JP2016012959A

JP2016012959A - 交流負荷駆動装置

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Publication number: JP2016012959A
Application number: JP2014132546A
Authority: JP
Inventors: 浅野　勝宏; Katsuhiro Asano; 勝宏浅野
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2014-06-27
Publication date: 2016-01-21
Also published as: WO2015198789A1

Abstract

【課題】スイッチに負担を掛けることなく、装置の大型化及びコストを抑制した交流負荷駆動装置を提供する。【解決手段】複数の直流電源１０４ａ〜１０４ｎからの直流電力を交流電力に変換して交流負荷に出力するインバータ１０と、複数の直流電源１０４ａ〜１０４ｎとインバータ１０と接続関係を切り替えるスイッチを有するマルチレベル直流出力手段２０と、スイッチを切り替える前に、インバータ１０を環流モードに移行させ、環流モードの間にスイッチを切り替え、スイッチが切り替えられた後にインバータ１０の環流モードを終了させるインバータ制御手段３０と、を備える構成とする。【選択図】図１

Description

本発明は、交流負荷を駆動するためのインバータを備えた交流負荷駆動装置に関する。

電池などの直流電源（電池）からの直流電力をインバータにより３相交流電流に変換して交流モータに供給し、交流モータを駆動する交流負荷駆動システムが広く利用されている。このような交流負荷駆動システムは、交流モータの出力を逐次変更すると共に交流モータの回生制動を行う場合に適しており、電気自動車やハイブリッド自動車等の駆動システムとして広く採用されている。

このようなシステムにおいて、高電圧の直流から低電圧の交流を出力する場合、インバータのスイッチング損失の割合が増加し、不要な高調波成分の割合も増加するため、効率の低下、ノイズや騒音の増加を招くおそれがある。そこで、直流電源とインバータとの間に昇降圧コンバータを設け、交流負荷の運転状態に適応して直流電源を昇圧してインバータに供給することにより、効率の向上及びノイズや騒音の低減を図る構成が用いられている。

しかしながら、昇降圧コンバータが高コストであり、システムが大型化してしまう問題がある。また、昇降圧コンバータにおけるスイッチング損失及びオン抵抗損失による効率低下が生じる。

そこで、複数の直流電源を設け、これらの複数の直流電源をスイッチにより直列接続又は並列接続して段階的に直流電圧を切り替え、このマルチレベルの直流電源をインバータに接続して交流負荷を駆動する方式が提案されている（特許文献１〜３参照）。

特開２００１−１１９８１３号公報特開２００５−２８７２２２号公報特開２００７−９８９８１号公報

ところで、複数の直流電源からの直流電圧をインバータに入力して交流負荷を駆動中に複数の直流電源の接続関係を切り替えると、電流が流れている状態でスイッチが開にされたり、電圧が印加されている状態でスイッチが閉にされたりすることになる。

スイッチとして機械的接点を持つリレーを用いた場合、開閉時にアークが発生し、接点の溶着、接触抵抗の増大、寿命の低下を招いていた。それを防ぐためにはリレーの高コスト化及び大型化が必要である。また、開閉時に電磁ノイズが発生し、電子装置の誤動作の危険性が増大し、その対策のためにシステムの高コスト化及び大型化を招くおそれがある。

また、スイッチとして半導体スイッチを用いた場合、開閉時にスイッチング損失が発生したり、導通時にオン抵抗損失が発生したり、システムが高コスト化及び大型化したりするおそれがある。

本発明の１つの態様は、複数の直流電源からの直流電力を交流電力に変換して交流負荷に出力するインバータと、前記複数の直流電源と、前記複数の直流電源と前記インバータとの接続関係を切り替えるスイッチを有するマルチレベル直流出力手段と、前記スイッチを切り替える前に、前記インバータを環流モードに移行させ、環流モードの間に前記スイッチを切り替え、前記スイッチが切り替えられた後に前記インバータの環流モードを終了させるインバータ制御手段と、を備えることを特徴とする交流負荷駆動装置である。

ここで、前記インバータの入力側の正極と負極との間に接続されたコンデンサを備え、前記インバータ制御手段は、前記スイッチを切り替える前に、前記インバータを環流モードに移行させ、環流モードの間に、前記インバータと前記複数の直流電源とを切り離したオープンモードに移行させ、前記オープンモードの間に、前記コンデンサを充放電させるコンデンサ電圧制御モードに移行させ、前記コンデンサの充電電圧が目標電圧範囲となった場合、前記インバータを環流モードに移行させ、また、前記オープンモードの間に、前記複数の直流電源から前記インバータに前記目標電圧が供給されるように前記マルチレベル直流出力手段をスイッチ切替モードに移行させ、前記マルチレベル直流出力手段の出力が前記目標電圧になった場合、前記マルチレベル直流出力手段を通常出力モードへ移行させ、前記インバータの環流モードへの切り替えと前記マルチレベル直流出力手段の通常出力モードへの移行が完了した時、前記インバータと前記複数の直流電源を接続したオンモードに移行させ、オンモードに移行した後に前記インバータの環流モードを終了させ通常モードに移行することが好適である。また、前記インバータと前記複数の直流電源を切り離しオープンモードに移行する際、または接続しオンモードにする際に、前記マルチレベル直流出力手段のスイッチを利用すること、または、システムメインリレーを利用することが好適である。

また、前記コンデンサ電圧制御モードでは、環流モードを一旦中止し、前記交流負荷を力行制御又は回生制御することにより前記コンデンサを充放電させ、前記コンデンサの充電電圧を目標電圧、すなわち前記マルチレベル直流出力手段の前記スイッチ切り替え後の電圧に速やかに追従させ、目標電圧近傍に収束した時にその状態を維持するように前記インバータを再度環流モードとすることが好適である。

また、前記インバータの入力側の正極と負極との間に接続されたコンデンサと、前記インバータと前記マルチレベル直流出力手段との間に並列に接続された、システムメインリレーと、インダクタ及び抵抗とに直列接続されたシステムサブリレーと、を備え、前記コンデンサ電圧制御モードにおいて前記コンデンサの充電電圧を目標電圧近傍に収束できなかった場合、前記インバータを循環モードに移行させ、前記環流モードにおいて、前記システムメインリレーを開状態及び前記システムサブリレーを閉状態として前記コンデンサを充電させることが好適である。また、前記抵抗のレジスタンスＲと前記インダクタのインダクタンスＬと前記コンデンサのキャパシタンスＣは、前記コンデンサが振動無く速やかに充電されるように、臨界制動の条件（Ｒ^２＝４Ｌ／Ｃ）を満足するように設定することが好適である。

本発明によれば、スイッチに負担を掛けることなく、装置の大型化及びコストを抑制した交流負荷駆動装置を提供することができる。

第１の実施の形態における交流負荷駆動システムの構成を示す図である。本発明の実施の形態における交流負荷駆動システムの構成を示す図である。本発明の実施の形態におけるマルチレベル直流出力手段の作用を示す図である。第１の実施の形態における直流電源の切替処理を説明するフローチャートである。第１の実施の形態における直流電源の切替処理を説明するタイミングチャートである。第２の実施の形態における交流負荷駆動システムの構成を示す図である。第２の実施の形態におけるマルチレベル直流出力手段の作用を示す図である。第２の実施の形態における直流電源の切替処理を説明するフローチャートである。第２の実施の形態における直流電源の切替処理を説明するタイミングチャートである。第３の実施の形態における交流負荷駆動システムの構成を示す図である。第３の実施の形態における直流電源の切替処理を説明するフローチャートである。第３の実施の形態における直流電源の切替処理を説明するタイミングチャートである。

＜第１の実施の形態＞
第１の実施の形態における交流負荷駆動システム１００は、図１に示すように、交流負荷駆動装置１０２、直流電源１０４及び交流負荷１０６を含んで構成される。交流負荷駆動システム１００は、交流負荷駆動装置１０２に含まれるインバータ１０によって直流電源１０４からの直流電力を交流電力に変換して交流負荷１０６へ供給して駆動する。

なお、交流負荷１０６は、例えば、三相コイルｕ，ｖ，ｗを備える三相モータジェネレータとすることができる。三相モータジェネレータは、ハイブリッド自動車や電気自動車等に搭載することができる。

交流負荷駆動装置１０２は、インバータ１０、マルチレベル直流出力手段２０及びインバータ制御手段３０を含んで構成される。

インバータ１０は、トランジスタＴ１１〜Ｔ１６とダイオードＤ１１〜Ｄ１６とにより構成される。トランジスタＴ１１〜Ｔ１６は、それぞれ正極母線と負極母線とに対してソース側となる上アームとシンク側となる下アームを構成するように２個ずつ対で配置され、その接続点に交流負荷１０６の三相コイルｕ，ｖ，ｗの各々が接続される。インバータ１０の正極母線と負極母線とに電圧が印加されている状態で対をなすトランジスタＴ１１〜Ｔ１６のオン時間の割合を制御すれば、交流負荷１０６の三相コイルｕ，ｖ，ｗにより回転磁界を形成して交流負荷１０６を回転駆動することができる。トランジスタＴ１１〜Ｔ１６の開閉制御は、インバータ制御手段３０からのインバータ制御信号Ｓ１によって行われる。

直流電源１０４は、複数の直流電源１０４ａ〜１０４ｎによって構成される。マルチレベル直流出力手段２０は、複数の直流電源１０４ａ〜１０４ｎの相互の接続関係及びインバータ１０との接続関係を切り替えるスイッチを含んで構成される。

例えば、図２（ａ）に示すように、マルチレベル直流出力手段２０をスイッチＳＷ１〜ＳＷ６のように構成することによって、４つの直流電源１０４ａ〜１０４ｄの接続を切り替えてインバータ１０に異なる入力電圧を印加することができる。なお、マルチレベル直流出力手段２０の構成は、これに限定されるものではなく、複数の直流電源の相互の接続関係を切り替えて、インバータ１０に異なる電圧を印加できるものであればよい。

マルチレベル直流出力手段２０のスイッチは、インバータ制御手段３０からのスイッチ切替信号Ｓ２によって切り替えられる。図２（ｂ）に各スイッチの状態とマルチレベル直流出力手段２０の出力との関係を示す。マルチレベル直流出力手段２０を設けることによって、複数の直流電源１０４ａ〜１０４ｎの接続関係を切り替えて得られる多段階の直流電圧をインバータ１０へ入力することが可能となり、要求される出力に応じて適切な電圧波形で交流負荷１０６を駆動することができる。

例えば、交流負荷１０６の三相コイルｕ，ｖ，ｗに流れる電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを電流センサにより検出してインバータ制御手段３０に入力し、電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに応じてマルチレベル直流出力手段２０へスイッチ切替信号Ｓ２を出力してインバータ１０へ入力される電圧を調整することができる。また、外部から制御信号Ｓ３をインバータ制御手段３０に入力し、制御信号Ｓ３に応じてマルチレベル直流出力手段２０へスイッチ切替信号Ｓ２を出力してインバータ１０へ入力される電圧を調整することができる。制御信号Ｓ３としては、車両のアクセルの開度を示す信号、ブレーキの踏み込み量を示す信号、トランスミッションのギア比を示す信号等の交流負荷１０６に対して要求される出力に関係する信号とすればよい。

以下、図３のフローチャート及び図４のタイミングチャートを参照して、マルチレベル直流出力手段２０のスイッチの切替シーケンスを説明する。マルチレベル直流出力手段２０の切替シーケンスは、交流負荷１０６への要求出力の変化に応じて開始される。切替シーケンスの開始前は、マルチレベル直流出力手段２０を介して直流電源１０４からインバータ１０に直流電圧が印加され、直交流変換された交流電力が交流負荷１０６に供給されている状態とする。

ステップＳ１０では、インバータ１０を環流モードに移行させる処理が行われる。インバータ制御手段３０は、インバータ制御信号Ｓ１によってインバータ１０を直交流変換する通常モードから環流モードに切り替える。

環流モードは、インバータ１０と交流負荷１０６との間で電流を循環させる状態である。例えば、上アームのトランジスタＴｒ１１，１３，１５のすべてを閉状態とし、下アームのトランジスタＴｒ１２，１４，１６のすべてを開状態とすることによってインバータ１０の上アームを介した循環モードとすることができる。また、例えば、上アームのトランジスタＴｒ１１，１３，１５のすべてを開状態とし、下アームのトランジスタＴｒ１２，１４，１６のすべてを閉状態とすることによってインバータ１０の下アームを介した循環モードとすることができる。

インバータ１０を環流モードとすることによって、マルチレベル直流出力手段２０と交流負荷１０６との間に電流が流れない開ループ状態となる。

ステップＳ１２では、マルチレベル直流出力手段２０により直流電源１０４からインバータ１０に入力される電圧を変更するスイッチ切替モードに移行させる処理が行われる。スイッチ切替モードでは、インバータ制御手段３０は、スイッチ切替信号Ｓ２によって、交流負荷１０６の出力に応じた入力電圧がインバータ１０に入力されるように複数の直流電源１０４ａ〜１０４ｎの接続関係を変更する。スイッチの状態とマルチレベル直流出力手段２０の出力との関係は、図２（ｂ）に示す。ここで、例えば、出力１０４ａは直流電源１０４ａの出力電圧を意味しており、他も同様である。

ステップＳ１４では、インバータ１０を通常モードに戻す処理が行われる。インバータ制御手段３０は、インバータ制御信号Ｓ１によってインバータ１０を環流モードから直交流変換する通常モードに切り替える。

これによって、ステップＳ１２においてマルチレベル直流出力手段２０のスイッチを切り替えることによって変更された直流電圧がインバータ１０に印加され、その直流電圧を直交流変換した交流電圧によって交流負荷１０６を駆動することができる。

このように、インバータ１０を環流モードとし、環流モードの間にマルチレベル直流出力手段２０によって複数の直流電源１０４ａ〜１０４ｎの接続を変更することによって、昇降圧コンバータを用いる必要がなくなる。また、マルチレベル直流出力手段２０のスイッチに電流が流れておらず、また電圧が印加されていない状態で開閉を行うことができる。したがって、スイッチの開閉時に接点にアークを生じることがなく、接点の溶着、接点抵抗の増加、スイッチの寿命の低下を回避することができる。

また、マルチレベル直流出力手段２０のスイッチとして安価な機械的接点を有するリレーを適用することができ、交流負荷駆動装置１０２を低コスト化及び小型化することができる。また、スイッチとして半導体スイッチを用いる必要がないので、スイッチの開閉時のスイッチング損失、導通時のオン抵抗損失を考慮する必要がなくなる。

また、マルチレベル直流出力手段２０のスイッチを開閉する際に電磁ノイズが発生しないので、電子装置の誤動作を誘引する心配がなく、ノイズ対策のためのコストの増大や装置の大型化を回避することができる。

また、マルチレベル直流出力手段２０のスイッチを開閉する際に突入電流が生ずることがないため直流電源１０４、インバータ１０、交流負荷１０６等の劣化を引き起こすおそれがなくなる。

さらに、交流負荷駆動システム１００をハイブリッド自動車や電気自動車等に適用した場合、マルチレベル直流出力手段２０による入力電圧の切り替えは交流負荷１０６の出力に応じて行われるので、その頻度は加速及び減速の頻度と同程度となる。したがって、スイッチとして機械的接点を持つリレー又は半導体スイッチのいずれを用いたとしてもスイッチとしての寿命は十分に確保される。

また、スイッチの開閉時間として数十ｍ秒程度とすれば、ドライバーにトルク抜け等の違和感を与えることなく、交流負荷１０６への要求出力の変化に応じてインバータ１０の入力電圧を変更することができる。

＜第２の実施の形態＞
第２の実施の形態では、図５（ａ）に示すように、交流負荷駆動装置１０２のインバータ１０の入力側に入力電圧を平滑化するコンデンサ１２が設けられている。コンデンサ１２を設けることによって、インバータ１０の正極母線と負極母船との間に発生するノイズを除去することができる。また、マルチレベル直流出力手段２０とインバータ１０との間にシステムメインリレー１６を設ける。システムメインリレー１６を開状態とすることにより、マルチレベル直流出力手段２０とインバータ１０とを切り離し、マルチレベル直流出力手段２０のスイッチ切り替え時に過大なコンデンサ充電電流が流れないようにすることができる。なお、システムメインリレー１６の機能をマルチレベル直流出力手段２０の中に持たせることも可能である。

以下、図６のフローチャート及び図７のタイミングチャートを参照して、本実施の形態におけるマルチレベル直流出力手段２０の切替シーケンスを説明する。

切替シーケンスが開始前は、マルチレベル直流出力手段２０を介して直流電源１０４からインバータ１０に直流電圧が印加され、コンデンサ１２によって平滑化された入力電圧がインバータ１０によって直交変換されて交流負荷１０６に供給されている状態とする。

ステップＳ２０では、インバータ１０が環流モードに移行される。この処理は、第１の実施の形態におけるステップＳ１０と同様である。

ステップＳ２２では、システムメインリレー１６をオープンモードに移行させる。なお、システムメインリレー１６の機能をマルチレベル直流出力手段２０に内在させている場合には、インバータ制御手段３０は、スイッチ切替信号Ｓ２によってマルチレベル直流出力手段２０のスイッチを切り替えて直流電源１０４とインバータ１０とが切断されて、直流電源１０４からインバータ１０へ直流電流が入力されないオープンモードとする。

ステップＳ２４では、インバータ１０をコンデンサ電圧制御モードに移行させる。コンデンサ電圧制御モードは、交流負荷１０６を力行制御又は回生制御することによってコンデンサ１２を充放電させる状態である。インバータ制御手段３０は、インバータ制御信号Ｓ１によって、トランジスタＴｒ１１〜Ｔｒ１６の開閉状態を制御し、交流負荷１０６を力行または回生制御してコンデンサ１２を放電又は回生制御してコンデンサ１２を充電させる。コンデンサ電圧制御モードとすることによって、コンデンサ１２を充放電して充電電圧（端子電圧）を調整することができる。力行制御は、例えば、交流負荷を駆動して、電気エネルギーを運動エネルギーに変換することによって実現することができる。回生制御は、例えば、交流負荷１０６の慣性エネルギーをエネルギー源にして、発電機動作により電気エネルギーに変換することによって実現することができる。また、力行制御は、例えば、交流負荷１０６を外部のエンジン等で発電機として駆動することによって持続することができる。

ステップＳ２６では、コンデンサ１２の充電電圧が目標電圧範囲に入ったか否かが判定される。インバータ制御手段３０は、電圧センサ１４によって測定されたコンデンサ１２の充電電圧の入力を受けて、コンデンサ１２の充電電圧が目標電圧範囲に入っていればステップＳ２８に処理を移行させ、目標電圧範囲に入っていなければコンデンサ電圧制御モードを継続させる。

ここで、目標電圧範囲は、交流負荷１０６に対して要求される出力によって決定される。具体的には、目標電圧範囲は、交流負荷１０６に対して要求される出力に応じて直流電源１０４からインバータ１０に入力されるべき入力電圧に基づいて決定される。すなわち、後述するステップＳ３０にてマルチレベル直流出力手段２０のスイッチを切り替えて直流電源１０４からインバータ１０へ入力される電圧が変更されるが、直流電源１０４をインバータ１０に接続した際にコンデンサ１２に流れる充放電電流が許容される電流値内に納まるように、目標電圧範囲は、マルチレベル直流出力手段２０のスイッチ切替後の目標電圧近傍に設定する。

例えば、後述するステップＳ３０において変更されるマルチレベル直流出力手段２０のスイッチ切替後の目標電圧に対して、目標電圧±ΔＶといった具合に設定する。ΔＶは、スイッチ接点にアークが発生しない程度の電圧で、スイッチの仕様に基づき、例えば最小アーク電圧以下に設定される。

ステップＳ２８では、インバータ１０を環流モードに移行させる処理が行われる。この処理は、第１の実施の形態におけるステップＳ１０と同様である。

また、ステップＳ２４〜ステップＳ２８に平行して、ステップＳ３０〜Ｓ３４が行われる。ステップＳ３０では、マルチレベル直流出力手段２０により直流電源１０４からインバータ１０に入力される電圧を変更するスイッチ切替モードに移行させる処理が行われる。この処理は、第１の実施の形態におけるステップＳ１２と同様である。ステップＳ３２では、スイッチ切替が終了するまで待ち、出力が安定したらステップＳ３４で通常出力モードに移行させる。ステップＳ３６では、インバータ１０を環流モードへ、マルチレベル直流出力手段２０を通常出力モードへ移行させることが完了するまで待機し、完了していることが確認されれば、ステップＳ３８でシステムメインリレー１６をオンモードに移行させる。

ステップＳ４０では、インバータ１０を通常モードに戻す処理が行われる。この処理は、第１の実施の形態におけるステップＳ１４と同様である。

以上のように、本実施の形態では、インバータ１０の入力側にコンデンサ１２が設けられている場合に、マルチレベル直流出力手段２０又はシステムメインリレー１６のスイッチが切られることに伴って過大なコンデンサ１２の充放電電流が流れないように、コンデンサ電圧制御モードにおいて予め目標電圧まで充放電しておくことができる。

＜第３の実施の形態＞
第２の実施の形態では、交流負荷１０６を力行制御又は回生制御してコンデンサ１２を充電する態様について説明したが、図８に示すように、インバータ１０の入力側にシステムメインリレー１６及びシステムサブリレー１８を設けて直流電源１０４からの電力にてコンデンサ１２を充電する構成としてもよい。

システムメインリレー１６は、インバータ１０の正極母線側におけるマルチレベル直流出力手段２０とインバータ１０との間に設けられる。システムメインリレー１６によりマルチレベル直流出力手段２０とインバータ１０との接続を開閉することができる。システムサブリレー１８は、インバータ１０の正極母線側におけるマルチレベル直流出力手段２０とインバータ１０との間にシステムメインリレー１６と並列に設けられる。システムサブリレー１８は、抵抗１１及びインダクタ１３と直列接続される。

システムメインリレー１６が開状態においてシステムサブリレー１８を閉状態とすることによって、抵抗１１及びインダクタ１３を介して直流電源１０４からコンデンサ１２を充電することができる。

以下、図９のフローチャート及び図１０のタイミングチャートを参照して、本実施の形態におけるマルチレベル直流出力手段２０の切替シーケンスを説明する。

切替シーケンスが開始前は、システムメインリレー１６が閉状態及びシステムサブリレー１８が開状態とされ、マルチレベル直流出力手段２０を介して直流電源１０４からインバータ１０に直流電圧が印加され、コンデンサ１２によって平滑化された入力電圧がインバータ１０によって直交変換されて交流負荷１０６に供給されている状態とする。

ステップＳ５０では、インバータ１０が環流モードに移行される。この処理は、第１の実施の形態におけるステップＳ１０と同様である。

ステップＳ５２では、インバータ制御手段３０は、スイッチ切替信号Ｓ４によって、システムメインリレー１６を開状態する。これによって、システムメインリレー１６及びシステムサブリレー１８の両方が開状態（オープンモード）となる。

ステップＳ５４では、インバータ１０をコンデンサ電圧制御モードに移行させる。この処理は、第２の実施の形態におけるステップＳ２４と同様である。

ステップＳ５６では、コンデンサ１２の充電電圧が目標電圧範囲に入ったか否かが判定される。インバータ制御手段３０は、電圧センサ１４によって測定されたコンデンサ１２の充電電圧の入力を受けて、コンデンサ１２の充電電圧が目標電圧範囲内に入っていればステップＳ５８に処理を移行させ、目標電圧範囲内に入っていなければステップＳ７２に処理を移行させる。目標電圧範囲は、第２の実施の形態と同様に設定すればよい。

ステップＳ７２では、コンデンサ電圧制御モードが基準時間以上継続されたか否かが判定される。インバータ制御手段３０は、コンデンサ電圧制御モードが基準時間以上継続された場合にはステップＳ７４に処理を移行させ、基準時間未満継続されている状態であればコンデンサ電圧制御モードを継続させる。

ステップＳ７４では、インバータ１０をコンデンサ電圧制御モードから環流モードに戻す処理が行われる。この処理は、第１の実施の形態におけるステップＳ１０と同様である。

ステップＳ７６では、システムサブリレー１８をオンモードに移行させる。インバータ制御手段３０は、スイッチ切替信号Ｓ４によって、システムサブリレー１８を閉状態する。これによって、システムメインリレー１６が開状態（オープンモード）及びシステムサブリレー１８が閉状態（オンモード）となる。

この状態では、マルチレベル直流出力手段２０、システムサブリレー１８、抵抗１１及びインダクタ１３を介して、直流電源１０４からインバータ１０に直流電力が供給される。このとき、コンデンサ１２の充電電圧とマルチレベル直流出力手段２０から出力される直流電圧との間に電位差があれば、抵抗１１及びインダクタ１３を介してコンデンサ１２が充電される。

このとき、コンデンサ１２のキャパシタンスＣ、抵抗１１の抵抗値Ｒ及びインダクタ１３のインダクタンスＬを適切に設定することによって、コンデンサ１２の充電回路の時定数を調整することができ、コンデンサ１２が充電される際にリプル等の発生を抑制することができると同時に、コンデンサ１２を急速に充電することができる。例えば、臨界制動の条件（Ｒ^２＝４Ｌ／Ｃ）を満足するように設定すれば、コンデンサ１２が振動することなく速やかに充電される。充電は、コンデンサ１２の充電電圧が目標電圧範囲内に入るまで行ってもよいし、充電時間が基準時間を超えるまで行ってもよい。

ステップＳ７８では、システムサブリレー１８をオフモードに移行させる。インバータ制御手段３０は、スイッチ切替信号Ｓ４によって、システムサブリレー１８を開状態（オープンモード）とする。

これによって、システムサブリレー１８を介したコンデンサ１２の充電状態が解除される。

一方、ステップＳ５６からステップＳ５８に移行すると、インバータ１０をコンデンサ電圧制御モードから環流モードに戻す処理が行われる。この処理は、第１の実施の形態におけるステップＳ１０と同様である。

また、ステップＳ５４〜ステップＳ５８及びステップＳ５４〜ステップＳ７８のループに並行して、ステップＳ６０〜ステップＳ６４が行われる。ステップＳ６０では、マルチレベル直流出力手段２０により直流電源１０４からインバータ１０に入力される電圧を変更するスイッチ切替モードに移行させる処理が行われる。この処理は、第１の実施の形態におけるステップＳ１２と同様である。ステップＳ６２では、スイッチ切替が終了するまで待ち、出力が安定したらステップＳ６４で通常出力モードに移行させる。

ステップＳ６６では、システムサブリレー１８をオフモードへ、インバータ１０を環流モードへ、マルチレベル直流出力手段２０を通常出力モードへ移行させることが完了するまで待機し、完了していることが確認されれば、ステップＳ６８でシステムメインリレー１６をオンモードに移行させる。

ステップＳ７０では、インバータ１０を通常モードに戻す処理が行われる。この処理は、第１の実施の形態におけるステップＳ１４と同様である。

以上のように、システムメインリレー１６及びシステムサブリレー１８によって、充電回路を切り替えてコンデンサ１２を充電することができる。したがって、インバータ１０を回生制御してコンデンサ１２を充電した際にコンデンサ１２の充電が十分にできなかった場合であってもコンデンサ１２を適切に充電させることができる。これにより、システムメインリレー１６によってマルチレベル直流出力手段２０とインバータ１０とを直接接続させる際においてマルチレベル直流出力手段２０の出力電圧とコンデンサ１２の充電電圧との差を小さくしておくことができ、スイッチ接点及びコンデンサ１２に過大な充電電流が流れることを防ぐことができる。

第１乃至第３の実施の形態において、システムメインリレー、システムサブリレー及びマルチレベル直流出力手段を構成するスイッチは、外部からオン、オフできる切り替え装置であればよく、例えば機械的な接点を有する電磁リレー、半導体スイッチ等で構成することが可能である。

機械的な接点を有する電磁リレーで構成した場合、ゼロ電圧、ゼロ電流の状態でスイッチングするので、アーク及びスイッチングロスがなく、かつ導通時には、オン抵抗損も発生しないので好適である。また、半導体スイッチ等で構成した場合にも、導通時のオン抵抗損は発生するものの、ゼロ電圧、ゼロ電流スイッチングとなるのでスイッチングロスはなくなる。なお、システムサブリレーは、オンモードが一瞬であるので、導通時のオン抵抗損は無視でき、動作遅れが少なく制御性が良好な半導体スイッチで構成することが好適である。

１０インバータ、１１抵抗、１２コンデンサ、１３インダクタ、１４電圧センサ、１６システムメインリレー、１８システムサブリレー、２０マルチレベル直流出力手段、３０インバータ制御手段、１００交流負荷駆動システム、１０２交流負荷駆動装置、１０４（１０４ａ-１０４ｎ）直流電源、１０６交流負荷。

Claims

複数の直流電源からの直流電力を交流電力に変換して交流負荷に出力するインバータと、
前記複数の直流電源と、
前記複数の直流電源と前記インバータとの接続関係を切り替えるスイッチを有するマルチレベル直流出力手段と、
前記スイッチを切り替える前に、前記インバータを環流モードに移行させ、環流モードの間に前記スイッチを切り替え、前記スイッチが切り替えられた後に前記インバータの環流モードを終了させるインバータ制御手段と、
を備えることを特徴とする交流負荷駆動装置。
請求項１に記載の交流負荷駆動装置であって、
前記インバータの入力側の正極と負極との間に接続されたコンデンサと、
前記インバータと前記マルチレベル直流出力手段との間にシステムメインリレーと、を備え、
前記インバータ制御手段は、
前記システムメインリレーを切り替える前に、前記インバータを環流モードに移行させ、
環流モードの間に、前記システムメインリレーを開状態にして前記インバータと前記複数の直流電源とを切り離したオープンモードに移行させ、
前記オープンモードの間に、前記コンデンサを充放電させるコンデンサ電圧制御モードに移行させ、
前記コンデンサの充電電圧が目標電圧範囲となった場合、前記インバータを環流モードに移行させ、
前記オープンモードの間に、前記コンデンサ電圧制御モードと前記環流モードに並行して前記複数の直流電源から前記インバータに前記目標電圧が供給されるように前記マルチレベル直流出力手段の前記スイッチを切り替え、
前記マルチレベル直流出力手段から前記目標電圧が出力され、かつ前記インバータが環流モードに移行完了した後に前記システムメインリレーをオンモードに移行し、オンモードに移行完了した後に前記インバータの環流モードを終了させることを特徴とする交流負荷駆動装置。
請求項２に記載の交流負荷駆動装置であって、
前記コンデンサ電圧制御モードでは、環流モードを一旦中止し、前記交流負荷を力行制御又は回生制御することにより前記コンデンサを充放電させ、
その後、前記インバータを再度環流モードとすることを特徴とする交流負荷駆動装置。
請求項２又は３に記載の交流負荷駆動装置であって、
前記インバータの入力側の正極と負極との間に接続されたコンデンサと、
前記インバータと前記マルチレベル直流出力手段との間に並列に接続された、インダクタ及び抵抗とに直列接続されたシステムサブリレーと、
を備え、
前記コンデンサ電圧制御モードにおいて、前記コンデンサを前記目標電圧範囲内に設定できなかった場合に、前記インバータを環流モードに移行させ、環流モードの間に、前記システムメインリレーを開状態及び前記システムサブリレーを閉状態として前記コンデンサを充電させることを特徴とする交流負荷駆動装置。