(57)【要約】【課題】  昇圧チョッパ回路を用いた昇圧コンバータであって、大きな昇圧比と優れた変換効率を得ることができる昇圧コンバータを提供する。【解決手段】  直流電圧が与えられてエネルギーを蓄積するリアクトルと、前記リアクトルから出力される直流電圧をスイッチングし、前記蓄積されたエネルギーに基づいて高電圧の断続パルスを出力するスイッチング素子と、電流の逆流防止手段と、コンデンサとを含む昇圧チョッパ回路１及び前記昇圧チョッパ回路１より出力された直流電圧が与えられてエネルギーを蓄積するリアクトルと、前記リアクトルから出力される直流電圧をスイッチングし、前記蓄積されたエネルギーに基づいて高電圧の断続パルスを出力するスイッチング素子と、電流の逆流防止手段と、コンデンサとを含む昇圧チョッパ回路２を有することを特徴とする昇圧コンバータ。【選択図】      図１
2005137142.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧が与えられてエネルギーを蓄積するリアクトルと、前記リアクトルから出力される直流電圧をスイッチングし、前記蓄積されたエネルギーに基づいて高電圧の断続パルスを出力するスイッチング素子と、電流の逆流防止手段と、コンデンサとを含む昇圧チョッパ回路１及び
前記昇圧チョッパ回路１より出力された直流電圧が与えられてエネルギーを蓄積するリアクトルと、前記リアクトルから出力される直流電圧をスイッチングし、前記蓄積されたエネルギーに基づいて高電圧の断続パルスを出力するスイッチング素子と、電流の逆流防止手段と、コンデンサとを含む昇圧チョッパ回路２を有することを特徴とする昇圧コンバータ。
【請求項２】
昇圧チョッパ回路１のスイッチング素子のオン時間及び昇圧チョッパ回路２のスイッチング素子のオン時間が、略同時に開始されることを特徴とする請求項１に記載の昇圧コンバータ。
【請求項３】
前記昇圧チョッパ回路１及び昇圧チョッパ回路２のスイッチング素子に駆動パルスを供給するためのチョッパドライブ回路を、さらに有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の昇圧コンバータ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の昇圧コンバータを含むことを特徴とするモータ駆動回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はモータ駆動回路等、特に自動車の駆動源として搭載されるモータを駆動するためのモータ駆動回路に用いられる昇圧コンバータ及び前記昇圧コンバータを含むモータ駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気モータ（以下単にモータと言う。）は、電車だけではなく自動車にも搭載され駆動源として用いられるようになっている。例えば、排気ガスを軽減でき環境汚染を防止できるものとして注目され、実用化されているハイブリッド車は、ガソリンエンジンとモータとを駆動源として走行するものである。
【０００３】
自動車の駆動源としてのモータの駆動電圧は、従来は、２００〜３００Ｖ程度であった。しかし近年、自動車の加速力の向上を目指して、駆動電圧は高電圧に移行しており、今後は５００Ｖを超える駆動電圧が必要とされ、さらに高い電圧の使用が望まれている。
【０００４】
しかし、従来のモータ駆動回路のように、電池の電圧とモータ駆動電圧が同じ場合、このような高電圧でモータを駆動するためには電池の直列数を増加させる必要がある。しかしこの場合は、電池の容積が増加する等の問題が生じる。そこで、直列数を増加することなく、電池から得られる直流電圧よりも高いモータ駆動電圧を得ることを可能とするモータ駆動回路が求められている。
【０００５】
直流電圧を昇圧する手段として、昇圧チョッパ回路が挙げられる。例えば、特開平８−２４７８５４号公報に記載されている電力変換装置では、直流電源の直流電力をコンバータにより昇圧する手段（請求項１）として、昇圧チョッパ回路が用いられている（段落００１３、図１）
【０００６】
図３はこのような昇圧チョッパ回路の原理図である。図４は、図３中のスイッチング素子Ｓをオン、オフする駆動パルスを示す波形図である。駆動パルスがチョッパ周期でオン時間になるとスイッチング素子Ｓがオンして短絡状態になり、電池Ｂ（直流電源）の直流電圧Ｅ１により電流ｉＬが流れてリアクトルＬにエネルギーが蓄積される。スイッチング素子Ｓをオン、オフすることにより、スイッチング素子ＳとリアクトルＬの接続点に高電圧の断続パルスが出力され、この断続パルスによりダイオードＤを介してコンデンサＣが充電されるとともに負荷Ｒに電流ｉＲが流れる。
【０００７】
駆動パルスがチョッパ周期でオフ時間になるとスイッチング素子Ｓがオフとなるが、リアクトルＬに蓄積されたエネルギーによりコンデンサＣが充電されるとともに負荷Ｒに電力が供給され続ける。負荷Ｒに供給される直流電圧Ｅ2は、昇圧された電圧であって、その電圧はスイッチング素子Ｓのオン時間とオフ時間の比に応じて変動する。
【０００８】
このように、昇圧チョッパ回路における昇圧比（昇圧された電圧／電源電圧）は、一定周期におけるスイッチング素子のオン時間とオフ時間の比に応じて変動し、スイッチング素子のオン時間とオフ時間は、駆動パルスのオン時間とオフ時間に対応している。しかし、オン時間とオフ時間の比を制御して大きな昇圧比を得ようとすると、オフ時間が非常に短くなり、駆動パルスの立ち上がり時間及び立下がり時間の影響を受けて駆動パルス波形が歪み、又スイッチング素子の応答速度の影響も受けるので、大きな昇圧比を得ることは困難である。又、一般的に昇圧比を大きくすると変換効率が低下する。
そこでこのような従来の昇圧コンバータの問題を解決し、大きな昇圧比と優れた変換効率を得ることができる昇圧コンバータが望まれる。
【特許文献１】特開平８−２４７８５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、昇圧チョッパ回路を用いた昇圧コンバータであって、大きな昇圧比と優れた変換効率を得ることができる昇圧コンバータを提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者は、鋭意検討の結果、図３で示されるような昇圧コンバータを２段直列に接続することにより、前記の課題を達成できることを見出し、本発明を完成した。
【００１１】
すなわち、本発明は、その請求項１として、直流電圧が与えられてエネルギーを蓄積するリアクトルと、前記リアクトルから出力される直流電圧をスイッチングし、前記蓄積されたエネルギーに基づいて高電圧の断続パルスを出力するスイッチング素子と、電流の逆流防止手段と、コンデンサとを含む昇圧チョッパ回路１、及び前記昇圧チョッパ回路１より出力された直流電圧が与えられてエネルギーを蓄積するリアクトルと、前記リアクトルから出力される直流電圧をスイッチングし、前記蓄積されたエネルギーに基づいて高電圧の断続パルスを出力するスイッチング素子と、電流の逆流防止手段と、コンデンサとを含む昇圧チョッパ回路２を有することを特徴とする昇圧コンバータを提供するものである。
【００１２】
この昇圧コンバータによれば、昇圧チョッパ回路１により昇圧された電圧が、昇圧チョッパ回路２によりさらに昇圧されるので、それぞれの昇圧チョッパ回路における昇圧比をそれほど大きくしなくても、昇圧コンバータ全体として充分大きな昇圧比を得ることができる。それぞれの昇圧チョッパ回路における昇圧比をそれほど大きくする必要がないので、駆動パルスのオン時間とオフ時間の比を大きくする必要がなく、パルスの立上がり時間及び立下がり時間の影響も大きくなく、又変換効率が低下する問題もない。
【００１３】
なお、電流の逆流防止手段としては、ダイオード等が用いられる。又、スイッチング素子としては、絶縁ゲート型トランジスタ（ＩＧＢＴ）、パワーＭＯＳＦＥＴ、ワイドバンドギャップ型半導体（ＳｉＣ、ＧａＮ、Ｃ）等の半導体素子が例示される。
【００１４】
本発明は、さらに、請求項２として、前記の昇圧コンバータであって、昇圧チョッパ回路１のスイッチング素子のオン時間及び昇圧チョッパ回路２のスイッチング素子のオン時間が、略同時に開始されることを特徴とする昇圧コンバータを提供する。
【００１５】
昇圧コンバータの負荷の程度により、昇圧チョッパ回路１のコンデンサの充電量が小さくなる場合があり、充電量が不十分な時に昇圧チョッパ回路２のスイッチング素子がオンとなると、変換効率が低下する等の問題が発生する。又、前記のように、昇圧チョッパ回路においては、スイッチング素子がオフの時にコンデンサ（図３の場合においてはＣ）は充電されるので、充電量はオフ時間の終了時に最も大きい。そこで、昇圧チョッパ回路１のオフ時間の終了時（オン時間の開始時期と略同一）と、昇圧チョッパ回路２のオン時間の開始時を略同時とすることにより、優れた変換効率が得られるのである。前記請求項２は、この好ましい態様に該当する。
【００１６】
前記の昇圧チョッパ回路1及び昇圧チョッパ回路２のスイッチング素子は、チョッパドライブ回路から供給される駆動パルスによりスイッチングを行う。本発明の請求項３は、このチョッパドライブ回路をもその中に有する態様に該当し、前記の昇圧コンバータであって、前記昇圧チョッパ回路１及び昇圧チョッパ回路２のスイッチング素子に駆動パルスを供給するためのチョッパドライブ回路を、さらに有することを特徴とする昇圧コンバータを提供するものである。
【００１７】
本発明は、さらにその請求項４として、前記昇圧コンバータを含むことを特徴とするモータ駆動回路を提供する。
本発明の昇圧コンバータにより、大きな昇圧比及び高い変換効率を得ることができるので、この昇圧コンバータを含むモータ駆動回路により高い駆動電圧を効率良く得ることができる。従って、自動車の駆動源として搭載されるモータを駆動するためのモータ駆動回路等として好適に用いることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の昇圧コンバータにより、大きな昇圧比を得ることができる。又、昇圧比を大きくすることにより変換効率が低下する問題もない。
前記本発明の昇圧コンバータを含むモータ駆動回路により、電源の電池電圧よりはるかに高い駆動電圧を効率良く得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１は本発明の昇圧コンバータの一実施形態を示す回路図である。
図１中のリアクトルＬ１、ダイオードＤ２、パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ１及びコンデンサＣ１は、昇圧チョッパ回路１を構成する。又リアクトルＬ２、ダイオードＤ４、パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ2及びコンデンサＣ２は、昇圧チョッパ回路２を構成する。
【００２０】
電池Ｂの正電極は昇圧チョッパ回路１中のリアクトルＬ１の一端に接続され、リアクトルＬ１の他端は、ダイオードＤ２のアノード及びパワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ１のドレインに接続されている。
【００２１】
パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ１のドレインは、さらにダイオードＤ２のアノードに接続されており、ダイオードＤ２のカソードは、コンデンサＣ１の一端及びリアクトルＬ２の一端に接続されている。
リアクトルＬ２の他端は、ダイオードＤ４のアノード及びパワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ２のドレインに接続されている。
【００２２】
パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ２のドレインは、さらにダイオードＤ4のアノードに接続されており、ダイオードＤ４のカソードは、コンデンサＣ２の一端に接続されている。電池Ｂの負電極、パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ１、  Ｓ２のソース、並びにコンデンサＣ１、Ｃ２の他端はノードＮに共通接続され、ノードＮは接地されている。
【００２３】
パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ１、  Ｓ２の各ゲートにはチョッパドライブ回路１から駆動パルスｄ１、ｄ２が与えられる。
【００２４】
次に、図１に示した昇圧コンバータの動作について説明する。
図２は、チョッパドライブ回路１から出力される駆動パルスｄ１、ｄ２を示す波形図である。パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ１、Ｓ２は、それぞれのゲートに与えられる駆動パルスｄ１、ｄ２によりオン、オフする。図２に示されるように、駆動パルスｄ１及びｄ２のオン時間は略同時に開始されており、又チョッパ周期も両者同じであり、その結果優れた変換効率が達成される。
【００２５】
昇圧チョッパ回路１においては、パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ１が、駆動パルスｄ１によりオン、オフすることにより、前記の図３の場合と同様にして、パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ１のドレインとリアクトルＬ１の接続点に高電圧の断続パルスが出力される。この高電圧の断続パルスは、ダイオードＤ２を介して出力され、コンデンサＣ１によって平滑されて昇圧された直流電圧になる。
【００２６】
このようにして、パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ１がオン、オフすることにより、電池Ｂの電圧を昇圧した電圧が、リアクトルＬ２の一端に与えられる。昇圧チョッパ回路２においても同様に、パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ２が、駆動パルスｄ２によりオン、オフすることにより、パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ２のドレインとリアクトルＬ２の接続点に高電圧の断続パルスが出力される。この高電圧の断続パルスは、ダイオードＤ４を介して出力され、コンデンサＣ２によって平滑されて昇圧された直流電圧になる。
【００２７】
このようにして、パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ２がオン、オフすることにより、リアクトルＬ２の一端に与えられた電圧をさらに昇圧した電圧がモータＭに与えられ、モータＭは駆動する。昇圧は2段階で行われるので、それぞれの段階での昇圧比がそれほど大きくなくても全体として大きな昇圧比を得ることができる。
【００２８】
前記のように、昇圧比は、駆動パルスｄ１、ｄ２のオン時間、オフ時間の比により変動するので、オン時間とオフ時間の比は所定の電圧に昇圧されるように設定されている。好ましくは、出力電圧を一定にするため、出力電圧をモニタして、オン時間とオフ時間の比を調整する帰還制御が行われる。
【００２９】
なお、パワーＭＯＳＦＥＴ  Ｓ１、  Ｓ２のそれぞれに並列に保護用のダイオードを配線してもよい。このダイオードとしては、パワースイッチングデバイスの内蔵ダイオードを用いることも可能である。すなわち、スイッチング素子とダイオードを並列に配線する代わりに、その中にスイッチング素子とダイオードを並列に接続したパワースイッチングデバイスを配線してもよい。
又、さらに昇圧比を向上するため、前記本発明の昇圧コンバータにさらに昇圧チョッパ回路を直列につなぐことも可能である。
【００３０】
図５は、本発明のモータ駆動回路の一実施形態の模式図である。
この例のモータ駆動回路により駆動されるモータ３は交流モータであり、本発明の昇圧コンバータより出力された昇圧された直流電圧は、インバータ２に供給され、インバータ２により交流に変換され、変換された交流によりモータ３は駆動する。
【００３１】
本発明のモータ駆動回路により駆動される交流モータとしては、単相交流モータ、２相交流モータ、３相交流モータ等の多相交流モータが例示される。又本発明のモータ駆動回路によりＤＣモータを駆動することもできるが、この場合は、インバータは用いずに、本発明の昇圧コンバータよりの直流電圧を、直接モータに与えることができる。
【００３２】
なお、自動車の駆動源としてのモータは、減速時や坂道の下りの際には、発電機として作用し、回生電圧を発生する。そこで、回生電圧により電池を充電する回生機能が必要となる。本発明のモータ駆動回路により駆動されるモータは、高い回生電圧を発生するので、本発明のモータ駆動回路はさらに前記電池を充電するための電圧に降圧する降圧手段を備えることが好ましい。降圧手段としては、降圧チョッパ回路が好ましく例示される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態を示す回路図である。
【図２】図１の実施形態に使用される駆動パルスのチョッパ周期の波形図である。
【図３】昇圧チョッパ回路の原理図である。
【図４】図３の回路に使用される駆動パルスのチョッパ周期の波形図である。
【図５】本発明のモータ駆動回路の一実施形態の模式図である。
【符号の説明】
【００３４】
１  チョッパドライブ回路
２  インバータ
３、Ｍ  モータ
Ｂ  電池
Ｓ  スイッチング素子
Ｓ１、Ｓ２  パワーＭＯＳＦＥＴ
Ｌ、Ｌ１、Ｌ２  リアクトル
Ｄ、Ｄ２、Ｄ４  ダイオード
Ｃ、Ｃ１、Ｃ２  平滑コンデンサ
Ｎ  ノード
【図１】
2005137142.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2005137142.tif 000006
【図５】
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