JP2022160202A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】昇圧コンバータなどの電圧調整装置を別途設けることなく、充電設備の電圧を調整して電源を充電することができる電力変換装置を提供する。【解決手段】電源２と、複数相のコイル３ｕ，３ｖ，３ｗを有する回転機と、電源２の正極と負極とに接続された複数のコンデンサ６，７と、複数のコンデンサ６，７のうちの中間端子と複数相のそれぞれのコイル３ｕ，３ｖ，３ｗとを接続する複数の中間スイッチ素子Ｑ７～Ｑ１２と、複数相のそれぞれのコイル３ｕ，３ｖ，３ｗと電源２の正極との間に設けられた複数の正極側スイッチ素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５と、電源２の負極との間に設けられた複数の負極側スイッチ素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６とを備えた電力変換装置１において、中間端子と複数のコンデンサ６，７の負極側端子とに、電源２を充電するための充電用電源１５が接続される充電ポート１６を備えている。【選択図】図１

Description

この発明は、電源から出力された電力を変換する電力変換装置に関するものである。

特許文献１には、第１エネルギー蓄積源と第２エネルギー蓄積源とを直列に接続することにより、第１エネルギー蓄積源を電力源とした第１機能モードと、第２エネルギー蓄積源を電力源とした第２機能モードと、第１エネルギー蓄積源および第２エネルギー蓄積源を電力源とした第３機能モードとを選択的に切り替えるように構成された電力変換装置が記載されている。すなわち、特許文献１に記載された電力変換装置は、三つの電圧レベルを選択できるように構成されている。

特許第６４０５４６６号

電気自動車やプラグインハイブリッド車両などの車両は、車両の外部に設けられた充電設備から充電池に電力を供給して充電することができる。そのような充電設備として、急速充電設備を使用した場合であっても、通常、充電設備の電圧よりも充電池の電圧が高いため、充電設備の電圧を昇圧して蓄電池を充電することになる。特許文献１に記載された電力変換装置は、上記のような充電設備の電圧を変更して充電池に供給する機能は備えていないため、別途昇圧コンバータなどの電圧調整装置を設ける必要があり、電圧調整装置を含む電力変換装置が大型化する可能性がある。

この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであって、昇圧コンバータなどの電圧調整装置を別途設けることなく、充電設備の電圧を調整して電源を充電することができる電力変換装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するために、この発明は、電源と、複数相のコイル、および前記複数相のコイルの一方の端子が接続された中性点とを有する回転機と、前記電源の正極と前記電源の負極とに直列に接続された複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサのうちの中間端子と前記複数相のそれぞれのコイルとを接続する複数の中間スイッチ素子と、前記複数相のそれぞれのコイルと前記電源の正極との間に設けられた複数の正極側スイッチ素子を有する上アーム素子と、前記複数相のそれぞれのコイルと前記電源の負極との間に設けられた複数の負極側スイッチ素子を有する下アーム素子とを備えた電力変換装置において、前記中間端子と前記複数のコンデンサの正極側端子または負極側端子とに、前記電源を充電するための充電用電源が接続される充電ポートを備えていることを特徴とするものである。

また、この発明は、前記中間スイッチ素子、前記正極側スイッチ素子、および前記負極側スイッチ素子を制御するコントローラを更に備え、前記コントローラは、前記充電ポートに前記充電用電源が接続され、かつ前記充電用電源の電圧が前記電源の電圧よりも低い場合に、前記複数相のコイルのうちの前記中性点を介することなく前記中間端子と導通状態とする所定コイルと、前記複数相のコイルのうちの他の制御コイルとを選択し、前記複数の中間スイッチ素子のうちの前記中間端子と前記所定コイルとの間に介在する中間スイッチ素子を導通状態とする信号を出力し、前記正極側スイッチ素子および前記負極側スイッチ素子のうち、前記中性点を介することなく前記制御コイルに接続されたスイッチ素子をオンオフ制御して、前記電源と前記充電用電源との間で電力を伝達するように構成されていてよい。

また、この発明は、前記コントローラは、前記回転機の回転方向における停止角を検出し、前記中間端子と導通状態とすることによって前記回転機の回転角が変化する場合における前記回転角の変化量が最小となるコイルを、前記所定コイルとして選択するように構成されていてよい。

また、この発明は、前記所定コイルは、前記複数相のコイルのうちの少なくとも二相のコイルを含んでよい。

また、この発明は、前記制御コイルは、前記複数相のコイルのうちの少なくとも二相のコイルを含み、前記コントローラは、前記制御コイルのうちの所定の第１コイルに接続された前記正極側スイッチおよび前記負極側スイッチのスイッチング位相と、前記制御コイルのうちの所定の第２コイルに接続された前記正極側スイッチおよび前記負極側スイッチのスイッチング位相とを異ならせるように構成されていてよい。

そして、この発明は、前記コントローラは、前記複数の中間スイッチ素子、前記複数の正極側スイッチ素子、および前記複数の負極側スイッチ素子をオンオフ制御することにより前記回転機のトルクを制御するように構成され、前記回転機のトルクを制御する際における前記複数の中間スイッチ素子、前記複数の正極側スイッチ素子、および前記複数の負極側スイッチ素子に出力するスイッチング周波数よりも、前記電源と前記充電用電源との間で電力を伝達する際における前記複数の正極側スイッチ素子、および前記複数の負極側スイッチ素子に出力するスイッチング周波数を高周波数に制御するように構成されていてよい。

この発明によれば、直列に接続されたコンデンサを電源の正極と負極とに接続し、そのコンデンサの中間端子と各相のコイルとを接続するように中間スイッチ素子が設けられている。したがって、中間スイッチ素子、正極側スイッチ素子、および負極側スイッチ素子を制御することにより、回転機に印加する電圧を多段階の電圧に制御して、回転機のトルクを制御することができる。また、そのコンデンサの中間端子とコンデンサの正極側端子または負極側端子に、電源を充電するための充電用電源を接続する充電ポートを備えているため、中間スイッチ素子、正極側スイッチ素子、および負極側スイッチ素子を制御することにより、電力変換装置を昇圧コンバータとして機能させることができる。したがって、回転機を制御するための電力変換装置に、充電電圧を変化させるための電圧調整装置などを設ける必要がなく、電気ユニットを小型化することができる。

この発明の実施形態における電力変換装置の一例を説明するための構成図である。 蓄電池を充電するための制御例を説明するためのフローチャートである。 蓄電池の電圧が充電用電源の電圧よりも高い場合に形成される回路状態を簡略して示す等価回路図である。 ＰＭＷ制御によるスイッチ信号を定める制御の一例を説明するための制御ブロック図である。 充電用電源の電圧を昇圧している過程での各スイッチに入力するゲート信号の一例を示す図である。 充電用電源の電圧を昇圧して蓄電池を充電している過程での各相のコイルに流れる電流値、蓄電池を流れる電流値、蓄電池および充電用電源の電圧値を示すグラフである。 ５相の交流モータを制御する電力変換装置の一例を説明するための構成図である。 電力変換装置の他の例を説明するための構成図である。

この発明の実施形態における電力変換装置の一例を説明するための構成図を図１に示してある。図１に示す電力変換装置１は、この発明の実施形態における「電源」に相当する蓄電池２と、この発明の実施形態における「回転機」に相当するモータ３との間で通電する電力を変換するものである。蓄電池２は、従来の電気自動車やハイブリッド車両に設けられた蓄電池と同様に構成されている。すなわち、蓄電池２は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池を直列に接続した組電池によって構成されている。

モータ３は、従来の電気自動車やハイブリッド車両の駆動力源として設けられたモータと同様に構成されている。このモータ３は、スター結線の三相交流モータであって、２相以上の複数相のコイルを備えている。図１に示す例では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相のコイル３ｕ、３ｖ、３ｗを備えた同期モータによって構成されている。

蓄電池２の正極には、正極母線４が接続され、蓄電池２の負極には、負極母線５が接続されている。その正極母線４と負極母線５との間には、第１コンデンサ６と第２コンデンサ７とが接続されている。具体的には、第１コンデンサ６の一方の端子（正極側端子）が正極母線４に接続され、他方の端子（負極側端子）が第２コンデンサ７の一方の端子（正極側端子）に接続され、第２コンデンサ７の他方の端子（負極側端子）が負極母線５に接続されている。すなわち、第１コンデンサ６と第２コンデンサ７とは、直列に接続されている。なお、第１コンデンサ６と第２コンデンサ７との接続点を、以下の説明では中間端子と記す。

また、正極母線４と負極母線５との間には、上アームスイッチ（素子）８と下アームスイッチ（素子）９とが設けられている。具体的には、上アームスイッチ８の高電位側端子であるコレクタが正極母線４に接続され、低電位側端子であるエミッタが、下アームスイッチ９の高電位側端子であるコレクタに接続され、下アームスイッチ９の低電位側端子であるエミッタが、負極母線５に接続されている。すなわち、上アームスイッチ８と下アームスイッチ９とは、直列に接続されている。

上述したように図１に示すモータ３は、三相交流モータであるため、上アームスイッチ８と下アームスイッチ９とは、それぞれ三つのスイッチによって構成されている。具体的には、上アームスイッチ８は、Ｕ相コイル３ｕに接続された第１スイッチＱ１、Ｖ相コイル３ｖに接続された第３スイッチＱ３、およびＷ相コイル３ｗに接続された第５スイッチＱ５によって構成されている。また、下アームスイッチ９は、Ｕ相コイル３ｕに接続された第２スイッチＱ２、Ｖ相コイル３ｖに接続された第４スイッチＱ４、およびＷ相コイル３ｗに接続された第６スイッチＱ６によって構成されている。なお、上記第１スイッチＱ１、第３スイッチＱ３、および第５スイッチＱ５が、この発明の実施形態における「正極側スイッチ素子」に相当し、第２スイッチＱ２、第４スイッチＱ４、および第６スイッチＱ６が、この発明の実施形態における「負極側スイッチ素子」に相当する。

これらの各スイッチＱ１～Ｑ６は、従来知られた絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）によって構成され、そのＩＧＢＴには、それぞれ、逆並列にフライホールダイオードＤ１～Ｄ６が接続されている。

上記の第１スイッチＱ１と第２スイッチＱ２との接続点にＵ相コイル３ｕの一端が接続され、第３スイッチＱ３と第４スイッチＱ４との接続点にＶ相コイル３ｖの一端が接続され、第５スイッチＱ５と第６スイッチＱ６との接続点にＷ相コイル３ｗの一端が接続されている。そして、Ｕ相コイル３ｕ、Ｖ相コイル３ｖ、およびＷ相コイル３ｗの他端が接続され、その各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗが接続された部分が中性点１０となっている。

また、第１コンデンサ６と第２コンデンサ７との中間端子には、その中間端子と各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗとを接続するための第７スイッチＱ７～第１２スイッチＱ１２が設けられている。具体的には、第７スイッチＱ７、第９スイッチＱ９、および第１１スイッチＱ１１のそれぞれのコレクタが、第１コンデンサ６と第２コンデンサ７との中間端子に接続されている。また、第７スイッチＱ７のエミッタに第８スイッチＱ８のエミッタが接続され、第８スイッチＱ８のコレクタが第１スイッチＱ１と第２スイッチＱ２との接続点に接続されている。同様に、第９スイッチＱ９のエミッタに第１０スイッチＱ１０のエミッタが接続され、第１０スイッチＱ１０のコレクタが第３スイッチＱ３と第４スイッチＱ４との接続点に接続されている。さらに、第１１スイッチＱ１１のエミッタに第１２スイッチＱ１２のエミッタが接続され、第１２スイッチＱ１２のコレクタが第５スイッチＱ５と第６スイッチＱ６との接続点に接続されている。これらの第７スイッチＱ７～第１２スイッチＱ１２が、この発明の実施形態における「中間スイッチ素子」に相当する。

なお、各スイッチＱ７～Ｑ１２は、上述した第１スイッチＱ１～第６スイッチＱ６と同様にＩＧＢＴによって構成され、それぞれのスイッチＱ７～Ｑ１２には、逆並列にフライホールダイオードＤ７～Ｄ１２が接続されている。

上述した電力変換装置１には、各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗに通電される電流を検出する電流計１１や、蓄電池２の充電残量（ＳＯＣ）、劣化状態（ＳＯＨ）、温度、電圧などを監視するセル監視ユニット１２が設けられている。さらに、上記の電流計１１やセル監視ユニット１２によって検出されたデータなどに基づいて、各スイッチＱ１～Ｑ１２を制御するインバータ制御装置（コントローラ）１３が設けられている。

上述したように構成された電力変換装置１は、第１スイッチＱ１ないし第１２スイッチＱ１２を制御することにより、モータ３に印加する電圧を０Ｖを含む三段階の電圧に制御することができる３レベルインバータ（以下、単にインバータと記す）１４となっている。具体的には、第１スイッチＱ１、第２スイッチＱ２、第７スイッチＱ７、および第８スイッチＱ８を制御することによって、Ｕ相コイル３ｕに印加する電圧を制御することができ、第３スイッチＱ３、第４スイッチＱ４、第９スイッチＱ９、および第１０スイッチＱ１０を制御することによって、Ｖ相コイル３ｖに印加する電圧を制御することができ、第５スイッチＱ５、第６スイッチＱ６、第１１スイッチＱ１１、および第１２スイッチＱ１２を制御することによって、Ｗ相コイル３ｗに印加する電圧を制御することができるように構成されている。すなわち、第１スイッチＱ１ないし第１２スイッチＱ１２をＰＷＭ制御（オンオフ制御）することにより、モータ３のトルクを制御できるように構成されている。

また、この電力変換装置１は、車両の外部に設けられた充電設備などの充電用電源１５を接続し、その充電用電源１５の電圧を昇圧して蓄電池２を充電することができるように構成されている。図１に示す例では、充電用電源１５を接続するための充電ポート１６が、第１コンデンサ６と第２コンデンサ７との間の中間端子と、負極母線５（第２コンデンサ７の負極側端子）とに形成されている。なお、図１に示す例では、充電用電源１５が接続されることにより、通電状態に切り替わる開閉スイッチ１７ａ，１７ｂが設けられている。そして、充電用電源１５が充電ポート１６に接続されて蓄電池２を充電する場合に、インバータ制御装置１３が、図２に示すフローチャートに基づいてインバータ１４を制御するように構成されている。

図２に示す制御例では、まず、充電用電源１５が接続されているか否かを判断する（ステップＳ１）。このステップＳ１は、上記開閉スイッチ１７ａ，１７ｂが通電状態であるか否かなどに基づいて判断することができる。

充電用電源１５が接続されていないことによりステップＳ１で否定的に判断された場合は、充電制御を実行しない待機モードに設定する（ステップＳ２）。したがって、各スイッチＱ１～Ｑ１２をオフに設定して（ステップＳ３）、このルーチンを一旦終了する。

それとは反対に、充電用電源１５が接続されていることによりステップＳ１で肯定的に判断された場合は、充電用電源１５の電圧が蓄電池２の電圧よりも低いか否かを判断する（ステップＳ４）。このステップＳ４は、充電ポート１６の電位差が正極母線４と負極母線５との電位差よりも低いか否かなどに基づいて判断することができる。

充電用電源１５の電圧が蓄電池２の電圧以上であることによりステップＳ４で否定的に判断された場合は、充電制御について定められたモードのうちの通常充電モードを設定して（ステップＳ５）、このルーチンを一旦終了する。この通常充電モードは、充電用電源１５と蓄電池２とを導通させて蓄電池２を充電するモードであって、上アームスイッチ８と、第７スイッチＱ７および第８スイッチＱ８、または第９スイッチＱ９および第１０スイッチＱ１０、あるいは第１１スイッチＱ１１および第１２スイッチＱ１２のいずれかをオンに設定し、もしくは上アームスイッチ８、および第７スイッチＱ７ないし第１２スイッチＱ１２の全てをオンに設定する。

それとは反対に、充電用電源１５の電圧が蓄電池２の電圧よりも低いことによりステップＳ４で肯定的に判断された場合は、充電制御について定められたモードのうちの低電圧充電モードを設定する（ステップＳ６）。この低電圧充電モードは、電力変換装置１を昇圧コンバータとして機能させて蓄電池２を充電する場合に設定されるモードである。したがって、ステップＳ６に続いて、電力変換装置１を昇圧コンバータとして機能させるための制御が実行される。

具体的には、まず、第７スイッチＱ７および第８スイッチＱ８と、第９スイッチＱ９および第１０スイッチＱ１０と、第１１スイッチＱ１１および第１２スイッチＱ１２とのいずれか一対のスイッチ（例えば、第７スイッチＱ７および第８スイッチＱ８）を選択し、その一対のスイッチをオンに設定する（ステップＳ７）。このステップＳ７は、第１コンデンサ６と第２コンデンサ７との中間端子と所定コイル３ｕ（３ｖ，３ｗ）とを中性点１０を介することなく導通状態とするためのステップである。したがって、他の対のスイッチ（例えば、第９スイッチＱ９～第１２スイッチＱ１２）はオフに設定される。

なお、ステップＳ７では、上述したようにいずれか一対のスイッチを導通状態とすることにより、上記中間端子と所定コイル３ｕ（３ｖ，３ｗ）とを導通状態としてもよく、いずれか二対のスイッチ（例えば、第７スイッチＱ７および第８スイッチＱ８と、第９スイッチＱ９および第１０スイッチＱ１０）を導通状態としてもよい。

上記ステップＳ７を実行することによって電力変換装置１は、図３に示す簡略した等価回路図の構成となる。具体的には、充電用電源１５の正極に導通状態となった一対のスイッチを介して二つの直列のコイルが接続され、そのコイルの一端が、一対のスイッチの接続点に接続されている。すなわち、ステップＳ６で第７スイッチＱ７と第８スイッチＱ８とをオンに設定した場合には、Ｕ相コイル３ｕおよびＶ相コイル３ｖをリアクトルとして機能させることにより、充電用電源１５、Ｕ相コイル３ｕおよびＶ相コイル３ｖ、第３スイッチＱ３および第４スイッチＱ４、および蓄電池２を備えた昇圧コンバータが構成され、またはＵ相コイル３ｕおよびＷ相コイル３ｗをリアクトルとして機能させることにより、充電用電源１５、Ｕ相コイル３ｕおよびＷ相コイル３ｗ、第５スイッチＱ５および第６スイッチＱ６、および蓄電池２を備えた昇圧コンバータが構成される。したがって、第３スイッチＱ３～第６スイッチＱ６をＰＷＭ制御（オンオフ制御）することによって、充電用電源１５の電圧を昇圧して蓄電池２を充電することができる。

そのため、ステップＳ７に続いて、ステップＳ６で通電状態とされた相のコイル（例えば、Ｕ相コイル３ｕ）以外のコイルに中性点１０を介することなく接続されたスイッチ（例えば、第３スイッチＱ３ないし第６スイッチＱ６）をＰＷＭ制御して（ステップＳ８）、このルーチンを一旦終了する。なお、ＰＷＭ制御されるスイッチに中性点１０を介することなく接続されたコイルが、この発明の実施形態における「制御コイル」に相当する。

図４には、ステップＳ７によって第７スイッチＱ７および第８スイッチＱ８が導通状態とされた場合に、第３スイッチＱ３、第４スイッチＱ４、第５スイッチＱ５、および第６スイッチＱ６のオンオフ信号を定めるための制御ブロック図を示してある。図４に示す例では、Ｕ相コイル３ｕに通電する要求電流値と、Ｕ相コイル３ｕを通電している電流の検出値であるフィードバック値とがＰＩ制御器１８に入力され、それらの値に基づいてＵ相コイル３ｕに通電する目標電流値が求められる。

続いて、そのＵ相コイル３ｕの目標電流値を通電するためにＵ相コイル３ｕに印加する目標電圧値と、蓄電池２の電圧値Ｖdcとに基づいてＶ相コイル３ｖおよびＷ相コイル３ｗの変調率Ｍｖ，Ｍｗを求める。ついで、変調率Ｍｖ，Ｍｗおよびキャリヤ電圧が比較部１９に入力され、従来知られた三角波比較方式により各スイッチＱ３～Ｑ６に出力するべき信号のデューティー比が求められる。そして、比較部１９によって求められたデューティー比に基づいてＰＷＭ出力部２０から各スイッチＱ３～Ｑ６に信号が出力される。

そのように各スイッチＱ３～Ｑ６に出力される信号を図５に示してある。図５に示すように、第７スイッチＱ７および第８スイッチＱ８のゲート信号は、常時オンに維持され、第１スイッチＱ１、第２スイッチＱ２、第９スイッチＱ９、第１０スイッチＱ１０、第１１スイッチＱ１１、および第１２スイッチＱ１２のゲート信号はオフに維持されている。それに対して、第３スイッチＱ３および第５スイッチＱ５のゲート信号は、所定のオンデューティー比となるようにオンオフ動作され、その第３スイッチＱ３および第５スイッチＱ５のゲート信号がオフされるタイミングで、第４スイッチＱ４および第６スイッチＱ６のゲート信号がオンされている。

図６は、上述したように各スイッチＱ１～Ｑ１２を制御した場合における各コイル３ｕ，３ｖ，３ｗを通電する電流値、蓄電池２を通電する電流値、および蓄電池２の部分での電圧値と、充電用電源５の電圧値とを計測した結果を示してある。なお、図６では、コイル３ｕ，３ｖ，３ｗの中性点１０側に向けて流れる電流を正の値で示し、コイル３ｕ，３ｖ，３ｗの中性点１０側から流れる電流を負の値で示してある。図６に示すように充電用電源１５からＵ相コイル３ｕを介して、Ｖ相コイル３ｖおよびＷ相コイル３ｗを電流が流れている。すなわち、蓄電池２の正極側から負極側に向けて電流が流れ、蓄電池２が充電されていることが分かる。また、蓄電池２に流れる電流値とＶ相コイル３ｖやＷ相コイル３ｗに流れる電流値は同一であるとともに、Ｕ相コイル３ｕに流れる電流値の半分となっている。すなわち、充電用電源１５の電圧が昇圧されていることが分かる。

上述したように第１スイッチＱ１～第１２スイッチＱ１２を制御することによりモータ３のトルクを制御することに加えて、充電用電源１５の電圧を昇圧させる電圧調整装置として機能することができる。言い換えると、モータ３を制御するための電力変換装置１に、充電電圧を変化させるための電圧調整装置などを設ける必要がなく、電気ユニットを小型化することができる。

また、上述したように構成することにより、Ｕ相コイル３ｕとＶ相コイル３ｖとをリアクトル（巻線インダクタンス）とした昇圧チョッパ回路と、Ｕ相コイル３ｕとＷ相コイル３ｗとをリアクトル（巻線インダクタンス）とした昇圧チョッパ回路とが並列となる。そのため、Ｖ相コイル３ｖとＷ相コイル３ｗとに通電される電流値を低下させることができ、充電過程での銅損を低減することができる。つまり、充電効率を向上させることができる。また、そのように巻線インダクタンスを並列化することにより、等価インダクタンスを低減することができ、より大きな電流を通電することができる。

なお、充電ポート１６は、第１コンデンサ６と第２コンデンサ７との間の中間端子と、正極母線４（第１コンデンサ６の正極側端子）とに形成されていてもよい。また、上述したように充電用電源１５によって蓄電池２を充電する場合には、モータ３のコイル３ｕ，３ｖ，３ｗをリアクトルとして機能させるものであるため、永久磁石の位相に応じてモータ３の回転角が変化する可能性がある。そのため、上記ステップＳ７では、まず、モータ３の回転方向における停止角を、レゾルバなどによって検出し、中間端子と導通状態とすることによってモータ３の回転角が変化する場合における回転角の変化量が最小となるコイルを選択し、その選択されたコイルと中間端子との間に介在するスイッチを導通状態とすることが好ましい。

このようにステップＳ７で導通状態とするスイッチを選択することにより、蓄電池２を充電している最中に、意図せずに車両が駆動することを抑制することができる。

さらに、ステップＳ８によってＰＷＭ制御するスイッチが複数対の場合、すなわち、二相以上のコイルを、この発明の実施形態における「制御コイル」として用いる場合には、所定のコイル（第１コイル）に接続された一対のスイッチのスイッチング位相と、他のコイル（第２コイル）に接続された一対のスイッチのスイッチング位相とをずらすことが好ましい。具体的には、二対のスイッチをＰＷＭ制御する場合には、所定の一対のスイッチの位相と、他の一対のスイッチの位相とを１８０度ずらすことが好ましい。このようにゲート信号の位相をずらすリンターリーブ動作を行うことにより、電流の変動を抑制する各コンデンサ６，７（Ｘコンデンサ）の負荷を低減することができ、それらのコンデンサ６，７を小型化（低容量化）することができる。

また、蓄電池２を充電する際には、通常、車両が停止し車室内が静かなため、蓄電池２を充電することによって生じる音（ノイズ）を可及的に低下させることが好ましい。そのため、ステップＳ８によってＰＷＭ制御する場合のスイッチング周波数は、モータ３を駆動するために行うスイッチング周波数よりも高周波数とすることが好ましい。

なお、この発明の実施形態の電力変換装置は、３相の交流モータを制御するものに限らず、５相の交流モータなどの多相の交流モータを制御するように構成されていてもよい。図７には、５相の交流モータを制御する電力変換装置１の一例を示してあり、図１に示す電力変換装置１に、第１３スイッチＱ１３～第２０スイッチＱ２０、Ｘ相コイル３ｘ、およびＹ相コイル３ｙが追加して設けられている。

具体的には、第１３スイッチＱ１３のコレクタが正極母線４に接続され、そのエミッタが第１４スイッチＱ１４のコレクタに接続され、第１４スイッチＱ１４のエミッタが負極母線５に接続されている。同様に、第１５スイッチＱ１５のコレクタが正極母線４に接続され、そのエミッタが第１６スイッチＱ１６のコレクタに接続され、第１６スイッチＱ１６のエミッタが負極母線５に接続されている。そして、第１３スイッチＱ１３と第１４スイッチＱ１４との接続点にＸ相コイル３ｘの一端が接続され、第１５スイッチＱ１５と第１６スイッチＱ１６との接続点にＹ相コイル３ｙの一端が接続され、それらのコイル３ｘ，３ｙの他端が中性点１０に接続されている。

また、第１７スイッチＱ１７のコレクタが、第１コンデンサ６と第２コンデンサ７との中間端子に接続され、第１７スイッチＱ１７のエミッタに第１８スイッチＱ１８のエミッタが接続され、第１８スイッチＱ１８のコレクタが第１３スイッチＱ１３と第１４スイッチＱ１４との接続点に接続されている。同様に、第１９スイッチＱ１９のエミッタに第２０スイッチＱ２０のエミッタが接続され、第２０スイッチＱ２０のコレクタが第１５スイッチＱ１５と第１６スイッチＱ１６との接続点に接続されている。

なお、各スイッチＱ１３～Ｑ２０はＩＧＢＴによって構成され、それぞれのスイッチＱ１３～Ｑ２０には、逆並列にフライホールダイオードＤ１３～Ｄ２０が接続されている。

このように構成された電力変換装置１も、図１に示す電力変換装置１と同様に、充電用電源１５が接続された場合に、第７スイッチＱ７～第１２スイッチＱ１２および第１７スイッチＱ１７～第２０スイッチＱ２０のうちの少なくともいずれか一対のスイッチを導通状態とし、第１スイッチＱ１～第６スイッチＱ６および第１３スイッチＱ１３～第１６スイッチＱ１６のうちの、上記導通状態とされたスイッチが接続されたコイルとは異なるコイルに接続されたスイッチをＰＷＭ制御することにより、電力変換装置１を昇圧コンバータとして機能させることができる。

またさらに、この発明の実施形態における電力変換装置は、いわゆるＡ－ＮＰＣ形態のマルチレベルインバータ回路に限らない。図８には、他の構成の電力変換装置１を示してある。なお、図１と同様の構成についてはその説明を省略する。図８に示す電力変換装置１は、第１スイッチＱ１のエミッタに第２１スイッチＱ２１のコレクタが接続され、その第２１スイッチＱ２１のエミッタに第２２スイッチＱ２２のコレクタが接続され、更に第２２スイッチＱ２２のエミッタに第２スイッチＱ２のコレクタが接続されている。

同様に第３スイッチＱ３のエミッタに第２３スイッチＱ２３のコレクタが接続され、その第２３スイッチＱ２３のエミッタに第２４スイッチＱ２４のコレクタが接続され、更に第２４スイッチＱ２４のエミッタに第４スイッチＱ４のコレクタが接続されている。またさらに、第５スイッチＱ５のエミッタに第２５スイッチＱ２５のコレクタが接続され、その第２５スイッチＱ２５のエミッタに第２６スイッチＱ２６のコレクタが接続され、更に第２６スイッチＱ２６のエミッタに第６スイッチＱ６のコレクタが接続されている。

これらの各スイッチＱ２１～Ｑ２６は、上述した第１スイッチＱ１～第６スイッチＱ６などと同様にＩＧＢＴによって構成され、それぞれのスイッチＱ２１～Ｑ２６には、逆並列にフライホールダイオードＤ２１～Ｄ２６が接続されている。

また、第１コンデンサ６および第２コンデンサ７の中間端子と、第１スイッチＱ１および第２１スイッチＱ２１の接続点とが、第２７ダイオードＤ２７を介して接続され、第１コンデンサ６および第２コンデンサ７の中間端子と、第２２スイッチＱ２２および第２スイッチＱ２の接続点とが、第２８ダイオードＤ２８を介して接続されている。同様に、第１コンデンサ６および第２コンデンサ７の中間端子と、第３スイッチＱ３および第２３スイッチＱ２３の接続点とが、第２９ダイオードＤ２９を介して接続され、第１コンデンサ６および第２コンデンサ７の中間端子と、第２４スイッチＱ２４および第４スイッチＱ４の接続点とが、第３０ダイオードＤ３０を介して接続されている。またさらに、第１コンデンサ６および第２コンデンサ７の中間端子と、第５スイッチＱ５および第２５スイッチＱ２５の接続点とが、第３１ダイオードＤ３１を介して接続され、第１コンデンサ６および第２コンデンサ７の中間端子と、第２６スイッチＱ２６および第６スイッチＱ６の接続点とが、第３２ダイオードＤ３２を介して接続されている。

そして、第２１スイッチＱ２１と第２２スイッチＱ２２との接続点にＵ相コイル３ｕの一端が接続され、第２３スイッチＱ２３と第２４スイッチＱ２４との接続点にＶ相コイル３ｖの一端が接続され、第２５スイッチＱ２５と第２６スイッチＱ２６との接続点にＷ相コイル３ｗの一端が接続されている。

このように構成された電力変換装置１も図１に示す電力変換装置１と同様に、充電用電源１５の電圧を昇圧して蓄電池２を充電する場合には、まず、第１コンデンサ６と第２コンデンサ７との中間端子とモータ３のいずれかのコイルとを導通状態とする。すなわち、第２１スイッチＱ２１、第２３スイッチＱ２３、および第２５スイッチＱ２５の少なくともいずれか一つ（例えば、第２１スイッチＱ２１）を導通状態とする。つまり、これらの第２１スイッチＱ２１、第２３スイッチＱ２３、および第２５スイッチＱ２５が、この発明の実施形態における「中間スイッチ素子」として機能する。なお、第２２スイッチＱ２２、第２４スイッチＱ２４、および第２６スイッチＱ２６は、導通状態であっても、非導通状態であってもよい。

そして、第１スイッチＱ１ないし第６スイッチＱ６のうちの、上記中間端子と導通状態となったコイルに、中性点１０を介して接続されたスイッチをＰＷＭ制御（オンオフ制御）することによって、充電用電源１５の電圧を昇圧して蓄電池２を充電することができる。

１ 電力変換装置
２ 蓄電池
３ モータ
３ｕ，３ｖ，３ｗ，３ｘ，３ｙ コイル
４ 正極母線
５ 負極母線
６，７ コンデンサ
８ 上アームスイッチ
９ 下アームスイッチ
１０ 中性点
１３ インバータ制御装置
１４ インバータ
１５ 充電用電源
１６ 充電ポート
１８ 制御器
１９ 比較部
２０ 出力部
Ｄ１～Ｄ２６ ダイオード
Ｑ１～Ｑ２６ スイッチ

Claims (6)

1. 電源と、
   複数相のコイル、および前記複数相のコイルの一方の端子が接続された中性点とを有する回転機と、
   前記電源の正極と前記電源の負極とに直列に接続された複数のコンデンサと、
   前記複数のコンデンサのうちの中間端子と前記複数相のそれぞれのコイルとを接続する複数の中間スイッチ素子と、
   前記複数相のそれぞれのコイルと前記電源の正極との間に設けられた複数の正極側スイッチ素子を有する上アーム素子と、
   前記複数相のそれぞれのコイルと前記電源の負極との間に設けられた複数の負極側スイッチ素子を有する下アーム素子と
   を備えた電力変換装置において、
   前記中間端子と前記複数のコンデンサの正極側端子または負極側端子とに、前記電源を充電するための充電用電源が接続される充電ポートを備えている
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記中間スイッチ素子、前記正極側スイッチ素子、および前記負極側スイッチ素子を制御するコントローラを更に備え、
   前記コントローラは、
   前記充電ポートに前記充電用電源が接続され、かつ前記充電用電源の電圧が前記電源の電圧よりも低い場合に、前記複数相のコイルのうちの前記中性点を介することなく前記中間端子と導通状態とする所定コイルと、前記複数相のコイルのうちの他の制御コイルとを選択し、
   前記複数の中間スイッチ素子のうちの前記中間端子と前記所定コイルとの間に介在する中間スイッチ素子を導通状態とする信号を出力し、
   前記正極側スイッチ素子および前記負極側スイッチ素子のうち、前記中性点を介することなく前記制御コイルに接続されたスイッチ素子をオンオフ制御して、前記電源と前記充電用電源との間で電力を伝達するように構成されている
   ことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置において、
   前記コントローラは、
   前記回転機の回転方向における停止角を検出し、
   前記中間端子と導通状態とすることによって前記回転機の回転角が変化する場合における前記回転角の変化量が最小となるコイルを、前記所定コイルとして選択するように構成されている
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項２または３に記載の電力変換装置において、
   前記所定コイルは、前記複数相のコイルのうちの少なくとも二相のコイルを含む
   ことを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項２ないし４のいずれか一項に記載の電力変換装置において、
   前記制御コイルは、前記複数相のコイルのうちの少なくとも二相のコイルを含み、
   前記コントローラは、
   前記制御コイルのうちの所定の第１コイルに接続された前記正極側スイッチおよび前記負極側スイッチのスイッチング位相と、前記制御コイルのうちの所定の第２コイルに接続された前記正極側スイッチおよび前記負極側スイッチのスイッチング位相とを異ならせるように構成されている
   ことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項２ないし５のいずれか一項に記載の電力変換装置において、
   前記コントローラは、
   前記複数の中間スイッチ素子、前記複数の正極側スイッチ素子、および前記複数の負極側スイッチ素子をオンオフ制御することにより前記回転機のトルクを制御するように構成され、
   前記回転機のトルクを制御する際における前記複数の中間スイッチ素子、前記複数の正極側スイッチ素子、および前記複数の負極側スイッチ素子に出力するスイッチング周波数よりも、前記電源と前記充電用電源との間で電力を伝達する際における前記複数の正極側スイッチ素子、および前記複数の負極側スイッチ素子に出力するスイッチング周波数を高周波数に制御するように構成されている
   ことを特徴とする電力変換装置。

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