JP2010081786A - パワースイッチング回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】高性能のパワースイッチング回路を提供すること。
【解決手段】スイッチドキャパシタ回路6Aはち直列接続された3つのスイッチ(701、702及び703)により、2つのキャパシタ(704及び705)の直列接続と並列接続とを切り替える。これにより、スイッチドキャパシタ回路6Aは、電源ライン104から電荷を吸収する動作と、電源ライン104へ電荷を放出する動作を交互に行う。これにより、電源ライン104の電圧変動を抑制する。昇圧チョッパ回路73及びスイッチドキャパシタ回路6Aは、インバータ7Aのスイッチング動作により電源ライン104に生じる電圧変動を抑制するスイッチング動作を行う。スイッチドキャパシタ回路6Aは、昇圧チョッパ回路73による電源ライン104の電圧変動を抑制する。
【選択図】図1
【解決手段】スイッチドキャパシタ回路6Aはち直列接続された3つのスイッチ(701、702及び703)により、2つのキャパシタ(704及び705)の直列接続と並列接続とを切り替える。これにより、スイッチドキャパシタ回路6Aは、電源ライン104から電荷を吸収する動作と、電源ライン104へ電荷を放出する動作を交互に行う。これにより、電源ライン104の電圧変動を抑制する。昇圧チョッパ回路73及びスイッチドキャパシタ回路6Aは、インバータ7Aのスイッチング動作により電源ライン104に生じる電圧変動を抑制するスイッチング動作を行う。スイッチドキャパシタ回路6Aは、昇圧チョッパ回路73による電源ライン104の電圧変動を抑制する。
【選択図】図1
Description
この発明は、パワースイッチング素子のスイッチングにより、出力電圧を制御するパワースイッチング回路に関する。本発明は、好適には、車両用可変速モータに好適なインバータ装置に関する。
回転数が車両走行速度又はエンジン回転数の変化に基づいて変化する車両用モータは、変更可能なトルク−回転数特性をもつことが望ましい。特許文献1は、自動車用モータ駆動用のモータ駆動回路を記載している。問題は、高速回転するモータの電機子コイルが大きな誘導電圧(EMF)を発生することに起因する。この問題は、磁束が一定の磁石モータにおいて深刻となる。大きなEMFにより、モータトルクは高速回転時に減少する。高速時のEMFは、発電電動機(MG)において特に重要である。
MGは、モータ動作の他に発電動作も行う。回転数が変化しても発電電圧の変化を防止することが要求される。もし高速回転時のモータトルクを確保するために、電機子コイルのターン数を減少させると、低速回転時の発電能力が低下する。
車両用モータでは、エンジン始動及びトルクアシストにおいて短期間だけ大きなモータトルクを発生することが要求される。モータトルクは電流に比例するので、モータトルクの増大のためには電流を増大する必要がある。しかし、モータ電流の増大は電源電圧と電機子コイルのインダクタンスによって制限される。これらの問題を改善するために、電機子コイルのターン数の切り替え技術が知られている。しかし、多相交流モータの電機子コイルのターン数の切り替えは複雑な回路を必要とする。
車両用モータでは、エンジン始動及びトルクアシストにおいて短期間だけ大きなモータトルクを発生することが要求される。モータトルクは電流に比例するので、モータトルクの増大のためには電流を増大する必要がある。しかし、モータ電流の増大は電源電圧と電機子コイルのインダクタンスによって制限される。これらの問題を改善するために、電機子コイルのターン数の切り替え技術が知られている。しかし、多相交流モータの電機子コイルのターン数の切り替えは複雑な回路を必要とする。
次に、インバータ装置は、損失の低減が求められている。特に、上記した電機子コイルのターン数を切り替えるインバータ装置は、回路構成が複雑化するので、インバータ装置の損失が増大する。その結果、システムの効率が低下し、冷却も問題となる。
特許文献2は、MOSFETを用いたインバータの例を記載している。IGBTはMOSFETに比べてオン抵抗がだいたい一桁小さい。MOSFETは、注入された小数キャリヤの蓄積が無いためIGBTに比べて高速スイッチング性能すなわちターンに要する時間であるターンオン時間と、ターンオフに要する時間(ターンオフ時間)がだいたい一桁優れている。このことはIGBTが低速スイッチングに有利であり、MOSFETが高速スイッチングに有利であることを意味する。
特許文献2は、MOSFETを用いたインバータの例を記載している。IGBTはMOSFETに比べてオン抵抗がだいたい一桁小さい。MOSFETは、注入された小数キャリヤの蓄積が無いためIGBTに比べて高速スイッチング性能すなわちターンに要する時間であるターンオン時間と、ターンオフに要する時間(ターンオフ時間)がだいたい一桁優れている。このことはIGBTが低速スイッチングに有利であり、MOSFETが高速スイッチングに有利であることを意味する。
特許文献3は、主スイッチと逆並列接続された逆阻止形のパワースイッチング素子をフライホイル電流回収用に用いることを提案している。なお、逆阻止型のパワースイッチング素子を用いるのは、フライホイル電流が主スイッチの電流の向きと逆方向であるためである。この逆阻止形のパワースイッチング素子は、通常のパワースイッチング素子に比べて大きなオン抵抗をもつ。
特許文献4は、自己消弧形の主スイッチと、SiCを素材としたユニポーラ自己消弧形の補助スイッチとを並列接続し、更にフライホイルダイオードを逆並列し、これら両スイッチのオンオフタイミングを略一致させることを提案している。
次に、インバータ装置のスイッチング素子は電機子コイルの大きなインダクタンスを高速スイッチングするので、大きなサージ電圧を発生する。その結果、インバータ装置を駆動するバッテリに大きな負担を与える。インバータ装置による電源電圧の変動を抑止するために、インバータ装置は、大容量の平滑キャパシタを必要とする。けれども、大容量の平滑キャパシタはインバータ装置の大型化を招く。
次に、インバータ装置のスイッチング素子は電機子コイルの大きなインダクタンスを高速スイッチングするので、大きなサージ電圧を発生する。その結果、インバータ装置を駆動するバッテリに大きな負担を与える。インバータ装置による電源電圧の変動を抑止するために、インバータ装置は、大容量の平滑キャパシタを必要とする。けれども、大容量の平滑キャパシタはインバータ装置の大型化を招く。
特許文献5は、パワースイッチング素子のオンオフに伴う磁気エネルギーによる電流をキャパシタに蓄積し、スイッチを通じて回生する回生型スナバ回路を記載している。
(発明の目的)
本発明の第1の目的は、スイッチング損失を低減しつつ所望の出力電圧変化を発生するパワースイッチング回路を実現することである。
本発明の第2の目的は、モータのトルク−回転数特性を変更可能なインバータ装置を実現することにある。
本発明の第3の目的は、電源電圧の変動を低減可能なパワースイッチング回路を実現することである。
本発明の第1の目的は、スイッチング損失を低減しつつ所望の出力電圧変化を発生するパワースイッチング回路を実現することである。
本発明の第2の目的は、モータのトルク−回転数特性を変更可能なインバータ装置を実現することにある。
本発明の第3の目的は、電源電圧の変動を低減可能なパワースイッチング回路を実現することである。
(発明の特徴)
第1発明は、直流電力を短期間蓄積するための電力蓄積回路をバッテリとインバータとの間にもつ。インバータは、多相のモータが有する複数の相コイルと個別に電力を授受する複数の相レグを有する。複数の相レグは、前記バッテリから前記相コイルへ通電する電電流をスイッチングする通電制御スイッチング素子を有する。電力蓄積回路は、電力蓄積素子とトランジスタとを有する。電力蓄積素子は、バッテリから受け取った直流電力を短期間蓄積する。トランジスタは、スイッチングにより電力蓄積素子の蓄積電力を電源ラインと授受する。
第1発明は、直流電力を短期間蓄積するための電力蓄積回路をバッテリとインバータとの間にもつ。インバータは、多相のモータが有する複数の相コイルと個別に電力を授受する複数の相レグを有する。複数の相レグは、前記バッテリから前記相コイルへ通電する電電流をスイッチングする通電制御スイッチング素子を有する。電力蓄積回路は、電力蓄積素子とトランジスタとを有する。電力蓄積素子は、バッテリから受け取った直流電力を短期間蓄積する。トランジスタは、スイッチングにより電力蓄積素子の蓄積電力を電源ラインと授受する。
本発明は、通電制御スイッチング素子のスイッチングと同期してトランジスタをスイッチングすることにより、通電制御スイッチング素子のオンによる電源ラインの電圧低下を抑制するか、通電制御スイッチング素子のオフによる電源ラインの電圧増加を抑制する点をその特徴とする。
すなわち、この電力蓄積回路は、インバータのスイッチングによるその入力電源電圧の変動を、このインバータのスイッチングと同期する電力蓄積回路のスイッチングにより低減する。これにより、大型の平滑キャパシタを用いることなく、電源ラインの電圧変動を減らすことができる。
すなわち、この電力蓄積回路は、インバータのスイッチングによるその入力電源電圧の変動を、このインバータのスイッチングと同期する電力蓄積回路のスイッチングにより低減する。これにより、大型の平滑キャパシタを用いることなく、電源ラインの電圧変動を減らすことができる。
好適な態様1において、電力蓄積回路は、前記電力蓄積素子としてのリアクトルの電流を制御するトランジスタを有する昇圧チョッパにより構成される。すなわち、この態様では、昇圧チョッパのスイッチングは、インバータのスイッチングによる電源ラインの電圧変化を抑制する位相にてインバータのスイッチングに同期して行われる。
好適な態様2において、昇圧チョッパのトランジスタは、インバータの通電制御スイッチング素子のオン直後にオフされる。つまり、昇圧チョッパのトランジスタのオフによる電源ラインの昇圧は、インバータの通電制御スイッチング素子のオンの直後に実施される。その結果、インバータの通電制御スイッチング素子がオンする時点では、電源ラインの電圧はまだ上昇していないため、通電制御スイッチング素子がオフ状態からオン状態に遷移する期間(オン遷移期間)の損失を低減することができる。更に、通電制御スイッチング素子のオン動作が完了した後、インバータに印加する電源電圧を増大することができる。
好適な態様3において、昇圧チョッパのトランジスタは、インバータの通電制御スイッチング素子のオフ直前にオンされる。つまり、昇圧チョッパのオンによる電源ラインの降圧は、インバータの通電制御スイッチング素子のオフの直前に実施される。その結果、インバータの通電制御スイッチング素子がオフする時点では、電源ラインの電圧は既に降下しているため、通電制御スイッチング素子がオン状態からオフ状態に遷移する期間(オフ遷移期間)の損失を低減することができる。更に、通電制御スイッチング素子のオフ動作が完了した後、インバータに印加する電源電圧を低減することができる。
好適な態様4において、電力蓄積素子としての第1のキャパシタ及び第2のキャパシタとを有するスイッチドキャパシタ回路により構成される。このスイッチドキャパシタ回路は、直列接続された高電位スイッチ、中電位スイッチ及び低電位スイッチを有する。第1のキャパシタと第2のキャパシタは、並列接続されて電源ラインから電荷を吸収する。第1のキャパシタと第2のキャパシタは、直列接続されて電源ラインへ電荷を放出する。
すなわち、この態様では、スイッチドキャパシタ回路のスイッチングにより、電源ラインの電圧変化が抑制される。スイッチドキャパシタ回路の3つのスイッチのスイッチングによるキャパシタの充電電流及び放電電流は、インバータを通じてモータのインダクタンスを経由して流れる。したがって、スイッチドキャパシタ回路の電流は、モータのインダクタンスにより制限されるので、その増大は防止される。
このスイッチドキャパシタ回路の3つのトランジスタは、電源ラインの電圧変動を補償する交流電流成分だけを流し、インバータに入力される直流電流成分を流さないので、その損失を低減することができる。キャパシタの電圧変化は、通常の平滑キャパシタと比較して格段に大きいので、その静電容量を大幅に低減することができる。
好適な態様5において、第1のキャパシタ及び第2のキャパシタは、インバータの通電制御スイッチング素子のオン直後に、並列接続状態から直列状態に変換される。このようにすれば、インバータの通電制御スイッチング素子がオンする時点では、電源ラインの電圧はまだ上昇していないため、通電制御スイッチング素子がオフ状態からオン状態に遷移する期間(オン遷移期間)の損失を低減することができる。更に、通電制御スイッチング素子のオン動作が完了した後、インバータに印加する電源電圧を増大することができる。
好適な態様6において、第1のキャパシタ及び第2のキャパシタは、インバータの通電制御スイッチング素子のオフ直前に、直列接続状態から並列状態に変換される。このようにすれば、インバータの通電制御スイッチング素子がオフする時点では、電源ラインの電圧が低下しているため、通電制御スイッチング素子がオン態からオフ状態に遷移する期間(オフ遷移期間)の損失を低減することができる。更に、通電制御スイッチング素子のオフ動作が完了した後、インバータに印加する電源電圧を低下することができる。
好適な態様7において、電源ラインの電位が所定しきい値を超えて上昇する時に第1のキャパシタと第2のキャパシタとは並列接続され、電源ラインの電位が所定しきい値を超えて低下する時に第1のキャパシタと第2のキャパシタとは直列接続される。これにより、電源ラインの電位リップルを低減することができる。
好適な態様8において、スイッチドキャパシタ回路は、昇圧チョッパが昇圧電圧を出力する期間に並列接続され、昇圧チョッパが昇圧電圧を出力しない期間に直列接続される。これにより、昇圧チョッパの出力電圧変化を低減する平滑キャパシタを省略することができる。
上記課題を解決する第2発明は、多相のモータが有する複数の相コイルと個別に電力を授受する複数の相レグを有する多相のインバータを有する。複数の相レグは、バッテリから相コイルへ通電する電電流をスイッチングする通電制御スイッチング素子を有する。
本発明では特に、インバータの複数の通電制御スイッチング素子は、モータに連結される車両用エンジンの爆発直後に、短絡される。これにより、モータの相コイルの電流は、爆発直後に増大する。これは、モータトルクの増大を意味する。これにより、モータ回転速度のが車両用エンジンの爆発直後において急増することを抑制することができるので、エンジン回転数及びトルクのリップルを低減することができる。
本発明では特に、インバータの複数の通電制御スイッチング素子は、モータに連結される車両用エンジンの爆発直後に、短絡される。これにより、モータの相コイルの電流は、爆発直後に増大する。これは、モータトルクの増大を意味する。これにより、モータ回転速度のが車両用エンジンの爆発直後において急増することを抑制することができるので、エンジン回転数及びトルクのリップルを低減することができる。
上記課題を解決する第3発明は、相コイルの2倍の数だけ設けられたの相レグ(ハーフブリッジ)を有する。相コイルは、フルブリッジ(Hブリッジ)を構成する一対の相レグにより通電を制御される。
各相コイルの一端側に接続された複数の相レグに給電する電源ライン又は接地ラインのすくなくとも一方は、通電モード切替スイッチを通じて直流電源に接続される。この通電制御スイッチング素子をオフすると、通電制御スイッチング素子側の相レグは、中性点を構成する。
各相コイルの一端側に接続された複数の相レグに給電する電源ライン又は接地ラインのすくなくとも一方は、通電モード切替スイッチを通じて直流電源に接続される。この通電制御スイッチング素子をオフすると、通電制御スイッチング素子側の相レグは、中性点を構成する。
この通電制御スイッチング素子をオンすると、この通電制御スイッチング素子をオフした場合よりも大きな電源電圧が相コイルに印加される。結局、通電制御スイッチング素子の断続により、相コイルの巻き数を実質的に変更したのと同じ効果を発生することができる。
好適な態様1において、通電モード切替スイッチは、モータがエンジンを始動する際にオンされる。その後、モータが発電状態となったら、オフされる。このようにすれば、エンジン始動時のモータトルクの増大と、エンジン始動後の発電電圧の増大とを実現することができる。
好適な態様2において、同一の相コイルの両端に接続されてHブリッジを構成する一対の相レグ(ハーフブリッジ)は、通電モード切替スイッチ(7)がオンされる時に、互いに電気角π位相が異なる相電圧を出力する。相レグは相コイルに大きな電圧を印加することができる。
好適な態様3において、モータは、磁石式同期モータにより構成される。通電モード切替スイッチは、低速回転時にオフされ、高速回転時にオンされる。これにより、弱め界磁制御を行うことなく磁石起電力が大きくなる高速回転時においてもモータを駆動することができる。
好適な態様4において、通電モード切替スイッチは、低速時であっても、モータの始動時又は車両の急加速時に所定時間だけオンされる。これにより、モータ体格を増大することなく、一時的に大トルクを出力することができる。
上記目的を達成する第4発明は、オフ状態からオン状態への導通状態変更期間であるオン遷移期間と、オン状態からオフ状態へ導通状態変更期間であるオフ遷移期間とを有して所定時間ごとに繰り返し断続される主トランジスタ(201)を有するパワースイッチング回路に適用される。本発明は特に、主トランジスタ(201)よりも相対的に高速のスイッチング速度と、主トランジスタ(201)よりも相対的に大きいオン抵抗をもつ副トランジスタ(202)をもつ。この副トランジスタ(202)は、主トランジスタ(201)と並列に接続される。
本発明は特に、副トランジスタ(202)の制御端子へのオフ電圧の印加は、主トランジスタ(201)へのオフ電圧の印加よりも所定時間遅れることを特徴としている。このようにすれば、たとえばIGBTのようにオフ遷移期間が長い主トランジスタのオフ遷移期間における損失を低減することができる。以下、更に詳しく説明する。
オン状態からオフ状態への電流立ち下がり期間(オフ遷移期間とも呼ぶ)が長い主トランジスタ(たとえばIGBT)は、オフ遷移期間に大きな損失を発生する。この発明では、この主トランジスタのオフ遷移期間にオフ遷移期間が相対的に短い高速のトランジスタたとえばMOSFETをオン状態とする。つまり、副トランジスタの制御電圧は、主トランジスタの制御電圧がオフ電位となった後、所定期間遅れてオフ電位とされる。これにより、主トランジスタのオフ遷移期間に高抵抗となった主トランジスタに流れる電流を副トランジスタに分流させることができるため、オフ遷移期間の損失を低減することができる。
好適な態様1において、前記副トランジスタ(202)は、主トランジスタ(201)のオフ遷移期間の間中、オンされる。これにより、主トランジスタのオフ遷移期間における損失を良好に低減することができる。
好適な態様2において、副トランジスタ(202)の制御電圧は、主トランジスタ(201)に印加される制御電圧がオフ電位からオン電位に変化したと同時にオフ電位からオン電位に変化する。これにより、主トランジスタのオン遷移期間における主トランジスタの損失も低減することができる。
好適な態様2において、副トランジスタ(202)の制御電圧は、主トランジスタ(201)に印加される制御電圧がオフ電位からオン電位に変化したと同時にオフ電位からオン電位に変化する。これにより、主トランジスタのオン遷移期間における主トランジスタの損失も低減することができる。
好適には、副トランジスタの制御電圧は、主トランジスタ(201)の制御電圧がその導通のためにオン電位に変化したと同時にオン電位に変化し、その後、主トランジスタの制御電圧がオフ電位に変化した後、所定期間遅れてオフ電位に変化する。主トランジスタ及び副トランジスタのオフ完了時点が一致することが好ましい。この一致は、主トランジスタの主電極電位又は電流変化に基づいて副トランジスタの制御電圧をオンからオフに変化させることにより実現される。
好適な態様3において、インダクタンス負荷の還流電流を流すためのフライホイルダイオード(203)が主トランジスタ(201)と逆並列に接続される。副トランジスタ(202)は、MOSトランジスタにより構成されてフライホイルダイオード(203)の順方向導通期間にオン状態とされる。これにより、フライホイルダイオードの損失特にその順方向接合電圧降下による損失も低減することができる。
好適な態様4において、副トランジスタ(202)は、フライホイルダイオード(203)の順方向電圧降下が所定しきい値を超えるかどうかを判定する判定回路を有し、少なくとも順方向電圧降下が所定しきい値を超える間においてオン状態とされる。これにより、副トランジスタの損失増大を抑止しつつフライホイルダイオードの順方向電圧損失を確実に低減することができる。
好適な態様5において、副トランジスタ(202)は、フライホイルダイオード(203)の逆方向電圧降下が所定しきい値以下かどうかを判定する判定回路を有し、副トランジスタ(202)は、フライホイルダイオード(203)の順方向電圧降下が0まで低下した後の逆方向電圧降下が所定値以下の期間にオン状態とされる。このようにすれば、副トランジスタ(202)の逆回復電流損失を低減することができる。
上記目的を達成する第5発明は、メインハーフブリッジ回路と、キャパシタと、サブハーフブリッジとを有する。メインハーフブリッジ回路は、高電位側のパワースイッチング素子である上アームスイッチと、低電位側のパワースイッチング素子である下アームスイッチとの接続点を有する。サブハーフブリッジ回路は、キャパシタを通じてメインハーフブリッジ回路の接続点にパルス電圧を印加する。サブハーフブリッジ回路は、メインハーフブリッジ回路よりも高速動作する半導体パワースイッチング素子により構成される。
サブハーフブリッジ回路は、メインハーフブリッジ回路の上アームスイッチ及び下アームスイッチのオン遷移期間及びオフ遷移期間にキャパシタを通じてメインハーフブリッジ回路の上アームスイッチ及び下アームスイッチの電流を低減させる向きにキャパシタを充放電させる。
このようにすれば、メインハーフブリッジ回路の上アームスイッチ及び下アームスイッチのオフ遷移期間やオフ遷移期間の電流を低減することができる。その結果、メインハーフブリッジ回路の損失を低減することができる。このメインハーフブリッジ回路は、インバータの相レグを構成することができる。
このようにすれば、メインハーフブリッジ回路の上アームスイッチ及び下アームスイッチのオフ遷移期間やオフ遷移期間の電流を低減することができる。その結果、メインハーフブリッジ回路の損失を低減することができる。このメインハーフブリッジ回路は、インバータの相レグを構成することができる。
本発明のパワースイッチング回路の各実施形態が図面を参照して具体的に説明される。
(実施例1)
(全体回路)
実施例1のパワースイッチング回路が図1を参照して説明される。発電電動機(MG)2Aは、図略のエンジンに連結されている。MG2Aは、3つの相コイル(10U、10V及び10W)からなる電機子コイルをもつ。
3相のインバータ7Aは、3つの相コイル(10U、10V及び10W)に3相交流電圧を印加する。インバータ7Aは、MG2Aが発電動作する時、3相全波整流器として動作する。インバータ7Aは、電源ライン104及び接地ライン105を通じて昇圧チョッパ回路73の一対の出力端に接続されている。なお、接地ライン105は実際に接地されなくてもよい。
(実施例1)
(全体回路)
実施例1のパワースイッチング回路が図1を参照して説明される。発電電動機(MG)2Aは、図略のエンジンに連結されている。MG2Aは、3つの相コイル(10U、10V及び10W)からなる電機子コイルをもつ。
3相のインバータ7Aは、3つの相コイル(10U、10V及び10W)に3相交流電圧を印加する。インバータ7Aは、MG2Aが発電動作する時、3相全波整流器として動作する。インバータ7Aは、電源ライン104及び接地ライン105を通じて昇圧チョッパ回路73の一対の出力端に接続されている。なお、接地ライン105は実際に接地されなくてもよい。
電源ライン104及び接地ライン105は、電源ライン104の電圧を安定化させるためのスイッチドキャパシタ回路6Aと電荷を授受する。昇圧チョッパ回路73は、バッテリ8から得た直流電圧を昇圧する。昇圧電圧は、電源ライン104及び接地ライン105を通じてインバータ7Aの一対の電源端子間に印加される。
コントローラ9は、インバータ7A、スイッチドキャパシタ回路6A及び昇圧チョッパ回路73のパワースイッチング素子を制御するゲートドライバを有している。コントローラ9は、これらのパワースイッチング素子のスイッチングを制御することにより、インバータ7A、スイッチドキャパシタ回路6A及び昇圧チョッパ回路73の動作を制御する。
コントローラ9は、インバータ7A、スイッチドキャパシタ回路6A及び昇圧チョッパ回路73のパワースイッチング素子を制御するゲートドライバを有している。コントローラ9は、これらのパワースイッチング素子のスイッチングを制御することにより、インバータ7A、スイッチドキャパシタ回路6A及び昇圧チョッパ回路73の動作を制御する。
(昇圧チョッパ回路73)
昇圧チョッパ回路73は、リアクトル76、トランジスタ77及び78をもつ。リアクトル76の一端はバッテリ8の正極端子に接続される。リアクトル76の他端は、トランジスタ77を通じて接地される。リアクトル76の他端は、トランジスタ78を通じて電源ライン104に接続される。トランジスタ77は、リアクトル電流を調整するための電流制御スイッチである。トランジスタ78は、トランジスタ77と逆動作する出力トランジスタである。
昇圧チョッパ回路73は、リアクトル76、トランジスタ77及び78をもつ。リアクトル76の一端はバッテリ8の正極端子に接続される。リアクトル76の他端は、トランジスタ77を通じて接地される。リアクトル76の他端は、トランジスタ78を通じて電源ライン104に接続される。トランジスタ77は、リアクトル電流を調整するための電流制御スイッチである。トランジスタ78は、トランジスタ77と逆動作する出力トランジスタである。
ダイオードDが出力トランジスタ77と逆並列に接続されている。トランジスタ78は、MG2Aが発電動作する時及びダイオードDがオンする時にオンされる。図1に示す昇圧チョッパ回路73の回路構成及び基本動作は周知の昇圧チョッパ回路と同じであるので、その説明は省略される。昇圧チョッパ回路73の好適な動作例が後述される。
(スイッチドキャパシタ回路6A)
スイッチドキャパシタ回路6Aの高電位端子は電源ライン104に接続され、スイッチドキャパシタ回路6Aの低電位端子は接地ライン105に接続されている。スイッチドキャパシタ回路6Aは、直列接続された3つのスイッチ(701、702及び703)と、2つのキャパシタ(704及び705)により構成されている。スイッチ701は高電位スイッチである。スイッチ702は中電位スイッチである。スイッチ703は低電位スイッチである。キャパシタ704は第1のキャパシタである。キャパシタ705は第2のキャパシタである。スイッチ(701、702及び703)は、NMOSトランジスタにより構成されている。NMOSトランジスタの代わりにIGBTなどの他のトランジスタによりスイッチ(701、702及び703)を構成することも可能である。
スイッチドキャパシタ回路6Aの高電位端子は電源ライン104に接続され、スイッチドキャパシタ回路6Aの低電位端子は接地ライン105に接続されている。スイッチドキャパシタ回路6Aは、直列接続された3つのスイッチ(701、702及び703)と、2つのキャパシタ(704及び705)により構成されている。スイッチ701は高電位スイッチである。スイッチ702は中電位スイッチである。スイッチ703は低電位スイッチである。キャパシタ704は第1のキャパシタである。キャパシタ705は第2のキャパシタである。スイッチ(701、702及び703)は、NMOSトランジスタにより構成されている。NMOSトランジスタの代わりにIGBTなどの他のトランジスタによりスイッチ(701、702及び703)を構成することも可能である。
スイッチ701は、電源ライン104とキャパシタ704の高電位端子とを接続している。キャパシタ704の低電位端子は、接地ライン105に接続されている。スイッチ702は、接地ライン105とキャパシタ705の低電位端子とを接続している。キャパシタ705の高電位端子は、電源ライン104に接続されている。スイッチ703は、キャパシタ704の高電位端子とキャパシタ705の低電位端子とを接続している。
スイッチドキャパシタ回路6Aの基本動作が以下に説明される。スイッチ(701及び702)をオンし、かつ、スイッチ703をオフすることにより、バッテリ8の電圧Vbが、キャパシタ(704及び705)に印加される。キャパシタ(704及び705)は並列接続されるので、キャパシタ(704及び705)は、電源ライン104から電荷を吸収する。
スイッチ(701及び702)をオフし、かつ、スイッチ703をオンすることによりキャパシタ(704及び705)が直列接続される。このため、キャパシタ(704及び705)の合計電圧が電源ライン104に印加される。その結果、キャパシタ(704及び705)に蓄積された電荷が電源ライン104に放出される。
つまり、スイッチドキャパシタ回路6Aのスイッチ(701、702及び703)を適切に制御することにより、電源ライン104の電圧リップルを低減することができる。このスイッチドキャパシタ回路6Aの利点は、バッテリ8又は昇圧チョッパ回路73とインバータ7Aとの間の直流電流を遮断する大電流スイッチを必要としない点である。スイッチドキャパシタ回路6Aは、電源ライン104の電位変動の原因となる交流電流成分だけを流す。また、キャパシタ(704及び705)の電位変化が大きいので、キャパシタ(704及び705)の静電容量を非常に小さくすることができる。
重要なことは、このスイッチドキャパシタ回路6Aが、インバータ7Aを通じて大きなインダクタンスをもつモータに電流を送ることである。モータのインダクタンスは、スイッチ(701、702及び703)の断続により、キャパシタ(704及び705)に大きな突入電流が流れるのを防止する。
スイッチドキャパシタ回路6Aの好適な動作例が後述される。
スイッチドキャパシタ回路6Aの好適な動作例が後述される。
(インバータ7A)
インバータ7Aの好適な構成が図2を参照して説明される。インバータ7Aは、ハーフブリッジにより構成される相レグ(1〜6)と、スイッチ(通電モード切替スイッチ)7とにより構成されている。相レグ(1〜6)は、永久磁石型同期機(PM)の電機子コイルを構成する3つの相コイル10U、10V及び10Wの相電流を制御する。
インバータ7Aの好適な構成が図2を参照して説明される。インバータ7Aは、ハーフブリッジにより構成される相レグ(1〜6)と、スイッチ(通電モード切替スイッチ)7とにより構成されている。相レグ(1〜6)は、永久磁石型同期機(PM)の電機子コイルを構成する3つの相コイル10U、10V及び10Wの相電流を制御する。
相レグ1は、直列接続された上アームスイッチ11と下アームスイッチ12とをもつ。相レグ2は、直列接続された上アームスイッチ21と下アームスイッチ22とをもつ。相レグ3は、直列接続された上アームスイッチ31と下アームスイッチ32とをもつ。相レグ4は、直列接続された上アームスイッチ41と下アームスイッチ42とをもつ。相レグ5は、直列接続された上アームスイッチ51と下アームスイッチ52とをもつ。相レグ6は、直列接続された上アームスイッチ61と下アームスイッチ62とをもつ。各上アームスイッチ及び各下アームスイッチは、たとえばIGBTやMOSFETなどの半導体パワースイッチング素子と、逆並列接続されたフライホイルダイオードとをもつ。
相レグ(1〜3)は、第1三相インバータと呼ばれる。相レグ(4〜6)は第2三相インバータと呼ばれる。第1三相インバータの高電位の電源端子は、正母線100及び電源ライン104を通じてバッテリ8の正極端子に接続される。第1三相インバータの低電位の電源端子は、負母線101及び電源ライン105を通じてバッテリ8の負極端子に接続される。第2三相インバータの高電位の電源端子は、正母線102及び電源ライン104を通じてバッテリ8の正極端子に接続される。第2三相インバータの低電位の電源端子は、負母線103及び電源ライン105を通じてバッテリ8の負極端子に接続される。
U相の相コイル10Uの両端は相レグ(1、4)の交流出力端に個別に接続される。V相の相コイル10Vの両端は相レグ(2、5)の交流出力端に個別に接続される。W相の相コイル10Wの両端は相レグ(3、6)の交流出力端に個別に接続される。
相レグ(1、4)は、U相の相コイル10UにU相交流電圧を印加するHブリッジ回路を構成する。相レグ(2、5)は、V相の相コイル10VにV相交流電圧を印加するHブリッジ回路を構成する。相レグ(3、6)は、W相の相コイル10WにW相交流電圧を印加するHブリッジ回路を構成する。
相レグ(1、4)は、U相の相コイル10UにU相交流電圧を印加するHブリッジ回路を構成する。相レグ(2、5)は、V相の相コイル10VにV相交流電圧を印加するHブリッジ回路を構成する。相レグ(3、6)は、W相の相コイル10WにW相交流電圧を印加するHブリッジ回路を構成する。
好適には、スイッチ7はリレーなどの双方向遮断可能なスイッチとされる。第1三相インバータ及び第2三相インバータの構成及び動作は、通常の三相インバータと同じである。たとえば、同一のハーフブリッジの上アームスイッチと下アームスイッチとは同時にオンされない。インバータ7Aの動作が以下に説明される。
(3相Hブリッジモード)
6つの相レグ(1〜6)を3つのHブリッジ(フルブリッジ)として動作させる3相Hブリッジモードが、以下に説明される。スイッチ7はオンされている。たとえば所定のキャリヤ周波数でPWM制御される相レグ(1〜6)は、互いに120度位相が異なる3相交流電圧を相コイル(10U、10V及び10W)に印加する。相レグ1はU+相電圧を出力する。相レグ4はU−相電圧を出力する。相レグ2はV+相電圧を出力する。相レグ5はV−相電圧を出力する。相レグ3はW+相電圧を出力する。相レグ6はW−相電圧を出力する。
U+相電圧及びU−相電圧は180度の位相角差をもつ。V+相電圧及びV−相電圧は180度の位相角差をもつ。W+相電圧及びW−相電圧は180度の位相角差をもつ。U+相電圧とV+相電圧とW+相電圧とは120度の位相角差をもつ。
したがって、最大振幅がバッテリ電圧にほぼ等しいU相電圧が、U相の相コイル10Uに印加される。最大振幅がバッテリ電圧にほぼ等しいV相電圧がV相の相コイル10Vに印加される。最大振幅がバッテリ電圧にほぼ等しいW相電圧がW相の相コイル10Wの両端に印加される。これら3相電圧の周波数及び位相は、モータのロータ回転角に同期して制御される。3相電圧の振幅は、トルク指令に応じて周知のベクトル制御により調整される。その結果、相レグ(1〜6)はPMを回転させる。
6つの相レグ(1〜6)を3つのHブリッジ(フルブリッジ)として動作させる3相Hブリッジモードが、以下に説明される。スイッチ7はオンされている。たとえば所定のキャリヤ周波数でPWM制御される相レグ(1〜6)は、互いに120度位相が異なる3相交流電圧を相コイル(10U、10V及び10W)に印加する。相レグ1はU+相電圧を出力する。相レグ4はU−相電圧を出力する。相レグ2はV+相電圧を出力する。相レグ5はV−相電圧を出力する。相レグ3はW+相電圧を出力する。相レグ6はW−相電圧を出力する。
U+相電圧及びU−相電圧は180度の位相角差をもつ。V+相電圧及びV−相電圧は180度の位相角差をもつ。W+相電圧及びW−相電圧は180度の位相角差をもつ。U+相電圧とV+相電圧とW+相電圧とは120度の位相角差をもつ。
したがって、最大振幅がバッテリ電圧にほぼ等しいU相電圧が、U相の相コイル10Uに印加される。最大振幅がバッテリ電圧にほぼ等しいV相電圧がV相の相コイル10Vに印加される。最大振幅がバッテリ電圧にほぼ等しいW相電圧がW相の相コイル10Wの両端に印加される。これら3相電圧の周波数及び位相は、モータのロータ回転角に同期して制御される。3相電圧の振幅は、トルク指令に応じて周知のベクトル制御により調整される。その結果、相レグ(1〜6)はPMを回転させる。
この3相Hブリッジモードの好適例がU相の相レグ1、4を参照して更に具体的に説明する。
相レグ1から相レグ4に流れる電流をPWM制御により相コイル10Uに通電する正の半波期間において、上アームスイッチ11と下アームスイッチ42の一方又は両方がスイッチングされる。好適には、上アームスイッチ11がPWMスイッチングされる期間と、下アームスイッチ42がPWMスイッチングされる期間とが交互に設定される。これにより、PWMスイッチングによる発熱は、上アームスイッチ11と下アームスイッチ42とに分散される。
相レグ4から相レグ1に流れる電流をPWM制御により相コイル10Uに通電する負の半波期間において、上アームスイッチ41と下アームスイッチ12の一方又は両方がスイッチングされる。好適には、上アームスイッチ41がPWMスイッチングされる期間と、下アームスイッチ12がPWMスイッチングされる期間とが交互に設定される。これにより、PWMスイッチングによる発熱は、上アームスイッチ41と下アームスイッチ12とに分散される。他の相の動作も上記したU相電流制御と基本的に同じである。
その他、略矩形波又は略台形波又は略方形波の電流をU相コイル10Uに通電することもできる。たとえば、相レグ1から相レグ4に流れる電流をPWM制御により相コイル10Uに通電する正の半波期間において、上アームスイッチ11と下アームスイッチ42の両方がオンされる。相レグ4から相レグ1に流れる電流をPWM制御により相コイル10Uに通電する負の半波期間において、上アームスイッチ41と下アームスイッチ12の両方がオンされる。
相レグ1から相レグ4に流れる電流をPWM制御により相コイル10Uに通電する正の半波期間において、上アームスイッチ11と下アームスイッチ42の一方又は両方がスイッチングされる。好適には、上アームスイッチ11がPWMスイッチングされる期間と、下アームスイッチ42がPWMスイッチングされる期間とが交互に設定される。これにより、PWMスイッチングによる発熱は、上アームスイッチ11と下アームスイッチ42とに分散される。
相レグ4から相レグ1に流れる電流をPWM制御により相コイル10Uに通電する負の半波期間において、上アームスイッチ41と下アームスイッチ12の一方又は両方がスイッチングされる。好適には、上アームスイッチ41がPWMスイッチングされる期間と、下アームスイッチ12がPWMスイッチングされる期間とが交互に設定される。これにより、PWMスイッチングによる発熱は、上アームスイッチ41と下アームスイッチ12とに分散される。他の相の動作も上記したU相電流制御と基本的に同じである。
その他、略矩形波又は略台形波又は略方形波の電流をU相コイル10Uに通電することもできる。たとえば、相レグ1から相レグ4に流れる電流をPWM制御により相コイル10Uに通電する正の半波期間において、上アームスイッチ11と下アームスイッチ42の両方がオンされる。相レグ4から相レグ1に流れる電流をPWM制御により相コイル10Uに通電する負の半波期間において、上アームスイッチ41と下アームスイッチ12の両方がオンされる。
(3相星形接続モード)
6つの相レグ(1〜6)により相コイル(10U、10V及び10W)を3相星形接続する3相星形接続モードが以下に説明される。
このモードでは、スイッチ7はオフされる。第2三相インバータの上アームスイッチ(41、51及び61)は常時オフされる。下アームスイッチ(42、52及び62)は常時オンされる。これにより、負母線103は、下アームスイッチ(42、52及び62)を通じて3つの相コイル(10U、10V及び10W)の一端に接続される中性点を構成する。その結果、相コイル(10U、10V及び10W)は、3相星形接続される。
これにより、各相コイル(10U、10V及び10W)に印加される相電圧の振幅が既述した3相Hブリッジモードより小さくなる。すなわち、バッテリ電圧は、直列接続された2つの相コイルに印加されるため、一つの相コイルに印加されるバッテリ電圧は大幅に減少する。
6つの相レグ(1〜6)により相コイル(10U、10V及び10W)を3相星形接続する3相星形接続モードが以下に説明される。
このモードでは、スイッチ7はオフされる。第2三相インバータの上アームスイッチ(41、51及び61)は常時オフされる。下アームスイッチ(42、52及び62)は常時オンされる。これにより、負母線103は、下アームスイッチ(42、52及び62)を通じて3つの相コイル(10U、10V及び10W)の一端に接続される中性点を構成する。その結果、相コイル(10U、10V及び10W)は、3相星形接続される。
これにより、各相コイル(10U、10V及び10W)に印加される相電圧の振幅が既述した3相Hブリッジモードより小さくなる。すなわち、バッテリ電圧は、直列接続された2つの相コイルに印加されるため、一つの相コイルに印加されるバッテリ電圧は大幅に減少する。
(モード切替制御1)
次に、モード切替制御1が以下に説明される。モータ回転数が所定のしきい値回転数Nth未満の低速動作範囲では、スイッチ7がオフされる。その結果、上記した3相星形接続モードが選択される。低速であるため、相コイル(10U、10V及び10W)の誘導起電力すなわち発電電圧はバッテリ電圧より十分に小さく、第1三相インバータはこの誘導起電力に抗して相コイル10U、10V、10Wに十分に電流を流すことができる。
次に、モード切替制御1が以下に説明される。モータ回転数が所定のしきい値回転数Nth未満の低速動作範囲では、スイッチ7がオフされる。その結果、上記した3相星形接続モードが選択される。低速であるため、相コイル(10U、10V及び10W)の誘導起電力すなわち発電電圧はバッテリ電圧より十分に小さく、第1三相インバータはこの誘導起電力に抗して相コイル10U、10V、10Wに十分に電流を流すことができる。
モータ回転数が所定のしきい値回転数Nt以上の高速動作範囲では、スイッチ70がオンされる。その結果、上記した3相Hブリッジモードが選択される。高速であるため、相コイル(10U、10V及び10W)の誘導起電力(発電電圧とも言う)が大きいが、バッテリ電圧はそれぞれのHブリッジを通じて相コイル(10U、10V及び10W)にフルに印加される。したがって、第1三相インバータ及び第2三相インバータは、相コイル(10U、10V及び10W)の誘導起電力に抗して相コイル(10U、10V及び10W)に十分に電流を流すことができる。
(モード切替制御2)
次に、モード切替制御2が説明される。モータ回転数が所定のしきい値回転数Nth未満の低速動作範囲であっても、モータが短期的に大きなトルクを必要とする場合、3相Hブリッジモードが選択される。たとえば、モータがエンジンを始動する場合や、車両加速トルクを発生する場合などにおいて、この3相Hブリッジモードが選択される。その結果、モータ電流が増大する。モータ回転数が小さいので、大きな電流が各相コイル(10U、10V及び10W)に流れる。モータトルクは電流に比例するため、大きなモータトルクを発生することができる。ただし、低速回転時の3相Hブリッジモードは、相コイル(10U、10V及び10W)及びインバータ7Aの発熱を増大させるので、短時間だけ実施されるべきである。
次に、モード切替制御2が説明される。モータ回転数が所定のしきい値回転数Nth未満の低速動作範囲であっても、モータが短期的に大きなトルクを必要とする場合、3相Hブリッジモードが選択される。たとえば、モータがエンジンを始動する場合や、車両加速トルクを発生する場合などにおいて、この3相Hブリッジモードが選択される。その結果、モータ電流が増大する。モータ回転数が小さいので、大きな電流が各相コイル(10U、10V及び10W)に流れる。モータトルクは電流に比例するため、大きなモータトルクを発生することができる。ただし、低速回転時の3相Hブリッジモードは、相コイル(10U、10V及び10W)及びインバータ7Aの発熱を増大させるので、短時間だけ実施されるべきである。
(変形態様)
スイッチ7をオンする期間又はオフする期間に、インバータ7Aのスイッチング制御により、スイッチ7を流れる電流を一時的に低減することが好適である。上記実施形態では、正弦波電圧を発生させるインバータ制御について説明したが、3相モータを駆動するための従来の3相インバータと同様に、1相電圧を順番に固定する2相変調動作や、3相の矩形波電圧を発生させる動作を行ってもよい。
3相Hブリッジモードにおいて、一つのHブリッジの同時にオンする2つのパワースイッチング素子は、同じタイミングでオンすることが好適である。スイッチ7は、モータの動作条件によっては一方向スイッチにより構成されることができる。
スイッチ7をオンする期間又はオフする期間に、インバータ7Aのスイッチング制御により、スイッチ7を流れる電流を一時的に低減することが好適である。上記実施形態では、正弦波電圧を発生させるインバータ制御について説明したが、3相モータを駆動するための従来の3相インバータと同様に、1相電圧を順番に固定する2相変調動作や、3相の矩形波電圧を発生させる動作を行ってもよい。
3相Hブリッジモードにおいて、一つのHブリッジの同時にオンする2つのパワースイッチング素子は、同じタイミングでオンすることが好適である。スイッチ7は、モータの動作条件によっては一方向スイッチにより構成されることができる。
(変形態様)
変形態様が図3を参照して説明される。図3において、正母線102はスイッチ71を通じて正母線100に接続される。スイッチ71及び7のオンにより3相Hブリッジモードが実行される。スイッチ71及び7のオフにより3相星形接続モードが実施される。その他、スイッチ7を省略し、スイッチ71の断続により3相星形接続モードと3相Hブリッジモードとを切り替えることもできる。インバータ7Aの好適な動作例が後述される。
変形態様が図3を参照して説明される。図3において、正母線102はスイッチ71を通じて正母線100に接続される。スイッチ71及び7のオンにより3相Hブリッジモードが実行される。スイッチ71及び7のオフにより3相星形接続モードが実施される。その他、スイッチ7を省略し、スイッチ71の断続により3相星形接続モードと3相Hブリッジモードとを切り替えることもできる。インバータ7Aの好適な動作例が後述される。
(実施例2)
昇圧チョッパ回路73の好適な動作例が図4に示すタイミングチャートを参照して説明される。図4の横軸は時間である。S0は、インバータ7Aの上アーム素子のゲート電極に印加するゲート電圧である。S1は、インバータ7Aの上アーム素子に印加するゲート電圧である。S1は、スイッチドキャパシタ回路6Aのスイッチ(701及び703)に印加するゲート電圧である。S2は、スイッチドキャパシタ回路6Aのスイッチ(702)に印加するゲート電圧である。S3は、昇圧チョッパ回路73のトランジスタ77に印加するゲート電圧である。MG2Aの電動動作期間において、昇圧チョッパ回路73のトランジスタ78は、トランジスタ77と逆動作するので、そのゲート電圧S4はゲート電圧S3と反対の波形となる。なお、MG2Aの発電動作期間において、トランジスタ78は常時オンされ、トランジスタ77はオフされる。Tは、PWM制御されるインバータ7AのPWMキャリヤ周波数の1周期である。
昇圧チョッパ回路73の好適な動作例が図4に示すタイミングチャートを参照して説明される。図4の横軸は時間である。S0は、インバータ7Aの上アーム素子のゲート電極に印加するゲート電圧である。S1は、インバータ7Aの上アーム素子に印加するゲート電圧である。S1は、スイッチドキャパシタ回路6Aのスイッチ(701及び703)に印加するゲート電圧である。S2は、スイッチドキャパシタ回路6Aのスイッチ(702)に印加するゲート電圧である。S3は、昇圧チョッパ回路73のトランジスタ77に印加するゲート電圧である。MG2Aの電動動作期間において、昇圧チョッパ回路73のトランジスタ78は、トランジスタ77と逆動作するので、そのゲート電圧S4はゲート電圧S3と反対の波形となる。なお、MG2Aの発電動作期間において、トランジスタ78は常時オンされ、トランジスタ77はオフされる。Tは、PWM制御されるインバータ7AのPWMキャリヤ周波数の1周期である。
時点t7から時点t4までの期間T1は、インバータ7Aの上アーム側のトランジスタ(11、21、31、41、51及び61)がオンされる期間である。インバータ7Aのトランジスタは、この期間に電源ライン104からMG2Aへ電流を通電する。
時点t4から時点t7までの期間T2は、インバータ7Aの上アーム側のトランジスタ(11、21、31、41、51及び61)がオフされる期間である。インバータ7Aのフライホイルダイオードは、この期間に、MG2Aの励磁電流を電源ライン104に流す。
時点t4から時点t7までの期間T2は、インバータ7Aの上アーム側のトランジスタ(11、21、31、41、51及び61)がオフされる期間である。インバータ7Aのフライホイルダイオードは、この期間に、MG2Aの励磁電流を電源ライン104に流す。
ゲート電圧S1は、期間T1が終わる直前にオンされる。インバータ7Aのトランジスタがオフされる時点t4において電源ライン104の電圧が低下するので、インバータ7Aのトランジスタのオフ時損失が減少する。
インバータ7Aのトランジスタがオフされた期間T2において、インバータ7Aのフライホイルダイオードは、MG2Aのインダクタンスに蓄積された磁気エネルギーによる励磁電流を電源ライン104に流す。この励磁電流は、キャパシタ(704及び705)に吸収される。このため、電源ライン104の電圧上昇が抑制される。スイッチ(701及び703)は急速にオンされるが、MG2Aのインダクタンスによりキャパシタ(704及び705)に大きな突入電流が流れることは防止される。
インバータ7Aのトランジスタがオフされた期間T2において、インバータ7Aのフライホイルダイオードは、MG2Aのインダクタンスに蓄積された磁気エネルギーによる励磁電流を電源ライン104に流す。この励磁電流は、キャパシタ(704及び705)に吸収される。このため、電源ライン104の電圧上昇が抑制される。スイッチ(701及び703)は急速にオンされるが、MG2Aのインダクタンスによりキャパシタ(704及び705)に大きな突入電流が流れることは防止される。
ゲート電圧S1は期間T1が始まった後でオフされ、ゲート電圧S2がオンされる。インバータ7Aのトランジスタがオンされた時点t7の後で電源ライン104の電圧が上昇するので、インバータ7Aのトランジスタのオン時損失が減少する。
インバータ7Aのトランジスタがオンされた期間T1において、直列接続されたキャパシタ(704及び705)は、電源ライン104の電圧を上昇させる。これにより、期間T1におけるインバータ7Aのパワースイッチング素子のオンによる電源ライン104の電圧低下が抑制される。スイッチ(702)は急速にオンされるが、MG2Aのインダクタンスによりキャパシタ(704及び705)に大きな突入電流が流れることは防止される。スイッチ(701及び703)のオンオフ動作とスイッチ(702)のオンオフ動作との間には短いデッドタイムが設けられている。
インバータ7Aのトランジスタがオンされた期間T1において、直列接続されたキャパシタ(704及び705)は、電源ライン104の電圧を上昇させる。これにより、期間T1におけるインバータ7Aのパワースイッチング素子のオンによる電源ライン104の電圧低下が抑制される。スイッチ(702)は急速にオンされるが、MG2Aのインダクタンスによりキャパシタ(704及び705)に大きな突入電流が流れることは防止される。スイッチ(701及び703)のオンオフ動作とスイッチ(702)のオンオフ動作との間には短いデッドタイムが設けられている。
この実施形態では、ゲート電圧S3は、ゲート電圧S2がオフする直前にオンされる。これにより、インバータ7Aのパワースイッチング素子がオフする時点t4において、昇圧チョッパ回路73は電源ライン104へ電流を流さない。このため、インバータ7Aのパワースイッチング素子がオフする時点t4の電源ライン104の電圧は低下するため、インバータ7Aのパワースイッチング素子のオフ時損失が低減される。
(変形態様)
この変形態様では、トランジスタ77のゲート電極に印加されるゲート電圧S3’は、インバータ7Aのパワースイッチング素子がオンした時点t7の後でオフされる。すなわち、トランジスタ77のオフによる昇圧チョッパ回路73から電源ライン104への電流供給は、インバータ7Aのパワースイッチング素子のオン動作が完了した後でなされる。これにより、インバータ7Aのパワースイッチング素子のオン時損失が低減される。
この変形態様では、トランジスタ77のゲート電極に印加されるゲート電圧S3’は、インバータ7Aのパワースイッチング素子がオンした時点t7の後でオフされる。すなわち、トランジスタ77のオフによる昇圧チョッパ回路73から電源ライン104への電流供給は、インバータ7Aのパワースイッチング素子のオン動作が完了した後でなされる。これにより、インバータ7Aのパワースイッチング素子のオン時損失が低減される。
(変形態様)
スイッチ(701、702及び703)が電源ライン104から電流を吸収する期間(t3−t8)は、昇圧チョッパ回路73が電源ライン104へ電流を供給する期間(t6−t1)に略等しく設定することができる。たとえば、スイッチ(701及び703)はトランジスタ77をオフすると同時にオンされる。これにより、トランジスタ77のオフによる電源ライン104の電圧上昇を低減することができる。
スイッチ(701、702及び703)が電源ライン104から電流を吸収する期間(t3−t8)は、昇圧チョッパ回路73が電源ライン104へ電流を供給する期間(t6−t1)に略等しく設定することができる。たとえば、スイッチ(701及び703)はトランジスタ77をオフすると同時にオンされる。これにより、トランジスタ77のオフによる電源ライン104の電圧上昇を低減することができる。
(変形態様)
スイッチ(701、702及び703)が電源ライン104へ電流を放出する期間(t9−t2)は、昇圧チョッパ回路73が電源ライン104へ電流を供給しない期間(t1−t6)に略等しく設定することができる。たとえば、スイッチ(702)はトランジスタ77をオンすると同時にオンされる。これにより、トランジスタ77のオンによる電源ライン104の電圧低下を低減することができる。
スイッチ(701、702及び703)が電源ライン104へ電流を放出する期間(t9−t2)は、昇圧チョッパ回路73が電源ライン104へ電流を供給しない期間(t1−t6)に略等しく設定することができる。たとえば、スイッチ(702)はトランジスタ77をオンすると同時にオンされる。これにより、トランジスタ77のオンによる電源ライン104の電圧低下を低減することができる。
(実施例3)
スイッチドキャパシタ回路6Aの動作例が図5及び図6を参照して説明される。図5は、電源ライン104の電圧Vの変化を示すタイミングチャートである。s1は、スイッチ(701及び703)のゲート電圧である。s2は、スイッチ(702)のゲート電圧である。電源ライン104の電圧Vが高電圧しきい値VthHより高い時、スイッチ(701及び703)がオンされる。電源ライン104の電圧Vが低電圧しきい値VthLより低い時、スイッチ(702)がオンされる。これにより、電源ライン104の電圧Vは、VthHとVthLとの間に維持される。
スイッチドキャパシタ回路6Aの動作例が図5及び図6を参照して説明される。図5は、電源ライン104の電圧Vの変化を示すタイミングチャートである。s1は、スイッチ(701及び703)のゲート電圧である。s2は、スイッチ(702)のゲート電圧である。電源ライン104の電圧Vが高電圧しきい値VthHより高い時、スイッチ(701及び703)がオンされる。電源ライン104の電圧Vが低電圧しきい値VthLより低い時、スイッチ(702)がオンされる。これにより、電源ライン104の電圧Vは、VthHとVthLとの間に維持される。
図6は、電源ライン104の電圧Vによりスイッチ(701及び703)のゲート電圧S1、S2を決定するためのウインドウコンパレータ回路を示す。ウインドウコンパレータ回路の代わりに、ヒステリシスコンパレータ回路を採用することもできる。電源ライン104の電圧Vがローパスフィルタ43Aに入力される。ローパスフィルタ43Aを平均値回路に変更することは可能である。ローパスフィルタ43Aは、電源ライン104の電圧Vの直流電圧成分Vbdcを検出する。この直流電圧成分Vbdcは、レベルシフト回路44A及び45Aに入力される。レベルシフト回路44Aは、直流電圧成分VbdcよりΔVだけ高い電圧(Vbdc+ΔV)をハイレベルしきい値VthHとしてコンパレータ41Aに出力する。レベルシフト回路45Aは、直流電圧成分VbdcよりΔVだけ低い電圧(Vbdc−ΔV)をローレベルしきい値VthLとしてコンパレータ42Aに出力する。たとえば、電圧Vは約250Vであり、差電圧ΔVは1Vである。キャパシタ(704及び705)の静電容量は10μFである。
コンパレータ41Aは電圧Vとハイレベルしきい値VthHとを比較する。コンパレータ42Aは電圧Vとローレベルしきい値VthLとを比較する。コンパレータ41Aは、電圧Vがハイレベルしきい値VthHより大きい時にハイレベルの出力電圧s1を出力する。コンパレータ41Aの出力電圧s1はスイッチ(701及び703)に印加される。
コンパレータ42Aは、電圧Vがローレベルしきい値VthLより小さい時にハイレベルの出力電圧s2を出力する。コンパレータ42Aの出力電圧s2はスイッチ(702)に印加される。その結果、電圧Vがローレベルのしきい値VthLより小さい場合に、キャパシタ(704及び705)は電源ライン104へ約半分の電荷を放出する。このスイッチドキャパシタ型のアクティブ平滑回路は、図1以外の種々の直流電圧ラインの電圧リップルを低減することができる。
(実施例4)
インバータ7Aによる発電アシスト動作が図1を参照して説明される。この実施例では、MG2Aが連結された図略のエンジンが低回転数の場合に、公知のインバータ短絡による発電を行う点にその特徴がある。
ここで、インバータ短絡による発電について簡単に説明する。多相の交流モータの各相コイルに接続されるインバータの各相レグの上アーム側のパワースイッチング素子(上アーム素子)及び下アーム側のパワースイッチング素子(下アーム素子)のどちらか一方をすべて短絡し、他方をすべてオフする時、交流発電機の各相コイルがインバータにより短絡されるので、各相コイルの発電電圧により各相コイルに流れる短絡電流が増大する。その後、オンされていたインバータの各パワースイッチング素子をオフすると、各相コイルの電圧は増大し、各相コイルは、インバータのフライホイルダイオードを通じて電源ラインに発電電流を出力する。これが公知のインバータ短絡による発電技術である。ただし、この発電波形はパルス状となり、発電する交流モータがエンジンに与える負荷トルク変動は大きい。
インバータ7Aによる発電アシスト動作が図1を参照して説明される。この実施例では、MG2Aが連結された図略のエンジンが低回転数の場合に、公知のインバータ短絡による発電を行う点にその特徴がある。
ここで、インバータ短絡による発電について簡単に説明する。多相の交流モータの各相コイルに接続されるインバータの各相レグの上アーム側のパワースイッチング素子(上アーム素子)及び下アーム側のパワースイッチング素子(下アーム素子)のどちらか一方をすべて短絡し、他方をすべてオフする時、交流発電機の各相コイルがインバータにより短絡されるので、各相コイルの発電電圧により各相コイルに流れる短絡電流が増大する。その後、オンされていたインバータの各パワースイッチング素子をオフすると、各相コイルの電圧は増大し、各相コイルは、インバータのフライホイルダイオードを通じて電源ラインに発電電流を出力する。これが公知のインバータ短絡による発電技術である。ただし、この発電波形はパルス状となり、発電する交流モータがエンジンに与える負荷トルク変動は大きい。
この実施例は、エンジンの各シリンダの爆発膨張行程の初期に、このインバータの短絡期間を設定する点にその特徴がある。この実施例のインバータ短絡方法が図7を参照して説明される。図7において、時点t1、t2及びt3はエンジンの3つのシリンダの爆発開始時点を示す。エンジンのトルクは、爆発開始時点t1、t2及びt3の直後に大幅に増加する。
インバータ7Aは、爆発開始時点t1、t2及びt3又はその近傍において短絡を開始する。これにより、爆発直後においてMG2Aの負荷トルクは増大する。すなわち、この実施例では、エンジンの爆発開始時点の直後に、インバータの短絡期間(t1−t1’、t2−t2’及びt3−t3’)が設けられる。時点(t1’、t2’及びt3’)において、インバータ7Aの短絡は解除される。この実施例では、エンジンのトルク急増期間にインバータ短絡によるエンジン負荷トルクの増大を行う。これにより、エンジントルクの変動を低減することができる。
インバータ7Aは、爆発開始時点t1、t2及びt3又はその近傍において短絡を開始する。これにより、爆発直後においてMG2Aの負荷トルクは増大する。すなわち、この実施例では、エンジンの爆発開始時点の直後に、インバータの短絡期間(t1−t1’、t2−t2’及びt3−t3’)が設けられる。時点(t1’、t2’及びt3’)において、インバータ7Aの短絡は解除される。この実施例では、エンジンのトルク急増期間にインバータ短絡によるエンジン負荷トルクの増大を行う。これにより、エンジントルクの変動を低減することができる。
このインバータ短絡発電の制御ルーチンが図8を参照して説明される。このルーチンは、エンジン回転数Neが所定の最低値(たとえば500rpm)を超えた時に開始される。まず、エンジン回転数Neが所定しきい値Nth(たとえば750rpm)より小さいかどうかが判定される(S10)。エンジン回転数Neが所定しきい値Nth(たとえば750rpm)以上であれば、通常の発電が行われる。エンジン回転数Neが所定しきい値Nth(たとえば750rpm)より小さければ、インバータ短絡期間Tsとインバータ短絡解除期間Toとが交互に設定される。図2に示すスイッチ7はオフされる。第2インバータの上アーム素子(41、51及び61)はオフされ、第2インバータの下アーム素子(42、52及び62)はオンされる。更に、第1インバータの下アームのスイッチ(12、22及び32)がオンされる。第1インバータの上アームのスイッチ(11、21及び31)がオフされる。
これにより、既述したインバータ短絡発電が実施される。これにより、従来より低いエンジン回転数でも、MG2Aの界磁束を増加することなくエンジントルク変動を抑止しつつ発電をおこなうことができる。
これにより、既述したインバータ短絡発電が実施される。これにより、従来より低いエンジン回転数でも、MG2Aの界磁束を増加することなくエンジントルク変動を抑止しつつ発電をおこなうことができる。
(実施例5)
実施例5のパワースイッチング回路を図9を参照して説明する。図9は、たとえば図2のU+ハーフブリッジ(U+相レグ)1を示す回路図である。
(回路構成)
相レグ1の上アーム素子11は、並列接続されたIGBT201及びMOSFET202により構成されている。ショットキダイオードからなるフライホイルダイオード203がIGBT201及びMOSFET202と逆並列接続されている。相レグ1の下アーム素子12は、並列接続されたIGBT204及びMOSFET205により構成されている。ショットキダイオードからなるフライホイルダイオード206がIGBT204及びMOSFET205と逆並列接続されている。
実施例5のパワースイッチング回路を図9を参照して説明する。図9は、たとえば図2のU+ハーフブリッジ(U+相レグ)1を示す回路図である。
(回路構成)
相レグ1の上アーム素子11は、並列接続されたIGBT201及びMOSFET202により構成されている。ショットキダイオードからなるフライホイルダイオード203がIGBT201及びMOSFET202と逆並列接続されている。相レグ1の下アーム素子12は、並列接続されたIGBT204及びMOSFET205により構成されている。ショットキダイオードからなるフライホイルダイオード206がIGBT204及びMOSFET205と逆並列接続されている。
S1HはIGBT201のゲート電極に印加されるゲート電圧である。S2HはMOSFET202のゲート電極に印加されるゲート電圧である。S1LはIGBT204のゲート電極に印加されるゲート電圧である。S2LはMOSFET205のゲート電極に印加されるゲート電圧である。つまり、この実施例では、ハーフブリッジの上アームスイッチ又は下アームスイッチのパワースイッチング素子を、IGBT(主トランジスタ)とMOSFET(副トランジスタ)とを並列接続して構成されている。IGBTは、MOSFETよりも小さいオン抵抗をもつ。MOSFETはIGBTよりも高速でオン又はオフすることができる。
(動作説明)
このパワースイッチング回路の動作の一例を図10を参照して説明する。図10は、IGBT201及びMOSFET202の模式的なゲート電圧波形及び電流波形を示すタイミングチャートである。IGBT201に印加されるゲート電圧S1Hは時点t1〜t3の期間にハイレベルとなる。これにより、IGBT201には電流i1が流れる。MOSFET202に印加されるゲート電圧S2Hは、ゲート電圧S1Hの立ち上がりエッジ及びたち下がりエッジから所定時間ΔTだけオンされる。これにより、MOSFET202には電流i2が流れる。
このパワースイッチング回路の動作の一例を図10を参照して説明する。図10は、IGBT201及びMOSFET202の模式的なゲート電圧波形及び電流波形を示すタイミングチャートである。IGBT201に印加されるゲート電圧S1Hは時点t1〜t3の期間にハイレベルとなる。これにより、IGBT201には電流i1が流れる。MOSFET202に印加されるゲート電圧S2Hは、ゲート電圧S1Hの立ち上がりエッジ及びたち下がりエッジから所定時間ΔTだけオンされる。これにより、MOSFET202には電流i2が流れる。
更に説明すると、ゲート電圧S1Hがハイレベルとなると、IGBT201の電流i1は時点t2まで増大する。時点t1〜t2間の立ち上がり過渡期間(オン遷移期間)T1におけるIGBT201の抵抗損失は大きい。これは、IGBT201の立ち上がり過渡期間T1が長いためである。
そこで、この実施形態では、IGBT201の立ち上がり過渡期間T1にMOSFET202をオンする。MOSFET202は、IGBT201に比べて格段に早いオン遷移期間をもつ。このため、立ち上がり過渡期間T1の少なくとも前半において電流はMOSFET202を主として流れる。その結果、IGBT201とMOSFET202との合成抵抗及び合成抵抗損失が立ち上がり過渡期間T1の少なくとも初期、好適にはその前半、更に好適には立ち上がり過渡期間T1の全部において減少する。
そこで、この実施形態では、IGBT201の立ち上がり過渡期間T1にMOSFET202をオンする。MOSFET202は、IGBT201に比べて格段に早いオン遷移期間をもつ。このため、立ち上がり過渡期間T1の少なくとも前半において電流はMOSFET202を主として流れる。その結果、IGBT201とMOSFET202との合成抵抗及び合成抵抗損失が立ち上がり過渡期間T1の少なくとも初期、好適にはその前半、更に好適には立ち上がり過渡期間T1の全部において減少する。
立ち上がり過渡期間T1の後期にIGBT201のオン抵抗がMOSFET202のオン抵抗よりも小さくなると、電流は主としてIGBT201を流れ、MOSFET202により抵抗低減効果は減少するが、IGBT201の抵抗損失自体が小さくなるため、問題はない。
IGBT201のオン抵抗が十分に低下した後、ゲート電圧S2Hがローレベルとなり、MOSFET202をオフする。この時、MOSFET202の電流i2は小さいため、そのスイッチング損失は小さい。
時点t3において、ゲート電圧S1Hはローレベルとなり、IGBT201の電流i2は時点t3〜t4の立ち下がり過渡期間(オフ遷移期間)T3において次第に減少する。この立ち下がり過渡期間T3特にその後期においてIGBT201のオン抵抗は増大し、大きな抵抗損失が発生する。
IGBT201のオン抵抗が十分に低下した後、ゲート電圧S2Hがローレベルとなり、MOSFET202をオフする。この時、MOSFET202の電流i2は小さいため、そのスイッチング損失は小さい。
時点t3において、ゲート電圧S1Hはローレベルとなり、IGBT201の電流i2は時点t3〜t4の立ち下がり過渡期間(オフ遷移期間)T3において次第に減少する。この立ち下がり過渡期間T3特にその後期においてIGBT201のオン抵抗は増大し、大きな抵抗損失が発生する。
そこで、この実施例では、IGBT201の立ち下がり過渡期間T3にMOSFET202をオンする。MOSFET202は、IGBT201に比べて格段に早いオン期間をもつ。このため、立ち下がり過渡期間T3のうち少なくともIGBT201のオン抵抗が大きいその後半期間に電流は主としてMOSFET202を流れる。その結果、IGBT201とMOSFET202との合成抵抗及び合成抵抗損失が立ち下がり過渡期間T3の少なくとも終期、好適にはその後半、更に好適には立ち下がり過渡期間T3の全部において減少する。
なお、この実施例では、IGBT201のオン遷移期間におけるMOSFET202のゲート電圧S2Hのハイレベル期間ΔTと、IGBT201のオフ遷移期間におけるMOSFET202のゲート電圧S2Hのハイレベル期間ΔTとは等しいとしたが、後者を前者より長くしてもよい。また、MOSFET202のハイレベル期間ΔTをIGBT201の電流に正相関をもつように変更してもよい。
なお、この実施例では、IGBT201のオン遷移期間におけるMOSFET202のゲート電圧S2Hのハイレベル期間ΔTと、IGBT201のオフ遷移期間におけるMOSFET202のゲート電圧S2Hのハイレベル期間ΔTとは等しいとしたが、後者を前者より長くしてもよい。また、MOSFET202のハイレベル期間ΔTをIGBT201の電流に正相関をもつように変更してもよい。
(効果)
この実施形態では、IGBT201のように遅い立ち上がり過渡期間T1及び立ち下がり過渡期間T3に、IGBT201と並列接続されたMOSFET202が導通する。したがって、パワースイッチング回路のスイッチング損失を低減することができる。MOSFET202は、IGBT201の立ち上がり過渡期間T1の初期及び立ち下がり過渡期間T3の終期に少なくともオンされる。ここで、初期又は終期とは、MOSFET202のオン抵抗がIGBT201のオン抵抗より小さい期間を言うものとする。
この実施形態では、IGBT201のように遅い立ち上がり過渡期間T1及び立ち下がり過渡期間T3に、IGBT201と並列接続されたMOSFET202が導通する。したがって、パワースイッチング回路のスイッチング損失を低減することができる。MOSFET202は、IGBT201の立ち上がり過渡期間T1の初期及び立ち下がり過渡期間T3の終期に少なくともオンされる。ここで、初期又は終期とは、MOSFET202のオン抵抗がIGBT201のオン抵抗より小さい期間を言うものとする。
その他、MOSFET202を、IGBT201の立ち上がり過渡期間T1の前半期間及び立ち下がり過渡期間T3の後半にオンしてもよい。その他、MOSFET202を、IGBT201の立ち上がり過渡期間T1の全期間及び立ち下がり過渡期間T3の全期間にオンしてもよい。
その他、MOSFET202のゲート電圧S2Hを時点t1〜時点t4’まで継続してハイレベルとしてもよい。S2HHは、この時のMOST2020のゲート電圧波形を示す。この場合、期間T2におけるIGBT201のオン抵抗が非常に小さいため、MOSFET202の損失、発熱は小さい。また、立ち上がり過渡期間T1の後半期間、立ち下がり過渡期間T3の前半期間にも、IGBT201のオン抵抗がMOSFET202のそれよりも小さいため、MOSFET202の発熱及び温度上昇を抑制することができる。ただし、小電流容量のMOSFET202を用いる場合には、少しでもその発熱とそれによる温度上昇を低減するために、少なくともオン期間T2にオフされるべきである。
その他、MOSFET202のゲート電圧S2Hを時点t1〜時点t4’まで継続してハイレベルとしてもよい。S2HHは、この時のMOST2020のゲート電圧波形を示す。この場合、期間T2におけるIGBT201のオン抵抗が非常に小さいため、MOSFET202の損失、発熱は小さい。また、立ち上がり過渡期間T1の後半期間、立ち下がり過渡期間T3の前半期間にも、IGBT201のオン抵抗がMOSFET202のそれよりも小さいため、MOSFET202の発熱及び温度上昇を抑制することができる。ただし、小電流容量のMOSFET202を用いる場合には、少しでもその発熱とそれによる温度上昇を低減するために、少なくともオン期間T2にオフされるべきである。
上記と同じく、MOSFET205はIGBT204と並列接続され、MOSFET202と同様にIGBT204の立ち上がり過渡期間の少なくとも初期及び立ち下がり過渡期間の少なくとも終期にオンされる。
この並列スイッチ構造は、インバータ以外のパワースイッチング回路たとえばDCDCコンバータ回路などに適用できる。また、IGBTの代わりに、MOSFETと比較して相対的にスイッチング遷移が遅くオン抵抗が小さいパワースイッチングトランジスタとMOSFETとを並列接続して、実質的に一個のパワースイッチング素子としてもよい。
この並列スイッチ構造は、インバータ以外のパワースイッチング回路たとえばDCDCコンバータ回路などに適用できる。また、IGBTの代わりに、MOSFETと比較して相対的にスイッチング遷移が遅くオン抵抗が小さいパワースイッチングトランジスタとMOSFETとを並列接続して、実質的に一個のパワースイッチング素子としてもよい。
また、MOSFET202をIGBT201のゲート電圧がローレベルとなった時点(t3)から所定時間後(t4’)にオフしたが、その代わりに、IGBT201のゲート電圧がローレベルとなった後、出力電圧Uoutputが所定しきい値以下となったことをコンパレータにより検出したらMOSFET202のゲート電圧をローレベルとしてもよい。
同じく、MOSFET202をIGBT201のゲート電圧がハイレベルとなった時点(t1)から所定時間後(t2’)にオフしたが、その代わりに、IGBT201のゲート電圧がハイレベルとなった後、出力電圧Uoutputが所定しきい値以上となったことをコンパレータにより検出したらMOSFET202のゲート電圧をローレベルとしてもよい。
同じく、MOSFET202をIGBT201のゲート電圧がハイレベルとなった時点(t1)から所定時間後(t2’)にオフしたが、その代わりに、IGBT201のゲート電圧がハイレベルとなった後、出力電圧Uoutputが所定しきい値以上となったことをコンパレータにより検出したらMOSFET202のゲート電圧をローレベルとしてもよい。
(実施例6)
実施例6のパワースイッチング回路を図11を参照して説明する。図11は、図2のU+ハーフブリッジ(U+相レグ)1の上アームスイッチ11を示す回路図である。301は、コンパレータであり、IGBT201とMOSFET202とフライホイルダイオード203とを並列接続してなる上アームスイッチ11の両端電圧が入力される。302は、マイコン内蔵のコントローラである。コントローラ302は、IGBT201にゲート電圧S1Hを、MOSFET202にゲート電圧S2Hを出力する。ゲート電圧S2Hは、既述したように、少なくともIGBT201の立ち上がり過渡期間T1の少なくとも初期及び立ち下がり過渡期間T3の少なくとも終期にハイレベルとなる。
実施例6のパワースイッチング回路を図11を参照して説明する。図11は、図2のU+ハーフブリッジ(U+相レグ)1の上アームスイッチ11を示す回路図である。301は、コンパレータであり、IGBT201とMOSFET202とフライホイルダイオード203とを並列接続してなる上アームスイッチ11の両端電圧が入力される。302は、マイコン内蔵のコントローラである。コントローラ302は、IGBT201にゲート電圧S1Hを、MOSFET202にゲート電圧S2Hを出力する。ゲート電圧S2Hは、既述したように、少なくともIGBT201の立ち上がり過渡期間T1の少なくとも初期及び立ち下がり過渡期間T3の少なくとも終期にハイレベルとなる。
この実施形態では、コンパレータ301が、ハーフブリッジ1が出力するU相出力電圧Uoutputがバッテリ電圧VBよりも大きいかどうかを判定し、U相出力電圧Uoutputがバッテリ電圧VBよりも大きい場合にハイレベル電圧をコントローラ302に出力する。コントローラ302は、ハーフブリッジ1が出力するU相出力電圧Uoutputがバッテリ電圧VBよりも大きい場合に、ゲート電圧S2Hをハイレベルとする。これにより、ハーフブリッジ1が出力するU相出力電圧Uoutputがバッテリ電圧VBよりも大きい期間にMOSFET202がオンされる。この期間は、フライホイルダイオード203に環流電流が流れる期間であるため、環流電流によるフライホイルダイオード203の抵抗損失を低減することができる。特に、フライホイルダイオード203のオン期間の終期には、フライホイルダイオード203の電流減少が遅れるが、この期間にMOSFET202がフライホイルダイオード203の両端電圧を低減するため、フライホイルダイオード203のオフを早めることができる。なお、フライホイルダイオード203を省略して、MOSFET202をフライホイルダイオードとして作動させてもよい。
(実施例7)
実施例7のパワースイッチング回路を図12を参照して説明する。
(回路構成)
このパワースイッチング回路は、メインハーフブリッジ回路400と、サブハーフブリッジ回路500と、キャパシタCと、インピーダンス素子Zとを有している。メインハーフブリッジ回路400は、たとえば図2の相レグ1を構成する。
701は+側の直流母線である。702は−側の直流母線である。703は交流出力線である。メインハーフブリッジ回路400は、上アームスイッチであるIGBT401と、下アームスイッチであるIGBT402とを直列接続して構成されている。IGBT401、402と逆並列にフライホイルダイオードを接続しても良い。サブハーフブリッジ回路500は上アームスイッチ501と下アームスイッチ502とを直列接続して構成されている。上アームスイッチ501及び下アームスイッチ502は上アームスイッチ401及び下アームスイッチ402よりもオン遷移期間及びオフ遷移期間が短いトランジスタからなる。たとえば、上アームスイッチ501及び下アームスイッチ502はMOSトランジスタにより構成されている。MOSトランジスタ501、502と逆並列にフライホイルダイオードを接続しても良い。
実施例7のパワースイッチング回路を図12を参照して説明する。
(回路構成)
このパワースイッチング回路は、メインハーフブリッジ回路400と、サブハーフブリッジ回路500と、キャパシタCと、インピーダンス素子Zとを有している。メインハーフブリッジ回路400は、たとえば図2の相レグ1を構成する。
701は+側の直流母線である。702は−側の直流母線である。703は交流出力線である。メインハーフブリッジ回路400は、上アームスイッチであるIGBT401と、下アームスイッチであるIGBT402とを直列接続して構成されている。IGBT401、402と逆並列にフライホイルダイオードを接続しても良い。サブハーフブリッジ回路500は上アームスイッチ501と下アームスイッチ502とを直列接続して構成されている。上アームスイッチ501及び下アームスイッチ502は上アームスイッチ401及び下アームスイッチ402よりもオン遷移期間及びオフ遷移期間が短いトランジスタからなる。たとえば、上アームスイッチ501及び下アームスイッチ502はMOSトランジスタにより構成されている。MOSトランジスタ501、502と逆並列にフライホイルダイオードを接続しても良い。
サブハーフブリッジ回路500の交流出力端は、キャパシタC及びインピーダンス素子Zを通じてメインハーフブリッジ回路400の交流出力端703に接続されている。インピーダンス素子Zはコイル又は抵抗により構成されているが、省略することも可能である。以下において、キャパシタCのサブハーフブリッジ回路側の端子を入力端子X、インピーダンス素子Z側の端子を出力端子Yと称する。キャパシタCの出力端子Yが入力端子Xよりも高電位となっている状態を充電状態、キャパシタCの出力端子Yが入力端子Xよりも低電位となっている状態を逆充電状態と称する。以下、この回路の動作を説明する。
(IGBT401のオン遷移期間)
まずキャパシタCが充電状態となっている状態で、IGBT401のゲート電圧をオフレベルからオンレベルに変化させる。IGBT401の抵抗は徐々に減少し、電流Iuが徐々に増大する。この時、上アームスイッチ501をオンする。これにより、キャパシタCの出力端子Yの電位は高くなり、キャパシタCはインピーダンス素子Zを通じてメインハーフブリッジ回路400の交流出力端703に電流Iaを流す。これにより、交流出力端703の電位増加は加速され、電流Iuが減少し、IGBT401のこのオン遷移期間における損失は減少する。上アームスイッチ501は高速スイッチング可能なMOSトランジスタであり、そのオン遷移期間の損失は小さい。その後、IGBT401のオン抵抗が十分に低下すると、キャパシタCの蓄電電圧はほぼ0となり、この状態で上アームスイッチ501をオフする。このオフ時の電流は小さいため、上アームスイッチ501のオフ遷移期間の損失は小さい。
まずキャパシタCが充電状態となっている状態で、IGBT401のゲート電圧をオフレベルからオンレベルに変化させる。IGBT401の抵抗は徐々に減少し、電流Iuが徐々に増大する。この時、上アームスイッチ501をオンする。これにより、キャパシタCの出力端子Yの電位は高くなり、キャパシタCはインピーダンス素子Zを通じてメインハーフブリッジ回路400の交流出力端703に電流Iaを流す。これにより、交流出力端703の電位増加は加速され、電流Iuが減少し、IGBT401のこのオン遷移期間における損失は減少する。上アームスイッチ501は高速スイッチング可能なMOSトランジスタであり、そのオン遷移期間の損失は小さい。その後、IGBT401のオン抵抗が十分に低下すると、キャパシタCの蓄電電圧はほぼ0となり、この状態で上アームスイッチ501をオフする。このオフ時の電流は小さいため、上アームスイッチ501のオフ遷移期間の損失は小さい。
(プリチャージ)
次に、IGBT401が完全にオン状態となり、交流出力端703がハイレベルである期間に、下アームスイッチ502をオンする。これによりキャパシタCは充電される。その後、下アームスイッチ502をオフする。
次に、IGBT401が完全にオン状態となり、交流出力端703がハイレベルである期間に、下アームスイッチ502をオンする。これによりキャパシタCは充電される。その後、下アームスイッチ502をオフする。
(IGBT401のオフ遷移期間)
次に、IGBT401のゲート電圧をオンレベルからオフレベルに変化させる。IGBT401の抵抗は徐々に増大し、電流Iuが徐々に減少する。この時、上アームスイッチ501をオンする。これにより、キャパシタCの出力端子Yの電位は高くなり、キャパシタCはインピーダンス素子Zを通じてメインハーフブリッジ回路400の交流出力端703に電流Iaを流す。これにより、交流出力端703の電位低下が遅くなり、電流Iuの減少は加速され、IGBT401のこのオフ遷移期間における損失は減少する。上アームスイッチは高速スイッチング可能なMOSトランジスタであり、そのオン遷移期間の損失は小さい。その後、交流出力端703の電位は低下し、キャパシタCは逆充電され、その後、上アームスイッチ501はオフされる。このオフ時の電流は小さいため、上アームスイッチ501のオフ遷移期間の損失は小さい。メインハーフブリッジ回路400がインダクタンス負荷に給電する場合には、キャパシタCを大きくすることにより、キャパシタCはフライホイル電流も供給することができる。
次に、IGBT401のゲート電圧をオンレベルからオフレベルに変化させる。IGBT401の抵抗は徐々に増大し、電流Iuが徐々に減少する。この時、上アームスイッチ501をオンする。これにより、キャパシタCの出力端子Yの電位は高くなり、キャパシタCはインピーダンス素子Zを通じてメインハーフブリッジ回路400の交流出力端703に電流Iaを流す。これにより、交流出力端703の電位低下が遅くなり、電流Iuの減少は加速され、IGBT401のこのオフ遷移期間における損失は減少する。上アームスイッチは高速スイッチング可能なMOSトランジスタであり、そのオン遷移期間の損失は小さい。その後、交流出力端703の電位は低下し、キャパシタCは逆充電され、その後、上アームスイッチ501はオフされる。このオフ時の電流は小さいため、上アームスイッチ501のオフ遷移期間の損失は小さい。メインハーフブリッジ回路400がインダクタンス負荷に給電する場合には、キャパシタCを大きくすることにより、キャパシタCはフライホイル電流も供給することができる。
(IGBT402のオン遷移期間)
次に、IGBT402のゲート電圧をオフレベルからオンレベルに変化させる。IGBT402の抵抗は徐々に減少し、電流Idが徐々に増大する。この時、下アームスイッチ502をオンする。これにより、キャパシタCの出力端子Yの電位は低くなり、キャパシタCはインピーダンス素子Zを通じてメインハーフブリッジ回路400の交流出力端703から電流Ibを吸い込む。これにより、交流出力端703の電位低下は加速され、電流Idが減少し、IGBT402のこのオン遷移期間における損失は減少する。下アームスイッチ502は高速スイッチング可能なMOSトランジスタであり、そのオン遷移期間の損失は小さい。その後、IGBT402のオン抵抗が十分に低下すると、キャパシタCの蓄電電圧はほぼ0となり、この状態で下アームスイッチ502をオフする。このオフ時の電流は小さいため、下アームスイッチ502のオフ遷移期間の損失は小さい。
次に、IGBT402のゲート電圧をオフレベルからオンレベルに変化させる。IGBT402の抵抗は徐々に減少し、電流Idが徐々に増大する。この時、下アームスイッチ502をオンする。これにより、キャパシタCの出力端子Yの電位は低くなり、キャパシタCはインピーダンス素子Zを通じてメインハーフブリッジ回路400の交流出力端703から電流Ibを吸い込む。これにより、交流出力端703の電位低下は加速され、電流Idが減少し、IGBT402のこのオン遷移期間における損失は減少する。下アームスイッチ502は高速スイッチング可能なMOSトランジスタであり、そのオン遷移期間の損失は小さい。その後、IGBT402のオン抵抗が十分に低下すると、キャパシタCの蓄電電圧はほぼ0となり、この状態で下アームスイッチ502をオフする。このオフ時の電流は小さいため、下アームスイッチ502のオフ遷移期間の損失は小さい。
(プリチャージ)
次に、IGBT402が完全にオン状態となり、交流出力端703がローレベルである期間に、上アームスイッチ501をオンする。これによりキャパシタCは逆充電される。その後、上アームスイッチ501をオフする。
(IGBT402のオフ遷移期間)
次に、IGBT402のゲート電圧をオンレベルからオフレベルに変化させる。IGBT402の抵抗は徐々に増大し、電流Idが徐々に減少する。この時、下アームスイッチ502をオンする。
次に、IGBT402が完全にオン状態となり、交流出力端703がローレベルである期間に、上アームスイッチ501をオンする。これによりキャパシタCは逆充電される。その後、上アームスイッチ501をオフする。
(IGBT402のオフ遷移期間)
次に、IGBT402のゲート電圧をオンレベルからオフレベルに変化させる。IGBT402の抵抗は徐々に増大し、電流Idが徐々に減少する。この時、下アームスイッチ502をオンする。
これにより、キャパシタCの出力端子Yの電位は低くなり、キャパシタCはインピーダンス素子Zを通じてメインハーフブリッジ回路400の交流出力端703から電流Ibを吸い込む。これにより、交流出力端703の電位低下は加速され、電流Idが減少し、IGBT402のこのオフ遷移期間における損失は減少する。下アームスイッチ502は高速スイッチング可能なMOSトランジスタであり、そのオン遷移期間の損失は小さい。その後、交流出力端703の電位は増大し、キャパシタCは充電され、その後、下アームスイッチ502はオフされる。このオフ時の電流は小さいため、下アームスイッチ502のオフ遷移期間の損失は小さい。メインハーフブリッジ回路400がインダクタンス負荷に給電する場合には、キャパシタCを大きくすることにより、キャパシタCはフライホイル電流も供給することができる。次に、既述したIGBT401のオン遷移期間の動作に戻る。
1〜6はハーフブリッジ(相レグ)である。
Claims (21)
- 高速スイッチングされるパワースイッチング素子を有するパワースイッチング回路において、
多相のモータが有する複数の相コイルと個別に電力を授受する複数の相レグを有する多相のインバータと、
直流電力を短期間蓄積する電力蓄積回路と、
前記インバータ及び前記電力蓄積回路のスイッチングを制御するコントローラと、
を備え、
前記複数の相レグは、前記バッテリから前記相コイルへ通電する電流をスイッチングする通電制御スイッチング素子を有し、
前記電力蓄積回路は、バッテリから受け取った直流電力を短期間蓄積する電力蓄積素子と、スイッチングにより前記電力蓄積素子の蓄積電力を前記電源ラインと授受するトランジスタとを有し、
前記コントローラは、前記インバータの通電制御スイッチング素子のスイッチングと同期して前記電力蓄積回路のトランジスタをスイッチングすることにより、前記通電制御スイッチング素子のオンによる前記電源ラインの電圧低下を抑制するか、前記通電制御スイッチング素子のオフによる前記電源ラインの電圧増加を抑制することを特徴とするパワースイッチング回路。 - 前記電力蓄積回路は、前記電力蓄積素子としてのリアクトルの電流を制御するトランジスタを有する昇圧チョッパにより構成される請求項1記載のパワースイッチング回路。
- 前記コントローラは、前記コントローラは、前記通電制御スイッチング素子のオン直後に前記トランジスタをオフする請求項2記載のパワースイッチング回路。
- 前記コントローラは、前記通電制御スイッチング素子のオフ直前に前記トランジスタをオンすることを特徴とするパワースイッチング回路。
- 前記電力蓄積回路は、前記電力蓄積素子としての第1のキャパシタ及び第2のキャパシタとを有するスイッチドキャパシタ回路により構成され、
前記スイッチドキャパシタ回路は、直列接続された前記トランジスタとしての高電位スイッチ、中電位スイッチ及び低電位スイッチとを有し、
前記高電位スイッチは、前記電源ラインに接続され、
前記低電位スイッチは、前記接地ラインに接続され、
前記第1のキャパシタは、前記高電位スイッチと前記中電位スイッチとの接続点を前記接地ラインに接続し、
前記第2のキャパシタは、前記中電位スイッチと前記低電位スイッチとの接続点を電源ラインに接続する請求項1記載のパワースイッチング回路。 - 前記コントローラは、前記通電制御スイッチング素子のオン直後に、前記高電位スイッチ及び前記低電位スイッチをオフし、かつ、前記中電位スイッチをオンする請求項5記載のパワースイッチング回路。
- 前記コントローラは、前記通電制御スイッチング素子のオフ直後に、前記高電位スイッチ及び前記低電位スイッチをオンし、かつ、前記中電位スイッチをオフする請求項5記載のパワースイッチング回路。
- 前記コントローラは、
前記電源ラインの電位が所定しきい値を超えて上昇する時に前記高電位スイッチ及び低電位スイッチをオンし、かつ、前記中電位スイッチをオフし、
前記コントローラは、
前記電源ラインの電位が所定しきい値を超えて低下する時に前記高電位スイッチ及び低電位スイッチをオフし、かつ、前記中電位スイッチをオンする請求項5記載のパワースイッチング回路。 - 前記電力蓄積回路は、前記電力蓄積素子としてのリアクトルの電流を制御するトランジスタを有する昇圧チョッパを更に有し、
前記スイッチドキャパシタ回路は、前記昇圧チョッパ回路が昇圧電圧を出力する期間に前記電源ラインから電荷を吸収し、前記昇圧チョッパ回路が昇圧電圧を出力しない期間に前記電源ラインに電荷を放出する請求項5記載のパワースイッチング回路。 - 高速スイッチングされるパワースイッチング素子を有するパワースイッチング回路において、
多相のモータが有する複数の相コイルと個別に電力を授受する複数の相レグを有する多相のインバータと、
前記インバータのスイッチングを制御するコントローラと、
を備え、
前記複数の相レグは、前記バッテリから前記相コイルへ通電する電流をスイッチングする通電制御スイッチング素子を有し、
前記モータは、車両用エンジンに連結され、
前記コントローラは、複数の前記通電制御スイッチング素子のオンにより、前記エンジンの爆発直後の所定期間にすべての前記相コイルを短絡させた後で、前記短絡を解除することを特徴とするパワースイッチング回路。 - 高速スイッチングされるパワースイッチング素子を有するパワースイッチング回路において、
多相のモータが有する複数の相コイルと個別に電力を授受する複数の相レグを有する多相のインバータを有し、
前記複数の相レグは、前記バッテリから前記相コイルへ通電する電流をスイッチングする通電制御スイッチング素子を有し、
前記複数の相レグ(1〜6)は、前記通電制御スイッチング素子としての上アームスイッチと下アームスイッチとを直列接続して構成されるとともに正母線(100、102)及び負母線(101、103)を通じてバッテリ(8)から給電されるハーフブリッジによりそれぞれ構成され、
前記複数の相コイル(10U、10V、10W)の両端は、互いに異なる前記相レグ(1〜6)に接続され、
前記複数の相コイル(10U、10V、10W)の一端側に接続される前記相レグ(4〜6)に接続される前記正母線(102)及び前記負母線(103)の少なくとも一方は、通電モード切替スイッチ(7)を通じて前記直流電源(8)に接続され、
前記通電モード切替スイッチ(7)は、
オンされて前記複数の相レグ(1〜6)のうちの2つによりそれぞれ構成される複数のHブリッジにより前記複数の相コイル(10U、10V、10W)を駆動し、
オフされて前記複数の相レグ(1〜6)(1〜6)のうち前記通電モード切替スイッチ(7)により遮断されない側の半分の前記相レグ(1〜3)により前記各相コイル(10U、10V、10W)を駆動することを特徴とするパワースイッチング回路。 - 前記通電モード切替スイッチ(7)は、エンジンに連結された前記モータのエンジン始動時にオンされ、前記モータが発電して前記直流電源(8)を充電する時にオフされる請求項11記載のパワースイッチング回路。
- 同じ前記相コイルの両端に接続される2つの前記相レグは、前記通電モード切替スイッチ(7)のオン時に、互いに電気角πだけ位相が異なる相電圧を出力する請求項11記載のパワースイッチング回路。
- 前記モータは、ロータが磁石を有する同期モータからなり、
前記通電モード切替スイッチ(7)は、所定のしきい値回転数未満においてオフされ、前記所定のしきい値回転数以上においてオンされる請求項11記載のパワースイッチング回路。 - 前記通電モード切替スイッチ(7)は、前記モータの大トルク出力時又は急加速時にオンされる請求項14記載のパワースイッチング回路。
- 高速スイッチングされるパワースイッチング素子を有するパワースイッチング回路において、
主トランジスタ(201)と副トランジスタ(202)とを有し、
主トランジスタ(201)は、オフ状態からオン状態への導通状態変更期間であるオン遷移期間と、オン状態からオフ状態へ導通状態変更期間であるオフ遷移期間とを有して所定時間ごとに繰り返し断続され、
副トランジスタ(202)は、前記主トランジスタ(201)よりも短いオン遷移期間及びオフ遷移期間を有して前記主トランジスタ(201)と並列に接続され、
前記主トランジスタ(201)は、前記副トランジスタ(202)よりも小さいオン抵抗を有し、
前記副トランジスタ(202)の制御電極に印加される制御電圧のオン電位からオフ電位への変化は、前記主トランジスタ(201)の制御電極に印加される制御電圧のオン電位からオフ電位への変化後、所定時間遅れて実施されることを特徴とするパワースイッチング回路。 - 前記副トランジスタ(202)は、主トランジスタ(201)の前記オフ遷移期間の間中、オンされる請求項16記載のパワースイッチング回路
- 前記副トランジスタ(202)は、前記主トランジスタ(201)のオン遷移期間及びオフ遷移期間にオンされ、かつ、前記主トランジスタ(201)のオン期間中にオフ期間を有する請求項16記載のパワースイッチング回路。
- 前記主トランジスタ(201)と逆並列接続されてインダクタンス負荷の還流電流を流すフライホイルダイオード(203)を有し、
前記副トランジスタ(202)は、MOSトランジスタにより構成されて前記フライホイルダイオード(203)の順方向導通期間にオン状態とされる請求項16記載のパワースイッチング回路。 - 前記副トランジスタ(202)は、前記フライホイルダイオード(203)の順方向電圧降下が所定しきい値を超えるかどうかを判定する判定回路を有し、
少なくとも前記順方向電圧降下が所定しきい値を超える間においてオン状態とされる請求項19記載のパワースイッチング回路。 - 高速スイッチングされるパワースイッチング素子を有するパワースイッチング回路において、
メインハーフブリッジ回路と、キャパシタと、サブハーフブリッジとを有し、
前記メインハーフブリッジ回路は、高電位側のパワースイッチング素子である上アームスイッチと、低電位側のパワースイッチング素子である下アームスイッチとの接続点を有し、
前記サブハーフブリッジ回路は、前記キャパシタを通じて前記メインハーフブリッジ回路の前記接続点にパルス電圧を印加し、
前記サブハーフブリッジ回路は、前記メインハーフブリッジ回路よりも高速動作する半導体パワースイッチング素子により構成され、、
前記サブハーフブリッジ回路は、前記メインハーフブリッジ回路の上アームスイッチ及び前記下アームスイッチのオン遷移期間及びオフ遷移期間に前記キャパシタを通じて前記メインハーフブリッジ回路の前記上アームスイッチ及び前記下アームスイッチの電流を低減させる向きに前記キャパシタを充放電させることを特徴とするパワースイッチング回路。
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