JP2004312922A

JP2004312922A - 電力変換器制御装置

Info

Publication number: JP2004312922A
Application number: JP2003105227A
Authority: JP
Inventors: Eiji Kitano; 英司北野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-04-09
Filing date: 2003-04-09
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】複数の電力変換器のスイッチングタイミングをＰＷＭ制御する制御装置において、ノイズの合成を防止する。
【解決手段】車載バッテリ１０にコンバータ１２が接続され、コンバータ１２に第１インバータ１４及び第２インバータ１６が接続される。第１インバータ１４には第１ＭＧ（モータジェネレータ）１８が接続され、第２インバータ１６には第２ＭＧ（モータジェネレータ）２０が接続される。コンバータ１２、第１インバータ１４、第２インバータ１６のスイッチング素子はＰＷＭ制御回路２２からのＰＷＭ信号で制御される。ＰＷＭ制御回路２２は、各電力変換器毎にキャリア信号周波数を時間変化させてＰＷＭ信号を生成し、スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦタイミングをずらせてノイズ合成を防止する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電力変換器制御装置、特に複数の電力変換器をスイッチング制御する際の基準キャリア周波数の設定技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高圧／低圧間のコンバータや、直流電圧を交流電圧に変換するインバータが知られている。これらの電力変換器は、複数のスイッチング素子を備え、これらをＰＷＭ信号でＯＮ／ＯＦＦすることで電力を変換している。ＰＷＭ信号は、正弦波等の制御電圧と三角波キャリアとを比較することで生成される。
【０００３】
しかしながら、複数のスイッチング素子をＰＷＭ制御する際、電磁ノイズや音が発生し、他の機器に誤動作や騒音を生じさせる場合がある。これらのノイズは、キャリアの基本周波数と基本周波数の倍数において発生し、キャリア周波数が高いほどスイッチング動作回数が増大し、ノイズレベルが上昇する。
【０００４】
そこで、下記に示す従来技術では、異なった周波数の複数のキャリア成分を１又は複数のサイクル毎に組み合わせてキャリア成分とすることが記載されている。すなわち、周波数ｆｃ１、ｆｃ２、ｆｃ３（ｆｃ１＞ｆｃ２＞ｆｃ３）のキャリア成分を用意し、これら３個のキャリア成分を１サイクル毎に組み合わせて１つの三角波キャリアとし、正弦波制御電圧と比較してＰＷＭ信号を生成する。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２８９７７０号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
キャリア周波数をサイクル毎に変化させることで、ノイズ成分を分散させてトータルのノイズレベルを抑制することが可能であるが、車両への搭載を考慮すると、これらの電力変換器が複数存在するため、各電力変換器でのスイッチングタイミングが重なり合ってノイズレベルが増大してしまう問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、複数の電力変換器をＰＷＭ制御する際にも、トータルのノイズレベルを抑制することができる装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、スイッチング素子を備えた複数の電力変換器をＰＷＭ制御する制御装置であって、キャリア信号と制御信号とを比較することによりＰＷＭ信号を生成する手段と、前記キャリア信号を前記複数の電力変換器毎に設定する手段であって全ての電力変換器において同一時間に同一周波数とならないように各キャリア信号の周波数を時間的に変化させる設定手段とを有することを特徴とする。設定手段により各電力変換器毎に設定されたキャリア信号周波数はそれぞれの制御信号と比較されてＰＷＭ信号が生成され、各電力変換器のスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御する。キャリア信号周波数が異なるため、各電力変換器のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦタイミングが分散される。
【０００９】
本発明の１つの実施形態では、設定手段は、各キャリア信号の周波数を所定の下限周波数から所定の上限周波数まで時間的に変化させ、かつ、各キャリア信号で時間変化の位相を異にする。キャリア信号の周波数を時間的に変化（スイープ）させることで一つの電力変換器から発生するノイズ自体が時間的に分散される。また、時間変化の位相を異にすることでキャリア信号の周波数を異にし、複数の電力変換器間のノイズ合成が抑制される。
【００１０】
本発明における電力変換器は、ＰＷＭ制御されるスイッチング素子を含むものであれば任意であるが、例えばコンバータやインバータである。複数のコンバータを含むシステム、コンバータとインバータの組み合わせを含むシステム、複数のインバータを含むシステムのいずれも含まれる。本発明を車両に適用する場合、車載バッテリにコンバータを接続し、コンバータにインバータを１つあるいは複数接続して車両の走行用モータや補機モータを駆動するシステム等に適用できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき本発明の実施形態について、電気自動車に搭載する場合を例にとり説明する。
【００１２】
図１には、本実施形態のシステム構成図が示されている。車載バッテリ１０にはバッテリの電圧を昇圧あるいは降圧するコンバータ１２が接続される。コンバータ１２には第１インバータ１４及び第２インバータ１６が並列に接続される。第１インバータ１４には第１ＭＧ（モータジェネレータ）１８が接続され、第２インバータ２０には第２ＭＧ（モータジェネレータ）２０が接続される。第１ＭＧ１８は例えば車両のフロントモータジェネレータであり、第２ＭＧ２０は例えば車両のリアモータジェネレータである。
【００１３】
コンバータ１２は、例えばスイッチング素子とリアクトルにより構成される。スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御することで２つの端子間の電力変換を行う。スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦは、ＰＷＭ制御回路２２からのＰＷＭ信号により制御される。
【００１４】
第１インバータ１４及び第２インバータ１６は、直流から三相交流への電力変換のためのスイッチング素子及び各スイッチング素子と並列接続されたダイオードからなる変換部を含む。また、車載バッテリ１０から変換部へ供給される電力を平滑化するための平滑コンデンサを含む。第１インバータ１４及び第２インバータ１６のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦは、コンバータ１２と同様にＰＷＭ制御回路２２からのＰＷＭ信号により制御される。
【００１５】
ＰＷＭ制御回路２２は、具体的にはマイクロプロセッサ（ＭＰＵ）で構成される。ＰＷＭ制御回路２２に入力される各種アナログ信号はデジタル信号に変換された後に供給される。ＰＷＭ制御回路２２には、各回路からアクセル信号、ブレーキ信号、シフトポジション信号、バッテリ電圧信号等が供給され、また第１インバータ１４から第１ＭＧ１８に供給される各相電流のフィードバック信号や正負母線間の電圧信号、第２インバータ１６から第２ＭＧ２０に供給される各相電流のフィードバック信号や正負母線間の電圧信号が供給される。ＰＷＭ制御回路２２は、車両のイグニッションスイッチがオンされるのに伴い動作を開始する。すなわち、コンバータ１２を制御して車載バッテリ１０からの電圧を所望の電圧に変換して第１インバータ１４及び第２インバータ１６に供給する。そして、アクセル信号、ブレーキ信号、シフトポジション信号等に基づきトルク指令を算出し、第１インバータ１４及び第２インバータ１６を制御して第１ＭＧ１８及び第２ＭＧ２０を駆動する。ＰＷＭ制御回路２２には、パルス幅変調（ＰＷＭ）のキャリア信号周波数がパラメータとして設定・格納されており、昇降圧するための電圧指令や算出したトルク指令とＰＷＭキャリア周波数とを比較し、ＰＷＭ信号を生成して各スイッチング素子に供給する。
【００１６】
ＰＷＭ制御回路２２は、コンバータ１２用のＰＷＭ信号、第１インバータ１４用のＰＷＭ信号、第２インバータ１６用のＰＷＭ信号をそれぞれ生成するが、そのときのキャリア信号周波数はコンバータ１２用、第１インバータ１４用、第２インバータ１６用と個別に異なる値を設定する。すなわち、コンバータ１２用のキャリア信号周波数と電圧指令を比較してコンバータ１２用のＰＷＭ信号を生成し、第１インバータ１４用のキャリア信号周波数と電圧指令を比較して第１インバータ１４用のＰＷＭ信号を生成し、第２インバータ１６用のキャリア信号周波数と電圧指令を比較して第２インバータ１６用のＰＷＭ信号を生成する。具体的には、下限周波数と上限周波数を設定し、この間でキャリア信号の周波数を時間的に増減変化させるとともに、コンバータ１２用、第１インバータ１４用、第２インバータ１６用で、その時間変化の位相を変化させて、同一時間において同一キャリア信号周波数とならないように設定する。例えば、下限周波数を１０ＫＨｚ、上限周波数を１５ＫＨｚとした場合、キャリア信号周波数を１０ＫＨｚから１５ＫＨｚまで時間とともに変化（スイープ）させて３つのキャリア信号周波数を設定するが、そのスイープ周期を固定しその位相を変化させることで異なる３つのキャリア信号周波数を設定する。
【００１７】
図２には、ＰＷＭ制御回路２２におけるキャリア信号周波数ｆｃの時間変化が示されている。図２（Ａ）はコンバータ１２用のキャリア信号周波数ｆｃ−１、図２（Ｂ）は第１インバータ１４用のキャリア信号周波数ｆｃ−２、図２（Ｃ）は第２インバータ１６用のキャリア信号周波数ｆｃ−３である。コンバータ１２用のキャリア信号周波数ｆｃ−１は、１０ＫＨｚから１５ＫＨｚまで順次増加し、その後１５ＫＨｚから１０ＫＨｚまで減少するように三角波状に時間変化する。一方、第１インバータ１４用のキャリア信号周波数ｆｃ−２も、１０ＫＨｚと１５ＫＨｚとの間で増減するが、その時間変化の位相はコンバータ１２用のキャリア信号周波数ｆｃ−１に対してπ／４だけシフトしている。さらに、第２インバータ１６用のキャリア信号周波数ｆｃ−３も、１０ＫＨｚと１５ＫＨｚとの間を増減するが、その時間変化の位相はコンバータ１２用のキャリア信号周波数ｆｃ−１に対してπ／２だけシフトし、第１インバータ１４用のキャリア信号周波数ｆｃ−２に対してπ／４だけシフトしている。したがって、例えば時刻ｔ０に着目すると、コンバータ１２用のキャリア信号周波数ｆｃ−１は１０ＫＨｚ、第１インバータ１４用のキャリア信号周波数ｆｃ−２は１２ＫＨｚ、第２インバータ１６用のキャリア信号周波数ｆｃ−３は１５ＫＨｚとなる、別の時刻においてもｆｃ−１，ｆｃ−２、ｆｃ−３は互いに異なる値が設定され、これらのキャリア信号周波数に基づいてそれぞれＰＷＭ信号が生成される。
【００１８】
図３には、時刻ｔ０においてそれぞれ生成されるＰＷＭ信号が示されている。図３（Ａ）は電圧指令１００−１とキャリア信号周波数ｆｃ−１の比較に基づき生成されるコンバータ１２用のＰＷＭ信号、図３（Ｂ）は電圧指令１００−２とキャリア信号周波数ｆｃ−２の比較に基づき生成される第１インバータ１４用のＰＷＭ信号、図３（Ｃ）は電圧指令１００−３とキャリア信号周波数ｆｃ−３の比較に基づき生成される第２インバータ１６用のＰＷＭ信号である。ＰＷＭ信号は、三角波キャリア電圧と指令電圧とを大小比較し、指令電圧＞キャリア電圧であればＨｉ、指令電圧＜キャリア電圧であればＬｏｗとなる２値信号として生成される。キャリア信号周波数ｆｃ−１，ｆｃ−２，ｆｃ−３は互いに異なっているため、ＰＷＭ信号の立上タイミングと立下タイミングは互いにシフトし、これによりコンバータ１２、第１インバータ１４、第２インバータ１６の各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦタイミングがシフトして、それぞれのスイッチング素子で発生するノイズを分散させ、ノイズレベルの増大を抑制することができる。
【００１９】
なお、本実施形態では、コンバータ１２、第１インバータ１４、第２インバータ１６に対して、それぞれキャリア信号周波数を変化させることで同一時間に同一周波数とならないように設定しているが、例えばコンバータ１２のキャリア信号周波数のみを異にし、第１インバータ１４と第２インバータ１６のキャリア信号は同一としてもよい。要は、複数の電力変換器のうち少なくとも１つの電力変換器のキャリア信号周波数を異にすればよい。複数の電力変換器のうち、最もノイズレベルが大きい電力変換器のキャリア信号周波数のみを他のキャリア信号周波数と異にしてもよい。
【００２０】
また、本実施形態では、コンバータ１２、第１インバータ１４、第２インバータ１６の３つの電力変換器を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、２つ、あるいは４つ以上の電力変換器が存在する場合にも同様に適用することができる。
【００２１】
また、本実施形態では、コンバータ１２、第１インバータ１４、第２インバータ１６が個別に存在する場合を例示したが、コンバータ１８と第１インバータあるいは第２インバータ１６とが一体化したコンバータ付インバータであってもよい。
【００２２】
また、本実施形態では、キャリア信号周波数を下限周波数１０ＫＨｚと上限周波数１５ＫＨｚとの間でスイープしているが、下限周波数と上限周波数は任意に設定することができる。例えば下限周波数を５ＫＨｚ、上限周波数を１０ＫＨｚとする等である。複数の電力変換器において、キャリア信号周波数の下限周波数及び上限周波数を異にしてもよい。例えば、コンバータ１２に関してはキャリア信号周波数を５ＫＨｚから１０ＫＨｚの間でスイープし、第１インバータ１４に関しては７ＫＨｚから１２ＫＨｚの間でスイープし、第２インバータ１６に関しては９ＫＨｚから１４ＫＨｚの間でスイープする等である。また、スイープの周期についても複数の電力変換器毎に変えてもよい。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば複数の電力変換器をＰＷＭ制御する際のノイズレベルを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の全体構成図である。
【図２】キャリア信号周波数の時間変化説明図である。
【図３】ある時刻ｔ０におけるＰＷＭ信号生成説明図である。
【符号の説明】
１０車載バッテリ、１２コンバータ、１４第１インバータ、１６第２インバータ、１８第１ＭＧ（モータジェネレータ）、２０第２ＭＧ（モータジェネレータ）。

Claims

スイッチング素子を備えた複数の電力変換器をＰＷＭ制御する制御装置であって、
キャリア信号と制御信号とを比較することによりＰＷＭ信号を生成する手段と、
前記キャリア信号を前記複数の電力変換器毎に設定する手段であって、全ての電力変換器において同一時間に同一周波数とならないように各キャリア信号の周波数を時間的に変化させる設定手段と、
を有することを特徴とする電力変換器制御装置。
請求項１記載の装置において、
前記設定手段は、各キャリア信号の周波数を所定の下限周波数から所定の上限周波数まで時間的に変化させ、かつ、各キャリア信号で時間変化の位相を異にすることを特徴とする電力変換器制御装置。
請求項１、２のいずれかに記載の装置において、
前記複数の電力変換器は、コンバータ及びインバータを含むことを特徴とする電力変換器制御装置。
請求項１，２のいずれかに記載の装置において、
前記複数の電力変換器は、
車載バッテリに接続されたコンバータと、
前記コンバータにそれぞれ接続された第１インバータ及び第２インバータと、
を含むことを特徴とする電力変換器制御装置。