JP2009027867A - 昇降圧コンバータの駆動制御装置及び昇降圧コンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】昇圧動作と降圧動作との切り替えを安定的に行うことのできる昇降圧コンバータを提供することを課題とする。
【解決手段】昇降圧コンバータは、リアクトル１ａ〜１ｆ、昇圧用ＩＧＢＴ２ａ〜２ｆ、降圧用ＩＧＢＴ３ａ〜３ｆ、蓄電素子であるコンデンサ４が接続される電源接続端子５、及び、力行運転及び回生運転の双方を行うモータ６が接続される出力端子７を備える。昇降圧コンバータの駆動制御装置は、昇圧用ＩＧＢＴ２ａ〜２ｆと降圧用ＩＧＢＴ３ａ〜３ｆの駆動を切り替える際に、昇圧用ＩＧＢＴ２ａ〜２ｆと降圧用ＩＧＢＴ３ａ〜３ｆの双方の駆動を停止する停止期間を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、昇圧用スイッチング素子及び降圧用スイッチング素子を有し、負荷への電力供給の制御と、負荷より得られる回生電力の蓄電素子への供給の制御とを行う昇降圧コンバータの駆動制御装置及び昇降圧コンバータに関する。

従来より、電気自動車等では、走行用モータを駆動するためのインバータ回路の前段に昇降圧コンバータを設け、この昇降圧コンバータによりバッテリ電圧を昇圧してインバータ回路に供給するという制御が行われている。また、走行用モータが回生状態となったときには、その回生電力を昇降圧コンバータにより降圧してバッテリを充電している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−２８２８３５号公報

ところで、例えば、建設機械等のいわゆる重機械の機能の一部を電動化するような場合には、電気自動車等よりも遙かに大きな電力が必要とされるため、汎用の昇降圧コンバータを用いることはできない。

また、このような特殊用途に応じて、各素子を大型化（大容量化）させることにより、大電力に耐えうるように設計される昇降圧コンバータでは、電力損失が多くて効率が低いという課題があった。

さらに、大電力を取り扱うため、昇圧と降圧との切り替え制御においては、より高度な安全性が求められるという課題もあった。

そこで、本発明は、昇圧動作と降圧動作との切り替えを安定的に行うことができ、大電流に耐えうる昇降圧コンバータの駆動制御装置及び昇降圧コンバータを提供することを目的とする。

本発明の一局面の昇降圧コンバータの駆動制御装置は、力行運転及び回生運転の双方を行う電動機への電力供給を制御するための昇圧用スイッチング素子、前記電動機より得られる回生電力の前記電源への供給を制御するための降圧用スイッチング素子、及び、リアクトルを含む昇降圧用素子が複数並列に接続される昇降圧コンバータの駆動制御装置であって、前記昇圧用スイッチング素子及び前記降圧用スイッチング素子を駆動制御し、当該昇圧用スイッチング素子と当該降圧用スイッチング素子との駆動を切り替える際に、複数並列に接続されるすべての昇圧用スイッチング素子及び降圧用スイッチング素子の駆動を停止する停止期間を設ける。

また、前記停止期間は、前記昇圧用スイッチング素子と前記降圧用スイッチング素子との駆動制御を切り替える際に、すべての前記昇圧用スイッチング素子及び前記降圧用スイッチング素子を駆動するためのスイッチングデューティがオフになるのを待機した後の所定期間、又は、すべての前記昇圧用スイッチング素子及び前記降圧用スイッチング素子を駆動するためのスイッチングデューティを強制的にオフにした後の所定期間であってもよい。

本発明の一局面の昇降圧コンバータは、力行運転及び回生運転の双方を行う電動機との間で電力の授受を行うための第１端子と、前記電動機への供給電力を蓄積する電源が接続される第２端子と、前記電動機への電力の供給を制御するための昇圧用スイッチング素子、前記電動機より得られる回生電力の前記電源への供給を制御するための降圧用スイッチング素子、及び、前記昇圧用スイッチング素子及び前記降圧用スイッチング素子と前記第２端子との間に接続されるリアクトルを含む昇降圧用素子が複数モジュール化されて並列接続される並列型昇降圧用素子と、前記並列型昇降圧用素子に含まれる前記昇圧用スイッチング素子及び前記降圧用スイッチング素子を駆動制御し、当該昇圧用スイッチング素子と当該降圧用スイッチング素子との駆動を切り替える際に、すべての昇圧用スイッチング素子及び降圧用スイッチング素子の駆動を停止する停止期間を設ける駆動制御手段とを含む。

本発明によれば、昇圧動作と降圧動作との切り替えを安定的に行うことができ、大電流に耐えうる昇降圧コンバータの駆動制御装置及び昇降圧コンバータを提供できるという特有の効果が得られる。

以下、本発明の昇降圧コンバータの駆動制御装置及び昇降圧コンバータを適用した実施の形態について説明する。

図１は、本実施の形態の昇降圧コンバータの駆動制御装置及び昇降圧コンバータの回路構成を概略的に示す図である。この昇降圧コンバータは、リアクトル１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅ及び１ｆ（以下、１ａ〜１ｆと記す。後述する符号２及び３についても同様）、昇圧用ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）２ａ〜２ｆ、降圧用ＩＧＢＴ３ａ〜３ｆ、電源として用いられるコンデンサ４を接続するための電源接続端子５、モータ６との間で電力を授受するための出力端子７、及び、一対の出力端子７に並列に挿入されるコンデンサ８を備える。

各リアクトル１ａ〜１ｆの一端は、符号Ｘで示す電源接続端子５に接続され、各他端は、昇圧用ＩＧＢＴ２ａ〜２ｆと降圧用ＩＧＢＴ３ａ〜３ｆの各接続点に接続される。また、各昇圧用ＩＧＢＴ２ａ〜２ｆのドレイン端子は、符号Ｙで示す電源接続端子５と出力端子７に接続される。各降圧用ＩＧＢＴ３ａ〜３ｆのソース端子は、符号Ｚで示す出力端子７に接続される。

ここで、リアクトル、昇圧用ＩＧＢＴ、及び降圧用ＩＧＢＴを１つずつ含む素子を「昇降圧用素子」として扱う。すなわち、図１に示す回路構成では、昇降圧素子が６つ並列接続されている。ここでは、このように昇降圧用素子が並列に接続された素子を並列型昇降圧用素子と称す。

なお、図１には、電源として用いられる蓄電素子としてコンデンサ４を示すが、この蓄電素子は、充放電可能な二次電池であればよい。また、出力端子７に接続されるモータ６は、力行運転及び回生運転が可能な電動機であればよい。

図２は、本実施の形態の昇降圧コンバータの回路に含まれる素子の接続関係を説明するための図である。この図２は、本実施の形態の昇降圧コンバータの回路の一部であるリアクトル１ａ、１ｂ、１ｃ、昇圧用ＩＧＢＴ２ａ、２ｂ、２ｃ、降圧用ＩＧＢＴ３ａ、３ｂ、３ｃ、電源接続端子５、及び出力端子７の接続関係を表す図である。

ここに示すように、リアクトル１ａは、昇圧用ＩＧＢＴ２ａ及び降圧用ＩＧＢＴ３ａと電源接続端子５との間に配設されており、また、コンデンサ８は、昇圧用ＩＧＢＴ２ａ及び降圧用ＩＧＢＴ３ａと出力端子７との間に挿入される。この接続関係は、リアクトル１ｂ、昇圧用ＩＧＢＴ２ｂ、及び降圧用ＩＧＢＴ３ｂと、リアクトル１ｃ、昇圧用ＩＧＢＴ２ｃ、及び降圧用ＩＧＢＴ３ｃとについても同様であり、さらに、この図２に図示しないリアクトル１ｄ〜１ｆ、昇圧用ＩＧＢＴ２ｄ〜２ｆ、及び降圧用ＩＧＢＴ３ｄ〜３ｆについても同様である。

本実施の形態の昇降圧コンバータは、例えば、ハイブリッド式の建設機械の電源制御部に適用することができる。具体例としては、建設機械のアームの角度操作を電動モータで駆動制御する形態、これに加えてバケットリンクの電動駆動若しくはリフティングマグネットの電動化を行う形態、又は、走行用の無限軌道の駆動装置を電動化若しくはハイブリッド化する形態等における電源制御部に用いることができる。

これらの用途では、例えば、キャパシタ４の電圧値が約１００〜３００Ｖ、出力端子７における出力定格電圧が約３６０Ｖ、定格出力が約２０ｋＷ、瞬時最大出力電力が±６０ｋＷ、定格電流が±５５Ａ、瞬時最大電流が±１７０Ａ程度となる。

このため、本実施の形態におけるリアクトル１ａ〜１ｆ、昇圧用ＩＧＢＴ２ａ〜２ｆ、降圧用ＩＧＢＴ３ａ〜３ｆ、電源接続端子５、出力端子７、及びコンデンサ８は、図１に示す一つの昇降圧コンバータとして、このような用途に耐えうるものであることが要求される。

図２に示す昇圧用ＩＧＢＴ２ａ〜２ｆ及び降圧用ＩＧＢＴ３ａ〜３ｆは、図示しない駆動制御部によってＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動される。すなわち、これらのＩＧＢＴ（２ａ〜２ｆ、３ａ〜３ｆ）のゲート電極には、駆動制御部から駆動用のパルス電圧が印加される。このような制御部は、電子回路又は演算処理装置のいずれでも実現することができる。

図３は、本実施の形態の昇降圧コンバータの各リアクトルを通流する電流のリップルを概略的に示す波形図である。説明の便宜上、図を簡略化するために、図３（ａ）にはリアクトル１ａ〜１ｃを通流する電流の波形のみを示す。

本実施の形態の昇降圧コンバータでは、昇降圧用素子の並列数をＮで表す場合に、出力端子７の出力電圧値を所望の値に制御するために、出力端子７で検出される出力電圧値に基づいて各ＩＧＢＴ（２ａ〜２ｆ、３ａ〜３ｆ）の駆動に用いるスイッチングデューティを演算し、各ＩＧＢＴを駆動制御する際に、Ｎ個の昇降圧素子に含まれる各ＩＧＢＴが均等な位相差で駆動されるようにする。

このような駆動制御により、図３（ａ）に示すようにリアクトル１ａ〜１ｃの電流リップルａ、ｂ、ｃが分散され、これらの合成波形として得られる合成リップルｇは、図３（ｂ）に示すように、振幅値を１／Ｎ倍にすることができる。これにより、従来の昇降圧コンバータのように、大電流に耐えうる大容量のリアクトルを１つだけ用いる場合よりも、回路中に通流する電流のリップルの振幅を小さくすることができる。この結果、リアクトルのインダクタンスの値を小さくすることが可能となり、リアクトルの大幅な小型化、軽量化、低コスト化を図ることができる。

すべての昇降圧用素子を同一のタイミング（同期式）で駆動すると、各リアクトルの電流リップルが合成されてＮ倍になるため、リアクトルのインダクタンスを大きくする必要が生じるが、上述のように均等な位相差を有する駆動制御を行うことにより、電流リップルを小さくでき、これにより、リアクトルの大幅な小型化、軽量化、低コスト化を図ることができる。

ここで、昇降圧用素子を並列化して駆動制御すると、図４に示すように、位相差を持たせた駆動制御において、昇圧用ＩＧＢＴ２ｂ及び２ｃと、降圧用ＩＧＢＴ３ａとが、同時にオンになることがあり得る。このような場合には、図４に点線で示すような環流が生じてしまい、昇降圧制御に支障が生じる。

このため、本実施の形態の昇降圧コンバータでは、図５に示すように、昇圧動作と降圧動作の切り替え時に、昇圧用ＩＧＢＴ２ａ〜２ｆ及び降圧用ＩＧＢＴ３ａ〜３ｆがすべてオフとなる待機時間を設けることにより、図４に示すような還流が生じないようにしている。

このように環流を防止することにより、昇圧用ＩＧＢＴ１ａ〜２ｆと降圧用ＩＧＢＴ３ａ〜３ｆとの短絡を防ぐことができ、装置破壊を防止することができる。

なお、この待機時間とは、図５に示すように、昇圧と降圧の切り替え時に、切り替え前の駆動（昇圧又は降圧）が完了した（駆動制御によりオフにされた）後の所定期間であり、例えば、１０ＫＨｚの周期でスイッチングが行われている場合は、１００μ秒程度となる。

本実施の形態の昇降圧コンバータは、図１に示すようなリアクトル、昇圧用ＩＧＢＴ、及び降圧用ＩＧＢＴを１つずつ含む「昇降圧用素子」が６つ並列接続された回路構成を有する。このため、リアクトル１ａ〜１ｆ、昇圧用ＩＧＢＴ２ａ〜２ｆ、及び降圧用ＩＧＢＴ３ａ〜３ｆの各々の素子に流れる電流が低減される。

このように、素子１つあたりに流れる電流量を減少させることにより、大電圧・大電流に対応するための素子を１つだけ用いる場合に比べて電力損失の抑制を図ることができる。また、リアクトルや昇降圧用のＩＧＢＴ等の素子として、小型で軽量な汎用素子を用いることができるので、従来のように、大電流用の特殊な素子を用いる場合に比べて、製造コストの低減を図ることができる。

リアクトル、昇圧用スイッチング素子、及び降圧用スイッチング素子をそれぞれ１つずつ備える従前の昇降圧コンバータを、ハイブリッド式の建設用機械のような大電力システムに用いる場合には、大容量のリアクトルやスイッチング素子を用いる必要があり、高コスト化を招いていた。

これに対して本実施の形態の昇降圧コンバータでは、昇降圧用素子を並列化することで、リアクトルや昇降圧用のＩＧＢＴ等の素子として、小型で軽量な汎用素子を用いることができ、また、デバイス１つあたりに流れる電流の量が減少するため、ＩＢＧＴやリアクトルからの発熱を抑制することができる。

また、各相の駆動に位相を設けることにより、電流リップルを低減でき、これによりリアクトルのインダクタンスを小さくできるため、さらに小型化、軽量化、低コスト化を図ることができる。このように並列接続された複数の昇降圧用素子を備えることにより、容易に大電力システムに対応する昇降圧コンバータを構築することができる。

また、本実施の形態の昇降圧コンバータによれば、上述のように小型化、軽量化、低コスト化を図ることができるとともに、電圧制御と電流制御の切り替えのときに、昇圧用ＩＧＢＴ２及び降圧用ＩＧＢＴ３の両方を停止させる待機時間を設けるので、昇圧動作と降圧動作との切り替えを安定的に行うことができる。

また、リアクトル、昇圧用ＩＧＢＴ、及び降圧用ＩＧＢＴをそれぞれ１つずつ含む昇降圧用素子を並列接続した昇降圧コンバータを製造する場合に、リアクトル、昇圧用ＩＧＢＴ、及び降圧用ＩＧＢＴをそれぞれ１つずつ接続して昇降圧用素子を組むよりも、リアクトル、昇圧用ＩＧＢＴ、及び降圧用ＩＧＢＴが予め接続されてモジュール化された昇降圧用素子を並列接続してもよい。

このようなモジュール化された昇降圧用素子は、一般的にインバータ等に用いられているため、低価格で入手でき、また、リアクトル、昇圧用ＩＧＢＴ、及び降圧用ＩＧＢＴをそれぞれ１つずつ接続して昇降圧用素子を組むよりも、素子特性の均一化を図りやすいという利点がある。

図６は、モジュール化された昇降圧用素子を用いる昇降圧コンバータの回路構成を示す図である。この図６に示す昇降圧コンバータは、モジュール化された昇降圧用素子３Ａ及び３Ｂを備える。昇降圧用素子３Ａは、図１に示す昇降圧用素子が３つ並列に接続されたモジュール型の昇降圧用素子である。すなわち、この昇降圧用素子３Ａは、図１に示すリアクトル１ａ〜１ｃ、昇圧用ＩＧＢＴ２ａ〜２ｃ、及び降圧用ＩＧＢＴ３ａ〜３ｃをモジュール化した素子である。同様に、昇降圧用素子３Ｂは、図１に示すリアクトル１ｄ〜１ｆ、昇圧用ＩＧＢＴ２ｄ〜２ｆ、及び降圧用ＩＧＢＴ３ｄ〜３ｆをモジュール化した素子である。

このようにモジュール化された昇降圧用素子３Ａ及び３Ｂを並列接続すれば、素子特性のばらつきが抑制され、さらに小型化、軽量化、低コスト化を図った昇降圧コンバータを提供することができる。

以上では、昇圧動作と降圧動作の切り替え時に、昇圧用ＩＧＢＴ２ａ〜２ｆ及び降圧用ＩＧＢＴ３ａ〜３ｆがすべてオフとなる待機時間を設ける形態について説明したが、昇降圧動作の切り替え時に、位相制御されている他のスイッチングデバイスのオン指令をオフにし、デッドタイム分だけの停止期間をおいてから昇降圧を切り替えるようにしてもよい。

これにより、還流を防止しつつ、切り替え時における応答性をより良好なものにすることができる。

このデッドタイムとは、昇降圧の切り替えの必要性が生じたときに、切り替え前の駆動（昇圧又は降圧）の途中でも、スイッチングデューティを強制的にオフにして、その駆動制御を停止させた後の所定期間であり、例えば、１０ＫＨｚの周期でスイッチングが行われている場合に、４μ秒程度となる。

以上では、昇降圧用素子の並列数Ｎが６である形態について説明したが、並列数Ｎは、リアクトルやＩＧＢＴにかかる電流値や電圧値に応じて最適な値に設定されればよく、２以上であれば幾つであってもよい。

図８は、本実施の形態の昇降圧コンバータにリアクトルの保護回路を適用した回路構成を示す図である。

従前の昇降圧コンバータでは、リアクトル１と電源であるコンデンサ４との接続を遮断するために、マグネットコンダクタあるいはリレーを備えるものが一般的であるが、本実施の形態の昇降圧コンバータのように大電力の環境で用いる場合には、リアクトルに残留するエネルギによるアーク放電が問題になる場合がある。

そこで、図８に示すような一対のダイオードを含む保護回路９をリアクトル１ａ〜１ｃ、昇圧用ＩＧＢＴ２ａ〜２ｃ、降圧用ＩＧＢＴ３ａ〜３ｃ、及び電源接続端子５の間に配設する。なお、電源接続端子５と保護回路９との間に配設されるリレー１０は、コントローラ１２によって駆動される。なお、リレー１０は、マグネット・コンダクタ（Ｍ．Ｃ）１１を含む。

このように、図８に示す昇降圧コンバータでは、リレー１０がオフにされると、リアクトル１ａ〜１ｃに残留したエネルギが保護回路９を介して昇降圧用素子内で消費されるため、リレー１０に電流が逆流することが抑制され、この結果、リレー１０のオフに伴うアーク放電の発生を抑制することができる。

以上では、出力端子７に直流駆動のモータ６を直接接続する形態について説明したが、これに代えて、出力端子７にインバータを介して交流駆動されるモータを接続してもよい。

以上、本発明の例示的な実施の形態の昇降圧コンバータの駆動制御装置及び昇降圧コンバータについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

本実施の形態の昇降圧コンバータの駆動制御装置及び昇降圧コンバータの回路構成を概略的に示す図である。 本実施の形態の昇降圧コンバータの回路に含まれる素子の接続関係を説明するための図である。 本実施の形態の昇降圧コンバータの各リアクトルを通流する電流のリップルを概略的に示す波形図である。 並列回路における還流を説明するための概念図である。 本実施の形態の昇降圧コンバータを駆動制御するためのタイミングチャートにおける待機時間を示す図である。 本実施の形態の昇降圧コンバータにモジュール化した昇降圧用素子を適用した回路構成を概略的に示す図である。 本実施の形態の昇降圧コンバータを駆動制御するためのタイミングチャートにおけるデッドタイムを示す図である。 本実施の形態の昇降圧コンバータにリアクトルの保護回路を適用した回路構成を示す図である。

符号の説明

１ａ〜１ｆ リアクトル１
２ａ〜２ｆ 昇圧用ＩＧＢＴ
３ａ〜３ｆ 降圧用ＩＧＢＴ
４ コンデンサ
５ 電源接続端子
６ モータ
７ 出力端子
８ コンデンサ。

Claims (3)

1. 力行運転及び回生運転の双方を行う電動機への電力供給を制御するための昇圧用スイッチング素子、前記電動機より得られる回生電力の前記電源への供給を制御するための降圧用スイッチング素子、及び、リアクトルを含む昇降圧用素子が複数並列に接続される昇降圧コンバータの駆動制御装置であって、
   前記昇圧用スイッチング素子及び前記降圧用スイッチング素子を駆動制御し、当該昇圧用スイッチング素子と当該降圧用スイッチング素子との駆動を切り替える際に、複数並列に接続されるすべての昇圧用スイッチング素子及び降圧用スイッチング素子の駆動を停止する停止期間を設ける、昇降圧コンバータの駆動制御装置。
2. 前記停止期間は、前記昇圧用スイッチング素子と前記降圧用スイッチング素子との駆動制御を切り替える際に、すべての前記昇圧用スイッチング素子及び前記降圧用スイッチング素子を駆動するためのスイッチングデューティがオフになるのを待機した後の所定期間、又は、すべての前記昇圧用スイッチング素子及び前記降圧用スイッチング素子を駆動するためのスイッチングデューティを強制的にオフにした後の所定期間である、請求項１に記載の昇降圧コンバータの駆動制御装置。
3. 力行運転及び回生運転の双方を行う電動機との間で電力の授受を行うための第１端子と、
   前記電動機への供給電力を蓄積する電源が接続される第２端子と、
   前記電動機への電力の供給を制御するための昇圧用スイッチング素子、前記電動機より得られる回生電力の前記電源への供給を制御するための降圧用スイッチング素子、及び、前記昇圧用スイッチング素子及び前記降圧用スイッチング素子と前記第２端子との間に接続されるリアクトルを含む昇降圧用素子が複数モジュール化されて並列接続される並列型昇降圧用素子と、
   前記並列型昇降圧用素子に含まれる前記昇圧用スイッチング素子及び前記降圧用スイッチング素子を駆動制御し、当該昇圧用スイッチング素子と当該降圧用スイッチング素子との駆動を切り替える際に、すべての昇圧用スイッチング素子及び降圧用スイッチング素子の駆動を停止する停止期間を設ける駆動制御手段と
   を含む、昇降圧コンバータ。

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