JP2015220883A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第１ダイオードが設けられているため、コイルに溜まったエネルギーを直流電源に回生する。
【解決手段】一端が直流電源のプラス側に、また他端が直流電源のマイナス側に接続されるコンデンサと、一端がコンデンサの一端に、他端がコイルの一端に接続される第１スイッチング素子と、一端がコイルの他端に、他端がコンデンサの他端に接続される第２スイッチング素子と、アノード端子が一端に、カソード端子が他端に接続されるダイオードを有し、該一端が直流電源のプラス側に、該他端がコンデンサの一端に接続される第３スイッチング素子と、アノード端子がコイルの他端に、カソード端子が第１スイッチング素子の一端に接続される第１ダイオードと、アノード端子がコンデンサの他端に、カソード端子がコイルの一端に接続される第２ダイオードと、スイッチング素子を制御する制御手段とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

下記特許文献１には、回路構成が簡単で、かつ、スイッチング周期の短いスイッチトリラクタンス型モータの駆動回路が開示されている。該駆動回路は、直流電源のプラス側にアノード端子が接続される第１ダイオードと、アノード端子が直流電源のマイナス側に、カソード端子がコイルの一端に接続される第２ダイオードと、アノード端子がコイルの他端に、カソード端子が第１ダイオードのカソード端子に接続される第３ダイオードと、一端が第１ダイオードのカソード端子に、他端がコイルの一端に接続される第１スイッチング素子と、一端がコイルの一端に、他端が直流電源のマイナス側に接続される第２スイッチング素子と、一端が第３ダイオードのカソード端子に、他端が直流電源のマイナス側に接続されるコンデンサとを具備する。

特開平９−２８５１８１号公報

ところで、上記従来技術では、第１ダイオードが設けられているため、コイルに溜まったエネルギーを直流電源に回生することができなかった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、コイルに溜まったエネルギーを直流電源に回生すること目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、直流電源から出力される電力を変換してスイッチトリラクタンスモータのコイルに供給する電力変換装置であって、一端が前記直流電源のプラス側に、また他端が前記直流電源のマイナス側に接続されるコンデンサと、一端が前記コンデンサの一端に、他端が前記コイルの一端に接続される第１スイッチング素子と、一端が前記コイルの他端に、他端が前記コンデンサの他端に接続される第２スイッチング素子と、アノード端子が一端に、カソード端子が他端に接続されるダイオードを有し、該一端が前記直流電源のプラス側に、該他端が前記コンデンサの一端に接続される第３スイッチング素子と、アノード端子が前記コイルの他端に、カソード端子が前記第１スイッチング素子の一端に接続される第１ダイオードと、アノード端子が前記コンデンサの他端に、カソード端子が前記コイルの一端に接続される第２ダイオードと、制御手段とを具備し、前記制御手段は、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子をオン状態にすることで、電力が前記コンデンサから前記コイルに向けて供給される第１動作モードと、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子をオン状態にすることで、電力が前記直流電源から前記コイルに向けて供給される第２動作モードと、前記第１スイッチング素子をオン状態にし、かつ前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子をオフ状態にする第３動作モードと、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子をオフ状態にすることで、電力が前記コイルから前記コンデンサに向けて供給され、前記コンデンサの電圧が前記直流電源よりも高い電圧まで昇圧される第４動作モードと、前記第３スイッチング素子をオン状態にし、かつ前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子をオフ状態にすることで、電力が前記コイルから前記直流電源に向けて供給される第５動作モードとを有する、という手段を採用する。

本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記直流電源のプラス側と前記第３スイッチング素子の一端との間に設けられるインダクタをさらに具備し、前記制御手段は、前記第３スイッチング素子をスイッチングして、前記第４動作モードと前記第５動作モードとを切り替えることで前記コンデンサの電圧を調整する、という手段を採用する。

本発明では、第３の解決手段として、上記第１の解決手段において、一端が前記コンデンサの一端に接続される第４スイッチング素子と、一端が前記第４スイッチイング素子の他端に、他端が前記コンデンサの他端に接続される抵抗器とをさらに具備し、前記制御手段は、前記第４動作モードにおいて、前記第４スイッチング素子をスイッチングすることで、前記コンデンサの電圧を調整する、という手段を採用する。

本発明では、第４の解決手段として、上記第１の解決手段において、アノード端子が一端に、カソード端子が他端に接続されるダイオードを有し、該一端が前記第３スイッチング素子の一端に接続される第４スイッチング素子と、一端が前記第４スイッチング素子の他端に、他端が第３スイッチング素子の他端に接続される第２コンデンサとをさらに具備し、前記制御手段は、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子をオン状態にし、かつ第４スイッチング素子をオフ状態にすることで、電力が前記コンデンサから前記コイルに向けて供給される第６動作モードをさらに具備し、前記第１動作モードにおいて、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子に加えて、第４スイッチング素子をオン状態にすることで、電力が前記コンデンサに加えて、前記第２コンデンサ及び前記直流電源から前記コイルに向けて供給され、前記第３動作モードにおいて、前記第１スイッチング素子をオン状態にし、かつ前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子に加えて、第４スイッチング素子をオフ状態にし、前記第４動作モードにおいて、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子をオフ状態にすることで、電力が前記コイルから前記コンデンサに加えて前記第２コンデンサ及び前記直流電源に向けて供給され、前記コンデンサの電圧が前記直流電源よりも高い電圧まで昇圧され、前記第５動作モードにおいて、前記第３スイッチング素子をオン状態にし、かつ前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子に加えて、前記第４スイッチング素子をオフ状態にすることで、電力が前記コイルから前記直流電源に向けて供給される、という手段を採用する。

本発明では、第５の解決手段として、上記第４の解決手段において、アノード端子が前記直流電源のプラス側に接続される第３ダイオードと、一端が前記第３ダイオードのカソード端子に、他端が前記コイルの一端に接続される第５スイッチング素子とをさらに具備し、前記制御手段は、第５スイッチング素子をオン状態にし、かつ第１スイッチング素子、第２スイッチング素子及び第３スイッチング素子をオフ状態にすることで、電力が前記コイルから前記コンデンサ及び前記第２コンデンサに向けて供給され、前記コンデンサの電圧が前記直流電源よりも高い電圧まで昇圧される第７動作モードをさらに有し、前記第４、第５動作モードにおいて、前記第５スイッチング素子をオフ状態とする、という手段を採用する。

本発明によれば、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子をオン状態にすることで、電力がコンデンサからコイルに向けて供給される第１動作モードと、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子をオン状態にすることで、電力が直流電源からコイルに向けて供給される第２動作モードと、第１スイッチング素子をオン状態にし、かつ第２スイッチング素子及び第３スイッチング素子をオフ状態にする第３動作モードと、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子及び第３スイッチング素子をオフ状態にすることで、電力がコイルからコンデンサに向けて供給され、コンデンサの電圧が直流電源よりも高い電圧まで昇圧される第４動作モードと、第３スイッチング素子をオン状態にし、かつ第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子をオフ状態にすることで、電力がコイルから直流電源に向けて供給される第５動作モードとを有し、これによってコイルに溜まったエネルギーを直流電源に回生することが可能である。

本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の回路図である。 本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の第１〜第５動作モードを示す図（１）〜（５）である。 本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の駆動電流（ａ）、印加電圧（ｂ）及びスイッチング（ｃ）を示すタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の駆動電流（ａ）、印加電圧（ｂ）及びスイッチング（ｃ）を示すタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の駆動電流（ａ）、印加電圧（ｂ）及びスイッチング（ｃ）を示すタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の駆動電流（ａ）、印加電圧（ｂ）及びスイッチング（ｃ）を示すタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の第１変形例を示す回路図である。 本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の第２変形例を示す回路図である。 本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の第２変形例の駆動電流（ａ）、印加電圧（ｂ）及びスイッチング（ｃ）を示すタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の第３変形例を示す回路図である。 本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の第３変形例の駆動電流（ａ）、印加電圧（ｂ）及びスイッチング（ｃ）を示すタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の回路図である。 本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の第１〜第６動作モードを示す図（１）〜（６）である。 本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の駆動電流（ａ）、印加電圧（ｂ）及びスイッチング（ｃ）を示すタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の駆動電流（ａ）、印加電圧（ｂ）及びスイッチング（ｃ）を示すタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の駆動電流（ａ）、印加電圧（ｂ）及びスイッチング（ｃ）を示すタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の駆動電流（ａ）、印加電圧（ｂ）及びスイッチング（ｃ）を示すタイミングチャートである。 本発明の第３実施形態に係る電力変換装置の回路図である。 本発明の第３実施形態に係る電力変換装置の第１〜第７動作モードを示す図（１）〜（７）である。 本発明の第３実施形態に係る電力変換装置の駆動電流（ａ）、印加電圧（ｂ）及びスイッチング（ｃ）を示すタイミングチャートである。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第1実施形態〕
初めに第１実施形態について説明する。本第１実施形態に係る電力変換装置は、図１に示すように、直流電源Ｅによって出力される電力を変換してスイッチトリラクタンスモータ（図示略）の３相のコイルＬに供給するものである。このような電力変換装置は、図１に示すように、１対の第１端子Ｔ１、Ｔ２、１対の第２端子Ｔ１１、Ｔ１２、コンデンサＣ、第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３、第１ダイオードＤ１、第２ダイオードＤ２、電圧センサＶＳ、電流センサＡＳ及びスイッチ制御部Ｍから構成されている。なお、３相のコイルＬ各々には、１２０度ずつ位相の異なる駆動電流が供給される。例えば、１２０度ずつ位相の異なる各駆動電流の方形部分（立ち上がりから立ち下がりまでの間）は、時間を空けて重ならないように制御されている。また、電圧センサＶＳ、電流センサＡＳ及びスイッチ制御部Ｍは、本実施形態における制御手段を構成するものである。

１対の第１端子Ｔ１、Ｔ２は、直流電源Ｅの両端（プラス端子及びマイナス端子）に接続されている。一方、１対の第２端子Ｔ１１、Ｔ１２は、スイッチトリラクタンスモータ（図示略）のコイルＬの両端に接続されている。
コンデンサＣは、一端が第３スイッチング素子ＳＷ３を介して直流電源Ｅのプラス側に、また他端が直流電源Ｅのマイナス側に接続される。

第１スイッチング素子ＳＷ１は、一端がコンデンサＣの一端に、他端がコイルＬの一端に接続される。
第２スイッチング素子ＳＷ２は、一端がコイルＬの他端に、他端がコンデンサＣの他端に接続される。

第３スイッチング素子ＳＷ３は、一端が直流電源Ｅのプラス側に、他端がコンデンサＣの一端に接続される。また、第３スイッチング素子ＳＷ３には、アノード端子が一端に、カソード端子が他端に接続されるダイオードＳＤ３が並列に接続されている。なお、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２にも、スイッチダイオードが並列接続されている。

このような第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３は、例えば、ＦＥＴトランジスタ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）であり、ゲート端子がスイッチ制御部Ｍに接続され、スイッチ制御部Ｍから電圧値がハイレベルである制御信号がゲート端子に入力されるとオン状態となり、電圧値がローレベルである制御信号がゲート端子に入力されると、オフ状態となる。また、第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３は、ＦＥＴトランジスタ以外にも、例えばバイポーラトランジスタやＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であってもよい。

第１ダイオードＤ１は、アノード端子がコイルＬの他端に、カソード端子が第１スイッチング素子ＳＷ１の一端に接続される。
第２ダイオードＤ２は、アノード端子がコンデンサＣの他端に、カソード端子がコイルＬの一端に接続される。

電圧センサＶＳは、コンデンサＣの電圧を検出し、検出した電圧値を示す電圧検出信号をスイッチ制御部Ｍに出力する。
電流センサＡＳは、コイルＬの電流を検出し、検出した電流値を示す電流検出信号をスイッチ制御部Ｍに出力する。

スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３のスイッチング制御を行うマイクロコントローラであり、具体的には各スイッチング素子のゲート端子それぞれに、立ち上がり及び立ち下りのタイミング及びデューティ比の異なる制御信号を出力する。

次に、このように構成された本電力変換装置の動作について説明する。
本電力変換装置は、スイッチトリラクタンスモータ（図示略）のコイルＬに方形波状の駆動電流を供給するために、第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３のスイッチング等を実行する。つまり、本電力変換装置は、以下に説明する第１〜第５動作モードを実行する。

第１動作モードは、コンデンサＣからコイルＬに駆動電力を供給し、駆動電流の立ち上がりを急峻にする動作モードである。つまり、第１動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍが第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２をオン状態にすることで、直流電源Ｅよりも電圧の高いコンデンサＣからコイルＬに駆動電力が供給される（図２（１）及び図３（ａ），（ｃ）参照）。この際、第３スイッチング素子ＳＷ３については、オン状態でもよいし、オフ状態でもよい。なお、図２における点線矢印は、電力の流れを示す。

例えば、直流電源Ｅの電圧をＥＶ、コンデンサＣの電圧をＣＶとした場合、コイルＬに印加される電圧は、ＥＶよりも高いＣＶである（図３（ｂ）参照）。この結果、コイルＬに供給される駆動電流は、急激に上昇する。そして、コンデンサＣの電圧ＣＶが直流電源Ｅの電圧ＥＶよりも低下すると、第１動作モードが終了し、第２動作モードに移行する。

第２動作モードは、第１動作モードの終了後、直流電源ＥのみからコイルＬに駆動電力を供給する動作モードである。つまり、第２動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍが第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２をオン状態にすることで、直流電源ＥからコイルＬに向けて駆動電力が供給される（図２（２）及び図３（ａ），（ｃ）参照）。この際、第３スイッチング素子ＳＷ３については、オン状態でもよいし、オフ状態でもよい。

第２動作において、コイルＬには、直流電源Ｅの電圧ＥＶが印加される（図３（ｂ）参照）。そして、スイッチ制御部Ｍは、電流センサＡＳによる検出結果に基づいて第２動作モードから第３動作モードに切り替える。つまり、スイッチ制御部Ｍは、コイルＬの電流が目標電流値Ｒｅｆを超えた場合、第１スイッチング素子ＳＷ１をオン状態にし、かつ第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３をオフ状態にすることで、第２動作モードを終了して、第３動作モードに移行する。

第３動作モードは、コイルＬから発生する電力を還流する動作モードである。つまり、第３動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子ＳＷ１をオン状態にし、かつ第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３をオフ状態にすることで、コイルＬから発生する電力が還流される（図２（３）及び図３（ａ），（ｃ）参照）。

第３動作において、コイルＬには、電圧が印加されない（図３（ｂ）参照）。その後、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３を制御して、第２動作モードと第３動作モードとの切り替えを繰り返す。この結果、駆動電流は、目標電流値Ｒｅｆ近傍で上下する（図３（ａ）参照）。つまり、駆動電流は、目標電流値Ｒｅｆ近傍で安定するように制御される。

そして、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３をオフ状態にすることで、第４動作モードに移行する。

第４動作モードは、コイルＬからコンデンサＣに向けて電力を供給し、駆動電流の立ち下がりを急峻にする動作モードである。つまり、第４動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍが第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３をオフ状態にすることで、コイルＬからコンデンサＣに向けて電力が供給される（図２（４）及び図３（ｃ）参照）。この結果、コンデンサＣの電圧ＣＶは、直流電源Ｅよりも高い電圧まで昇圧される。また、コイルＬに供給される駆動電流は、急激に下降する。

一方、本実施形態において、スイッチ制御部Ｍは、第３スイッチング素子ＳＷ３をオン状態にし、かつ第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２をオフ状態にすることで、第４動作モードに代えて、第５動作モードに移行するようにしてもよい。

第５動作モードは、コイルＬから直流電源Ｅに向けて電力を供給する動作モードである。つまり、第５動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍが第３スイッチング素子ＳＷ３をオン状態にし、かつ第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２をオフ状態にすることで、コイルＬから直流電源Ｅに向けて電力が供給される（図２（５）及び図４（ａ），（ｃ）参照）。この結果、コイルＬに供給される駆動電流は、上記第４動作モードほど急激でないが、下降する。

本電力変換装置は、上記第１〜第４動作モードを繰り返すことによって、継続的に方形波状の駆動電流を生成して、スイッチトリラクタンスモータ（図示略）のコイルＬに供給してもよい（図３参照）。また、第４動作モードに代えて、第５動作モードを実行してもよい。なお、第５動作モードを実行した場合には、コンデンサＣに電荷が蓄えられないので、この後、第１動作モードではなく、第２動作モードを実行することになる（図４参照）。

また、スイッチ制御部Ｍは、駆動電流の立ち下がりを急峻にすると共に、直流電源Ｅへの充電を行う場合には、図５に示すように、第５動作モードに移行後、特定の時間経過後に、第５動作モードから第４動作モードに移行するようにしてもよい。
また、スイッチ制御部Ｍは、コンデンサＣの電圧ＣＶを調整する場合には、図６に示すように、第４動作モードに移行後、電圧センサＶＳによる検出結果がしきい値を超えた場合に、第４動作モードから第３動作モードに移行するようにしてもよい。

続いて、上記第１実施形態の変形例について説明する。
第１実施形態の第１変形例は、図７に示すように、スイッチトリラクタンスモータの３相分のコイルＬに共通して１つの第１スイッチング素子ＳＷ１及び１つの第２ダイオードＤ２を設ける点において、上述した第１実施形態と相違する。

このように構成された第１実施形態の第１変形例は、スイッチトリラクタンスモータの３相のコイルＬ各々に供給する方形波状の駆動電流を生成するために、第１〜第５動作モードを実行して、コイルＬ各々に１２０度ずつ位相の異なる方形波状の駆動電流を供給する。

また、第１実施形態の第２変形例は、図８に示すように、インダクタＤＴを備える点において、上述した第１実施形態と相違する。これ以外の構成要素については第１実施形態と同様である。よって、第１実施形態の変形例において上述した第１実施形態と同様の構成要素については説明を省略する。

インダクタＤＴは、直流電源Ｅのプラス側と第３スイッチング素子ＳＷ３との間に設けられる。
このように構成された第１実施形態の第２変形例は、スイッチトリラクタンスモータの３相のコイルＬ各々に供給する方形波状の駆動電流を生成するために、第１〜第５動作モードを実行して、３相のコイルＬ各々に１２０度ずつ位相の異なる方形波状の駆動電流を供給する。その際、第１実施形態の第２変形例において、スイッチ制御部Ｍは、第３スイッチング素子ＳＷ３をスイッチングして、第４動作モードと第５動作モードとを切り替えることで、コンデンサＣに溜まる電荷を直流電源Ｅに供給して、コンデンサＣの電圧を目標値となるように調整するようにしてもよい（図９参照）。

また、第１実施形態の第３変形例は、図１０に示すように、第４スイッチング素子ＳＷ４及び抵抗器Ｒを備える点において、上述した第１実施形態と相違する。これ以外の構成要素については第１実施形態と同様である。よって、第１実施形態の変形例において上述した第１実施形態と同様の構成要素については説明を省略する。

第４スイッチング素子ＳＷ４は、一端がコンデンサＣの一端に接続される。なお、第４スイッチング素子ＳＷ４は、上記第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３と同様に、ＦＥＴトランジスタ、あるいはバイポーラトランジスタやＩＧＢＴである。
抵抗器Ｒは、一端が第４スイッチング素子ＳＷ４の他端に、他端がコンデンサＣの他端に接続される。

このように構成された第１実施形態の第３変形例は、スイッチトリラクタンスモータの３相のコイルＬ各々に供給する方形波状の駆動電流を生成するために、第１〜第５動作モードを実行して、コイルＬ各々に１２０度ずつ位相の異なる方形波状の駆動電流を供給する。その際、第１実施形態の第３変形例において、スイッチ制御部Ｍは、第４動作モードにおいて、第４スイッチング素子ＳＷ４をスイッチングすることで、コンデンサＣに溜まる電荷を抵抗器Ｒに供給して、コンデンサＣの電圧を目標値となるように調整するようにしてもよい（図１１参照）。

このような本実施形態によれば、第５動作モードにおいて、コイルＬから直流電源Ｅに向けて電力が供給されるので、コイルＬに溜まったエネルギーを直流電源Ｅに回生することができる。また、本実施形態によれば、第１動作モードにおいて、コンデンサＣからコイルＬに向けて駆動電力が供給されるので、方形波状の駆動電流の立ち上がりを急峻にすることができる。また、本実施形態によれば、第４動作モードにおいて、コイルＬからコンデンサＣに向けて電力が供給され、コンデンサＣの電圧が直流電源Ｅよりも高い電圧まで昇圧されるので、方形波状の駆動電流の立ち下がりを急峻にすることができる。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態に係る電力変換装置について説明する。
本第２実施形態に係る電力変換装置は、図１２に示すように、第４スイッチング素子ＳＷ４及び第２コンデンサＣ２を備える点において、上記第１実施形態と相違する。これ以外の構成要素については第１実施形態と同様である。よって、第２実施形態において第１実施形態と同様の構成要素については説明を省略する。

第４スイッチング素子ＳＷ４は、一端が第３スイッチング素子ＳＷ３の一端に接続される。また、第４スイッチング素子ＳＷ４には、アノード端子が一端に、カソード端子が他端に接続されるダイオードＳＤ４が並列に接続されている。なお、第４スイッチング素子ＳＷ４は、上記第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３と同様に、ＦＥＴトランジスタ、あるいはバイポーラトランジスタやＩＧＢＴである。
第２コンデンサＣ２は、一端が第４スイッチング素子ＳＷ４の他端に、他端が第３スイッチング素子ＳＷ３の他端に接続される。

次に、このように構成された本第２実施形態の動作について説明する。

第１動作モードは、コンデンサＣに加えて、第２コンデンサＣ２及び直流電源ＥからコイルＬに向けて駆動電力を供給し、駆動電流の立ち上がりを急峻にする動作モードである。つまり、第１動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍが第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２に加えて、第４スイッチング素子ＳＷ４をオン状態にすることで、コンデンサＣ、第２コンデンサＣ２及び直流電源ＥからコイルＬに駆動電力が供給される（図１３（１）及び図１４（ｃ）参照）。この際、第３スイッチング素子ＳＷ３については、オン状態でもよいし、オフ状態でもよい。

例えば、直流電源Ｅの電圧をＥＶ、コンデンサＣの電圧をＣＶとした場合、コイルＬに印加される電圧は、ＥＶよりも高いＣＶである（図１４（ｂ）参照）。この結果、コイルＬに供給される駆動電流は、急激に上昇する。そして、コンデンサＣの電圧ＣＶが直流電源Ｅの電圧ＥＶよりも低下すると、第１動作モードが終了し、第２動作モードに移行する。

第２動作モードは、第１動作モードの終了後、直流電源ＥのみからコイルＬに駆動電力を供給する動作モードである。つまり、第２動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍが第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２をオン状態にすることで、直流電源ＥからコイルＬに向けて駆動電力が供給される（図１３（２）及び図１４（ｃ）参照）。この際、第３スイッチング素子ＳＷ３及び第４スイッチング素子ＳＷ４については、オン状態でもよいし、オフ状態でもよい。

第２動作において、コイルＬには、直流電源Ｅの電圧ＥＶが印加される（図１４（ｂ）参照）。そして、スイッチ制御部Ｍは、電流センサＡＳによる検出結果に基づいて第２動作モードから第３動作モードに切り替える。つまり、スイッチ制御部Ｍは、コイルＬの電流が目標電流値Ｒｅｆを超えた場合、第１スイッチング素子ＳＷ１をオン状態にし、かつ第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３及び第４スイッチング素子ＳＷ４をオフ状態にすることで、第２動作モードを終了して、第３動作モードに移行する。

第３動作モードは、コイルＬから発生する電力を還流する動作モードである。つまり、第３動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子ＳＷ１をオン状態にし、かつ第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３に加えて、第４スイッチング素子ＳＷ４をオフ状態にすることで、コイルＬから発生する電力が還流される（図１３（３）及び図１４（ｃ）参照）。

第３動作において、コイルＬには、電圧が印加されない（図１４（ｂ）参照）。その後、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３及び第４スイッチング素子ＳＷ４を制御して、第２動作モードと第３動作モードとの切り替えを繰り返す。この結果、駆動電流は、目標電流値Ｒｅｆ近傍で上下する（図１４（ａ）参照）。つまり、駆動電流は、目標電流値Ｒｅｆ近傍で安定するように制御される。

そして、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３をオフ状態にすることで、第４動作モードに移行する。この際、第４スイッチング素子ＳＷ４については、オン状態でもよいし、オフ状態でもよい。

第４動作モードは、コイルＬからコンデンサＣに加えて第２コンデンサＣ２及び直流電源Ｅに向けて電力を供給し、駆動電流の立ち下がりを急峻にする動作モードである。つまり、第４動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍが第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３をオフ状態にすることで、コイルＬからコンデンサＣに加えて第２コンデンサＣ２及び直流電源Ｅに向けて電力が供給される（図１３（４）及び図１４（ｃ）参照）。この結果、コンデンサＣの電圧ＣＶは、直流電源Ｅの電圧ＥＶと第２コンデンサＣ２の電圧との合計と同じとなる、つまり、直流電源Ｅよりも高い電圧まで昇圧される。また、コイルＬに供給される駆動電流は、急激に下降する。

一方、本実施形態において、スイッチ制御部Ｍは、第３スイッチング素子ＳＷ３をオン状態にし、かつ第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２に加えて、第４スイッチング素子ＳＷ４をオフ状態にすることで、第４動作モードに代えて、第５動作モードに移行するようにしてもよい。

第５動作モードは、コイルＬから直流電源Ｅに向けて電力を供給する動作モードである。つまり、第５動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍが第３スイッチング素子ＳＷ３をオン状態にし、かつ第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２に加えて、第４スイッチング素子ＳＷ４をオフ状態にすることで、コイルＬから直流電源Ｅに向けて電力が供給される（図１３（５）及び図１５（ｃ）参照）。この結果、コイルＬに供給される駆動電流は、上記第４動作モードほど急激でないが、下降する。

本電力変換装置は、上記第１〜第４動作モードを繰り返すことによって、継続的に方形波状の駆動電流を生成して、スイッチトリラクタンスモータ（図示略）のコイルＬに供給してもよい（図１３参照）。また、第４動作モードに代えて、第５動作モードを実行してもよい。なお、第５動作モードを実行した場合には、コンデンサＣに電荷が蓄えられないので、この後、第１動作モードではなく、第２動作モードを実行することになる（図１４参照）。

また、スイッチ制御部Ｍは、駆動電流の立ち下がりを急峻にすると共に、直流電源Ｅへの充電を行う場合には、図１５に示すように、第５動作モードに移行後、特定の時間経過後に、第５動作モードから第４動作モードに移行するようにしてもよい。
また、スイッチ制御部Ｍは、コンデンサＣの電圧ＣＶを調整する場合には、図１６に示すように、第４動作モードに移行後、電圧センサＶＳによる検出結果がしきい値を超えた場合に、第４動作モードから第３動作モードに移行するようにしてもよい。

また、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２をオン状態にし、かつ第４スイッチング素子ＳＷ４をオフ状態にすることで、電力がコンデンサＣからコイルＬに向けて供給される第６動作モード（図１３（６）参照）を実行するようにしてもよい。この際、第３スイッチング素子ＳＷ３については、オン状態でもよいし、オフ状態でもよい。また、ここで、コンデンサＣの電圧ＣＶは、直流電源Ｅの電圧ＥＶよりも高い。第６動作モードは、第４動作モードから遷移される動作モードである。つまり、第４動作モードの後に、第１動作モードに代わって、第６動作モードを実行するようにしてもよい。

このような本実施形態によれば、第５動作モードにおいて、コイルＬから直流電源Ｅに向けて電力が供給されるので、コイルＬに溜まったエネルギーを直流電源Ｅに回生することができる。また、本実施形態によれば、第１，第６動作モードにおいて、コンデンサＣからコイルＬに向けて駆動電力が供給されるので、方形波状の駆動電流の立ち上がりを急峻にすることができる。また、本実施形態によれば、第４動作モードにおいて、コイルＬからコンデンサＣに向けて電力が供給され、コンデンサＣの電圧が直流電源Ｅよりも高い電圧まで昇圧されるので、方形波状の駆動電流の立ち下がりを急峻にすることができる。

〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態に係る電力変換装置について説明する。
本第３実施形態に係る電力変換装置は、図１８に示すように、第３ダイオードＤ３及び第５スイッチング素子ＳＷ５を備える点において、上記第２実施形態と相違する。これ以外の構成要素については第２実施形態と同様である。よって、第３実施形態において第２実施形態と同様の構成要素については説明を省略する。

第３ダイオードＤ３は、アノード端子が直流電源Ｅのプラス側に接続される。
第５スイッチング素子ＳＷ５は、一端が第３ダイオードＤ３のカソード端子に、他端がコイルＬの一端に接続される。

次に、このように構成された本第３実施形態の動作について説明する。

第１動作モードは、コンデンサＣ、第２コンデンサＣ２及び直流電源ＥからコイルＬに向けて駆動電力を供給し、駆動電流の立ち上がりを急峻にする動作モードである。つまり、第１動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍが第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第４スイッチング素子ＳＷ４をオン状態にすることで、コンデンサＣ、第２コンデンサＣ２及び直流電源ＥからコイルＬに駆動電力が供給される（図１９（１）及び図２０（ｃ）参照）。この際、第３スイッチング素子ＳＷ３及び第５スイッチング素子ＳＷ５については、オン状態でもよいし、オフ状態でもよい。

例えば、直流電源Ｅの電圧をＥＶ、コンデンサＣの電圧をＣＶとした場合、コイルＬに印加される電圧は、ＥＶよりも高いＣＶである（図２０（ｂ）参照）。この結果、コイルＬに供給される駆動電流は、急激に上昇する。そして、コンデンサＣの電圧ＣＶが直流電源Ｅの電圧ＥＶよりも低下すると、第１動作モードが終了し、第２動作モードに移行する。

第２動作モードは、第１動作モードの終了後、直流電源ＥのみからコイルＬに駆動電力を供給する動作モードである。つまり、第２動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍが第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２をオン状態にすることで、直流電源ＥからコイルＬに向けて駆動電力が供給される（図１９（２）及び図２０（ｃ）参照）。この際、第３スイッチング素子ＳＷ３、第４スイッチング素子ＳＷ４及び第５スイッチング素子ＳＷ５については、オン状態でもよいし、オフ状態でもよい。

第２動作において、コイルＬには、直流電源Ｅの電圧ＥＶが印加される（図２０（ｂ）参照）。そして、スイッチ制御部Ｍは、電流センサＡＳによる検出結果に基づいて第２動作モードから第３動作モードに切り替える。つまり、スイッチ制御部Ｍは、コイルＬの電流が目標電流値Ｒｅｆを超えた場合、第１スイッチング素子ＳＷ１をオン状態にし、かつ第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３及び第４スイッチング素子ＳＷ４をオフ状態にすることで、第２動作モードを終了して、第３動作モードに移行する。

第３動作モードは、コイルＬから発生する電力を還流する動作モードである。つまり、第３動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子ＳＷ１をオン状態にし、かつ第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３に加えて、第４スイッチング素子ＳＷ４をオフ状態にすることで、コイルＬから発生する電力が還流される（図１９（３）及び図２０（ｃ）参照）。この際、第５スイッチング素子ＳＷ５については、オン状態でもよいし、オフ状態でもよい。

第３動作において、コイルＬには、電圧が印加されない（図２０（ｂ）参照）。その後、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３及び第４スイッチング素子ＳＷ４を制御して、第２動作モードと第３動作モードとの切り替えを繰り返す。この結果、駆動電流は、目標電流値Ｒｅｆ近傍で上下する（図２０（ａ）参照）。つまり、駆動電流は、目標電流値Ｒｅｆ近傍で安定するように制御される。

そして、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３に加えて、第５スイッチング素子ＳＷ５をオフ状態にすることで、第４動作モードに移行する。この際、第４スイッチング素子ＳＷ４については、オン状態でもよいし、オフ状態でもよい。

第４動作モードは、コイルＬからコンデンサＣ、第２コンデンサＣ２及び直流電源Ｅに向けて電力を供給し、駆動電流の立ち下がりを急峻にする動作モードである。つまり、第４動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍが第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３に加えて、第５スイッチング素子ＳＷ５をオフ状態にすることで、コイルＬからコンデンサＣ、第２コンデンサＣ２及び直流電源Ｅに向けて電力が供給される（図１９（４）及び図２０（ｃ）参照）。この結果、コンデンサＣの電圧ＣＶは、直流電源Ｅの電圧ＥＶと第２コンデンサＣ２の電圧との合計と同じとなる、つまり、直流電源Ｅよりも高い電圧まで昇圧される。また、コイルＬに供給される駆動電流は、急激に下降する。

一方、本実施形態において、スイッチ制御部Ｍは、第３スイッチング素子ＳＷ３をオン状態にし、かつ第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第４スイッチング素子ＳＷ４に加えて、第５スイッチング素子ＳＷ５をオフ状態にすることで、第４動作モードに代えて、第５動作モードに移行するようにしてもよい。

第５動作モードは、コイルＬから直流電源Ｅに向けて電力を供給する動作モードである。つまり、第５動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍが第３スイッチング素子ＳＷ３をオン状態にし、かつ第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第４スイッチング素子ＳＷ４に加えて、第５スイッチング素子ＳＷ５をオフ状態にすることで、コイルＬから直流電源Ｅに向けて電力が供給される（図１９（５）参照）。この結果、コイルＬに供給される駆動電流は、上記第４動作モードほど急激でないが、下降する。

本電力変換装置は、上記第１〜第４動作モードを繰り返すことによって、継続的に方形波状の駆動電流を生成して、スイッチトリラクタンスモータ（図示略）のコイルＬに供給してもよい（図２０参照）。また、第４動作モードに代えて、第５動作モードを実行してもよい。なお、第５動作モードを実行した場合には、コンデンサＣに電荷が蓄えられないので、この後、第１動作モードではなく、第２動作モードを実行することになる。

また、スイッチ制御部Ｍは、駆動電流の立ち下がりを急峻にすると共に、直流電源Ｅへの充電を行う場合には、第５動作モードに移行後、特定の時間経過後に、第５動作モードから第４動作モードに移行するようにしてもよい。
また、スイッチ制御部Ｍは、コンデンサＣの電圧ＣＶを調整する場合には、第４動作モードに移行後、電圧センサＶＳによる検出結果がしきい値を超えた場合に、第４動作モードから第３動作モードに移行するようにしてもよい。

また、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２をオン状態にし、かつ第４スイッチング素子ＳＷ４をオフ状態にすることで、電力がコンデンサＣからコイルＬに向けて供給される第６動作モード（図１９（６）参照）を実行するようにしてもよい。この際、第３スイッチング素子ＳＷ３及び第５スイッチング素子ＳＷ５については、オン状態でもよいし、オフ状態でもよい。また、ここで、コンデンサＣの電圧ＣＶは、直流電源Ｅの電圧ＥＶよりも高い。第６動作モードは、第４動作モードから遷移される動作モードである。つまり、第４動作モードの後に、第１動作モードに代わって、第６動作モードを実行するようにしてもよい。

また、スイッチ制御部Ｍは、第５スイッチング素子をオン状態にし、かつ第１スイッチング素子、第２スイッチング素子及び第３スイッチング素子をオフ状態にすることで、電力がコイルＬからコンデンサＣ及び第２コンデンサＣ２に向けて供給され、コンデンサＣの電圧が直流電源Ｅよりも高い電圧まで昇圧される第７動作モード（図１９（７）参照）を実行するようにしてもよい。この際、第４スイッチング素子ＳＷ４については、オン状態でもよいし、オフ状態でもよい。このような第７動作モードを、第４動作モードに代わって、実行するようにしてもよい。

このような本実施形態によれば、第５動作モードにおいて、コイルＬから直流電源Ｅに向けて電力が供給されるので、コイルＬに溜まったエネルギーを直流電源Ｅに回生することができる。また、本実施形態によれば、第１，第６動作モードにおいて、コンデンサＣからコイルＬに向けて駆動電力が供給されるので、方形波状の駆動電流の立ち上がりを急峻にすることができる。また、本実施形態によれば、第４、第７動作モードにおいて、コイルＬからコンデンサＣに向けて電力が供給され、コンデンサＣの電圧が直流電源Ｅよりも高い電圧まで昇圧されるので、方形波状の駆動電流の立ち下がりを急峻にすることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
上記第１〜第３実施形態は、直流電源Ｅからの電力を変換して３相のスイッチトリラクタンスモータに供給するための電力変換装置に本発明を適用したものであるが、直流電源Ｅからの電力を変換して３相以外の複数相のスイッチトリラクタンスモータに電力を供給するための電力変換装置に本発明を適用するようにしてもよい。

Ｃ…コンデンサ、Ｄ１…第１ダイオード、Ｄ２…第２ダイオード、Ｄ３…第３ダイオード、Ｅ…直流電源、Ｌ…コイル、Ｍ…スイッチ制御部、ＳＷ１…第１スイッチング素子、ＳＷ２…第２スイッチング素子、ＳＷ３…第３スイッチング素子、ＳＷ４…第４スイッチング素子、ＳＷ５…第５スイッチング素子、ＳＤ３…ダイオード、ＳＤ４…ダイオード、Ｔ１、Ｔ２…第１端子、Ｔ１１、Ｔ１２…第２端子、ＤＴ…インダクタ

Claims (5)

1. 直流電源から出力される電力を変換してスイッチトリラクタンスモータのコイルに供給する電力変換装置であって、
   一端が前記直流電源のプラス側に、また他端が前記直流電源のマイナス側に接続されるコンデンサと、
   一端が前記コンデンサの一端に、他端が前記コイルの一端に接続される第１スイッチング素子と、
   一端が前記コイルの他端に、他端が前記コンデンサの他端に接続される第２スイッチング素子と、
   アノード端子が一端に、カソード端子が他端に接続されるダイオードを有し、該一端が前記直流電源のプラス側に、該他端が前記コンデンサの一端に接続される第３スイッチング素子と、
   アノード端子が前記コイルの他端に、カソード端子が前記第１スイッチング素子の一端に接続される第１ダイオードと、
   アノード端子が前記コンデンサの他端に、カソード端子が前記コイルの一端に接続される第２ダイオードと、
   制御手段とを具備し、
   前記制御手段は、
   前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子をオン状態にすることで、電力が前記コンデンサから前記コイルに向けて供給される第１動作モードと、
   前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子をオン状態にすることで、電力が前記直流電源から前記コイルに向けて供給される第２動作モードと、
   前記第１スイッチング素子をオン状態にし、かつ前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子をオフ状態にする第３動作モードと、
   前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子をオフ状態にすることで、電力が前記コイルから前記コンデンサに向けて供給され、前記コンデンサの電圧が前記直流電源よりも高い電圧まで昇圧される第４動作モードと、
   前記第３スイッチング素子をオン状態にし、かつ前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子をオフ状態にすることで、電力が前記コイルから前記直流電源に向けて供給される第５動作モードとを有することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記直流電源のプラス側と前記第３スイッチング素子の一端との間に設けられるインダクタをさらに具備し、
   前記制御手段は、
   前記第３スイッチング素子をスイッチングして、前記第４動作モードと前記第５動作モードとを切り替えることで前記コンデンサの電圧を調整することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 一端が前記コンデンサの一端に接続される第４スイッチング素子と、
   一端が前記第４スイッチング素子の他端に、他端が前記コンデンサの他端に接続される抵抗器とをさらに具備し、
   前記制御手段は、
   前記第４動作モードにおいて、前記第４スイッチング素子をスイッチングすることで、前記コンデンサの電圧を調整することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. アノード端子が一端に、カソード端子が他端に接続されるダイオードを有し、該一端が前記第３スイッチング素子の一端に接続される第４スイッチング素子と、
   一端が前記第４スイッチング素子の他端に、他端が第３スイッチング素子の他端に接続される第２コンデンサとをさらに具備し、
   前記制御手段は、
   前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子をオン状態にし、かつ第４スイッチング素子をオフ状態にすることで、電力が前記コンデンサから前記コイルに向けて供給される第６動作モードをさらに具備し、
   前記第１動作モードにおいて、
   前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子に加えて、第４スイッチング素子をオン状態にすることで、電力が前記コンデンサに加えて、前記第２コンデンサ及び前記直流電源から前記コイルに向けて供給され、
   前記第３動作モードにおいて、
   前記第１スイッチング素子をオン状態にし、かつ前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子に加えて、第４スイッチング素子をオフ状態にし、
   前記第４動作モードにおいて、
   前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子及び前記第３スイッチング素子をオフ状態にすることで、電力が前記コイルから前記コンデンサに加えて前記第２コンデンサ及び前記直流電源に向けて供給され、前記コンデンサの電圧が前記直流電源よりも高い電圧まで昇圧され、
   前記第５動作モードにおいて、
   前記第３スイッチング素子をオン状態にし、かつ前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子に加えて、前記第４スイッチング素子をオフ状態にすることで、電力が前記コイルから前記直流電源に向けて供給されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
5. アノード端子が前記直流電源のプラス側に接続される第３ダイオードと、
   一端が前記第３ダイオードのカソード端子に、他端が前記コイルの一端に接続される第５スイッチング素子とをさらに具備し、
   前記制御手段は、
   第５スイッチング素子をオン状態にし、かつ第１スイッチング素子、第２スイッチング素子及び第３スイッチング素子をオフ状態にすることで、電力が前記コイルから前記コンデンサ及び前記第２コンデンサに向けて供給され、前記コンデンサの電圧が前記直流電源よりも高い電圧まで昇圧される第７動作モードをさらに有し、
   前記第４、第５動作モードにおいて、前記第５スイッチング素子をオフ状態とすることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。

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