(57)【要約】【課題】低温環境下において、性能の低下を抑制できるインバータ装置を提供する。【解決手段】コンデンサ回路６は、複数のコンデンサ１０を並列接続することによって構成される。また、複数のコンデンサ１０は第１コンデンサ１０Ａと第２コンデンサ１０Ｂを含んでいる。第１コンデンサ１０Ａは、第２コンデンサ１０Ｂと比較して、静電容量が大きく、かつ低温時には等価直列抵抗が大きくなる特性を有するものである。コンデンサ回路６が第１コンデンサ１０Ａ及び第２コンデンサ１０Ｂを含むことで、第１コンデンサ１０Ａの影響によって静電容量の過度な低下を抑制し、且つ、第２コンデンサ１０Ｂの影響によって低温環境下における過度な性能低下を抑制することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流の電力を入力する入力部と、
交流の電力を出力する出力部と、
前記直流の電力を前記交流の電力に変換する変換部と、
前記入力部側に設けられるコンデンサ回路と、を備え、
前記コンデンサ回路は、複数のコンデンサを並列接続することによって構成され、
前記複数のコンデンサは第１コンデンサと第２コンデンサを含み、
前記第１コンデンサは、前記第２コンデンサと比較して、静電容量が大きく、かつ低温時には等価直列抵抗が大きくなる特性を有するものである、インバータ装置。
【請求項２】
前記第２コンデンサとして、導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサが採用される、請求項１に記載のインバータ装置。
【請求項３】
前記第２コンデンサの列が前記第１コンデンサの列の外周側を囲むように配置される、請求項１又は２に記載のインバータ装置。
【請求項４】
前記第１コンデンサと第２コンデンサとが、互いに隣り合うように交互に配置される、請求項１又は２に記載のインバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、直流の電力を入力する入力部と、交流の電力を出力する出力部と、直流の電力を交流の電力に変換する変換部と、入力部側に設けられるコンデンサ回路と、を備えるインバータ装置として、特許文献１に記載されたものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１３６３２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、インバータ装置が低温環境下にて用いられる場合、コンデンサ回路中のコンデンサの抵抗が非常に大きくなってしまう場合がある。上述の特許文献１においては、当該コンデンサの抵抗の増加に合わせて電流を抑えた制御を行っている。このように、従来は、インバータ装置を低温環境下で用いる場合に、電流を抑えることによって、インバータ装置の性能が低下してしまっていた。従って、低温環境下において、性能の低下を抑制できるインバータ装置が求められていた。
【０００５】
本発明は、低温環境下において、性能の低下を抑制できるインバータ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面に係るインバータ装置は、直流の電力を入力する入力部と、交流の電力を出力する出力部と、直流の電力を交流の電力に変換する変換部と、入力部側に設けられるコンデンサ回路と、を備え、コンデンサ回路は、複数のコンデンサを並列接続することによって構成され、複数のコンデンサは第１コンデンサと第２コンデンサを含み、第１コンデンサは、第２コンデンサと比較して、静電容量が大きく、かつ低温時には等価直列抵抗が大きくなる特性を有するものである。
【０００７】
インバータ装置のコンデンサ回路は、複数のコンデンサを並列接続することによって構成される。また、複数のコンデンサは第１コンデンサと第２コンデンサを含んでいる。第１コンデンサは、第２コンデンサと比較して、静電容量が大きく、かつ低温時には等価直列抵抗が大きくなる特性を有するものである。このように、第１コンデンサは、低温環境下において等価直列抵抗が大きくなってしまう反面、第２コンデンサに比して大きな静電容量を確保することができる。従って、コンデンサ回路が第１コンデンサのみによって構成される場合は、コンデンサ回路全体としての静電容量は確保しやすいが、低温環境下において過度に性能が低下してしまうという問題がある。第２コンデンサは、第１コンデンサに比して静電容量が小さい反面、低温環境下において等価直列抵抗が増加し難い。従って、コンデンサ回路が第２コンデンサのみによって構成される場合は、低温環境下においては性能の低下を抑制することができる反面、コンデンサ回路全体として十分な静電容量を得にくいという問題がある。これらに対し、コンデンサ回路が第１コンデンサ及び第２コンデンサを含むことで、第１コンデンサの影響によって静電容量の過度な低下を抑制し、且つ、第２コンデンサの影響によって低温環境下における過度な性能低下を抑制することができる。以上により、低温環境下において、インバータ装置の性能の低下を抑制することができる。
【０００８】
インバータ装置において、第２コンデンサとして、導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサが採用されてよい。導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサは、液体である電解液に加えて、固体である導電性高分子を電解質として含んでいるため、低温環境下においても、等価直列抵抗が増加しにくく、性能の低下が抑制される。
【０００９】
インバータ装置において、第２コンデンサの列が第１コンデンサの列の外周側を囲むように配置されてよい。これにより、冷えやすい外周側の位置に、低温環境の影響が少ない第２コンデンサを配置することができ、冷えにくい内周側の位置に、低温環境の影響が大きい第１コンデンサを配置することができる。
【００１０】
インバータ装置において、第１コンデンサと第２コンデンサとが、互いに隣り合うように交互に配置されてよい。低温環境下において、第２コンデンサは性能の低下が少ない状態で作動することができるため、第１コンデンサに比して、早期に熱を発する。従って、第２コンデンサと隣り合う第１コンデンサは、第２コンデンサから熱を供給されることによって暖められ、早期に作動することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、低温環境下において、インバータ装置の性能の低下を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係るインバータ装置の回路構成図である。
【図２】コンデンサ回路の回路構成図である。
【図３】コンデンサ回路の等価直列抵抗と温度との関係を示すグラフである。
【図４】コンデンサ回路の静電容量と温度との関係を示すグラフである。
【図５】コンデンサ回路におけるコンデンサの配置を示す概略構成図である。
【図６】コンデンサ回路におけるコンデンサの配置を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。
【００１４】
まず、図１を参照して、本発明の実施形態に係るインバータ装置１の回路構成について説明する。インバータ装置１は、例えばハイブリッド自動車、電気自動車、フォークリフト等に搭載されて、直流電力を交流電力に変換してこれらの駆動装置に供給する。これらの駆動装置は、低温環境下にて用いられる場合がある。例えば、寒冷地において車両が野外に駐車された場合、インバータ装置１が低温環境下にさらされ、各種装置が温まる前段階である起動時に、低温の影響を受ける場合がある。また、フォークリフト等は、冷蔵庫内で作業を行う場合、起動時のみならず、作業中に常時インバータ装置１が低温環境下にさらされた状態となる。本実施形態に係るインバータ装置１は、低温環境下においても、性能の低下を抑制させて、駆動装置に電力を供給することができる。インバータ装置１は、直流の電力を入力する入力部２と、交流の電力を出力する出力部３と、直流の電力を交流の電力に変換する変換部４と、入力部２側に設けられるコンデンサ回路６と、を備える。
【００１５】
本実施形態では、入力部２には、直流の電力を供給する直流電源Ｂが接続されている。直流電源Ｂは、例えば、鉛やニッケル水素またはリチウムイオンなどの二次電池からなる。直流電源Ｂは、コンデンサ回路６及び変換部４へ直流の電力を供給する。
【００１６】
本実施形態では、出力部３には３相交流モータＭが接続されている。３相交流モータＭは、ハイブリッド自動車、電気自動車、フォークリフト等の駆動輪を駆動するためのトルクを発生するための駆動モータであってよい。また、３相交流モータＭは、エンジンにて駆動される発電機の機能を持つように、そして、エンジンに対して電動機として動作し、たとえばエンジン始動を行ない得るようなモータであってよい。
【００１７】
変換部４（すなわちインバータ）は、Ｕ相アーム５６と、Ｖ相アーム５８と、Ｗ相アーム６０と、を備える。Ｕ相アーム５６、Ｖ相アーム５８およびＷ相アーム６０は、電源ラインとアースラインとの間に並列に設けられる。
【００１８】
Ｕ相アーム５６は、直列接続されたトランジスタＱ１，Ｑ２からなる。Ｖ相アーム５８は、直列接続されたトランジスタＱ３，Ｑ４からなる。Ｗ相アーム６０は、直列接続されたトランジスタＱ５，Ｑ６からなる。また、各トランジスタＱ１〜Ｑ６のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ１〜Ｄ６がそれぞれ接続されている。
【００１９】
各相アームの中間点は、３相交流モータＭの各相コイルの各相端に接続されている。Ｕ相コイルの他端がトランジスタＱ１，Ｑ２の中間点に、Ｖ相コイルの他端がトランジスタＱ３，Ｑ４の中間点に、Ｗ相コイルの他端がトランジスタＱ５，Ｑ６の中間点にそれぞれ接続されている。すなわち、各相アームの中間点から引き出される配線によって出力部３が構成される。
【００２０】
コンデンサ回路６は、直流電源Ｂから出力された直流電圧を平滑化し、平滑化した直流電圧を変換部４へ供給する。本実施形態におけるコンデンサ回路６の詳細な説明については後述する。
【００２１】
変換部４は、コンデンサ回路６からの直流電圧が供給されると、制御装置（不図示）からの信号ＰＷＭに基づいて直流電圧を交流電圧に変換して３相交流モータＭを駆動する。これにより、３相交流モータＭは、トルク指令値によって指定されたトルクを発生するように駆動される。
【００２２】
また、変換部４は、インバータ装置１が搭載されたハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時、３相交流モータＭが発電した交流電圧を制御装置からの信号ＰＷＭに基づいて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧をコンデンサ回路６を介して直流電源Ｂへ供給する。
【００２３】
なお、ここで言う回生制動とは、ハイブリッド自動車または電気自動車を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車速を減速（または加速を中止）させることを含む。
【００２４】
次に、図２を参照して、コンデンサ回路６について説明する。図２に示すように、コンデンサ回路６は、複数のコンデンサ１０を並列接続することによって構成される。コンデンサ回路６は、複数のコンデンサ１０として、第１コンデンサ１０Ａと、第２コンデンサ１０Ｂと、を含む。第１コンデンサ１０Ａは複数設けられ、第２コンデンサ１０Ｂは複数設けられる。なお、図２では、説明の便宜上、紙面左側に第１コンデンサ１０Ａが集約され、紙面右側に第２コンデンサ１０Ｂが集約されているが、並列回路中における各コンデンサ１０Ａ，１０Ｂの配置は特に限定されるものではない。
【００２５】
第１コンデンサ１０Ａは、第２コンデンサ１０Ｂと比較して、静電容量が大きく、かつ低温時には等価直列抵抗が大きくなる特性を有するコンデンサである。このような第１コンデンサ１０Ａとして、例えばアルミ電解コンデンサを採用してよい。アルミ電解コンデンサは、アルミ箔表面に酸化被膜を誘電体として形成した陽極箔と、電解液を含んだ電解紙と、アルミ陰極箔と、を備えたコンデンサである。その他、第１コンデンサ１０Ａとして、タンタル電解コンデンサを採用してもよい。
【００２６】
第２コンデンサ１０Ｂは、第１コンデンサ１０Ａと比較して、静電容量が小さく、かつ低温時の等価直列抵抗が小さい特性を有するコンデンサである。このような第２コンデンサ１０Ｂとして、例えば、導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサを採用してよい。導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサは、アルミ箔表面に酸化被膜を誘電体として形成した陽極箔と、アルミ箔によって構成される陰極箔と、陽極箔及び陰極箔の間に配置され、導電性高分子及び電解液の両方を用いた電解質と、備えたコンデンサである。電解質は、セパレータ紙に導電性高分子及び電解液を含浸させることによって構成されてよい。その他、第２コンデンサ１０Ｂとして、フィルムコンデンサや導電性アルミ固体コンデンサを採用してもよい。
【００２７】
コンデンサ回路６は、全てのコンデンサ１０の数量を１００％とした場合、第２コンデンサ１０Ｂの割合は、５０％程度でよい。ただし、コンデンサ１０全体の数量は特に限定されず、主に使用される環境を考慮して第１コンデンサ１０Ａ及び第２コンデンサ１０Ｂの数量は適宜変更されてよい。例えば、第２コンデンサ１０Ｂの割合は、１０％以上、２５％以上、４０％以上であってよく、６０％以下、７５％以下、９０％以下でもよい。このように、第１コンデンサ１０Ａ及び第２コンデンサ１０Ｂの一方が他方に対して極端に少ない割合とならない範囲とする事で、後述のような本実施形態に係るコンデンサ回路６の作用・効果を得ることができる。
【００２８】
ここで、図３及び図４を参照して、コンデンサ回路６の特性について説明する。なお、ここでは、第１コンデンサ１０Ａとしてアルミ電解コンデンサが採用され、第２コンデンサ１０Ｂとして導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサが採用されたものとする。図３の縦軸はコンデンサの等価直列抵抗（ＥＳＲ）の大きさであり、横軸は温度である。図４の縦軸は静電容量（出力電流に略等しい）であり、横軸は温度である。ただし、図３及び図４のグラフは各特性における傾向を概略的に示したものである。
【００２９】
図３において、コンデンサ回路６中の全てのコンデンサ１０がアルミ電解コンデンサ（第１コンデンサ）であった場合のＥＳＲ特性は、グラフＬ１で示される。コンデンサ回路６中の全てのコンデンサ１０が導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサ（第２コンデンサ）であった場合のＥＳＲ特性は、グラフＬ２で示される。コンデンサ回路６中の一部のコンデンサ１０がアルミ電解コンデンサ（第１コンデンサ）であり、一部のコンデンサ１０が導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサ（第２コンデンサ）であった場合のＥＳＲ特性は、グラフＬ３で示される。図４において、コンデンサ回路６中の全てのコンデンサ１０がアルミ電解コンデンサ（第１コンデンサ）であった場合の静電容量特性は、グラフＬ４で示される。コンデンサ回路６中の全てのコンデンサ１０が導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサ（第２コンデンサ）であった場合の静電容量特性は、グラフＬ５で示される。コンデンサ回路６中の一部のコンデンサ１０がアルミ電解コンデンサ（第１コンデンサ）であり、一部のコンデンサ１０が導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサ（第２コンデンサ）であった場合の静電容量特性は、グラフＬ６で示される。
【００３０】
図３のグラフＬ１で示されるように、アルミ電解コンデンサは、常温時や高温時にはＥＳＲ特性は良好な状態（低い）となるが、低温時には極端にＥＳＲ特性が上昇して悪化する。図４のグラフＬ４で示されるように、アルミ電解コンデンサは、常温時や高温時には静電容量特性は良好な状態（高い）となるが、低温時には極端に静電容量特性が低下して悪化する。ただし、アルミ電解コンデンサは、全体としての静電容量自体は大きく、インバータ駆動用に必要な基準値Ｓよりも大きな静電容量を確保することができる。一方、図３のグラフＬ２で示されるように、導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサは、温度が低下した場合であっても、ＥＳＲ特性の上昇は少なく、それほど悪化しない。しかし、図４のグラフＬ５で示されるように、温度に関わらず、導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサは静電容量特性が低く、コンデンサ回路６を大容量化することが難しく、インバータ駆動用に必要な基準値Ｓを下回るため、当該用途で用いることができない。あるいは、導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサのみで必要な静電容量を得ようとする場合、コンデンサ本数を増やす必要があり、コンデンサ回路６のサイズが大型化し、製品体格も高くする必要があり、コストも上昇する。
【００３１】
これらに対し、図３のグラフＬ３で示されるように、一部のコンデンサ１０がアルミ電解コンデンサ（第１コンデンサ）であり、一部のコンデンサ１０が導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサ（第２コンデンサ）であった場合のコンデンサ回路６は、低温時においても、一部の導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサが機能することによって、ＥＳＲ特性の悪化を抑制することができる。その一方で、図４のグラフＬ６で示されるように、当該コンデンサ回路６は、一部のアルミ電解コンデンサが機能することによって、全体の静電容量も、基準値Ｓよりも高い水準を維持することができる。
【００３２】
次に、図５及び図６を参照して、コンデンサ回路６のコンデンサ１０の物理的な配置について説明する。図５及び図６は、コンデンサ回路６を上方から見た場合における第１コンデンサ１０Ａ及び第２コンデンサ１０Ｂの配置の一例を示す概略図である。図５（ａ）に示すように、第１コンデンサ１０Ａと第２コンデンサ１０Ｂとが、互いに隣り合うように交互に配置されてよい。例えば、各コンデンサ１０が紙面左右方向に１列に真っ直ぐ並べられ、当該列が紙面上下方向に複数段存在している。また、各列におけるコンデンサ１０は、他の列のコンデンサ１０と紙面左右方向に同位置に存在している。この場合、各列において、紙面左側から右側へ向かって第２コンデンサ１０Ｂ、第１コンデンサ１０Ａが、この順で交互に設けられている。なお、コンデンサ１０Ａ，１０Ｂの順序は特に限定されず、紙面左側から右側へ向かって第１コンデンサ１０Ａ、第２コンデンサ１０Ｂの順で交互に設けられてもよい。また、図５（ａ）では、各列におけるコンデンサ１０の配列パターンは、他の列のコンデンサ１０の配列パターンと同一であったが、他の列のコンデンサ１０の配列パターンと異なっていてもよい。
【００３３】
また、図５（ｂ）に示すように、一の列に係るコンデンサ１０と他の列に係るコンデンサ１０とが千鳥状に互い違いの位置に配置されるように配列されていてもよい。この場合、一の列に係るコンデンサ１０が第１コンデンサ１０Ａであり、他の例に係るコンデンサ１０が第２コンデンサ１０Ｂであってよい。当該構成では、一の列に係る第１コンデンサ１０Ａに対して、他の列の第２コンデンサ１０Ｂが「隣り合うコンデンサ」であるものとする。
【００３４】
また、図６に示すように、第２コンデンサ１０Ｂの列が第１コンデンサ１０Ａの列の外周側を囲むように配置されてよい。図６に示す例では、一列目に第２コンデンサ１０Ｂが配置され、二列目に第１コンデンサ１０Ａが配置され、三列目に第２コンデンサ１０Ｂが配置される。また、紙面左側の端部では、二列目においても第２コンデンサ１０Ｂが配置される（また、図示されない紙面右側端部も同様）。このような構成により、第１コンデンサ１０Ａの列が外周側の四方を第２コンデンサ１０Ｂの列で囲まれる。なお、紙面左右側の端部においては、紙面上下方向に第２コンデンサ１０Ｂの列が形成されていると見なしてよい。ただし、第２コンデンサ１０Ｂが第１コンデンサ１０Ａを取り囲む態様は、図６に示すものに限定されない。例えば、取り囲む側の第２コンデンサ１０Ｂの列が二列以上であってもよく、取り囲まれる側の第１コンデンサ１０Ａの列が二列以上であってもよい。
【００３５】
次に、本実施形態に係るインバータ装置１の作用・効果について説明する。
【００３６】
本実施形態に係るインバータ装置１のコンデンサ回路６は、複数のコンデンサ１０を並列接続することによって構成される。また、複数のコンデンサ１０は第１コンデンサ１０Ａと第２コンデンサ１０Ｂを含んでいる。第１コンデンサ１０Ａは、第２コンデンサ１０Ｂと比較して、静電容量が大きく、かつ低温時には等価直列抵抗が大きくなる特性を有するものである。このように、第１コンデンサ１０Ａは、低温環境下において等価直列抵抗が大きくなってしまう反面、第２コンデンサ１０Ｂに比して大きな静電容量を確保することができる。従って、コンデンサ回路６が第１コンデンサ１０Ａのみによって構成される場合は、コンデンサ回路全体としての静電容量は確保しやすい（図４のグラフＬ４参照）が、低温環境下において過度に性能が低下してしまうという問題がある（図３のグラフＬ１参照）。第２コンデンサ１０Ｂは、第１コンデンサ１０Ａに比して静電容量が小さい反面、低温環境下において等価直列抵抗が増加し難い。従って、コンデンサ回路６が第２コンデンサ１０Ｂのみによって構成される場合は、低温環境下においては性能の低下を抑制することができる反面（図３のグラフＬ２参照）、コンデンサ回路６全体として十分な静電容量を得にくいという問題がある（図４のグラフＬ５参照）。これらに対し、コンデンサ回路６が第１コンデンサ１０Ａ及び第２コンデンサ１０Ｂを含むことで、第１コンデンサ１０Ａの影響によって静電容量の過度な低下を抑制し、且つ、第２コンデンサ１０Ｂの影響によって低温環境下における過度な性能低下を抑制することができる。以上により、低温環境下において、インバータ装置１の性能の低下を抑制することができる。
【００３７】
インバータ装置１において、第２コンデンサ１０Ｂとして、導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサが採用されてよい。例えば、第１コンデンサ１０Ａとして採用され得るアルミ電解コンデンサは、電解液が凍結することによって等価直列抵抗が増加し易い。これに比して、導電性高分子ハイブリッドアルミ電解コンデンサは、液体である電解液に加えて、固体である導電性高分子を電解質として含んでいるため、低温環境下においても、等価直列抵抗が増加しにくく、性能の低下が抑制される。
【００３８】
インバータ装置１において、第２コンデンサ１０Ｂの列が第１コンデンサ１０Ａの列の外周側を囲むように配置されてよい。これにより、冷えやすい外周側の位置に、低温環境の影響が少ない第２コンデンサ１０Ｂを配置することができ、冷えにくい内周側の位置に、低温環境の影響が大きい第１コンデンサ１０Ａを配置することができる。
【００３９】
インバータ装置１において、第１コンデンサ１０Ａと第２コンデンサ１０Ｂとが、互いに隣り合うように交互に配置されてよい。低温環境下において、第２コンデンサ１０Ｂは性能の低下が少ない状態で作動することができるため、第１コンデンサ１０Ａに比して、早期に熱を発する。従って、第２コンデンサ１０Ｂと隣り合う第１コンデンサ１０Ａは、第２コンデンサ１０Ｂから熱を供給されることによって暖められ、早期に作動することができる。
【００４０】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。
【００４１】
例えば、図１に示すインバータ装置の回路構成は一例にすぎず、本発明の趣旨を変更しない範囲で、適宜変更してよい。また、インバータ装置は、コンデンサ回路を複数の基板に分割された状態で備えており、一の基板では図５に示すようなコンデンサの配列パターンが採用され、他の基板では図６に示すようなコンデンサの配列パターンが採用されてもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１…インバータ装置、２…入力部、３…出力部、４…変換部、６…コンデンサ回路、１０…コンデンサ、１０Ａ…第１コンデンサ、１０Ｂ…第２コンデンサ。
【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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