(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、
前記直流電源の出力電圧を三相交流電圧に変換する複数の半導体素子からなるインバータ回路と、
前記三相交流電圧が供給される三相交流モータの巻き線の中性点に接続されるトランスと、
前記インバータ回路の少なくとも１つの相の交流電圧を出力する前記半導体素子に、前記三相交流電圧の相間の位相差に対してφだけ位相をずらした駆動信号を供給して前記中性点の電圧を制御する制御回路と、
前記トランスの出力電圧を整流して出力する直流電圧出力回路とを備える電源装置。
【請求項２】
前記複数の半導体素子は、三相交流電圧の第１相の交流電圧を出力する第１の半導体素子と、第２相の交流電圧を出力する第２の半導体素子と、第３相の交流電圧を出力する第３の半導体素子とからなり、
前記制御回路は、第１の正弦波と第１の三角波の位相差に応じた第１の駆動信号を、前記第１の半導体素子に供給する第１の駆動信号生成回路と、前記第１の正弦波に対して２π／３の位相差を有する第２の正弦波と、前記第１の三角波に対して位相差φを有する第２の三角波との位相差に応じた第２の駆動信号を、前記第２の半導体素子に供給する第２の駆動信号生成回路と、前記第１の正弦波に対して４π／３の位相差を有する第３の正弦波と、前記第１の三角波に対して位相差２φを有する第３の三角波との位相差に応じた第３の駆動信号を、前記第３の半導体素子に供給する第３の駆動信号生成回路を有する請求項１記載の電源装置。
【請求項３】
前記複数の半導体素子は、第１相の交流電圧を出力する第１の半導体素子と、第２相の交流電圧を出力する第２の半導体素子と、第３相の交流電圧を出力する第３の半導体素子とからなり、
前記制御回路は、第１の正弦波と三角波との位相差に応じた第１の駆動信号を前記第１の半導体素子に供給する第１の比較器と、前記第１の正弦波に対して２π／３の位相差を有する第２の正弦波と前記三角波との位相差に応じた信号を出力する第２の比較器と、前記第２の比較器の出力信号に位相差φを与えた第２の駆動信号を、前記第２の半導体素子に供給する第１の位相差回路と、前記第１の正弦波に対して４π／３の位相差を有する第３の正弦波と前記三角波との位相差に応じた信号を出力する第３の比較器と、前記第３の比較器の出力信号に位相差２φを与えた第３の駆動信号を、前記第３の半導体素子に供給する第２の位相差回路を有する請求項１記載の電源装置。
【請求項４】
前記トランスの前記中性点と接続された側の反対側の巻き線を第１のコンデンサを介して前記直流電源の正電位側に接続すると共に第２のコンデンサを介して前記直流電源の接地側に接続した請求項１、２または３記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１つの電源から複数の出力電圧を生成する電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車には、冷房用のコンプレッサを駆動するための交流モータ等が搭載されており、その交流モータを駆動するための交流電圧を生成する電源回路が必要となる。また、ランプ、カーステレオ等の電源を供給するための電源回路も必要となる。
【０００３】
最近では、排気ガスによる大気の汚染を改善するためにガソリンエンジンと電動モータとを併用するハイブリッド車が実用化されており、ハイブリッド車には、走行用のモータを駆動する電源回路も必要となる。
通常、モータに供給する電圧と、ランプ等に供給する電圧は異なるので、１つのバッテリ電圧を２個のインバータにより異なる交流電圧に変換し、さらに交流電圧を必要に応じて直流電圧に変換している。
【０００４】
図８は、従来の電源回路と交流モータの構成を示す図である。インバータ１１は、バッテリ１２の直流電圧を３相交流電圧に変換する直流／交流変換回路であり、直列に接続された２個のトランジスタが並列に３組接続されて構成されている。トランジスタＱ１とＱ２の接続点に３相交流モータ１３のｕ相の巻き線が接続され、トランジスタＱ３とＱ４の接続点に３相交流モータ１２のｖ相の巻き線が接続され、トランジスタＱ５とＱ６の接続点にｗ相の巻き線が接続されている。
【０００５】
また、バッテリ１２の電圧は、別のインバータ回路１４で所望の交流電圧に変換されてトランス１５の一次側に供給され、二次側に接続された整流回路１６で整流されて負荷に供給される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の電源回路では、交流モータ１３に供給する交流電圧を生成するためのインバータ１１と、ランプ等の負荷に供給する電圧を生成するためのインバータ１４の２つのインバータを設ける必要がある。その結果、電源回路の構成が複雑になり、重量が増加するとともにコストも高くなるという問題点があった。
【０００７】
本発明の課題は、簡単な構成で、複数の出力電圧を供給できる電源装置を実現することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の電源装置は、直流電源と、前記直流電源の出力電圧を三相交流電圧に変換する複数の半導体素子からなるインバータ回路と、前記三相交流電圧が供給される三相交流モータの巻き線の中性点に接続されるトランスと、前記インバータ回路の少なくとも１つの相の交流電圧を出力する前記半導体素子に、前記三相交流電圧の相間の位相差に対してφだけ位相をずらした駆動信号を供給して前記中性点の電圧を制御する制御回路と、前記トランスの出力電圧を整流して出力する直流電圧出力回路とを備える。
【０００９】
この発明によれば、多相交流電圧の位相をずらすことで、交流モータの中性点に接続したトランスの出力電圧を変化させることができる。これにより、例えば、トランスの二次側に出力電圧を調整する回路を設けなくとも、負荷に所望の電圧を供給することができる。これにより、負荷に供給する電圧を生成するためのインバータ回路等を設ける必要が無くなるので、電源装置の回路構成を簡素化できる。
【００１２】
上記の発明の電源装置において、前記トランスの前記中性点に接続される側の反対側の巻き線を第１のコンデンサを介して前記直流電源の正電位側に接続すると共に、第２のコンデンサを介して前記直流電源の接地側に接続する。
【００１３】
このように構成することで、トランスに直流電流が流れるのを防止できるので、小型のコアを用いトランスを小型化できる。
上記の発明において、トランスの一次側の巻き線の一端をコンデンサを介して前記中性点に接続し、他端を直流電源のアースに直接接続しても良い。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施の形態の電源装置と三相交流モータの構成を示す図である。
図１は、本発明の実施の形態の電源装置と三相交流モータの構成を示す図である。インバータ（交流電圧生成手段）１１は、直列に接続された２個のトランジスタＱ１及びＱ２、Ｑ３及びＱ４、Ｑ５及びＱ６がバッテリ１２に並列に接続され、トランジスタＱ１〜Ｑ６のそれぞれのコレクタ、エミッタ間にはダイオードＤが接続されている。このインバータ１１は、バッテリ１２の直流電圧を三相交流電圧に変換して三相交流モータ１３に供給するものである。
【００１５】
トランジスタＱ１及びＱ２から三相交流電圧のｕ相の電圧が供給され、トランジスタＱ３及びＱ４から三相交流電圧のｖ相の電圧が供給され、トランジスタＱ５及びＱ６からｗ相の電圧が供給される。
三相交流モータ１３はＹ結線されており、その中性点Ｎには、トランス２１の一次側巻き線Ｌ１の一端Ｌ１ａが接続され、トランス２１の他端Ｌ１ｂはコンデンサＣ１とＣ２の接続点に接続されている。
【００１６】
コンデンサＣ１，Ｃ２は直列に接続され、その直列に接続されたコンデンサＣ１、Ｃ２がバッテリ１２に並列に接続されている。このように、トランス２１をコンデンサＣ１、Ｃ２の接続点に接続することで、トランス２１に正負の電流が流れ、直流成分がカットされるので、トランス２１に小型のコアを使用することができ、トランス２１をより小型化できる。
【００１７】
トランス２１の二次側巻き線Ｌ２には整流回路２２が接続されており、整流回路２２で整流された直流電圧がランプ等の負荷に供給される。
次に、図２は、インバータ１１のトランジスタＱ１〜Ｑ６に供給する駆動信号を生成する制御回路の構成を示す図である。
【００１８】
図２において、三角波は、インバータ１１のスイッチング周波数である、例えば、１０〜２０ｋＨｚ程度の周波数の信号であり、正弦波Ａsｉｎωｔは、三相交流モータ１３の駆動周波数である５０〜１００Ｈｚ程度の周波数の信号である。
【００１９】
コンパレータ３１の反転入力端子には、三角波の信号がそのまま入力し、非反転入力端子には正弦波Ａsｉｎωｔが入力している。コンパレータ３１の出力は、バッファ３４を介してそのままトランジスタＱ１のベースに出力され、同時にインバータ３５で反転されてトランジスタＱ２のベースに出力される。すなわち、コンパレータ３１から一方のトランジスタＱ１がオンとなる信号が出力されているときは、他方のトランジスタＱ２がオフとなる信号が出力される。
【００２０】
コンパレータ３２の反転入力端子には、位相差回路４１により三角波を−φだけ位相をずらした信号が入力し、非反転入力端子には、正弦波Ａｓｉｎωｔに対して２π／３の位相差を有する正弦波Ａｓｉｎ（ωｔ−２π／３）が入力している。そのコンパレータ３２の出力は、バッファ３６を介してそのままトランジスタＱ３のベースに出力され、同時にインバータ３７で反転されてトランジスタＱ４のベースに出力される。
【００２１】
コンパレータ３３の反転入力端子には、位相差回路４２により三角波を−２φだけ位相をずらした信号が入力し、非反転入力端子には、正弦波Ａｓｉｎωｔに対して４π／３の位相差を有する正弦波Ａｓｉｎ（ωｔ−４π／３）が入力している。そのコンパレータ３３の出力は、バッファ３８を介してそのままトランジスタＱ５のベースに出力され、同時にインバータ３９を介して反転されてトランジスタＱ６のベースに出力される。
【００２２】
すなわち、トランジスタＱ３とＱ４のベースには、三相交流電圧の相間の位相差に相当する２π／３に加え、トランジスタＱ１及びＱ２の駆動信号に対してφだけ位相がずれた駆動信号が供給される。同様に、トランジスタＱ５とＱ６のベースには、三相交流電圧の相間の位相差に相当する４π／３に加え、２φだけ位相がずれた駆動信号が供給される。
【００２３】
ところで、図１に示すようなインバータ１１で直流電圧を三相交流電圧に変換する場合、三相交流モータ１３に供給される各相の電流には、インバータ１１のスイッチングノイズ等が重畳され、三相交流モータ１３の中性点Ｎの電位はインバータ１１のスイッチング周波数のリップルを含んだものとなる。
【００２４】
図１の回路のトランス２１は、スイッチング周波数のリップルによる中性点Ｎの電圧の変動を抽出するためのものである。
図２の制御回路は、ｖ相の交流電圧を出力するトランジスタＱ３及びＱ４に供給する駆動信号の三角波の位相をｕ相の駆動信号の三角波に対してφだけずらし、ｗ相の交流電圧を出力するトランジスタＱ５及びＱ６に供給する駆動信号の三角波の位相をｕ相の駆動信号の三角波に対して２φだけずらしている。このように、三相交流電圧の各相の三角波の位相をφ（可変値）だけずらすことにより、中性点Ｎの電圧を変化させることができる。
【００２５】
図３〜図５は、位相差φを変化させたときの中性点Ｎの電圧波形を示す図である。図３は、位相差φ＝０のときの中性点Ｎの電圧を示し、図４は、φ＝π／３のときの中性点Ｎの電圧を示している。また、図５は、位相差φ＝２π／３のときの中性点Ｎの電圧を示している。
【００２６】
すなわち、三相交流電圧を生成するインバータ１１の各相の電圧を出力するトランジスタＱ１〜Ｑ６に供給する駆動信号の位相をずらすことで、三相交流モータ１３の中性点Ｎの電圧を変化させることができる。そして、その中性点Ｎの電圧をトランス２１で取り出し、整流することで所望の値の直流電圧を負荷に供給することができる。
【００２７】
次に、図６は、本発明の第２の実施の形態の制御回路の構成を示す図である。以下の実施の形態の説明では、図２の制御回路と同じ部分には同じ符号を付けてそれらの説明は省略する。
この第２の実施の形態は、三角波の位相をずらすのではなく駆動信号に直接位相差を与えるものである。
【００２８】
そのため、コンパレータ３２の出力側に、位相差φを与える位相差回路５１を設け、コンパレータ３２の出力信号に位相差φを与えた信号をバッファ３６及びインバータ３７に出力する。この位相差φを有する駆動信号はトランジスタＱ３及びＱ４のベースに出力される。同様に、コンパレータ３３の出力側に、入力信号に位相差２φを与える位相差回路５２を設け、位相差２φを与えた信号をバッファ３８及びインバータ３９に出力する。この位相差２φを有する駆動信号はトランジスタＱ５及びＱ６のベースに出力される。
【００２９】
この第２の実施の形態も、第１の実施の形態と同様に、ｕ相及びｗ相の交流電圧を生成するトランジスタＱ３，Ｑ４及びＱ５，Ｑ６のベースに供給する駆動信号の位相を、それぞれφ、２φ（可変値）ずらすことで、三相交流モータ１３の中性点Ｎの電圧を変化させることができるので、その中性点Ｎの電圧をトランス２１で取り出すことで所望の電圧を負荷に供給することができる。
【００３０】
次に、図７は、本発明の第３の実施の形態の制御回路の構成を示す図である。この実施の形態は、三角波に位相差φを与える位相差回路６１を１つの相（例えば、ｗ相）に設けた場合の例を示している。
三角波は、位相差回路６１において−φだけ位相がずらされコンパレータ３３の反転入力端子に入力する。そして、コンパレータ３３からｕ相の駆動信号の三角波に対してφ位相のずれた信号が出力され、その信号がそのまま、あるいは反転されてトランジスタＱ５またはＱ６のベースに出力される。
【００３１】
この第３の実施の形態によれば、ｗ相の交流電圧を出力するトランジスタＱ５とＱ６のベースに、三相交流電圧の位相差（４π／３）に加えてφだけ位相のずれた三角波の駆動信号を供給することができる。従って、位相差φを変化させることで、三相交流モータ１３の中性点Ｎの電圧を変化させ、トランス２１の一次側の電圧を所望の電圧にすることができる。
【００３２】
本発明は、実施の形態に述べた構成に限らず、以下のように構成しても良い。（ａ）中性点に接続するトランス等の他端は、直流電源に並列に接続したコンデンサの中点に接続する構成に限らず、直流電源のアースに直接接続しても良いし、コンデンサ、抵抗等の受動素子、あるいは能動素子を介してアースに接続しても良い。
（ｂ）駆動信号を生成する制御回路は、実施の形態に示した三角波と正弦波をコンパレータにより比較して信号を生成する回路に限らず、矩形波、鋸歯状波等を用いても良いし、コンパレータ以外のトランジスタ、抵抗等で回路を構成しても良い。
（ｃ）多相交流の１または複数の相の位相をずらす方法は、各相の位相差をφ、２φように整数倍に設定する方法に限らず、各相の位相差を無関係に設定しても良い。
（ｄ）位相差を特定の値に設定して中性点Ｎの電圧を決定する方法に限らず、位相差を任意に設定できるようにして、負荷に供給する電圧を可変できるようにしても良い。
（ｅ）交流電圧生成手段（インバータ１１）は、トランジスタを２個直列に接続し、それらを複数並列に接続した回路に限らず、どのような構成の回路でも良い。
（ｆ）電源はバッテリ等の蓄電池、化学反応を利用した電池等に限らず、交流から得られた直流電圧でも良いし、交流電源でも良い。
（ｇ）交流電圧生成手段は、三相交流電圧を生成する回路に限定されず、使用する交流モータの相数に応じた多相交流電圧を生成すれば良い。
（ｈ）本発明は、車に限らず、交流電圧を含む複数の電圧を生成する電源装置を使用するものであればどのような装置、製品にも適用できる。特に、小型化、軽量化が求められるものに適している。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、交流モータの中性点から取り出す電圧を所望の値にすることができるの、例えば、トランスの二次側に出力電圧を調整する回路を設けなくとも負荷に所望の電圧を供給することができ、電源装置の構成を簡素化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電源装置と交流モータの構成を示す図である。
【図２】第１の実施の形態の制御回路の構成を示す図である。
【図３】中性点の電圧を示す図である。
【図４】中性点の電圧を示す図である。
【図５】中性点の電圧を示す図である。
【図６】第２の実施の形態の制御回路の構成を示す図である。
【図７】第３の実施の形態の制御回路の構成を示す図である。
【図８】従来の電源回路と交流モータの構成を示す図である。
【符号の説明】
１１        インバータ
Ｑ１〜Ｑ６  トランジスタ
１２        バッテリ
１３        三相交流モータ
２１        トランス
２２        整流回路
３１〜３３  コンパレータ
４１，４２  位相差回路
【図１】
0003899850.tif 000002
【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】
0003899850.tif 000008
【図８】
0003899850.tif 000009