JP2017135883A - インバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】上，下アーム部３０Ｕ，４０Ｕが複数の上，下アームスイッチ３１，４１の並列接続体を有するインバータ装置において、各アーム部３０Ｕ，４０Ｕに流れる電流が低電流領域にある場合であっても、インバータ装置の合計損失を低減できるインバータ装置を提供する。
【解決手段】インバータ装置は、切替部を備えている。切替部は、上，下アーム部３０Ｕ，４０Ｕにおいて、上，下アームスイッチ３１，４１のうち入出力端子間の電流の流通が許可されるスイッチの数が、上，下アーム部３０Ｕ，４０Ｕに流れる電流が大きい場合よりも小さい場合の方が少なくなるように、上記許可されるスイッチの数を切り替える切替処理を行う。
【選択図】 図２

Description

本発明は、インバータ装置に関する。

インバータ装置としては、下記非特許文献１や下記特許文献１に見られるように、上，下アーム部のそれぞれが複数のスイッチの並列接続体で構成されているものが知られている。ここで、下記非特許文献１に記載のインバータ装置では、各アーム部を構成する複数のスイッチ全てをオンオフ操作対象としている。この構成によれば、各アーム部を構成するスイッチ全てに電流を分散させることができ、１つのスイッチに流せる許容上限電流を超える電流を各アーム部に流すことができる。

国際公開第２０１１／０９６２３２号

小谷、外８名、「３．３ｋＶ １０００Ａ Ａｌｌ−ＳｉＣパワーモジュールの鉄道システムへの適用検討」、平成２７年電気学会産業応用部門大会、２０１５年９月

上記非特許文献１に記載のインバータ装置では、各アーム部に流れる電流が高電流領域にある場合には、各アーム部が例えば１つのスイッチで構成されるインバータ装置と比較して、スイッチの導通損失を低減でき、ひいてはインバータ装置の合計損失を低減することができる。しかしながら、上記非特許文献１に記載のインバータ装置では、各アーム部に流れる電流が低電流領域にある場合には、各アーム部が例えば１つのスイッチで構成されるインバータ装置と比較して、インバータ装置の合計損失が増加するおそれがある。

本発明は、上，下アーム部のそれぞれが複数のスイッチの並列接続体を有するインバータ装置において、各アーム部に流れる電流が低電流領域にある場合であっても、インバータ装置の合計損失を低減できるインバータ装置を提供することを主たる目的とする。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。

本発明は、上アーム部（３０Ｕ〜３０Ｗ；８０Ｕ〜８０Ｗ，８１Ｕ〜８１Ｗ）及び下アーム部（４０Ｕ〜４０Ｗ；９０Ｕ〜９０Ｗ，９１Ｕ〜９１Ｗ）を備え、前記上アーム部及び前記下アーム部のそれぞれが複数のスイッチ（３１，４１）の並列接続体を有するインバータ装置（２０；７０）において前記上アーム部及び前記下アーム部のそれぞれにおいて、前記各スイッチのうち該スイッチの入出力端子間の電流の流通が許可されるスイッチの数が、前記上アーム部及び前記下アーム部のそれぞれに流れる電流が大きい場合よりも小さい場合の方が少なくなるように、前記許可されるスイッチの数を切り替える切替部（６１）を備えることを特徴とする。

インバータ装置の合計損失には、入出力端子間の電流の流通が許可されるスイッチ（以下「許可スイッチ」という。）の導通損失及びスイッチング損失が含まれる。ここで、導通損失を減らすためには、上，下アーム部を構成する許可スイッチの数を多くしたほうがよい。しかしながら、上，下アーム部に流れる電流が低電流領域にある場合においては、高電流領域にある場合と比較して、導通損失が小さくなるものの、スイッチング損失はある程度大きくなる。このため、許可スイッチの数を多くすると、低電流領域の合計損失が高電流領域の合計損失よりもかえって大きくなるおそれがある。したがって、各アーム部に流れる電流が低電流領域にある場合においては、高電流領域にある場合よりも許可スイッチの数を少なくすることによりスイッチング損失を低減することが、合計損失の低減につながる。

この点に鑑み、上記発明では、上，下アーム部のそれぞれにおいて複数のスイッチのうち許可スイッチの数が、上，下アーム部のそれぞれに流れる電流が大きい場合よりも小さい場合の方が少なくなるように、許可スイッチの数を切り替える。このため、上，下アーム部に流れる電流が低電流領域にある場合であっても、スイッチング損失を低減でき、ひいてはインバータ装置の合計損失を低減することができる。

第１実施形態に係るモータ制御システムの全体構成図。 上，下アーム部の構成を示す図。 許可スイッチの数及び電源電圧と各損失との関係を示す図。 相電流及び電源電圧と合計損失との関係を示す図。 切替処理の手順を示すフローチャート。 各損失と相電流等との関係を示す図。 スイッチ及びダイオードに流れる電流の推移を示すタイムチャート。 許可スイッチの数と各損失との関係を示す図。 合計損失の低減効果を示す図。 第２実施形態に係る上，下アーム部の構成を示す図。 第３実施形態に係る切替処理の手順を示すフローチャート。 第４実施形態に係る切替処理態様を示す図。 その他の実施形態に係るモータ制御システムの全体構成図。

（第１実施形態）
以下、本発明に係るインバータ装置を２レベルインバータ装置として具体化した第１実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態に係るインバータ装置は、ハイブリッド車や電気自動車等に搭載されるモータ制御システムを構成する。

図１に示すように、モータ制御システムは、回転電機であるモータジェネレータ１０と、インバータ装置２０とを備えている。モータジェネレータ１０は、そのロータと駆動輪とが動力伝達可能とされている。本実施形態では、モータジェネレータ１０として、３相のものを用いている。モータジェネレータ１０としては、具体的には例えば永久磁石同期機を用いることができる。

インバータ装置２０は、上アーム部と下アーム部との直列接続体を相数分（３つ）備えている。詳しくは、インバータ装置２０は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相上アーム部３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗと、Ｕ，Ｖ，Ｗ相下アーム部４０Ｕ，４０Ｖ，４０Ｗとを備えている。Ｕ相上，下アーム部３０Ｕ，４０Ｕの接続点であるＵ相接続点ＰＵには、モータジェネレータ１０のＵ相コイル（ステータコイル）の第１端が接続されている。Ｖ相上，下アーム部３０Ｖ，４０Ｖの接続点であるＶ相接続点ＰＶには、モータジェネレータ１０のＶ相コイルの第１端が接続されている。Ｗ相上，下アーム部３０Ｗ，４０Ｗの接続点であるＷ相接続点ＰＷには、モータジェネレータ１０のＷ相コイルの第１端が接続されている。Ｕ，Ｖ，Ｗ相コイルの第２端同士は短絡されている。

続いて図２を用いて、各アーム部について説明する。本実施形態では、各アーム部が互いに同様の構成であるため、Ｕ相上，下アーム部３０Ｕ，４０Ｕを例にして説明する。

Ｕ相上アーム部３０Ｕは、複数の上アームスイッチ３１と、各上アームスイッチ３１に直列接続された上アーム切替スイッチ３２とを備えている。本実施形態において、Ｕ相上アーム部３０Ｕは、１５個（Ｎｍａｘ＝１５）の上アームスイッチ３１を備えている。また本実施形態では、上アームスイッチ３１として、電圧制御形の半導体スイッチング素子を用いており、より具体的には、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いている。各上アームスイッチ３１には、上アームダイオード３３が逆並列に接続されている。本実施形態において、上アームダイオード３３は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードである。各上アームスイッチ３１の出力端子であるソースには、Ｕ相接続点ＰＵが接続されている。各上アームスイッチ３１の入力端子であるドレインには、上アーム切替スイッチ３２の第１端が接続されている。各上アーム切替スイッチ３２の第２端には、正極母線Ｌｐが接続されている。各上アーム切替スイッチ３２は、オンされることにより、自身に直列接続された上アームスイッチ３１を、正極母線ＬｐとＵ相接続点ＰＵとの双方に電気的に接続する。また、各上アーム切替スイッチ３２は、オフされることにより、自身に直列接続された上アームスイッチ３１を正極母線Ｌｐから電気的に遮断する。

Ｕ相下アーム部４０Ｕは、上アームスイッチ３１と同数の下アームスイッチ４１と、各下アームスイッチ４１に直列接続された下アーム切替スイッチ４２とを備えている。本実施形態では、下アームスイッチ４１として、電圧制御形の半導体スイッチング素子を用いており、より具体的には、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴを用いている。各下アームスイッチ４１には、下アームダイオード４３が逆並列に接続されている。本実施形態において、下アームダイオード４３は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードである。各下アームスイッチ４１のドレインには、下アーム切替スイッチ４２を介してＵ相接続点ＰＵが接続されている。各下アームスイッチ４１のソースには、負極母線Ｌｎが接続されている。各下アームスイッチ４１は、オンされることにより、自身に直列接続された下アームスイッチ４１を、Ｕ相接続点ＰＵと負極母線Ｌｎとの双方に電気的に接続する。また、各下アーム切替スイッチ４２は、オフされることにより、自身に直列接続された下アームスイッチ４１をＵ相接続点ＰＵから電気的に遮断する。

先の図１の説明に戻り、正極母線Ｌｐには、直流電源５０の正極端子が接続されており、負極母線Ｌｎには、直流電源５０の負極端子が接続されている。なお、正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとは、インバータ装置２０の入力電圧を平滑化する平滑コンデンサ５１によって接続されている。また、直流電源５０としては、例えば２次電池を用いることができる。

インバータ装置２０は、モータジェネレータ１０に流れる各相電流のうち、少なくとも２相分の電流を検出する電流検出部を備えている。本実施形態において、電流検出部は、モータジェネレータ１０のＶ相に流れる電流を検出するＶ相電流検出部５２Ｖと、Ｗ相に流れる電流を検出するＷ相電流検出部５２Ｗとを含む。また、インバータ装置２０は、直流電源５０の出力電圧をインバータ装置２０の電源電圧ＶＩＮＶとして検出する電圧検出部５３と、各アーム部３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗ，４０Ｕ，４０Ｖ，４０Ｗを構成する各アームスイッチ３１，４１の温度を個別に検出する温度検出部５４とを備えている。

インバータ装置２０は、制御部６０及び切替部６１を備えている。制御部６０及び切替部６１は、マイコンを主体として構成されている。制御部６０は、モータジェネレータ１０の制御量をその指令値に制御すべく、各アーム部３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗ，４０Ｕ，４０Ｖ，４０Ｗの各アームスイッチ３１，４１を操作するための駆動信号を生成する。本実施形態において、制御量はトルクである。制御部６０は、各アーム部３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗ，４０Ｕ，４０Ｖ，４０Ｗに供給するオン，オフ駆動信号ｇｕｐ，ｇｖｐ，ｇｗｐ，ｇｕｎ，ｇｖｎ，ｇｗｎを生成し、各アーム部３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗ，４０Ｕ，４０Ｖ，４０Ｗに対応するドライブ回路に出力する。なお図１には、説明の便宜上、制御部６０及び切替部６１を各別の処理部として記載しているがこれに限らず、制御部６０及び切替部６１を共通の処理部として構成してもよい。

図２に、Ｕ相上アーム部３０Ｕに対応する上アームドライブ回路３４と、Ｕ相下アーム部４０Ｕに対応する下アームドライブ回路４４とを示す。Ｕ相の上アームドライブ回路３４を例にして説明すると、上アームドライブ回路３４は、制御部６０からオン駆動信号ｇｕｐが供給されることにより、後述する切替処理により選択された上アームスイッチ３１をオンする。また上アームドライブ回路３４は、オフ駆動信号ｇｕｐが供給されることにより、上アームスイッチ３１をオフする。なお本実施形態では、各相において、各上アームスイッチ３１に対して上アームドライブ回路３４が共通化されている。また、各相において、各下アームスイッチ４１に対して下アームドライブ回路４４が共通化されている。

駆動信号が供給されることにより、各相において、上アームスイッチ３１と下アームスイッチ４１とは、デッドタイムを挟みつつ交互にオンされる。これにより、電気角で位相が互いに１２０°ずつずれた正弦波状の各相電流が流れる。なお本実施形態において、インバータ装置２０は、直流電源５０の直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータ１０に出力する力行運転と、車両の運動エネルギを元にしてモータジェネレータ１０により発電された交流電力を、直流電力に変換して直流電源５０に出力する回生運転とが可能とされている。

先の図１の説明に戻り、インバータ装置２０を構成する切替部６１は、各相の上，下アーム部のそれぞれにおいて、各アームスイッチのうちドレイン電流の流通が許可されるスイッチ（以下「許可スイッチ」という。）の数が、相電流が大きい場合よりも小さい場合の方が少なくなるように、アームスイッチの数を切り替える切替処理を行う。以下、切替処理を行う必要性について説明した後、切替処理の詳細について説明する。

まず、切替処理の必要性について、Ｕ相上アーム部３０Ｕを例にして説明する。

インバータ装置２０の合計損失には、上アームスイッチ３１の導通損失及びスイッチング損失が含まれる。図３（ａ）に、導通損失、スイッチング損失及び合計損失のそれぞれとモータジェネレータ１０に流れる相電流実効値との関係を示す。本実施形態では、導通損失及びスイッチング損失の加算値が合計損失とされている。

導通損失を減らすためには、複数の上アームスイッチ３１のうち許可スイッチの数を多くしたほうがよい。図３（ａ）に、許可スイッチの数が１５個の場合の方が１個の場合よりも導通損失が小さいことを示す。しかしながら、許可スイッチの数を１５個に固定すると、相電流実効値が小さい低電流領域においては、高電流領域と比較して導通損失が小さくなるものの、図３（ａ）に示すようにスイッチング損失はある程度大きくなる。このため、許可スイッチの数を１５個に固定すると、図３（ａ）に示すように、低電流領域における合計損失が高電流領域における合計損失よりもかえって大きくなる。ここで図４（ａ）に、許可スイッチの数が１個，１５個の場合のそれぞれにおける相電流実効値と合計損失との関係を示す。図４（ａ）に示すように、モータジェネレータ１０の運転状態に応じて定まる所定の相電流実効値よりも低電流側において、許可スイッチの数が１５個の場合の合計損失は、１個の場合の合計損失よりも大きくなる。

したがって、相電流が低電流領域にある場合においては、高電流領域にある場合よりも許可スイッチの数を少なくすることによりスイッチング損失の低減を図ることが、合計損失の低減につながる。そこで本実施形態では、上記切替処理を行う。

なお、相電流が小さい低電流領域は、例えば、モータジェネレータ１０に流れる電流がゼロに制御される状況において出現する。ここで電流がゼロに制御される状況は、例えば、力行運転及び回生運転のうち一方から他方にインバータ装置２０の動作が切り替わり、制御量としてのトルクの符号が切り替わる状況である。

また図３（ｂ）には、図３（ａ）の場合よりも電源電圧が低い状態における各損失、相電流実効値、及び許可スイッチの数の関係を示す。さらに図４（ｂ）には、図４（ａ）の場合よりも電源電圧が低い状態における相電流実効値と合計損失との関係を示す。図４（ａ），図４（ｂ）に示すように、許可スイッチの数が１５個の場合の合計損失が１個の場合の合計損失よりも大きくなる相電流実効値の境界は、電源電圧が高い場合よりも低い場合の方が小さくなる。

図５に、本実施形態に係る切替処理の手順を示す。この処理は、切替部６１により実行される。ちなみに切替処理は、各アーム部３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗ，４０Ｕ，４０Ｖ，４０Ｗのそれぞれに対して同様に実行される。このため本実施形態では、Ｕ相上アーム部３０Ｕを例にして切替処理を説明する。

この一連の処理では、まずステップＳ１０において、モータジェネレータ１０に流れる現在の相電流、電圧検出部５３により検出された現在の電源電圧ＶＩＮＶ、及び温度検出部５４により検出されたＵ相上アーム部３０Ｕの各上アームスイッチ３１の現在の温度を取得する。なお、相電流としては、例えば、電流検出部の検出値に基づいて算出された相電流の実効値、又は相電流のピーク値を取得してもよい。

続くステップＳ１２では、許可スイッチ数Ｎｒを１に設定する。

続くステップＳ１４では、許可スイッチ数Ｎｒが、Ｕ相上アーム部３０Ｕを構成する上アームスイッチ３１の数（以下「最大値Ｎｍａｘ」という。）を超えたか否かを判定する。この処理は、許可スイッチ数Ｎｒを様々な値に仮設定した場合における合計損失が全て算出されたか否かを判定するための処理である。

ステップＳ１４において否定判定した場合には、ステップＳ１６に進み、下式（ｅｑ１），（ｅｑ２）で表される上アームスイッチ３１の１つあたりの導通損失ＬｏｓｓＳＷ，ＬｏｓｓＤｉの和に許可スイッチ数Ｎｒを乗算することにより、導通損失ＬｏｓｓＡを算出する。

上式（ｅｑ１）の導通損失ＬｏｓｓＳＷは、上アームスイッチ３１にドレイン電流が流れることで発生する所定期間（例えば、１電気角周期）あたりの導通損失であるＳＷ導通損失を示す。上式（ｅｑ２）の導通損失ＬｏｓｓＤｉは、上アームダイオード３３に順方向電流が流れることで発生する上記所定期間あたりの導通損失であるＤｉ導通損失を示す。上式（ｅｑ１），（ｅｑ２）において、Ｄは、上アームスイッチ３１の１スイッチング周期Ｔｓｗに対するオン時間Ｔｏｎの比率であるデューティ比「Ｔｏｎ／Ｔｓｗ」を示し、θはインバータ装置２０の力率を示す。力率θは、モータジェネレータ１０に流れる電流とモータジェネレータ１０に印加される電圧との位相差を把握できる情報、すなわち、モータジェネレータ１０の電流情報と、モータジェネレータ１０の電圧情報とに基づいて算出されればよい。ここで電流情報としては、例えば、電流検出部の検出値を用いたり、電流検出部の検出値に基づいて算出されたモータジェネレータ１０の制御用の電流情報（例えばモータジェネレータ１０のｄ，ｑ軸電流）を用いたりすることができる。また電圧情報としては、例えば、インバータ装置２０の出力電圧（例えば相電圧）を検出する出力電圧検出部がインバータ装置２０に備えられる場合において出力電圧検出部の検出値を用いたり、電源電圧ＶＩＮＶに基づいて算出されたモータジェネレータ１０の制御用の電圧情報（例えばモータジェネレータ１０のｄ，ｑ軸電圧）を用いたりすることができる。

また上式（ｅｑ１）の右辺のＬｂＳＷは、ＳＷ導通損失の基本量を示し、上式（ｅｑ２）の右辺のＬｂＤｉは、Ｄｉ導通損失の基本量を示す。ＳＷ導通損失の基本量ＬｂＳＷ及びＤｉ導通損失の基本量ＬｂＤｉは、図６（ａ）に示すように、ステップＳ１０で取得した相電流が大きかったり、電源電圧ＶＩＮＶが高かったり、上アームスイッチ３１の温度が高かったりするほど大きく算出される。なお、各導通損失ＬｂＳＷ，ＬｂＤｉは、各導通損失ＬｂＳＷ，ＬｂＤｉと相電流、電源電圧及び温度とが関係付けられた３次元マップを用いて算出されればよい。

なお図７に、Ｕ相上アーム部３０Ｕに対応する相電流と素子電流との推移を示す。ここで素子電流は、上アームスイッチ３１又は上アームダイオード３３に流れる電流のことである。なお図７（ａ）では、Ｕ相接続点ＰＵからＵ相コイルに向かう方向の電流を正と定義している。また図７（ｂ）では、上アームスイッチ３１を介して相電流が流れる期間を「ＳＷ」として示し、上アームダイオード３３を介して相電流が流れる期間を「Ｄｉ」として示している。

先の図５の説明に戻り、続くステップＳ１８では、下式（ｅｑ３），（ｅｑ４），（ｅｑ５）で表される上アームスイッチ３１の１つあたりのスイッチング損失ＬｏｓｓＯＮ，ＬｏｓｓＯＦＦ，ＬｏｓｓＲの和に許可スイッチ数Ｎｒを乗算することにより、スイッチング損失ＬｏｓｓＢを算出する。

上式（ｅｑ３）のスイッチング損失ＬｏｓｓＯＮは、上アームスイッチ３１がオフからオンに切り替えられることで発生する上記所定期間あたりのスイッチング損失であるＯＮ損失を示す。上式（ｅｑ４）のスイッチング損失ＬｏｓｓＯＦＦは、上アームスイッチ３１がオンからオフに切り替えられることで発生する上記所定期間あたりのスイッチング損失であるＯＦＦ損失を示す。上式（ｅｑ５）のスイッチング損失ＬｏｓｓＲは、上アームダイオード３３にリカバリ電流が流れることに起因して発生するリカバリ損失を示す。上式（ｅｑ３）〜（ｅｑ５）において、ｆは、上記所定期間あたりの上アームスイッチ３１のスイッチング回数を示す。

また上式（ｅｑ３）の右辺のＬｂＯＮは、ＯＮ損失の基本量を示し、上式（ｅｑ４）の右辺のＬｂＯＦＦは、ＯＦＦ損失の基本量を示し、上式（ｅｑ５）の右辺のＬｂＲは、リカバリ損失の基本量を示す。ＯＮ損失の基本量ＬｂＯＮ及びＯＦＦ損失の基本量ＬｂＯＦＦは、図６（ｂ）に示すように、ステップＳ１０で取得した相電流が大きかったり、電源電圧ＶＩＮＶが高かったり、上アームスイッチ３１の温度が高かったりするほど大きく算出される。なお、各損失ＬｂＯＮ，ＬｂＯＦＦは、各損失ＬｂＯＮ，ＬｂＯＦＦと相電流、電源電圧及び温度とが関係付けられた３次元マップを用いて算出されればよい。また、リカバリ損失の基本量ＬｂＲは、図６（ｃ）に示すように、ステップＳ１０で取得した相電流が大きかったり、電源電圧ＶＩＮＶが高かったりするほど大きく算出される。リカバリ損失の基本量ＬｂＲは、この基本量ＬｂＲと相電流及び電源電圧とが関係付けられた２次元マップを用いて算出されればよい。

ちなみに、上述した各基本量ＬｂＳｗ，ＬｂＤｉ，ＬｂＯＮ，ＬｂＯＦＦ，Ｌｂｒは、例えば、相電流の１周期における各損失の積分値として算出されればよい。

先の図５の説明に戻り、続くステップＳ２０では、ステップＳ１６で算出した導通損失ＬｏｓｓＡと、ステップＳ１８で算出したスイッチング損失ＬｏｓｓＢとを加算することにより、合計損失を算出する。続くステップＳ２２では、許可スイッチ数Ｎｒを１インクリメントする。その後、ステップＳ１４に戻る。

ステップＳ１４において肯定判定した場合には、許可スイッチ数Ｎｒが最大値Ｎｍａｘを超えたと判定し、ステップＳ２４に進む。ステップＳ２４では、ステップＳ１４〜Ｓ２２において仮設定された各許可スイッチ数Ｎｒに対して算出した合計損失のうち、合計損失が最小となる許可スイッチ数を選択する。図８に、合計損失がある許可スイッチ数において最小となることを示す。

続くステップＳ２６では、ステップＳ２４で選択した許可スイッチ数だけ上アーム切替スイッチ３２をオンさせる。

図９（ａ）に、モータジェネレータ１０の回転速度及びトルクに対応する合計損失の低減効果を示す。合計損失の低減効果は、各アーム部のアームスイッチを全て使用する場合に対応する図９（ｂ）に示す合計損失から、切替処理によって使用するアームスイッチを可変とする場合に対応する図９（ｃ）に示す合計損失を減算した値である。

図９（ａ）に示すように、回転速度によらず、トルクが小さい領域、すなわち低電流領域において合計損失の低減効果が大きくなっている。なお図９（ｄ）には、切替処理により選択された許可スイッチ数Ｎｒを示した。合計損失が最小となる許可スイッチ数Ｎｒは、回転速度によらず、トルクが小さいほど少なくなっている。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。

各上アーム部３０Ｕ，３０Ｖ，３０Ｗにおいて、相電流が小さいほどオンさせる上アーム切替スイッチ３２を少なくした。また、各下アーム部４０Ｕ，４０Ｖ，４０Ｗにおいて、相電流が小さいほどオンさせる下アーム切替スイッチ４２を少なくした。この構成によれば、各アーム部において、アームスイッチの並列接続数を変更できる。このため、相電流が低電流領域にある場合であっても、スイッチング損失を低減でき、ひいてはインバータ装置２０の合計損失を低減することができる。特に本実施形態では、上，下アーム切替スイッチ３２，４２の操作状態の変更により許可スイッチの数を切り替えたため、オンされていない切替スイッチ３２，４２に対応するダイオード３３，４３に電流が流れることを防止できる。これにより、スイッチング損失のうち上式（ｅｑ５）で表されるリカバリ損失ＬｏｓｓＲと、導通損失のうち上式（ｅｑ２）で表されるＤｉ導通損失ＬｏｓｓＤｉとを低減でき、低電流領域における合計損失の低減効果を大きくできる。

許可スイッチ数Ｎｒを様々な値に仮設定した場合において、合計損失が最小となる許可スイッチ数Ｎｒだけ各アーム部の切替スイッチ３２，４２をオンさせた。これにより、合計損失の低減効果をより大きくできる。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態について、上記第１実施形態との相違点を中心に図１０を参照しつつ説明する。本実施形態では、許可スイッチの数の算出手法を変更する。本実施形態では、各アーム部が互いに同様の構成であるため、Ｕ相上アーム部３０Ｕを例にして説明する。なお図１０において、先の図２に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。

図示されるように、Ｕ相上アーム部３０Ｕには、上アーム切替スイッチ３２が設けられていない。このため、各上アームスイッチ３１のドレインには、正極母線Ｌｐが直接接続されている。

各上アームスイッチ３１には、個別に上アームドライブ回路３５が設けられている。各上アームドライブ回路３５には、出力判定部３６を介して制御部６０から駆動信号ｇｕｐが供給される。

続いて、本実施形態に係る切替処理について、上記第１実施形態の図６に示した切替処理との相違点を中心に説明する。

本実施形態では、図５のステップＳ１６の処理を以下のように変更する。詳しくは、上式（ｅｑ１）で表されるＳＷ導通損失に許可スイッチ数Ｎｒを乗算した値と、上式（ｅｑ２）で表されるＤｉ導通損失に最大値Ｎｍａｘ（１５個）を乗算した値とを加算することにより、導通損失ＬｏｓｓＡを算出する。これは、本実施形態に係る切替処理では、ダイオード３３，４３に電流が流れることを防止できないためである。

また、ステップＳ１８の処理を以下のように変更する。詳しくは、上式（ｅｑ３），（ｅｑ４）で表されるＯＮ損失，ＯＦＦ損失に許可スイッチ数Ｎｒを乗算した値と、上式（ｅｑ５）で表されるリカバリ損失に最大値Ｎｍａｘを乗算した値とを加算することにより、スイッチング損失ＬｏｓｓＢを算出する。これは、導通損失の算出処理で説明したのと同様に、本実施形態ではダイオード３３，４３に電流が流れることを防止できないためである。

また、ステップＳ２６の処理を以下のように変更する。詳しくは、切替部６１は、各上アームドライブ回路３５のうち、ステップＳ２４で選択した許可スイッチ数Ｎｒの上アームドライブ回路３５にだけオン，オフ駆動信号ｇｕｐが供給されるように出力判定部３６を制御する。すなわち、出力判定部３６は、駆動信号ｇｕｐを供給する上アームドライブ回路３５の数を切り替えることにより、オン可能な上アームスイッチ３１の数を切り替える。

以上説明した本実施形態によれば、上記第１実施形態で得られる効果に準じた効果を得ることができる。

（第３実施形態）
以下、第３実施形態について、上記第１実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、温度検出部５４の検出値に基づいて、許可スイッチを選択する。本実施形態では、各アーム部が互いに同様の構成であるため、Ｕ相上アーム部３０Ｕを例にして説明する。

図１１に、本実施形態に係る切替処理の手順を示す。なお図１１において、先の図５に示した処理と同一の処理については、便宜上、同一の符号を付している。

この一連の処理では、ステップＳ２４の処理の完了後、ステップＳ２８に進む。ステップＳ２８では、選択した許可スイッチ数Ｎｒが最大値Ｎｍａｘ未満の場合、許可スイッチを、各上アームスイッチ３１のうちステップＳ１０で取得した温度の低いスイッチから順に選択する。この処理は、上アームスイッチ３１や上アームダイオード３３が複数選択される場合において、各上アームスイッチ３１や各上アームダイオード３３に均等に損失が発生せず、損失が集中した上アームスイッチ３１や上アームダイオード３３の温度が他の上アームスイッチ３１や上アームダイオード３３の温度よりも高くなることに鑑みて設けられる処理である。ステップＳ２８の処理によれば、発生する熱を分散でき、一部の上アームスイッチ３１や上アームダイオード３３の温度が過度に高くなることを防止できる。

続くステップＳ２６では、ステップＳ２８で選択した上アームスイッチ３１に直列接続された上アーム切替スイッチ３２をオンさせる。なお、ステップＳ２４で選択した許可スイッチ数Ｎｒが最大値Ｎｍａｘの場合、ステップＳ２８の処理をとばしてステップＳ２６に移行すればよい。

以上説明した本実施形態によれば、一部の上アームスイッチ３１や上アームダイオード３３の温度が過度に高くなることを防止できる。

（第４実施形態）
以下、第４実施形態について、上記第３実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、制御システムに温度検出部５４が設けられていない。このため、許可スイッチの選択手法を変更する。本実施形態では、各アーム部が互いに同様の構成であるため、Ｕ相上アーム部３０Ｕを例にして説明する。また本実施形態では、説明の便宜上、最大値Ｎｍａｘが４個の場合を例にして説明する。

切替部６１は、合計損失が最小となる許可スイッチ数Ｎｒが最大値Ｎｍａｘ未満の場合、各上アームスイッチ３１のうち許可スイッチとして選択するスイッチを所定周期Ｔｐｄ毎に順次変更する。これにより、許可スイッチとして選択される上アームスイッチ３１の組み合わせが一巡する規定期間における各上アームスイッチ３１の使用回数を均等化する。規定期間は、例えば、許可スイッチとして選択される上アームスイッチ３１の組み合わせ数に所定周期Ｔｐｄを乗算した期間である。図１２には、４個の上アームスイッチ３１をＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４とし、許可スイッチ数Ｎｒが１，２，３個の場合において組み合わせ数が４つである選択手法を示した。

以上説明した本実施形態によっても、一部の上アームスイッチ３１や上アームダイオード３３の温度が過度に高くなることを防止できる。

（その他の実施形態）
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

・上記第１実施形態では、許可スイッチ数Ｎｒを様々な値に仮設定した場合の合計損失を算出し、算出した合計損失に基づいて、合計損失が最小となる許可スイッチ数Ｎｒを選択したがこれに限らない。例えば以下の手法を採用してもよい。

モータジェネレータ１０の動作点と関係付けられて合計損失が最小となる許可スイッチ数が規定されたマップ情報が、インバータ装置２０の備える記憶部（メモリ）に記憶されている（先の図９（ｄ）参照）。ここで動作点には、具体的には例えば、制御量の指令値であって相電流と相関を有するトルク指令値と、モータジェネレータ１０の回転速度とが含まれる。この構成において、取得したトルク指令値及び回転速度に対応する許可スイッチ数をマップ情報から選択してもよい。この構成によれば、許可スイッチ数を定める処理を簡素化でき、インバータ装置２０のコストの低減を図ることができる。なお、上記動作点に、電源電圧及びスイッチの温度の少なくとも一方を含めてもよい。動作点に電源電圧及びスイッチの温度がさらに含まれる場合、取得したトルク指令値、回転速度、電源電圧及びスイッチの温度に対応して、かつ、合計損失が最小となる許可スイッチ数をマップ情報から選択することとなる。

・上記第１実施形態の図５のステップＳ２４において、合計損失が最小値よりもやや大きい値に対応する許可スイッチ数Ｎｒを選択してもよい。

・上記第１実施形態では、仮設定される許可スイッチ数Ｎｒを１から最大値Ｎｍａｘまでとしたがこれに限らない。例えば、合計損失が最小となる許可スイッチ数Ｎｒがどの程度になるかを見積もれる場合、１から最大値Ｎｍａｘまでの数のうち一部の数を省いて許可スイッチ数Ｎｒを仮設定してもよい。

・上記第１実施形態では、上，下アームスイッチ３１，４１のドレイン側だけに上，下アーム切替スイッチ３２，４２を接続したがこれに限らない。例えば、上，下アームスイッチ３１，４１のソース側だけに上，下アーム切替スイッチ３２，４２を接続したり、上，下アームスイッチ３１，４１のドレイン及びソースの双方に上，下アーム切替スイッチ３２，４２を接続したりしてもよい。

・上記第１実施形態において、上式（ｅｑ１）〜（ｅｑ４）で表される各損失の基本量ＬｂＳＷ，ＬｂＤｉ，ＬｂＯＮ，ＬｂＯＦＦのうち少なくとも１つを、電源電圧又はスイッチの温度を用いずに算出してもよい。また、上式（ｅｑ５）で表されるリカバリ損失の基本量ＬｂＲを、電源電圧を用いずに算出してもよい。

・上記第１実施形態では、許可スイッチの数を３段階以上の電流領域で切り替えたがこれに限らず、例えば２段階の電流領域で切り替えてもよい。

・上記第１実施形態において、上アームスイッチの数と下アームスイッチの数とが異なっていてもよい。

・上記第１実施形態の例えばＵ相上アーム部３０Ｕでは、各上アームスイッチ３１に上アーム切替スイッチ３２を個別に設けたがこれに限らない。例えば、各上アームスイッチ３１のうち、一部であってかつ少なくとも１つの上アームスイッチ３１に対応した上アーム切替スイッチ３２を設けなくてもよい。

・インバータ装置としては、２レベルインバータに限らず、３レベル以上のマルチレベルインバータ装置であってもよい。ここで、例えば３レベルインバータ装置としては、中性点クランプ型のものや、Ｔ型のものを用いることができる。以下、図１３を用いて、中性点クランプ型の３レベルインバータ装置について説明する。なお図１３において、先の図１に示した構成と同一の構成については、便宜上、同一の符号を付している。

図示されるように、インバータ装置７０において、第１コンデンサ７１と第２コンデンサ７２とは、直列接続されている。第１，第２コンデンサ７１，７２の直列接続体には、直流電源５０が並列接続されている。なお以降、第１コンデンサ７１と第２コンデンサ７２との接続点を中性点Ｏと称すこととする。

インバータ装置７０は、Ｕ相第１，第２上アーム部８０Ｕ，８１Ｕ、Ｕ相第１，第２下アーム部９０Ｕ，９１Ｕ、Ｖ相第１，第２上アーム部８０Ｖ，８１Ｖ、Ｖ相第１，第２下アーム部９０Ｖ，９１Ｖ、Ｗ相第１，第２上アーム部８０Ｗ，８１Ｗ、及びＷ相第１，第２下アーム部９０Ｗ，９１Ｗを備えている。各相において、第１上アーム部と第２上アーム部とは直列接続され、第１下アーム部と第２下アーム部とは直列接続されている。なお各アーム部は、例えば図２に示すアーム部の構成とすればよい。

Ｕ相第２上アーム部８１ＵとＵ相第１下アーム部９０Ｕとの接続点であるＵ相接続点ＰＵには、モータジェネレータ１０のＵ相コイルの第１端が接続されている。また、Ｕ相第１上アーム部８０ＵとＵ相第２上アーム部８１Ｕとの接続点には、第１クランプダイオードＤｃ１のカソードが接続され、第１クランプダイオードＤｃ１のアノードには、第２クランプダイオードＤｃ２のカソードが接続されている。第２クランプダイオードＤｃ２のアノードには、Ｕ相第１下アーム部９０ＵとＵ相第２下アーム部９１Ｕとの接続点が接続されている。

Ｖ相第２上アーム部８１ＶとＶ相第１下アーム部９０Ｖとの接続点であるＶ相接続点ＰＶには、Ｖ相コイルの第１端が接続されている。また、Ｖ相第１上アーム部８０ＶとＶ相第２上アーム部８１Ｖとの接続点には、第３クランプダイオードＤｃ３のカソードが接続され、第３クランプダイオードＤｃ３のアノードには、第４クランプダイオードＤｃ４のカソードが接続されている。第４クランプダイオードＤｃ４のアノードには、Ｖ相第１下アーム部９０ＶとＶ相第２下アーム部９１Ｖとの接続点が接続されている。

Ｗ相第２上アーム部８１ＷとＷ相第１下アーム部９０Ｗとの接続点であるＷ相接続点ＰＷには、Ｗ相コイルの第１端が接続されている。また、Ｗ相第１上アーム部８０ＷとＷ相第２上アーム部８１Ｗとの接続点には、第５クランプダイオードＤｃ５のカソードが接続され、第５クランプダイオードＤｃ５のアノードには、第６クランプダイオードＤｃ６のカソードが接続されている。第６クランプダイオードＤｃ６のアノードには、Ｗ相第１下アーム部９０ＷとＷ相第２下アーム部９１Ｗとの接続点が接続されている。

第１クランプダイオードＤｃ１及び第２クランプダイオードＤｃ２の接続点、第３クランプダイオードＤｃ３及び第４クランプダイオードＤｃ４の接続点、並びに第５クランプダイオードＤｃ５及び第６クランプダイオードＤｃ６の接続点には、中性点Ｏが接続されている。

以上説明したインバータ装置７０に対して切替処理を適用することによっても、低電流領域における合計損失の低減効果を得ることができる。

・インバータ装置としては、車両に搭載されるものに限らない。

・各アーム部を構成する上，下アームスイッチとしては、ＭＯＳＦＥＴに限らず、例えば、入出力端子としてコレクタ及びエミッタを備えるＩＧＢＴであってもよい。この場合、各ＩＧＢＴにフリーホイールダイオードを逆並列に接続すればよい。

・モータジェネレータとしては、Ｙ結線されたものに限らず、Δ結線されたものであってもよい。また、モータジェネレータの制御量としては、トルクに限らず、例えば回転速度であってもよい。さらにモータジェネレータとしては、同期機に限らない。

２０…インバータ装置、３０Ｕ〜３０Ｗ…上アーム部、４０Ｕ〜４０Ｗ…下アーム部、６１…切替部。

Claims (10)

1. 上アーム部（３０Ｕ〜３０Ｗ；８０Ｕ〜８０Ｗ，８１Ｕ〜８１Ｗ）及び下アーム部（４０Ｕ〜４０Ｗ；９０Ｕ〜９０Ｗ，９１Ｕ〜９１Ｗ）を備え、前記上アーム部及び前記下アーム部のそれぞれが複数のスイッチ（３１，４１）の並列接続体を有するインバータ装置（２０；７０）において、
   前記上アーム部及び前記下アーム部のそれぞれにおいて前記各スイッチのうち該スイッチの入出力端子間の電流の流通が許可されるスイッチの数が、前記上アーム部及び前記下アーム部のそれぞれに流れる電流が大きい場合よりも小さい場合の方が少なくなるように、前記許可されるスイッチの数を切り替える切替部（６１）を備えることを特徴とするインバータ装置。
2. 直流電源（５０）の正極端子に接続された正極母線（Ｌｐ）と、
   前記直流電源の負極端子に接続された負極母線（Ｌｎ）と、
   前記上アーム部（３０Ｕ〜３０Ｗ）を構成する前記スイッチである上アームスイッチ（３１）に逆並列に接続された上アームダイオード（３３）と、
   前記下アーム部（４０Ｕ〜４０Ｗ）を構成する前記スイッチである下アームスイッチ（４１）に逆並列に接続された下アームダイオード（４３）と、
   前記上アームスイッチの入出力端子の少なくとも一方の端子に接続されて、かつ、前記上アーム部及び前記下アーム部の接続点（ＰＵ，ＰＶ，ＰＷ）と前記正極母線との双方に接続される前記上アームスイッチの数を切り替える上アーム切替スイッチ（３２）と、
   前記下アームスイッチの入出力端子の少なくとも一方の端子に接続されて、かつ、前記接続点と前記負極母線との双方に接続される前記下アームスイッチの数を切り替える下アーム切替スイッチ（４２）と、を備え、
   前記切替部は、前記各上アームスイッチのうち前記許可される上アームスイッチの数が、前記上アーム部に流れる電流が大きい場合よりも小さい場合の方が少なくなるように、前記上アーム切替スイッチの操作状態を切り替えることにより前記許可される上アームスイッチの数を切り替え、また、前記各下アームスイッチのうち前記許可される下アームスイッチの数が、前記下アーム部に流れる電流が大きい場合よりも小さい場合の方が少なくなるように、前記下アーム切替スイッチの操作状態を切り替えることにより前記許可される下アームスイッチの数を切り替える請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記切替部は、オン駆動信号を供給する前記スイッチの数を切り替えることにより、前記各スイッチのうち前記許可されるスイッチの数を切り替える請求項１に記載のインバータ装置。
4. 前記インバータ装置の電源電圧及び前記スイッチの温度のうち少なくとも一方が算出パラメータとして定義されており、
   前記上アーム部及び前記下アーム部のそれぞれに流れる電流と、前記算出パラメータとに基づいて、前記許可されるスイッチの数を様々な値に仮設定した場合のそれぞれにおいて前記インバータ装置の合計損失を算出する合計損失算出部（６１）と、
   前記合計損失算出部により算出された合計損失に対応する前記スイッチの数を算出するスイッチ数算出部（６１）と、を備え、
   前記切替部は、前記各スイッチのうち前記許可されるスイッチの数が、前記スイッチ数算出部により算出された数となるように、前記許可されるスイッチの数を切り替える請求項１〜３のいずれか１項に記載のインバータ装置。
5. 前記スイッチ数算出部は、前記合計損失算出部により算出された合計損失のうち、その値が最小となる前記スイッチの数を算出する請求項４に記載のインバータ装置。
6. 前記上アーム部及び前記下アーム部のそれぞれに流れる電流と関係付けられて前記許可されるスイッチの数が規定された情報が記憶されている記憶部と、
   前記記憶部に記憶されている情報に基づいて、前記上アーム部及び前記下アーム部のそれぞれに流れる電流に対応する前記許可されるスイッチの数を算出するスイッチ数算出部（６１）と、を備え、
   前記切替部は、前記各スイッチのうち前記許可されるスイッチの数が、前記スイッチ数算出部により算出された数となるように、前記許可されるスイッチの数を切り替える請求項１〜３のいずれか１項に記載のインバータ装置。
7. 前記各スイッチの温度を取得する温度取得部（６１）を備え、
   前記切替部は、前記上アーム部及び前記下アーム部のそれぞれにおいて該アーム部を構成する前記スイッチの数よりも前記許可されるスイッチの数が少ない場合、前記各スイッチのうち前記温度取得部により取得した温度の低いスイッチから順に前記許可されるスイッチを選択する請求項１〜６のいずれか１項に記載のインバータ装置。
8. 前記切替部は、前記上アーム部及び前記下アーム部のそれぞれにおいて該アーム部を構成する前記スイッチの数よりも前記許可されるスイッチの数が少ない場合、前記各スイッチのうち前記許可されるスイッチとして選択するスイッチを順次変更する請求項１〜６のいずれか１項に記載のインバータ装置。
9. 前記インバータ装置は、２レベルインバータ装置である請求項１〜８のいずれか１項に記載のインバータ装置。
10. 前記上アーム部と前記下アーム部との接続点（ＰＵ，ＰＶ，ＰＷ）には、回転電機（１０）のステータ巻線が接続されている請求項１〜９のいずれか１項に記載のインバータ装置。