JP2015139341A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】効率を向上可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置１の第１インバータ部２０は、ＭＧ１０のコイル１１〜１３の一端１１１、１２１、１３１と接続される。第２インバータ部３０は、コイル１１〜１３の他端１１２、１２２、１３２と接続される。バッテリ４１は、第１インバータ部２０を経由してＭＧ１０と電力を授受可能に設けられる。キャパシタ４５は、第２インバータ部３０を経由してＭＧ１０と電力を授受可能に設けられる。電圧検出部４８は、キャパシタ４５の両端電圧であるキャパシタ電圧Ｖｃを検出する。制御部６０の信号生成部６１は、ＳＷ素子２１〜２６、３１〜３６のオンオフ作動に係る制御信号を生成する。信号変換部６２は、制御信号をキャパシタ電圧Ｖｃに応じて変換する。これにより、２電源をともにバッテリとする場合と比較し、システム全体としての効率を向上させることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

従来、２つのインバータによりモータの電力を変換するインバータ駆動システムが知られている。例えば特許文献１では、高電圧時において、第１のインバータシステムと第２のインバータシステムのパルス幅変調信号（以下、パルス幅変調を「ＰＷＭ」という。）の基本波成分の位相を１８０［°］ずらすことで２つの電源が電気的に直列接続され、２つの電源電圧の和によりモータを駆動する。また特許文献１では、低電圧時において、第１のインバータシステムまたは第２のインバータシステムの一方の上アームまたは下アームのいずれかを３相同時オンし、他方をＰＷＭ駆動している。

特開２００６−２３８６８６号公報

２つのインバータに電力を供給する電圧源として共にバッテリを用いた場合、内部抵抗による損失や、充放電の繰り返しによる電池劣化が比較的大きい。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、効率を向上可能な電力変換装置を提供することにある。

本発明は、巻線を有するモータジェネレータの電力を変換する電力変換装置であって、第１インバータ部と、第２インバータ部と、バッテリと、キャパシタと、電圧検出部と、制御部と、を備える。
第１インバータ部は、巻線の各相に対応して設けられる第１スイッチング素子を有し、巻線の一端と接続される。第２インバータ部は、巻線の各相に対応して設けられる第２スイッチング素子を有し、巻線の他端と接続される。

バッテリは、第１インバータ部を経由してモータジェネレータと電力を授受可能に設けられる。キャパシタは、第２インバータ部を経由してモータジェネレータと電力を授受可能に設けられる。電圧検出部は、キャパシタの両端電圧であるキャパシタ電圧を検出する。
制御部は、信号生成手段、および、信号変換手段を有する。信号生成手段は、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子のオンオフ作動に係る制御信号を生成する。信号変換手段は、制御信号をキャパシタ電圧に応じて変換する。

本発明は、２電源、２インバータの電力変換装置であり、２つの電源のうちの一方にキャパシタを用いている。キャパシタは、バッテリと比較し、内部抵抗が小さい。そのため、２電源をともにバッテリとする場合と比較し、一方をキャパシタとすることで内部抵抗が低減されるため、システム全体としての効率を向上させることができる。
また、キャパシタは、バッテリと比較し、充放電の繰り返しによる劣化が小さい。そのため、充放電の繰り返しの一部をキャパシタにて行うことにより、バッテリの寿命を延ばすことができる。

本発明の第１実施形態の電力変換装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第１実施形態の電力変換装置における各相電流の方向および相間電圧を説明する説明図である。 本発明の第１実施形態のキャパシタ側駆動モードを説明する説明図である。 本発明の第１実施形態のキャパシタ側駆動モードにおける相間電圧および駆動電圧を説明する説明図である。 本発明の第１実施形態のバッテリ側駆動モードを説明する説明図である。 本発明の第１実施形態のバッテリ側駆動モードにおける相間電圧および駆動電圧を説明する説明図である。 本発明の第１実施形態の両側駆動モードを説明する説明図である。 本発明の第１実施形態の両側駆動モードにおける相間電圧および駆動電圧を説明する説明図である。 本発明の第１実施形態のキャパシタ充電モードを説明する説明図である。 本発明の第１実施形態のキャパシタ充電モードにおける相間電圧および駆動電圧を説明する説明図である。 本発明の第１実施形態の駆動モード選択処理を説明するフローチャートである。 本発明の第１実施形態の第１マップを説明する説明図である。 本発明の第１実施形態の第２マップを説明する説明図である。 本発明の第２実施形態の第１マップを説明する説明図である。 本発明の第３実施形態の電力変換装置の構成を説明する概略構成図である。 本発明の第３実施形態の駆動モード選択処理を説明するフローチャートである。 本発明の第４実施形態の電力変換装置の構成を説明する概略構成図である。 本発明の第５実施形態の電力変換装置の構成を説明する概略構成図である。

以下、本発明による電力変換装置を図面に基づいて説明する。以下、複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による電力変換装置を図１〜図１３に基づいて説明する。図１に示すように、本実施形態の電力変換装置１は、モータジェネレータ（以下、「ＭＧ」という。）の電力を変換するものである。
ＭＧ１０は、例えば電気自動車やハイブリッド車両等の電動車両に適用され、図示しない駆動輪を駆動するためのトルクを発生する。ＭＧ１０は、駆動輪を駆動するための電動機としての機能、および、図示しないエンジンや駆動輪から伝わる運動エネルギによって駆動されて発電する発電機としての機能を有する。

ＭＧ１０は、３相交流の電動機であって、Ｕ相コイル１１、Ｖ相コイル１２およびＷ相コイル１３を有する。Ｕ相コイル１１、Ｖ相コイル１２およびＷ相コイル１３が「巻線」に対応する。以下適宜、Ｕ相コイル１１、Ｖ相コイル１２およびＷ相コイル１３を「コイル１１〜１３」という。また、Ｕ相コイル１１に通電される電流をＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相コイル１２に通電される電流をＶ相電流Ｉｖ、Ｗ相コイル１３に通電される電流をＷ相電流Ｉｗといい、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流ＩｖおよびＷ相電流Ｉｗを適宜「各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ」という。

電力変換装置１は、第１インバータ部２０、第２インバータ部３０、バッテリ４１、キャパシタ４５、電圧検出部４８、および、制御部６０等を備える。
第１インバータ部２０は、３相インバータであり、コイル１１〜１３への通電を切り替えるべく、６つのスイッチング素子であるＵ１上アーム素子２１、Ｖ１上アーム素子２２、Ｗ１上アーム素子２３、Ｕ１下アーム素子２４、Ｖ１下アーム素子２５、および、Ｗ１下アーム素子２６がブリッジ接続される。

Ｕ１上アーム素子２１は、Ｕ１下アーム素子２４の高電位側に接続される。Ｖ１上アーム素子２２は、Ｖ１下アーム素子２５の高電位側に接続される。Ｗ１上アーム素子２３は、Ｗ１下アーム素子２６の高電位側に接続される。
第１インバータ部２０は、コイル１１〜１３の一端１１１、１２１、１３１と、第１電圧源であるバッテリ４１との間に接続される。具体的には、Ｕ１上アーム素子２１とＵ１下アーム素子２４との接続点２７が、Ｕ相コイル１１の一端１１１に接続される。また、Ｖ１上アーム素子２２とＶ１下アーム素子２５との接続点２８が、Ｖ相コイル１２の一端１２１に接続される。さらにまた、Ｗ１上アーム素子２３とＷ１下アーム素子２６との接続点２９が、Ｗ相コイル１３の一端１３１に接続される。

第２インバータ部３０は、３相インバータであり、コイル１１〜１３への通電を切り替えるべく、６つのスイッチング素子であるＵ２上アーム素子３１、Ｖ２上アーム素子３２、Ｗ２上アーム素子３３、Ｕ２下アーム素子３４、Ｖ２下アーム素子３５、および、Ｗ２下アーム素子３６がブリッジ接続される。

Ｕ２上アーム素子３１は、Ｕ２下アーム素子３４の高電位側に接続される。Ｖ２上アーム素子３２は、Ｖ２下アーム素子３５の高電位側に接続される。Ｗ２上アーム素子３３は、Ｗ２下アーム素子３６の高電位側に接続される。
第２インバータ部３０は、コイル１１〜１３の他端１１２、１２２、１３２と、第２電圧源であるキャパシタ４５との間に接続される。具体的には、Ｕ２上アーム素子３１とＵ２下アーム素子３４との接続点３７が、Ｕ相コイル１１の他端１１２に接続される。また、Ｖ２上アーム素子３２とＶ２下アーム素子３５との接続点３８が、Ｖ相コイル１２の他端１２２に接続される。さらにまた、Ｗ２上アーム素子３３とＷ２下アーム素子３６との接続点３９が、Ｗ相コイル１３の他端１３２に接続される。

このように、本実施形態では、第１インバータ部２０および第２インバータ部３０は、コイル１１〜１３の両端に接続される。
本実施形態では、Ｕ１上アーム素子２１、Ｖ１上アーム素子２２、Ｗ１上アーム素子２３、Ｕ１下アーム素子２４、Ｖ１下アーム素子２５、および、Ｗ１下アーム素子２６が「第１スイッチング素子」に対応し、Ｕ２上アーム素子３１、Ｖ２上アーム素子３２、Ｗ２上アーム素子３３、Ｕ２下アーム素子３４、Ｖ２下アーム素子３５、および、Ｗ２下アーム素子３６が「第２スイッチング素子」に対応する。以下適宜、スイッチング素子を「ＳＷ素子」という。
本実施形態のＳＷ素子２１〜２６、３１〜３６は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるが、例えばＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ、バイポーラトランジスタ等を用いてもよい。

第１電圧源であるバッテリ４１は、充放電可能な直流電源であって、第１インバータ部２０と接続され、第１インバータ部２０を経由してＭＧ１０と電力を授受可能に設けられる。本実施形態では、バッテリ４１の電圧をバッテリ電圧Ｖｂとする。図１では、バッテリ４１は１つの直流電源として記載しているが、複数の直流電源を並列或いは直列に接続して構成してもよいし、図示しない昇圧コンバータ等を含んで構成してもよい。
コンデンサ４２は、バッテリ４１と並列に接続され、バッテリ４１からＳＷ素子２１〜２６へ供給される電流、或いは、ＳＷ素子２１〜２６からバッテリ４１へ供給される電流を平滑化する平滑コンデンサである。

第２電圧源であるキャパシタ４５は、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等で構成され、第２インバータ部３０に接続され、第２インバータ部３０を経由してＭＧ１０と電力を授受可能に設けられる。
電圧検出部４８は、キャパシタ４５と並列に接続され、キャパシタ４５の両端電圧であるキャパシタ電圧Ｖｃを検出する。キャパシタ電圧Ｖｃは、キャパシタ４５の充電状態により変動する。本実施形態では、キャパシタ電圧Ｖｃは、バッテリ電圧Ｖｂより小さいものとする。

ここで、第１インバータ部２０およびバッテリ４１の組み合わせを第１系統１００とし、第２インバータ部３０およびキャパシタ４５の組み合わせを第２系統２００とすると、ＭＧ１０の一側に第１系統１００が設けられ、他側に第２系統２００が設けられている。

制御部６０は、通常のコンピュータとして構成されており、内部にはＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ、および、これらの構成を接続するバスライン等が備えられる。
制御部６０は、信号生成部６１、および、信号変換部６２を有する。制御部６０は、電圧検出部４８から、キャパシタ電圧Ｖｃを取得する。

信号生成部６１は、第１インバータ部２０のＳＷ素子２１〜２６のオンオフ作動を制御する第１制御信号、および、第２インバータ部３０のＳＷ素子３１〜３６のオンオフ作動を制御する第２制御信号を生成する。第１制御信号は、ＳＷ素子２１〜２６へ出力される。第２制御信号は、信号変換部６２へ出力される。本実施形態では、第１制御信号および第２制御信号が「制御信号」に対応する。
信号変換部６２は、キャパシタ電圧Ｖｃに基づき、第２制御信号を変換する。変換された第２制御信号は、ＳＷ素子３１〜３６へ出力される。

ここで、ＭＧ１０の駆動モードの切り替えの説明に先立ち、各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗおよび相間電圧について図２に基づいて説明する。図２では、電圧検出部４８および制御部６０等の記載を省略している。後述の図３等も同様である。
本実施形態では、第１インバータ部２０側からコイル１１〜１３を経由して第２インバータ部３０側へ流れる電流を正、第２インバータ部３０側からコイル１１〜１３を経由して第１インバータ部２０側へ流れる電流を負とする。

また、第１インバータ部２０側におけるＶ相基準のＵ−Ｖ間の相間電圧をＵ１−Ｖ１、Ｗ相基準のＶ−Ｗ間の相間電圧をＶ１−Ｗ１、Ｕ相基準のＷ−Ｕ間の相間電圧をＷ１−Ｕ１とし、これらを適宜「バッテリ側相間電圧Ｖ１」という。また、第２インバータ部３０側におけるＵ相基準のＵ−Ｖ間の相間電圧をＵ２−Ｖ２、Ｖ相基準のＶ−Ｗ間の相間電圧をＶ２−Ｗ２、Ｗ相基準のＷ−Ｕ間の相間電圧をＷ２−Ｕ２とし、これらを適宜「キャパシタ側相間電圧Ｖ２」という。また、ＭＧ１０には、バッテリ側相間電圧Ｖ１とキャパシタ側相間電圧Ｖ２との和に相当する電圧が印加される。以下適宜、ＭＧ１０に印加される電圧を「駆動電圧Ｖ３」という。

続いてＭＧ１０の駆動モードについて、図３〜図１０に基づいて説明する。図３、図５、図７および図９においては、オンされているＳＷ素子を実線、オフされているＳＷ素子を破線にて示す。以下の説明では、ＭＧ１０が電動機として機能する場合を中心に説明する。

（キャパシタ側駆動モード）
図３に示すように、キャパシタ側駆動モードでは、第１インバータ部２０を中性点化し、キャパシタ４５の電力によりＭＧ１０を駆動する片側電源駆動とする。図３に示す例では、第１インバータ部２０の上アーム素子２１〜２３を３相同時にオンし、下アーム素子２４〜２６を３相同時にオフしている。これにより、バッテリ４１側が中性点化される。

また、第２インバータ部３０は、電圧指令に基づく基本波と、三角波等であるキャリア波とに基づいてＰＷＭ制御される。ここで、ＰＷＭ制御には、基本波の振幅がキャリア波の振幅以下である「正弦波ＰＷＭ制御」、および、基本波の振幅がキャリア波の振幅より大きい「過変調ＰＷＭ制御」を含む。
図３は、ＳＷ素子３１、３５、３６がオンされている例であり、矢印ＹＡで示す経路にて電流が流れる。

図４（ａ）に示すように、中性点化されるバッテリ側相間電圧Ｖ１は略ゼロとなる。また図４（ｂ）に示すように、キャパシタ側相間電圧Ｖ２は、パルスの高さがキャパシタ電圧Ｖｃとなる。したがって、図４（ｃ）に示すように、ＭＧ１０に印加される駆動電圧Ｖ３は、バッテリ側相間電圧Ｖ１とキャパシタ側相間電圧Ｖ２との和であるので、パルスの高さがキャパシタ電圧Ｖｃとなる。

（バッテリ側駆動モード）
図５に示すように、バッテリ側駆動モードでは、第２インバータ部３０を中性点化し、バッテリ４１の電力によりＭＧ１０を駆動する片側電源駆動とする。図５に示す例では、第２インバータ部３０の上アーム素子３１〜３３を３相同時にオンし、下アーム素子３４〜３６を３相同時にオフしている。これにより、キャパシタ４５側が中性点化される。
また、第１インバータ部２０は、電圧指令に基づく基本波と、三角波等であるキャリア波とに基づいてＰＷＭ制御される。図５は、ＳＷ素子２１、２５、２６がオンされている例であり、矢印ＹＢで示す経路にて電流が流れる。

図６（ａ）に示すように、バッテリ側相間電圧Ｖ１は、パルスの高さがバッテリ電圧Ｖｂとなる。また図６（ｂ）に示すように、中性点化されるキャパシタ側相間電圧Ｖ２は略ゼロとなる。したがって、図６（ｃ）に示すように、ＭＧ１０に印加される駆動電圧Ｖ３は、パルスの高さがバッテリ電圧Ｖｂとなる。

片側電源駆動であるキャパシタ側駆動モードおよびバッテリ側駆動モードでは、第１インバータ部２０または第２インバータ部３０の一方を中性点化しているので、第１インバータ部２０および第２インバータ部３０を共にＰＷＭ制御する場合と比較し、スイッチング損失を低減することができる。
また、キャパシタ側駆動モードにおいて、第１インバータ部２０の上アーム素子２１〜２３を３相同時にオンし、下アーム素子２４〜２６を３相同時にオフすることにより中性点化する例を説明したが、上アーム素子２１〜２３を３相同時にオフし、下アーム素子２４〜２６を３相同時にオンすることによっても中性点化できる。また、上アーム素子２１〜２３がオン、下アーム素子２４〜２６がオフである状態と、上アーム素子２１〜２３がオフ、下アーム素子２４〜２６がオンである状態とを適宜切り替えてもよい。

同様に、バッテリ側駆動モードにおいて、第２インバータ部３０の上アーム素子３１〜３３を３相同時にオンし、下アーム素子３４〜３６を３相同時にオフすることにより中性点化する例を説明したが、上アーム素子３１〜３３を３相同時にオフし、下アーム素子３４〜３６を３相同時にオンすることによっても中性点化できる。また、上アーム素子３１〜３３がオン、下アーム素子３４〜３６がオフである状態と、上アーム素子３１〜３３がオフ、下アーム素子３４〜３６がオンである状態とを適宜切り替えてもよい。
これにより、特定の素子のオン状態が継続することによる発熱や、素子間の熱損失の偏りを低減可能である。

（両側駆動モード）
両側駆動モードは、バッテリ４１およびキャパシタ４５による両電源駆動であり、第１インバータ部２０および第２インバータ部３０は、電圧指令に基づく基本波とキャリア波とに基づいてＰＷＭ制御される。
両側駆動モードでは、第１インバータ部２０の駆動に係る基本波である第１基本波と、第２インバータ部３０の駆動に係る基本波である第２基本波とは、位相が反転されている。換言すると、第１基本波と第２基本波とは、位相が略１８０［°］ずれている。なお、第１基本波と第２基本波との位相差は、バッテリ４１とキャパシタ４５とを直列接続した状態に対応する電圧をＭＧ１０に印加可能であれば、１８０［°］からの多少のずれは許容されるものとし、「基本波の位相が反転されている」の概念に含まれるものとする。基本波位相を反転することにより、各相にてオンされるＳＷ素子は、第１インバータ部２０と第２インバータ部３０とで上下反対となる。

例えば、図７に示すように、第１インバータ部２０において、Ｕ相の上アーム素子２１がオン、Ｖ相およびＷ相の下アーム素子２５、２６がオンされるとき、第２インバータ部３０において、Ｕ相の下アーム素子３４がオン、Ｖ相およびＷ相の上アーム素子３２、３３がオンされる。このとき、矢印ＹＣで示す経路にて電流が流れる。

図８（ａ）に示すように、バッテリ側相間電圧Ｖ１は、パルスの高さがバッテリ電圧Ｖｂとなる。また図８（ｂ）に示すように、キャパシタ側相間電圧Ｖ２は、パルスの高さがキャパシタ電圧Ｖｃとなる。また、両側駆動モードでは、第１インバータ部２０および第２インバータ部３０は、位相が反転された基本波に基づいて制御されており、バッテリ側相間電圧Ｖ１とキャパシタ側相間電圧Ｖ２との正負が同じである。したがって、図８（ｃ）に示すように、ＭＧ１０に印加される駆動電圧Ｖ３は、パルスの高さがバッテリ電圧Ｖｂとキャパシタ電圧Ｖｃとの和となる。

（キャパシタ充電モード）
キャパシタ４５は、充電状態によりキャパシタ電圧Ｖｃが大きく変動する。そのため、キャパシタ電圧Ｖｃが低下すると、両側駆動モードにおいて必要な電圧が得られない虞がある。そこで、キャパシタ充電モードでは、バッテリ４１の電力によりキャパシタ４５を充電する。

キャパシタ充電モードでは、第１インバータ部２０および第２インバータ部３０は、電圧指令に基づく基本波とキャリア波とに基づいてＰＷＭ制御される。
キャパシタ充電モードでは、第１基本波と第２基本波とは、同位相である。なお、ＭＧ１０を駆動しつつキャパシタ４５を充電可能な程度の位相のずれは許容されるものとする。第１基本波と第２基本波の位相を同位相とすることにより、各相にてオンされるＳＷ素子は、第１インバータ部２０と第２インバータ部３０とで上下同じになる。

例えば、図９に示すように、第１インバータ部２０において、Ｕ相の上アーム素子２１がオン、Ｖ相およびＷ相の下アーム素子２５、２６がオンされるとき、第２インバータ部３０において、Ｕ相の上アーム素子３１がオン、Ｖ相およびＷ相の下アーム素子３５、３６がオンされる。このとき、バッテリ電圧Ｖｂがキャパシタ電圧Ｖｃよりも大きいので、矢印ＹＤで示す経路にて電流が流れ、バッテリ４１の電力によりキャパシタ４５が充電される。

図１０（ａ）に示すように、バッテリ側相間電圧Ｖ１は、パルスの高さがバッテリ電圧Ｖｂとなる。また図１０（ｂ）に示すように、キャパシタ側相間電圧Ｖ２は、パルスの高さがキャパシタ電圧Ｖｃとなる。また、キャパシタ充電モードでは、第１インバータ部２０および第２インバータ部３０は、同位相の基本波にて制御されており、バッテリ側相間電圧Ｖ１とキャパシタ側相間電圧Ｖ２とは正負が異なる。したがって、図１０（ｃ）に示すように、ＭＧ１０に印加される駆動電圧Ｖ３は、パルスの高さがバッテリ電圧Ｖｂとキャパシタ電圧Ｖｃとの差となる。

ここで、信号生成部６１にて実行される駆動モード選択処理を図１１に示すフローチャートに基づいて説明する。この処理は、例えばイグニッション電源がオンされているときに、所定の間隔で実行される。
最初のステップＳ１０１（以下、「ステップ」を省略し、単に記号「Ｓ」で示す。）では、キャパシタ電圧Ｖｃを電圧検出部４８から取得する。

Ｓ１０２では、キャパシタ電圧Ｖｃが所定値Ｖｒｅｆ以上か否かを判断する。所定値Ｖｒｅｆは、バッテリ４１によりキャパシタ４５を充電する必要がある値に設定される。キャパシタ電圧Ｖｃが所定値Ｖｒｅｆ以上であると判断された場合（Ｓ１０２：ＹＥＳ）、Ｓ１０３へ移行する。キャパシタ電圧Ｖｃが所定値Ｖｒｅｆ未満であると判断された場合（Ｓ１０２：ＮＯ）、Ｓ１０４へ移行する。

Ｓ１０３では、図１２に示す第１マップを参照し、ＭＧ１０の回転数およびトルクに基づいて駆動モードを決定する。第１マップは、キャパシタ電圧ＶｃにてＭＧ１０を駆動するキャパシタ側駆動モードを含み、バッテリ４１の電力によるキャパシタ４５を充電するキャパシタ充電モードを含まないマップである。

第１マップにおいて、キャパシタ電圧ＶｃにてＭＧ１０を駆動する場合の駆動限界を実線Ｔ１１で示し、バッテリ電圧ＶｂにてＭＧ１０を駆動する場合の駆動限界を実線Ｔ１２で示し、バッテリ電圧Ｖｂとキャパシタ電圧Ｖｃとの和にてＭＧ１０を駆動する場合の駆動限界を実線Ｔ１３で示す。すなわち、第１マップは、バッテリ電圧Ｖｂおよびキャパシタ電圧Ｖｃに応じたマップであるといええる。後述の第２マップについても同様である。

図１１中のＳ１０３では、ＭＧ１０の回転数およびトルクが実線Ｔ１１より小さい領域Ａである場合、第１インバータ部２０側を中性点化し、キャパシタ電圧ＶｃにてＭＧ１０を駆動するキャパシタ側駆動モードとする。また、ＭＧ１０の回転数およびトルクが実線Ｔ１１と実線Ｔ１２との間の領域Ｂである場合、第２インバータ部３０を中性点化し、バッテリ電圧ＶｂにてＭＧ１０を駆動するバッテリ側駆動モードとする。さらにまた、ＭＧ１０の回転数およびトルクが実線Ｔ１２より大きい領域Ｃである場合、第１基本波の位相と第２基本波の位相が反転され、バッテリ電圧Ｖｂとキャパシタ電圧Ｖｃとの和にてＭＧ１０を駆動する両側駆動モードとする。

Ｓ１０４では、図１３に示す第２マップを参照し、ＭＧ１０の回転数およびトルクに基づいて駆動モードを決定する。第２マップは、キャパシタ電圧ＶｃにてＭＧ１０を駆動するキャパシタ側駆動モードを含まず、バッテリ４１によるキャパシタ４５を充電するキャパシタ充電モードを含むマップである。
第２マップでは、バッテリ電圧Ｖｂとキャパシタ電圧Ｖｃとの差にてＭＧ１０を駆動する場合の駆動限界を実線Ｔ２１で示す。実線Ｔ１２、Ｔ１３は、第１マップと同様である。

Ｓ１０４では、ＭＧ１０の回転数およびトルクが実線Ｔ２１より小さい領域Ｄである場合、第１基本波と第２基本波とが同位相であり、バッテリ電圧Ｖｂとキャパシタ電圧Ｖｃとの差にてＭＧ１０を駆動するキャパシタ充電モードとする。また、ＭＧ１０の回転数およびトルクが実線Ｔ２１とＴ１２との間の領域Ｂである場合、バッテリ側駆動モードとする。ＭＧ１０の回転数およびトルクが実線Ｔ１２より大きい領域Ｃである場合は、Ｓ１０３と同様、両側駆動モードとする。

キャパシタ電圧Ｖｃは変動するため、キャパシタ電圧Ｖｃに応じ、第１マップの実線Ｔ１１、および、第２マップの実線Ｔ２１はシフトする。具体的には、キャパシタ電圧Ｖｃが大きいほど、第１マップの実線Ｔ１１は実線Ｔ１２に近づく方向にシフトする。また、キャパシタ電圧Ｖｃが大きいほど、第２マップの実線Ｔ２１は実線Ｔ１２から離れる方向にシフトする。

なお、実線Ｔ１３は、ＭＧ１０の駆動限界を考慮しなければキャパシタ電圧Ｖｃに応じてシフトするが、両側駆動モードにおける駆動限界がＭＧ１０の駆動限界に対して余裕をもって設定されているとすれば、実線Ｔ１３はＭＧ１０の駆動限界となり、実線Ｔ１３はキャパシタ電圧Ｖｃによらず変わらない。また、実線Ｔ１２は、バッテリ電圧Ｖｂにて決まるので、キャパシタ電圧Ｖｃによらず変わらない。

ここで、ＭＧ１０の回生時の制御について言及しておく。
キャパシタ４５は、バッテリ４１と比較し、充放電の繰り返しによる劣化が小さい。そこで、キャパシタ４５の耐圧やシステム全体としての耐圧を考慮し、キャパシタ４５を充電可能な範囲においては、キャパシタ側駆動モードとし、回生電力をキャパシタ４５に優先的に供給してキャパシタ４５を充電する。耐圧等によりキャパシタ４５の充電余力がなくなった場合、バッテリ側駆動モードとし、回生電力によりバッテリ４１を充電する。
これにより、充放電の繰り返しによるバッテリ４１の劣化を抑制することができる。
なお、キャパシタ４５やシステム全体としての耐圧、ＭＧ１０の回転数やトルクによっては、両側駆動モードとし、回生電力によりバッテリ４１およびキャパシタ４５が共に充電されるようにしても、もちろんよい。

以上詳述したように、電力変換装置１は、コイル１１〜１３を有するＭＧ１０の電力を変換するものであって、第１インバータ部２０と、第２インバータ部３０と、バッテリ４１と、キャパシタ４５と、電圧検出部４８と、制御部６０と、を備える。
第１インバータ部２０は、コイル１１〜１３の各相に対応して設けられるＳＷ素子２１〜２６を有し、コイル１１〜１３の一端１１１、１２１、１３１と接続される。
第２インバータ部３０は、コイル１１〜１３の各相に対応して設けられるＳＷ素子３１〜３６を有し、コイル１１〜１３の他端１１２、１２２、１３２と接続される。

バッテリ４１は、第１インバータ部２０を経由してＭＧ１０と電力を授受可能に設けられる。キャパシタ４５は、第２インバータ部３０を経由してＭＧ１０と電力を授受可能に設けられる。電圧検出部４８は、キャパシタ４５の両端電圧であるキャパシタ電圧Ｖｃを検出する。
制御部６０は、信号生成部６１、および、信号変換部６２を有する。信号生成部６１は、ＳＷ素子２１〜２６、３１〜３６のオンオフ作動に係る制御信号を生成する。信号変換部６２は、制御信号をキャパシタ電圧Ｖｃに応じて変換する。

本実施形態では、２電源、２インバータを備える電力変換装置１において、２つの電源のうちの一方にキャパシタ４５を用いている。キャパシタ４５は、バッテリ４１と比較し、内部抵抗が小さい。そのため、２電源をともにバッテリとする場合と比較し、一方をキャパシタ４５とすることで内部抵抗が低減されるので、システム全体としての効率を向上させることができる。
また、キャパシタ４５は、バッテリ４１と比較し、充放電の繰り返しによる劣化が小さい。そのため、充放電の繰り返しの一部をキャパシタ４５にて行うことにより、バッテリ４１の寿命を延ばすことができる。

信号生成部６１は、バッテリ４１の電圧であるバッテリ電圧Ｖｂおよびキャパシタ電圧Ｖｃに応じ、キャパシタ４５が充放電されるキャパシタ側駆動モード、バッテリ４１が充放電されるバッテリ側駆動モード、キャパシタ４５およびバッテリ４１が充放電される両側駆動モード、および、バッテリ４１の電力によりキャパシタ４５を充電するキャパシタ充電モードを選択し、選択された駆動モードに応じて制御信号を生成する。キャパシタ電圧Ｖｃは両端電圧が変動するため、キャパシタ電圧Ｖｃおよびバッテリ電圧Ｖｂに応じ、適切な駆動モードを選択することができる。
本実施形態では、信号生成部６１が「信号生成手段」を構成し、信号変換部６２が「信号変換手段」を構成する。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図１４に示す。
図１４は、駆動モードの決定に係る第１マップを示している。
本実施形態の第１マップは、実線Ｔ１２と実線Ｔ１３との間の領域Ｃが、破線Ｔ３１および破線Ｔ３２により、３つの領域に分けられている点が上記実施形態と異なる。
本実施形態では、ＭＧ１０の回転数およびトルクが破線Ｔ３１と実線Ｔ１３との領域Ｃ１である場合、両側ＰＷＭ制御モードとする。両側ＰＷＭ制御モードでは、第１インバータ部２０および第２インバータ部３０は、キャリア波および位相が反転された基本波に基づき、ＰＷＭ制御される。

ＭＧ１０の回転数およびトルクが破線Ｔ３１と破線Ｔ３２との間の領域Ｃ２である場合、第１インバータ部２０は、第１基本波とキャリア波とに基づくＰＷＭ制御される。また、第２インバータ部３０は、第１基本波とは位相が反転された第２基本波の半周期毎にＳＷ素子３１〜３６のオンオフを切り替える矩形波制御とする。

ＭＧ１０の回転数およびトルクが破線Ｔ３２と実線Ｔ１３との間の領域Ｃ３である場合、第１インバータ部２０は、第１基本波の半周期毎にＳＷ素子２１〜２６のオンオフを切り替える矩形波制御とする。第２インバータ部３０は、第１基本波とは位相が反転された第２基本波とキャリア波とに基づくＰＷＭ制御、または、第２基本波の半周期毎にＳＷ素子３１〜３６のオンオフを切り替える矩形波制御とする。
すなわち、本実施形態では、ＭＧ１０の回転数およびトルクが領域Ｃ２および領域Ｃ３である場合、矩形波制御併用モードとする。

破線Ｔ３１は、第２インバータ部３０を矩形波制御した場合の出力下限に応じて設定され、破線Ｔ３２は、第１インバータ部２０を矩形波制御した場合の出力下限に応じて設定される。
また、図１４では、第１マップについて説明したが、第２マップについても同様である。

本実施形態では、両側駆動モードは、第１インバータ部２０および第２インバータ部３０をともにＰＷＭ制御する両側ＰＷＭ制御モード、および、第１インバータ部２０および第２インバータ部３０の少なくとも一方を矩形波制御する矩形波制御併用モードから構成される。
高回転数、高トルクを出力する矩形波制御併用モードにおいて、第１インバータ部２０および第２インバータ部３０の少なくとも一方を矩形波制御としている。これにより、第１インバータ部２０および第２インバータ部３０を共にＰＷＭ制御する場合と比較し、矩形波制御される側のインバータ部を構成するＳＷ素子のスイッチング回数が少なくなるので、スイッチング損失を低減することができる。
また、上記実施形態と同様の効果を奏する。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図１５および図１６に基づいて説明する。
図１５に示すように、本実施形態の電力変換装置２は、２つのキャパシタ４６、４７を備える。キャパシタ４６、４７は、上記実施形態のキャパシタ４５と同等のものとする。
キャパシタ４６とキャパシタ４７との間には、スイッチ部７０が設けられ、キャパシタ４６、４７の直並列を切り替え可能に構成される。本実施形態では、キャパシタ４６、４７およびスイッチ部７０がキャパシタ部５０を構成する。

具体的には、スイッチ部７０は、３つの開閉器７１、７２、７３を有する。開閉器７１、７２、７３は、メカスイッチであってもよいし、半導体リレーであってもよい。開閉器７１は、キャパシタ４６、４７の正極側に接続される。開閉器７２は、キャパシタ４６の正極側、および、キャパシタ４７の負極側に接続される。開閉器７３は、キャパシタ４６、４７の負極側に接続される。
開閉器７１、７３をオン、開閉器７２をオフすると、キャパシタ４６、４７は、並列接続される。また、開閉器７２をオン、開閉器７１、７３をオフすると、キャパシタ４６、４７は、直列接続される。

電圧検出部４９は、第１検出部４９１および第２検出部４９２を有する。第１検出部４９１は、キャパシタ４６の両端電圧をキャパシタ電圧Ｖｃ１として検出する。第２検出部４９２は、キャパシタ４７の両端電圧をキャパシタ電圧Ｖｃ２として検出する。キャパシタ電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２は、誤差等を除き等しい。
キャパシタ電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２は、制御部６０へ出力される。

本実施形態では、キャパシタ電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２に応じ、スイッチ部７０の接続状態を切り替え、駆動モードを選択している。
ここで、信号生成部６１にて実行される駆動モード制御処理を図１６に基づいて説明する。この処理は、例えば、イグニッション電源がオンされているときに、所定の間隔で実行される。

Ｓ２０１では、キャパシタ電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２を電圧検出部４９から取得する。
Ｓ２０２では、キャパシタ電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２が所定値Ｖｒｅｆ以上か否かを判断する。キャパシタ電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２が所定値Ｖｒｅｆ以上であると判断された場合（Ｓ２０２：ＹＥＳ）、Ｓ２０３へ移行する。キャパシタ電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２が所定値Ｖｒｅｆ未満であると判断された場合（Ｓ２０２：ＮＯ）、Ｓ２０５へ移行する。

Ｓ２０３では、開閉器７１、７３をオン、開閉器７２をオフし、キャパシタ４６、４７を並列接続する。キャパシタ４６、４７が並列接続されている場合は、並列接続状態を継続する。
Ｓ２０４では、キャパシタ４６、４７は並列接続されているので、キャパシタ電圧Ｖｃ１またはキャパシタ電圧Ｖｃ２を、キャパシタ部５０としての電圧であって上記実施形態のキャパシタ電圧Ｖｃとみなし、図１１中のＳ１０３と同様、第１マップを参照し、駆動モードを選択する。

キャパシタ電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２が所定値Ｖｒｅｆ未満であると判断された場合（Ｓ２０２：ＮＯ）に移行するＳ２０５では、キャパシタ４６、４７が直列接続されているか否かを判断する。キャパシタ４６、４７が直列接続されていると判断された場合（Ｓ２０５：ＹＥＳ）、Ｓ２０７へ移行する。キャパシタ４６、４７が直列接続されていないと判断された場合（Ｓ２０５：ＮＯ）、Ｓ２０６へ移行する。
Ｓ２０６では、開閉器７２をオン、開閉器７１、７３をオフし、キャパシタ４６、４７を直列接続し、Ｓ２０７へ移行する。

Ｓ２０７では、キャパシタ４６、４７が直列接続されているので、キャパシタ電圧Ｖｃ１とキャパシタ電圧Ｖｃ２との和をキャパシタ部５０の電圧であって、上記実施形態のキャパシタ電圧Ｖｃとみなし、図１１中のＳ１０４と同様、第２マップを参照し、駆動モードを選択する。
なお、Ｓ２０６およびＳ２０７では、両側駆動モードは、第２実施形態のように、矩形波制御併用モードを含むようにしてもよい。

電力変換装置２は、２個のキャパシタ４６、４７に対し、キャパシタ４６、４７が直列に接続される状態と並列に接続される状態とを切り替え可能に設けられる３つの開閉器７１、７２、７３を備える。
本実施形態では、複数のキャパシタ４６、４７を有するので、回生時の電力を高効率にキャパシタ４６、４７側に蓄えることができる。
また、信号生成部６１は、キャパシタ電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２に基づき、開閉器７１、７２、７３の開閉状態を制御する。
これにより、キャパシタ電圧Ｖｃ１、Ｖｃ２が低下し、駆動に必要な電圧が得られない場合、キャパシタ４６、４７を直列接続状態に切り替えることにより、キャパシタ部５０側から印加可能な電圧を高めることができる。
また、上記実施形態と同様の効果を奏する。
本実施形態では、信号生成部６１が「開閉制御手段」を構成する。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態による電力変換装置を図１７に示す。
本実施形態の電力変換装置３のキャパシタ部５１において、開閉器７１と直列にインダクタ７６が接続される。同様に、開閉器７２と直列にインダクタ７７が接続され、開閉器７３と直列にインダクタ７８が接続される。
キャパシタ部５１は、インダクタ７６〜７８が設けられる点を除き、第３実施形態のキャパシタ部５０と同様である。
電力変換装置３は、開閉器７１、７２、７３と直列に接続されるインダクタ７６、７７、７８を備える。インダクタ７６〜７８を設けることにより、開閉器７１〜７３のオンオフの切り替えに伴うサージ電圧を平滑化することができる。
また、上記実施形態と同様の効果を奏する。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態による電力変換装置を図１８に示す。
本実施形態の電力変換装置４は、第１実施形態の電力変換装置１の構成に加え、第３インバータ部３００を備える。
第３インバータ部３００は、３相インバータであり、ＭＧ１０とは別途に設けられるモータ２１０のコイル２１１、２１２、２１３への通電を切り替えるべく、６つのスイッチング素子３０１〜３０６がブリッジ接続される。

第３インバータ部３００は、キャパシタ４５に対して並列に接続される。これにより、モータ２１０は、第３インバータ部３００を経由してキャパシタ４５から電力が供給される。第３インバータ部３００は、キャパシタ電圧Ｖｃに基づき、第１インバータ部２０および第２インバータ部３０とは別途に、例えばＰＷＭ制御等により制御される。
モータ２１０は、車両主機および車両補機の駆動に係るどのようなモータであってもよい。瞬間的な大電流を供給可能なキャパシタ４５の特性を考慮すると、モータ２１０には、例えばスタータモータ等が好適に適用される。

電力変換装置４は、キャパシタ４５に対して並列に接続され、ＭＧ１０とは別のモータ２１０へ供給される電力を切り替える第３インバータ部３００を備える。これにより、モータ２１０にキャパシタ４５から電力を供給することができる。また、モータ２１０にバッテリ４１または図示しない補機バッテリから電力を供給する場合と比較し、バッテリ４１または補機バッテリの負荷を軽減することができる。
また、上記実施形態と同様の効果を奏する。

（他の実施形態）
上記第３実施形態および第４実施形態では、キャパシタは２つである。他の実施形態では、キャパシタをｎ（ｎは２以上の自然数）個とし、スイッチを（ｎ＋１）個以上とし、キャパシタが直列に接続される状態と並列に接続される状態とを切り替えるようにしてもよい。

また、例えば、第５実施形態の構成おいて、ｎ個のキャパシタと（ｎ＋１）個のスイッチを設け、キャパシタが直列に接続される状態と並列に接続される状態とを切り替えるといった具合に、上記複数の実施形態は、適宜組み合わせて実施可能である。

上記実施形態では、キャパシタ電圧は、バッテリ電圧より小さいものとして説明した。他の実施形態では、例えばチョッパ制御等により、キャパシタ電圧がバッテリ電圧より大きくなるようにしてもよい。
また、上記実施形態では、キャパシタは、バッテリまたはＭＧの回生により充電される。他の実施形態では、キャパシタは、外部電源から充電可能に構成してもよい。

第５実施形態では、キャパシタに第３インバータ部が並列に接続される。他の実施形態では、キャパシタに並列に接続される第３インバータ部およびモータは、複数であってもよい。また、モータは３相モータに限らず、どのようなものであってもよい。また、第３インバータ部は、モータに応じ、例えばＨブリッジインバータ等であってもよい。

上記実施形態では、モータジェネレータは、電動車両の車両主機に適用される。他の実施形態では、モータジェネレータは、車両補機に適用してもよいし、他の装置に適用してもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

１〜４：電力変換装置
１０：モータジェネレータ
２０：第１インバータ部
２１〜２６：ＳＷ素子（第１スイッチング素子）
３０：第２インバータ部
３１〜３６：ＳＷ素子（第２スイッチング素子）
４１：バッテリ
４５、４６、４７：キャパシタ
４８、４９：電圧検出部
６０：制御部

Claims (7)

1. 巻線（１１〜１３）を有するモータジェネレータ（１０）の電力を変換する電力変換装置（１、２、３、４）であって、
   前記巻線の各相に対応して設けられる第１スイッチング素子（２１〜２６）を有し、前記巻線の一端（１１１、１２１、１３１）と接続される第１インバータ部（２０）と、
   前記巻線の各相に対応して設けられる第２スイッチング素子（３１〜３６）を有し、前記巻線の他端（１１２、１２２、１３２）と接続される第２インバータ部（３０）と、
   前記第１インバータ部を経由して前記モータジェネレータと電力を授受可能に設けられるバッテリ（４１）と、
   前記第２インバータ部を経由して前記モータジェネレータと電力を授受可能に設けられるキャパシタ（４５、４６、４７）と、
   前記キャパシタの両端電圧であるキャパシタ電圧を検出する電圧検出部（４８、４９）と、
   前記第１スイッチング素子および第２スイッチング素子のオンオフ作動に係る制御信号を生成する信号生成手段（６１）、および、前記制御信号を前記キャパシタ電圧に応じて変換する信号変換手段（６２）を有する制御部（６０）と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. ｎ（ｎは２以上の自然数）個の前記キャパシタ（４６、４７）に対し、前記キャパシタが直列に接続される状態と並列に接続される状態とを切り替え可能に設けられる（ｎ＋１）個以上の開閉器（７１、７２、７３）を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置（２、３）。
3. 前記開閉器と直列に接続されるインダクタ（７６、７７、７８）を備えることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置（３）。
4. 前記制御部は、前記キャパシタ電圧に基づき、前記開閉器の開閉状態を制御する開閉制御手段（６１）を有することを特徴とする請求項２または３に記載の電力変換装置。
5. 前記信号生成手段は、前記バッテリの電圧および前記キャパシタ電圧に応じ、前記キャパシタが充放電されるキャパシタ側駆動モード、前記バッテリが充放電されるバッテリ側駆動モード、前記キャパシタおよび前記バッテリが充放電される両側駆動モード、および、前記バッテリの電力により前記キャパシタを充電するキャパシタ充電モードを選択し、選択された駆動モードに応じて前記制御信号を生成することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 前記両側駆動モードは、
   前記第１インバータ部および前記第２インバータ部をともにＰＷＭ制御する両側ＰＷＭ制御モード、および、前記第１インバータ部および前記第２インバータ部の少なくとも一方を矩形波制御する矩形波制御併用モードから構成されることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記キャパシタに対して並列に接続され、前記モータジェネレータとは別のモータ（２１０）へ供給される電力を切り替える第３インバータ部（３００）を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電力変換装置（４）。

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