JP2018157725A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】装置全体としてさらなる小型化を図ることが可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置は、入力される電力の力率を改善して出力する力率改善部と、力率改善部の出力に接続され、力率改善部から出力される電力を平滑化するコンデンサと、コンデンサに接続され、入力される電力を電力変換して出力するＤＣ／ＤＣ変換部と、コンデンサに対してＤＣ／ＤＣ変換部と並列に接続され、入力される電力を電力変換して出力する電力変換部と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、力率改善部および電力変換部を有する電力変換装置に関する。
従来の電気自動車においては、図１に示すように、力率改善部２１０と、ＤＣ／ＤＣ変換部２２０と、電力変換部２３０とを有する電力変換装置２００が知られている。力率改善部２１０およびＤＣ／ＤＣ変換部２２０は、商用電源Ｖ１から出力される交流電力を直流電力に変換してバッテリーＶ２を充電する機能を有する。また、電力変換部２３０は、当該バッテリーＶ２から供給される直流電力を、モーターを駆動する交流電力に変換する機能を有する。
力率改善部２１０、ＤＣ／ＤＣ変換部２２０及び電力変換部２３０は、それぞれ独立した回路として設けられる。力率改善部２１０とＤＣ／ＤＣ変換部２２０との間、ＤＣ／ＤＣ変換部２２０とバッテリーＶ２との間、およびバッテリーＶ２と電力変換部２３０との間には、供給される電力を平滑化するためのコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３が設けられるので、電力変換装置２００が全体として大型化しやすい。
例えば、特許文献１には、ＤＣ／ＤＣ変換部の出力コンデンサと、電力変換部の入力コンデンサとを共用化した電力変換装置が開示されている。これにより、ＤＣ／ＤＣ変換部の出力コンデンサを削減して装置全体としての小型化を図っている。
特開平９−９４１７号公報
しかしながら、ＤＣ／ＤＣ変換部２２０の出力は、バッテリーＶ２の充電のために用いられるので、ＤＣ／ＤＣ変換部２２０の出力コンデンサＣ２の容量は、力率改善部２１０による脈動を平滑するコンデンサＣ１、および、電力変換部２３０による脈動を平滑するコンデンサＣ３の容量よりも比較的小さい容量となる。つまり、特許文献１に記載の構成では、比較的小さな容量であるＤＣ／ＤＣ変換部２２０の出力コンデンサＣ２しか削減できないため、装置全体を小型化する観点から一定の限界のある構成となっていた。
本発明の目的は、装置全体としてさらなる小型化を図ることが可能な電力変換装置を提供することである。
本発明に係る電力変換装置は、
入力される電力の力率を改善して出力する力率改善部と、
前記力率改善部の出力側に接続され、前記力率改善部から出力される電力を平滑化するコンデンサと、
前記コンデンサに接続され、入力される電力を電力変換して出力するＤＣ／ＤＣ変換部と、
前記コンデンサに対して前記ＤＣ／ＤＣ変換部と並列に接続され、入力される電力を電力変換して出力する電力変換部と、
を備える。
本発明によれば、装置全体としてさらなる小型化を図ることができる。
従来の電力変換装置を示す図である。 本実施の形態に係る電力変換装置を示す図である。 本実施の形態に係る電力変換装置を示す図である。 変形例に係る電力変換装置を示す図である。 変形例に係る電力変換装置を示す図である。 切替部を有しない電力変換装置を示す図である。
以下、本実施の形態について図面を参照して説明する。図２および図３は、本実施の形態に係る電力変換装置１を示す図である。
図２に示すように、電力変換装置１は、外部電源１０から供給される電力を電力変換してバッテリー１１を充電する機能及び充電した電力を電力変換してモーター１２に供給する機能を有する。電力変換装置１は、整流部２０と、力率改善部３０と、制御部４０と、突入電流防止部５０と、コンデンサ６０と、ＤＣ／ＤＣ変換部７０と、切替部８０と、電力変換部９０とを備える。制御部４０は、力率改善部３０、突入電流防止部５０、ＤＣ／ＤＣ変換部７０、切替部８０、および電力変換部９０を制御するＣＰＵ等で構成される。なお、制御部４０は複数のＣＰＵ等によって構成されていても良い。
整流部２０は、４つのダイオード２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄからなるダイオードブリッジ回路を有する。整流部２０は、外部電源１０から受電した交流電力を全波整流して直流電力に変換し、力率改善部３０に出力する。
力率改善部３０は、入力される電力の力率を改善する機能、及び、入力される電力を昇圧する機能を有する回路であり、チョークコイル３１と、スイッチングトランジスタ３２と、ダイオード３３とを有する。
力率改善部３０は、制御部４０の制御の下、スイッチングトランジスタ３２がオンオフ制御されることにより、整流部２０から入力された直流電力の力率を改善するとともに、当該直流電力を昇圧する。
突入電流防止部５０は、突入電流を防止するための回路であり、力率改善部３０の出力に接続されるとともにコンデンサ６０に接続される。電力変換装置１の動作開始時においては、コンデンサ６０に電荷がチャージされていないため、力率改善部３０から直流電力が出力されると、過剰な電流（突入電流）が流れてしまう。しかし、突入電流防止部５０が力率改善部３０の出力に接続されることにより、力率改善部３０の動作開始時、および、電力変換部９０の動作開始時における突入電流が防止される。
コンデンサ６０は、突入電流防止部５０を介して力率改善部３０の出力側に接続され、力率改善部３０が出力する直流電力を平滑化する。当該直流電力は、力率改善部３０により昇圧されているため、コンデンサ６０は比較的大容量のものとなる。
ＤＣ／ＤＣ変換部７０は、制御部４０の制御の下、力率改善部３０の出力を、バッテリー１１に充電可能な電力に変換する回路であり、突入電流防止部５０およびコンデンサ６０を介して力率改善部３０の出力に接続されている。
ＤＣ／ＤＣ変換部７０は、スイッチングトランジスタ７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃ，７１Ｄと、トランス１次側巻線７２と、トランス２次側巻線７３と、ダイオード７４Ａ，７４Ｂ，７４Ｃ，７４Ｄと、コイル７５と、コンデンサ７６とを有する。
各スイッチングトランジスタ７１Ａ〜７１Ｄには、制御部４０の制御信号が入力され、各スイッチングトランジスタ７１Ａ〜７１Ｄは、当該制御信号により、選択的にオンオフ動作する。これにより、力率改善部３０から出力された直流電力が交流電力に変換されてトランス１次側巻線７２に入力される。
トランス１次側巻線７２は、スイッチングトランジスタ７１Ａ〜７１Ｄにより出力された交流電力をトランス２次側巻線７３に送電する。トランス２次側巻線７３は、トランス１次側巻線７２より送電された交流電力をダイオード７４Ａ〜７４Ｄに出力する。
ダイオード７４Ａ〜７４Ｄは、ダイオードブリッジ回路を構成し、トランス２次側巻線７３から入力された交流電力を直流電力に整流する。ダイオード７４Ａ〜７４Ｄから出力された直流電力は、コイル７５およびコンデンサ７６を経由してバッテリー１１に出力される。これにより、バッテリー１１が充電される。
バッテリー１１は、切替部８０を介して力率改善部３０の出力に接続されている。具体的には、バッテリー１１のソース側は第１スイッチ８１を介して力率改善部３０のソース側の出力に接続され、バッテリー１１のシンク側は第２スイッチ８２を介して力率改善部３０のシンク側の出力に接続されている。
切替部８０は、制御部４０の制御の下、バッテリー１１、つまり、ＤＣ／ＤＣ変換部７０の出力と、力率改善部３０の出力とを接続状態（図３参照）および非接続状態の何れかに切り替える。
具体的には、バッテリー１１に充電する場合、切替部８０をオフにした状態で、力率改善部３０とＤＣ／ＤＣ変換部７０を駆動することにより、図２の矢印の経路によりバッテリー１１が充電される。この際、力率改善部３０の出力とバッテリー１１とは非接続状態となるため、力率改善部３０の出力がＤＣ／ＤＣ変換部７０を介さずにバッテリー１１に供給されることはない。
また、図３に示すように、バッテリー１１の電力をモーター１２に供給する場合、切替部８０をオンにすることにより、バッテリー１１と力率改善部３０の出力（突入電流防止部５０を介したコンデンサ６０）とが接続状態となる。この際、力率改善部３０のダイオード３３により、バッテリー１１の電力が力率改善部３０へは供給されない。
また、力率改善部３０の出力には、突入電流防止部５０およびコンデンサ６０を介して電力変換部９０が接続されている。別の言い方をすると、電力変換部９０は、コンデンサ６０に対して、ＤＣ／ＤＣ変換部７０と並列に接続されている。
電力変換部９０は、バッテリー１１から出力され、コンデンサ６０により平滑化された直流電力を交流電力に変換してモーター１２に出力する三相ブリッジインバータ回路である。
電力変換部９０は、例えば、Ｕ相アームを構成するスイッチングトランジスタ９１Ａ，９１Ｂと、Ｖ相アームを構成するスイッチングトランジスタ９１Ｃ，９１Ｄと、Ｗ相アームを構成するスイッチングトランジスタ９１Ｅ，９１Ｆとを有する。
各スイッチングトランジスタ９１Ａ〜９１Ｆには、制御部４０の制御信号が入力され、各スイッチングトランジスタ９１Ａ〜９１Ｆは、当該制御信号により、選択的にオンオフ動作する。これにより、図３の矢印の経路により、モーター１２に三相交流電力が入力される。
このように切替部８０を制御することにより、コンデンサ６０を、力率改善部３０から出力された電力を平滑化する場合と、電力変換部９０に入力される電力を平滑化する場合とに切り替えて用いることができる。すなわち、力率改善部３０の出力用コンデンサと、電力変換部９０の入力用コンデンサとをコンデンサ６０が兼用されるので、部品点数を削減することができ、ひいては装置全体の小型化を図ることができる。
また、特許文献１に記載の構成においては、ＤＣ／ＤＣ変換部の出力用コンデンサと、電力変換部の入力コンデンサとを兼用する構成となっているが、当該構成において削減できるのは、比較的小さな容量のＤＣ／ＤＣ変換部の出力用コンデンサである。より具体的には、コンデンサを兼用する場合には、当該コンデンサの容量を、兼用するコンデンサのうち、大きな容量のコンデンサに合わせる必要があるため、比較的小さな容量のＤＣ／ＤＣ変換部の出力用コンデンサが削減される形となる。一方、力率改善部は、出力する電力を昇圧する機能を有するため、その出力コンデンサは比較的容量を大きくする必要がある。また、電力変換部の入力コンデンサは、モーターの駆動範囲に応じて比較的容量を大きくする必要が生じる。そのため、特許文献１に記載の構成においては、装置全体の小型化の観点から一定の限界のある構成である。
しかし、本実施の形態では、力率改善部３０の出力コンデンサと、電力変換部９０の入力コンデンサとを、コンデンサ６０により兼用する。つまり、ＤＣ／ＤＣ変換部７０のコンデンサ７６よりも大きな容量を有する力率改善部３０の出力コンデンサと、電力変換部９０の入力コンデンサとが兼用されることにより、電力変換装置１全体の容量値を顕著に削減でき、装置全体としてさらなる小型化を図ることができる。
ところで、ＤＣ／ＤＣ変換部７０および電力変換部９０は、コンデンサ６０に対して並列に接続されている。そのため、図２および図３に示すように、切替部８０を非接続状態とした場合、電力変換部９０側にも力率改善部３０の出力電力が供給されるとともに、切替部８０を接続状態とした場合、ＤＣ／ＤＣ変換部７０側にバッテリー１１の出力電力が供給される可能性がある。
そこで、本実施の形態では、制御部４０は、切替部８０を非接続状態とする場合、ＤＣ／ＤＣ変換部７０を動作状態とし、かつ、電力変換部９０を非動作状態とする。また、制御部４０は、切替部８０を接続状態とする場合、ＤＣ／ＤＣ変換部７０を非動作状態とし、かつ、電力変換部９０を動作状態とする。
ここで、ＤＣ／ＤＣ変換部７０の非動作状態とは、スイッチングトランジスタ７１Ａ〜７１Ｄをオフにした状態のことをいう。また、電力変換部９０の非動作状態は、スイッチングトランジスタ９１Ａ〜９１Ｆをオフにした状態のことをいう。
このようにすることで、切替部８０を非接続状態とする場合、外部電源１０からバッテリー１１に充電される矢印の経路（図２参照）のみが適用される一方、切替部８０を接続状態とする場合、バッテリー１１からモーター１２へ電力が供給される経路（図３参照）のみが適用される。そのため、バッテリー１１への充電効率およびモーター１２への電力供給効率を向上させることができる。
また、バッテリー１１からモーター１２へ電力を供給する場合、突入電流防止部５０も兼用できるため、部品点数の削減効果を向上させることができ、ひいては装置全体としてさらなる小型化を図ることができる。
次に、変形例について説明する。図４および図５は、変形例に係る電力変換装置１を示す図である。
上記実施の形態では、バッテリー１１が切替部８０を介して力率改善部３０の出力側に接続されていたが、変形例では、図４に示すように、バッテリー１１が切替部８０を介して力率改善部３０の入力側に接続されている。
具体的には、バッテリー１１のソース側は第１スイッチ８１を介して力率改善部３０のソース側の入力側に接続され、バッテリー１１のシンク側は第２スイッチ８２を介して力率改善部３０のシンク側の入力側に接続されている。
これにより、切替部８０を非接続状態とする場合、外部電源１０からバッテリー１１に充電される矢印の経路（図４参照）のみが用いられる一方、切替部８０を接続状態とする場合、バッテリー１１からモーター１２へ電力が供給される経路（図５参照）のみが用いられる。そのため、変形例においても、バッテリー１１への充電効率およびモーター１２への電力供給効率を向上させることができる。
また、バッテリー１１が切替部８０を介して力率改善部３０の入力に接続されるので、力率改善部３０により、バッテリー１１から供給される電圧を昇圧させることができる。すなわち、変形例では、モーター１２の駆動範囲拡大のために設ける必要がある昇圧部を力率改善部３０で兼用させることができる。そのため、昇圧部を別途設ける必要がなくなるため、部品点数の削減効果をさらに向上させることができ、ひいては装置全体としてさらなる小型化を図ることができる。
上記実施の形態では、ダイオード３３のアノードが入力側に接続され、カソードが出力側に接続されるので、力率改善部３０において切替部８０側からコンデンサ６０側に向かう方向のみに電力を供給可能な構成となっていた。
しかし、変形例では、ダイオード３３に代えてスイッチングトランジスタ３４および回生ダイオード３５が設けられる。そのため、力率改善部３０は、切替部８０側からコンデンサ６０側に向かう方向、および、コンデンサ６０側から切替部８０側に向かう方向の双方向に電力を供給可能に構成されている。
そのため、車両の回生時において、モーター１２を発電機として作動させることで、図５における矢印の逆方向、つまり、モーター１２からバッテリー１１に向けて電力を供給することができる。
なお、上記実施の形態では、切替部８０を介してバッテリー１１からモーター１２への供給経路を確保していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図６に示すように、切替部８０が設けられる配線がない構成であっても良い。
このようにすることで、外部電源１０からの電力をＤＣ／ＤＣ変換部７０側および電力変換部９０側の両方に供給することが可能となる。
また、図６におけるＤＣ／ＤＣ変換部７０は、ダイオード７４Ａ〜７４Ｄからなるダイオードブリッジ回路を有するため、ＤＣ／ＤＣ変換部７０のスイッチングトランジスタ７１Ａ〜７１Ｄ側から、バッテリー１１側の一方向にのみ電力を供給可能な構成である。
そのため、ダイオードブリッジ回路を、スイッチングトランジスタ７１Ａ〜７１Ｄ側からバッテリー１１側に向かう方向、及び、バッテリー１１側からスイッチングトランジスタ７１Ａ〜７１Ｄ側に向かう方向の双方向に電力を供給可能な回路に置き換えることにより、バッテリー１１からモーター１２に向けて電力を供給可能な構成とすることができる。
また、図２〜６の構成において示した回路構成は一例であり、各部における機能を実現可能な他の回路構成に置き換えても構わない。
その他、上記実施の形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
本開示の電力変換装置は、装置全体としてさらなる小型化を図ることが可能な電力変換装置として有用である。
１ 電力変換装置
１０ 外部電源
１１ バッテリー
１２ モーター
２０ 整流部
３０ 力率改善部
４０ 制御部
５０ 突入電流防止部
６０ コンデンサ
７０ ＤＣ／ＤＣ変換部
８０ 切替部
９０ 電力変換部

Claims (4)

  1. 入力される電力の力率を改善して出力する力率改善部と、
    前記力率改善部の出力側に接続され、前記力率改善部から出力される電力を平滑化するコンデンサと、
    前記コンデンサに接続され、入力される電力を電力変換して出力するＤＣ／ＤＣ変換部と、
    前記コンデンサに対して前記ＤＣ／ＤＣ変換部と並列に接続され、入力される電力を電力変換して出力する電力変換部と、
    を備える電力変換装置。
  2. 前記ＤＣ／ＤＣ変換部の出力側と、前記力率改善部の入力側、又は、出力側とを接続状態および非接続状態の何れかに切り替える切替部と、
    前記ＤＣ／ＤＣ変換部および前記電力変換部のそれぞれを動作状態および非動作状態の何れかに切り替える制御を行う制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記切替部が前記非接続状態である場合、前記ＤＣ／ＤＣ変換部を前記動作状態とし、かつ、前記電力変換部を前記非動作状態とする一方、前記切替部が前記接続状態である場合、前記ＤＣ／ＤＣ変換部を前記非動作状態とし、かつ、前記電力変換部を前記動作状態とする、
    請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記切替部は、前記ＤＣ／ＤＣ変換部の出力側と前記力率改善部の入力側とを接続状態および非接続状態の何れかに切り替え、
    前記力率改善部は、入力される電力を昇圧する機能を有する、
    請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 前記力率改善部は、前記切替部側から前記コンデンサ側に向かう方向、および、前記コンデンサ側から前記切替部側に向かう方向の双方向に電力を供給する、
    請求項３に記載の電力変換装置。
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