JP2003219657A - 交流発電電動機用インバータ - Google Patents
交流発電電動機用インバータInfo
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Abstract
にスイッチング素子に形成されているダイオードの過熱
を防止しながら必要十分な発電を行うことができる交流
発電電動機用インバータを提供すること。 【解決手段】 交流電動機または交流発電機として機能
する三相交流発電電動機10の電流制御用のスイッチン
グ素子26〜28,50〜52が三相交流生成可能な状
態に配置されて成り、三相交流発電電動機10の発電時
にスイッチング素子26〜28,50〜52へ流れる電
流を、発電量に応じてスイッチング素子62,63で抑
制し、この抑制に拘わらず発電時の電流が流れるよう
に、三相交流発電電動機10の電流制御用のスイッチン
グ素子26〜28,50〜52の各々に、三相交流発電
電動機10のレクチ用ダイオード65〜70を並列接続
した。
Description
電動機機能の両方を備えた交流発電電動機に用いられる
インバータに関するものである。
ず、発進毎に静粛性の高いスタータモータでエンジンを
始動させるタイプの自動車がある。この種の自動車に搭
載される静粛性の高いスタータモータには交流発電電動
機が一般に用いられる。そして、この交流発電電動機は
自動車の通常走行時において発電機(オルタネータ)と
して機能する。交流発電電動機を電動機(スタータモー
タ)として機能させるときにはバッテリの直流電源を交
流に変換して交流発電電動機に供給するインバータが必
要である。また、交流発電電動機を発電機(オルタネー
タ)として機能させるときには発生した交流電力を直流
電力に変換してバッテリに蓄えるための整流器が必要で
ある。したがって、交流発電電動機用インバータには発
電時の整流機能が一般に付加されている。
用インバータの公知例として、特開平10−19169
1号公報が挙げられる。この公報の内容はその要約書に
記載されているように、電力制御装置が、それぞれ並列
に接続されているスイッチング素子およびダイオード素
子の複数組とダイオード素子の過熱を検知するサーミス
タとを有し、発電電動機を駆動制御するインバータモジ
ュールと、インバータモジュールの各スイッチング素子
を制御すると共に、サーミスタの出力からダイオード素
子の過熱を判定し、過熱と判定される場合に発電電動機
の発電作用を抑制ないし停止するスイッチング制御回路
を有し、三相交流型発電電動機の駆動および発電の制御
を行う、といったものである。
ば、交流発電電動機が発電機として作動中にダイオード
素子が過熱した場合に、ダイオード素子に組み合わされ
たスイッチング素子が破壊しないように、発電を抑制す
る。しかし、発電が抑制されるためエネルギー効率が低
下し、必要十分な発電を行うことができなくなるという
問題がある。
として作動させる際にスイッチング素子に形成されてい
るダイオードの過熱を防止しながら必要十分な発電を行
うことができる交流発電電動機用インバータを提供する
ことを課題とする。
るために、本発明の交流発電電動機用インバータは、交
流発電電動機と充放電手段との間に接続され、交流発電
電動機を電動機として動作させる際には複数のスイッチ
ング素子を制御することにより充放電手段からの直流電
力を三相交流電力に変換して交流発電電動機に電力を供
給し、交流発電電動機を発電機として動作させる際には
複数のスイッチング素子にそれぞれ形成されているボデ
ィダイオードを利用して交流発電電動機で発生した交流
電力を直流電力に変換し充放電手段に出力する交流発電
電動機用インバータにおいて、各ボディダイオードに並
列接続された整流用ダイオードと、交流発電電動機の発
電時にボディダイオードへ流れる電流を抑制する抑制手
段とを備えたことを特徴とする。
よって、ボディダイオードに流れる電流が減少するよう
に抑制することができる。このとき、整流用ダイオード
には電流を流すことができるので、ボディダイオードの
過電流による過熱を防止しながら、必要十分な発電を行
うことができる。
時にボディダイオードへ流れる電流を遮断するものであ
ることが望ましい。
ィダイオードに電流が流れないので、ボディダイオード
が全く発熱しない。
タにおいては、交流発電電動機の発電時に充放電手段に
流れ込む電流を検出する電流検出手段を備え、電流検出
手段の検出値に応じて発電量を制御することが望まし
い。
御は、充放電手段の電圧に応じて励磁電流を制御するこ
とにより達成している。ところが、充放電手段に蓄えら
れている電荷量が少ない場合には充電電流が流れても電
圧が上昇せず、電圧が上昇するまで電流を増やし続けて
しまう。しかし、この構成のように、電流検出手段の検
出値に応じて発電量を制御すれば、充放電手段の電圧が
低いときでも過電流を防止できる。
用ダイオードとの間の電流経路に設けられた多機能スイ
ッチ素子、充放電手段と整流用ダイオードとの間の電流
経路における所定配線区間に生じる電位差に基づいて電
流を算出するもの、整流用ダイオードに並列接続したト
ランジスタ等が挙げられる。
電電動機用インバータについて図面を参照して説明す
る。
かる三相交流発電電動機用インバータの回路構成図であ
る。この図1において、10は自動車のスタータモータ
およびオルタネータとして機能する三相交流発電電動
機、12は充放電手段であるバッテリーである。この三
相交流発電電動機10とバッテリー12との間に、第1
実施形態の交流発電電動機用インバータが接続されてい
る。
ず、三相交流発電電動機10とバッテリー12のプラス
端子との間には、上アームのスイッチング素子であるI
PD(Intelligent Power Device)50,51,52およ
びこれらと直列に接続されている電流制御手段であるM
OSトランジスタ62が接続されている。IPD50〜
52はいわゆる多機能スイッチング素子であり、MOS
型のFET50a〜52aと、このFET50a〜52
aのソース−ドレイン間に実質的に形成されているボデ
ィダイオード50b〜52bとを備え、この他、チャー
ジポンプによるゲート昇圧駆動機能、過電流および過熱
検出機能のための回路を備える。過電流および過熱検出
は、FET50a〜52aの過電流および過熱を検出す
るものであり、これは、三相交流発電電動機10を電動
機として動作させたときの過電流および過熱検出を行う
ことになる。
は、下アームのスイッチング素子26,27,28およ
びこれらと直列に接続されている電流制御素子であるM
OSトランジスタ63が接続されている。スイッチング
素子26,27,28はMOS型のFET26a〜28
aであり、このFET26a〜28aのソース−ドレイ
ン間に実質的に形成されているボディダイオード26b
〜28bを備える。
ゲート端子には、バッファ34,35,36および論理
積回路54,55,56を介してPWM(Pulse Width M
odulation)駆動回路58の出力端子とゲート制御回路6
0のゲート駆動信号出力端子が接続されている。また、
上アームのIPD50,51,52の制御信号入力端子
には反転素子100〜102を介してゲート制御回路6
0のゲート駆動信号出力端子が接続されている。
下アームスイッチング素子26〜28の各々の接続点
と、バッテリー12およびスイッチング素子62の接続
点との間に、三相交流発電電動機10のレクチ用(整流
用)ダイオード65,66,67がそれぞれ接続されて
いる。また、上アームIPD50〜52および下アーム
スイッチング素子26〜28の各々の接続点と接地点と
の間に、レクチ用ダイオード68,69,70がそれぞ
れ接続されている。
および励磁調整の各制御信号の入力に応じて力行、発電
切換、および励磁調整の各制御を行う。さらに、ゲート
制御回路60は、三相交流発電電動機10を電動機とし
て作動させる場合に、ホールセンサ48で検出される三
相交流発電電動機10の回転角や、IPD50〜52で
検出(電流モニタ)される電流値に応じて、IPD50
〜52およびスイッチング素子26〜28をON/OF
Fする。
り得た複数回の「L」/「H」を繰り返すPWM駆動信
号を生成して論理積回路54〜56に供給する。一方、
論理積回路54〜56にはゲート駆動信号が供給されて
いるので、その出力信号は、ゲート制御回路60から出
力されるゲート駆動信号がFETを動作させる「H」レ
ベルの区間に「L」/「H」を繰り返す。そして、この
出力信号がスイッチング素子26〜28のFETのゲー
ト端に供給される。これによって、スイッチング素子2
6〜28のFETが高速にスイッチング動作する。
相交流発電電動機10のリアクトルを介してスイッチン
グ素子27のFET27aに直列に接続された電流経路
を例に挙げると、IPD52のFET52aが動作状態
となっている時に、スイッチング素子27が高速にスイ
ッチング動作を行い、三相交流発電電動機10の負荷電
流が高精度に制御される。
施の形態の特徴は、前述したようにスイッチング素子6
2,63をバッテリ12と上下アームとの間に設け、発
電動作時にスイッチング素子62、63を遮断あるいは
制御して、各IPD50〜52および各スイッチング素
子26〜28のボディダイオード50b〜52bおよび
26b〜28bに流れる電流を遮断あるいは抑制するよ
うにしたことにある。
〜28bに流れる電流が遮断あるいは抑制されても、レ
クチ用ダイオード65〜70にはバッテリー充電のため
の電流が流れる。したがって、その場合にレクチ用ダイ
オード65〜70は発熱することになるが、図2に示す
ように、三相交流発電電動機10と同一のケーシング内
に配置され、そのファン10Fによって冷却されるので
発熱が抑制される。
図1の特徴部分を抜き出して上記電流の抑制制御につい
て説明する。
機に切り替わった後、発電量の増加に伴い、矢印Y1,
Y2で示すように発電機10からバッテリー12方向へ
流れる発電電流量が多くなる。電流抑制信号は、この発
電電流量に応じて、各MOSトランジスタ62,63の
ゲートを徐々に閉じるように制御し、予め定められた閾
値以上の発電電流値となった場合に各MOSトランジス
タ62,63を完全にオフとする信号である。
回転数を電気変換した信号が用いられる。つまり、エン
ジンの回転数と発電電流値との相関関係を求めておき、
回転数が高くなって発電電流値が高くなるに応じて、各
MOSトランジスタ62,63のゲートを徐々に閉じる
ように制御し、閾値以上の高い回転数となった場合に各
MOSトランジスタ62,63を完全にオフとするよう
に定める。
流値が低い段階では、レクチ用ダイオード67,71
と、上下アームのスイッチング素子52,27のボディ
ダイオードとの双方に並列に発電電流が流れるが、発電
電流値が徐々に高くなって行くと、上下アームのスイッ
チング素子52,27のボディダイオードに流れる電流
が減少してゆく。そして、各MOSトランジスタ62,
63がオフになると、上下アームのスイッチング素子5
2,27のボディダイオードには電流が流れなくなる。
イオード67,71を介してバッテリー12へ流れる
が、レクチ用ダイオード67,71は、上記のようにフ
ァン10Fで冷却されるので、電流による破壊に繋がる
発熱は生じない。
機用インバータによれば、交流電動機または交流発電機
として機能する三相交流発電電動機10の電流制御用の
スイッチング素子26〜28,50〜52が三相交流生
成可能な状態に配置されて成り、三相交流発電電動機1
0の発電時にスイッチング素子のボディダイオード26
b〜28b,50b〜52bへ流れる電流を、発電量に
応じてスイッチング素子62,63で抑制し、この抑制
に拘わらず発電時の電流が流れるように、ボディダイオ
ード26b〜28b,50b〜52bの各々に、三相交
流発電電動機10のレクチ用ダイオード65〜70を並
列接続した。
の抑制制御により、発電量が多くなるほどに各スイッチ
ング素子26〜28,50〜52のボディダイオード2
6b〜28b,50b〜52bに流れる電流が減少する
ように抑制することができ、この抑制時でもレクチ用ダ
イオード65〜70で電流を流すことができるので、各
ボディダイオード26b〜28b,50b〜52bの過
電流による過熱を防止しながら、必要十分な発電を行う
ことができる。
4に示すように、電流制御素子であるMOSトランジス
タ62,63に代え、ON/OFFスイッチ72,73
を接続してもよい。この場合、ON/OFFスイッチ7
2,73は、SW(スイッチング)信号に応じてON/
OFFを行う。
爆発状態を示す判定信号が用いられる。この判定信号が
適用できる理由は、上下アームのスイッチング素子5
2,27のボディダイオード52b,27bに発電電流
が流れ出しても、直ぐにボディダイオード52b,27
bが過熱状態とはならないので、電動機から発電機に切
り替わった瞬間に抑制しなくてもよいからである。
御過程においては、発電機に切り替わった後、エンジン
が完全爆発状態となった時点で、各ON/OFFスイッ
チ72,73がOFFとなり、これによって、上下アー
ムのスイッチング素子52,27のボディダイオード5
2b,27bには電流が流れなくなる。この変形例にお
いても、各スイッチング素子26〜28,50〜52の
過電流による過熱を防止しながら、必要十分な発電を行
うことができる。
タは、図5や図6に示すインバータに、ボディダイオー
ドに流れる電流の抑制手段およびレクチ用ダイオードを
付加した構成でもよい。
動機10とバッテリー12との間に、上アームのスイッ
チング素子としてIPD50〜52だけでなく,IPD
80〜82がさらに付加されていることを特徴とする回
路構成となっている。図7に図5の代表部分を抜き出し
て説明する。
PD52,82の両端にレクチ用ダイオード67を並列
接続すると共に、上記第1実施形態で説明したと同様
に、下アームのスイッチング素子27と接地との間にレ
クチ用ダイオード69を並列接続し、さらに、下アーム
のスイッチング素子27とアースとの間に、電流抑制制
御用のスイッチング素子63を接続する。
抑制制御用のスイッチング素子を接続しない理由は、次
の内容による。図7の構成の場合、直列接続IPD5
2,82のボディダイオードと、レクチ用ダイオード6
7とが並列接続されている。つまり、各ボディダイオー
ドが直列接続されていることからレクチ用ダイオード6
7の2倍の抵抗値となる。これによって、三相交流発電
電動機10のリアクトルからバッテリー12へ流れる電
流が、矢印Y2で示すようにレクチ用ダイオード67を
回流する。これによって、直列接続ボディダイオードを
流れる電流を低減することができるので、その発熱を低
減することができるからである。
スイッチング素子26〜28,50〜52,80〜82
の過電流による過熱を防止しながら、必要十分な発電を
行うことができる。
動機10とバッテリー12のプラス端子との間に、電流
センサ84〜86を介して上アームのスイッチング素子
88〜90が接続され、同間に、一端が接地されたコン
デンサ24を介して下アームのスイッチング素子26〜
28が接続されている。さらに、上アームのスイッチン
グ素子88〜90と下アームのスイッチング素子26〜
28に、バッファ92〜94、34〜36を介してゲー
ト駆動回路96〜98が接続され、このゲート駆動回路
96〜98に制御回路100が接続され、制御回路10
0にホールセンサ48と電流センサ84〜86が接続さ
れて構成されている。そして、この構成のインバータ
に、電流抑制手段およびレクチ用ダイオードが付加され
る。
およびレクチ用ダイオードを付加した場合の代表部分を
抜き出して示したものである。同図に示すように、上ア
ームのスイッチング素子90とバッテリー12との間に
抑制制御用のスイッチング素子62を接続し、下アーム
のスイッチング素子27と接地との間に抑制制御用のス
イッチング素子63を接続する。また、三相交流発電電
動機10と上アームのスイッチング素子90との間と、
スイッチング素子62とバッテリー12との間に、レク
チ用ダイオード67を接続する。さらに、上記第1実施
形態で説明したと同様に、下アームのスイッチング素子
27とアースとの間にレクチ用ダイオード69を接続す
る。このような構成においても、図6に示す各スイッチ
ング素子88〜90,26〜28の過電流による過熱を
防止しながら、必要十分な発電を行うことができる。
かる三相交流発電電動機のインバータの回路構成図であ
る。
タは、何れも上記図1に示したインバータに電流検出手
段を接続した場合の回路図であり、図1のインバータの
一部を簡略して表したものである。
印で示す発電機10からバッテリー12間の発電電流の
電流経路において、バッテリー12のプラス端直後に、
電流検出手段として前述で説明したと同機能のIPD1
11を接続したものである。IPD111は、他のIP
D52とは、FETのソース−ドレインの接続が逆にし
てある。このように接続することによって、IPD11
1自体が備える電流検出機能で、発電電流、即ちバッテ
リー12への充電電流の値が検出される。
印で示す発電機10からバッテリー12間の発電電流の
電流経路において、バッテリー12のプラス端直後にお
ける所定区間の配線抵抗113の電位差V1を検出する
ことによって、電流検出を行うようにしたものである。
この電流検出には例えばバスバーなどを利用する。
ダイオードにPNP型トランジスタ115を並列接続し
たカレントミラー回路によりレクチ用ダイオードに流れ
る電流値を検出するようにしたものである。そのカレン
トミラー回路は、PNP型トランジスタ115のエミッ
タ端を、レクチ用ダイオード69のカソード端に接続す
ると共に、コレクタ端を、抵抗器116を介してアノー
ド端に接続することによって構成したものである。この
ようにPNP型トランジスタ115をレクチ用ダイオー
ド69に並列接続することで、レクチ用ダイオード69
に流れる電流に比例した電流が、PNP型トランジスタ
115のエミッタ−コレクタ間に現れることになる。こ
の電流を、抵抗器116で電位変換し、抵抗器116両
端の電位差V2を検出することによって電流検出を行
う。
バータにおいて検出された電流値は、発電機10の励磁
電流の制御に利用される。すなわち、所定値以上の検出
電流が所定時間継続した場合には、発電機10の励磁電
流を小さくすることにより、充電電流を抑えることがで
きる。
は、バッテリの電圧に応じて励磁電流を制御することに
より達成している。ところが、バッテリに蓄えられてい
る電荷量(SOC:state of charge)が少ない場合に
は充電電流が流れても電圧が上昇せず、電圧が上昇する
まで電流を増やし続けてしまう。しかし、この構成のよ
うに、電流検出手段の検出値に応じて発電量を制御すれ
ば、充放電手段の電圧が低いときでも過電流を防止でき
る。その結果、素子を破壊したり、ハーネスの耐久性を
低下させることがない。
によれば、三相交流発電電動機10と、この発電機10
による発電電流が充電されるバッテリー12との間の電
流経路に、スイッチング動作を行うIPD111を接続
したので、IPD111自体が備える電流検出機能で、
発電電流、即ちバッテリー12への充電電流の値を検出
することができる。従って、安価なIPDで容易に発電
電流の検出を行うことができる。
流検出手段によれば、三相交流発電電動機10と、この
発電機10による発電電流が充電されるバッテリー12
との間の電流経路にあって、所定区間の配線抵抗113
の電位差V1を検出して電流検出を行うようにした。こ
れによって、安価で容易な構成で充電電流を検出するこ
とができる。
ば、三相交流発電電動機10のレクチ用ダイオード69
の両端に、抵抗器116を介してPNP型トランジスタ
115を並列接続した。これによって、カレントミラー
回路が形成されるので、レクチ用ダイオード69に流れ
る電流に比例した電流がPNP型トランジスタ115に
現れることになり、この電流を抵抗器116の両端の電
位差V2を用いて検出することによって、安価で容易に
充電電流を検出することができる。
よれば、スイッチング素子のボディダイオードに並列接
続された整流用ダイオードと、交流発電電動機の発電時
にボディダイオードへ流れる電流を抑制する抑制手段と
を備えているので、発電時の充電電流を低下させずに、
ボディダイオードに流れる電流を抑制することができ
る。これにより、ボディダイオードの過電流による過熱
を防止しながら、必要十分な発電を行うことができる。
ンバータの回路構成図である。
ァンによって冷却される様態を示す図である。
ンバータの特徴部分を示す回路構成図である。
機用インバータの回路構成図である。
される交流発電電動機用インバータの回路構成図であ
る。
される交流発電電動機用インバータの他の回路構成図で
ある。
路を適用した場合の特徴部分の回路を示す図である。
路を適用した場合の特徴部分の回路を示す図である。
ンバータの回路構成図である。
機のファン、12…バッテリー、26〜28…下アーム
のスイッチング素子、34〜36,92〜94…バッフ
ァ、50〜52,80〜82…上アームのスイッチング
素子であるIPD、48…ホールセンサ、54〜56…
論理積回路、58…PWM駆動回路、60…ゲート制御
回路、62,63…電流抑制制御用のスイッチング素
子、72,73…電流抑制制御用のON/OFFスイッ
チ、65〜70…レクチ用ダイオード、84〜86…電
流センサ、88〜90…上アームのスイッチング素子、
96〜98…ゲート駆動回路、99…ゲート駆動用電
源、100…制御回路、111…電流検出手段であるI
PD、113…配線抵抗、115…PNP型トランジス
タ115、116…抵抗器、V1,V2…電位差
Claims (6)
- 【請求項1】 交流発電電動機と充放電手段との間に接
続され、 前記交流発電電動機を電動機として動作させる際には複
数のスイッチング素子を制御することにより前記充放電
手段からの直流電力を三相交流電力に変換して前記交流
発電電動機に電力を供給し、前記交流発電電動機を発電
機として動作させる際には前記複数のスイッチング素子
にそれぞれ形成されているボディダイオードを利用して
前記交流発電電動機で発生した交流電力を直流電力に変
換し前記充放電手段に出力する交流発電電動機用インバ
ータにおいて、 前記各ボディダイオードに並列接続された整流用ダイオ
ードと、 前記交流発電電動機の発電時に前記ボディダイオードへ
流れる電流を抑制する抑制手段と、 を備えたことを特徴とする交流発電電動機用インバー
タ。 - 【請求項2】 前記抑制手段は、前記交流発電電動機の
発電時に前記ボディダイオードへ流れる電流を遮断する
ものであることを特徴とする請求項1に記載の交流発電
電動機用インバータ。 - 【請求項3】 前記交流発電電動機の発電時に前記充放
電手段に流れ込む電流を検出する電流検出手段を備え、
前記電流検出手段の検出値に応じて発電量を制御するこ
とを特徴とする請求項1または2に記載の交流発電電動
機用インバータ。 - 【請求項4】 前記電流検出手段は、前記充放電手段と
前記整流用ダイオードとの間の電流経路に設けられ、ス
イッチング動作を行うトランジスタを備えると共にチャ
ージポンプ機能、電流検出機能および熱検出機能を有す
る多機能スイッチ素子であることを特徴とする請求項3
に記載の交流発電電動機用インバータ。 - 【請求項5】 前記電流検出手段は、前記充放電手段と
前記整流用ダイオードとの間の電流経路における所定配
線区間に生じる電位差を検出し、検出された電位差と前
記所定配線区間の抵抗とから電流を算出するものである
ことを特徴とする請求項3に記載の交流発電電動機用イ
ンバータ。 - 【請求項6】 前記電流検出手段は、前記整流用ダイオ
ードに並列接続したトランジスタであることを特徴とす
る請求項3に記載の交流発電電動機用インバータ。
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