JP2005304143A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 従来の電力変換装置においては、発電機が発生する交流電力を直流電力に整流するダイオード素子のオン電圧が大きいため発熱が大きく、過熱時にはダイオード素子の焼損を防止するために発電動作を停止しなければならず、電力変換装置の機能が制約されてしまうという課題があった。
【解決手段】 発電電動機６で発電しダイオード素子４で整流する発電モードにおいて、発電電動機６の交流電力線に装荷した電流センサ１１の出力信号に基づいて、同期整流ゲート信号発生回路１２により、ダイオード素子４のうち導通状態にあるものを検出して、そのダイオード素子４に並列接続されたスイッチング素子３をオンさせる。これによりダイオード素子４の電流の大部分をスイッチング素子３に流し、ダイオード素子４の発熱を低減する。
【選択図】図１

Description

この発明は直流電源と交流発電電動機との間に挿入される電力変換装置の改良に関する。

ハイブリッド電気自動車では、バッテリなどの直流電源装置の直流電力を任意周波数の交流電力に変換して交流電動機を駆動するとともに、この交流電動機が発電機として動作するとき（例えば回生制動時）には発電された交流電力を整流して前記直流電源に充電するための電力変換装置が使用される。
電力変換装置は、例えば特許文献１の図２に開示されているように、複数のスイッチング素子８と複数のダイオード素子９とを含むインバータモジュール１０を構成し、これにより交流直流変換動作を行う。この電力変換動作にともないスイッチング素子８とダイオード素子９には電流が流れ、これらスイッチング素子やダイオード素子は発熱する。特許文献１の図２に示す構成の電力変換装置においては、発電動作にともない交流を直流に変換するときにはダイオード素子９による整流が行われ、ダイオード素子９が発熱する。無論、運転モードによってはスイッチング素子８にも電流が流れスイッチング素子も発熱する。
ところでダイオード素子９は電流が流れているときの端子間電圧（アノード／カソード間電圧、一般的に０．７Ｖ程度）がスイッチング素子８のそれ（オン抵抗が数ｍΩのＭＯＳ形トランジスタであれば、１００Ａ流れても数１００ｍＶ程度）より大きいので同じ大きさの電流が流れてもダイオード素子９の方がより多く発熱する。

そして、例えば周囲の温度が高ければ、電力が大きい発電動作時にはダイオード素子は過熱状態となるので、電流を制限しないと許容温度を超え、電力変換装置が故障する場合がある。そこで、特許文献１では、ダイオード素子９の過熱状態をサーミスタ２１により検知し、過熱と判定された場合には発電動作が抑制され、抑制の後に所定時間が経っても過熱状態が改善されない場合には発電動作を停止することで、電力変換装置の過熱保護を行っている。
しかし、発電動作を抑制ないし停止することで、ダイオード素子９の過熱を防止するので、電力変換装置の機能が制約されてしまうという課題があった。
特開平１０−１９１６９１号公報

従来の電力変換装置においては、発電動作時に整流するダイオード素子のオン電圧が大きいため発熱が大きく、過熱時にはダイオード素子の焼損を防止するために発電動作を抑制ないし停止しなければならず、電力が大きな発電動作を継続してできないという課題があった。また、発電動作時に電力変換装置における損失が大きいので、発電効率が低いという課題があった。

この発明は、上記の課題を解消し、発電動作時のダイオード素子の発熱を少なくすることにより、ダイオード素子の過熱により電力変換装置の機能が制約されることを少なくし、かつ、発電効率の高い電力変換装置を得ようとするものである。

この発明の電力変換装置は、外部から駆動されて交流電力を発生する発電機に接続され、前記交流電力を整流するダイオード素子、
前記ダイオード素子に並列に接続されたスイッチング素子、
前記発電機と前記ダイオード素子とを接続する交流電力線に装荷された電流検出器、
前記電流検出器の出力信号に基づいて、前記ダイオード素子のうち導通状態にあるものを検出し、前記導通状態にあるダイオード素子に並列に接続された前記スイッチング素子を制御して、前記ダイオード素子に流れる電流の一部を前記スイッチング素子に分担させる同期整流ゲート信号発生回路を備えたものである。

発電時のダイオード素子による整流動作において、ダイオード素子の導通と同期させて並列に接続されたスイッチング素子をオンさせる。スイッチング素子のオン電圧はダイオード素子のそれより低いので、ダイオード素子にはほとんど電流が流れなくなり、その結果素子全体の発熱量を低下させることが出来る。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１の電力変換装置の全体の構成図を図１に示す。直流電源１の＋及び−端子は電力変換装置１０の電力変換部２に接続される。電力変換部２は直流電源１の＋端子に接続された３つのスイッチング素子（例えばオン抵抗が数ｍΩのＭＯＳ形トランジスタ）３ａ，３ｂ，３ｃと、同じく−端子に接続された３つのスイッチング素子３ｄ，３ｅ，３ｆを有する。そしてこれら６つのスイッチング素子３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆには、それぞれ並列にダイオード素子（以下単にダイオード）４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆが接続されている。以下の説明の都合上、スイッチング素子３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆの部分を第１電力変換部、ダイオード４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，４ｅ，４ｆを第２電力変換部と呼ぶ。
各スイッチング素子は制御端子を持っている。この制御端子にはゲート駆動回路５がそれぞれ接続されている。ゲート駆動回路５は回路を絶縁したり、入力される信号をスイッチング素子の制御に適した電圧の信号に整形したり、スイッチング素子を制御する駆動力の増幅を行ったりする機能を有する。

スイッチング素子３ａと３ｄ，３ｂと３ｅ、３ｃと３ｆとは、それぞれが互いに直列に接続され、その接続点はそれぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の交流入出力端子として電力変換部２の外部に出力されている。交流入出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗには交流発電電動機６（以下モータ／ジェネレータという）が接続されている。車両に用いられる場合、一般にはモータ／ジェネレータ６は同期機であり、印加された交流周波数に同期して回転するとともに、外力によって駆動されるときは同期発電機として動作する。発電された交流電力は第２電力変換部により整流されて直流に変換され直流電源１に回生される。

まず、図１の電力変換装置１０の一般的な動作について説明する。
外部から与えられる車両制御信号９９（例えばアクセルペダルの信号）に基づいて、モータ／ジェネレータ６を電動機として動作させるときには、制御回路７は第１電力変換部のスイッチング素子３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆのそれぞれに、ゲート回路５を介して、適切なタイミングで信号ＵＨ，ＵＬ，ＶＨ，ＶＬ，ＷＨ，ＷＬを与え、電力変換部２が直流電源１の直流電圧を任意の周波数で、適当な電圧の交流電圧に変換するように動作させる。このときの動作は一般的なインバータとして公知であるので、ここではより詳細な説明は省略する。こうして変換された交流電力によりモータ／ジェネレータ６は駆動される。（以下、この動作モードを力行モードと言う）

また、車両制御信号９９にもとづいて、モータ／ジェネレータ６を発電機として動作させたときには、モータ／ジェネレータ６が発電する交流電力は、電力変換部２で整流され、直流電源１に回生される。
このときの電流の制御には、主にモータ／ジェネレータ６の回転速度に応じた種々の方式がある。即ち、高速回転中は例えば図示しない界磁回路の電流を制御回路７で制御することで、第２電力変換部のダイオード４ａ〜４ｆによる３相全波整流で適当な充電電流が得られるように発電電圧が制御される（以下、この動作モードを３相全波整流発電モードと言う）。
また、低速回転中など、モータ／ジェネレータ６の誘起電圧が直流電源１への回生には不十分なときには、スイッチング素子３ａ〜３ｆをスイッチングさせることで昇圧し、直流電源１に回生する動作を行う（以下、この動作モードをインバータ発電モードという）。
モータ／ジェネレータ６の３相の線には電流センサ１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗが挿入されていて、交流電流の波形が検出されている。Ｕ相電流の波形は例えば図３にＩｕとして示している。また、各相の電流センサから検出された信号はＣｕ，Ｃｖ，Ｃｗとする。Ｕ相の電流センサ１１Ｕから検出されたＵ相の電流の検出信号はＣｕとして図３に示している。信号Ｃｕはここでは電圧信号であるがその波形形状は基本的にＩｕと同じである。電流センサ１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗはその波形から電流の大きさと方向とを検出できる。

電流センサ１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗの検出信号を同期整流ゲート信号発生回路１２に入力する。同期整流ゲート信号発生回路１２の構成を図２に示す。図２には３相分の回路を示しているが以下の説明はＵ相の動作について説明する。
同期整流ゲート信号発生回路１２ではコンパレータ（電流比較回路）１２Ｃを備えており、入力された電流センサ１１Ｕの検出信号（Ｃｕ）をあらかじめ定めた一定のレベル信号（ＣｒｅｆＨとＣｒｅｆＬ）と比較する。そして信号ＣｕのレベルがＣｒｅｆＨまたはＣｒｅｆＬで規定される範囲を逸脱したとき、具体的には信号ＣｕがＣｒｅｆＬを超えている間にタイミング信号ＵＬ１を、また信号ＣｕがＣｒｅｆＨを下回っている間にタイミング信号ＵＨ１を出力する。ここでいう一定のレベルは、例えば電流センサＵ，Ｖ，Ｗの検出誤差による誤判定を防止できる程度のものとする。これにより例えば電流センサの出力信号のゼロ点出力のばらつきや、出力応答遅れがある場合でもダイオードに導通していないのに導通していると間違った信号を出力する恐れをなくすことができる。

信号ＵＨ１とＵＬ１とはＡＮＤゲート１２ｄを経由して出力されるが、ＡＮＤゲート１２ｄには制御回路７からの動作モードを示す信号（図２にＡＲＦＳＷとして示す）が入力される。この信号ＡＲＦＳＷは３相全波整流発電モードではＨ、力行モードおよびインバータ発電モードではＬとなる。即ち、制御回路７は前述の第１電力変換部と第２電力変換部の動作または非動作状態を示す運転モード信号を出力するのである。
これにより、３相全波整流発電モード、かつ、交流電流の値が前述の所定のレベルを超えている間のみ信号ＵＨ２，ＵＬ２が出力される。

出力された信号ＵＨ２，ＵＬ２は制御回路７でスイッチング素子３をインバータ制御するための信号（図中ＵＨ＊，ＵＬ＊として示している）の出力端子にＯＲゲート７ｄにより挿入される。もちろん信号ＵＨ＊，ＵＬ＊は力行モードおよびインバータ発電モードのときに出力され、信号ＵＨ２，ＵＬ２は３相全波整流発電モードのときに出力されるのであるから同時に出力されることはなく、両信号が重複して出力されることはない。

出力された信号ＵＨは、ダイオード４ａに電流が流れているタイミングでスイッチング素子３ａをオンさせ、また、信号ＵＬはダイオード４ｄに電流が流れているタイミングでスイッチング素子３ｄをオンさせる。ダイオード（シリコンダイオード）４は通電中の端子間電圧（オン電圧とも言う）が０．７〜０．８Ｖ程度あるのに対して、スイッチング素子３（ＭＯＳ形トランジスタ）は数ｍΩの抵抗値しか示さないので、ダイオードに流れていた電流はその大部分がスイッチング素子のほうに流れる。したがってダイオードの発熱量は大幅に軽減される。この状態を図３のダイオード電流波形４０に示す。４０はダイオード４ｄに流れる電流波形を、信号ＡＲＦＳＷが入る前と、入った後との比較のために示している。信号ＡＲＦＳＷが入った後は電流波形の面積が極めて小さくなっている。したがって、ダイオードの発熱量は、無視できるほどに小さくなり、素子全体としての発熱量はスイッチング素子の発熱量に依存する。
この軽減量について例を示して説明すると、例えばＵ相の電流実効値が５０Ａとすると、ダイオード４ａでの整流による発熱量は概算で、
約０．８Ｖ × ５０ ×（１／２）＝２０Ｗである。
一方、この発明に基づいて、導通しているダイオードに並列に接続されたスイッチング素子により整流した場合のスイッチング素子３ａの発熱量は
約（４ｍΩ×５０Ａ）×５０Ａ×（１／２）＝５Ｗとなり、その発熱量は格段に少なくなることがわかる。ここではスイッチング素子のオン抵抗は４ｍΩとしたが、オン抵抗がさらに小さいスイッチング素子を用いれば、損失低減効果はさらに高まる。
なお、以上の説明では発電電動機として説明したが、単なる発電機の出力をダイオードで整流する整流装置に応用することも可能である。

以上のように、３相全波整流発電モード時、整流ダイオードの導通と同期させて、スイッチング素子をオンするので、電流経路の抵抗が低下し、その結果、ダイオードの発熱は大幅に低下し、一方、スイッチング素子の増加した発熱は微量であるから、素子全体としての発熱量が減少し、且つ、発電効率を向上させることができる。
また、同期整流ゲート信号発生回路内に同期整流ゲート信号を無効化するスイッチ（ＡＲＦＳＷ）を設け、３相全波整流発電モード以外の動作モードにおいては、それらの動作モードにおけるゲート信号を妨げないようにしたので、力行モードやインバータ発電モード時においても、同期整流ゲート信号発生回路の影響を受けずに安全に動作させることができる。

実施の形態２．
実施の形態１の図１では電流センサ１１は３相分を設置した。しかし、図４に示すように、Ｕ，Ｖ，Ｗの内、いずれか２相のみとりつければ、もう１相の電流値（瞬時値）は簡単に演算してもとめることができる。図４はこのようにした電力変換装置の全体構成を示し、以下、各図において実施の形態１の図１、図２、図３と同様の符号は同一または相当部分を示し、その詳細な説明は省略する。
図４ではＵ相とＶ相のラインに電流センサ１１を取り付けてこれら２相の電流を検出し、Ｗ相の電流はこれら２相の電流から演算して求める（電流演算回路という）場合について示している。
図４の同期整流ゲート信号発生回路２２の構成を図５に示す。同期整流ゲート信号発生回路２２はＵ相とＶ相の電流センサ１１の信号ＣｕとＣｖとを加算反転回路２２ａで合算して反転する。また同時に電流センサ１１にオフセット電圧があれば（図では例えば２．５Ｖ）それとの差を求めて反転することにより擬似的にＷ相の電流検出信号を作っている。比較回路２２ｃ、およびＡＮＤゲート２２ｄは、図２で説明した比較回路１２ｃ、ＡＮＤゲート１２ｄと同じなので説明を省略する。求めたＷ相、及び検出したＵ，Ｖ相の電流の方向から各相の通電しているダイオードを検知し、そのダイオードと並列接続されたスイッチング素子（ＭＯＳ形トランジスタ）３ａ〜３ｆのゲートをオン状態とする。
その他の動作については実施の形態１の図１、図２の場合と同じなので、詳細な説明を省略する。

実施の形態３．
車両に用いられる電流センサ１１には種々の形式のものがあり、中には、例えばホール素子を用いた電流センサのように、電流センサのゼロ点出力電圧に精度が乏しい（直流成分のドリフトが生じる）場合には、電流センサの出力信号をＡＣカップリングして直流ドリフト成分を遮断することで、理想的な電流センサ出力信号にして、相電流の方向を正しく検出できるようにすることができる。このようにした同期整流ゲート信号発生回路２３を図６に示す。

図６のものは、理解を助けるため本実施の形態の技術を、実施の形態２の図５のものに対して実施した例を示している。図中、加算反転回路２２ａ、比較器２２ｃ、ＡＮＤゲート２２ｄなどは図５と同じなので説明を省略する。
Ｃは比較器２２ｃの入力ラインに挿入されたコンデンサで、電流センサの出力に含まれる直流レベルをカットする。コンデンサＣの後段に２．５Ｖラインとの間に接続した抵抗器は検出電流のゼロ点電圧を２．５Ｖとするためのものであり、この形式や電圧レベルに限るものではない。
このように、ＡＣカップリング用のコンデンサを用いて電流センサの出力信号からゼロ点出力のばらつきを除去することにより、比較器２２ｃの基準レベルＣｒｅｆＨ，ＣｒｅｆＬを、ゼロ点出力電圧のごく近くに設定できるようになるので、スイッチング素子により整流する期間（１サイクル中の時間長さ）が大きくなり、素子の発熱をさらに抑えることができる。なお、図６は図５のものにコンデンサＣを追加したが、実施の形態１の図２のものに適用することも、もちろん可能である。

この発明の電力変換装置は、ハイブリッド自動車に限らず、交流を発電する機能とこの交流を整流するダイオードを備えた装置、例えば交流駆動の電車にも使用できる。

本発明の実施の形態１の電力変換装置の構成図である。 図１の制御回路と同期整流ゲート信号発生回路の構成図である。 図２の同期整流ゲート信号発生回路の動作を説明するための波形図である。 本発明の実施の形態２の電力変換装置の構成図である。 図４の制御回路と同期整流ゲート信号発生回路の構成図である。 本発明の実施の形態３の制御回路と同期整流ゲート信号発生回路の構成図である。

符号の説明

１ 直流電源、 ２ 電力変換部、
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ、３ｆ スイッチング素子、
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ、４ｅ、４ｆ ダイオード素子、
５ ゲート駆動回路、 ６ 交流発電電動機、 ７ 制御回路、
７ｄ ＯＲゲート、 １１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ 電流センサ、
１２ 同期整流ゲート信号発生回路、 １２ｃ 比較器、
１２ｄ ＡＮＤゲート、 ２２ 同期整流ゲート信号発生回路、
２２ａ 加算反転回路（電流演算回路）、 ２２ｃ 比較器、
２２ｄ ＡＮＤゲート、 ２３ 同期整流ゲート信号発生回路
４０ ダイオード４ｄの電流波形。

Claims (9)

1. 外部から駆動されて交流電力を発生する発電機に接続され、前記交流電力を整流するダイオード素子、
   前記ダイオード素子に並列に接続されたスイッチング素子、
   前記発電機と前記ダイオード素子とを接続する交流電力線に装荷された電流検出器、
   前記電流検出器の出力信号に基づいて、前記ダイオード素子のうち導通状態にあるものを検出し、前記導通状態にあるダイオード素子に並列に接続された前記スイッチング素子を制御して、前記ダイオード素子に流れる電流の一部を前記スイッチング素子に分担させる同期整流ゲート信号発生回路を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 直流電源から供給された直流電力をスイッチング素子により交流電力に変換して発電電動機に供給する第１電力変換部、
   前記スイッチング素子に並列接続され前記発電電動機が発電した交流電力を直流に変換して前記直流電源に回生するダイオード素子を含む第２電力変換部、
   前記スイッチング素子を制御する制御信号を出力するとともに、前記第１電力変換部の動作または非動作状態、もしくは前記第２電力変換部の非動作または動作状態を示す運転モード信号を出力する制御回路、
   前記第２電力変換部と前記発電電動機とを接続する交流電力線に装荷された電流検出器、
   前記運転モード信号にもとづき前記第２電力変換部が動作していると判定されるときに、前記電流検出器の出力信号にもとづいて、前記ダイオード素子の内、導通状態にあるものを検出し、前記導通状態にある前記ダイオード素子に並列に接続された前記スイッチング素子を制御して、前記ダイオード素子に流れる電流の一部を前記スイッチング素子に分担させる同期整流ゲート信号発生回路を備えたことを特徴とする電力変換装置。
3. 前記発電機は３相の交流発電機であり、前記電流検出器は前記３相のうち、任意の２相の電流を検出するものであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記発電電動機は３相の交流発電電動機であり、前記電流検出器は前記３相のうち、任意の２相の電流を検出するもの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。
5. 前記２相の電流を検出する前記電流検出器の信号を受けて、前記３相のうちの前記電流検出器が検出していない１相の電流波形を演算する電流演算回路を備えたことを特徴とする請求項３または４に記載の電力変換装置。
6. 前記電流検出器の信号の出力からゼロドリフトを除去するＡＣカップリング回路を備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
7. 前記同期整流ゲート信号発生回路は、前記電流検出器が検出した電流があらかじめ定めた所定のレベルを超えたときにタイミング信号を出力する電流比較回路を備え、
   前記タイミング信号により、前記ダイオード素子のうち導通状態にあるものを検出し、前記導通状態にあるダイオード素子に並列接続された前記スイッチング素子を制御する動作を行わせることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
8. 前記同期整流ゲート信号発生回路は、前記スイッチング素子を制御して前記ダイオード素子に流れる電流の一部を前記スイッチング素子に分担させる動作を停止するスイッチを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
9. 前記ダイオード素子は、前記スイッチング素子の内部で前記スイッチング素子に並列に寄生的に構成された素子であることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。

Images