JP2009130954A - 電力変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】直流電力と交流電力を変換する電力変換器において、ダイオード整流と同期整流とのモード切り換え時に、電力変換器に接続された直流電源の電圧を緩やかに変化させることができる電力変換器を提供する。
【解決手段】複数個のスイッチング素子と各スイッチング素子に並列に接続されたダイオード素子とにより構成され、少なくとも発電機からの交流電力をダイオード整流あるいは同期整流により直流電力に変換する電力変換器において、上記同期整流時におけるスイッチング素子のオン・オフタイミングを制御する同期整流制御部と、上記同期整流制御部に対して同期整流制御の実施許可を与える同期整流許可部とを備え、上記同期整流許可部は上記ダイオード整流と同期整流のモード切り換え時に同期整流の割合を徐々に変化させるようにしたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流発電機と直流電源との間に接続される電力変換器に関するものである。

自動車に搭載され、エンジンを始動するために駆動すると共に、さらにエンジン駆動後には発電を行う車載用発電電動機には、直流電力と交流電力との相互変換を行う電力変換器が使用される。
一般に、このような電力変換器は、発電電動機とバッテリの間に接続され、複数のスイッチング素子と上記各スイッチング素子と並列に接続されたダイオード素子(例えば、スイッチング素子に付随しているボディダイオード)とにより構成されている。発電電動機が電動機として動作している場合（モータ駆動動作時）には、スイッチング素子のオン・オフを制御することによりバッテリからの直流電力を交流電力に変換し、他方、発電電動機が発電機として動作している場合(発電動作時)には、発電電動機が発電した交流電力をダイオードにより整流し直流電力に変換するよう作用する。

しかしながら近年では、ダイオード整流よりも効率がよく、素子の発熱も少ないことから、スイッチング素子による同期整流が用いられるようになってきた。例えば、特許文献１に記載の電力変換器では、ダイオードに通電が行われているタイミングに同期して、スイッチング素子のオン・オフを制御する、いわゆる同期整流が行われるようになっている。

特開２００３−２８４３９６

通常、発電電動機が発電を開始すると、スイッチング素子と並列に接続されたダイオードによってダイオード整流が行われる。その後、エンジンの回転速度が上昇し、発電電動機での発電量が増加すると、ダイオード整流から同期整流へと移行させる。ダイオード整流から同期整流に移行する際には、通電時のスイッチング素子の端子間電圧に対して、ダイオード素子の端子間電圧の方が大きいため、整流方法が切り換わると同時にダイオードによる損失がなくなる効率の高い電力変換が行われる。しかしながら、発電効率が急激に上昇すると、バッテリ電圧や発電トルク（エンジンへの負荷トルク）に変動を引き起こす。

また、同期整流からダイオード整流へ移行する場合においても、整流方法が切り換わると同時にダイオードによる損失が発生し、発電効率が低下するため、同様にバッテリ電圧や発電トルクの変動を引き起こす。
上記のように整流方法の切り換えによりバッテリ電圧や発電トルクが変動すると、ライトに明暗が生じたり、アイドル回転が不安定になるなど車載用電装品や走行性能に悪影響を及ぼし、自動車の快適性・走行性が低下するという課題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、直流電力と交流電力を変換する電力変換器において、ダイオード整流から同期整流に移行する場合、あるいは同期整流からダイオード整流に移行する場合に、電力変換器に接続された直流電源の電圧や発電トルクを緩やかに変化させることができる電力変換器を提供することにある。

複数個のスイッチング素子と各スイッチング素子に並列に接続されたダイオード素子とにより構成され、少なくとも発電機からの交流電力をダイオード整流あるいは同期整流により直流電力に変換する電力変換器において、上記同期整流時におけるスイッチング素子のオン・オフタイミングを制御する同期整流制御部と、上記同期整流制御部に対して同期整流制御の実施許可を与える同期整流許可部とを備え、上記同期整流許可部は上記ダイオード整流と同期整流のモード切り換え時に同期整流の割合を徐々に変化させるようにしたものである。

本発明の電力変換器によれば、ダイオード整流から同期整流に移行する場合、あるいは同期整流からダイオード整流に移行する場合に、電源電圧や発電トルクを緩やかに変化させ、自動車の快適性・走行性に悪影響が及ばないようにすることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における電力変換器の構成図を示したものである。図１において、１００は発電電動機、２００は電力変換器を示している。発電電動機１００は発電電動機電機子巻線１０１と発電電動機界磁巻線１０２から構成されており、また電力変換器２００は制御部２１０と電力変換部２２０とから構成されており、上記発電電動機１００と直流電源となるバッテリ３００の間に接続される。

更に、上記電力変換部２２０は、発電電動機界磁巻線１０２に流す界磁電流をＰＷＭ制御するための界磁スイッチング素子２２１とフリーホイールダイオード２２２を備えると共に、バッテリのプラス端子Pに接続された３つの上アームスイッチング素子（２２３ａ、２２３ｂ、２２３ｃ）と、同じくマイナス端子Nに接続された３つの下アームスイッチング素子（２２４ａ、２２４ｂ、２２４ｃ）とを備えており、上記上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子との直列接続点は上記発電電動機電機子巻線１０１の各相端子U、V、Wに接続されている。また、これらの６つの上下アームスイッチング素子にはそれぞれボディダイオードが並列に付随している。

制御部２１０は、電力変換部２２０の各スイッチング素子にオン・オフの指令を与えるゲート指令部２１１と、発電電動機界磁巻線１０２に流す界磁電流をＰＷＭ制御する界磁電流制御部２１２と、発電電動機１００を駆動するとき（モータ駆動動作時）の上下アームスイッチング素子をオン・オフ制御する駆動制御部２１３と、発電電動機１００の発電時に同期整流を行うときの上下アームスイッチング素子をオン・オフ制御する同期整流制御部２１４と、同期整流制御部２１４に制御許可信号を与える同期整流許可部２１５と、整流モードをダイオード整流モードか同期整流モードの何れかに設定する整流モード設定部２１６により構成されている。なお、界磁電流制御部２１２は、バッテリ電圧Ｖｐが電力変換器の制御目標電圧になるように界磁電流を制御する。

ゲート指令部２１１は、電力変換部２２０の各スイッチング素子と接続されており、界磁電流制御部２１２、駆動制御部２１３、及び同期整流制御部２１４の制御指示に基づいて、スイッチング素子のオン・オフの切り換えを行う。また、整流モード設定部２１６は発電電動機１００の回転速度と界磁電流によって、整流モードをダイオード整流モードか同期整流モードの何れかに設定する。同期整流許可部２１５は同期整流モードのときに、同期整流制御部２１４に対して制御許可信号を送信する。また、同期整流制御部２１４は、同期整流許可部２１５からの制御許可信号を受けている間のみ、同期整流制御を行うように構成されている。

先ず、整流モードがダイオード整流モードから同期整流モードへ移行した場合について、この発明を適用する以前のバッテリ電圧及び界磁電流の変化を図２により説明する。例えば、モード切り換え時に図２（ａ）のように、同期整流モードのときは常に制御許可信号を送信するものとする。この場合、以下に示す（１）〜（５）のような動作を行う。

（１）：図２のＴ１時点で、ダイオード整流モードから同期整流モードへ切り換わると同時に、ダイオードでの損失がなくなるため、図２（b）のようにバッテリ電圧Ｖｐが急激に上昇する。
(２) ：バッテリ電圧Ｖｐが急激に上昇するため、界磁電流制御部２１２は図２（c）に示すように、バッテリ電圧Ｖｐが低下するように界磁電流を制御する（図２のＴ１〜Ｔ２）。
（３）：上記（２）の制御により、図２のＴ１〜Ｔ２のように界磁電流は減少するため、整流モード設定部２１６は図２のＴ２で再び同期整流モードからダイオード整流モードへ切り換える。

(４) ：図２のＴ２で、同期整流からダイオード整流に切り換わると、ダイオード損失によりバッテリ電圧Ｖｐが低下するため、界磁電流制御部２１２はバッテリ電圧Ｖｐが上昇するように界磁電流を制御する（図２のＴ２〜Ｔ３）。
(５)：（４）の制御により、図２のＴ２〜Ｔ３のように界磁電流が増加するため、整流モード設定部は図２のＴ３でダイオード整流モードから同期整流モードへ切り換える。
以上の（１）〜（５）の動作を繰り返してしまうと、安定的な発電制御が行えなくなり、例えば車両のヘッドライトに明暗が生じたり、発電制御が不安定になり、車両の快適性・走行性が低下することとなる。

そこでこの発明の実施の形態では、上記の問題点を解消するために、整流モード設定部２１６と同期整流制御部２１４との間に同期整流許可部２１５を設け、上記同期整流許可部２１５に、ダイオード整流モードから同期整流モードへ切り換えられた場合に、これから発せられる制御許可信号をPWM制御すると共に、ＰＷＭ制御のデューティを所定の割合で徐々に増加させるデューティ設定手段を設けることによって、同期整流モードへの切り換えが徐々に行われるようにしたものである。

図３は制御許可信号をPWM制御した場合の、バッテリ電圧と界磁電流の関係を示した図であり、図３（a）のようにＰＷＭ制御のデューティを所定の割合で徐々に増加させるような制御許可信号を送信することにより、整流モードが切り換わった直後はＰＷＭ制御のデューティが小さく設定されるため、バッテリ電圧Ｖｐが急激に増加することはない。すなわち、整流モードがダイオード整流モードから同期整流モードへ切り換わった場合でも、図３（ｂ）のようにバッテリ電圧Ｖｐが緩やかに変化するように制御でき、図３（c）のように界磁電流も緩やかに減少するようになるため、上記のような発電制御のハンチング（同期整流モードとダイオード整流モードの繰り返し）を防ぐことができる。

実施の形態２．
次に、実施の形態１とは反対に、同期整流からダイオード整流に移行する場合のバッテリ電圧及び界磁電流の変化について実施の形態２として説明する。図４はこの発明を適用する以前のバッテリ電圧及び界磁電流の変化を、図５はこの発明を適用した場合のバッテリ電圧及び界磁電流の変化を示した図である。同期整流からダイオード整流に移行する場合に、図４（ａ）のＴ１からＴ２のような制御許可信号を送信したとすると、同期整流モードからダイオード整流モードに切り換わると同時に、ダイオードによる損失が発生するため、バッテリ電圧Ｖｐが瞬間的に低下する。そのため、以下のような動作を行う場合がある。

（１）：図４のＴ１で同期整流モードからダイオード整流モードへ切り換わると同時に、ダイオードでの損失が発生するため、バッテリ電圧Ｖｐが急激に低下する。
（２）：図４のＴ１でバッテリ電圧Ｖｐが急激に低下するため、界磁電流制御部２１２はバッテリ電圧Ｖｐが上昇するように界磁電流を制御する（図４のＴ１〜Ｔ２）。
（３）：上記（２）の制御により、図４のＴ１〜Ｔ２のように界磁電流は増加するため、整流モード設定部２１６は図４のＴ２でダイオード整流モードから同期整流モードへ切り換える。

（４）：図４のＴ２でダイオード整流から同期整流に切り換わると、ダイオード損失がなくなり、バッテリ電圧Ｖｐが上昇するため、界磁電流制御部２１２はバッテリ電圧Ｖｐが低下するように界磁電流を制御する（図４のＴ２〜Ｔ３）。
（５）：（４）の制御により、図４のＴ２〜Ｔ３のように界磁電流が減少するため、整流モード設定部は図４のＴ３で同期整流モードからダイオード整流モードへ切り換える。

以上の（１）〜（５）の動作を繰り返すことで、実施の形態１で説明したダイオード整流から同期整流に切り換わる場合と同様に、安定的な発電制御が行えなくなる。
そこで、整流モード設定部２１６により、同期整流モードからダイオード整流モードへ整流モードが切り換えられた場合は、同期整流許可部２１５は制御許可信号をPWM制御し、図５（ａ）のように制御許可信号をＰＷＭ制御し、ＰＷＭ制御のデューティを１００％から所定の割合で徐々に減少していくように制御する。これにより、整流モードが移行した場合でも、図５（ｂ）のようにバッテリ電圧Ｖｐ及び界磁電流が緩やかに変化するように制御できる。

実施の形態３．
上記実施の形態１、２では、ダイオード整流モードと同期整流モードとの間のモード切り換え時に、バッテリ電圧Ｖｐの変化が緩やかになるように設定したが、発電電動機１００の発電トルクの変化が緩やかになるように設定してもよい。ダイオード整流から同期整流への切り換り時の発電トルクの変動は、界磁電流が変動することにより発生する。従って発電トルクはバッテリ電圧と同じく、ダイオード整流モードと同期整流モードとの間のモード切り換えにより大きく変動し、車両の快適性・走行性に影響を与えるからである。

実施の形態４．
上記実施形態では、同期整流許可部における制御許可信号のＰＷＭ制御デューティを徐々に増減することにより、出力電圧を緩やかに変化させている。このデューティの変化率については、発電電動機１００や電力変換器２００の状態に応じて設定してもよい。例えば、発電電動機１００の回転速度は、バッテリ電圧Ｖｐや発電トルクに影響を与える。そのため、制御許可信号のＰＷＭ制御デューティを変化させた場合、回転速度によってバッテリ電圧Ｖｐや発電トルクの変化量は異なる。そこで、発電電動機１００の回転速度を検出する回転速度検出部を設け、この回転速度検出部の出力に応じて、デューティの変化率を変化させ、回転速度の影響を受けることなくバッテリ電圧Ｖｐや発電トルクが緩やかに変動するように設定することができる。なお、回転速度検出部としてはホールセンサーやリゾルバー等、周知のものが利用できる。

実施の形態５．
同様に発電電動機界磁巻線１０２に流れる界磁電流もバッテリ電圧Ｖｐや発電トルクに影響を与えるため、界磁電流の大きさに応じてデューティの変化率を設定してもよい。
このため、上記発電機の界磁電流を検出する界磁電流検出部を設け、上記デューティの増減の変化率を上記界磁電流検出部が検出した界磁電流により変化させるようにすることもできる。これらの他、発電電動機１００または電力変換器２００の温度に応じて設定してもよく、あるいは、バッテリ電圧Ｖｐの制御目標電圧に応じてデューティの変化率を設定してもよい。さらには、上記回転速度、界磁電流、温度、制御目標電圧を組み合わせて、デューティの変化率を設定してもよい。

上記実施の形態によれば、ダイオード整流と同期整流との切り換えモードで、同期整流許可部２１５は制御許可信号をＰＷＭ制御し、ＰＷＭ制御のデューティが徐々に増加あるいは減少するように制御許可信号を送信するため、バッテリ電圧Ｖｐや発電トルクが緩やかに変動し、車両の快適性・走行性の低下を防ぐことができる。

実施の形態６．
実施の形態１〜５では、ＰＷＭ制御のデューティを変化させることにより、整流モード切り換え時のバッテリ電圧、あるいは発電トルクを緩やかに変動させることについて詳細に説明した。実施の形態６では、上記同期整流許可部２１５の制御許可信号の送信タイミングについて説明する。

先に説明した実施形態では、発電電動機界磁巻線１０２に流す界磁電流を界磁電流制御部２１２によりＰＷＭ制御している。そこで、この実施の形態６では、同期整流許可部２１５が送信する制御許可信号のＰＷＭ周波数を界磁電流制御部２１２が行う界磁電流制御のＰＷＭ周波数と一致させるようにしたものである。このようにすることにより、整流モード切り換え時におけるバッテリ電圧と発電トルクの変動をより緩やかにすることができる。

以下図６を参照して更に詳細に説明する。図６は界磁電流通電指示と界磁電流の関係を示す波形図で、図６(a)は界磁電流通電指示、図６(b)は界磁電流、図６(c)は制御許可信号を示している。図において、界磁電流は界磁電流を流し始めたときT0（界磁電流通電指示のＰＷＭパルスの立ち上がり）が最も小さく、界磁電流を流し終えたとき（界磁電流通電指示のＰＷＭパルスの立ち下がり）が最も大きくなる。

一方、バッテリ電圧は界磁電流を増加させると上昇し、界磁電流を減少させると低下するため、整流モードの切り換え時にバッテリ電圧Ｖｐの変動をより緩やかにするためには、図６のように界磁電流が最も小さくなる界磁電流通電指示のＰＷＭパルスの立ち上がりと、制御許可信号のＰＷＭパルスの中心を同期させればよい。上記のように界磁電流通電指示のＰＷＭパルスと制御許可信号のＰＷＭパルスの同期を取る場合が、最もバッテリ電圧Ｖｐの変動を抑えることができる。

実施の形態７．
しかしながら、より簡単に界磁電流通電指示と制御許可信号の同期を取りたい場合は、図７のように界磁電流通電指示のＰＷＭパルスの立ち上がりと制御許可信号のＰＷＭパルスの立ち上がりを同期させてもよい。
この実施の形態７によれば、同期整流許可部２１５が送信する制御許可信号のＰＷＭ周波数と界磁電流制御部２１２のＰＷＭ周波数と一致させ、制御許可信号のＰＷＭパルスと界磁電流通電指示のＰＷＭパルスの送信タイミングを同期させるため、より簡単な信号生成回路により、整流モード切り換え時におけるバッテリ電圧の変動をより緩やかにすることができる。

実施の形態１における電力変換器の構成図である。 実施の形態１におけるダイオード整流モードから同期整流モードへ切り換わったときの、バッテリ電圧と界磁電流の関係を示した図である。 実施の形態１におけるダイオード整流モードから同期整流モードへ切り換わった場合に、制御許可信号をＰＷＭ制御した場合の、バッテリ電圧と界磁電流の関係を示した図である。 実施の形態２における同期整流モードからダイオード整流モードへ切り換わったときの、バッテリ電圧と界磁電流の関係を示した図である。 実施の形態２における同期整流モードからダイオード整流モードへ切り換わった場合に、制御許可信号をＰＷＭ制御した場合の、バッテリ電圧と界磁電流の関係を示した図である。 実施の形態６における界磁電流通電指示のＰＷＭパルスの立ち上がりと制御許可信号のＰＷＭパルスの中心を同期させた場合の、界磁電流通電指示と界磁電流、制御許可信号の関係を示した図である。 実施の形態７における界磁電流通電指示のＰＷＭパルスの立ち上がりと制御許可信号のＰＷＭパルスの立ち上がりを同期させた場合の、界磁電流通電指示と界磁電流、制御許可信号の関係を示した図である。

符号の説明

１００ 発電電動機、
１０１ 発電電動機電機子巻線、
１０２ 発電電動機界磁巻線、
２００ 電力変換器、
２１０ 制御部、
２１１ ゲート指令部、
２１２ 界磁電流制御部、
２１３ 駆動制御部、
２１４ 同期整流制御部、
２１５ 同期整流許可部、
２１６ 整流モード設定部、
２２０ 電力変換部、
２２１ 界磁スイッチング素子、
２２２ フリーホイールダイオード、
２２３ａ Ｕ相上アームスイッチング素子、
２２３ｂ Ｖ相上アームスイッチング素子、
２２３ｃ Ｗ相上アームスイッチング素子、
２２４ａ Ｕ相下アームスイッチング素子、
２２４ｂ Ｖ相下アームスイッチング素子、
２２４ｃ Ｗ相下アームスイッチング素子、
３００ バッテリ。

Claims (13)

1. 複数個のスイッチング素子と上記各スイッチング素子に並列に接続されたダイオード素子とにより構成され、少なくとも発電機からの交流電力をダイオード整流あるいは同期整流により直流電力に変換する電力変換器において、上記同期整流時におけるスイッチング素子のオン・オフタイミングを制御する同期整流制御部と、上記同期整流制御部に対して同期整流制御の実施許可を与える同期整流許可部とを備え、上記同期整流許可部は上記ダイオード整流と同期整流のモード切替時に同期整流の割合を徐々に変化させる制御許可信号を上記同期整流制御部に与えるようにしたことを特徴とする電力変換器。
2. 上記同期整流制御部に対する制御許可をＰＷＭ制御により行い、上記同期整流許可部はＰＷＭ制御のデューティを徐々に増減することにより、出力電圧を緩やかに変化させることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
3. 上記同期整流許可部はダイオード整流から同期整流に移行する場合に、ＰＷＭ制御のデューティを所定の割合で徐々に増加させるデューティ設定手段を設け、同期整流モードへの切り換えが徐々に行われるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換器。
4. 上記同期整流許可部は同期整流からダイオード整流に移行する場合に、ＰＷＭ制御のデューティを所定の割合で徐々に減少させるデューティ設定手段を設け、ダイオード整流モードへの切り換えが徐々に行われるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換器。
5. 同期整流許可部は、上記ダイオード整流と同期整流のモード切り換え時に、上記直流電力の出力電圧の変化が緩やかになるように上記同期整流制御部に対して制御許可を与えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
6. 同期整流許可部は、上記ダイオード整流と同期整流のモード切り換え時に、上記発電機の発電トルクの変化が緩やかになるように上記同期整流制御部に対して制御許可を与えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
7. 上記発電機の回転速度を検出する回転速度検出部を備え、上記デューティの増減の変化率を上記回転速度検出部が検出した回転速度により変化させることを特徴とする請求項２に記載の電力変換器。
8. 上記発電機の界磁電流を検出する界磁電流検出部を備え、上記デューティの増減の変化率を上記界磁電流検出部が検出した界磁電流により変化させることを特徴とする請求項２に記載の電力変換器。
9. 上記発電機あるいは電力変換器の温度を検出する温度検出部を備え、上記デューティの増減の変化率を上記温度検出部が検出した発電機あるいは電力変換器の温度により変化させることを特徴とする請求項２に記載の電力変換器。
10. 上記発電機の界磁巻線に流す界磁電流をPWM制御する界磁電流制御部を備え、上記界磁電流制御部により上記ＰＷＭ制御のデューティの増減の変化率を電力変換器の制御目標電圧により変化させることを特徴とする請求項２に記載の電力変換器。
11. 上記発電機の界磁巻線に流す界磁電流を上記界磁電流制御部にてPWM制御する場合において、上記同期整流制御部に対して制御許可を与えるＰＷＭ周波数を、上記界磁電流を制御するＰＷＭ周波数に一致させることを特徴とする請求項２〜１０に記載の電力変換器。
12. 上記同期整流制御部に対して制御許可を与えるPWMパルスの中心と、上記界磁電流を制御するPWMパルスの立ち上がり（界磁電流を流し始めるタイミング）を一致させることを特徴とする請求項１１に記載の電力変換器。
13. 上記同期整流制御部に対して制御許可を与えるPWMパルスの立ち上がりと、上記界磁電流を制御するPWMパルスの立ち上がり（界磁電流を流し始めるタイミング）を一致させることを特徴とする請求項１１に記載の電力変換器。

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