(57)【要約】【課題】インバータ、特にコストと取付スペースに関する自動車の高い要求を満足する適切なインバータのための複雑な制御スキームを提供する。【解決手段】それぞれが多相ＡＣ出力（７、９）を電気装置（１）のステータ巻線（４、５）に供給するように構成された、少なくとも２つの並列に接続されたパワーユニット（６、８）と、各パワーユニット（６、８）のパルスシーケンスセットを供給するように構成された制御ユニット（１３）とを備える、前記電気装置（１）用のインバータであって、前記パルスシーケンスセットの位相位置が互いにインターリーブされ、前記制御ユニット（１３）は、前記パルスシーケンスセットのパルス周波数を変化させるとともに、前記パルス周波数の変化時に各パルスシーケンスセットの相互位相位置をインターリーブ位相位置に調整する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが多相ＡＣ出力（７、９）を電気装置（１）のステータ巻線（４、５）に供給するように構成された、少なくとも２つの並列に接続されたパワーユニット（６、８）と、
各パワーユニット（６、８）にパルスシーケンスセットを供給するように構成された制御ユニット（１３）とを備える、前記電気装置（１）用のインバータであって、
前記パルスシーケンスセットの位相位置が互いにインターリーブされ、
前記制御ユニット（１３）は、前記パルスシーケンスセットのパルス周波数を変化させるとともに、前記パルス周波数の変化時に各パルスシーケンスセットの相互位相位置をインターリーブ位相位置に調整するように構成されていることを特徴とするインバータ（３）。
【請求項２】
請求項１に記載のインバータ（３）であって、
前記制御ユニット（１３）は、パルス幅変調により前記パルスシーケンスセットを供給するように構成された変調ユニット（１４）を備えることを特徴とするインバータ（３）。
【請求項３】
請求項２に記載のインバータ（３）であって、
前記変調ユニット（１４）は、基本信号（１５）を変調するとともに、得られたパルスシーケンスセットを第１パワーユニット（６）に供給するように構成され、
前記制御ユニット（１３）は、前記基本信号（１５）の位相位置をインターリーブ位相位置に調整するように構成された他の各パワーユニット（８）用のフィードフォワードユニット（１７）を備え、
前記変調ユニット（１４）は、前記調整された基本信号（２１）を変調するとともに、得られたパルスシーケンスセットを前記他の１つのパワーユニット（８）または複数のパワーユニットに供給するように構成されていることを特徴とするインバータ（３）。
【請求項４】
請求項３に記載のインバータ（３）であって、
前記フィードフォワードユニット（１７）は有限インパルス応答を有することを特徴とするインバータ（３）。
【請求項５】
請求項２から４のいずれかに記載のインバータ（３）であって、
前記変調ユニット（１４）は、三角基本信号（１５）のキャリアパルス幅変調または前記基本信号（１５）の空間ベクトルパルス幅変調を実行するように構成されていることを特徴とするインバータ（３）。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載のインバータ（３）であって、
前記周波数変更後の所定数の周期内、好ましくは一周期内に前記調整が実行されることを特徴とするインバータ（３）。
【請求項７】
請求項１から６のいずれかに記載のインバータ（３）であって、
前記制御ユニット（１３）は、前記パルスシーケンスセットの実位相位置（１９）と所定の位相セット位置（２０）とに基づいて、パルスシーケンスセットの位相位置を補正するように構成された、少なくとも１つのＰＬＬユニット（１８）を備えることを特徴とするインバータ（３）。
【請求項８】
請求項７に記載のインバータ（３）であって、
ＰＬＬユニット（１８）が１つまたはそれぞれのフィードフォワードユニット（１７）に割り当てられ、前記ＰＬＬユニット（１８）と前記フィードフォワードユニット（１７）は前記調整された基本信号（２１）の前記位相位置を補正するように接続されていること、を特徴とするインバータ（３）。
【請求項９】
請求項１から８のいずれかに記載のインバータ（３）と、
それぞれが対応する1つのパワーユニット（６、８）から供給されるように構成された複数のステータ巻線配置と、を備える車両用の電気装置（１）。
【請求項１０】
それぞれが多相ＡＣ出力（７、９）を電気装置（１）のステータ巻線（４、５）に供給する、少なくとも２つの並列に接続されたパワーユニット（６、８）を備える、前記電気装置（１）用のインバータ（３）の駆動方法であって、
パルスシーケンスセットが各パワーユニット（６、８）に供給され、
前記パルスシーケンスセットの位相位置が互いにインターリーブされ、
前記パルスシーケンスセットのパルス周波数が変更され、パルス周波数の変更後に各パルスシーケンスセットの相互位相位置が調整される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気装置用のインバータに関し、それぞれが多相ＡＣ出力を電気装置のステータ巻線に供給するように構成された少なくとも２つの並列に接続されたパワーユニットと、各パワーユニットにパルスシーケンスセットを供給するように構成された制御ユニットとを備えたインバータに関する。ここで、パルスシーケンスセットの位相位置が互いにインターリーブされる。さらに、本発明は、車両用の電気装置およびインバータの駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータは、ＤＣ電圧を電気装置のステータ巻線に供給される多相ＡＣ出力に変換するために広く用いられている。自動車用途としては、特に電池電気自動車（ＢＥＶ）やハイブリッド電気自動車において、従来、ＤＣ電圧が高電圧電池から供給され多相ＡＣ出力が電気自動車駆動用の電気装置に供給されている。電気装置によって高トルクを発生させるためには、インバータにより高ＡＣ電流が供給される必要がある。すでに提案されているパワーユニットにおいて、各スイッチング素子は、並列に接続されて１つの制御ユニットにより共通に制御される２つ以上の半導体スイッチを備えている。しかし、この手法は、用途に応じてこのようなパワーユニットを個別に設計するのに多大が労力を必要とする。
【０００３】
また、それぞれが多相ＡＣ出力を電気装置に供給するように構成された少なくとも２つの並列に接続されたパワーユニットが提案されている。典型的には、制御ユニットは、インターリーブされたパルスシーケンスセットを各パワーユニットに提供する。単純なパルスシーケンスに関して、制御ユニットはパワーユニット間で不均等な電流を補正することができる。パワーユニットにおけるこのようなインターリーブされたパルスは、インバータのＤＣリンクのリップルを低減する点で有益である。このようなインバータが、Bhattacharya, Subhadeepらの論文「デュアル三相インバータＰＭＳＭのためのインターリーブされたＳＶＰＷＭとＤＰＷＭ: An Automotive Application” (2014 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo (ITEC), Dearborn, MI, 2014, pp. 1-6)」に開示されている。しかしながら、より複雑な制御スキームの実現、特に可変ＰＷＭ周波数によるその実現については提案されていなかった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の一つの目的は、インバータ、特にコストと取付スペースに関する自動車の高い要求を満足する適切なインバータのための複雑な制御スキームを実現可能にすることである。
【０００５】
このようなインバータに関して、本発明の提案によれば、制御ユニットは、パルスシーケンスセットのパルス周波数を変化させるとともに、パルス周波数の変化時に各パルスシーケンスセットの相互位相位置をインターリーブ位相位置に調整するように構成されている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、制御装置が能動的に各パルスシーケンスセットの相互位相位置を調整できるようにすることにより、インターリーブ並列インバータの技術と可変変調周波数のインバータの技術とを組み合わせるという着想に基づいている。この利点として、２つ以上のパワーユニットが並列に接続されたインバータを駆動している際に、同期変調やパルス周波数揺動のような複雑な制御スキームを採用することができる。特に自動車用途などにおいて高トルクが要求される場合に、このような制御スキームの利点は有益である。コストを取付スペースに関して、適切な数の、好ましくは類似または同一のパワーユニットを１つの制御ユニットで制御することにより、このインバータを拡張可能な設計とすることができる。
【０００７】
典型的には、各パワーユニットは三相ＡＣ出力を供給する。インバータは、パワーユニットの数と各パワーユニットの出力位相の数の積に相当する数の出力位相を提供することができる。電気装置は、インバータの出力位相の数に対応する数のステータ巻線を備えることができる。好ましくは、パワーユニットは同一構成を有し、および／または個別に駆動されるように構成されている。パワーユニットは、一体的に構成され、および／またはインバータに対して着脱自在に構成されていてもよい。典型的には、各パワーユニットは、複数のスイッチング素子を備えている。スイッチング素子は、たとえば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、絶縁ゲート電界効果トランジスタまたは接合型電界効果トランジスタなどの半導体スイッチング素子である。各パワーユニットのスイッチング素子は、パワーユニットの出力位相の数に応じてハーフブリッジとして接続されてもよい。各スイッチング素子は、制御ユニットにより１つのパルスシーケンスに応じてスイッチングが制御可能な制御端子（ゲート端子など）を備えてもよい。制御装置は、時間に対して可変周波数の値を算出および／または特定するように構成されたメインユニットを備えてもよい。ここで、「パルスシーケンスセット」という用語は、１つのパワーユニットのスイッチング素子に供給されるパルスシーケンスを意味する。１つのパルスシーケンスセットは、１つのパワーユニットのスイッチング素子の数に対応する数のパルスシーケンスを有してもよい。本発明において、「インターリーブ」という用語は、パルスシーケンスセットとパルスシーケンスセットとの間の時間的なオフセットを意味する。
【０００８】
好ましくは、制御ユニットは、ハルス幅変調によりパルスシーケンスセットを供給するように構成された変調ユニットを備えている。変調ユニットは、変調されるインターリーブ周波数の数に対応する数の入力ポートを備えてもよい。変調されるインターリーブ周波数の数はパワーユニットの数に等しくてもよい。
【０００９】
本発明のインバータの好適な実施形態によれば、変調ユニットは、基本信号を変調するとともに、得られたパルスシーケンスセットを第１パワーユニットに供給するように構成されている。ここで、制御ユニットは、基本信号の位相位置をインターリーブ位相位置に調整するように構成された他の各パワーユニット用のフィードフォワードユニットを備えている。また、変調ユニットは、調整された基本信号を変調するとともに、得られたパルスシーケンスセットを他の１つまたは複数のパワーユニットに供給するように構成されている。パルス周波数の変更は、このように基本信号の周波数を変更することによって実行される。したがって、第１パワーユニットは変調された基本信号により制御され、少なくとも他の１つのパワーユニットは変調された調整基本信号により制御されてもよい。つまり、第１パワーユニットの基本信号が他のパワーユニットのための参照として使用される。第１パワーユニットをマスターパワーユニット、他のパワーユニットをスレーブユニットと捉えてもよい。
【００１０】
好ましくは、フィードフォワードユニットは有限インパルス応答を有する。特に、フィードフォワードユニットは、一中間周期に実行することで基本信号の周波数に適応する。このように、調整基本信号は基本信号に対して遅れてもよい。
【００１１】
また、変調ユニットは、三角基本信号および／または調整三角基本信号のキャリアパルス幅変調を実行するように構成されていてもよい。あるいは、変調ユニットは、基本信号および／または調整基本信号の空間ベクトルパルス幅変調を実行するように構成されていてもよい。この場合、基本信号は、変調ユニットにより処理可能な入力量であってよい。
【００１２】
本発明のインバータに関して、上記調整は、周波数変更後の所定数の周期内好ましくは一周期内に実行されることが好ましい。これにより、周波数変更に対する速やかな適応が可能になる。
【００１３】
さらに、制御ユニットは、パルスシーケンスセットの実位相位置と所定の位相セット位置に基づいて、パルスシーケンスセットの位相位置を補正するように構成された、少なくとも１つのＰＬＬユニットを備えてもよい。位相セット位置と実位相位置は、制御ユニットのメインユニットにより信号として供給されてもよい。
【００１４】
基本的に、位相位置の調整はＰＬＬユニットによって実行されてもよい。しかし、ＰＬＬの安定時間が数周期に亘ることがあるため、周波数の調整はフィードフォワードユニットにより実行されることが好ましい。特に、ＰＬＬユニットは、１つまたはそれぞれのフィードフォワードユニットに割り当てられてもよい。ここで、ＰＬＬユニットとフィードフォワードユニットは調整基本信号の位相位置を補正するように接続されてもよい。これにより、位相進行が非常に正確なパルスシーケンスセットを生成することができる。
【００１５】
また、本発明は、上記インバータとそれぞれが対応する１つのパワーユニットから供給されるように構成された複数のステータ巻線配置とを備える車両用の電気装置に関する。
【００１６】
また、本発明は、それぞれが多相ＡＣ出力を電気装置のステータ巻線に供給する、少なくとも２つの並列に接続されたパワーユニットを備える、電気装置用のインバータの駆動方法に関する。ここで、パルスシーケンスセットが各パワーユニットに供給され、パルスシーケンスセットの位相位置が互いにインターリーブされる。さらに、パルスシーケンスセットのパルス周波数が変更され、パルス周波数が変更されると各パルスシーケンスセットの相互位相位置が調整される。
【００１７】
本発明のインバータに関するすべての記載は、本発明の電気装置および本発明の方法にも適合する。したがって、本発明のインバータが達成する効果は、本発明の電気装置および本発明の方法によっても同様に達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
以下、添付図面を参照して本発明について詳細に説明する。
【図１】本発明の一実施形態にかかるインバータを備えた電気装置のブロック図である。
【図２】基本信号と調整基本信号のタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、ステータ２とインバータ３を備えた電気装置１の一実施形態のブロック図である。電気装置１は、電池電気自動車（ＢＥＶ）やハイブリッド電気自動車などの電気自動車の駆動に特に好適であり、インバータ３はコストと取付スペースを削減しつつ高トルクで複雑な制御スキームを提供することが可能である。
【００２０】
ステータ２は、３つのステータ巻線４を有する第１ステータ巻線配置と３つのステータ巻線５を有する第２ステータ巻線配置を備えている。各ステータ巻線配置のステータ巻線４、５は、代表的にはデルタ結合されている。
【００２１】
インバータ３は、三相ＡＣ出力７が第１ステータ巻線配置のステータ巻線４に接続された第１パワーユニット６と、三相ＡＣ出力９が第２ステータ巻線配置のステータ巻線５に接続された第２パワーユニット８とを備えている。パワーユニット６、８は実質的に同一でそれぞれ一体型ユニットであり、インバータ３に着脱自在に装着されるようになっている。パワーユニット６、８は、並列にＤＣリンク１０に接続されている。
【００２２】
各パワーユニット６、８は、ハーフブリッジとして接続される複数のスイッチング素子１１を備えている。スイッチング素子１１は、半導体スイッチング素子であり、たとえば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などの絶縁ゲート電界効果トランジスタ、接合型電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）などである。各スイッチング素子１１はゲート端子などの制御端子１２を有し、通電および非通電の状態に切り替えられる。また、各パワーユニット６、８は、各スイッチング素子１１の制御端子１２にそれぞれ直列に接続される複数の駆動ユニット（不図示）を備えている。
【００２３】
さらに、インバータ３は、各パワーユニット６、８にパルスシーケンスセットを供給する制御ユニット１３を備えている。パルスシーケンスは駆動ユニットを介して各制御端子１２に供給されて増幅され、スイッチング素子１１はＡＣ出力７、９としてＡＣ電流を供給する。図１において、制御部１３とスイッチング素子１１との間の配線は簡潔にするため図示を省略している。パルスシーケンスセットの位相位置は、ステータ巻線４、５の巻線配置により、互いにインターリーブされている。
【００２４】
制御ユニット１３は、キャリアパルス幅変調（ＰＷＭ）を実行してパルスシーケンスセットを供給する変調ユニット１４を備えている。第１パワーユニット６に対するパルスシーケンスセットは、制御ユニット１３のメインユニット１６により供給された基本信号１５を変調することによって得られる。基本信号１５は、パルス幅変調パルスシーケンスの実周波数の三角信号である。したがって、メインユニット１６は、同期変調やパルス周波数揺動などの実行制御方式について基本信号の周波数を変更するように構成されている。
【００２５】
さらに、基本信号１５は、制御ユニット１３のフィードフォワードユニット１７に供給される。フィードフォワードユニット１７は有限インパルス応答を有する。フィードフォワードユニット１７は、基本信号１５の位相位置を第２パワーユニット８に対するパルスシーケンスセットのインターリーブ位相位置に調整するように構成されている。フィードフォワードユニット１７により得られた調整基本信号を安定化するために、制御ユニット１３は、メインユニット１６から得られた実位相位置１９と所定の位相セット位置２０とに基づいて位相位置を補正するように構成されたＰＬＬユニット１８を備えている。変調ユニット１４は、補正された調整基本信号２１を受信して変調する。このように、第１パワーユニット６は、第２パワーユニット８がスレーブユニットとして機能するための参照ユニットまたはマスターユニットとして位置付けられてもよい。
【００２６】
図２は、基本信号１５と補正された調整基本信号２１の時間ｔに対するタイミングチャートである。図示されているように、相互位相位置が９０°のパルスシーケンスセットとなるように、両信号は相互位相オフセット２２を有している。時刻２３において、メインユニット１６は基本信号１５の周波数を変更する。この変化はフィードフォワードユニット１７によって検出され、位相オフセット２２が中間周期内に維持されるように基本信号１５を調整する。変調された基本信号１５が第１パワーユニット６の制御に使用されるのに対して、変調されて第２パワーユニット８の制御に使用される信号は、この調整基本信号をＰＬＬユニット１８により補正することで得られる。
【００２７】
上記インバータに対応するインバータの他の実施形態によれば、ステータ２の対応する数のステータ巻線配置に出力を供給する３つ以上のパワーユニットが備えられる。このような構成は、第２パワーユニット８とフィードフォワードユニット１７およびＰＬＬユニット１８の分岐とが図１の実施形態に追加された構成に相当する。この場合、第１パワーユニット６がマスターユニットとして機能し、複数の第２パワーユニット８がスレーブユニットとして機能する。
【００２８】
上記インバータのいずれかに対応するインバータの他の実施形態によれば、変調ユニット１４は基本信号の空間ベクトルパルス幅変調を行うように構成される。ここでは、一般的に三角機能ではなく、変調ユニット１４と対応して変更されたフィードフォワードユニット１７やＰＬＬユニット１８とに適切な入力パラメータである。
【図１】
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【図２】
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