(57)【要約】  本発明は、直流電圧源と回転負荷との間に設けられ、インピーダンスソースと、インバータと、を備える負荷駆動回路であって、インピーダンスソースは、当該回転負荷の制御周期が直流電圧源の電源電圧を昇圧する昇圧期間と、昇圧により得られた第１直流電圧をインバータに印加する印加期間とからなる第１モードと、回転負荷の制御周期において直流電圧源の電源電圧の昇圧と並行して、昇圧により得られた第２直流電圧をインバータに印加する第２モードとの各々を有し、回転負荷に発生する逆起電力を示す指標値に応じて、第１モード及び第２モードのいずれかにより動作し、インバータは、第１モードの制御周期の際、印加期間において回転負荷をＰＷＭ制御し、第２モードの制御周期の際、制御周期において回転負荷を所定の幅の単パルスで制御する。
2018043480.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧源と回転負荷との間に設けられ、インピーダンスソースと、インバータと、を備える負荷駆動回路であって、
前記インピーダンスソースは、
当該回転負荷の制御周期が前記直流電圧源の電源電圧を昇圧する昇圧期間と、昇圧により得られた第１直流電圧を前記インバータに印加する印加期間とからなる第１モードと、前記回転負荷の制御周期において前記直流電圧源の前記電源電圧の昇圧と並行して、昇圧により得られた第２直流電圧を前記インバータに印加する第２モードとの各々を有し、前記回転負荷に発生する逆起電力を示す指標値に応じて、前記第１モードまたは第２モードにより動作し、
前記インバータは、
前記第１モードの制御周期の際、前記印加期間において前記回転負荷をＰＷＭ制御し、前記第２モードの制御周期の際、前記制御周期において前記回転負荷を所定の幅の単パルスで制御する
ことを特徴とする負荷駆動回路。
【請求項２】
前記インピーダンスソースは、
予め前記指標値の判定値である閾値として、第１閾値及び当該第１閾値より大きい第２閾値の各々が設定されており、
前記指標値が前記第１閾値未満の場合、前記直流電圧源の直流電圧を前記インバータに印加する第０モードで動作し、
前記指標値が前記第１閾値以上であり、前記第２閾値未満の場合、前記第１モードで動作し、
前記指標値が前記第２閾値以上の場合、前記第２モードで動作し、
前記インバータが前記第０モードの場合、前記制御周期において前記回転負荷をＰＷＭ制御する
ことを特徴とする請求項１に記載の負荷駆動回路。
【請求項３】
前記第１閾値が、前記第０モードでは前記回転負荷を制御できない逆起電力が前記回転負荷に発生する指標値であり、
前記第２閾値が、前記回転負荷に前記第１モードにおける前記昇圧期間が所定の昇圧を行う長さを取得できない制御周期となる指標値である
ことを特徴とする請求項２に記載の負荷駆動回路。
【請求項４】
前記インピーダンスソースは、
第１のインダクタと、第２のインダクタと、第１のキャパシタと、第２のキャパシタと、ダイオードと、第１のスイッチと、第２のスイッチと、
を備え、
前記第２のインダクタの一端と、前記直流電圧源の高電圧側端子と、
が接続され、
前記第２のインダクタの他端と、前記ダイオードのアノードと、前記第１のスイッチの一端と、
が接続され、
前記第１のインダクタの一端と、前記第１のキャパシタの一端と、前記ダイオードのカソードと、
が接続され、
前記第１のインダクタの他端と、前記インバータの入力の一端と、
が接続され、
前記第１のキャパシタの他端と、
前記直流電圧源の低電圧側端子と、前記第１のスイッチの他端と、前記インバータの入力の他端と、が接続され、
前記第１のインダクタの他端と前記第２のインダクタの他端との間に、前記第２のキャパシタと前記第２のスイッチとが直列に接続される、
ことを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の負荷駆動回路。
【請求項５】
前記第２モードにおいて、前記第１のスイッチが前記制御周期と異なる昇圧周期で開閉を制御して、前記第１のインダクタと前記ダイオードのアノードとの接続点の電圧の昇圧を行う
ことを特徴とする請求項４に記載の負荷駆動回路。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載の負荷駆動回路と、
前記負荷駆動回路における前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチの各々の開閉を制御する制御回路と、
を備える負荷駆動システム。
【請求項７】
直流電圧源と回転負荷との間に設けられ、インピーダンスソースと、インバータと、を備える負荷駆動回路の負荷駆動方法であって、
前記回転負荷に発生する逆起電力を示す指標値に応じて、第１モードである当該回転負荷の制御周期が前記直流電圧源の電源電圧を昇圧する昇圧期間と、昇圧により得られた第１直流電圧を前記インバータに印加する印加期間とからなるモードにより、または第２モードである前記回転負荷の制御周期において前記直流電圧源の前記電源電圧の昇圧と並行して、昇圧により得られた第２直流電圧を前記インバータに印加するモードにより、前記インピーダンスソースが動作する過程と、
前記第１モードの制御周期の際、前記印加期間において前記回転負荷をＰＷＭ制御し、前記第２モードの制御周期の際、前記制御周期において前記回転負荷を所定の幅の単パルスで制御する過程と
を有することを特徴とする負荷駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷駆動回路、負荷駆動システム及び負荷駆動方法に関する。本願は、２０１６年９月１日に、日本に出願された特願２０１６−１７１１８７号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車や電気自動車などの車両では、エネルギ効率のよいモータの駆動が要求されている。
非特許文献１には、関連する技術として、Ｚソースインバータと呼ばれる回路に関する技術が記載されている。Ｚソースインバータは、従来のインバータにインダクタＬとキャパシタＣとから成るインピーダンスソースを追加することにより、昇圧とインバータ動作とを同時に行うことができる回路である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】F. Z. Peng,"Z-source inverter," IEEE Trans. Ind. Appl., vol.39, no.2, pp. 504-510, Mar./Apr. 2003.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、モータを用いる車両では、エネルギ効率のほかに、小型かつ単位時間当たりの回転数（以下、「回転数」と記載）とトルクの積で定義される機械出力が大きいモータが求められている。
一般的に、モータの小型化とモータが作り出すトルクの大きさとはトレードオフの関係にあり、モータを小型化するとモータが出力可能なトルクが小さくなり、機械出力が小さくなる傾向にある。
そのため、モータを小型化しつつ、機械出力を維持するためには、小型化により小さくなるトルクを補うためにモータを高速回転させることが必要である。【０００５】
モータを高速回転させる場合、モータにおいて磁石が磁界の中で回転するため、起電力が発生する。このとき、モータに供給される電圧がモータにおいて発生した起電力よりも高ければ、モータに電力が供給され続ける。しかしながら、モータに印加する電圧がモータにおいて発生した起電力よりも低くなると、モータに電力を供給することができなくなる。その結果、モータの回転数が低下し機械出力が低下してしまう。したがってモータを高速回転させる場合、インバータはモータの起電力以上の高い交流電圧をモータへ印加することが必要である。その際、モータに印加する電圧を、正弦波に比べて基本波の実効値が高い矩形波とすることで、より効率良く高い交流電圧をモータへ印加することが可能となる。【０００６】
しかしながら、非特許文献１に記載のＺソースインバータは、昇圧動作を行いかつ矩形波電圧を発生させることができない。そのため、モータを用いる車両に非特許文献１に記載のＺソースインバータを用いた場合、モータの高速回転に適した高い電圧の矩形波を印加することができない。また、非特許文献１に記載のＺソースインバータは、制御周期中においてモータ駆動のための出力電圧波形の制御と出力電圧の昇圧を担うためのインバータに対する短絡動作制御を実施している。このため、モータの回転数を増加させていった場合、上記出力電圧波形の周波数が次第に制御周期に近づき、出力電圧波形の制御と昇圧動作に必要な短絡制御との各々の期間の確保を両立させることが困難となり、モータにおいて発生する起電力以上の高い交流電圧をモータへ印加することができず、モータを小型かつモータの機械出力を大きくすることはできない。【０００７】
そのため、モータを用いる車両において、昇圧動作を行いかつ矩形波電圧を発生させることができ、さらに、エネルギ効率のよい負荷駆動回路が求められていた。【０００８】
上述の課題を鑑み、本発明は、上記の課題を解決することのできる負荷駆動回路、負荷駆動システム及び負荷駆動方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の負荷駆動回路は、直流電圧源と回転負荷との間に設けられ、インピーダンスソースと、インバータと、を備える負荷駆動回路であって、前記インピーダンスソースは、当該回転負荷の制御周期が前記直流電圧源の電源電圧を昇圧する昇圧期間と、昇圧により得られた第１直流電圧を前記インバータに印加する印加期間とからなる第１モードと、前記回転負荷の制御周期において前記直流電圧源の前記電源電圧の昇圧と並行して、昇圧により得られた第２直流電圧を前記インバータに印加する第２モードとの各々を有し、前記回転負荷に発生する逆起電力を示す指標値に応じて、前記第１モードまたは第２モードにより動作し、前記インバータは、前記第１モードの制御周期の際、前記印加期間において前記回転負荷をＰＷＭ制御し、前記第２モードの制御周期の際、前記制御周期において前記回転負荷を所定の幅の単パルスで制御することを特徴とする。【００１０】
本発明の負荷駆動回路は、前記インピーダンスソースは、予め前記指標値の判定値である閾値として、第１閾値及び当該第１閾値より大きい第２閾値の各々が設定されており、前記回転数が前記第１閾値未満の場合、前記直流電圧源の直流電圧を前記インバータに印加する第０モードで動作し、前記回転数が前記第１閾値以上であり、前記第２閾値未満の場合、前記第１モードで動作し、前記回転数が前記第２閾値以上の場合、前記第２モードで動作し、前記インバータが前記第０モードの場合、前記制御周期において前記回転負荷をＰＷＭ制御することを特徴とする。【００１１】
本発明の負荷駆動回路は、前記第１閾値が、前記第０モードでは前記回転負荷を制御できない逆起電力が前記回転負荷に発生する回転数であり、前記第２閾値が、前記回転負荷に前記第１モードにおける前記昇圧期間が所定の昇圧を行う長さを取得できない制御周期となる回転数であることを特徴とする。【００１２】
本発明の負荷駆動回路は、前記インピーダンスソースは、第１のインダクタと、第２のインダクタと、第１のキャパシタと、第２のキャパシタと、ダイオードと、第１のスイッチと、第２のスイッチと、を備え、前記第２のインダクタの一端と、前記直流電圧源の高電圧側端子と、が接続され、前記第２のインダクタの他端と、前記ダイオードのアノードと、前記第１のスイッチの一端と、が接続され、前記第１のインダクタの一端と、前記第１のキャパシタの一端と、前記ダイオードのカソードと、が接続され、前記第１のインダクタの他端と、前記インバータの入力の一端と、が接続され、前記第１のキャパシタの他端と、前記直流電圧源の低電圧側端子と、前記第１のスイッチの他端と、前記インバータの入力の他端と、が接続され、前記第１のインダクタの他端と前記第２のインダクタの他端との間に、前記第２のキャパシタと前記第２のスイッチとが直列に接続される、ことを特徴とする。【００１３】
本発明の負荷駆動回路は、前記第２モードにおいて、前記第１のスイッチが前記制御周期と異なる昇圧周期で開閉を制御して、前記第１のインダクタと前記ダイオードのアノードとの接続点の電圧の昇圧を行うことを特徴とする。【００１４】
本発明の負荷駆動システムは、上述した負荷駆動回路と、前記負荷駆動回路における前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチの各々の開閉を制御する制御回路と、を備えることを特徴とする。【００１５】
本発明の負荷駆動方法は、直流電圧源と回転負荷との間に設けられ、インピーダンスソースと、インバータと、を備える負荷駆動回路の負荷駆動方法であって、前記回転負荷に発生する逆起電力を示す指標値に応じて、第１モードである当該回転負荷の制御周期が前記直流電圧源の電源電圧を昇圧する昇圧期間と、昇圧により得られた第１直流電圧を前記インバータに印加する印加期間とからなるモードにより、または第２モードである前記回転負荷の制御周期において前記直流電圧源の前記電源電圧の昇圧と並行して、昇圧により得られた第２直流電圧を前記インバータに印加するモードにより、前記インピーダンスソースが動作する過程と、前記第１モードの制御周期の際、前記印加期間において前記回転負荷をＰＷＭ制御し、前記第２モードの制御周期の際、前記制御周期において前記回転負荷を所定の幅の単パルスで制御する過程とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、回転負荷の駆動に際し、インバータに接続された回転負荷の逆起電力を直接に測定することができないため、回転負荷に発生する逆起電力を示す指標値（例えば、回転負荷の回転数など）を測定して、この測定された指標値に応じてインピーダンスソースの動作モードを選択するため、回転数が増加して第１モードでは回転負荷に発生する逆起電力に対応した所定の電圧までの昇圧が行えない場合、第２モードに移行することで、上記逆起電力を示す指標値に基づいて回転負荷に発生する逆起電力に対応させるように、インバータに印加する所定の電圧までの昇圧動作を行い、かつインバータを単発パルスにより制御することにより、制御周期が短くなっても、昇圧及びインバータの駆動を可能とするため、回転負荷をより高速に動作させることができ、かつエネルギ効率を向上させる負荷駆動回路、負荷駆動システム及び負荷駆動方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態による負荷駆動システムの構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるモータの回転数とトルクの関係の例を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態によるインバータとインピーダンスソースの具体的な構成例を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態によるインバータの動作を説明するための第１の図である。
【図５】本発明の一実施形態によるインバータの動作を説明するための第２の図である。
【図６】本発明の一実施形態によるインバータの動作を説明するための第３の図である。
【図７】本発明の一実施形態によるインバータの動作を説明するための第４の図である。
【図８】本発明の一実施形態によるインバータの動作を説明するための第５の図である。
【図９】本発明の一実施形態によるインバータの動作を説明するための第６の図である。
【図１０】本発明の一実施形態によるインバータの動作を説明するための第７の図である。
【図１１】本発明の一実施形態によるインピーダンスソースの動作を説明するための第１の図である。
【図１２】本発明の一実施形態によるインピーダンスソースの動作を説明するための第２の図である。
【図１３】本発明の一実施形態によるインピーダンスソースの動作を説明するための第３の図である。
【図１４】本発明の一実施形態によるインピーダンスソースの動作を説明するための第４の図である。
【図１５】本発明の一実施形態によるインピーダンスソースの動作を説明するための第５の図である。
【図１６】本発明の一実施形態によるインピーダンスソースの動作を説明するための第６の図である。
【図１７】本発明の一実施形態によるインピーダンスソースの動作を説明するための第７の図である。
【図１８】本発明の一実施形態によるインピーダンスソースの動作を説明するための第８の図である。
【図１９】本発明の一実施形態における１パルス制御を説明するための図である。
【図２０】本発明の一実施形態におけるモータの印加電圧とトルクの関係の例を示す図である。
【図２１】本発明の一実施形態によるモータの回転数に応じた負荷駆動回路の動作を説明するための第１の図である。
【図２２】本発明の一実施形態によるモータの回転数に応じた負荷駆動回路の動作を説明するための第２の図である。
【図２３】本発明の一実施形態によるモータの回転数に応じた負荷駆動回路の動作を説明するための第３の図である。
【図２４】本発明の一実施形態によるモータの回転数に応じた負荷駆動回路の動作を説明するための第４の図である。
【図２５】本発明の一実施形態によるモータの回転数に応じた負荷駆動回路の動作を説明するための第５の図である。
【図２６】本発明の一実施形態におけるシミュレーション結果を示す図である。
【図２７】図２６（Ａ）における出力線間電圧Ｖａｂ及び出力線間電圧Ｖｂｃの各々を分離して記載した図である。
【図２８】図２６（Ｂ）における出力電流ｉａ、出力電流ｉｂ及び出力電流ｉｃの各々を分離して記載した図である。
【図２９】本発明の一実施形態のインピーダンスソース２０における第０モード、第１モード及び第２モードの各々における電圧値と回転数との関係を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
＜実施形態＞
以下、図面を参照しながら本発明の一実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態による負荷駆動システムの構成を示す図である。
まず、本発明の一実施形態による負荷駆動システムの構成について説明する。
本発明の一実施形態による負荷駆動システム１は、図１に示すように、負荷駆動回路２と、制御回路３と、負荷３０と、直流電圧源４０と、を備える。
【００１９】
負荷駆動回路２は、インバータ１０と、インピーダンスソース２０と、を備える。
図１に示すように、インバータ１０の入力には、インピーダンスソース２０の出力が接続される。
インバータ１０の出力には、負荷３０が接続される。負荷３０は、例えば、交流電圧により動作するモータなどの機器である。
また、インピーダンスソース２０の入力には、直流電圧源４０が接続される。
【００２０】
制御回路３は、負荷駆動回路２におけるスイッチ（後述するインバータ１０における第１スイッチ１０１から第６スイッチ１０６の各々と、インピーダンスソース２０における第７スイッチ２０６及び第６スイッチ２０７の各々と）の開閉（開：オフ状態、閉：オン状態）を制御する。
例えば、負荷３０が回転負荷としてのモータである場合、制御回路３は、負荷３０の回転数と、負荷３０が発生するトルクとに基づいて、負荷駆動回路２における上記スイッチの各々の開閉を制御する。
【００２１】
直流電圧源４０は、インピーダンスソース２０に対して、所定の電圧の直流電圧を印加する。直流電圧源４０は、例えば、バッテリや燃料電池などの直流電圧を供給する電圧源である。また、直流電圧源４０は、交流電圧を整流して生成した直流電圧を出力するものであってもよい。直流電圧源４０がインピーダンスソース２０に印加する電圧は、例えば、２３０ボルトである。
【００２２】
インピーダンスソース２０は、インバータ１０が負荷３０の回転数に対応し、この負荷３０に印加するために必要な交流電圧を生成するために必要な直流電圧の電圧範囲に応じた直流電圧を生成する。
例えば、インピーダンスソース２０は、直流電圧源４０と負荷３０との間における電力の変動を担保するため、内部のスイッチを用いて、直流電圧源４０の直流電圧の昇圧を行う。すなわち、インピーダンスソース２０は、後述する内部のスイッチの上下短絡動作によりインバータ１０に印加する直流電圧を、直流電圧源４０の直流電圧を昇圧して増加させる。また、インピーダンスソース２０は、生成した直流電圧をインバータ１０に印加する。
【００２３】
インバータ１０は、インピーダンスソース２０により印加される直流電圧から負荷３０に印加する交流電圧を生成する。
例えば、インバータ１０は、高電圧側と低電圧側の対を成すスイッチを交互にまたは同時に開閉動作させ、すなわちオンとオフとを切り替えることにより、負荷３０に印加する交流電圧を生成する。ここで、インバータ１０は、インピーダンスソース２０が昇圧を行って生成した直流電圧を用いて交流電圧を生成する。
【００２４】
負荷３０は、すでに述べたように、回転負荷であり、インバータ１０により印加される交流電圧に基づいて動作する。
負荷３０は、例えば、モータである場合、インバータ１０により印加される交流電圧とその交流電圧の周波数に応じた回転数で回転する。
【００２５】
モータは回転数を上げるにつれて、モータを駆動するために印加すべき、インバータ１０から供給する交流電圧の周波数と電圧の振幅とが増大する。
従来のＺソースインバータや従来の準Ｚソースインバータ（以下、単に従来型Ｚソースインバータと示す）は、モータに印加すべき周波数が、インバータのスイッチング周波数以下となる、図２に示すモータ回転数が１または２の領域では、昇圧動作とインバータ動作の両方を行うことができる。ここで、回転数は負荷３０に発生する逆起電力に比例する。このため、本実施形態においては、回転数を、負荷３０に発生する逆起電力を示す指標として用いている。インバータ１０に接続された状態においては、負荷３０に発生する逆起電力を直接測定することができないため、逆起電力を示す指標として回転数を用いて逆起電力の推定を行っている。これにより、本実施形態においては、回転数に応じた逆起電力を基準としてインピーダンスソース２０の運転に対する制御が１から３の領域のいずれであるかの判定を行う。
すなわち、従来型Ｚソースインバータにおいては、負荷３０の回転数の制御を行う制御周期において、昇圧動作を行う昇圧期間と負荷の制御を行うインバータ１０に対して昇圧した電圧を印加する印加期間とが必要となる。このため、負荷３０が所定の回転数までは、直流電圧源４０の直流電圧を、回転機３０に発生する逆起電力による電圧に対応させて昇圧させる昇圧期間が得られる制御周期となる。
しかしながら、従来型Ｚソースインバータは、所望の回転数とするために負荷３０に印加すべき周波数が、インバータのスイッチング周波数と同等以上の、図２に示すモータ回転数が３の領域では、負荷３０の回転数が上昇することで制御周期が短くなり、これに伴い昇圧期間及び印加期間の各々も短くなり、回転機３０に発生する逆起電力による電圧に対応させて昇圧させる昇圧期間が得られなくなる。これにより、従来型Ｚソースインバータは、逆起電力による電圧に対応する、昇圧された電圧を生成することができず、回転負荷１０に所望のトルクを発生させることができなくなる。また、従来型Ｚソースインバータは、交流電圧を生成するためのインバータのスイッチを用いて昇圧動作を行っているため、すなわち昇圧と印加との動作を制御周期において時分割に行う構成であるため、昇圧動作とインバータ動作の両方を同時に並列して行うことができない。
このように、従来型Ｚソースインバータは、昇圧動作とインバータ動作の両方を同時に並列させて行うことができない。本発明の一実施形態による負荷駆動回路２は、従来型Ｚソースインバータが負荷３０の回転数が所望のトルクを得られない図２に示す３の領域で、昇圧動作とインバータ動作の両方を同時に並列して独立に行うことで、負荷３０の所望のトルクを得られる構成とした回路である。
【００２６】
（具体例）
ここで、本実施形態におけるインバータ１０と、インピーダンスソース２０の具体的な構成例を示す。図３は、本発明の一実施形態によるインバータとインピーダンスソースの具体的な構成例を示す図である。
インバータ１０は、例えば、図３に示すように、第１スイッチ１０１と、第２スイッチ１０２と、第３スイッチ１０３と、第４スイッチ１０４と、第５スイッチ１０５と、第６スイッチ１０６と、を備える。
【００２７】
また、インピーダンスソース２０は、例えば、図３に示すように、第１インダクタ２０１（第２のインダクタ）と、第２インダクタ２０２（第１のインダクタ）と、第１キャパシタ２０３（第１のキャパシタ）と、第２キャパシタ２０４（第２のキャパシタ）と、ダイオード２０５と、第７スイッチ２０６（第１のスイッチ）と、第８スイッチ２０７（第２のスイッチ）と、を備える。
【００２８】
第１スイッチ１０１の端子ａ１は、第２スイッチ１０２の端子ｂ１、負荷３０の端子ｃ１のそれぞれに接続される。
【００２９】
第１スイッチ１０１の端子ａ２は、第３スイッチ１０３の端子ｄ１、第５スイッチ１０５の端子ｅ１、第１インダクタ２０１の端子ｇ１、第８スイッチ２０７の端子ｆ１のそれぞれに接続される。
【００３０】
第２スイッチ１０２の端子ｂ２は、第４スイッチ１０４の端子ｈ１、第６スイッチ１０６の端子ｊ１、第１キャパシタ２０３の端子ｋ１、第７スイッチ２０６の端子ｌ１、直流電圧源４０の端子ｍ１のそれぞれに接続される。
【００３１】
第３スイッチ１０３の端子ｄ２は、第４スイッチ１０４の端子ｈ２、負荷３０の端子ｃ２のそれぞれに接続される。
【００３２】
第５スイッチ１０５の端子ｅ２は、第６スイッチ１０６の端子ｊ２、負荷３０の端子ｃ３のそれぞれに接続される。
【００３３】
第１インダクタ２０１の端子ｇ２は、第１キャパシタ２０３の端子ｋ２、ダイオード２０５の端子ｏ１（カソード）のそれぞれに接続される。
【００３４】
第２インダクタ２０２の端子ｐ１は、第７スイッチ２０６の端子ｌ２、ダイオード２０５の端子ｏ２（アノード）、第２キャパシタ２０４の端子ｎ１のそれぞれに接続される。
【００３５】
第２キャパシタ２０４の端子ｎ２は、第８スイッチ２０７の端子ｆ２に接続される。
直流電圧源４０の端子ｍ２は、第２インダクタ２０２の端子ｐ２に接続される。
なお、第２キャパシタ２０４と第８スイッチ２０７は、直列に接続されていれば、位置が入れ替わってもよい。
【００３６】
上記のように、インバータ１０は、２つのスイッチを直列に接続した基本構成（図３で示した第１スイッチ１０１と第２スイッチ１０２、第３スイッチ１０３と第４スイッチ１０４、第５スイッチ１０５と第６スイッチ１０６のそれぞれ）のインバータ回路を備える。第１スイッチ１０１、第２スイッチ１０２、第３スイッチ１０３、第４スイッチ１０４、第５スイッチ１０５、第６スイッチ１０６のそれぞれは、例えば、パワー半導体であるＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどにより実現される。
制御回路３は、第１スイッチ１０１、第２スイッチ１０２、第３スイッチ１０３、第４スイッチ１０４、第５スイッチ１０５、第６スイッチ１０６の各々がパワー半導体の場合、それぞれのゲート電圧を制御することにより、第１スイッチ１０１、第２スイッチ１０２、第３スイッチ１０３、第４スイッチ１０４、第５スイッチ１０５、第６スイッチ１０６の各々の開閉を制御する。
【００３７】
（負荷駆動回路２の動作）
本発明の一実施形態による負荷駆動回路２の動作について説明する。
負荷駆動回路２の動作として、図３で示したインバータ１０、インピーダンスソース２０それぞれの動作について説明する。
【００３８】
（インバータの動作）
まず、図３で示したインバータ１０が備える２つのスイッチを直列に接続した直列回路である基本構成のインバータの動作について説明する。
【００３９】
図４は、本発明の一実施形態によるインバータの動作を説明するための第１の図である。
図４に示すように、２つのスイッチを直列に接続した直列回路である基本構成のインバータにおいて、高電圧側のスイッチをスイッチＱＡとする。基本構成のインバータにおいて、低電圧側のスイッチをスイッチＱＢとする。また、スイッチＱＡの高電圧側のノードをノードＡとする。スイッチＱＢの低電圧側のノードをノードＢとする。スイッチＱＡとスイッチＱＢの間のノードをノードＣとする。
【００４０】
図５は、本発明の一実施形態によるインバータの動作を説明するための第２の図である。  図５に示すように、ノードＢを基準にＥ［ボルト］の電圧がノードＡに印加された状態で、スイッチＱＡをオン状態、スイッチＱＢをオフ状態とする開閉動作を行う。
この場合、ノードＢを基準にＥ［ボルト］の電圧がノードＣから出力される。
【００４１】
図６は、本発明の一実施形態によるインバータの動作を説明するための第３の図である。図６に示すように、ノードＢを基準にＥ［ボルト］の電圧がノードＡに印加された状態で、スイッチＱＡをオフ状態、スイッチＱＢをオン状態とする開閉動作を行う。
この場合、ノードＢを基準に０［ボルト］の電圧がノードＣから出力される。
【００４２】
図７は、本発明の一実施形態によるインバータの動作を説明するための第４の図である。
負荷駆動回路２が昇圧動作を行う場合、図７に示すように、スイッチＱＡとスイッチＱＢとをオン状態にして基本構成のインバータを短絡（ノードＡとノードＢとを短絡）させる開閉動作を行う。
この場合，ノートＢを基準に０［ボルト］の電圧がノードＣから出力される。
【００４３】
負荷駆動回路２では、上述のスイッチＱＡにおけるオン状態またはオフ状態と、スイッチＱＢにおけるオン状態またはオフ状態との組み合わせを制御し、基本構成のインバータの出力電圧の状態の単位時間あたりの比率を変更する。
こうすることにより、基本構成のインバータは、例えば、図８に示すように、ノードＢを基準に０（ゼロ）〜Ｅ［ボルト］の範囲の平均電圧をノードＣから出力することができる。
図８は、本発明の一実施形態によるインバータの動作を説明するための第５の図である。
【００４４】
図９は、本発明の一実施形態によるインバータの動作を説明するための第６の図である。
上述の動作を行う基本構成のインバータを図９に示すように複数接続したインバータにおいて、各基本構成のインバータが出力する出力電圧の位相をずらすと、各出力電圧の平均値が変化する。
図１０は、本発明の一実施形態によるインバータの動作を説明するための第７の図である。
図１０の（ａ）の部分と（ｂ）の部分とに示すように、各基本構成のインバータにおける出力端子間の電圧の正負が変化する。
【００４５】
こうすることにより、図４で示した基本構成のインバータを複数接続することで構成したインバータは、一般的にＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御と呼ばれる制御によって動作し（以下、「ＰＷＭ動作」と記載）、任意の相数を持つ交流電圧を生成することができる。
具体的には、基本構成のインバータを３個並列に接続して構成した図２で示したインバータ１０は、３相の交流電圧を生成することができる。
【００４６】
（インピーダンスソース２０の動作）
インピーダンスソース２０は、後述するように、インバータ１０のインバータいずれかあるいは組み合わせまたは全てにおける直列に接続された２個のスイッチの両方をオン状態（例えば図７に示すように直列に接続された２個のスイッチを短絡状態）にして、インピーダンスソース２０の出力を短絡することで昇圧動作を行う（第１モード）。この第１モードを説明する前に、まず、上記昇圧動作を付加しないＰＷＭ動作を行う場合（第０モード）のインピーダンスソース２０の動作について説明する。
【００４７】
インバータ１０の短絡による昇圧動作を付加しないＰＷＭ動作を行う第０モードの場合、図１１に示すように、第７スイッチ２０６はオフ状態である。また、インバータ１０の短絡による昇圧動作を付加しないＰＷＭ動作を行う場合、第８スイッチ２０７はオン状態である。
図１１は、本発明の一実施形態によるインピーダンスソースの動作を説明するための第１の図である。
【００４８】
第７スイッチ２０６がオフ状態になり第８スイッチ２０７がオン状態になると、インピーダンスソース２０がインバータ１０に印加する電圧ｖｄｃは、直流電圧源４０が出力する直流電圧Ｖｉｎに等しくなる。その後、第２インダクタ２０２には、端子ｐ２から端子ｐ１に向かう電流ｉＬ２が流れる。ダイオード２０５には、端子ｏ２から端子ｏ１に向かう電流ｉｄが流れる。第１インダクタ２０１には、端子ｇ２から端子ｇ１に向かう電流ｉＬ１が流れる。そして、インバータ１０で消費される電力を供給するために必要な直流電流ｉｄｃがインピーダンスソース２０からインバータ１０に流れる。
なお、ダイオード２０５に電流ｉｄが流れたときにダイオード２０５の順方向電圧はＶＦとなる。
【００４９】
図１２は、本発明の一実施形態によるインピーダンスソースの動作を説明するための第２の図である。
インバータ１０の短絡による昇圧動作を付加しないＰＷＭ動作を行う第０モードの場合、ダイオード２０５に電流ｉｄが流れた後のインピーダンスソース２０における電圧ｖｄｃは、図１２の（ａ）の部分に示すように、直流電圧源４０の電圧Ｖｉｎからダイオード２０５に生じる順方向電圧ＶＦを減じた電圧となる。
【００５０】
また、インバータ１０の短絡による昇圧動作を付加しないＰＷＭ動作を行う場合、第１キャパシタ２０３に蓄えられた電荷により生じる電圧ｖｃ１は、図１２の（ｂ）の部分に示すように、電圧Ｖｉｎから順方向電圧ＶＦを減じた電圧となる。
また、第２キャパシタ２０４に蓄えられた電荷により生じる電圧ｖｃ２は、図１２の（ｂ）の部分に示すように、順方向電圧ＶＦに等しい電圧となる。
【００５１】
また、インバータ１０の短絡による昇圧動作を付加しないＰＷＭ動作を行う場合、図１２の（ｃ）の部分に示すように、第１インダクタ２０１に流れる電流ｉＬ１、第２インダクタ２０２に流れる電流ｉＬ２、ダイオード２０５に流れる電流ｉｄのそれぞれは、インバータ１０に接続された負荷３０で消費される電力を供給するために必要な直流電流ｉｄｃにほぼ等しい電流である。なお、第１インダクタ２０１及び第２インダクタ２０２は、同一であると仮定している。また、第１キャパシタ２０３と第２キャパシタ２０４は、同一であると仮定している。また、直流電圧源４０が発生させる電圧は、ダイオード２０５の順方向電圧ＶＦに対して充分に大きいと仮定している。
【００５２】
次に、インバータ１０の短絡による昇圧動作を付加したＰＷＭ動作を行う上記第１モードの場合のインピーダンスソース２０の動作について説明する。
【００５３】
インバータ１０の短絡による昇圧動作を付加したＰＷＭ動作を行う第１モードの場合、まず、インバータ１０において、インバータ１０のインバータいずれかあるいは組み合わせまたは全てにおける直列に接続された２個のスイッチの両方がオン状態となり、インバータ１０は短絡状態となる。
そのため、インピーダンスソース２０の出力は、図１３に示すように、短絡した状態となる（電圧ｖｄｃ＝０）。
図１３は、本発明の一実施形態によるインピーダンスソースの動作を説明するための第３の図である。
【００５４】
インピーダンスソース２０の出力が短絡されると、直流電圧源４０、第２インダクタ２０２、第８スイッチ２０７、インバータ１０（短絡状態）、そして直流電圧源４０に戻るループＬＰ１において、第２キャパシタ２０４に蓄積されていた電荷の放電によって第２インダクタ２０２の電流が増大する。これにより、短絡状態から定常状態（インバータ動作）に変化した際に、第２インダクタ２０２に発生する逆起電力を増加させることになる。この短絡状態としている期間が昇圧期間であり、この短絡状態となっている期間（時間）の長さと、短絡状態においてインダクタに流れる電流値との各々に対応して、インダクタに発生する逆起電力の電圧値が決まる。
具体的には、制御周期における昇圧期間において、第２キャパシタ２０４に電荷が蓄積される。そして、定常状態では、第２キャパシタ２０４に蓄積された電荷により生じる電圧がほぼ一定の電圧ｖｃ２となる。この定常状態において、第２インダクタ２０２に印加される電圧は、Ｖｉｎ−ｖｃ２となり、第２インダクタ２０２の電流ｉＬ２は、第２インダクタ２０２のインダクタンスをＬ２０２とすると、以下の式（１）に従って増大する。
【００５５】
【数１】
2018043480.tif 000003
【００５６】
また、インピーダンスソース２０の出力がインバータ１０の短絡制御により短絡状態とされると、第１キャパシタ２０３、第１インダクタ２０１、インバータ１０、そして第１キャパシタ２０３に戻るループＬＰ２において、第１キャパシタ２０３に蓄積されていた電荷の放電によって第１インダクタ２０１の電流が増大する。
一方、インバータ１０が短絡状態から定常状態に移行したタイミングにおいて第１キャパシタ２０３に電荷が蓄積される。そして、定常状態では、第１キャパシタ２０３に蓄積された電荷により生じる電圧がほぼ一定の電圧ｖｃ１となる。この定常状態において、第１インダクタ２０１に印加される電圧は、ｖｃ１となり、第１インダクタ２０１の電流ｉＬ１は、第１インダクタ２０１のインダクタンスをＬ２０１とすると、以下の式（２）に従って増大する。
【００５７】
【数２】
2018043480.tif 000004
【００５８】
なお、第１インダクタ２０１及び第２インダクタ２０２を同一のインダクタンス値であると仮定し、第１キャパシタ２０３と第２キャパシタ２０４を同一の容量値であると仮定し、直流電圧源４０が発生させる電圧がダイオード２０５の順方向電圧ＶＦに対して充分に大きいと仮定した場合、第１インダクタ２０１と第２インダクタ２０２には、ほぼ同一の電圧が同一の時間だけ印加されることになる。その結果、第１インダクタ２０１を流れる電流ｉＬ１と第２インダクタ２０２を流れる電流ｉＬ２は同一の大きさの電流となる。
【００５９】
インバータ１０の短絡による昇圧動作を付加したＰＷＭ動作を行う第１モードの場合、次に、インバータ１０は、短絡状態から負荷３０に電圧を印加するインバータ動作状態（インピーダンスソース２０における印加期間の状態）に移行する。
インバータ１０がインバータ動作状態に移行すると、インピーダンスソース２０がインバータ１０に印加する電圧ｖｄｃは、「電圧Ｖｉｎから順方向電圧ＶＦを減じた電圧」にインバータ１０が短絡状態のときに増大した同一の大きさの電流によって第１インダクタ２０１と第２インダクタ２０２のそれぞれに発生した逆起電力ｖＬが加わり、図１４に示すように、Ｖｉｎ−ＶＦ＋２ｖＬの電圧となる。
図１４は、本発明の一実施形態によるインピーダンスソースの動作を説明するための第４の図である。
【００６０】
インピーダンスソース２０がインバータ１０に印加する電圧ｖｄｃがＶｉｎ−ＶＦ＋２ｖＬの電圧になると、直流電圧源４０、第２インダクタ２０２、ダイオード２０５、第１インダクタ２０１、インバータ１０（インバータ動作状態）、（負荷３０）、そして直流電圧源４０に戻るループＬＰ３に電流が流れる。また、インピーダンスソース２０がインバータ１０に印加する電圧ｖｄｃがＶｉｎ−ＶＦ＋２ｖＬの電圧になると、直流電圧源４０、第２インダクタ２０２、ダイオード２０５、第１キャパシタ２０３、そして直流電圧源４０に戻るループＬＰ４に電流が流れる。また、インピーダンスソース２０がインバータ１０に印加する電圧ｖｄｃがＶｉｎ−ＶＦ＋２ｖＬの電圧になると、さらに、ダイオード２０５、第１インダクタ２０１、第２キャパシタ２０４、そしてダイオード２０５に戻るループＬＰ５に電流が流れる。
なお、第１インダクタ２０１と第２インダクタ２０２により昇圧される電圧は、単位時間当たりのインバータ１０が短絡状態である時間とインバータ１０が負荷３０に電圧を印加するインバータ動作状態の時間との比率によって決定される。
【００６１】
図１５は、本発明の一実施形態によるインピーダンスソースの動作を説明するための第５の図である。
インバータ１０の短絡による昇圧動作を付加したＰＷＭ動作を行う第１モードの場合、インピーダンスソース２０における電圧ｖｄｃは、図１５の（ａ）の部分に示すように、「電圧Ｖｉｎから順方向電圧ＶＦを減じた電圧」に第１インダクタ２０１と第２インダクタ２０２のそれぞれに発生した逆起電力ｖＬを加えた電圧Ｖｉｎ−ＶＦ＋２ｖＬとなる。
【００６２】
また、インバータ１０の短絡による昇圧動作を付加したＰＷＭ動作を行う場合、第１キャパシタ２０３に蓄えられた電荷により生じる電圧ｖｃ１は、図１５の（ｂ）の部分に示すように、電圧ｖｄｃの平均電圧であるｖｄｃ＿ａｖｅとなる。
また、第２キャパシタ２０４に蓄えられた電荷により生じる電圧ｖｃ２は、図１５の（ｂ）の部分に示すように、平均電圧ｖｄｃ＿ａｖｅから電圧Ｖｉｎを減じた電圧となる。
【００６３】
また、インバータ１０の短絡による昇圧動作を付加したＰＷＭ動作を行う場合、図１５の（ｃ）の部分に示すように、第１インダクタ２０１に流れる電流ｉＬ１と第２インダクタ２０２に流れる電流ｉＬ２は、同一の大きさの電流である。インバータ１０が短絡状態の場合には、電流ＩＬ１と電流ｉＬ２とを加えた電流が直流電流ｉｄｃとなる。また、インバータ１０がインバータ動作状態の場合には、電流ｉＬ１から第１キャパシタ２０３に流れる電流ｉｃ１を減じた電流が直流電流ｉｄｃとなる。
図１５において示されるように、第１モードの場合には、短絡する期間（昇圧期間）と、インバータ動作の期間（印加期間）とで、負荷３０を制御する周期である制御周期を構成している。このため、負荷３０の回転数が上昇するに従って制御周期が出力周期（出力波形）に近づくため、昇圧動作とＰＷＭ動作との各々を制御周期内において両立させることが困難となり、インピーダンスソース２０の出力電圧を回転負荷に発生する逆起電力に対応した所望の電圧に昇圧出来なくなくなる。
【００６４】
次に、制御周期においてインピーダンスソース２０が昇圧動作を行い、この昇圧動作と独立して並行にインバータ１０が単パルスで制御を行う１パルス制御（「矩形波制御」とも呼ばれる）動作を行う第２モードの場合の動作について説明する。
【００６５】
制御周期においてインピーダンスソース２０が昇圧動作を行い、並行に１パルス制御動作を行う第２モードの場合、第８スイッチ２０７はオフ状態である。そして、第７スイッチ２０６がスイッチングする。
【００６６】
図１６は、本発明の一実施形態によるインピーダンスソースの動作を説明するための第６の図である。
第８スイッチ２０７がオフ状態で、まず、第７スイッチ２０６がオン状態になると、図１６に示すように、直流電圧源４０、第２インダクタ２０２、第７スイッチ２０６、そして、直流電圧源４０に戻るループＬＰ６に電流が流れる。
このとき、第１キャパシタ２０３に蓄積されていた電荷が放電され、第１キャパシタ２０３、第１インダクタ２０１、インバータ１０（インバータ動作状態）、（負荷３０）、そして、第１キャパシタ２０３に戻るループＬＰ７に電流が流れる。
インピーダンスソース２０がインバータ１０に印加する電圧ｖｄｃは、ほぼ電圧ｖｃ１に等しい電圧で維持される。
【００６７】
図１７は、本発明の一実施形態によるインピーダンスソースの動作を説明するための第７の図である。
次に、第７スイッチ２０６がオフ状態になると、図１７に示すように、直流電圧源４０、第２インダクタ２０２、ダイオード２０５、第１インダクタ２０１、インバータ１０（インバータ動作状態）、（負荷３０）、そして、直流電圧源４０に戻るループＬＰ８に電流が流れる。また、第７スイッチ２０６がオフ状態になると、図１７に示すように、直流電圧源４０、第２インダクタ２０２、ダイオード２０５、第１キャパシタ２０３、そして、直流電圧源４０に戻るループＬＰ９に電流が流れる。
【００６８】
このとき、第２インダクタ２０２に流れる電流が減少するため、第２インダクタ２０２に逆起電力ｖＬが生じる。逆起電力ｖＬは、ダイオード２０５を介して第１キャパシタ２０３に印加される。
このことにより、インピーダンスソース２０は、インバータ１０の動作状態に関係なく昇圧された電圧ｖｄｃをインバータ１０に印加することができる。
なお、インピーダンスソース２０がインバータ１０に印加する電圧ｖｄｃは、単位時間において第７スイッチ２０６がオン状態となる時間の比率によって決定される。
【００６９】
図１８は、本発明の一実施形態によるインピーダンスソースの動作を説明するための第８の図である。
インピーダンスソース２０が昇圧動作を行いかつインバータ１０が１パルス制御動作を行う第２モードの場合、インピーダンスソース２０における電圧ｖｄｃは、図１８の（ａ）の部分に示すように、「電圧Ｖｉｎから順方向電圧ＶＦを減じた電圧」に第２インダクタ２０２に発生した逆起電力ｖＬを加えた電圧Ｖｉｎ−ＶＦ＋ｖＬとなる。
【００７０】
また、インピーダンスソース２０が昇圧動作を行いかつインバータ１０が１パルス制御動作を行う第２モードの場合、第１キャパシタ２０３に蓄えられた電荷により生じる電圧ｖｃ１は、図１８の（ｂ）の部分に示すように、電圧ｖｄｃとなる。
【００７１】
また、インピーダンスソース２０が昇圧動作を行いかつインバータ１０が１パルス制御動作を行う場合、図１８の（ｃ）の部分に示すように、第１インダクタ２０１に流れる電流ｉＬ１は、直流電流ｉｄｃとなる。また、第２インダクタ２０２に流れる電流ｉＬ２は、第７スイッチ２０６がオン状態の場合、増大する。また、第２インダクタ２０２に流れる電流ｉＬ２は、第７スイッチ２０６がオフ状態の場合、減少する。
【００７２】
図１９は、本発明の一実施形態における１パルス制御を説明するための図である。図１９（Ａ）は、ＰＷＭ制御による電圧波形であり、複数の変調されたパルス幅により基本波が形成されていることを示している。図１９（Ｂ）は、本発明の一実施形態による１パルス制御における単パルスの電圧波形であり、単パルスのパルス幅及び振幅により基本波形が形成されていることを示している。
負荷３０がモータなどの回転負荷である場合、１パルス制御を行い矩形波でモータを駆動したときに得られる基本波の電圧振幅は、図１９（Ｂ）に示すように、インバータ１０に印加される電圧の最大４／π（約１．２７）倍となる。これにより、インバータ１０及びモータの導通損失を低減することができる。また、図１９（Ｂ）に示すように、インバータ１０における各スイッチのスイッチング回数は、ＰＷＭ波形でモータを駆動したときに比べて著しく少なくできる。これにより、インバータでのスイッチング損失を低減することができる。そのため、１パルス制御を行う負荷駆動回路２は、モータを高速回転させる場合に必要な高周波数で大振幅の電圧を発生させるのに適している。
また、第７スイッチ２０６が開閉動作と、インバータ動作の制御とは独立して行われる。第１モードにおいては、図１５に示されるように、制御周期が短絡された期間（昇圧期間）とインバータ動作の期間（印加期間）とで時分割の制御が行われている。しかしながら、第２モードにおいては、所定の周期で第７スイッチ２０６が開閉制御され、第２インダクタ２０６に発生する逆起電力により、直流電圧源４０の直流電圧が昇圧され、昇圧により生成された電圧（第２直流電圧）がインバータ１０に対して供給される。すなわち、第２モードにおいては、直流電圧源４０の直流電圧を昇圧する動作と、昇圧により生成された電圧をインバータ１０へ印加する動作との各々が独立して並行に（同時に）行われる。これにより、負荷３０の回転数が増加して制御周期が短くなっても、負荷３０の逆起電力に対応した所望の電圧を生成する昇圧の動作と、インバータ制御の動作とを所定の制御周期内において行うことができる。また、第２モードにおいては、負荷３０の回転数により制御周期が短くなることから、図１９（ａ）に示すＰＷＭ制御ではなく、図１９（ｂ）に示すように、制御周期において単パルスを負荷３０に印加させる１パルス制御が行われる。
【００７３】
（モータの回転数に応じた負荷駆動回路の動作）
ここでは、負荷３０がモータである場合を例に、図２で示したモータの回転数が１〜３のそれぞれの領域における負荷駆動回路２の動作を説明する。
負荷駆動回路２は、上述の動作を行うインバータ１０と、インピーダンスソース２０と、を備える。
なお、モータの回転数とモータに印加する印加電圧とは相関関係がある。そのため、図２で示した領域１から領域３の各々は、領域の境界を示すモータの回転数のそれぞれに対応する印加電圧に置き換えることにより、図２０に示すように、横軸が印加電圧で縦軸がトルクのグラフに置き換えることができる。
図２０は、本発明の一実施形態におけるモータの印加電圧とトルクの関係の例を示す図である。図２０のグラフにおいては、横軸がインピーダンスソース２０が出力する印加電圧を示し、縦軸が印加電圧で駆動した際のトルクを示している。図２０においては、図２の領域１と領域２との境界の回転数を第１の判定電圧に置き換え、図２の領域２と領域３との境界の回転数を第２の判定電圧に置き換えた場合を示しており、第１の判定電圧及び第２の判定電圧の各々を用いることにより、領域１、領域２、領域３それぞれを区別することができる。すなわち、モータの回転数は、回転負荷に発生する逆起電力（逆起電力）に比例することを利用して、逆起電力をモニターするための指標値の一つとして用いている。しかしながら、逆起電力を示す指標値として回転数を用いずに、図２０における回転負荷に発生する逆起電力に対応して回転負荷に印加する電圧である印加電圧を用いることができる。また、回転負荷に印加する電圧のみでなく、回転負荷に流れる電流値を逆起電力を示す指標値として用いても良い。回転負荷に印加する印加電圧や回転負荷に流れる電流値（負荷電流）を逆起電力を示す指標値として用いる場合、指令値である回転負荷の回転数及びトルクを実現する負荷電流とするという条件からインピーダンスソース２０の出力電圧を決定する。そして、このインピーダンスソースの出力電圧の範囲が、どの判定電圧（領域１、領域２、領域３のいずれか）に対応するかにより、インピーダンスソース２０のモードを切り替えるかを予め設定しておく。
【００７４】
まず、図２で示した領域１について負荷駆動回路２の動作を説明する。
図２で示した領域１は、モータを駆動するために必要な印加電圧が低い領域である。
図２１は、本発明の一実施形態によるモータの回転数に応じた負荷駆動回路の動作を説明するための第１の図である。
図２１においては、モータを駆動するために必要な印加電圧が低い領域であるため、負荷駆動回路２のインピーダンスソース２０がモード１で動作し、直流電圧源４０の直流電圧の昇圧動作を行わない。インバータ１０は、第１モードで動作するインピーダンスソース２０から供給される電圧に基づき、ＰＷＭ動作により負荷２０（例えば、モータ）を正弦波（図１９（ａ）に示すＰＷＭ波形による基本波）で駆動させる。このとき、インピーダンスソース２０は、第７スイッチ２０６をオフ状態とし、第８スイッチ２０７をオン状態として、直流電圧源４０が出力する電圧からダイオード２０５の順方向電圧ＶＦを減じた電圧をインバータ１０に印加する。
【００７５】
次に、図２で示した２の領域について負荷駆動回路２の動作を説明する。
図２２は、本発明の一実施形態によるモータの回転数に応じた負荷駆動回路の動作を説明するための第２の図である。また、図２３は、本発明の一実施形態によるモータの回転数に応じた負荷駆動回路の動作を説明するための第３の図である。
図２で示した２の領域は、回転数に応じてモータに発生する逆起電力の電圧値が高くなり、モータを駆動するために必要な印加電圧を、インバータ１０による直流電圧源４０の直流電圧に基づくＰＷＭ動作のみでは生成できない領域である。そのため、制御回路３は、図１５に示す第２モードの動作により、インバータ１０のインバータにおける直列に接続された２個のスイッチ（例えば、スイッチＱ１（第１スイッチ１０１）及びスイッチＱ２（第２スイッチ１０２））をオン状態としてインピーダンスソース２０の出力を短絡状態（図２２）とすることにより、インピーダンスソース２０に昇圧動作を行わせ、直流電圧源４０の直流電圧を、モータを駆動するために必要な印加電圧の電圧値に昇圧させる。ここで、制御回路３は、インバータ１０におけるインバータのいずれかあるいは全てにおいて、直列に接続されている２個のスイッチをＯＮ状態とし、インダクタに流れる電流を増加させる（図２２）。そして、制御回路３がインバータ１０に対してインバータ動作をさせることにより、インピーダンスソース２０の出力電圧Ｖｄｃは昇圧される（図２３）。これにより、制御回路３は、昇圧した電圧に基づくＰＷＭ制御によりモータを正弦波で駆動する（図２３）。このとき、インピーダンスソース２０は、直流電圧源４０が出力する電圧からダイオード２０５の順方向電圧ＶＦを減じた電圧に、インダクタＬ１（第１インダクタ２０１）、インダクタＬ２（第２インダクタ２０２）の各々で発生する逆起電力ＶＬの２倍の電圧が加算された（重畳された）電圧をインバータ１０に印加する。
【００７６】
次に、図２で示した３の領域について負荷駆動回路２の動作を説明する。
図２４は、本発明の一実施形態によるモータの回転数に応じた負荷駆動回路の動作を説明するための第４の図である。また、図２５は、本発明の一実施形態によるモータの回転数に応じた負荷駆動回路の動作を説明するための第５の図である。図２４及び図２５の各々において、スイッチＱ１は第１スイッチ１０１（図３）に対応し、スイッチＱ２は第２スイッチ１０２に対応し、スイッチＱ３は第３スイッチ１０３に対応し、スイッチＱ４は第４スイッチ１０４に対応し、スイッチＱ５は第５スイッチ１０５に対応し、スイッチＱ６は第６スイッチ１０６に対応している。また、インダクタＬ１は第１インダクタ２０１（図３）に対応し、インダクタＬ２は第２インダクタ２０２に対応し、キャパシタＣ１は第１キャパシタ２０３に対応し、キャパシタＣ２は第２キャパシタ２０４に対応し、ダイオードＤはダイオード２０５に対応し、スイッチＱＬは第７スイッチ２０６に対応し、スイッチＱＣは第８スイッチ２０７に対応している。直流出力電圧Ｖｉｎを出力する直流電圧源は直流電圧源４０に対応している。
【００７７】
図２４及び図２５の各々は、スイッチＱＬの開閉制御を示す図であり、第６スイッチ２０６を開閉動作させ、第２モードにおける直流電圧源４０の直流電圧の昇圧動作を説明する図である。図２４がスイッチＱＬの閉状態（ＯＮ状態）を示し、図２５がスイッチＱＬの開状態（ＯＦＦ状態）を示している。
図２４においては、制御回路３は、スイッチＱＬをＯＮ状態とすることにより、インダクタＬ２に流れる電流を増加させ、インダクタＬ２に対して出力電圧Ｖｄｃを昇圧させるための電気エネルギを蓄積させる。この時点において、インバータ１０は、コンデンサＣ１に蓄積された電力（昇圧されたＶｄｃ）を用いて、負荷３０に対する１パルス（単パルスの矩形波）による駆動制御を行う。図２５においては、制御回路３は、スイッチＱＬをＯＦＦ状態とすることにより、インダクタＬ２に蓄積された電気エネルギにより、直流電圧源４０の直流電圧Ｖｉｎの昇圧を行い、出力電圧Ｖｄｃが上昇させる。このにより、コンデンサＣ１に対して、インダクタＬ２に発生した電圧ＶＬと直流電圧Ｖｉｎとが加算された電圧となる電力が蓄積される。この時点において、インバータ１０は、図２４の時点と同様に、コンデンサＣ１に蓄積された電力（昇圧されたＶｄｃ）を用いて、負荷３０に対する１パルス（単パルスの矩形波）による駆動制御を行う。
図２で示した３の領域は、負荷３０に発生する逆起電力を示す指標値としての回転数が増加し、モータに発生する逆起電力の電圧値が高くなり、かつ制御周期と出力周期（出力波形）との差が小さくなり、モータを駆動するために必要な印加電圧をインバータ１０の短絡による昇圧動作を付加したＰＷＭ動作では生成できない領域である。このとき、インピーダンスソース２０は、第２モードの動作により、直流電圧源４０が出力する直流電圧を昇圧した電圧からダイオード２０５の順方向電圧ＶＦを減じた電圧をインバータ１０に印加する。このインピーダンスソース２０における昇圧動作は、すでに述べたように、インバータ１０によるモータの駆動の制御周期とは独立に並行して行われる。すなわち、制御回路３は、スイッチＱＬを必要な電圧値に昇圧する所定の周期で開閉させてインピーダンスソース２０の出力する電圧を昇圧させつつ、図１９（ｂ）に示すように、インバータ１０が単パルス（１パルスの矩形波）の基本波によりモータの駆動制御を行う。制御回路３は、インバータ１０を１パルス制御させて、モータを矩形波で駆動する。このとき、制御回路３は、インバータ１０に対する１パルス制御の制御周期と独立させて、１パルス制御と並行に、スイッチＱＬの開閉動作を所定の周期で継続させて、コンデンサＣ１に対して昇圧した電圧の電力を蓄積し続け、このコンデンサＣ１に蓄積された電力を、負荷３０を駆動する電力としてインバータ１０に対して供給する。
【００７８】
（シミュレーションによる動作確認）
図３で示した本発明の一実施形態による負荷駆動回路２について、インピーダンスソース２０が昇圧し、インバータ１０が単パルスを基本波とした１パルス制御により負荷３０であるモータを駆動した場合のシミュレーションを行った。
シミュレーションの条件は、第１インダクタ２０１と第２インダクタ２０２のインダクタンスを１ｍＨとし、第１キャパシタ２０３と第２キャパシタ２０４のキャパシタンスを１００ｕＦである。図２６は、本発明の一実施形態におけるシミュレーション結果を示す図である。図２６に示すように、インピーダンスソース２０が直流電圧源４０の直流電圧を昇圧し、インバータ１０が図１９（ｂ）に示す１パルス制御により負荷３０を駆動する場合の電圧ｖｄｃと電流ｉｄｃとをシミュレーションにより確認することができた。図２６から、電圧ｖｄｃは、入力電圧Ｖｉｎ（直流電圧原４０の直流電圧、２３Ｖ）がインピーダンスソース２０により昇圧され、入力電圧Ｖｉｎのおよそ２倍の矩形波電圧（４００Ｖ）となっていることがわかる。インピーダンスソース２０が昇圧することによりインバータ１０に印加される電圧が上昇し、インバータ１０が負荷３０に対して供給する単パルスの振幅が大きくなり、インバータ１０及びモータの導通損失を低減することができる。これにより、モータに印可される単パルスの振幅が第１モードに比較して大きく、モータに逆起電力が発生しても、この逆起電力を超え、所定のトルクを発生するモータを駆動させる電圧を印加することができる。また、インバータ１０が１パルス制御により負荷３０を駆動することにより、インバータ１０における各スイッチ（第１スイッチ１０６から第６スイッチ１０６の各々）のスイッチング回数がＰＷＭ波形でモータを駆動したときに比べて著しく少なくすることができ、インバータ１０でのスイッチング損失を低減することができる。
なお、図２６において、電圧Ｖａｂは、図２４及び図２６の各々における端子ａと端子ｂとの間の電圧である。出力線間電圧Ｖｂｃは、端子ｂと端子ｃとの間の電圧である。また、出力電流ｉａは、端子ａを流れる電流である。出力電流ｉｂは、端子ｂを流れる電流である。出力電流ｉｃは、端子ｃを流れる電流である。また、ＤＣリンク電流ｉｄｃは、インピーダンスソース２０の出力とインバータ１０の直流側との間に流れる電流（図２０（Ｃ）におけるＤＣリンク電流）である。また、入力電流Ｉｉｎは、直流電圧原４０が出力する電流の電流値を示している。
すなわち、図２６（Ａ）は、制御回路３の制御による電圧Ｖａｂ及びＶｂｃの各々の時間変化を示す波形図であり、縦軸が電圧を示し、横軸が時間を示している。図２６（Ｂ）は、制御回路３の制御による電流Ｉａ、Ｉｂ及びＩｃの各々の変化を示す波形図であり、縦軸が電流を示し、横軸が時間を示している。図２６（Ｃ）は、制御回路３の制御による電流Ｉｄｃ及びＩｉｎの各々の変化を示す波形図であり、縦軸が電流を示し、横軸が時間を示している。図２６（Ｄ）は、制御回路３の制御による電圧Ｖｄｃ及びＶｉｎの各々の時間変化を示す波形図であり、縦軸が電圧を示し、横軸が時間を示している。
【００７９】
図２７は、図２６（Ａ）における出力線間電圧Ｖａｂ及び出力線間電圧Ｖｂｃの各々を分離して記載した図である。
図２７（Ａ）は、図２６（Ａ）における出力線間電圧Ｖａｂの電圧波形を示しており、縦軸が電圧値（Voltage、例えばＶ（ボルト））を示し、横軸が時間（例えば、ｍｓ（ミリ秒））を示している。この図２７（Ａ）の電圧波形により、直流電圧源４０が出力する出力電圧Ｖｉｎの１００Ｖが昇圧されて、出力線間電圧Ｖａｂが２００Ｖ程度となっていることが判る。同様に、図２７（Ｂ）は、図２６（Ａ）における出力線間電圧Ｖｂｃの電圧波形を示しており、縦軸が電圧値（Voltage）を示し、横軸が時間を示している。この図２７（Ｂ）の電圧波形により、直流電圧源４０が出力する出力電圧Ｖｉｎの１００Ｖが昇圧されて、出力線間電圧Ｖｂｃが２００Ｖ程度となっていることが判る。
【００８０】
図２８は、図２６（Ｂ）における出力電流ｉａ、出力電流ｉｂ及び出力電流ｉｃの各々を分離して記載した図である。
図２８（Ａ）は、図２６（Ｂ）における出力電流ｉａの電流波形を示しており、縦軸が電流値（Current、例えば、Ａ（アンペア））を示し、横軸が時間（例えば、ｍｓ（ミリ秒））を示している。同様に、図２８（Ｂ）は、図２６（Ｂ）における出力電流ｉｂの電流波形を示しており、縦軸が電流値（Current）を示し、横軸が時間を示している。図２８（Ｃ）は、図２６（Ｂ）における出力電流ｉｃの電流波形を示しており、縦軸が電流値（Current）を示し、横軸が時間を示している。
【００８１】
図２９は、本発明の一実施形態のインピーダンスソース２０における第０モード、第１モード及び第２モードの各々における電圧値と回転数との関係を説明する図である。図２９においては、縦軸がインピーダンスソース２０がインバータ１０に供給する出力電圧の電圧値を示し、横軸がインバータ２０が駆動する回転負荷の回転数を示している。ここで、縦軸がインピーダンス２０の出力電圧としたが、回転負荷に印加される印加電圧でもかまわない。
第０モードにおける回転数においては、回転負荷であるモータの逆起電力が低いため、直流電圧源４０の電圧を昇圧しなくとも、所定のトルクを発生させる電圧が印加できるため、昇圧動作を付加しないＰＷＭ動作により回転負荷の回転制御を行っている。第０モードの場合、インピーダンスソース２０がインバータ１０に対して印加する最大電圧は、直流電圧源４０の直流電圧Ｖｉｎである。
また、事前にモータの回転数とこの回転数に応じてモータに発生する逆起電力との関係は、シミュレーションや実験等で判っている。
【００８２】
しかしながら、例えば、モータの回転数がＲ１（第１閾値）以上となった場合、モータに発生する逆起電力により、所定のトルクを発生させるためには、インピーダンスソース２０の動作モードを第１モードに移行させ、直流電圧源４０の直流電圧を昇圧し、昇圧した電圧によりＰＷＭ動作を行う。すなわち、モータの制御周期を、インバータ１０における直列回路の短絡を用いて直流電圧源４０の直流電圧を昇圧する昇圧期間と、この昇圧した直流電圧をインバータ１０に対して印加する印加期間とに時分割し、所定のトルクを発生させるようにモータを駆動する。第１モードの場合、インピーダンスソース２０がインバータ１０に対して印加する最大電圧は、直流電圧源４０の直流電圧Ｖｉｎを昇圧した出力電圧Ｖ１である。負荷３０の回転数が回転数Ｒ１（第１閾値）未満の範囲が図２における１の領域（インピーダンスソース２０が第０モードで動作する領域）であり、負荷３０の回転数が回転数Ｒ１以上であり回転数Ｒ２（第２閾値）未満の範囲が図２における２の領域（インピーダンスソース２０が第１モードで動作する領域）である。
【００８３】
また、さらに、モータの回転数が上昇し、回転数Ｒ２（第２閾値）以上となった場合、モータに発生する逆起電力に対応して、所定のトルクを発生させるためには、第１モードでの制御周期を昇圧期間と印加期間との各々に時分割して行う昇圧では、制御周期が短くなり、直流電圧源４０の直流電圧を所定のトルクを発生させる電圧まで、すなわち出力電圧Ｖ１を超えて昇圧することができなくなる。このため、インピーダンスソース２０の動作モードを第２モードに移行させ、直流電圧源４０の直流電圧を昇圧する動作と、昇圧した電圧をインバータ１０に印加する動作との各々を、それぞれ独立させて並行に行う。これにより、直流電圧源４０の直流電圧を昇圧する動作が、モータの制御周期に対して独立した所定の周期により行えるため、所定のトルクを得るための電圧まで十分に昇圧を行うことができる。また、制御周期が短くなるため、ＰＷＭ動作でなく、１パルス動作によりモータを駆動するため、制御周期が短くとも所定の電力をモータに印加することができる。負荷３０の回転数が回転数Ｒ１（第１閾値）以上であり回転数Ｒ２（第２閾値）未満の範囲が図２における２の領域（インピーダンスソース２０が第１モードで動作する領域）であり、負荷３０の回転数が回転数Ｒ２以上の範囲が図２における３の領域（インピーダンスソース２０が第２モードで動作する領域）である。
【００８４】
本実施形態においては、モータなどの回転負荷（負荷３０）の開放電圧が回転数に比例する関係を用い、制御を行う前に、開放電圧と回転数との対応表を作成しておく。そして、電圧センサによりモータに発生する逆起電力を直接的に測定せず、エンコーダなどによりモータの回転数を測定することにより、回転数から上記対応表によりモータに発生する逆起電力を推定し、この推定された逆起電力に対応するモータの駆動に必要な電圧を、すでに説明したモード０からモード２の各々の制御により、インピーダンスソース２０において昇圧して生成する。
一般的に、モータなどの回転負荷が電流制御により駆動されるため、制御回路３は、インピーダンスソース２０の出力側に設けられた電流センサやインバータ１０の回路内のシャント抵抗からモータを駆動する駆動電流の電流値を検出して取得する。そして、制御回路３は、取得したモータに対する駆動電流が、所望の回転数やトルクを得るための制御値である指令値電流に近づくように、インピーダンスソース２０の出力電圧を制御する。
【００８５】
以上、本発明の一実施形態による負荷駆動回路２を備える負荷駆動システム１について説明した。
負荷駆動システム１において、負荷駆動回路２は、直流電圧源４０と負荷３０との間に設けられる。負荷駆動回路２は、インピーダンスソース２０と、インバータ１０と、を備える。インピーダンスソース２０は、負荷駆動回路２が負荷３０の許容電圧によって決定される負荷３０に印加する許容電圧範囲のうち、第１の判定電圧以上の電圧を負荷３０に印加する場合（第２モードの場合）に、直流電圧源４０から供給された直流電圧を、第２インダクタ２０２及び第７スイッチ２０６の各々を用いることで昇圧して第１の直流電圧を生成し、かつ、この第１の直流電圧をインバータ１０に対して供給し、インバータ１０の１パルス制御を補助する。インバータ１０は、１パルス制御に基づいて、第１の直流電圧を、負荷３０を駆動する交流電圧に変換する。
このようにすれば、負荷駆動回路２は、小型のモータであっても高速回転させることで高い出力を得ることができる。その結果、負荷駆動回路２は、モータを用いる車両において、昇圧動作を行いかつ矩形波電圧を発生させることができ、さらに、エネルギ効率をよくすることができる。
すなわち、モータの回転数が上昇して、制御周期がモータを駆動する出力波形に近づき、かつ発生する逆起電力が増加することにより、制御周期における昇圧期間及び昇圧して生成した電圧の印加期間の各々を時分割で行う第１モードでは、負荷３０の逆起電力に対応した昇圧を十分に行うことができなくなる。一方、本実施形態によれば、インピーダンスソース２０が制御周期とは無関係の周期により直流電圧源４０の直流電圧を昇圧するため、制御周期とは関係なく並行して独立に、モータに発生する逆起電力に対応した昇圧動作を行わせることができ、かつインバータ１０が制御周期において単パルスで負荷３０を駆動するため、負荷３０の回転数が上昇して制御周期がモータを駆動する出力波形に近づいても、負荷３０の効率のよい駆動を行うことができる。
【００８６】
なお、本発明の実施形態による負荷駆動システム１は、例えば、自動車や電車などの車両あるいは低速から高速まで幅広い速度領域で駆動が求められる回転機アプリケーションに備えられるものであってよい。
【００８７】
なお、本発明の実施形態について説明したが、上述の制御回路３は内部に、コンピュータシステムを有している。そして、上述した処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記の処理が行われる。ここでコンピュータ読み取り可能な記録媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、半導体メモリ等をいう。また、このコンピュータプログラムを通信回線によってコンピュータに配信し、この配信を受けたコンピュータが当該プログラムを実行するようにしてもよい。
【００８８】
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。
さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。
【００８９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定するものではない。また、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができるものである。
【符号の説明】
【００９０】
１・・・負荷駆動システム
２・・・負荷駆動回路
３・・・制御回路
１０・・・インバータ
２０・・・インピーダンスソース
３０・・・負荷（モータなど）
４０・・・直流電圧源
１０１・・・第１スイッチ
１０２・・・第２スイッチ
１０３・・・第３スイッチ
１０４・・・第４スイッチ
１０５・・・第５スイッチ
１０６・・・第６スイッチ
２０１・・・第１インダクタ
２０２・・・第２インダクタ
２０３・・・第１キャパシタ
２０４・・・第２キャパシタ
２０５・・・ダイオード
２０６・・・第７スイッチ
２０７・・・第８スイッチ
【図１】
2018043480.tif 000005
【図２】
2018043480.tif 000006
【図３】
2018043480.tif 000007
【図４】
2018043480.tif 000008
【図５】
2018043480.tif 000009
【図６】
2018043480.tif 000010
【図７】
2018043480.tif 000011
【図８】
2018043480.tif 000012
【図９】
2018043480.tif 000013
【図１０】
2018043480.tif 000014
【図１１】
2018043480.tif 000015
【図１２】
2018043480.tif 000016
【図１３】
2018043480.tif 000017
【図１４】
2018043480.tif 000018
【図１５】
2018043480.tif 000019
【図１６】
2018043480.tif 000020
【図１７】
2018043480.tif 000021
【図１８】
2018043480.tif 000022
【図１９】
2018043480.tif 000023
【図２０】
2018043480.tif 000024
【図２１】
2018043480.tif 000025
【図２２】
2018043480.tif 000026
【図２３】
2018043480.tif 000027
【図２４】
2018043480.tif 000028
【図２５】
2018043480.tif 000029
【図２６】
2018043480.tif 000030
【図２７】
2018043480.tif 000031
【図２８】
2018043480.tif 000032
【図２９】
2018043480.tif 000033
【国際調査報告】
2018043480.tif 000034
2018043480.tif 000035
2018043480.tif 000036
2018043480.tif 000037