JP2023033705A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回路部の動作を妨げることなくブートストラップコンデンサを充電できる電力変換装置を提供すること。【解決手段】インバータと、ブートストラップ回路と、電源用コンデンサと、駆動回路を含む回路部と、駆動回路を制御する制御部と、を備える電力変換装置である。第２スイッチング素子がオンとなるときの第１時刻から第２スイッチング素子が次回オンとなるときの第２時刻までの期間を特定期間としての周期Ｔとする。制御部は、周期Ｔにおける電源用コンデンサの電圧Ｖ１を第１規定値Ｖｔｈ１以上としつつ、第２時刻での電源用コンデンサの電圧Ｖ１が第１時刻での電源用コンデンサの電圧Ｖ１を下回らないような第２スイッチング素子のオンの時間Ｔｏｎ１，Ｔｏｎ２，Ｔｏｎ３を設定する。制御部は、第２スイッチング素子が複数回オンされる毎に周期Ｔにおける第２スイッチング素子のオンの時間Ｔｏｎ１，Ｔｏｎ２，Ｔｏｎ３を長くする。【選択図】図２

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

特許文献１には、電力変換装置が記載されている。
電力変換装置は、第１直流電源から直流電圧を所定の出力電圧に変換する電圧変換部を備えている。電圧変換部は、直列接続された上アームの第１スイッチング素子と下アームの第２スイッチング素子とを有している。

電力変換装置は、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とをオン又はオフとする駆動回路を備えている。電力変換装置は、ブートストラップ回路を備えている。電力変換装置は、駆動回路を制御する制御部を備えている。

ブートストラップ回路は、第２スイッチング素子がオンとなることによって充電されるブートストラップコンデンサを備えている。ブートストラップコンデンサに充電された電力を用いて第１スイッチング素子がオンとなる。

電力変換装置は、第１直流電源よりも低い電圧で充電される第２直流電源を備えている。第２直流電源は、ブートストラップコンデンサの充電に用いられる。第２直流電源は、コンデンサであってもよい。制御部が駆動回路を制御することにより第２スイッチング素子がオンとなると、ブートストラップコンデンサが充電される。

特開２０２１－９０２９４号公報

第２直流電源がコンデンサである場合、第２直流電源の電圧が低いと、ブートストラップコンデンサが十分に充電できなかったり、第２直流電源の電圧を駆動電圧として使用している駆動回路等の回路部の動作を妨げたりする虞がある。

上記課題を解決する電力変換装置は、直列接続された上アームの第１スイッチング素子と下アームの第２スイッチング素子とを有し、直流電源の直流電圧を所定の出力電圧に変換する電圧変換部と、前記第２スイッチング素子がオンとなることによって充電されるブートストラップコンデンサを有し、前記ブートストラップコンデンサに充電された電力を用いて前記第１スイッチング素子をオンするための駆動電圧を発生するブートストラップ回路と、前記直流電圧よりも低い電圧で充電されるコンデンサであって、前記ブートストラップコンデンサの充電に用いられる電源用コンデンサと、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とをオン又はオフとする駆動回路を含み、前記電源用コンデンサの電圧を駆動電圧として使用する回路部と、前記駆動回路を制御する制御部と、を備え、前記第２スイッチング素子がオンとなるときの第１時刻から前記第２スイッチング素子が次回オンとなるときの第２時刻までの期間を特定期間とすると、前記制御部は、前記特定期間における前記電源用コンデンサの電圧を前記回路部の駆動電圧以上としつつ、前記第２時刻での前記電源用コンデンサの電圧が前記第１時刻での前記電源用コンデンサの電圧を下回らないような前記第２スイッチング素子のオンの時間を設定し、前記第２スイッチング素子がオンされる毎に前記特定期間における前記第２スイッチング素子のオンの時間を長くする、又は前記第２スイッチング素子が複数回オンされる毎に前記特定期間における前記第２スイッチング素子のオンの時間を長くするように前記駆動回路を制御する。

これによれば、ブートストラップコンデンサを充電しても、電源用コンデンサの電圧は、回路部の動作を妨げることがない電圧となる。したがって、回路部の動作を妨げることなくブートストラップコンデンサを充電できる。

上記の電力変換装置において、前記特定期間は、前記第２スイッチング素子のスイッチング周波数の逆数で示される周期であり、前記周期は、固定値であり、前記制御部は、設定された前記第２スイッチング素子のオンの時間に基づいて前記第２スイッチング素子のデューティ比を設定し、且つ当該デューティ比に基づいた制御信号を前記駆動回路に出力するとよい。

これによれば、ブートストラップコンデンサの充電を一定の周期で実施することができる。
上記の電力変換装置において、前記制御部は、前記第２スイッチング素子が複数回オンとなる毎に前記デューティ比を増加させるとよい。

駆動回路による第２スイッチング素子の動作の遅延が想定される。これに伴い、制御部が意図する第２スイッチング素子のオンの時間と、実際の第２スイッチング素子のオンの時間とに誤差が生じる場合がある。この場合、電源用コンデンサの電圧にばらつきが生じる。しかし、第２スイッチング素子が複数回オンとなる毎にデューティ比を増加させることで、第２スイッチング素子が複数回オンとなる時間を、電源用コンデンサの電圧のばらつきを緩和する時間として利用できる。よって、電源用コンデンサ及びブートストラップコンデンサの充電を安定的に実施することができる。

上記の電力変換装置において、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴであるとよい。
これによれば、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子にはＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴが採用されている。このため、例えば、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の動作周期を非常に短くできる。よって、例えば、ブートストラップコンデンサを充電する場合、第２スイッチング素子をオン又はオフする周期も非常に短くすることができる。周期を短くすることにより第２スイッチング素子のスイッチングにより発生する騒音の周波数を人間の可聴域外の範囲に変更できる。また、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子をスイッチングすることによる電圧変換の制御においても第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の動作周期を短くできる。よって、電圧変換の制御においても第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子のスイッチングによる騒音の周波数を人間の可聴域外の範囲に変更できる。

この発明によれば、回路部の動作を妨げることなくブートストラップコンデンサを充電できる。

電力変換装置の電気的構成を示す回路図である。 第２スイッチング素子のオン又はオフのタイミングと、電源用コンデンサの電圧の変化と、ブートストラップコンデンサの電圧の変化とを示したタイミングチャートである。 第２スイッチング素子のオン又はオフのタイミングと、電源用コンデンサの電圧の変化と、ブートストラップコンデンサの電圧の変化とを示したタイミングチャートの変更例である。

以下、電力変換装置を具体化した一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。
＜電力変換装置の構成＞
図１に示すように、電力変換装置１０は、車両に搭載された直流電源１００の直流電圧を、車両を走行させる走行用モータが駆動する所定の出力電圧に変換する装置である。本実施形態では、走行用モータは、三相モータである。このため、電力変換装置１０は、直流電源１００の直流電圧を交流電圧に変換する装置である。なお、直流電源１００は、例えば、２４Ｖ又は４８Ｖのバッテリである。

電力変換装置１０は、正極母線Ｌｐと、負極母線Ｌｎと、インバータ２０と、を備えている。電力変換装置１０は、平滑コンデンサ３０と、電源回路４０と、を備えている。電力変換装置１０は、第１駆動回路５１と、第２駆動回路５２と、第３駆動回路５３と、電源用コンデンサ６０と、を備えている。電力変換装置１０は、３つのブートストラップ回路７０と、制御部８０と、を備えている。正極母線Ｌｐは、車両に搭載される直流電源１００の正極に接続されている。負極母線Ｌｎは、直流電源１００の負極に接続されている。

インバータ２０は、Ｕ相アーム回路２１と、Ｖ相アーム回路２２と、Ｗ相アーム回路２３とを有している。正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとの間において、Ｕ相アーム回路２１と、Ｖ相アーム回路２２と、Ｗ相アーム回路２３とは並列に接続されている。

Ｕ相アーム回路２１は、直列接続されたＵ相上アームの第１Ｕ相スイッチング素子Ｑｕ１と、Ｕ相下アームの第２Ｕ相スイッチング素子Ｑｕ２と、を有している。第１Ｕ相スイッチング素子Ｑｕ１のコレクタは、正極母線Ｌｐに接続されている。第１Ｕ相スイッチング素子Ｑｕ１のエミッタは、第２Ｕ相スイッチング素子Ｑｕ２のコレクタに接続されている。第２Ｕ相スイッチング素子Ｑｕ２のエミッタは、負極母線Ｌｎに接続されている。

Ｖ相アーム回路２２は、直列接続されたＶ相上アームの第１Ｖ相スイッチング素子Ｑｖ１と、Ｖ相下アームの第２Ｖ相スイッチング素子Ｑｖ２と、を有している。第１Ｖ相スイッチング素子Ｑｖ１のコレクタは、正極母線Ｌｐに接続されている。第１Ｖ相スイッチング素子Ｑｖ１のエミッタは、第２Ｖ相スイッチング素子Ｑｖ２のコレクタに接続されている。第２Ｖ相スイッチング素子Ｑｖ２のエミッタは、負極母線Ｌｎに接続されている。

Ｗ相アーム回路２３は、直列接続されたＷ相上アームの第１Ｗ相スイッチング素子Ｑｗ１と、Ｗ相下アームの第２Ｗ相スイッチング素子Ｑｗ２と、を有している。第１Ｗ相スイッチング素子Ｑｗ１のコレクタは、正極母線Ｌｐに接続されている。第１Ｗ相スイッチング素子Ｑｗ１のエミッタは、第２Ｗ相スイッチング素子Ｑｗ２のコレクタに接続されている。第２Ｗ相スイッチング素子Ｑｗ２のエミッタは、負極母線Ｌｎに接続されている。

第１Ｕ相スイッチング素子Ｑｕ１、第１Ｖ相スイッチング素子Ｑｖ１、及び第１Ｗ相スイッチング素子Ｑｗ１は、上アームの第１スイッチング素子の一例である。第２Ｕ相スイッチング素子Ｑｕ２、第２Ｖ相スイッチング素子Ｑｖ２、及び第２Ｗ相スイッチング素子Ｑｗ２は、下アームの第２スイッチング素子の一例である。各スイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｕ２，Ｑｖ１，Ｑｖ２，Ｑｗ１，Ｑｗ２は、ＩＧＢＴである。インバータ２０は、各スイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｕ２，Ｑｖ１，Ｑｖ２，Ｑｗ１，Ｑｗ２をオン又はオフすることにより直流電源１００の直流電圧を所定の出力電圧に変換する電圧変換部の一例である。なお、所定の出力電圧とは、交流電圧である。なお、図１では、各Ｕ，Ｖ，Ｗ相アーム回路２１，２２，２３に接続される負荷の記載を省略している。負荷の一例としては、三相モータである。

平滑コンデンサ３０は、直流電源１００に並列に接続されている。平滑コンデンサ３０は、正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとの間における、各アーム回路２１，２２，２３と直流電源１００との間に接続されている。平滑コンデンサ３０は、直流電源１００から各スイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｕ２，Ｑｖ１，Ｑｖ２，Ｑｗ１，Ｑｗ２に供給する電力を安定させるために設けられている。

電源回路４０は、直流電源１００に並列に接続されている。電源回路４０は、正極母線Ｌｐと負極母線Ｌｎとの間における、直流電源１００と平滑コンデンサ３０との間に接続されている。

電源回路４０は、直流電源１００の電圧が印加されると一定の直流電圧を出力するレギュレータである。電源回路４０は、直流電源１００の電圧が印加されると制御部８０が動作する直流電圧を出力する。制御部８０が動作する直流電圧は例えば５Ｖである。電源回路４０は、直流電源１００の電圧が印加されると、３つの駆動回路５１，５２，５３を駆動させる直流電圧を出力する。３つの駆動回路５１，５２，５３を駆動させる直流電圧は、例えば１５Ｖである。

３つの駆動回路５１，５２，５３のそれぞれの正極端子５０ａと、電源回路４０の出力端子４１とは、正極接続配線Ｌ１により接続されている。３つの駆動回路５１，５２，５３のそれぞれの負極端子５０ｂと、負極母線Ｌｎとは、負極接続配線Ｌ２により接続されている。

第１駆動回路５１は、第１Ｕ相スイッチング素子Ｑｕ１と第２Ｕ相スイッチング素子Ｑｕ２とをオン又はオフとする回路である。第１駆動回路５１は、第１Ｕ相スイッチング素子Ｑｕ１のゲート、及び第２Ｕ相スイッチング素子Ｑｕ２のゲートと接続されている。駆動回路５１は、第１Ｕ相スイッチング素子Ｑｕ１のエミッタと接続配線Ｌｕにより接続されている。

第２駆動回路５２は、第１Ｖ相スイッチング素子Ｑｖ１と第２Ｖ相スイッチング素子Ｑｖ２とをオン又はオフとする回路である。第２駆動回路５２は、第１Ｖ相スイッチング素子Ｑｖ１のゲート、及び第２Ｖ相スイッチング素子Ｑｖ２のゲートと接続されている。駆動回路５２は、第１Ｖ相スイッチング素子Ｑｖ１のエミッタと接続配線Ｌｖにより接続されている。

第３駆動回路５３は、第１Ｗ相スイッチング素子Ｑｗ１と第２Ｗ相スイッチング素子Ｑｗ２とをオン又はオフとする回路である。第３駆動回路５３は、第１Ｗ相スイッチング素子Ｑｗ１のゲート、及び第２Ｗ相スイッチング素子Ｑｗ２のゲートと接続されている。駆動回路５３は、第１Ｗ相スイッチング素子Ｑｗ１のエミッタと接続配線Ｌｗにより接続されている。

電源用コンデンサ６０は、正極接続配線Ｌ１と負極母線Ｌｎとの間に接続されている。電源用コンデンサ６０は、正極接続配線Ｌ１と負極母線Ｌｎとの間における、電源回路４０と第１駆動回路５１との間に接続されている。電源用コンデンサ６０は、電源回路４０により降圧された電圧で充電される。電源用コンデンサ６０は、直流電源１００よりも低い電圧で充電されるコンデンサである。電源用コンデンサ６０は、３つの駆動回路５１，５２，５３のそれぞれを駆動させる電力が充電される。３つの駆動回路５１，５２，５３のそれぞれは、電源用コンデンサ６０の電圧を駆動電圧として使用する駆動回路及び回路部の一例である。

３つのブートストラップ回路７０のうちの１つは、正極接続配線Ｌ１と接続配線Ｌｕとの間に配置されている。３つのブートストラップ回路７０のうちの他の１つは、正極接続配線Ｌ１と接続配線Ｌｖとの間に配置されている。３つのブートストラップ回路７０のうちの残りの１つは正極接続配線Ｌ１と接続配線Ｌｗとの間に設けられている。

３つのブートストラップ回路７０のそれぞれは、接続配線Ｌ３と、分岐配線Ｌ４と、ダイオード７１と、ブートストラップコンデンサ７２とを有している。接続配線Ｌ３は、正極接続配線Ｌ１と接続配線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗのそれぞれとを接続している。ダイオード７１は、正極接続配線Ｌ１から接続配線Ｌｕ，Ｌｖ，Ｌｗのそれぞれに向けてのみ電流が流れるように接続配線Ｌ３上に設けられている。ブートストラップコンデンサ７２は、ダイオード７１を通過した電流が充電されるように接続配線Ｌ３上に設けられている。

接続配線Ｌ３上における、ダイオード７１とブートストラップコンデンサ７２との間には、抵抗７３が設けられている。分岐配線Ｌ４は、接続配線Ｌ３上における、ブートストラップコンデンサ７２と抵抗７３との間から３つの駆動回路５１，５２，５３のそれぞれに接続されている。

このように構成された電力変換装置１０では、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２がオンとなることによって電源用コンデンサ６０の電力によってブートストラップコンデンサ７２が充電される。各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２がオフとなると、電源用コンデンサ６０と３つの駆動回路５１，５２，５３のそれぞれとが電気的に遮断される。このため、各スイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｖ１，Ｑｗ１をオンとする場合、各ブートストラップコンデンサ７２に充電された電力を用いて３つの駆動回路５１，５２，５３を駆動させる。ブートストラップ回路７０は、ブートストラップコンデンサ７２に充電された電力を用いて各スイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｖ１，Ｑｗ１をオンとするための駆動電圧を発生させる。

制御部８０は、プロセッサ８１と、記憶部８２と、を有している。プロセッサ８１としては、例えば、CPU（Central Processing Unit）、GPU（Graphics Processing Unit）、及びDSP（Digital Signal Processor）を挙げることができる。記憶部８２は、RAM（Random Access Memory）及びROM（Read Only Memory）を含む。記憶部８２は、処理をプロセッサ８１に実行させるように構成されたプログラムコードまたは指令を格納している。記憶部８２、即ち、コンピュータ可読媒体は、汎用または専用のコンピュータでアクセスできるあらゆる利用可能な媒体を含む。制御部８０は、ASIC（Application Specific Integrated Circuit）やFPGA（Field Programmable Gate Array）等のハードウェア回路によって構成されていてもよい。処理回路である制御部８０は、コンピュータプログラムに従って動作する１つ以上のプロセッサ、ASICやFPGA等の１つ以上のハードウェア回路、或いは、それらの組み合わせを含み得る。

制御部８０は、電源回路４０から出力される制御部８０を動作させるための直流電圧により動作する。制御部８０は、３つの駆動回路５１，５２，５３を介して各スイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｕ２，Ｑｖ１，Ｑｖ２，Ｑｗ１，Ｑｗ２をＰＷＭ制御する。

制御部８０は、第１Ｕ相スイッチング素子Ｑｕ１をオン又はオフとするための制御信号Ｓｕ１を第１駆動回路５１に出力する。制御部８０は、第２Ｕ相スイッチング素子Ｑｕ２をオン又はオフとするための制御信号Ｓｕ２を第１駆動回路５１に出力する。制御信号Ｓｕ１は、第１Ｕ相スイッチング素子Ｑｕ１のデューティ比を示す信号である。制御信号Ｓｕ２は、第２Ｕ相スイッチング素子Ｑｕ２のデューティ比を示す信号である。第１駆動回路５１は、制御信号Ｓｕ１に応じて第１Ｕ相スイッチング素子Ｑｕ１をオン又はオフとするＰＷＭ信号Ｓｐｕ１を生成する。第１駆動回路５１は、制御信号Ｓｕ２に応じて第２Ｕ相スイッチング素子Ｑｕ２をオン又はオフとするＰＷＭ信号Ｓｐｕ２を生成する。

制御部８０は、第１Ｖ相スイッチング素子Ｑｖ１をオン又はオフとするための制御信号Ｓｖ１を第２駆動回路５２に出力する。制御部８０は、第２Ｖ相スイッチング素子Ｑｖ２をオン又はオフとするための制御信号Ｓｖ２を第２駆動回路５２に出力する。制御信号Ｓｖ１は、第１Ｖ相スイッチング素子Ｑｖ１のデューティ比を示す信号である。制御信号Ｓｖ２は、第２Ｖ相スイッチング素子Ｑｖ２のデューティ比を示す信号である。第２駆動回路５２は、制御信号Ｓｖ１に応じて第１Ｖ相スイッチング素子Ｑｖ１をオン又はオフとするＰＷＭ信号Ｓｐｖ１を生成する。第２駆動回路５２は、制御信号Ｓｖ２に応じて第２Ｖ相スイッチング素子Ｑｖ２をオン又はオフとするＰＷＭ信号Ｓｐｖ２を生成する。

制御部８０は、第１Ｗ相スイッチング素子Ｑｗ１をオン又はオフとするための制御信号Ｓｗ１を第３駆動回路５３に出力する。制御部８０は、第２Ｗ相スイッチング素子Ｑｗ２をオン又はオフとするための制御信号Ｓｗ２を第３駆動回路５３に出力する。制御信号Ｓｗ１は、第１Ｗ相スイッチング素子Ｑｗ１のデューティ比を示す信号である。制御信号Ｓｗ２は、第２Ｗ相スイッチング素子Ｑｗ２のデューティ比を示す信号である。第３駆動回路５３は、制御信号Ｓｗ１に応じて第１Ｗ相スイッチング素子Ｑｗ１をオン又はオフとするＰＷＭ信号Ｓｐｗ１を生成する。第３駆動回路５３は、制御信号Ｓｗ２に応じて第２Ｗ相スイッチング素子Ｑｗ２をオン又はオフとするＰＷＭ信号Ｓｐｗ２を生成する。

＜スイッチング制御と充電制御について＞
制御部８０は、スイッチング制御と、充電制御とを実行する。スイッチング制御は、各スイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｕ２，Ｑｖ１，Ｑｖ２，Ｑｗ１，Ｑｗ２をオン又はオフとすることにより直流電圧を交流電圧に変換する電圧変換の制御である。スイッチング制御は、各スイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｕ２，Ｑｖ１，Ｑｖ２，Ｑｗ１，Ｑｗ２をオン又はオフとすることにより三相モータを駆動させる制御である。スイッチング制御は、電源用コンデンサ６０の電圧Ｖ１が第１規定値Ｖｔｈ１以上であり、且つブートストラップコンデンサ７２の電圧Ｖ２が第２規定値Ｖｔｈ２以上である状態で実行する制御である。

充電制御は、スイッチング制御よりも前に実行する制御である。充電制御は、各スイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｖ１，Ｑｗ１を常にオフとしつつ、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２を同時にオン又はオフとする制御である。充電制御は、電源用コンデンサ６０の電圧Ｖ１が第１規定値Ｖｔｈ１以上となるように、且つブートストラップコンデンサ７２の電圧Ｖ２が第２規定値Ｖｔｈ２以上となるように充電する制御である。第１規定値Ｖｔｈ１は、３つの駆動回路５１，５２，５３を安定的に駆動させるための駆動電圧である。第２規定値Ｖｔｈ２は、各スイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｖ１，Ｑｗ１を安定的にオンとする駆動電圧である。なお、充電制御は、電源回路４０に初めて直流電源１００の直流電圧が印加されたときに実行してもよい。また、スイッチング制御を実行しようとするときにブートストラップコンデンサ７２の電圧Ｖ２が第２規定値Ｖｔｈ２未満となる場合が考えられる。この場合、充電制御は、スイッチング制御を実行する直前に電圧Ｖ２が第２規定値Ｖｔｈ２以上となるまで実行してもよい。

以下、充電制御について説明する。
図２に示すように、制御部８０は、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２のオン又はオフのタイミングを予め定めたマップＭに基づき各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２のオン又はオフとする。マップＭは、記憶部８２に予め記憶されている。制御部８０は、マップＭに基づき予め設定された各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２のオンの時間に基づいてデューティ比を設定する。制御部８０は、当該デューティ比に基づいた制御信号Ｓｕ２，Ｓｖ２，Ｓｗ２を３つの駆動回路５１，５２，５３のそれぞれに出力することにより３つの駆動回路５１，５２，５３を制御する。なお、充電制御において、制御部８０は、各スイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｖ１，Ｑｗ１のデューティ比が常に「０」となる制御信号Ｓｕ１，Ｓｖ１，Ｓｗ１を３つの駆動回路５１，５２，５３に出力する。

＜マップの設定＞
以下、マップＭの設定について図２にしたがって説明する。図２に記載の時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５，ｔ６，ｔ７は、この順に経過する。時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５，ｔ６，ｔ７は、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２がオンとなるときの時刻を示している。本実施形態では、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２のオンとなる周期Ｔは固定値である。周期Ｔとは、スイッチング周波数の逆数で示される数値である。

時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５，ｔ６，ｔ７において、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２がオンとなる時刻を第１時刻とすると、第１時刻の次に各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２がオンとなる時刻を第２時刻とする。例えば、時刻ｔ１を第１時刻とすると、時刻ｔ２は、時刻ｔ１の次に各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２がオンとなるときの第２時刻となる。例えば、時刻ｔ３を第１時刻とすると、時刻ｔ４が第２時刻となる。なお、周期Ｔは、第１時刻から第２時刻までの期間である特定期間の一例である。

図２に示すように、マップＭは、電源用コンデンサ６０の電圧Ｖ１が第１規定値Ｖｔｈ１以上となるまで各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２を常にオフとするように設定されている。

マップＭは、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２が２回オンとなる毎に周期Ｔにおける各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２のオンの時間が長くなるように設定されている。

具体的には、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２が１回目及び２回目にオンとなるときのオンの時間を時間Ｔｏｎ１とする。各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２が３回目及び４回目にオンとなるとき、オンの時間は、時間Ｔｏｎ１よりも長い時間Ｔｏｎ２となる。各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２が５回目及び６回目にオンとなるとき、オンの時間は時間Ｔｏｎ２よりも長い時間Ｔｏｎ３となる。換言すると、マップＭは、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２が２回オンとなる毎にデューティ比Ｔｏｎ１／Ｔ，Ｔｏｎ２／Ｔ，Ｔｏｎ３／Ｔ，…Ｔｏｎ（ｎ）／Ｔが増加するように設定されている。（ｎ）は、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２がオンとなる回数を示している。なお、マップＭは、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２が３回オンとなる毎に、又は４回オンとなる毎に周期Ｔにおける各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２のオンの時間が長くなるように設定されていてもよい。マップＭは、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２が複数回オンとなる毎に周期Ｔにおける各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２のオンの時間が長くなるように設定されていればよい。

本実施形態では、マップＭは、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２の６回目のオンから時間Ｔｏｎ３が経過した時点で、ブートストラップコンデンサ７２の電圧Ｖ２が第２規定値Ｖｔｈ２に到達するように設定されている。マップＭは、ブートストラップコンデンサ７２の電圧Ｖ２が、第２規定値Ｖｔｈ２よりも大きい所定値となるまで各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２のオン又はオフを繰り返すように設定されている。所定値とは、各スイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｖ１，Ｑｗ１をオンとするためにブートストラップコンデンサ７２の電力が使用されたとしても第２規定値Ｖｔｈ２を下回らない電圧である。なお、マップＭは、ブートストラップコンデンサ７２の電圧Ｖ２が第２規定値Ｖｔｈ２に到達した時点で充電制御における各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２を常にオフとするように設定してもよい。

各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２をオンとする時間の設定について説明する。以下の説明において、電源用コンデンサ６０の電圧Ｖ１及びブートストラップコンデンサ７２の電圧Ｖ２のそれぞれの変化も合わせて説明する。

図１及び図２に示すように、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２がオンとなると、電源用コンデンサ６０によりブートストラップコンデンサ７２が充電される。各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２がオンとなっている間は、電源用コンデンサ６０の電圧Ｖ１が低下し、且つブートストラップコンデンサ７２の電圧Ｖ２は上昇する。各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２がオフとなると、ブートストラップコンデンサ７２の充電が停止するとともに、電源回路４０により電源用コンデンサ６０が充電される。このため、スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２がオフとなると、電源用コンデンサ６０の電圧Ｖ１が上昇し、且つブートストラップコンデンサ７２の電圧Ｖ２は一定に保たれる。このため、充電制御において、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２がオンとオフとを繰り返すと、ブートストラップコンデンサ７２の電圧Ｖ２は、段階的に上昇する。

ここで、ブートストラップコンデンサ７２を充電しているときに電源用コンデンサ６０の電圧Ｖ１が第１規定値Ｖｔｈ１を下回ると、３つの駆動回路５１，５２，５３の動作を妨げる虞がある。このため、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２をオンとする時間は、周期Ｔにおける電源用コンデンサ６０の電圧Ｖ１が第１規定値Ｖｔｈ１以上となることを予め確認した上で設定されている。

また、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２がオンされたときの電圧Ｖ１をそれぞれ比較する。第２時刻での電源用コンデンサ６０の電圧Ｖ１が、第１時刻での電源用コンデンサ６０の電圧Ｖ１よりも低下していると、ブートストラップコンデンサ７２を充電しているときに電圧Ｖ１が第１規定値Ｖｔｈ１を下回りやすくなる。このため、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２をオンとする時間は、図２の黒点で示すように、第２時刻での電圧Ｖ１が第１時刻での電圧Ｖ１と同じ、又はそれ以上となるように設定されている。すなわち、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２をオンとする時間は、第２時刻での電圧Ｖ１が第１時刻での電圧Ｖ１を下回らないことを予め確認して設定されている。

＜本実施形態の作用＞
本実施形態の作用を説明する。
マップＭにおける各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２をオンとする時間は、周期Ｔにおける電源用コンデンサ６０の電圧Ｖ１が第１規定値Ｖｔｈ１以上となることを予め確認した上で設定されている。マップＭにおける各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２をオンとする時間は、第２時刻での電圧Ｖ１が第１時刻での電圧Ｖ１を下回らないことを予め確認して設定されている。充電制御において、マップＭに基づいて各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２がオン又はオフとなる。よって、ブートストラップコンデンサ７２を充電しても、電源用コンデンサ６０の電圧Ｖ１は、３つの駆動回路５１，５２，５３の動作を妨げることがない電圧となる。

＜本実施形態の効果＞
本実施形態の効果を説明する。
（１）充電制御において、マップＭに基づいて各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２がオン又はオフとなる。よって、ブートストラップコンデンサ７２を充電しても、電源用コンデンサ６０の電圧Ｖ１は、３つの駆動回路５１，５２，５３の動作を妨げることがない電圧となる。このため、３つの駆動回路５１，５２，５３の動作を妨げることなくブートストラップコンデンサ７２を充電できる。

（２）充電制御において、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２をオン又はオフとする周期ＴがマップＭに固定値で設定されている。このため、ブートストラップコンデンサ７２の充電を一定の周期Ｔで実施することができる。

（３）３つの駆動回路５１，５２，５３による各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２の動作の遅延が想定される。これに伴い、制御部８０が意図する各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２のオンの時間と、実際の各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２のオンの時間とに誤差が生じる場合がある。この場合、電源用コンデンサ６０の電圧Ｖ２にばらつきが生じる。しかし、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２が複数回オンとなる毎にデューティ比Ｔｏｎ１／Ｔ，Ｔｏｎ２／Ｔ，Ｔｏｎ３／Ｔ，…Ｔｏｎ（ｎ）／Ｔを増加させることで、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２が複数回オンとなる時間を、電源用コンデンサ６０の電圧Ｖ２のばらつきを緩和する時間として利用できる。よって、電源用コンデンサ６０及びブートストラップコンデンサ７２の充電を安定的に実施することができる。

（４）各スイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｕ２，Ｑｖ１，Ｑｖ２，Ｑｗ１，Ｑｗ２にはＩＧＢＴが採用されている。このため、例えば、各スイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｕ２，Ｑｖ１，Ｑｖ２，Ｑｗ１，Ｑｗ２の動作周期を非常に短くできる。よって、例えば充電制御において、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２をオン又はオフする周期Ｔも非常に短くすることができる。周期Ｔを短くすることにより、充電制御において、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２のスイッチングにより発生する騒音の周波数を人間の可聴域外の範囲に変更できる。また、スイッチング制御においても各スイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｕ２，Ｑｖ１，Ｑｖ２，Ｑｗ１，Ｑｗ２の動作周期を短くできる。よって、各スイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｕ２，Ｑｖ１，Ｑｖ２，Ｑｗ１，Ｑｗ２のスイッチングによる騒音の周波数を人間の可聴域外の範囲に変更できる。

（５）制御部８０が予め定められたマップＭに基づいて３つの駆動回路５１，５２，５３を制御できるため、制御部８０の演算負荷を低減できる。
（６）各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２をオンとする時間は、第２時刻での電圧Ｖ１が第１時刻での電圧Ｖ１と同じ、又はそれ以上となる。よって、電源用コンデンサ６０の電圧Ｖ１の低下が抑制できる。

（７）抵抗７３によりブートストラップコンデンサ７２に急激に電流が流れることを抑制できる。すなわち、電源用コンデンサ６０からブートストラップコンデンサ７２に向けて流れる電流を抵抗７３によって抑制できるため、電源用コンデンサ６０の電圧の低下を抑制できる。

（８）ブートストラップコンデンサ７２を充電するときに各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２がオンとオフとを繰り返す。このため、ブートストラップコンデンサ７２の電圧Ｖ２は、段階的に上昇する。各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２を常にオンとすることによりブートストラップコンデンサ７２を充電する場合と比較して、ブートストラップコンデンサ７２に急激に電流が流れることがない。このため、抵抗７３のサイズを小さくできる。

＜変更例＞
なお、本実施形態は、以下のように変更して実施できる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施できる。

○ 各スイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｕ２，Ｑｖ１，Ｑｖ２，Ｑｗ１，Ｑｗ２は、ＩＧＢＴに限らず、ＭＯＳＦＥＴ又はＪＦＥＴ等に変更してもよい。
○ 図３に示すように、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２がオンされる毎に周期Ｔにおける各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２のオンの時間Ｔｏｎ１，Ｔｏｎ２，Ｔｏｎ３，Ｔｏｎ４，Ｔｏｎ５を長くしてもよい。すなわち、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２がオンされる毎にデューティ比Ｔｏｎ１／Ｔ，Ｔｏｎ２／Ｔ，Ｔｏｎ３／Ｔ，Ｔｏｎ４／Ｔ，Ｔｏｎ５／Ｔ，…Ｔｏｎ（ｎ）／Ｔが増加するように設定されていてもよい。図３に記載の時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４，ｔ５，ｔ６は、本実施形態と同じ時間である。また、本変更例における各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２のオンとなる周期Ｔは、本実施形態と同じである。

○ 各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２は、不定期にオンされてもよい。このように変更する場合であっても各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２がオンとなる毎に、又は各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２が複数回オンとなる毎に各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２のオンとなる時間を長くする。また、第２時刻での電源用コンデンサ６０の電圧Ｖ１が第１時刻での電源用コンデンサ６０の電圧Ｖ１を下回らないことを予め確認した上でマップＭを設定する。同時に、第１時刻から第２時刻までの特定期間における電源用コンデンサ６０の電圧Ｖ１が第１規定値Ｖｔｈ１以上となるようにマップＭを設定する。

○ 電力変換装置１０は、電源用コンデンサ６０の電圧Ｖ１を検出する電圧センサを備えていてもよい。制御部８０は、当該電圧センサの検出する電圧Ｖ１を監視してもよい。制御部８０は、充電制御において、監視している電圧Ｖ１が第１規定値Ｖｔｈ１を下回りそうになったときに各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２をオフとするようにしてもよい。同時に、制御部８０は、充電制御において、監視している電圧Ｖ１が第１時刻での電圧Ｖ１と同じ、又は上回ったときに各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２を再びオンとしてもよい。再びオンとなる時刻が第２時刻である。第２時刻は、特定期間における各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２のオンとある時間が、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２がオンとなる毎に長くなるように設定されるとよい。又は、第２時刻は、特定期間における各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２のオンとある時間が、各スイッチング素子Ｑｕ２，Ｑｖ２，Ｑｗ２が複数回オンとなる毎に長くなるように設定されるとよい。

○ ３つの駆動回路５１，５２，５３を回路部の一例としたが、例えば回路部は、ロジックＩＣを含んでいてもよい。このように変更した場合、第１規定値Ｖｔｈ１は、３つの駆動回路５１，５２，５３及びロジック回路を含む回路部が安定的に駆動する駆動電圧に変更する。

１０…電力変換装置、２０…インバータ、５１，５２，５３…駆動回路、６０…電源用コンデンサ、７０…ブートストラップ回路、７２…ブートストラップコンデンサ、８０…制御部、１００…直流電源、Ｑｕ１…第１Ｕ相スイッチング素子、Ｑｕ２…第２Ｕ相スイッチング素子、Ｑｖ１…第１Ｖ相スイッチング素子、Ｑｖ２…第２Ｖ相スイッチング素子、Ｑｗ１…第１Ｗ相スイッチング素子、Ｑｗ２…第２Ｗ相スイッチング素子、Ｓｕ１，Ｓｕ２，Ｓｖ１，Ｓｖ２，Ｓｗ１，Ｓｗ２…制御信号、Ｔ…周期、Ｔｏｎ１，Ｔｏｎ２，Ｔｏｎ３，Ｔｏｎ４，Ｔｏｎ５…時間、Ｔｏｎ１／Ｔ，Ｔｏｎ２／Ｔ，Ｔｏｎ３／Ｔ，Ｔｏｎ４／Ｔ，Ｔｏｎ５／Ｔ…デューティ比、Ｖ１…電源用コンデンサの電圧、Ｖ２…ブートストラップコンデンサの電圧。

Claims (4)

1. 直列接続された上アームの第１スイッチング素子と下アームの第２スイッチング素子とを有し、直流電源の直流電圧を所定の出力電圧に変換する電圧変換部と、
   前記第２スイッチング素子がオンとなることによって充電されるブートストラップコンデンサを有し、前記ブートストラップコンデンサに充電された電力を用いて前記第１スイッチング素子をオンするための駆動電圧を発生するブートストラップ回路と、
   前記直流電圧よりも低い電圧で充電されるコンデンサであって、前記ブートストラップコンデンサの充電に用いられる電源用コンデンサと、
   前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子とをオン又はオフとする駆動回路を含み、前記電源用コンデンサの電圧を駆動電圧として使用する回路部と、
   前記駆動回路を制御する制御部と、を備え、
   前記第２スイッチング素子がオンとなるときの第１時刻から前記第２スイッチング素子が次回オンとなるときの第２時刻までの期間を特定期間とすると、
   前記制御部は、
   前記特定期間における前記電源用コンデンサの電圧を前記回路部の駆動電圧以上としつつ、前記第２時刻での前記電源用コンデンサの電圧が前記第１時刻での前記電源用コンデンサの電圧を下回らないような前記第２スイッチング素子のオンの時間を設定し、前記第２スイッチング素子がオンされる毎に前記特定期間における前記第２スイッチング素子のオンの時間を長くする、又は前記第２スイッチング素子が複数回オンされる毎に前記特定期間における前記第２スイッチング素子のオンの時間を長くするように前記駆動回路を制御する
   電力変換装置。
2. 前記特定期間は、前記第２スイッチング素子のスイッチング周波数の逆数で示される周期であり、
   前記周期は、固定値であり、
   前記制御部は、設定された前記第２スイッチング素子のオンの時間に基づいて前記第２スイッチング素子のデューティ比を設定し、且つ当該デューティ比に基づいた制御信号を前記駆動回路に出力する
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御部は、前記第２スイッチング素子が複数回オンとなる毎に前記デューティ比を増加させる
   請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴ又はＩＧＢＴである
   請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の電力変換装置。

Images