JP2005137179A

JP2005137179A - 電力変換装置及び電力変換方法

Info

Publication number: JP2005137179A
Application number: JP2003373498A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Komatsu; 裕小松
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2003-10-31
Filing date: 2003-10-31
Publication date: 2005-05-26

Abstract

【課題】小型及び低コストな構成で昇圧及び直流から交流への変換ができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】インバータ部２１における直流電圧の入力経路にインダクタＬ１を介装し、インバータ部２１に設けられる直流／交流変換用のブリッジ回路を、昇圧用のチョッパー回路として兼用して昇圧を行う。例えば、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の各オン期間内の後半部分において、対応する各スイッチング素子Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６をオンさせることにより、インダクタＬ１に対するエネルギーの蓄積を行うとともに、各スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３がオフされて次のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３がオンされるのに伴って、対応する各スイッチング素子Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６をオフさせることにより、インダクタＬ１に高電圧を発生させてモータ５に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置及び電力変換方法に関し、特に自動車用のものに関する。

近年、環境問題等からハイブリッド自動車のようなモータ駆動を利用した自動車が開発されている。例えば、ハイブリッド自動車においては、バッテリからの直流電圧を３相交流電圧に変換してモータに供給している。

今後、低燃費、低環境負荷を追求する場合、モータの小型高出力化、高回転駆動がさらに求められることとなる。しかし、高速回転域においては、バッテリの出力だけではモータから発生する逆起電力以上の電圧が発生不可能であるため、システム構成上、バッテリとインバータとの間に昇圧コンバータを搭載し、必要な電圧をインバータ、モータに供給している。これは、バッテリの単純な高電圧化による対応では、設置スペース、コストの面から対応が困難だからである。

図４は、従来の自動車用の電力変換装置の一般的な構成を示す回路図である。この電力変換装置は、図４に示すように、電源であるバッテリから入力される電圧を昇圧して出力する昇圧部１と、昇圧部１の出力の平滑化等を行うコンデンサ３と、昇圧部１から出力される電力に基づいて、モータ５を駆動するための駆動電圧（ここでは、３相交流電圧）を生成してモータ５に与えるインバータ部７とを備えている。

昇圧部１は、電力変換用のインダクタ１１と、電力変換のためのチョッパ回路を構成する第１及び第２のスイッチング素子１３，１５と、フライホイール用の第１及び第２のダイオード１７，１９とを備えている。そして、スイッチング素子１５をオン、オフしてインダクタ１１に対してエネルギーの蓄積、放出を行うことにより、インダクタ１１により昇圧された電圧が第１のダイオード１７を介してインバータ部７に供給されるようになっている。

インバータ部７は、３相ブリッジ回路を構成する第１ないし第６のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６、及びフライホイール用の第１ないし第６のダイオードＤ１〜Ｄ６を備えて構成されている。そして、各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６がオン、オフされることにより（一例を後述の図２に示す）、昇圧部１から与えられる直流電圧が３相交流電圧に変換されてモータ５に供給されるようになっている。

しかしながら、上記の従来の電力変換装置では、インバータ部７と独立して昇圧部１を設ける構成のため、装置構成が大型化するとともに、高コストである。

そこで、本発明の解決すべき課題は、小型及び低コストな構成で昇圧及び直流から交流への変換ができる電力変換装置を提供することである。

前記課題を解決するための手段は、電力変換装置であって、入力される直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ部と、前記直流電圧の入力経路に介装されたインダクタと、を備え、前記インバータ部に設けられる直流／交流変換用のブリッジ回路が、前記インダクタを用いて昇圧を行うためのチョッパー回路として兼用される。

好ましくは、前記インバータ部は、前記直流電圧を多相交流電圧に変換して出力するのがよい。

また、好ましくは、前記インバータ部には、２つのスイッチング素子が直列に介装された前記ブリッジ回路が複数設けられ、前記複数のブリッジ回路は、電力供給を行うブリッジ回路が循環的に切り替えられるようになっており、前記電力変換装置は、前記各ブリッジ回路の前記各スイッチング素子をオン、オフ制御する制御部をさらに備え、前記制御部は、電力供給中の前記ブリッジ回路における前記一方のスイッチング素子をオンに切り替えているオン期間の途中で前記他方のスイッチング素子をオンに切り替え、前記オン期間が終了するのに共って、前記一方のスイッチング素子をオフに切り替えて次のブリッジ回路の一方のスイッチング素子をオンに切り替えるとともに、オンに切り替えていた前記他方のスイッチング素子をオフに切り替えるのがよい。

さらに、好ましくは、前記インバータ部の前記ブリッジ回路に用いられるスイッチング素子が、ワイドバンドギャップ半導体を用いて構成されているのがよい。

また、前記課題を解決するための手段は、直流／交流変換を行うインバータ部における直流電圧の入力経路にインダクタを介装し、前記インバータ部に設けられる直流／交流変換用のブリッジ回路を、前記インダクタを用いて昇圧を行うためのチョッパー回路として兼用して昇圧を行う。

請求項１ないし５に記載の発明によれば、インバータ部における直流電圧の入力経路にインダクタを介装し、インバータ部に設けられる直流／交流変換用のブリッジ回路を、インダクタを用いて昇圧を行うためのチョッパー回路として兼用して昇圧を行う構成であるため、従来のように昇圧用の専用のチョッパー回路を設けた構成に比して、小型及び低コストな構成で昇圧及び直流から交流への変換ができる。

請求項２に記載の発明によれば、小型及び低コストな構成で、入力電圧を昇圧しつつ、多相交流電圧に変換することができる。

請求項４に記載の発明によれば、インバータ部に用いられるスイッチング素子がワイドバンドギャップ半導体を用いて構成されているため、高効率な電力変換装置を構成できる。

図１は、本発明の一実施形態に係る自動車用の電力変換装置の構成を示す回路図である。この電力変換装置は、図１に示すように、インバータ部２１と、インバータ部２１を制御する制御部２３と、そのインバータ部２１における直流電圧の入力経路に介装された昇圧用のインダクタＬ１とを備えて構成されている。

インバータ部２１は、３相ブリッジ回路を構成する第１ないし第６のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６、及びフライホイール用の第１ないし第６のダイオードＤ１〜Ｄ６を備えて構成されている。制御部２３は、各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６をオン、オフ制御する。

このインバータ部２１には、正負の１次側接続部Ａ１，Ａ２を介して図示しないバッテリからの直流電圧が供給される。インバータ部２１とモータ（３相交流モータ）５との接続は、第１ないし第３の２次側接続部Ｔ１〜Ｔ３を介して行われる。

スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６としては、半導体材料としてＳｉＣ、ＧａＮ、Ｃなどが用いられたワイドバンドギャップデバイスが用いられる。スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の具体的種類としては、例えばＩＧＢＴ及びＭＯＳＦＥＴなどが用いられる。

正負の１次側接続部Ａ１，Ａ２の間には、互いに並列関係をなして第１ないし第３系統の電気接続路Ｐ１〜Ｐ３が接続されている。第１系統の電気接続路Ｐ１には、第１及び第４のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４が直列に介装されており、第２系統の電気接続路Ｐ２には、第２及び第５のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ５が直列に介装されており、第３系統の電気接続路Ｐ３には、第３及び第６のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ６が直列に介装されている。各、電気接続路Ｐ１〜Ｐ３において、第１ないし第３のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ３が、第４ないし第６のスイッチング素子Ｓ４〜Ｓ６に対して正側の１次側接続部Ａ１側に位置している。

第１ないし第６のダイオードＤ１〜Ｄ６は、対応する第１ないし第６のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６と並列関係をなし、正側の１次側接続部Ａ１側に向けて順方向になるように対応する各電気接続路Ｐ１〜Ｐ３に介装されている。

第１の２次側接続部Ｔ１は、第１系統の電気接続路Ｐ１上における第１のスイッチング素子Ｓ１と第４のスイッチング素子Ｓ４との間の中間部と電気接続されている。第２の２次側接続部Ｔ２は、第２系統の電気接続路Ｐ２上における第２のスイッチング素子Ｓ２と第５のスイッチング素子Ｓ５との間の中間部と電気接続されている。第３の２次側接続部Ｔ３は、第３系統の電気接続路Ｐ３上における第３のスイッチング素子Ｓ３と第６のスイッチング素子Ｓ６との間の中間部と電気接続されている。

昇圧用のインダクタＬ１は、正側の１次側接続部Ａ１と、第１ないし第３系統の電気接続路Ｐ１〜Ｐ３との間の電気接続路に介装されており、正側の１次側接続部Ａ１を介して供給される電流が、インダクタＬ１を介して各系統の電気接続路Ｐ１〜Ｐ３に供給されるようになっている。

次に、この電力変換装置の動作について説明する。大略的には、上述の図４に示す従来のインバータ部７の動作に、昇圧用のインダクタＬ１を利用して昇圧するための動作が追加されたような形式で動作するようになっている。

具体的には、インバータ部２１の交流電圧生成のための各ブリッジ回路のスイッチング動作に伴って、各ブリッジ回路を昇圧用のチョッパ回路として用いることにより昇圧が行われるようになっている。このため、モータ５へ電圧供給を行っているブリッジ回路が循環的に切り替えられるのに伴って、昇圧回路として機能するブリッジ回路も循環的に切り替えられるようになっている。

すなわち、例えば、図３に一例を示すように、第１のスイッチング素子Ｓ１がオンされて第１の２次側接続部Ｔ１を介してモータ５に電圧を供給するべき期間内において、第４のスイッチング素子Ｓ４が所定期間（図３のｔ１’）オンされ、これによってインダクタＬ１にエネルギーが蓄積される。また、この期間（ｔ１）内においては、第５及び第６のスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６が、この記載順序でオン期間をずらせてオンされ、これによって、第１の２次側接続部Ｔ１を介してモータ５のＵ相のコイルに流入した電流が、Ｖ相又はＷ相のコイルを介してモータ５外に流れ、第２又は第３の２次側接続部Ｔ２，Ｔ３、第５又は第６のスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６、及び負側の１次側接続部Ａ２を介してバッテリ側に流れる。なお、この期間（ｔ１）内において他のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３はオフに維持される。

続いて、第２の２次側接続部Ｔ２を介してモータ５に電圧を供給すべく、第１のスイッチング素子Ｓ１がオフされるのに伴って、第４のスイッチング素子Ｓ４がオフされるとともに、第２のスイッチング素子Ｓ２がオンされる。このとき、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４を介して電流を流す経路よりも、スイッチング素子Ｓ２、モータ５及びスイッチング素子Ｓ６を介して電流を流す経路の方が高負荷となるため、インダクタＬ１の電流変化を打ち消す特性により、電圧がインダクタＬ１に発生し、これによって、バッテリ電圧よりも高い電圧が、第２のスイッチング素子Ｓ２及び第２の２次側接続部Ｔ２を介してモータ５に供給される。

そして、この第２のスイッチング素子Ｓ２がオンされて第２の２次側接続部Ｔ２を介してモータ５に電圧を供給するべき期間（図３のｔ２）内において、第５のスイッチング素子Ｓ５が所定期間オンされ、これによってインダクタＬ１にエネルギーが蓄積される。また、この期間（ｔ２）内においては、第６及び第４のスイッチング素子Ｓ６，Ｓ４が、この記載順序でオン期間をずらせてオンされ、これによって、第２の２次側接続部Ｔ２を介してモータ５のＶ相のコイルに流入した電流が、Ｗ相又はＵ相のコイルを介してモータ５外に流れ、第３又は第１の２次側接続部Ｔ３，Ｔ１、第６又は第４のスイッチング素子Ｓ６，Ｓ４、及び負側の１次側接続部Ａ２を介してバッテリ側に流れる。なお、この期間（ｔ２）内において他のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ１はオフに維持される。

続いて、第３の２次側接続部Ｔ３を介してモータ５に電圧を供給すべく、第２のスイッチング素子Ｓ２がオフされるのに伴って、第５のスイッチング素子Ｓ５がオフされるとともに、第３のスイッチング素子Ｓ３がオンされ、上記の第１及び第２のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の場合と同様に、第３のスイッチング素子Ｓ３を用いたモータ５への電圧供給及びインダクタＬ１に対するエネルギー蓄積が行われる。

以後、上記動作を周期的に繰り返すことにより、バッテリからの直流電圧が昇圧されつつ３相交流電圧に変換されてモータ５に供給される。

図２は図４に示す従来のインバータ部の制御電圧波形の一例を示すタイミングチャートであり、図３は本実施形態に係る電力変換装置における制御電圧波形の一例を示すタイミングチャートである。図２及び図３に示すＳ１〜Ｓ６の波形は、３相１２０度通電方式によるスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のゲート制御電圧の波形を示しており、図３に示すＬ１の波形は、昇圧用のインダクタＬ１によって生成される電圧の波形を示している。

図２及び図３のタイミングチャートより分かるように、本実施形態に係る電力変換装置では、第１ないし第３のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の各オン期間（ｔ１〜ｔ３）内の途中で（例えば、略後半部分において）、そのオンされているスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３と同一のブリッジにある対応する第４ないし第６の各スイッチング素子Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６をオンさせることにより、インダクタＬ１に対するエネルギーの蓄積を行うとともに、第１ないし第３の各スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３がオフされて次のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３がオンされるのに伴って、そのオフされたスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３と同一のブリッジにある第４ないし第６の各スイッチング素子Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６をオフさせることにより、インダクタＬ１に高電圧を発生させてモータ５に供給するようになっている。

以上のように、本実施形態によれば、インバータ部２１における直流電圧の入力経路にインダクタＬ１を介装し、インバータ部２１に設けられる直流／交流変換用のブリッジ回路を、インダクタＬ１を用いて昇圧を行うためのチョッパー回路として兼用して昇圧を行う構成であるため、従来のように昇圧用の専用のチョッパー回路を設けた構成に比して、小型及び低コストな構成で昇圧及び直流から交流への変換ができる。

また、小型及び低コストな構成で、入力電圧を昇圧しつつ、３相交流電圧に変換することができる。

さらに、インバータ部２１に用いられるスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６がワイドバンドギャップ半導体を用いて構成されているため、高効率な電力変換装置を構成できる。

なお、本実施形態では、直流電圧を３相交流電圧に変換するインバータ部２１にインダクタＬ１を付設する構成としたが、３相以外の交流変換（例えば、単相、２相等）を行う他のインバータ部に対しても、本実施形態と同様に、インダクタＬ１を付設し、同様な原理で昇圧及び交流変換を行うことができる。また、通電方式についても、１２０度通電方式のインバータ部２１に限らず、１５０度通電方式及び１８０度通電方式等のインバータ部にも同様に適用可能である。

本発明の一実施形態に係る自動車用の電力変換装置の構成を示す回路図である。図４の電力変換装置におけるインバータ部の制御電圧波形の一例を示すタイミングチャートである。図１の電力変換装置における制御電圧波形の一例を示すタイミングチャートである。従来の自動車用の電力変換装置の一般的な構成を示す回路図である。

符号の説明

５モータ
２１インバータ部
２３制御部
Ｌ１インダクタ
Ｓ１〜Ｓ６スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ６ダイオー

Claims

電力変換装置であって、
入力される直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ部と、
前記直流電圧の入力経路に介装されたインダクタと、
を備え、
前記インバータ部に設けられる直流／交流変換用のブリッジ回路が、前記インダクタを用いて昇圧を行うためのチョッパー回路として兼用される、ことを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記インバータ部は、前記直流電圧を多相交流電圧に変換して出力する、ことを特徴とする電力変換装置。
請求項１又は２に記載の電力変換装置において、
前記インバータ部には、２つのスイッチング素子が直列に介装された前記ブリッジ回路が複数設けられ、
前記複数のブリッジ回路は、電力供給を行うブリッジ回路が循環的に切り替えられるようになっており、
前記電力変換装置は、
前記各ブリッジ回路の前記各スイッチング素子をオン、オフ制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、
電力供給中の前記ブリッジ回路における前記一方のスイッチング素子をオンに切り替えているオン期間の途中で前記他方のスイッチング素子をオンに切り替え、前記オン期間が終了するのに共って、前記一方のスイッチング素子をオフに切り替えて次のブリッジ回路の一方のスイッチング素子をオンに切り替えるとともに、オンに切り替えていた前記他方のスイッチング素子をオフに切り替える、ことを特徴とする電力変換装置。
請求項１ないし３のいずれかに記載の電力変換装置において、
前記インバータ部の前記ブリッジ回路に用いられるスイッチング素子が、ワイドバンドギャップ半導体を用いて構成されている、ことを特徴とする電力変換装置。
直流／交流変換を行うインバータ部における直流電圧の入力経路にインダクタを介装し、
前記インバータ部に設けられる直流／交流変換用のブリッジ回路を、前記インダクタを用いて昇圧を行うためのチョッパー回路として兼用して昇圧を行う、ことを特徴とする電力変換方法。