JP5223396B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本発明は電力変換装置に関し、特にラジオ等の無線受信機の近傍に配置される電力変換装置のノイズ抑制に関する。 The present invention relates to a power conversion device, and more particularly to noise suppression of a power conversion device disposed in the vicinity of a radio receiver such as a radio.
電力変換装置ではスイッチング素子の開閉動作時に電磁波ノイズが生じることが知られており、ラジオ等の無線受信機が近傍に存在する場合に問題となり得る。このため、ラジオ等の無線受信機を搭載したハイブリッド車両等において、無線受信機での受信状態を改善する技術が提案されている。 In a power converter, it is known that electromagnetic wave noise is generated when a switching element is opened and closed, which may be a problem when a radio receiver such as a radio exists in the vicinity. For this reason, in a hybrid vehicle or the like equipped with a radio receiver such as a radio, a technique for improving the reception state of the radio receiver has been proposed.
例えば、下記に示す特許文献1では、スイッチング素子の開閉速度を遅くすることでスイッチング時のサージ電圧を抑制してノイズレベルを低減することが開示されている。
For example,
しかしながら、スイッチング速度を遅くすることでサージ電圧は抑制できるものの、スイッチング電流及びスイッチング電圧の積に相当するスイッチング時の電力損失が増大してしまう問題がある。図5及び図6に、スイッチング時の電力損失を示す。図5はスイッチング速度が通常時の電力損失であり、図6はスイッチング速度を遅くした時の電力損失である。両図において、横軸は時間、縦軸はスイッチング素子のゲートに印加されるゲート制御信号GS、スイッチング電流Isw、スイッチング電圧Vsw、損失電力をそれぞれ示す。時刻t1においてゲート制御信号GSがLowからHiに切り替わってスイッチング素子がONし、時刻t2においてゲート制御信号GSがHiからLowに切り替わってスイッチング素子がOFFする場合である。図5と図6とを比較すると、スイッチング素子の速度が遅い方が、電力損失が増大していることがわかる。 However, although the surge voltage can be suppressed by slowing the switching speed, there is a problem that the power loss at the time of switching corresponding to the product of the switching current and the switching voltage increases. 5 and 6 show power loss during switching. FIG. 5 shows power loss when the switching speed is normal, and FIG. 6 shows power loss when the switching speed is slow. In both figures, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the gate control signal GS, switching current Isw, switching voltage Vsw, and power loss applied to the gate of the switching element. This is the case where the gate control signal GS is switched from Low to Hi at time t1 and the switching element is turned on, and at time t2 the gate control signal GS is switched from Hi to Low and the switching element is turned off. Comparing FIG. 5 and FIG. 6, it can be seen that the power loss increases when the speed of the switching element is low.
スイッチング素子には使用可能な上限温度に制約がある。車載の電力変換装置において、例えば全開加速のように、スイッチング素子に印加される電圧、電流が高い走行状態では、もともとスイッチング素子で発生する損失が多く熱的に厳しい状態にあるため、このような状態においてスイッチング速度を低下させて電力損失を増大させると、スイッチング素子の上限温度に達する事態も想定され得る。 The switching element has a limit on the upper limit temperature that can be used. In an in-vehicle power conversion device, for example, in a driving state where the voltage and current applied to the switching element are high, such as full-open acceleration, the loss inherent in the switching element is inherently large and is in a thermally severe state. If the switching speed is reduced in the state to increase the power loss, it may be assumed that the upper limit temperature of the switching element is reached.
本発明の目的は、電力損失を抑制しつつ、無線受信機に与えるノイズを低減できる電力変換装置を提供することにある。 The objective of this invention is providing the power converter device which can reduce the noise given to a radio | wireless receiver, suppressing power loss.
本発明は、無線受信機の近傍に配置される電力変換装置であって、電力変換を行うための複数のスイッチング素子と、前記スイッチング素子を駆動する駆動手段と、前記無線受信機の受信状態に応じて前記駆動手段を制御することにより前記スイッチング素子のスイッチング周波数を制御する制御手段であって、前記無線受信機が動作中であって受信電波強度が所定のしきい強度よりも小さく弱い場合に、そうでない場合に比べて前記スイッチング素子のスイッチング周波数及びスイッチング速度を低下制御させ、かつ、前記スイッチング周波数及び前記スイッチング速度を低下させる場合の低下度合いを同一とすることでスイッチング時の電力損失を一定に維持する制御手段とを有する。
The present invention is a power conversion device arranged in the vicinity of a wireless receiver, wherein a plurality of switching elements for performing power conversion, a driving means for driving the switching elements, and a reception state of the wireless receiver In response, the control means for controlling the switching frequency of the switching element by controlling the driving means, when the radio receiver is operating and the received radio wave intensity is smaller than a predetermined threshold intensity and weak The power loss at the time of switching is kept constant by controlling the switching frequency and switching speed of the switching element to be lower than in the other cases, and by making the degree of decrease when the switching frequency and the switching speed are reduced the same. And a control means for maintaining the above .
本発明によれば、電力損失を抑制しつつ、無線受信機に与えるノイズを低減することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the noise given to a radio | wireless receiver can be reduced, suppressing a power loss.
以下、図面に基づき本発明の実施形態について、ラジオ等の無線受信機を有する車両に搭載される電力変換装置を例にとり説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described based on the drawings, taking as an example a power conversion device mounted on a vehicle having a radio receiver such as a radio.
図1に、本実施形態における電力変換装置の構成図を示す。上記した特開2005−168171号公報に記載されたパワーコントロールユニットPCUの構成と略同一である。 In FIG. 1, the block diagram of the power converter device in this embodiment is shown. The configuration is substantially the same as that of the power control unit PCU described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-168171.
PCU20は、平滑コンデンサ205と、昇圧用コンバータ210と、インバータ220とを備える。
PCU 20 includes a
平滑コンデンサ205は、バッテリ10からの電源ライン201および202の間に接続される。
昇圧用コンバータ210は、リアクトル215と、スイッチング素子Q1,Q2と、逆並列ダイオードD1,D2とを含む。スイッチング素子Q1およびQ2は、電源ライン203および202の間に直列に接続される。リアクトル215は、スイッチング素子Q1およびQ2の接続ノードと、電源ライン201との間に接続される。本実施形態におけるスイッチング素子としては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOS−FET(Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor)が適用可能である。
インバータ220は、モータMTに対応して設けられたインバータユニット221と、ジェネレータGTに対応して設けられたインバータユニット222と、平滑コンデンサ225とを含む。
平滑コンデンサ225は、電源ライン203および202の間に接続され、昇圧コンバータ210の出力電圧すなわちインバータユニット221,222の入力電圧を平滑する。
インバータユニット221は、一般的な3相インバータの構成を有し、U相アームを構成するスイッチング素子Q3,Q4と、V相アームを構成するスイッチング素子Q5,Q6と、W相アームを構成するスイッチング素子Q7,Q8とを含む。スイッチング素子Q3〜Q8のそれぞれに対応して、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すように逆並列ダイオードD3〜D8がそれぞれ接続されている。インバータユニット221の各相アームは、モータMTの対応相と接続される。
インバータユニット222の構成は、インバータユニット221と同様である。インバータユニット222の各相アームは、ジェネレータGTの対応相と接続される。
The configuration of the
コントローラ250は、モータMTでモータ指令値に応じたトルク・回転数等が生じるように、各種センサからの出力値に応じて、昇圧コンバータ210の動作を制御するコンバータ制御信号CVSおよびインバータユニット221の動作を制御するインバータ制御信号IVS1を生成する。具体的には、コンバータ制御信号CVSは、スイッチング素子Q1,Q2のオン・オフ制御信号であり、インバータ制御信号IVS1は、インバータユニット221中のスイッチング素子Q3〜Q8のオン・オフ制御信号である。スイッチング素子Q1〜Q8は、ゲート駆動回路GD1〜GD8によって、これらのオン・オフ制御信号に応答して、 開閉される。各種センサからの出力値には、たとえば、モータジェネレータの位置センサ・速度センサからの出力値、電流センサ227からの出力値、平滑コンデンサ225の保持電圧検出センサからの出力が含まれる。
The
コントローラ250は、さらに、ジェネレータGTで発電された交流電圧が直流電圧に変換されるように、各種センサからの出力に応じてインバータユニット222の動作を制御するインバータ制御信号IVS2を生成する。具体的には、インバータ制御信号IVS2は、インバータユニット222中のスイッチング素子Q3〜Q8のオン・オフ制御信号である。
The
昇圧コンバータ210は、電源ライン201および202の間にバッテリ10から供給された直流電圧を受けて、スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング動作によって、入力電圧を昇圧してコンデンサ225に供給する。コンバータ210での昇圧比は、スイッチング素子Q1およびQ2のオン期間比(デュ−ティ比)に応じて決まる。
インバータユニット221は、インバータ制御信号IVS1に応答したスイッチング動作によって、コンデンサ225によって平滑された昇圧コンバータ210からの直流電圧を交流電圧に変換してモータMTを駆動する。
The
また、インバータユニット222は、ジェネレータGTが発電した交流電圧を直流電圧に変換してコンデンサ225に供給する。コンデンサ225は、インバータユニット222からの直流電圧を平滑化して昇圧コンバータ210へ供給する。昇圧コンバータ210は、コンデンサ225からの直流電圧を降圧して、電源ライン201へ供給する。
The
このような構成において、コントローラ250は、無線受信機の受信状態を監視し、無線受信機の受信状態に応じてインバータ制御信号IVS1(及びISV2)を設定し、ゲート駆動回路GD3〜GD8によるスイッチング素子G3〜Q8のスイッチング周波数を変化させる。インバータから生じるノイズは、スイッチング周波数の整数倍に発生し、倍数が高くなるほどノイズレベルは小さくなる。したがって、スイッチングのキャリア周波数を低くすることでラジオ周波数との倍数を高くし、ラジオ周波数におけるノイズレベルを小さくすることができる。図2に、スイッチング周波数が相対的に高い場合(図中a)と相対的に低い場合(図中b)のノイズレベルを示す。スイッチング周波数が低いほど、ラジオ周波数におけるノイズレベルが低減する。
In such a configuration, the
図3に、本実施形態の処理フローチャートを示す。コントローラ250におけるスイッチング周波数を制御する処理である。まず、車両のユーザがチューナ(ラジオ受信機)を起動して受信局を選局したとする(S101)。コントローラ250は、選局周波数の受信電波強度Pinを検出する(S102)。受信電波強度は、電界強度システムを車両に搭載して実測してもよいし、ナビゲーションシステムにおいて各地点に対応して予め設定された受信強度のマップデータに基づいて検出してもよい。そして、受信電波強度Pinが所定のしきい強度よりも小さいため弱いか、あるいは車室内の騒音レベルがしきいレベル以下であるため許容できるレベルであるか否かを判定する(S103)。受信電波強度Pinが弱い場合には、電磁波ノイズを抑制する必要があるため、スイッチング周波数を低下させる(S104)。また、車室内の騒音レベルが許容できる場合にもスイッチング周波数を低下させる(S104)。スイッチング周波数を低下させることで電力損失も低下するため、ハイブリッド車両においては燃費も向上することになる。一方、スイッチング周波数を低下させることでラジオ周波数におけるノイズは低減するものの、モータ等の電磁音による騒音は増大することになるが、騒音が許容レベルであれば多少モータ等の電磁音が付加されても問題はない。また、ラジオ受信機が動作中であれば、多少モータ等の電磁音が増大しても問題はない。
FIG. 3 shows a processing flowchart of the present embodiment. This is processing for controlling the switching frequency in the
一方、受信電波強度がしきいレベル以上と強い場合には、電磁波ノイズを抑制する必要がないためスイッチング周波数をそのまま維持する。また、騒音レベルが許容できない場合にも、スイッチング周波数低下に伴うモータの電磁音増大を防止すべくスイッチング周波数をそのまま維持する。 On the other hand, when the received radio wave intensity is as strong as the threshold level or higher, it is not necessary to suppress electromagnetic wave noise, and the switching frequency is maintained as it is. Even when the noise level is unacceptable, the switching frequency is maintained as it is in order to prevent an increase in the electromagnetic noise of the motor due to a decrease in the switching frequency.
なお、図3において、受信電波強度Pinが弱い場合ではなく、受信電波強度が所定の範囲内にある場合(受信電波強度Pinが極めて弱い場合や極めて強い場合を除く趣旨)においてスイッチング周波数を低下させる処理を実行してもよい。 In FIG. 3, the switching frequency is lowered not when the received radio wave intensity Pin is weak, but when the received radio wave intensity is within a predetermined range (except when the received radio wave intensity Pin is extremely weak or very strong). Processing may be executed.
また、図3において、S103にて受信電波強度が弱いか、あるいは騒音レベルが許容できるか否かを判定しているが、S103では単に受信電波強度が弱いか否かを判定し、受信電波強度が弱い場合にさらに騒音レベルが許容できるか否かを判定し、受信電波強度が弱い場合であって、さらに騒音レベルが許容できるレベルである場合にスイッチング周波数の低下処理を実行し、受信電波強度が弱い場合であっても騒音レベルが許容できるレベルではない場合にはスイッチング周波数の低下処理を実行しないことも好適である。 In FIG. 3, it is determined whether the received radio wave intensity is weak or the noise level is acceptable in S103. In S103, it is simply determined whether the received radio wave intensity is weak, and the received radio wave intensity is determined. If the received signal strength is low and the received signal strength is weak and the noise level is acceptable, the switching frequency reduction process is executed and the received signal strength is determined. It is also preferable not to execute the switching frequency reduction process when the noise level is not an acceptable level even if the noise level is weak.
図4に、他の実施形態における処理フローチャートを示す。コントローラ250におけるスイッチング周波数を制御する処理である。まず、車両のユーザがチューナ(ラジオ受信機)を起動して受信局を選局したとする(S201)。コントローラ250は、選局周波数の受信電波強度Pinを検出する(S202)。受信電波強度は、電界強度システムを車両に搭載して実測してもよいし、ナビゲーションシステムにおいて各地点に対応して予め設定された受信強度のマップデータに基づいて検出してもよい。そして、受信電波強度Pinが上限値Pmaxを超えたか、あるいは下限値Pminを下回るか否かを判定する(S203)。上限値Pmax、下限値Pminは、固定値でもよいが、車両の走行状態に応じて設定することもできる。より特定的には車両の走行状態に応じて変化する素子電流、素子電圧及び素子温度に応じて設定する。一例として、車両の全開加速時にはそうでない場合に比べて上限値Pmaxを大きく設定するとともに下限値Pminを小さく設定してPmaxとPminとの間の範囲を拡大する(これにより、後述するようにスイッチング周波数及びスイッチング速度の低下制御が実行され易くなる)。
FIG. 4 shows a processing flowchart in another embodiment. This is processing for controlling the switching frequency in the
受信電波強度Pinが上限値Pmaxを超える場合、あるいは下限値Pminを下回る場合には、電磁波ノイズを抑制しても改善効果が小さいためスイッチング周波数及びスイッチング速度はそのまま維持する。受信電波強度PinがPmaxを超える場合には十分受信電波強度が大きいため電磁波ノイズを抑制する必要性に乏しく、受信電波強度がPminを下回る場合には受信電波強度が弱すぎるため、たとえ電磁波ノイズを抑制したとしても元々の信号レベルが小さいためあまり効果がないからである。一方、受信電波強度Pinが上限値Pmaxと下限値Pminの間にある場合には、電磁波ノイズの抑制により改善効果が期待できるためスイッチング周波数及びスイッチング速度を低下させる(S204)。スイッチング周波数とスイッチング速度との関係は、スイッチング速度を変化させた分と同じ割合だけスイッチング周波数を変化させるように規定する。これにより、スイッチング損失をほぼ一定に維持することができる。例えば、スイッチング速度を1/2と遅くした場合、スイッチング周波数も1/2に低下させる等である。スイッチング速度を低下させることで電磁波ノイズを抑制できるのは従来技術と同様であるが、本実施形態ではスイッチング速度とともにスイッチング周波数を低下させることで電力損失を抑制することができる。スイッチング周波数の低下は、スイッチング信号(インバータ制御信号)を生成するためのキャリア信号の周波数を低下させればよく、スイッチング速度を低下させるには上記公報に記載されているように各スイッチング素子Q3〜Q8のゲート抵抗を切り替えればよい。ゲート電位の変化速度はゲート抵抗値に依存し、ゲート抵抗が大きくなるほどスイッチング速度は低下する。 If the received radio wave intensity Pin exceeds the upper limit value Pmax or falls below the lower limit value Pmin, the switching frequency and the switching speed are maintained as they are because the improvement effect is small even if the electromagnetic wave noise is suppressed. When the received radio wave intensity Pin exceeds Pmax, the received radio wave intensity is sufficiently large, so there is little need to suppress electromagnetic wave noise. When the received radio wave intensity is less than Pmin, the received radio wave intensity is too weak. This is because even if it is suppressed, the original signal level is small, so it is not very effective. On the other hand, when the received radio wave intensity Pin is between the upper limit value Pmax and the lower limit value Pmin, since the improvement effect can be expected by suppressing electromagnetic wave noise, the switching frequency and the switching speed are lowered (S204). The relationship between the switching frequency and the switching speed is defined such that the switching frequency is changed by the same ratio as the switching speed is changed. Thereby, switching loss can be maintained substantially constant. For example, when the switching speed is reduced to 1/2, the switching frequency is also reduced to 1/2. Although electromagnetic noise can be suppressed by reducing the switching speed, as in the prior art, in this embodiment, power loss can be suppressed by reducing the switching frequency together with the switching speed. The switching frequency may be lowered by reducing the frequency of the carrier signal for generating the switching signal (inverter control signal). To reduce the switching speed, the switching elements Q3 to Q3 are described as described in the above publication. The gate resistance of Q8 may be switched. The changing speed of the gate potential depends on the gate resistance value, and the switching speed decreases as the gate resistance increases.
図4において、図3と同様に騒音レベルを検出し、騒音レベルの大小に応じてスイッチング周波数及びスイッチング速度を低下させる処理の実行/非実行を決定してもよい。 In FIG. 4, the noise level may be detected in the same manner as in FIG. 3, and execution / non-execution of the process of reducing the switching frequency and the switching speed may be determined according to the level of the noise level.
なお、図3、図4においてチューナが起動していない場合には、電磁波ノイズを抑制する必要がないのでスイッチング周波数及びスイッチング速度ともにそのまま維持することは言うまでもない。 3 and 4, it is needless to say that both the switching frequency and the switching speed are maintained as they are because it is not necessary to suppress electromagnetic wave noise when the tuner is not activated.
また、図3,図4においては受信電波強度Pinに応じてスイッチング周波数を低下させる処理の実行/非実行を切り替えているが、スイッチング周波数を低下させる場合においても、さらにスイッチング素子Q3〜Q8の素子温度に応じてスイッチング周波数の低下の度合いを調整してもよい。具体的には、素子温度が高い場合には、これ以上の温度上昇を抑制すべく、スイッチング周波数の低下度合いを増大させればよい。スイッチング周波数が小さいほど、スイッチング損失は小さくなるからである。 3 and 4, the execution / non-execution of the process of lowering the switching frequency is switched according to the received radio wave intensity Pin. However, even when the switching frequency is lowered, the elements of the switching elements Q3 to Q8 are further switched. The degree of switching frequency reduction may be adjusted according to the temperature. Specifically, when the element temperature is high, the degree of decrease in the switching frequency may be increased in order to suppress further temperature increase. This is because the switching loss decreases as the switching frequency decreases.
以上説明したように、本実施形態では無線受信機の作動/非作動、及び作動時における受信電波強度の大小に応じてスイッチング周波数、あるいはスイッチング周波数とスイッチング速度をともに低下させる処理を実行することで、電力損失を抑制しつつ効果的に電磁波ノイズを抑制し、無線受信状態を改善することができる。 As described above, in the present embodiment, by executing the process of lowering the switching frequency or both the switching frequency and the switching speed according to the operation / non-operation of the wireless receiver and the magnitude of the received radio wave intensity at the time of operation. In addition, electromagnetic wave noise can be effectively suppressed while suppressing power loss, and the wireless reception state can be improved.
10 バッテリ、210 昇圧用コンバータ、221,222 インバータユニット、250 コントローラ。 10 battery, 210 boost converter, 221, 222 inverter unit, 250 controller.
Claims (1)
電力変換を行うための複数のスイッチング素子と、
前記スイッチング素子を駆動する駆動手段と、
前記無線受信機の受信状態に応じて前記駆動手段を制御することにより前記スイッチング素子のスイッチング周波数を制御する制御手段であって、前記無線受信機が動作中であって受信電波強度が所定のしきい強度よりも小さく弱い場合に、そうでない場合に比べて前記スイッチング素子のスイッチング周波数及びスイッチング速度を低下制御させ、かつ、前記スイッチング周波数及び前記スイッチング速度を低下させる場合の低下度合いを同一とすることでスイッチング時の電力損失を一定に維持する制御手段と、
を有することを特徴とする電力変換装置。 A power converter arranged in the vicinity of a wireless receiver,
A plurality of switching elements for performing power conversion;
Driving means for driving the switching element;
Control means for controlling the switching frequency of the switching element by controlling the driving means according to the reception state of the radio receiver, wherein the radio receiver is in operation and the received radio wave intensity is predetermined. If less weaker than listening strength, reduce controls the switching frequency and switching speed of the switching element than otherwise, and to the degree of decrease in the case of lowering the switching frequency and the switching speed with the same Control means for maintaining constant power loss during switching ,
The power converter characterized by having.
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