JP2011004507A - 車両用多機能コンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】車両用多機能コンバータとして、外部の交流電源あるいは交流負荷と接続されるコンセント部と車両に搭載される蓄電装置との間で充放電することができるようにすることである。
【解決手段】車両用多機能コンバータ５０は、負荷１２と蓄電装置２０との間の直流電圧調整に用いられる車両用電圧コンバータであって、マルチフェーズコンバータ部５１と、マルチフェーズコンバータ部５１の２つのコンバータコイル５４，５６と磁気結合して交流電力をやりとりできる磁気結合コイル部３５と、磁気結合コイル部３５と、交流電源または交流負荷と接続される外部コンセント部３２との間に設けられるＡＣ／ＡＣ変換回路４０とを備える。ＡＣ／ＡＣ変換回路４０は、マトリクスコンバータを用いることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用多機能コンバータに係り、特に車両用駆動回路と蓄電装置との間の直流電圧調整に用いられ、また、外部の交流電源または交流負荷と電力のやり取りを行う車両用多機能コンバータに関する。

ハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車等の電気駆動系を有する車両は、２次電池の蓄電量が少なくなると外部から充電することが必要な場合が生じる。そのために、車両に搭載される電気回路と別に、外部コンセント部を用いて充放電できるような付加回路が用いられる。この付加回路としては、例えば、ダイオードブリッジと平滑コンデンサを用いる交直変換回路に力率改善回路（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ：ＰＦＣ回路）を追加した構成が知られている。また、インバータ等の交直変換回路とＤＣ／ＤＣコンバータ回路とを組み合わせた構成も用いられる。これらの付加回路は多くの電子部品等を要するので、これを減らす工夫も提案されている。

例えば、特許文献１には、電気自動車用バッテリーの充電回路として、直列接続した２つのダイオードをインバータに並列に接続し、その結合点とインバータの交流出力の任意相との間にリアクトルを介して充電電源を接続する構成が開示されている。ここで、充電電源が直流の場合は、リアクトルにその正極側を接続し、任意相上側アームスイッチング回路のみをオンオフさせ、ほかのスイッチング回路をすべてオフとしてバッテリーを充電し、充電電源が交流の場合は、リアクトル側が正電圧の期間は任意相上側アームスイッチング回路のみをオンオフさせ、ほかのスイッチング回路をすべてオフとし、極性がこれと逆のときは任意相下側アームスイッチング回路のみをオンオフさせ、ほかのスイッチング回路をすべてオフとしてバッテリーを充電することが述べられている。

特開平８−３０８２５５号公報

従来技術における付加回路は、上記のように多くの電子部品等を必要とするので、コスト高になる。また、特許文献１の方法によれば追加部品数が少なくてすむが、大きなリアクトルを用いる必要がある。また、一般的に、車両用インバータは回転電機を介して車体に電気的に接続されていることから、充電動作によって回転電機のコイルに高周波漏洩電流が流れることが生じ、その対策が必要になる等の問題がある。

本発明の目的は、外部の交流電源あるいは交流負荷と接続されるコンセント部と車両に搭載される蓄電装置との間で充放電することができる車両用多機能コンバータを提供することである。また、他の目的は、外部の交流電源あるいは交流負荷と接続されるコンセント部と車両に搭載される蓄電装置との間で充放電する際に必要なリアクトルを小さくできる車両用多機能コンバータを提供することである。

本発明に係る車両用多機能コンバータは、車両用駆動回路と蓄電装置との間の直流電圧調整に用いられる車両用電圧コンバータであって、上アームスイッチング素子と上アームダイオードが並列に接続され一方端が車両用駆動回路の正極母線に接続される上アーム部と、下アームスイッチング素子と下アームダイオードとが並列に接続され他方端が車両用駆動回路の負極母線に接続される下アーム部と、上アーム部の他方端と下アーム部の一方端との接続点と蓄電装置の正極母線との間に設けられるコンバータコイルとを含む昇降圧コンバータを１相分として、これを複数相分並列に接続したマルチフェーズコンバータ部と、マルチフェーズコンバータ部の複数のコンバータコイルと磁気結合して交流電力をやりとりできる磁気結合コイル部と、磁気結合コイル部と、交流電源または交流負荷と接続される外部コンセント部との間に設けられるＡＣ／ＡＣ変換回路と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る車両用多機能コンバータにおいて、蓄電装置の正極母線は、マルチフェーズコンバータの複数のコンバータコイルとリレーを介して接続されることが好ましい。

また、本発明に係る車両用多機能コンバータにおいて、ＡＣ／ＡＣ変換回路は、入力側の複数の配線と出力側の複数の配線との間におけるすべての接点に双方向スイッチを配列したマトリクスコンバータであることが好ましい。

上記構成により、車両用多機能コンバータは、昇降圧コンバータを複数相分並列に接続したマルチフェーズコンバータ部の複数のコンバータコイルと磁気結合して交流電力をやりとりできる磁気結合コイル部が設けられる。そして、磁気結合コイル部と、交流電源または交流負荷と接続される外部コンセント部との間にＡＣ／ＡＣ変換回路が設けられる。

これによって、外部交流電源または外部交流負荷と、マルチフェーズコンバータに接続される蓄電装置との間で充放電するためのトランスにおいて、蓄電装置側のコイルとしてマルチフェーズコンバータのコンバータコイルをそのまま用いることができる。したがって、付加すべきコイルとしては、外部コンセント部側のコイルだけですみ、充放電のために付加するコイル、すなわち付加するリアクトルが小さくてすむ。

また、車両用多機能コンバータにおいて、蓄電装置の正極母線は、マルチフェーズコンバータの複数のコンバータコイルとリレーを介して接続されるので、充放電によって車両に搭載されるインバータと回転電機に流れる高周波漏洩電流を抑制できる。これによって、例えば、高周波漏洩電流防止のためのフィルタ等を小さくできる。

また、車両用多機能コンバータにおいて、ＡＣ／ＡＣ変換回路は、入力側の複数の配線と出力側の複数の配線との間におけるすべての接点に双方向スイッチを配列したマトリクスコンバータである。マトリクスコンバータの構成によれば、入力ＡＣをこれと異なる電圧、異なる周波数の出力ＡＣに直接変換でき、一旦ＡＣをＤＣに変換しコンデンサに蓄電してから再びＡＣに変換しなくてすむ。すなわち、中間のコンデンサを省略することが可能となる。

本発明に係る実施の形態における車両用多機能コンバータの構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態の車両用多機能コンバータにおいて、マルチフェーズコンバータとして作用するときの様子を説明する図である。 本発明に係る実施の形態の車両用多機能コンバータにおいて、外部交流電源から充電電力が供給される様子を説明する図である。 図３のあと、蓄電装置に充電が行われる様子を説明する図である。ＡＡＡ 本発明に係る実施の形態の車両用多機能コンバータにおいて、リレーの他の配置の例を示す図である。 本発明に係る実施の形態の車両用多機能コンバータにおいて、ＡＣ／ＡＣ変換回路の構成の例を説明する図である。 図６と比較して、従来技術の付加的な充電回路の例を示す図である。 マトリクスコンバータの模式図である。 本発明に係る実施の形態の車両用多機能コンバータにおいて、ＡＣ／ＡＣ変換回路として用いられるマトリクスコンバータの構成を説明する図である。 本発明に係る実施の形態において、マトリクスコンバータを用いる車両用多機能コンバータのモデル回路を示す図である。 図１０の構成における電圧波形等の様子を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、３×３マトリクスコンバータを用いる車両用多機能コンバータの構成を示す図である。

以下に図面を用いて、本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、マルチフェーズコンバータとして、３相コンバータを説明するが、複数相コンバータであればよく、３相以外であってもよい。また、外部コンセント部に接続されるのは、蓄電装置を充電するための外部交流電源として説明するが、外部交流負荷であってもよい。この場合には、蓄電装置の電力が交流に変換されて外部交流負荷に放電されることになる。

また、多機能マルチフェーズコンバータは、ハイブリッド車両に搭載される回転電機に接続されるインバータのための電源回路として説明するが、回転電機が搭載されるのはハイブリッド車両以外の車両、例えば、電気自動車、燃料自動車等の車両であってもよい。また、回転電機以外の車両搭載電気機器のための電源回路であってもよい。例えば、車両搭載用補機のための電源回路であってもよい。また、車両に搭載される回転電機として、主に走行駆動用の電動機として作用する回転電機と、主に蓄電装置を充電するための発電機として作用する回転電機の２台が搭載されるものとして説明するが、回転電機の数は２台以外であってもよい。例えば、１台で電動機と発電機として機能するものを１台搭載されるものとしてもよい。場合によっては、３台以上の回転電機であってもよい。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、車両用多機能コンバータ５０が含まれる車両用回転電機駆動システム１０の構成を示す図である。車両用多機能コンバータ５０は、負荷１２と蓄電装置２０との間に配置される電圧変換器であり、特に、マルチフェーズコンバータ部５１を中核とし、これに外部交流電源と接続可能な外部コンセント部３２とフィルタ部３４とＡＣ／ＡＣ変換回路４０と磁気結合コイル部３５とを含むことで、蓄電装置２０を充電できる機能も併せ持つ回路である。

なお、車両用回転電機駆動システム１０の動作は、図示されていない制御部の機能によって制御される。車両用多機能コンバータ５０の動作も、この図示されていない制御部によって制御される。

図１では、負荷１２として、車両用回転電機駆動回路であるインバータ１４と、これに接続される２台の回転電機１６，１８が示されている。

２台の回転電機１６，１８は、車両に搭載されるモータ・ジェネレータ（ＭＧ）であって、電力が供給されるときは電動機として機能し、制動時には発電機として機能する三相同期型回転電機である。特に、回転電機（ＭＧ１）１６は、図示されていないエンジンと接続され、主として発電機として機能し、回転電機（ＭＧ２）１８は、図示されていない車両の車軸と接続され、主としてこれを駆動する電動機として機能する。

インバータ１４は、高圧直流電力を交流三相駆動電力に変換し、回転電機１６，１８に供給する機能と、逆に回転電機１６，１８からの交流三相回生電力を高圧直流充電電力に変換する機能とを有する回路である。インバータ１４は、図１では１つのブロックで示されているが、実際には回転電機（ＭＧ１）１６用のＭＧ１インバータと、回転電機（ＭＧ２）１８用のＭＧ２インバータとが並列に接続されて構成される。

インバータ１４は、周知のように、上アームスイッチング素子と上アームダイオードが並列に接続され一方端が正極母線１３に接続される上アーム部と、下アームスイッチング素子と下アームダイオードとが並列に接続され他方端が負極母線１５に接続される下アーム部として、これを１相分とし、例えば、回転電機（ＭＧ２）１８のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対応して３相分並列に接続した回路である。なお、後述するように、マルチフェーズコンバータ部５１における上アーム部５８、下アーム部６４の構成は、このインバータ１４における上アーム部、下アーム部の構成と同じである。

インバータ１４に含まれるＭＧ１用インバータは、回転電機(ＭＧ１)１６が発電機として機能するとき、回転電機１６側からの交流三相回生電力を直流電力に変換し、蓄電装置側に充電電流として供給する交直変換機能を有する。また、ＭＧ２用インバータは、車両が力行のとき、蓄電装置側からの直流電力を交流三相駆動電力に変換し、回転電機（ＭＧ２）１８に駆動電力として供給する直交変換機能と、車両が制動のとき、逆に回転電機（ＭＧ２）１８からの交流三相回生電力を直流電力に変換し、蓄電装置側に充電電流として供給する交直変換機能とを有する。ここで蓄電装置側とは、車両用多機能コンバータ５０の側である。

図１において、蓄電装置２０は、充放電可能な２次電池である。蓄電装置２０としては、例えば、約２００Ｖから約３００Ｖの端子電圧を有するリチウムイオン組電池あるいはニッケル水素組電池、またはキャパシタ等を用いることができる。

蓄電装置２０と車両用多機能コンバータ５０との間に設けられる平滑コンデンサ２２は、蓄電装置２０側の電圧変動を抑制する機能を有するコンデンサである。同様に、車両用多機能コンバータ５０とインバータ１４との間に設けられる平滑コンデンサ３０は、インバータ１４側の電圧変動を抑制する機能を有するコンデンサである。

蓄電装置２０と車両用多機能コンバータ５０との間に設けられるリレー２４と、車両用多機能コンバータ５０とインバータ１４との間に設けられるリレー２６，２８は、車両用多機能コンバータ５０の２つの機能であるマルチフェーズコンバータの機能と、外部交流電源との間の充電機能とを切り替えるための切替手段である。

具体的には、マルチフェーズコンバータの機能とするときは、リレー２４，２６，２８はいずれも接続状態とされ、充電機能とするときは、リレー２４，２６，２８はいずれも開放状態、すなわち、遮断状態とされる。なお、この遮断状態によって、充電機能を実行するときに、車両用多機能コンバータ５０とインバータ１４、回転電機１６，１８とが切断され、充電の際の高周波漏電電流が回転電機１６，１８のコイルに発生することを防止できる。

車両用多機能コンバータ５０は、上記のように、マルチフェーズコンバータ部５１を中核とし、これに外部交流電源と接続可能な外部コンセント部３２とフィルタ部３４とＡＣ／ＡＣ変換回路４０と磁気結合コイル部３５とを含んで構成される。

マルチフェーズコンバータ部５１は、リアクトルと、複数のスイッチング素子を含んで構成される昇降圧回路であって、蓄電装置２０の両端子間電圧と、インバータ１４のシステム電圧との間の直流電圧調整を行う機能を有する。マルチフェーズというのは、１つのリアクトルと、２つのスイッチング素子と２つのダイオードで構成される昇降圧回路を1相分として、これを複数相並列に接続して用いるためである。複数相の昇降圧回路を並列接続することで、昇降圧される電力の大きさに応じて相数を変更することができ、昇降圧回路における損失を低減することが可能となる。

図１の例では、３相コンバータの構成が示されている。すなわち、上アームスイッチング素子６０と上アームダイオード６２が並列に接続され一方端が車両用駆動回路であるインバータ１４の正極母線１３に接続される上アーム部５８と、下アームスイッチング素子６６と下アームダイオード６８とが並列に接続され他方端がインバータ１４の負極母線１５に接続される下アーム部６４と、上アーム部５８の他方端と下アーム部６４の一方端との接続点と蓄電装置２０の正極母線１９との間に設けられるコンバータコイル５２とを含む昇降圧コンバータを１相分として、これを３相分並列に接続して構成されている。なお、蓄電装置２０の負極母線２１は、インバータ１４の負極母線１５と接続される。

上記では、１相分の昇降圧コンバータを構成する素子を説明したが、他の２相分の各昇降圧コンバータも同様の構成である。図１では、他の２相分の各昇降圧コンバータのコンバータコイル５４，５６に符号が付されているが、スイッチング素子、ダイオードには、図面が複雑になるので符号を付していない。なお、図３では、この他の２相分の各昇降圧コンバータをそれぞれ構成するスイッチング素子として、上アームスイッチング素子７０，７８、上アームダイオード７２，８０、下アームスイッチング素子７４，８２、下アームダイオード７６，８４がそれぞれ符号を付して示されている。

マルチフェーズコンバータ部５１は、蓄電装置２０側の約２００Ｖから約３００Ｖ程度の低電圧を、リアクトルであるコンバータコイル５２，５４，５６のエネルギ蓄積作用を利用して、インバータ１４側の例えば約６００Ｖの高電圧に昇圧する機能を有する回路で、昇圧コンバータとも呼ばれる。また、マルチフェーズコンバータ部５１は双方向機能を有し、インバータ１４側からの電力を蓄電装置２０側に充電電力として供給するときには、インバータ１４の側の高電圧を蓄電装置２０に適した低電圧に降圧する作用も有する。

磁気結合コイル部３５は、マルチフェーズコンバータ部５１の複数のコンバータコイルと磁気結合し、協働してトランス作用を行って交流電力をやりとりできる複数のコイルである。図１の場合には単相交流電力をやり取りする構成が示されており、マルチフェーズコンバータ部５１の３つのコンバータコイル５２，５４，５６の中の２つのコンバータコイル５４，５６と磁気結合し、協働してトランス作用を行って交流電力をやりとりできる２つのコイル３６，３８が磁気結合コイル部３５となる。

磁気結合コイル部３５を構成する複数のコイルの接続状態は、やり取りする電力の相数によって異なる。図１の単相交流電力のやり取りの場合は、コイル３６とコイル３８とが直列に接続され、その両端子がＡＣ／ＡＣ変換回路４０の出力側の２端子に接続される。３相交流電力のやり取りの場合には、磁気結合コイル部３５は３つのコイルで構成されるが、その場合には、３つのコイルのそれぞれの一方端が共通接続されるＹ結線となる。なお、後述する図１２では、３相交流電力をやり取りする構成が示され、そこでは、磁気結合コイル部を構成する３つのコイルがＹ結線で相互に接続されている様子が図示されている。

外部コンセント部３２は、外部の交流電源と接続できる接続手段で、例えば、充電スタンド、あるいは家庭において５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの商用交流電力が取り出せる電源コンセントに嵌め込むことができるプラグ等で構成することができる。フィルタ部３４は、外部コンセント部３２から供給される電力信号のノイズ成分を抑制するための素子で、例えばリアクトル等で構成できる。

ＡＣ／ＡＣ変換回路４０は、交流電力を振幅あるいは周波数の異なる状態の交流電力に変換する回路である。例えば、５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの商用交流電力を、１０ｋＨｚから３００ｋＨｚの交流電力に変換する機能を有する。

このようにして構成される車両用多機能コンバータ５０の作用について図２から図４を用いて説明する。図２は、車両用多機能コンバータ５０がマルチフェーズコンバータとして機能するときの様子を示し、図３は、外部コンセント部３２が外部電源と接続され、その外部電源電力によって、平滑コンデンサ３０を充電するときの様子を示す図であり、図４は、平滑コンデンサ３０の充電電力が蓄電装置２０に伝送されて蓄電装置２０を充電するときの様子を示す図である。

図２においては、外部コンセント部３２は外部電源等から完全に切り離され、例えば、車両のトランク等に格納され、電気的に全く作用していない。そして、リレー２４，２６，２８はすべて接続状態とされる。したがって、このときのマルチフェーズコンバータ部５１は、本来の３相コンバータとして機能する。

すなわち、上アームスイッチング素子をＯＦＦとし下アームスイッチング素子をＯＮすることでコンバータコイルに磁気エネルギを蓄積し、次に上アームスイッチング素子をＯＮし下アームスイッチング素子をＯＦＦし手蓄積されたエネルギを平滑コンデンサ３０に移して昇圧し、これを通過電力に応じて必要な相数作動させることでマルチフェーズコンバータ部５１の昇圧動作が行われる。同様に降圧動作も各スイッチング素子のＯＮとＯＦＦを制御することで必要な相数について行うことができる。かかる制御は、図示されていない制御部によって行われる。

図３においては、リレー２４，２６，２８のすべてが開放状態、つまり遮断状態とされ、その上で、外部コンセント部３２が車両の外に引き出され、充電スタンド等の電力供給口に差し込まれ、外部交流電源９０と接続される。そして、ＡＣ／ＡＣ変換回路４０の制御によって、外部交流電源９０の周波数が適当な高周波に変換される。上記の例では、外部交流電源として商用交流電源を用いるものとして、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚが、１０ｋＨｚから３００ｋＨｚの間の適当な周波数に変換される。

そして、磁気結合コイル部３５を構成する２つのコイル３６，３８がトランスの１次側コイルとして働き、マルチフェーズコンバータ部５１において対応する２つのコンバータコイル５４，５６がトランスの２次側コイルとして働き、交流電力のやり取りをする。すなわち、２つのコイル３６，３８に交流電力が供給されることで、これと磁気結合する２つのコンバータコイル５４，５６に誘起電力が発生し、これによって外部交流電源９０の電力がマルチフェーズコンバータ部５１に移される。

次に、コンバータコイル５４，５６に接続される上アームスイッチング素子７０，７８、下アームスイッチング素子７４，８２がＯＦＦされる。これによって、上アームダイオード７２，８０、下アームダイオード７６，８４によってダイオードブリッジが構成され、これによって交流電力が直流電力に整流される。このようにして交直変換された電力は一旦平滑コンデンサ３０に蓄積される。図３では、このような電力の流れを白抜き矢印で示されている。

ここで、リレー２４が遮断状態であるので、磁気結合コイル部３５からの交流電力が蓄電装置２０の方には流れない。また、マルチフェーズコンバータ部５１におけるもう１つのコンバータコイル５２は磁気結合コイル部３５を構成していないので、これに対応する上アームスイッチング素子６０、下アームスイッチング素子６６はＯＦＦとされる。これによって、この段階では平滑コンデンサ３０の直流電力が蓄電装置２０に流れない。また、リレー２６，２８の遮断によって平滑コンデンサ３０と負荷１２とは完全に分離されているので、インバータ１４を介して回転電機１６，１８に高周波漏洩電流が生じることもない。

図４は、図３に引き続き、平滑コンデンサ３０の直流電力を用いて蓄電装置２０を充電するときの様子を説明する図である。ここでは、磁気結合コイル部３５を構成していない残りのコンバータコイル５２が用いられる。すなわち、このコンバータコイル５２に接続される上アームスイッチング素子６０と、下アームスイッチング素子６６とをＯＮすることで、平滑コンデンサ３０の直流電力がコンバータコイル５２を介して蓄電装置２０に移される。

このようにして、磁気結合コイル部３５を構成するコイル３６，３８をトランスの１次側コイルとして用い、２次側コイルには、マルチフェーズコンバータ部５１のコンバータコイル５４，５６をそのまま利用し、各スイッチング素子の動作を制御することで、外部交流電源の交流電力を直流電力に変換し蓄電装置２０に充電をすることができる。これが、車両用多機能コンバータ５０の充電機能である。

上記のように、充電時において負荷１２と車両用多機能コンバータ５０とを分離するために、リレー２６，２８がインバータ１４の正極母線１３と負極母線１５にそれぞれ設けられている。図５は、蓄電装置２０の正極母線１９と負極母線２１に複合リレー８８を設ける例を示す図である。ここでは、複合リレー８８の正極母線１９側は２つのリレーが並列に設けられ、一方のリレーは図１のリレー２４と同じように磁気結合コイル部３５を構成するコンバータコイル５４，５６の一方端に接続されるが、他方のリレーは磁気結合コイル部３５を構成しないコンバータコイル５２の一方端に接続される。

ここで、図３で説明した平滑コンデンサ３０への充電が行われる第１段階では、複合リレー８８の負極母線側のリレーも正極母線１９側の２つのリレーもともに遮断される。そして、図４で説明した平滑コンデンサ３０から蓄電装置２０への充電が行われる第２段階では、コンバータコイル５２に接続されるリレーのみが接続される。この構造では、平滑コンデンサ３０の両端子は負荷１２の正極母線１３、負極母線１５とそれぞれ接続されているが、充電によってインバータ１４を介して回転電機１６，１８に現れる高周波漏電電流がかなり抑制されることが分かった。

図５における複合リレー８８の構成とその配置は、一般的な車両用インバータに接続される電源回路に設けられるシステムメインリレーとほぼ同じ構成であるので、マルチフェーズコンバータ部５１をシステムメインリレーで蓄電装置２０に接続する周知の構成をほとんどそのまま利用することができる。そして、その場合でも、上記のように、インバータ１４を介して回転電機１６，１８に現れる高周波漏電電流がかなり抑制できるので、高周波漏電電流防止用のインダクタ等を小さくすることができる。

図７は、参考のために、従来技術の充電回路の構成例を示す図である。ここでは、充電回路として、単相インバータ９２と、コンデンサ９４と、トランス型ＤＣ／ＤＣコンバータ９６とを接続した構成が示されている。ここで、外部コンセント部３２はフィルタ部３４を介して単相インバータ９２に接続され、単相インバータ９２はコンデンサ９４を介してトランス型ＤＣ／ＤＣコンバータ９６に接続され、蓄電装置２０は平滑コンデンサ２２を介してトランス型ＤＣ／ＤＣコンバータ９６に接続される。

この構成において、外部コンセント部３２が外部交流電源９０に接続されると、フィルタ部３４を介した後、単相インバータ９２によって交直変換が行われ、変換された直流電力がコンデンサ９４に一旦蓄積される。そして、蓄積された直流電力はトランス型ＤＣ／ＤＣコンバータ９６の１次側単相インバータによって直交変換が行われ再び交流電力に戻され、トランスによって２次側単相インバータに交流電力が移される。２次側単相インバータでは交直変換が行われ、変換された直流電力が平滑コンデンサ２２を介して蓄電装置２０供給されて充電が行われる。

このように、従来技術では、３つの単相インバータと、１つのコンデンサと、１次側コイルと２次側コイルとを有するトランスを要する。これを図６と比較すると、図６の構成は、ＡＣ／ＡＣ変換回路４０として２つの単相インバータと１つのコンデンサとを要するが、トランスの２次側コイルがマルチフェーズコンバータ部５１のコンバータコイル５４，５６を利用するので、トランスについては１次側コイルに相当する磁気結合コイル部３５で足りる。また、単相インバータを１つ省略できる。このように、図６の構成は従来技術に比較し簡素なものとなる。

図６で説明したＡＣ／ＡＣ変換回路４０は、単相コンバータを用いて交流電力を一旦直流電力に変換し、これを適当な振幅と周波数の交流電力に再び変換する間接的交流変換を行っているので、２つの単相インバータとその間にコンデンサを必要とする。

交流電力を一旦直流電力に変換することをせず、直接的に適当な振幅と周波数の交流電力に変換する技術として、マトリクスコンバータが知られている。マトリクスコンバータは、入力側の複数の配線と出力側の複数の配線との間におけるすべての接点に双方向スイッチを配列した回路である。マトリクスコンバータをＡＣ／ＡＣ変換回路として用いることで、中間的な直流電力を蓄積するためのコンデンサを省略することができる。

図８は、２入力２出力のマトリクスコンバータの模式図である。ここでは、２入力としてＸ１，Ｘ２が示され、２出力としてＹ１，Ｙ２が示されている。そして、２入力であるＸ１，Ｘ２のそれぞれの配線と、２出力であるＹ１，Ｙ２のそれぞれの配線とを格子状、つまりマトリクス状に配置したときに生じる４つの接点にそれぞれ双方向スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４が１つずつ配置される。図８の例では、双方向スイッチＳ１はＸ１とＹ１との接点位置に、双方向スイッチＳ２はＸ１とＹ２との接点位置に、双方向スイッチＳ３はＸ２とＹ１との接点位置に、双方向スイッチＳ４はＸ２とＹ２の接点位置にそれぞれ配置されている。

図８では２入力２出力の２×２マトリクスコンバータの場合を説明したが、これは、単相交流を入力として、これとは異なる振幅あるいは周波数の単相交流を出力するＡＣ／ＡＣ変換回路として用いることができる。

同様に３相交流を入力として、これとは異なる振幅あるいは周波数の３相交流を出力するＡＣ／ＡＣ変換回路として、３×３マトリクスコンバータを用いることができる。この場合には、３入力のそれぞれと３出力のそれぞれとの接点である９つの各接点に双方向スイッチが設けられる。また、３相交流を入力として、これとは異なる振幅あるいは周波数の単相交流を出力するＡＣ／ＡＣ変換回路としては、３×２マトリクスコンバータを用いることができる。

マトリクスコンバータに用いられる双方向スイッチとしては、ダイオードブリッジとＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）の組合せ、ＩＧＢＴを相互に逆方向に並列接続した逆阻止ＩＧＢＴ、ＩＧＢＴとダイオードを組み合わせた逆導通ＩＧＢＴを２つ直列に用いたものが知られている。

図９は、図８の２×２マトリクスコンバータを構成する４つの双方向スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４のそれぞれに、ＩＧＢＴとダイオードを組み合わせた逆導通ＩＧＢＴを２つ直列に用いて構成したＡＣ／ＡＣ変換回路４１の様子を示す図である。なお、図９における逆導通ＩＧＢＴの代わりにＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。

図１０は、図９の２×２マトリクスコンバータをＡＣ／ＡＣ変換回路４１として用いたときの車両用多機能コンバータ５０の動作を説明するための回路図である。ここでは、外部交流電源９０として、単相５０Ｈｚ２００Ｖを用い、車両用多機能コンバータ５０を用いて平滑コンデンサ３０に充電し、模擬的な負荷１１として平滑コンデンサ３０に並列に抵抗素子を接続するものとした。なお、外部交流電源９０に接続される外部コンセント部３２を省略してある。

ここで、ＡＣ／ＡＣ変換回路４１は４つの双方向スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４で構成される２×２のマトリクスコンバータである。なお、４つの双方向スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は模式的記号で示してある。このマトリクスコンバータは、外部交流電源９０の単相５０Ｈｚ２００Ｖをトランス用の高周波に変換する。トランスは、上記のように、磁気結合コイル部３５とマルチフェーズコンバータ部５１のコンバータコイルに相当する。このトランスによってマルチフェーズコンバータ部５１に伝達された交流電力は、３相のマルチフェーズコンバータ部５１の中の２相分の４つのダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４によって構成されるダイオードブリッジによって直流に整流され、平滑コンデンサ３０に蓄積され、抵抗素子で模擬された負荷１１を駆動する。

図１１は、図１０の回路の動作をシミュレーション計算した結果を示す図である。図９の横軸は時間、縦軸は電圧あるいは電流である。ここでは、外部交流電源９０の入力電圧１００と、フィルタ部３４を構成する２つのリアクトルのそれぞれに流れる電流１０２と、負荷１１の両端電圧である出力電圧１０４とが示されている。図１１から、単相５０Ｈｚ２００Ｖに対応する入力振幅約２８０Ｖの交流電力が、マトリクスコンバータと磁気結合コイル部３５とマルチフェーズコンバータ部５１を用いて、約２００Ｖの出力直流電力に変換されていることが分かる。

このように、ＡＣ／ＡＣ変換回路としてマトリクスコンバータを用いることで、中間部のコンデンサを省略して、入力交流電力を直接出力交流電力に変換できる。

図１２は、３相の外部交流電源を用いて蓄電装置２０を充電する場合の構成例を示す図である。ここでは、ＡＣ／ＡＣ変換回路４３として３×３マトリクスコンバータが用いられ、磁気結合コイル部３７にはＹ結線された３つのコイルが用いられ、マルチフェーズコンバータ部５１として、Ｙ結線された３つのコンバータコイルと３相インバータで構成される３相コンバータが用いられる。なお、リレー２５は、充電時に負荷等と分離するために用いられ、リレー２７は、充電時に蓄電装置と接続するために用いられる。このようにして、３相の外部交流電源を用いて蓄電装置２０を充電することができる。

本発明に係る車両用多機能コンバータは、外部交流電源から充電可能、あるいは外部交流負荷に放電可能な機能を有する電源回路に利用できる。例えば、車両に搭載される回転電機の駆動回路に接続される電源回路に利用できる。

１０ 車両用回転電機駆動システム、１１，１２ 負荷、１３、１９ 正極母線、１４ インバータ、１５、２１ 負極母線、１６，１８ 回転電機、２０ 蓄電装置、２２，３０ 平滑コンデンサ、２４，２５，２６，２７，２８ リレー、３２ 外部コンセント部、３４ フィルタ部、３５，３７ 磁気結合コイル部、３６，３８ コイル、４０，４１，４３ ＡＣ／ＡＣ変換回路、５０ 車両用多機能コンバータ、５１ マルチフェーズコンバータ部、５２，５４，５６ コンバータコイル、５８ 上アーム部、６０，７０，７８ 上アームスイッチング素子、６２，７２，８０ 上アームダイオード、６４ 下アーム部、６６，７４，８２ 下アームスイッチング素子、６８，７６，８４ 下アームダイオード、８８ 複合リレー、９０ 外部交流電源、９２ 単相インバータ、９４ コンデンサ、９６ ＤＣ／ＤＣコンバータ、１００ 入力電圧、１０２ 電流、１０４ 出力電圧。

Claims (3)

1. 車両用駆動回路と蓄電装置との間の直流電圧調整に用いられる車両用電圧コンバータであって、
   上アームスイッチング素子と上アームダイオードが並列に接続され一方端が車両用駆動回路の正極母線に接続される上アーム部と、下アームスイッチング素子と下アームダイオードとが並列に接続され他方端が車両用駆動回路の負極母線に接続される下アーム部と、上アーム部の他方端と下アーム部の一方端との接続点と蓄電装置の正極母線との間に設けられるコンバータコイルとを含む昇降圧コンバータを１相分として、これを複数相分並列に接続したマルチフェーズコンバータ部と、
   マルチフェーズコンバータ部の複数のコンバータコイルと磁気結合して交流電力をやりとりできる磁気結合コイル部と、
   磁気結合コイル部と、交流電源または交流負荷と接続される外部コンセント部との間に設けられるＡＣ／ＡＣ変換回路と、
   を備えることを特徴とする車両用多機能コンバータ。
2. 請求項１に記載の車両用多機能コンバータにおいて、
   蓄電装置の正極母線は、マルチフェーズコンバータの複数のコンバータコイルとリレーを介して接続されることを特徴とする車両用多機能コンバータ。
3. 請求項１または２に記載の車両用多機能コンバータにおいて、
   ＡＣ／ＡＣ変換回路は、
   入力側の複数の配線と出力側の複数の配線との間におけるすべての接点に双方向スイッチを配列したマトリクスコンバータであることを特徴とする車両用多機能コンバータ。

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