(57)【要約】【課題】さらなるサイズ及びコストの削減を実現する。【解決手段】２つのスイッチング素子が直列に接続されてなるスイッチングレグを３つ以上備え、当該各スイッチングレグで直流電力を各々スイッチングすることにより負荷の各相に対応する変換電力を生成する電力変換装置であって、２つのスイッチングレグからなるレググループそれぞれに平滑コンデンサが備えられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つのスイッチング素子が直列に接続されてなるスイッチングレグを３つ以上備え、当該各スイッチングレグで直流電力を各々スイッチングすることにより負荷の各相に対応する変換電力を生成する電力変換装置であって、
２つのスイッチングレグからなるレググループそれぞれに平滑コンデンサが備えられることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記スイッチングレグは、２つで前記負荷の各相に対応する変換電力を生成するレグ対を構成し、
２つの前記レグ対が前記レググループを構成することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
３つの前記スイッチングレグの入力端には、前記直流電力の低周波な変動を抑制する低周波用平滑コンデンサが備えられ、
前記平滑コンデンサは、前記直流電力の高周波な変動を抑制する高周波用平滑コンデンサであることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
２つの前記レグ対は、前記変換電力の電気角の位相が１８０度異なる関係を有することを特徴とする請求項２または３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記負荷は、スイッチトリラクタンスモータであることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、スイッチトリラクタンスモータ用インバータは、２つのスイッチングレグからなるレグ対を各相に対応して備え、該レグ対を用いて所定の順番で各相に間欠的に駆動電流（所定の繰り返し周波数及びパルス数のパルス列）を供給する。このような駆動電流を生成するスイッチトリラクタンスモータ用インバータでは、直流電源電圧の比較的低周波な変動を抑制するための低周波用平滑コンデンサに加えて、各相に対応するレグ対に上記パルス列に起因する比較的高周波な変動を抑制するための高周波用平滑コンデンサが設けられる。なお、下記特許文献１には、上述したスイッチングレグの一例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２１１７８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来技術では、高周波用平滑コンデンサがレグ対毎（相毎）に設けられ、相数（レグ対）の増加に伴って、増加した相と同じ数だけ高周波用平滑コンデンサを増やす必要があるため、高周波用平滑コンデンサがスイッチトリラクタンスモータ用インバータのサイズ削減やコスト削減の障害の一因となっている。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、さらなるサイズ及びコストの削減を実現する、ことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、２つのスイッチング素子が直列に接続されてなるスイッチングレグを３つ以上備え、当該各スイッチングレグで直流電力を各々スイッチングすることにより負荷の各相に対応する変換電力を生成する電力変換装置であって、２つのスイッチングレグからなるレググループそれぞれに平滑コンデンサが備えられる、という手段を採用する。
【０００７】
本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、スイッチングレグは、２つで負荷の各相に対応する変換電力を生成するレグ対を構成し、２つのレグ対が前記レググループを構成する、という手段を採用する。
【０００８】
本発明では、第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、３つのスイッチングレグの入力端には、直流電力の低周波な変動を抑制する低周波用平滑コンデンサが備えられ、平滑コンデンサは、直流電力の高周波な変動を抑制する高周波用平滑コンデンサである、という手段を採用する。
【０００９】
本発明では、第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれか１つの解決手段において、負荷はスイッチトリラクタンスモータである、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、２つのスイッチングレグからなるレググループそれぞれに平滑コンデンサが備えられるので、平滑コンデンサをスイッチングレグ毎に設ける場合に比較して平滑コンデンサの個数を削減することが可能であり、よってサイズ及びコストを削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る電力変換装置Ｓの回路図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る電力変換装置Ｓで生成される駆動電流及び第１、第２スイッチング素子ＳＷ１とＳＷ２のスイッチングタイミングを示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る電力変換装置Ｓによる４相の駆動電流の生成タイミングを示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る電力変換装置Ｓは、図１に示すように、直流電源Ｅから入力される直流電力を間欠状（バースト状）の駆動電力（変換電力）に変換し、４相（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相及びＤ相）のスイッチトリラクタンスモータＧ（負荷）に供給するものである。このような電力変換装置Ｓは、図１に示すように、低周波用平滑コンデンサＴＣ、４つのレグ対ＬＴ１、ＬＴ２、ＬＴ３、ＬＴ４、第１高周波用平滑コンデンサＫＣ１及び第２高周波用平滑コンデンサＫＣ２から構成されている。このような電力変換装置Ｓは、外部のスイッチ制御部Ｍによって動作が制御されることによって上記直流電力を駆動電力に変換する。
【００１３】
なお、上記スイッチトリラクタンスモータＧは、例えば３つの突極を備えるロータと、４相（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相及びＤ相）のステータコイルとを備えるモータであり、各相のステータコイルに電力変換装置Ｓから駆動電力が供給されることで、ロータが回転する。また、上記直流電源Ｅは、例えば１つあるいは複数の電池セルが直列接続されたバッテリである。
【００１４】
低周波用平滑コンデンサＴＣは、例えば電解コンデンサであり、一端が直流電源Ｅのプラス極に、また他端が直流電源Ｅのマイナス極にそれぞれ接続される。周知のように、電解コンデンサは、静電容量がフィルムコンデンサより大きいものの、電荷の充放電速度が比較的遅いコンデンサである。低周波用平滑コンデンサＴＣは、このような電解コンデンサの特徴に基づいて、直流電源Ｅの電圧変動を主に抑制するために設けられている。
【００１５】
４つのレグ対ＬＴ１、ＬＴ２、ＬＴ３、ＬＴ４は、一端が直流電源Ｅのプラス極に、また他端が直流電源Ｅのマイナス極にそれぞれ接続される。これら４つのレグ対ＬＴ１、ＬＴ２、ＬＴ３、ＬＴ４は、スイッチトリラクタンスモータＧの各４相のステータコイルに対応して設けられ、ステータコイルに駆動電力をそれぞれ供給する。なお、４つのレグ対ＬＴ１、ＬＴ２、ＬＴ３、ＬＴ４は、全く同じ構成を備えるので、以下では代表としてレグ対ＬＴ１の構成を説明し、他のレグ対ＬＴ２、ＬＴ３、ＬＴ４については説明を省略する。
【００１６】
レグ対ＬＴ１は、スイッチングレグＬＧ１及びスイッチングレグＬＧ２を備える。スイッチングレグＬＧ１は、第１トランジスタＳＷ１及び第１ダイオードＤ１から構成される。一方、スイッチングレグＬＧ２は、第２トランジスタＳＷ２及び第２ダイオードＤ２から構成される。上記第１トランジスタＳＷ１及び第２トランジスタＳＷ２並びに第１ダイオードＤ１及び第２ダイオードＤ２は、本実施形態におけるスイッチング素子である。なお、第１トランジスタＳＷ１及び第２トランジスタＳＷ２は、図１に回路記号として示すように、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。
【００１７】
第１トランジスタＳＷ１は、コレクタ端子が直流電源Ｅのプラス極に、またエミッタ端子が第１ダイオードＤ１のカソード端子にそれぞれ接続される。第２トランジスタＳＷ２は、コレクタ端子が第２ダイオードＤ２のアノード端子に、またエミッタ端子が直流電源Ｅのマイナス極にそれぞれ接続される。
【００１８】
上記第１トランジスタＳＷ１及び第２トランジスタＳＷ２は、各々のゲート端子がスイッチ制御部Ｍに接続されており、スイッチ制御部Ｍから各々のゲート端子に入力される制御信号によってオン状態あるいはオフ状態に設定される。すなわち、第１トランジスタＳＷ１及び第２トランジスタＳＷ２は、制御信号がハイレベルの場合にオン状態となり、制御信号がローレベルの場合にはオフ状態となる。なお、以下では、第１トランジスタＳＷ１に入力される制御信号を第１制御信号と称し、一方、第２トランジスタＳＷ２に入力される制御信号を第２制御信号と称す。
【００１９】
なお、第１トランジスタＳＷ１及び第２トランジスタＳＷ２は、ＩＧＢＴに限定されるものではなく、例えばバイポーラトランジスタやＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）であってもよい。
【００２０】
第１ダイオードＤ１は、アノード端子が直流電源Ｅのマイナス極（つまり第２トランジスタＳＷ２のエミッタ端子）に、カソード端子が第１トランジスタＳＷ１のエミッタ端子にそれぞれ接続される。第２ダイオードＤ２は、アノード端子が第２トランジスタＳＷ２のコレクタ端子に、カソード端子が直流電源Ｅのプラス極（つまり第１トランジスタＳＷ１のコレクタ端子）にそれぞれ接続される。
【００２１】
このように構成されるレグ対ＬＴ１では、スイッチングレグＬＧ１の第１トランジスタＳＷ１のコレクタ端子とスイッチングレグＬＧ２の第２ダイオードＤ２のカソード端子との接続点が第１入力端Ｔ１である。また、このレグ対ＬＴ１では、スイッチングレグＬＧ１の第１ダイオードＤ１のカソード端子とスイッチングレグＬＧ２の第２トランジスタＳＷ２のエミッタ端子との接続点が第２入力端Ｔ２である。上記第１入力端Ｔ１は直流電源Ｅのプラス極に接続され、上記第２入力端Ｔ２は直流電源Ｅのマイナス極に接続されている。
【００２２】
また、このレグ対ＬＴ１では、スイッチングレグＬＧ１の第１トランジスタＳＷ１のエミッタ端子と第１ダイオードＤ１のカソード端子との接続点が第１出力端ＳＴ１であり、またスイッチングレグＬＧ２の第２トランジスタＳＷ２のコレクタ端子と第２ダイオードＤ２のアノード端子との接続点が第２出力端ＳＴ２である。上記第１出力端ＳＴ１は、スイッチトリラクタンスモータＧのＡ相に対応するステータコイルの一端に接続され、上記第２出力端ＳＴ２はスイッチトリラクタンスモータＧのＡ相に対応するステータコイルの他端に接続されている。なお、レグ対ＬＴ２はＢ相に対応するステータコイルに接続される。また、レグ対ＬＴ３はＣ相に対応するステータコイルに接続される。また、レグ対ＬＴ４はＤ相に対応するステータコイルに接続される。
【００２３】
第１高周波用平滑コンデンサＫＣ１は、電解コンデンサよりも高周波特性に優れたフィルムコンデンサであり、一端がレグ対ＬＴ１の第１入力端Ｔ１及びレグ対ＬＴ３の第１入力端Ｔ１に、また他端がレグ対ＬＴ１の第２入力端Ｔ２及びレグ対ＬＴ３の第２入力端Ｔ２にそれぞれ接続される。すなわち、この第１高周波用平滑コンデンサＫＣ１は、レグ対ＬＴ１及びレグ対ＬＴ３からなるグループ（第１レググループ）に対して設けられており、当該第１レググループにおける駆動電力の生成に起因する比較的高周波な変動を抑制する。
【００２４】
第２高周波用平滑コンデンサＫＣ２は、上記第１高周波用平滑コンデンサＫＣ１と同様にフィルムコンデンサであり、一端がレグ対ＬＴ２の第１入力端Ｔ１及びレグ対ＬＴ４の第１入力端Ｔ１に、また他端がレグ対ＬＴ２の第２入力端Ｔ２及びレグ対ＬＴ４の第２入力端Ｔ２にそれぞれ接続される。すなわち、第２高周波用平滑コンデンサＫＣ２は、レグ対ＬＴ２及びレグ対ＬＴ４からなるグループ（第２レググループ）に対して設けられており、当該第２レググループにおける駆動電力の生成に起因する比較的高周波な変動を抑制するために設けられている。
【００２５】
スイッチ制御部Ｍは、第１トランジスタＳＷ１及び第２トランジスタＳＷ２のスイッチング制御を行うソフトウエア制御装置である。このスイッチ制御部Ｍは、自らが記憶している制御プログラムに基づいて上記制御信号を生成することにより、上記４つのレグ対ＬＴ１、ＬＴ２、ＬＴ３、ＬＴ４における第１トランジスタＳＷ１及び第２トランジスタＳＷ２の動作を制御する。
【００２６】
次に、このように構成された電力変換装置Ｓの動作について図２、図３及び図４を参照して説明する。
図２に示すように、スイッチ制御部Ｍは、スイッチトリラクタンスモータＧの４相（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相及びＤ相）に電気角が９０ずつ異なる第１制御信号及び第２制御信号を供給する。この第１制御信号及び第２制御信号は、図２に示すように、所定繰り返し周波数かつ所定パルス数のパルス列である。
【００２７】
４つのレグ対ＬＴ１、ＬＴ２、ＬＴ３、ＬＴ４は、このような制御信号（パルス列）が入力されることにより、図３に示すような駆動電力をスイッチトリラクタンスモータＧの各相に対応するステータコイルに供給する。そして、スイッチトリラクタンスモータＧは、このような各相の駆動電力に基づいて回転駆動される。
【００２８】
ここで、第１高周波用平滑コンデンサＫＣ１は、電気角が１８０度異なる駆動電流をスイッチトリラクタンスモータＧに供給するレグ対ＬＴ１及びレグ対ＬＴ３に対して設けられている。これら２つのレグ対ＬＴ１及びレグ対ＬＴ３は、図３に示すように時間軸上で完全にズレたタイミングでスイッチトリラクタンスモータＧに駆動電流を供給する関係にあるので、第１高周波用平滑コンデンサＫＣ１は、２つのレグ対ＬＴ１及びレグ対ＬＴ３に対して個別に機能する。
【００２９】
すなわち、第１高周波用平滑コンデンサＫＣ１は、図３に示すように当該レグ対ＬＴ１及びレグ対ＬＴ３に供給される制御信号（パルス列）の各パルスに対応して充放電を繰り返すことにより、制御信号（パルス列）に起因する駆動電力の変動、つまり比較的高周波な変動を抑制する。
【００３０】
なお、第１高周波用平滑コンデンサＫＣ１はレグ対ＬＴ１及びレグ対ＬＴ３に最も近い位置に設けられているので、第２高周波用平滑コンデンサＫＣ２よりも制御信号（パルス列）に起因する駆動電力の変動を抑制する能力が高い。しかしながら、レグ対ＬＴ１及びレグ対ＬＴ３に供給される制御信号（パルス列）に起因する駆動電力の変動には、第１高周波用平滑コンデンサＫＣ１よりも抑制効果は低いものの第２高周波用平滑コンデンサＫＣ２も若干ながら寄与している。
【００３１】
一方、第２高周波用平滑コンデンサＫＣ２は、電気角が１８０度異なる駆動電流をスイッチトリラクタンスモータＧに供給するレグ対ＬＴ２及びレグ対ＬＴ４に対して設けられている。これら２つのレグ対ＬＴ２及びレグ対ＬＴ４は、図３に示すように時間軸上で完全にズレたタイミングでスイッチトリラクタンスモータＧに駆動電流を供給する関係にあるので、第２高周波用平滑コンデンサＫＣ２は、２つのレグ対ＬＴ２及びレグ対ＬＴ４に対して個別に機能する。
【００３２】
すなわち、第２高周波用平滑コンデンサＫＣ２は、図３に示すように当該レグ対ＬＴ２及びレグ対ＬＴ４に供給される制御信号（パルス列）の各パルスに対応して充放電を繰り返すことにより、制御信号（パルス列）に起因する駆動電力の変動を抑制する。
【００３３】
なお、第２高周波用平滑コンデンサＫＣ２はレグ対ＬＴ２及びレグ対ＬＴ４に最も近い位置に設けられているので、第１高周波用平滑コンデンサＫＣ１よりも制御信号（パルス列）に起因する駆動電力の変動を抑制する能力が高い。しかしながら、レグ対ＬＴ２及びレグ対ＬＴ４に供給される制御信号（パルス列）に起因する駆動電力の変動には、第２高周波用平滑コンデンサＫＣ２よりも抑制効果は低いものの第１高周波用平滑コンデンサＫＣ１も若干ながら寄与している。
【００３４】
このような本実施形態によれば、第１レググループに第１高周波用平滑コンデンサＫＣ１を設け、第２レググループに第２高周波用平滑コンデンサＫＣ２を設けるので、４つのレグ対ＬＴ１、ＬＴ２、ＬＴ３、ＬＴ４毎に高周波用平滑コンデンサを設ける場合よりも高周波用平滑コンデンサの個数を削減することが可能である。したがって、本実施形態によれば、電力変換装置Ｓのサイズ及びコストを従来よりも削減することができる。
【００３５】
また、本実施形態によれば、電気角が１８０度異なる駆動電流をスイッチトリラクタンスモータＧに供給する２つのレグ対ＬＴ１とＬＴ３を第１レググループとすると共に当該第１レググループに第１高周波用平滑コンデンサＫＣ１を設けるので、第１高周波用平滑コンデンサＫＣ１は、第１レググループにおける制御信号（パルス列）に起因する駆動電力の変動を効果的に抑制することができる。
【００３６】
また、本実施形態によれば、電気角が１８０度異なる駆動電流をスイッチトリラクタンスモータＧに供給する２つのレグ対ＬＴ２とＬＴ４を第２レググループとし、また第２レググループには第２高周波用平滑コンデンサＫＣ２を設けるので、第２高周波用平滑コンデンサＫＣ２は、第２レググループにおける制御信号（パルス列）に起因する駆動電力の変動を効果的に抑制することができる。
【００３７】
以上、本発明の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ことなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態は、４相からなるスイッチトリラクタンスモータＧに対応する４つのレグ対ＬＴ１、ＬＴ２、ＬＴ３、ＬＴ４を備える電力変換装置Ｓに本発明を適用したものであるが、本発明はこれに限定されない。例えば、４相以外、つまり、６相や８相等の偶数相からなるスイッチトリラクタンスモータの相数に応じたレグ対を備える電力変換装置に本発明を適用するようにしてもよい。
【００３８】
また、上記第１、第２レググループは各々に２つのレグ対からなるが、２つのレグ対ではなく、３つ以上のレグ対を１つのレググループとして、レググループ毎に１つの高周波用平滑コンデンサを設けるようしてもよい。また、奇数相からなるスイッチトリラクタンスモータに対応するレグ対を備える電力変換装置である場合にも、３つのレグ対からなるレググループを作り、３つのレグ対に対して１つの高周波用平滑コンデンサを設けるようにすればよい。また、レグ対ではなく、各相に対応したスイッチングレグを備える電力変換装置である場合には、複数のスイッチングレグに対して１つの高周波用平滑コンデンサを設けるようにしてもよい。
【００３９】
（２）上記実施形態の変形例は、スイッチトリラクタンスモータＧに駆動電力を供給する電力変換装置Ｓに本発明を適用したものであるが、スイッチトリラクタンスモータＧ以外の永久磁石同期モータ等の他のモータに駆動電力を供給する電力変換装置に本発明を適用してもよい。
【００４０】
（３）上記実施形態では電気角が１８０度異なる駆動電流をスイッチトリラクタンスモータＧに供給する２つのレグ対を１つのレググループとしたが、本発明はこれに限定されない。２つのレグ対の影響をある程度許容する場合には、電気角が９０度異なる駆動電流をスイッチトリラクタンスモータＧに供給する２つのレグ対、例えばレグ対ＬＴ１とレグ対ＬＴ２とを１つのレググループとし、レグ対ＬＴ３とレグ対ＬＴ４とを１つのレググループとしてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
Ｓ 電力変換装置
Ｇ スイッチトリラクタンスモータ（負荷）
Ｅ 直流電源
ＴＣ 低周波用平滑コンデンサ
ＬＴ１，ＬＴ２，ＬＴ３，ＬＴ４ レグ対
ＫＣ１ 第１高周波用平滑コンデンサ（平滑コンデンサ）
ＫＣ２ 第２高周波用平滑コンデンサ（平滑コンデンサ）
Ｍ スイッチ制御部
ＬＧ１ スイッチングレグ
ＬＧ２ スイッチングレグ
ＳＷ１  第１トランジスタ（スイッチング素子）
ＳＷ２  第２トランジスタ（スイッチング素子）
Ｄ１  第１ダイオード（スイッチング素子）
Ｄ２  第２ダイオード（スイッチング素子）
【図１】
2016127714.tif 000003
【図２】
2016127714.tif 000004
【図３】
2016127714.tif 000005