電圧Ｖdcを入力し、ｖu*、ｖv*、ｖw*をバッテリ電圧で正規格化した電圧指令である瞬時変調率指令ｍu*、ｍv*、ｍwを生成する変調率演算手段である。45は変調率指令を基にその電圧をパルス状電圧で実現するためのＰＷＭパルスVu-pwm、Vv-pwm、Vw-pwmを演算する手段である。46は、このＰＷＭパルスを基に電力変換器30の３ブリッジを構成するスイッチ31〜36及び、相間ダイレクトスイッチスイッチ37〜39の各スイッチをオン／オフするスイッチングパルスを生成するスイッチングパルス生成手段である。本実施例において重要な手段は46と30であり、以降はこの手段を中心に説明する。
【００１４】
次に作用を説明する。本実施例は、電力変換器に相間を短絡するスイッチ手段を設け、これらスイッチそれぞれの両端子が接続される２つの相電圧が同じになった時にこのスイッチをオンにすることで相間をスイッチ１つの電圧ドロップで接続することを可能にしている。これにより相間短絡時のスイッチのオン損失を低減でき、電力変換器のトータル損失を低減するものである。
【００１５】
図７にＰＷＭパルス生成手段（図６の45）から出力されるＰＷＭパルスＶu_pwm、Ｖv_pwm、Ｖw_pwmと、スイッチングパルス生成手段（図６の46）から出力され電力変換器（図６の30、図５の30）に入力されるスイッチングパルスSWuv、SWvw、SWwuの関係を示す。SWuvがオンの場合、SWuvがオン状態となる。SWvw、SWwvも同様である。図７からわかるように本実施例では、３相の出力電圧が同じ電圧である相間に接続されているスイッチをオンにする。
すなわち、
１）Vu_pwm＝Vv_pwmの場合：SWuvをオン
２）Vv_pwm＝Vw_pwmの場合：SWvwをオン
３）Vw_pwm＝Vu_pwmの場合：Swwuをオン
４）Vu_pwm＝Vv_pwm＝Vw_pwmの場合：SWuv、SWvw、Swwuをオン
にする。
【００１６】
図５に上記４）の場合の電流の流れの例（iu＞０、ｉｖ＜０、ｉｗ＜０）を矢印で示した。モータから流れ出たＶ相電流ｉｖは相間ダイレクトスイッチ37を系由して、モータから流れ出たＷ相電流は相間ダイレクトスイッチ39を経由してモータのＵ相端子に流れ込む。つまり、モータの相間を流れる電流は半導スイッチ１つしか経由しないので電力変換器で生じる損失は約半分に低減される。
比較のため同じ場合の従来例の電流の流れを矢印で図１に示した。モータのＶ相端子、Ｗ相端子から流れ出した電流がモータのＵ相端子に流れこむまでに半導体スイッチを２個通過するため、本実施例と比べ損失が大きい。１）〜３）の場合においても、相間ダイレクトスイッチ37、38に電流が流れる電流については損失が約半分に低減される。
【００１７】
第２の実施例(第１および第３の発明、図８)
本実施例が第１の実施例と異なる点は、図８に示すように３つの相の電圧が同じになった場合にのみ相間に接続したスイッチSWuv、SWvw、SWwuをオンにするようにしたことである。つまり、Vu_pwm＝Vv_pwm＝Vw_pwmの場合にのみSWuv、SWvw、SWwuをオンにする。本構成によって電力変換器の損失低減効果の低減を最小にしながら相間ダイレクトスイッチの駆動信号を生成するロジックを簡単化することができる。
【００１８】
第３の実施例（第１、４、５の発明、図９〜１２）
本実施例が第１の実施例と異なる点は、ＰＷＭ信号の状態だけではなく、モータ電流の状態にも応じて相間ダイレクトスイッチのオン／オフを行うようにした点である。図１１に本実施例の電力変換器の構成を示す。また、図１２に本実施例の制御装置の構成を示す。本実施例では、前述した制御装置とは、スイッチングパルス生成手段46aが異なる。即ち、相間に接続した各半導体スイッチは一方向の電流のみの導通を可能とする半導体スイッチ２つを逆向きに並列接続したスイッチの組（37a-b、38a-b、38a-b）で構成されているが、スイッチングパルス生成手段46aは、この並列接続したスイッチを電流の向きに応じて独立にオン／オフするような制御信号を出力する。モータ電流がｉu＞０、ｉv＜０、ｉw＜０の場合について説明する。３相の電圧が同じ電圧の場合に相間ダイレクトスイッチをオンにするが、この場合に流れる電流は、並列接続されて構成されている相間ダイレクトスイッチの一方のスイッチにのみ流れる。つまり、Ｗ相電流ｉwは39b（ＳＷwup）を流れ、Ｖ相電流ｉvは37bに流れる。それぞれの対のスイッチには電流が流れないので、オンにする必要はない。また、ＶＷ相間ダイレクトスイッチにも電流は流れないので、このスイッチもオンにする必要はない。以上のことから、本実施例では、オンにした場合に電流が流れるスイッチのみをオンにするようにすることで、半導体スイッチの駆動電力を低減する。
【００１９】
図９にモータ電流がｉu＞０、ｉv＜０、ｉw＜０の場合（図１２の区間１の場合）の相間ダイレクトスイッチの駆動信号ＳＷuvp、ＳＷuvn、ＳＷvwp、ＳＷvwn、ＳＷwup、ＳＷwunを示す。極性が同じ相電流が流れている相どうしを結ぶ相間ダイレクトスイッチはオンにしても電流は流れないので、Ｖ相とＷ相を接続するＳＷvwｐ、SWvwnはオンにはしない。また、他の相間ダイレクトスイッチについては、電流が流れる方向のスイッチのみをオンする。つまり、相電圧が全て同じ状態のとき、ＳＷuvn、ＳＷwupをオンにする。以上、モータ電流がｉu＞０、ｉv＜０、ｉw＜０の場合についてのみ説明したが、電流の極性がこれと異なる組み合わせの場合（図１０の区間２〜６の場合）も同様な考え方で相間ダイレクトスイッチを操作する。以上説明したように、本実施例では、必要最小限のスイッチのみを駆動するようにしたので、第２実施例と同じ損失低減効果を得ながらスイッチを駆動する電力を低減することができる。
【００２０】
本発明は主に３相の電圧が同じ状態である時の半導体スイッチのオン損失を低減するものである。その手段としては、相間にスイッチを設けそのスイッチを３相の電圧が同じ状態の時にオンとするようにする。この時に、モータの電流は相間ダイレクトスイッチのみを流れ、３相ブリッジを構成するスイッチには流れない。図４に変調率と零電圧出力時間比率の関係を示したが、変調率が小さくなるほど零電圧出力時間割合が大きくなるので、相間ダイレクトスイッチに電流が流れる時間割合が大きくなる。そのため、相間ダイレクトスイッチ周辺に熱が集中することになる。そこで、変調率が小さい場合には相間ダイレクトスイッチをオンする時間を所定値以下に制限するようにすることで、発熱場所を相間ダイレクトスイッチと３相ブリッジを構成するスイッチとに分散することもできる。
【００２１】
本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来の電力変換器の構成を示す図である。
【図２】第１の実施例であるモータ駆動システムの構成を示す図である。
【図３】モータの出力範囲と変調率の関係を示す図である。
【図４】変調率と零電圧を出力する時間比率の関係を示す図である。
【図５】第１実施例の電力変換器の構成を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施例による構成を説明するブロック図である。
【図７】図７：第１実施例の相間ダイレクトスイッチの動作を示す図である。
【図８】図８：第２実施例の相間ダイレクトスイッチの動作を示す図である。
【図９】図９：第３実施例の相間ダイレクトスイッチの動作を示す図である。
【図１０】モータの相電流波形を示す図である。
【図１１】第３実施例の電力変換器の構成を示す図である。
【図１２】第３実施例の制御装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００２３】
10  バッテリ
20  モータ
31〜36  半導体スイッチ
37、38、39  双方向スイッチ（相間ダイレクトスイッチ）
37a-b、38a-b、38a-b  スイッチの組
40  制御装置
41  トルク制御手段
42  電流制御手段
43  ｄｑ／３相電圧変換手段
44  変調率演算手段
45  ＰＷＭパルス演算手段
46,46a  スイッチングパルス生成手段
47  ３相／ｄｑ変換手段
【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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【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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