JP4023353B2

JP4023353B2 - 車両用三相回転電機用インバータ回路装置

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Publication number: JP4023353B2
Application number: JP2003092944A
Authority: JP
Inventors: 悟志有田; 博英佐藤; 雅久樫本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-03-29
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2023-03-28
Also published as: JP2004007964A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハイブリッド車、エコラン車、燃料電池車、電動自転車などに用いられる両用三相回転電機用インバータ回路装置に関し、詳しくはその発電制御に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
特許文献１は、車両用三相回転電機の発電電力を整流する三相全波整流回路（本明細書では三相インバータ回路とも称するものとする）をＭＯＳトランジスタにより構成し、その交流側主電極電圧とバッテリ電圧との間の電位差に基づいてこのＭＯＳトランジスタを断続制御することにより、この三相整流回路のダイオード（ＭＯＳトランジスタの寄生ダイオードでもよい）の電力損失を低減するＭＯＳ型三相整流回路ことを提案している。
【０００３】
しかしながら、上記した従来のＭＯＳ型三相整流回路では、オン後のＭＯＳトランジスタのチャンネル電圧降下、すなわち、交流側主電極電圧とバッテリ電圧との間の電位差がたとえば０．１Ｖ程度と小さいため、たとえば車両用発電機のような電磁的悪環境下において交流側主電極電圧とバッテリ電圧との間のこの電位差の変化を正確に判定することが容易ではなく、オフを正確なタイミングで実施することが難しいという問題が、その実用化を妨げていた。
【０００４】
従来のＭＯＳ型三相整流回路の上アーム素子をなすＭＯＳトランジスタを例に具体的に説明すると、交流側主電極電圧がバッテリ電圧より所定しきい値以上高くなると、このＭＯＳトランジスタはオンされるが、オンされた後、このＭＯＳトランジスタの電圧降下は０．１Ｖ程度と小さくなってオフしやすくなり、チャッタリングが生じる可能性が考えられる。
【０００５】
また、この電圧検出からＭＯＳトランジスタのオン又はオフが終了するまでの回路遅延時間が存在するために高回転領域において、バッテリからモータへの電流逆流現象が生じたり、ＭＯＳトランジスタのオンが遅れて出力電流の取り出し能力が低下したり、電流がＭＯＳトランジスタの寄生ダイオードを通じて流れて電力損失が増加するという問題もあった。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、三相全波整流を行う三相回転電機用インバータ回路の動作安定性を確保しつつその電力損失を低減することを、その目的としている。
【０００７】
【特許文献１】
特許２９５９６４０号公報
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第一発明をなす請求項１記載の車両用三相回転電機用インバータ回路装置は、車両用三相回転電機の三相電機子巻線と直流電源との間に介設されて少なくとも前記三相電機子巻線の誘起電圧である三つの相電圧を整流して前記直流電源に給電する三相インバータ回路と、前記三相インバータ回路の各スイッチング素子を断続制御する制御回路とを備え、前記三相インバータ回路は、ＭＯＳトランジスタからなる上アーム素子又は下アーム素子を有する車両用三相回転電機用インバータ回路装置において、
前記制御回路が、第一の前記相電圧を整流する前記上アーム素子のオンタイミング又はオフタイミングを、前記第一の相電圧とは異なる前記相電圧に基づいて決定することを特徴としている。
【０００９】
すなわち、この発明では、従来のように自己の両主電極端子間の電位差ではなく、少なくとも自己相とは異なる異相の相電圧を用いてこの自己相のＭＯＳトランジスタの断続タイミング決定するので、自己相の両主電極端子間の電位差がオン後に非常に小さくなってしまいその変化検出が容易でないという従来技術における問題を解決して、動作信頼性に優れた低損失の三相全波整流を実現することができる。
【００１０】
更に説明を行う。
【００１１】
この発明の対象をなす同期整流技術においては、三相インバータ回路（更に多相でもよい）のＭＯＳトランジスタなどのスイッチング素子の断続制御のうち、特にオフタイミングの決定が特に重要である。すなわち、スイッチング素子のオンタイミングは、自己の交流側主電極電圧が直流側主電極電圧を超えた時点（スイッチング遅れを考慮して交流側主電極電圧が直流側主電極電圧よりわずかに小さい点まで上昇した時点でもよい）で、すなわち最適な時点で確実にオンすることができる。
【００１２】
しかし、スイッチング素子のオフタイミングは、自己が導通しているために自己の交流側主電極電圧と直流側主電極電圧との差が非常に小さく（通常０．１V以下）、たとえ回転電機のこの相の発電電圧（相電圧）が直流側主電極電圧より小さくなってもＭＯＳトランジスタのような双方向導通型のスイッチング素子では直流側主電極から交流側主電極への電流逆流により良好な電圧変化を検出することができない。
【００１３】
このため、この発明のように、上記したように確実な他の相電圧のオンタイミングからの所定の時間遅延後にこのオン中のスイッチング素子のオフを行うことが特に好適である。検出するべき他の相としては、このオン中のスイッチング素子のオフタイミングにもっとも時間的に近接し、かつ、時間的に同時または先行する相のスイッチング素子のオンタイミングとすることがタイミング誤差を最も低減するうえで最適である。
【００１４】
このような条件に最も合致する上記他相とは、このスイッチング素子をオフすべき相よりも１２０度（三相の場合）だけ遅れる相である。最も大きい電圧値をもつ相電圧がU、V、Wの順に変化する場合、U相の上アーム素子のオフタイミングは、次のV相の上アーム素子のオンタイミングに一致させることができる。このようにすれば、このU相の上アーム素子は１２０度だけオンすることができる。この場合には、時間遅延がないために、上記した回転数変化や発電電圧変化などによるタイミングのずれを最小化することができる。
【００１５】
更に、上記説明では、自己の相電圧が所定値（好適にはバッテリ電圧またはそれよりわずかに小さい）まで上昇した場合に自己の相の上アーム素子をオンし、後続相の相電圧が所定値（好適にはバッテリ電圧またはそれよりわずかに小さい）場合まで上昇した時点またはそれより所定期間遅延した時点にて先行相の上アーム素子のオフを指令する上アーム素子制御を行ったが、下アーム素子の制御においても同様に任意の相の下アーム素子のオフタイミングを他の相の下アーム素子のオンタイミングに基づいて決定することができる。ただし、下アーム素子は同相の上アーム素子と同時にターンオンしないようにすればよいので、上記上アーム素子の断続制御のためのタイミングで、同相の下アーム素子の断続を逆に行ってもよい。
【００１６】
好適な態様において、前記制御回路は、前記第一の相電圧より遅れる第二の相電圧が所定の第一しきい値電圧値を超える時点又は前記時点から所定時間経過した時点にて前記第一の相電圧を整流する前記上アーム素子のオフを指令することを特徴としている。
【００１７】
本構成によれば、所定相の上アーム素子をオフを、この相よりも遅相側にずれる他相の相電圧の上昇タイミングに基づいて決定するので、強電磁ノイズ環境下でもこのオフを好適なタイミングで実施することができる。また、回路系の動作遅延により上アーム素子のオフタイミングが遅延しても、バッテリから回転電機側に電流が逆流するのを容易に防止することができる。なお、上記所定時間は一定としてもよく、又はそれを回転数が増加するほど短縮するようにしてもよい。
【００１８】
更に説明する。
【００１９】
この態様において特に、第一の相電圧より遅れる第二の相電圧が所定の第一しきい値電圧値を超える時点よりも所定時間遅れた時点にて第一の相電圧を整流する前記上アーム素子のオフを指令することが好ましい。ここで、第一の相電圧より遅れる第二の相電圧が所定の第一しきい値電圧値を超える時点を第二の相電圧を整流する上アーム素子のオンタイミングと仮定すれば、この第二相の上アーム素子のオンタイミングよりも所定時間遅れて第一相の上アーム素子のオフタイミングを設定することになる。すなわち、ある相の上アーム素子のオフタイミングを、それに後続する（最も近接して遅れる）相の上アーム素子のオンタイミングよりも（更に正確に言えば後続相電圧が所定しきい値を超えた時点よりも）所定時間遅延する。
【００２０】
この所定時間遅延を設定しない場合、既述したように、三相インバータ回路の三つの上アーム素子は１２０度ずつ交互にオンすることになり、各相電圧は、１２０度期間づつ同期整流を行うことになる。以下、この方式を１２０度同期整流方式と称する。
【００２１】
しかし、アイドル回転数以上の発電好適回転数範囲で運転される通常の車両用交流発電機では、各相電圧（各相の上アーム素子の交流側主電極電圧）は、それがバッテリ電圧（各相の上アーム素子の直流側主電極電圧）または所定電圧を超えてターンオンした後、１２０度期間を過ぎてもなお、バッテリ電圧より高い場合が通常であり、通常１８０度に近い期間、バッテリ充電が可能となっている。したがって、上記した１２０度同期整流方式では、みすみす整流可能なエネルギーを無駄に発電のみしていることになる。そこで、上記した１２０度同期整流期間を超えて、換言すれば、後続相の電圧が所定しきい値を超えてから更に所定時間だけ先行相の上アーム素子のオフタイミングを遅延させれば、この発電の無駄を減らしたり、解消したりすることができ、発電効率を向上することができるわけである。
【００２２】
好適な態様において、前記制御回路は、前記第一の相電圧を整流する前記上アーム素子のオンタイミングを、前記第一の相電圧が前記直流電源の電圧より低い所定の第二しきい値電圧値を超え、かつ、前記第一の相電圧より遅れる第二の相電圧が所定の第三しきい値電圧値より低い期間に、前記所定の上アーム素子のオンを指令することを特徴としている。
【００２３】
この態様によれば、回路系の動作遅延により上アーム素子のオンタイミングの遅延を低減して、上アーム素子の電力損失の増加を抑止することができるので、回路構成を簡素化することができる。もちろん、発電機が回転角センサをもつ場合には、検出された回転角に基づいて１２０度から更に必要な角度だけ遅延を容易に行うことができる。
【００２４】
好適な態様において、前記制御回路は、前記三相回転電機の回転数が所定値以上の場合に前記ＭＯＳトランジスタをオンさせるので、高回転域において影響が大きいオンタイミングの遅延による上アーム素子の電力損失増加を抑止することができる。また、低回転において、ＭＯＳトランジスタをオンすることによりバッテリから回転電機に電流が逆流するのを防止することができる。
【００２５】
好適な態様において、前記しきい値回転数は、前記相電圧が前記直流電源の電圧を超える回転数に設定されるので、相電圧がバッテリ電圧を超えることなく、発電能力がない場合にＭＯＳトランジスタがオンして、電流が逆流する不具合を防止することができる。
【００２６】
上記第一発明と同一課題を解決する第二発明としての請求項６記載の車両用三相回転電機用インバータ回路装置は、車両用三相回転電機の三相電機子巻線と直流電源との間に介設されて少なくとも前記三相電機子巻線の誘起電圧である三つの相電圧を整流して前記直流電源に給電する三相インバータ回路と、前記三相インバータ回路の各スイッチング素子を断続制御する制御回路とを備え、前記三相インバータ回路は、ＭＯＳトランジスタからなる上アーム素子を有する車両用三相回転電機用インバータ回路装置において、
前記制御回路は、第一の前記相電圧がバッテリ電圧より所定値だけ小さく設定された所定のしきい値電圧を超える場合に、前記第一の相電圧を整流する前記上アーム素子のオンを指令することを特徴としている。
【００２７】
すなわち、上記説明した従来の同期整流型車両用三相回転電機用インバータ回路装置では、各相電圧とバッテリ電圧との比較結果により、つまりＭＯＳトランジスタの両主電極間に生じる電位差によりその断続制御を行っており、上記のようにチャタリングが生じやすくなったり、回路遅延により動作が遅れてしまう。
【００２８】
そこで、この発明では、各相電圧をバッテリ電圧より小さい所定のしきい値電圧とを比較して、上アーム素子をなすＭＯＳトランジスタのオンを指令する。このしきい値電圧としては、バッテリ電圧に正相関を有する値たとえばバッテリ電圧を分圧した値とすることができ、または所定の定電圧とすることもできる。このようにすれば、ＭＯＳトランジスタが電磁ノイズ等により誤オンすることを良好に防止し、また、回路遅延の悪影響を軽減することができる。
【００２９】
なお、この場合、ＭＯＳトランジスタには、自己の相電圧がまだバッテリ電圧を超えないうちにオンを指令されることになるが、相電圧波形が略矩形波であることと、回路遅延とにより、問題は生じない。
【００３０】
好適な態様において、前記制御回路は、前記第一の相電圧が前記直流電源の電圧より低い所定の第二しきい値電圧値未満で、かつ、前記第一の相電圧より遅れる第二の相電圧が所定の第三しきい値電圧値より高い期間に、前記第一の相電圧を整流する前記下アーム素子のオンを指令することを特徴としている。この態様によれば、回路系の動作遅延により下アーム素子のオンタイミングの遅延を低減して、下アーム素子の電力損失の増加を抑止することができる。
【００３１】
好適な態様において、前記制御回路は、前記第一の相電圧が所定の第一しきい値電圧値を超えた時点から前記第二の相電圧が第一しきい値電圧値を超えた時点までの時間である第一相電圧優勢時間をカウントし、前記第一相電圧優勢時間に正相関を有する関数値として遅延時間を設定し、前記第二の相電圧が所定の第一しきい値電圧値を超える時点から前記遅延時間だけ経過した時点にて前記第一の相電圧を整流する前記上アーム素子のオフを指令する。これにより、回転数の変動に応じて遅延時間を適切に設定することができる。
【００３２】
すなわち、この態様では、先行相の相電圧がしきい値電圧値を超えた時点から後続相の相電圧がしきい値電圧値を超えた時点までの時間をカウントし、この時間（第一相電圧優勢時間）に正相関を有する関数値として上記遅延時間を設定する。更に説明する。
【００３３】
上記第一相電圧優勢時間は、発電機の回転数に反比例して変化するのは明白である。たとえば、三相の場合は、この第一相電圧優勢時間は、回転数に比例する三相交流電圧の周波数に反比例するその一周期の１／３となる。したがって、上記第一相電圧優勢時間に正相関を有する関数値として遅延時間を設定することにより、回転数が変化しても相電圧の周期に対する三相インバータ回路の各相の上アーム素子のオン期間の割合が変動することを抑止することができる。この遅延時間中における上アーム素子の導通により、上アーム素子は１２０度以上の期間にわたって同期整流を行うことができるので、発電効率を向上することができる。
【００３４】
なお、上記説明では上アーム素子について記述したが、三相インバータ回路の上アーム素子と下アーム素子とは同期して通常は逆のタイミングにて駆動されるために、下アーム素子も上記した上アーム素子の制御と同様に制御されることができる。また、上アーム素子と同様にある相の下アーム素子のオフをこの下アーム素子より遅れる相の下アーム素子のオンから所定時間遅延して行ってもよい。
【００３５】
好適な態様において、前記制御回路は、前記第一相電圧優勢時間の半分の期間を前記遅延時間とする。このようにすれば、三相インバータ回路の任意相の上アーム素子に流れる逆電流を抑止することができ、遅延時間の演算も簡単となる。
【００３６】
好適な態様において、前記制御回路は、前記第一相電圧優勢時間の1/4を前記遅延時間とする。このようにすれば、遅延時間の演算を簡単な複雑化することなく、適切な上アーム素子のオン時間を得ることができる。
【００３７】
好適な態様において、前記制御回路は、内蔵タイマとしてのカウンタによりカウントした前記第一相電圧優勢時間に所定係数（０．５未満）を掛けて前記遅延時間とする。このようにすれば、遅延演算をそれほど複雑化することなく、最適な同期整流が可能となる。
【００３８】
好適な態様において、前記制御回路は、前記第一相電圧優勢時間が大きい場合に前記係数を低下させ、前記第一相電圧優勢時間が小さい場合に前記係数を増加させる。このようにすれば、簡素な構成にて一層最適な同期整流が可能となる。以下、更に説明する。
【００３９】
相電圧（正確に言えば発電機の相間起電力）がバッテリ電圧よりも大きい期間（以下、発電可能相期間ともいう）が３６０度期間（電気角２π）のうちのどれだけの割合を占めるかは、この相電圧が回転機回転数に正相関をもつ関数値であるため、回転機回転数に正相関（略比例する）をもつ関数値となる。
【００４０】
ある相の上アーム素子のオン期間は、上記第一相電圧優勢時間と上記遅延時間の合計となるため、この合計が３６０度に占める割合が、上記発電可能相期間が３６０度期間（電気角２π）に占める割合に等しくなることが同期整流の理想である。したがって、上記遅延時間は、回転機回転数に最適な相関をもつ関数値とすることが好ましい。
【００４１】
ここで、回転機回転数は、隣接二相の上アーム素子の交流側主電極電圧が所定しきい値を超えた時点間の時間すなわち上記第一相電圧優勢時間に反比例する簡単に入力可能なパラメータである。結局、上記した遅延時間は、回転数に負の相関を有する関数値となる。
【００４２】
第一相電圧優勢時間が短いほど回転数が高いため発電電圧（相電圧）が大きいと推定し、相電圧がバッテリ電圧を超える発電可能期間が電気角２πに占める期間が大きいと推定し、遅延時間を相対的に増加させる。逆に、第一相電圧優勢時間が長いほど回転数が低いため発電電圧（相電圧）が小さいと推定し、相電圧がバッテリ電圧を超える発電可能期間が電気角２πに占める期間が小さいと推定し、遅延時間を相対的に減少させる。これにより、遅延時間を好適に設定することができる。もちろん、遅延時間は６０度を超えることはない。
【００４３】
好適な態様において、前記制御回路は、前記回転電機の界磁電流制御用のスイッチング素子のデユーティが小さい場合に前記係数を低下させ、前記デユーティが大きい場合に前記係数を増加させる。このようにすれば、簡素な構成にて一層最適な同期整流が可能となる。
【００４４】
以下、更に説明する。
【００４５】
界磁電流通電式の回転機の発電電圧（相電圧）がバッテリ電圧よりも大きい期間（以下、発電可能相期間ともいう）が３６０度期間（電気角２π）のうちのどれだけの割合を占めるかは、発電電圧（相電圧）が界磁電流に正相関をもつ関数値であるため、界磁電流に正相関（略比例する）をもつ関数値となる。
【００４６】
ある相の上アーム素子のオン期間は、第一相電圧優勢時間と遅延時間の合計となるため、この合計が３６０度に占める割合が、発電可能相期間が３６０度期間（電気角２π）に占める割合に等しくなることが同期整流の理想である。したがって、遅延時間は、界磁電流に最適な相関をもつ関数値とすることが好ましい。
【００４７】
ここで、界磁電流は、界磁電流スイッチング用のスイッチング素子のデユーティに略比例する簡単に入力可能なパラメータである。結局、上記した遅延時間は、デユーティに正の相関を有する関数値となる。つまり、界磁電流の大きさは、界磁電流をスイッチング制御するスイッチングトランジスタのデユーティに正相関をもつ関数値であるため、このデユーティから界磁電流を推定することができる。
【００４８】
そこで、このようにして求めた界磁電流から発電電圧を予測することができる。なお、磁石式発電機では界磁電流の推定は不要となる。また、発電電流の変化は、発電機内部の電圧降下の変化により発電機の端子電圧すなわち相電圧を変化させるので、発電電流に関連する電気パラメータにより更に上記した発電電圧の予測を調整することもできる。結局、遅延時間はデユーティに正の相関を有する関数値となる。もちろん、遅延時間は６０度を超えることはない。
【００４９】
したがって、デユーティが大きいほど発電電圧（相電圧）が大きいと推定し、相電圧がバッテリ電圧を超える発電可能期間が電気角２πに占める期間が大きいと推定し、上記遅延時間を相対的に増加することが好ましい。逆に、デユーティが小さいほど発電電圧（相電圧）が小さいと推定し、相電圧がバッテリ電圧を超える発電可能期間が電気角２πに占める期間が小さいと推定し、上記遅延時間を相対的に減少することが好ましい。
【００５０】
その他、電機子コイルの発電電圧（相電圧）は、第一相電圧優勢時間とデユーティに関係し、発電電圧の大きさと最適遅延時間とは正相関をもつため、第一相電圧優勢時間とデユーティと遅延時間とをマップ又は関数として記憶しておき、それに基づいて最適な遅延時間を演算してもよい。このようにすることにより、相電圧がバッテリ電圧を上回るほとんどの期間にわたって、上アーム素子を導通させることが可能となり、三相インバータ回路の同期整流における発電効率を向上（回路損失の低減）を実現することができる。
【００５１】
好適な態様において、前記制御回路は、前記第一の相電圧より遅れる第二の相電圧が所定の第一しきい値電圧値を超える時点にて前記車両用三相回転電機が内蔵する回転角センサからカウント開始用の回転角度値を取得し、前記所定時間に相当する回転角量を前記カウント開始用の回転角度値に加算してオフタイミング用の回転角度値を算出し、前記回転角センサから入力される回転角が前記オフタイミング用の回転角度値に達した時点にて前記第一相電圧を整流する前記上アーム素子のオフを指令する。
【００５２】
すなわち、この態様では、いままで説明された種々の方法により設定されるあるいは固定値として設定される前記遅延時間に相当する回転角の大きさ（回転角量とも称する）だけ、前記遅行する相の上アーム素子が第一のしきい値を超えた時点（しばしば遅行する相の上アーム素子のオンタイミングとされる）から遅延される。したがって、この態様では回転電機は回転角を検出する回転角センサを必要とする。
このようにすれば、設定された遅延時間に相当する正確な回転角量だけ上アーム素子のオフタイミングを遅延させることができる。
【００５３】
好適な態様において、前記制御回路は、前記第一の相電圧が所定のしきい値に達する場合に前記第一相電圧を整流する前記上アーム素子のオンを指令し、前記第一の相電圧より遅れる第二の相電圧が所定の第一しきい値電圧値を超える時点から前記所定時間後に前記第一の相電圧を整流する前記上アーム素子のオフを指令し、前記第一相電圧を整流する前記上アーム素子に前記オンを指令する時点から所定のデッドタイムだけ先行した時点にて前記第一相電圧を整流する前記上アーム素子と同相の下アーム素子のオフを指令し、前記第一相電圧を整流する前記上アーム素子に前記オフを指令する時点から所定のデッドタイムだけ遅れた時点にて前記第一相電圧を整流する前記上アーム素子と同相の下アーム素子のオンを指令する。
【００５４】
このようにすれば、上アーム素子と同相の下アーム素子を簡単に断続制御することができるとともに、同相の上、下アーム素子の同時オンを確実に防止することができる。
【００５５】
【発明の実施の形態】
【００５６】
【実施例１】
実施例１を図１を参照して以下に説明する。
【００５７】
（全体説明）
１は界磁巻線型同期機からなる三相ブラシレスＤＣモータ、２はインバータ回路、３はコントローラ、４は界磁電流制御装置、５は回転角度センサとしてのレゾルバ、６は平滑コンデンサ、７は電流センサ、８は界磁電流断続用のＭＯＳトランジスタからなる界磁電流スイッチ、９はバッテリである。
【００５８】
三相ブラシレスＤＣモータ１は、Ｕ相巻線１１、Ｖ相巻線１２、Ｗ相巻線１３をスター接続してなり、ロータに巻装されて界磁電流制御装置から所望の界磁電流を通電される界磁コイル１４を有している。
【００５９】
インバータ回路２は、電動動作時にバッテリ両端ＶＢ＋、ＶＢー間から給電される直流電源電圧を三相交流電圧に変換し、発電動作時に三相全波整流回路として機能する三相インバータ回路であって、２１〜２３は上アーム側の半導体スイッチング素子、２４〜２６はＭＯＳトランジスタからなる下アーム側の半導体スイッチング素子、Ｄは寄生ダイオードからなるフライホイルダイオードであるが専用のダイオードを設けてもよい。
【００６０】
コントローラ３は、レゾルバ５、電流センサ７からの信号と、図示しない車両制御装置からの発電指令、電動指令に基づいて電動動作時に三相インバータ回路２の各ＭＯＳトランジスタ２１〜２６をＰＷＭ制御するための制御信号（ＰＷＭ信号）を形成するＭＧ制御回路３１と、発電時にＭＯＳトランジスタ２１〜２６を同期整流動作させる同期整流制御回路３２と、電動動作時にＭＧ制御回路３１から出力されるＰＷＭ信号および発電時に同期整流制御回路３２から出力される同期整流信号を電力増幅してＭＯＳトランジスタ２１〜２６のゲート電極端子に個別に印加するゲート駆動回路３３とからなる。
【００６１】
ＭＧ制御回路３１は、レゾルバ５からの位相に基づいて各相の通電位相信号を、ＰＷＭキャリヤ信号を電流センサ７からの電流と目標電流との差に基づいて決定したデューティ比によりＰＷＭ変調することによりＰＷＭ信号を決定する。
【００６２】
この種のＰＷＭ電動制御動作の原理および回路構成自体はもはや周知であり、ＭＧ制御回路３１およびゲート駆動回路３３は、もはや周知でありかつこの実施例の要旨でもないので、それらの詳細説明は省略する。
【００６３】
界磁電流制御装置４は通常のオルタネータのレギュレータと呼称されている回路であって、バッテリ９の端子電圧ＶＢ＋を一定とするために界磁電流値をフィードバック制御するが、これは、従来のオルタネータのレギュレータと同じであるので説明を省略する。
【００６４】
レゾルバ５は、磁気式回転角センサや光学式回転角センサに変更できることはもちろんである。平滑コンデンサ６は、インバータ回路２のスイッチング動作によるスイッチングサージ電圧が図示しない直流電源に悪影響を及ぼす効果を低減したり、外部に放射される電磁波ノイズを低減するために三相インバータ回路２の一対の直流電源端間に接続された大容量コンデンサにより構成されている。
【００６５】
電流センサ７は、インバータ回路２の入力電流を検出するものであり、この実施例では、回路簡素化のために低抵抗素子を用いているが、ホール素子などでもよいことは当然である。
【００６６】
同期整流回路３２は、発電動作時に、各相電圧ＶＵ、ＶＶ、ＶＷに基づいて、三相インバータ回路２の各ＭＯＳトランジスタ２１〜２６を断続制御することにより、三相発電電圧を整流してバッテリ９に給電する。
【００６７】
（同期整流制御の説明）
この実施例の要旨をなす同期整流制御について、以下に詳細に説明する。この実施例の同期整流制御回路３２を図２に示す。
【００６８】
Ｕ相電圧ＶＵは、電流制限抵抗rを通じてコンパレータ３２１Ｕによりしきい値電圧値（この実施例では約バッテリ電圧ＶＢの半分に設定されている）Ｖthと比較され、Ｖ相電圧ＶＶは、電流制限抵抗rを通じてコンパレータ３２１Ｖによりしきい値電圧値Ｖthと比較されてインバータ回路３２３Ｖにより反転され、これらの比較結果はオア回路３２４Ｕ、インバータ回路３２５Ｕを通じてＭＯＳトランジスタ２１のゲート電極端子に印加される。
【００６９】
その結果、ＭＯＳトランジスタ２１は、Ｕ相電圧ＶＵがしきい値電圧値Ｖｔｈより高く、かつ、Ｖ相電圧ＶＶがしきい値電圧値Ｖｔｈより低い期間にだけオンする動作を行う。
【００７０】
これにより、図３に示すように、Ｕ相電圧ＶＵがバッテリ電圧の半分より高くなった時点でＭＯＳトランジスタ２１のオンが指令される。なお、三相全波整流回路を通じてバッテリ充電を行う各相電圧の波形は略矩形波となり、Ｕ相電圧ＶＵがバッテリ電圧を実際に超えた時点と、Ｕ相電圧ＶＵがバッテリ電圧の半分（しきい値電圧値Ｖｔｈ）を超えた時点との間の時間差は小さく、かつ、信号の遅延が存在するために、このＭＯＳトランジスタ２１のオン時にバッテリ９からの逆流はほとんど無視することができる。
【００７１】
次に、ＭＯＳトランジスタ２１は、Ｕ相電圧ＶＵがバッテリ電圧の半分より小さくなる前のＶ相電圧ＶＶがバッテリ電圧の半分より大きくなる時点にて早期にオフを指令される。これにより、ＭＯＳトランジスタ２１がオンしている限り、ＭＯＳトランジスタ２１の両主電極端子間の電位差は約０．１Ｖと小さいために、この電位差の変化により正確にオフタイミングを決定することが困難であるという問題は生じることがない。
【００７２】
ただし、この実施例では、Ｖ相電圧ＶＶの立ち上がりエッジにてＭＯＳトランジスタ２１のオフを行うために、若干だけＭＯＳトランジスタ２１のオフが先行し、その後、Ｕ相電圧ＶＵが実際にバッテリ電圧＋０．７５Ｖ程度に低下するまで、ＭＯＳトランジスタ２１の寄生ダイオードを利用するダイオード整流期間が発生し、理想的な同期整流に比較して電力損失が増加する。そこで、Ｖ相電圧ＶＶの立ち上がりエッジから所定時間遅延してからＭＯＳトランジスタ２１をオフしてもよい。
【００７３】
同期整流制御回路３２の全体回路図を図４に示す。
【００７４】
下アーム素子を構成するＭＯＳトランジスタ２４〜２６も上アーム素子を構成するＭＯＳトランジスタ２１〜２３と同様に制御される。
【００７５】
３２４Ｕ’、３２４Ｖ’、３２４Ｗ’はオア回路３２４Ｕと同一機能を奏するオア回路であり、３２５Ｕ’、３２５Ｖ’、３２５Ｗ’はインバータ回路３２５Ｕと同一機能を奏するインバータ回路である。
【００７６】
（変形態様）
変形態様を図５を参照して以下に説明する。
【００７７】
この変形態様は、図２に示す回路において２入力オア回路３２４Ｕを３入力オア回路３２８に置換し、fーＶコンバータ３２６とコンパレータ３２７とを追加したものである。
【００７８】
fーＶコンバータ３２６は、レゾルバ５から出力される交流信号電圧の周波数に比例するアナログ出力電圧を回転数比例電圧として出力する。コンパレータ３２７は、この回転数比例電圧と所定のしきい値電圧値Ｖth２とを比較し、比較結果を３入力オア回路３２８に入力する。
【００７９】
したがって、発電機の回転数がしきい値電圧値Ｖth２に相当するしきい値回転数を超えるまでは、コンパレータ３２７の出力電圧はハイレベルとなり、オア回路３２８はハイレベルを出力し、インバータ回路３２５Ｕはローレベルを出力するので、ＭＯＳトランジスタ２１がオンされることはない。図４に示す各オア回路３２４Ｖ、３２４Ｗ、３２４Ｕ’、３２４Ｖ’、３２４Ｗ’も同様にこのような３入力オア回路に変更すれば、同様に低回転数において、ＭＯＳトランジスタ２１〜２６が誤ってオンしてバッテリからの逆電流が流れることがない。
【００８０】
なお、しきい値電圧値Ｖth２に相当するしきい値回転数は、このしきい値回転数における相電圧のピーク値がバッテリ電圧に相当するかそれを所定値だけ超えるように設定することが好適である。
【００８１】
【実施例２】
他の実施例について以下に説明する。この実施例は、図１に示す同期整流制御回路３２をマイコン構成とし、発電電圧に関連する入力信号をこの同期整流制御回路３２に入力し、この同期整流制御回路３２が遅延時間を演算し、この遅延時間だけ、１２０度以上各上アーム素子２１から２３のオン期間を延長することを、その骨子とするものである。
【００８２】
図６は、相電圧の波形を示すタイミングチャートである。Ｖｕは三相星形接続されたU相電機子コイルの起電力、Ｖｖは三相星形接続されたV相電機子コイルの起電力、Ｖｗは三相星形接続されたW相電機子コイルの起電力である。三相インバータ回路のU相上アーム素子の交流側主電極電圧（Uアーム電圧という）、V相上アーム素子の交流側主電極電圧（Vアーム電圧という）、W相上アーム素子の交流側主電極電圧（Wアーム電圧という）は、三相インバータ回路の各アーム素子を構成するＭＯＳトランジスタの寄生ダイオードのオンが存在するため、１８０度に近い期間だけバッテリ電圧を超えることになる。
【００８３】
次に、上記した三相インバータ回路の上アーム素子、下アーム素子のオフタイミングを決定する処理を説明する。なお、これらの素子のオンタイミングは、上述のように上アーム素子の交流側主電極電圧がしきい値電圧を超えた時点により簡単に決定できるので、ここでは説明しない。
【００８４】
まず、ステップS100にて、遅延時間ΔTを上記説明した種々の方法にて設定する。次に、いずれかの相の上アーム素子がオンしたかどうか（もしくは、いずれかの相の上アーム素子が所定しきい値を超えたかどうか）を調べ（S102)、NOであればステップS１００にリターンし、YESであれば上記遅延時間ΔTが設定されたタイマをスタートして上記遅延時間ΔT後に、上記オンした上アーム素子の相よりも先行する相の上アーム素子をオフする（S104）。次に、所定小時間経過後にこの先行する相の下アーム素子をオンしてステップS100にリターンする（S106）。
【００８５】
【実施例３】
他の実施例について以下に説明する。この実施例は、図１に示す同期整流制御回路３２をマイコン構成とし、回転電機内蔵の回転角センサから入力される回転角信号に基づいて上アーム素子のオフを行うものである。
【００８６】
図８は、上記した三相インバータ回路の上アーム素子、下アーム素子のオフタイミングを決定する処理を説明する。なお、上アーム素子のオンタイミングは、上述のように上アーム素子の交流側主電極電圧がしきい値電圧を超えた時点により簡単に決定できるので、ここでは説明しない。
【００８７】
まず、ステップS200にて、すでに説明した遅延時間ΔTに相当する遅延角度量（回転角量）Δθを上記説明した種々の方法にて設定する。次に、いずれかの相の上アーム素子がオンしたかどうか（もしくは、いずれかの相の上アーム素子が所定しきい値を超えたかどうか）を調べ（S202)、NOであればステップS200にリターンし、YESであれば回転角センサからこの時の回転角（カウント開始用の回転角度値）の値を読み込む（S204)。
【００８８】
次に、このカウント開始用の回転角度値に上記遅延角度量Δθを加算して、オフタイミング用の回転角度値を算出し（S206）、回転角センサから入力する回転角がこのオフタイミング用の回転角度値に達するまで待機してから（S208)、先行相の上アーム素子をオフし（S210)、所定のデッドタイム後、オフした上アーム素子と同相の下アーム素子をオンする（S212)。
【００８９】
（下アーム素子のオフ制御例の説明）
なお、下アーム素子のオフは、同相の上アーム素子のオンの決定により実施し、この実施から所定デッドタイム経過後、この上アーム素子をオンすることができる。
【００９０】
（変形態様）
なお、本発明の車両用三相回転電機用インバータ回路装置において、三相インバータ回路を電動モードで運転することも可能であり、また、発電整流専用の場合に上アーム側と下アーム側のどちらかをダイオードのみとしてもよい。また、発電機としては、通常のランデルポール型発電機でもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の制御に用いる車両用三相回転電機用インバータ回路装置を示す回路図である。
【図２】図１の同期整流制御回路の一部を示す回路図である。
【図３】図２の同期整流制御回路の動作を示すタイミングチャートである。
【図４】図１の同期整流制御回路の全体を示す回路図である。
【図５】変形態様を示す回路図である。
【図６】相電圧の波形図である。
【図７】実施例２におけるオフタイミングを決定するフローチャートである。
【図８】実施例３におけるオフタイミングを決定するフローチャートである。
【符号の説明】
１三相ブラシレスＤＣモータ（車両用三相回転電機）
２インバータ回路（三相インバータ回路）
３コントローラ（制御回路）
５レゾルバ
９バッテリ（直流電源）
１１〜１３相巻線
２１〜２３上アーム側のＭＯＳトランジスタ
２４〜２６下アーム側のＭＯＳトランジスタ

Claims

車両用三相回転電機の三相電機子巻線と直流電源との間に介設されて少なくとも前記三相電機子巻線の誘起電圧である三つの相電圧を整流して前記直流電源に給電する三相インバータ回路と、前記三相インバータ回路を構成する各ＭＯＳトランジスタを断続制御する制御回路とを備え、
前記三相インバータ回路は、ＭＯＳトランジスタからなる上アーム素子又は下アーム素子を有する車両用三相回転電機用インバータ回路装置において、
前記制御回路は、
第一の前記相電圧を整流する前記上アーム素子のオンタイミング又はオフタイミングを、前記第一の相電圧とは異なる前記相電圧に基づいて決定することを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。
請求項１記載の車両用三相回転電機用インバータ回路装置において、
前記制御回路は、
前記第一の相電圧より遅れる第二の相電圧が所定の第一しきい値電圧値を超える時点又は前記時点から所定時間経過した時点にて前記第一の相電圧を整流する前記上アーム素子のオフを指令する特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。
請求項１記載の車両用三相回転電機用インバータ回路装置において、
前記制御回路は、
前記第一の相電圧が前記直流電源の電圧より低い所定の第二しきい値電圧値を超え、かつ、前記第一の相電圧より遅れる第二の相電圧が所定の第三しきい値電圧値より低い期間に、前記所定の上アーム素子のオンを指令することを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。
請求項３のいずれか記載の車両用三相回転電機用インバータ回路装置において、
前記制御回路は、
前記三相回転電機の回転数が所定値以上の場合に、前記ＭＯＳトランジスタをオンさせることを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。
請求項４記載の車両用三相回転電機用インバータ回路装置において、
前記しきい値回転数は、前記相電圧が前記直流電源の電圧を超える回転数に設定されることを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。
車両用三相回転電機の三相電機子巻線と直流電源との間に介設されて少なくとも前記三相電機子巻線の誘起電圧である三つの相電圧を整流して前記直流電源に給電する三相インバータ回路と、前記三相インバータ回路の各スイッチング素子を断続制御する制御回路とを備え、
前記三相インバータ回路は、ＭＯＳトランジスタからなる上アーム素子を有する車両用三相回転電機用インバータ回路装置において、
前記制御回路は、
第一の前記相電圧が前記直流電源の電圧より所定値だけ小さく設定された所定のしきい値電圧を超える場合に、前記第一の相電圧を整流する前記上アーム素子のオンを指令することを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。
請求項１記載の車両用三相回転用インバータ回路装置において、
前記制御回路は、
前記第一の相電圧が前記直流電源の電圧より低い所定の第二しきい値電圧値未満で、かつ、前記第一の相電圧より遅れる第二の相電圧が所定の第三しきい値電圧値より高い期間に、前記第一の相電圧を整流する前記下アーム素子のオンを指令することを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。
請求項２記載の車両用三相回転用インバータ回路装置において、
前記制御回路は、
前記第一の相電圧が所定の第一しきい値電圧値を超えた時点から、前記第二の相電圧が第一しきい値電圧値を超えた時点までの時間である第一相電圧優勢時間をカウントし、
前記第一相電圧優勢時間に正相関を有する関数値として遅延時間を設定し、
前記第二の相電圧が所定の第一しきい値電圧値を超える時点から前記遅延時間だけ経過した時点にて前記第一の相電圧を整流する前記上アーム素子のオフを指令することを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。
請求項８記載の車両用三相回転用インバータ回路装置において、
前記制御回路は、
前記第一相電圧優勢時間の１／２を前記遅延時間とすることを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。
請求項８記載の車両用三相回転用インバータ回路装置において、
前記制御回路は、
前記第一相電圧優勢時間の１／４を前記遅延時間とすることを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。
請求項８記載の車両用三相回転用インバータ回路装置において、
前記制御回路は、
内蔵タイマとしてのカウンタによりカウントした前記第一相電圧優勢時間に所定係数（０．５未満）を掛けて前記遅延時間とすることを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。
請求項１１記載の車両用三相回転用インバータ回路装置において、
前記制御回路は、
前記第一相電圧優勢時間が大きい場合に前記係数を低下させ、前記第一相電圧優勢時間が小さい場合に前記係数を増加させることを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。
請求項１１記載の車両用三相回転用インバータ回路装置において、
前記制御回路は、
前記回転電機の界磁電流制御用のスイッチング素子のデユーティが小さい場合に前記係数を低下させ、前記デユーティが大きい場合に前記係数を増加させることを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。
請求項２記載の車両用三相回転用インバータ回路装置において、
前記制御回路は、
前記第一の相電圧より遅れる第二の相電圧が所定の第一しきい値電圧値を超える時点にて前記車両用三相回転電機が内蔵する回転角センサからカウント開始用の回転角度値を取得し、
前記所定時間に相当する回転角量を前記カウント開始用の回転角度値に加算してオフタイミング用の回転角度値を算出し、
前記回転角センサから入力される回転角が前記オフタイミング用の回転角度値に達した時点にて前記第一相電圧を整流する前記上アーム素子のオフを指令する特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。
請求項２記載の車両用三相回転電機用インバータ回路装置において、
前記制御回路は、
前記第一の相電圧が所定のしきい値に達する場合に前記第一相電圧を整流する前記上アーム素子のオンを指令し、前記第一の相電圧より遅れる第二の相電圧が所定の第一しきい値電圧値を超える時点から前記所定時間後に前記第一の相電圧を整流する前記上アーム素子のオフを指令し、
前記第一相電圧を整流する前記上アーム素子に前記オンを指令する時点から所定のデッドタイムだけ先行した時点にて前記第一相電圧を整流する前記上アーム素子と同相の下アーム素子のオフを指令し、
前記第一相電圧を整流する前記上アーム素子に前記オフを指令する時点から所定のデッドタイムだけ遅れた時点にて前記第一相電圧を整流する前記上アーム素子と同相の下アーム素子のオンを指令することを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。