JP5365586B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
また、直流電源から出力された第1の直流電圧を電圧レベルが前記第1の直流電圧と異なる第2の直流電圧に変換するDC−DCコンバータと、前記第2の直流電圧により駆動される第1および第2の電気負荷とを備える電気負荷装置が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
なお、特許文献2の構成においては、図14の構成において、制御装置CDによって、直流チョッパCVや電圧形インバータIV1および電圧形整流回路IV2が異常停止したとき、電圧形インバータIV1や電圧形整流回路IV2を強制停止することが開示されているが、詳しい説明は省略する。
さらに、シリーズ・パラレル方式と呼ばれるハイブリッド自動車では、ハイブリッド走行時に内燃機関で発生した機械的な出力トルクの一部を駆動輪に直接伝達しており、電気自動車(EV)走行時には、内燃機関から駆動輪に伝達される出力トルクも交流電動機AMで発生しなければならない。このため、交流電動機AMを駆動する電圧形インバータの通電電流も増加するため、電気自動車(EV)走行時の方がハイブリッド走行時よりも電圧形インバータのスイッチング損失などの発生損失が増加する傾向がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、電圧形インバータの構成を大形化することなく、電圧形インバータで発生するスイッチング損失を低減できる電力変換装置を提供することを目的としている。
また、本発明の他の形態に係る電力変換装置は、前記直列回路が、電圧形整流回路の交流入力側に個別に接続された当該交流入力側の相数と同数のスイッチ部で構成される第3のスイッチ回路と、該第3のスイッチ回路の各スイッチ部と直列に接続された当該スイッチ部と同数のリアクトルとで構成されていることを特徴としている。
また、本発明の他の形態に係る電力変換装置は、前記直流電源回路が、前記電圧形整流回路の出力側に接続された直流電源で構成されていることを特徴としている。
また、本発明の他の形態に係る電力変換装置は、前記直流電源回路が、直流電源をチョッパ制御する直流チョッパ回路で構成されていることを特徴としている。
また、本発明の他の形態に係る電力変換装置は、前記交流発電機は車両に搭載された内燃機関に連結されて回転駆動され、前記交流電動機は前記車両の駆動輪を回転駆動することを特徴としている。
図1は本発明の第1の実施形態の電力変換装置を示すブロック図であり、図中、1はハイブリッド自動車などの電気車に適用可能な電力変換装置である。この電力変換装置1は、エンジン等の内燃機関の出力軸から回転動力が伝達される3相の交流発電機3から出力される3相交流電力を各相に介挿されたスイッチ部4a〜4cを有する第1のスイッチ回路4を介して接続された電圧形整流回路5とを備えている。
上アーム部5Hは、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)で構成される3つのスイッチング素子Q11a〜Q13aと、各スイッチング素子Q11a〜Q13aのそれぞれに逆並列に接続されたダイオードD11a〜D13aとを有する。
下アーム部5Lも、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)で構成される3つのスイッチング素子Q11b〜Q13bと、各スイッチング素子Q11b〜Q13bのそれぞれに逆並列に接続されたダイオードD11b〜D13bとを有する。
そして、上アーム部5Hの各スイッチング素子Q11a〜Q13aと、下アーム部5Lの各スイッチング素子Q11b〜Q13bとの接続点である交流電力入力点Piu、PivおよびPiwに交流発電機3の交流電力がスイッチ回路4を介して供給される。
さらに、電力変換装置1は、バッテリ6の出力側に、正極側ラインLpに介挿された第2のスイッチ回路7を介して接続された平滑用コンデンサCを有する直流部8と、電圧形インバータ9とを有する。ここで、バッテリ6は、数Vの単位バッテリユニットを数十直列に接続されて数百Vのバッテリ電圧Vbを出力する。
上アーム部9Hは、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)で構成される3つのスイッチング素子Q21a〜Q23aと、各スイッチング素子Q21a〜Q23aのそれぞれに逆並列に接続されたダイオードD21a〜D23aとを有する。
そして、各スイッチング素子Q21a〜Q23aのコレクタが正極側ラインLpに接続され、エミッタが下アーム部9Lに接続されている。
また、各スイッチング素子Q21b〜Q23bのコレクタが上アーム部9Hのスイッチング素子Q21a〜Q23aのエミッタに接続され、エミッタが負極側ラインLnに接続されている。
そして、上アーム部9Hの各スイッチング素子Q21a〜Q23aと、下アーム部9Lの各スイッチング素子Q21b〜Q23bとの接続点である交流電力出力点Pou、PovおよびPowに交流電動機10の巻線Lu〜Lwが接続されている。
ここで、第3のスイッチ回路11は、一端が第1のスイッチ回路4のスイッチ部4a〜4cと電圧形整流回路5の交流電力入力点Piu〜Piwとの間に個別に接続されたスイッチ部11a〜11cを有する。これらスイッチ部11a〜11cの他端は互いに接続されて1つのリアクトルL12を介して正極側ラインLpの第2のスイッチ回路7および電圧形インバータ9の接続点に接続されている。
この制御装置13は、電圧形整流回路5を駆動制御する整流回路制御部14と、電圧形インバータ9を駆動制御するインバータ制御部15と、電力変換装置1の全体的な動作、すなわち、整流回路制御部14及びインバータ制御部15の連係を司ると共に,スイッチ回路4,7,11のオン/オフを制御するシステム制御部18とを備えている。
また、整流回路制御部14へは、システム制御部18のチョッパ動作信号発生部18aから、電圧形整流回路5の動作状態、すなわち、電圧形整流回路5が整流動作を停止し、かつチョッパ動作させることを指示する際に論理値“1”のチョッパ動作信号Scが入力される。さらに、整流回路制御部14は、チョッパ動作信号Scに基づいて、AC−DC変換制御部19とDC−DC変換制御部20とのどちらかを選択して、出力する選択スイッチ22を備えている。
また、AC−DC変換制御部19は、交流発電機3がエンジン等の内燃機関によって回転駆動されている発電状態で、交流発電機3から出力される交流電力の位相に応じて、電圧形整流回路5を整流動作させるための、電圧形整流回路5の各スイッチング素子Q11a〜Q13aおよびQ11b〜Q13bのゲートを制御して整流動作させるゲート駆動信号を形成する。
ここで、電圧形整流回路5を降圧チョッパ動作させるために、スイッチング素子をオンオフ制御する際、所定デューティ比でオンオフするパルス幅変調(PWM)制御してもよいし、電圧形整流回路5の出力電圧を検出し、電圧の基準値との比較を行って、比較結果に基づいてスイッチング素子のオンオフを行う制御としてもよい。以下の各実施形態においても同様であり、降圧チョッパの制御方法は種々の制御方法を適用することができる。
システム制御部18は、チョッパ動作信号Scを発生させるチョッパ動作信号発生部18aを備え、このチョッパ動作信号発生部18aから出力されるチョッパ動作信号Scを直接整流回路制御部14及びスイッチ回路11に供給するとともに、論理反転回路21を介してスイッチ回路4及び7に供給する。
すなわち、電圧形整流回路5を整流動作状態に制御する場合には、電動機電圧指令値Vmtの値にかかわらずAC−DC変換動作を指令するようにチョッパ動作信号Scを論理値“0”に設定する。
このため、チョッパ動作信号Scが論理値“0”であるときに、第1のスイッチ回路4および第2のスイッチ回路7が閉じ、第3のスイッチ回路11が開く。一方、チョッパ動作信号Scが論理値“1”であるときに、第1のスイッチ回路4及び第2のスイッチ回路7が開き、第3のスイッチ回路11が閉じる。
今、交流発電機3がエンジン等の内燃機関によって回転駆動され、発電している状態では、システム制御部18のチョッパ動作信号発生部18aから出力されるチョッパ動作信号Scを、前述した図4のチョッパ動作信号設定テーブルを参照して論理値“0”に設定する。このため、整流回路制御部14の選択スイッチ22では、AC−DC変換制御部19の出力が選択されて、このAC−DC変換制御部19で形成されるゲート駆動信号が電圧形整流回路5の各スイッチング素子Q11a〜Q13aおよびQ11b〜Q13bに出力される。
したがって、電圧形整流回路5で、整流動作が行われて交流発電機3から出力される交流発電電力が直流電力に変換されて平滑用コンデンサCで平滑化されて電圧形インバータ9に供給される。
この電圧形インバータ9では、制御装置13のインバータ制御部15で、必要とするモータトルクに応じたモータ電圧、モータ電流が得られるゲート駆動信号が形成され、交流出力点から出力される3相交流電力が交流電動機10に出力される。これによって交流電動機10が電動機速度指令値Vmtに応じて回転駆動され、例えば交流電動機10に動力伝達機構を介して駆動輪を駆動して車両を走行させることができる。
この場合もバッテリ6の電圧Vbのみによって交流電動機10を回転駆動する所謂電気自動車(EV)に相当する駆動制御を行うものであるが、交流電動機10の速度が中・低速で、電圧形インバータ9の入力電圧を低くするときである。この場合には、チョッパ動作信号Scが論理値“1”であるので、スイッチ回路4および7がオフ状態に制御され、スイッチ回路11がオン状態に制御される。これと同時に、電圧形整流回路5が整流回路制御部14のDC−DC変換制御部20によって降圧チョッパ制御される。
さらに、電圧形インバータ9のスイッチング動作に伴って流れる交流電動機10からの漏れ電流を小さくできるので、周辺電子機器のノイズ誤動作を確実に防止することができる。
しかも、電圧形インバータ9の入力電圧を調整する場合に、電圧形整流回路5をチョッパとして利用するので、新たな直流チョッパ回路を設ける必要がなく、全体の構成を簡易化することができる。
この直流チョッパ回路16は、正極側ラインLpおよび負極側ラインLn間に例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)で構成される一対のスイッチング素子Q16aおよびQ16bを直列に接続する。各スイッチング素子Q16aおよびQ16bには、これら逆並列にダイオードD16aおよびQ16bを接続する。
このため、エンジンを駆動させて交流発電機3から交流電力が出力されている状態では、システム制御部18のチョッパ動作信号発生部18aから入力されるチョッパ動作信号Scが論理値“0”となって、スイッチ回路4および7が閉状態に、スイッチ回路11が開状態に制御され、前述した第1の実施形態と同様の動作となる。
このとき、電動機回転速度vが図7に示すように所定回転速度v0以上v1未満であるときには、電動機電圧指令値Vmtによって求出される直流電圧Vcがバッテリ6Aの電圧Vbu以上となっている。この場合、チョッパ動作信号発生部でScを論理値”0”に設定し,チョッパ制御部17で、直流チョッパ回路16のチョッパ出力が直流電圧Vcとなるゲート駆動信号を形成し、このゲート駆動信号を直流チョッパ回路16に出力する。
逆に,コンデンサC1側からバッテリ6Aへ電力を供給し,バッテリ6Aを充電する場合には,スイッチング素子Q16bが常時オフに制御され、スイッチング素子Q16aが直流電圧Vcに応じてオンオフ制御されて、直流電圧Vcより低い充電電圧を出力する降圧チョッパ制御する。
このため、電圧形インバータ9では、入力電圧がバッテリ6Aの電圧Vbuより低下されることになり、前述した第1の実施形態と同様に、電圧形インバータ9でのスイッチング動作時の素子損失(スイッチング損失等)を抑制することができる。この場合、直流チョッパ回路16ではチョッパ制御を停止し、これに代えて電圧形整流回路5でバッテリ電圧よりインバータ電圧を下げることができるので、両者間の素子損失の変動はさほどなく、電圧形インバータ9の入力電圧低下による素子損失の抑制効果の方が大きくなる。しかも、交流電動機10で大きなトルクを必要とする低回転速度で、電圧形インバータ9を構成する各スイッチング素子Q21a〜Q23a及びQ21b〜Q23bの発熱量を抑制することができる。したがって、電圧形インバータ9を冷却する冷却構造を簡易化することができ、電圧形インバータ9の全体構成を小型化することができる。
この第2の実施形態は、交流発電機3の巻線のインダクタンスを利用してチョッパ動作させるようにしたものである。
すなわち、第2の実施形態では、図9に示すように、前述した第1の実施形態における図1の構成において、正極側ラインLpの第2のスイッチ回路7と電圧形インバータ9との接続点を第3のスイッチ回路11を介して交流発電機3の中性点に接続したことを除いては、前述した第1の実施形態と同様の構成を有する。したがって、図9において図1との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。
また、交流発電機3の巻線のインダクタンスをリアクトルとして使用することができるので、電圧形整流回路5の各スイッチング素子Q11a〜Q13aおよびQ11b〜Q13bを制御装置13の整流回路制御部14におけるDC−DC変換制御部20のゲート駆動信号で駆動制御することにより、チョッパ動作を行うことができる。このため、第2の実施形態でも前述した第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
ここで、交流発電機3として永久磁石同期電動機を適用した場合には、電圧形整流回路5を停止させているときにも、交流発電機3が回転している場合が考えられる。この場合に、電圧形整流回路5をチョッパ動作させる際には、例えば、交流発電機3で発生する誘起電圧と同じ電圧、周波数、位相の相殺交流電圧を電圧形整流回路5の入力側に発生させ、交流発電機3からの出力電力が“0”になるように制御する。さらに、相殺交流電圧を発生している最中の電圧形整流回路5の上アーム部5H(又は下アーム部5L)の同時にオンする3つのスイッチング素子Q11a〜Q13a(又はQ11b〜Q13b)を、上下で逆に切換えることによってチョッパ動作を実現することができる。
また、上記第2の実施形態の構成を利用してハイブリッド自動車などの電気車を構成する場合には、図12に示すように、交流発電機3をエンジン等の内燃機関30に連結して内燃機関30の回転駆動力を交流発電機3に伝達する一方、交流電動機10の出力軸を例えば減速機構31を介してディファレンシャルギヤ32に連結し、このディファレンシャルギヤ32に左右の駆動輪33を連結するようにすればよい。ここで、内燃機関30と交流電動機10とは直結してもよく、例えば遊星歯車機構で構成される動力分割機構に内燃機関30と交流電動機10とを並列に接続し、動力分割機構に交流発電機3を連結するようにしてもよい。
また、上記第1および第2の実施形態においては、電圧形整流回路5、電圧形インバータ9および直流チョッパ回路16のスイッチング素子として絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)を適用する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、使用電力に応じてパワーMOSFET等の任意のスイッチング素子を適用することができる。
さらに、上記第1および第2の実施形態においては、交流発電機3および交流電動機10が3相交流を使用する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ブラシレスモータのように4相以上の多相交流を使用することもできる。
また、上記第1および第2の実施形態においては、電圧形整流回路5に交流発電機3から交流電力を供給する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、電圧形整流回路5の交流入力点Piu〜Piwを商用交流電源などの交流電源に接続するプラグイン形式のハイブリッド自動車や電気自動車などとすることもできる。
Claims (8)
- 交流電源からの交流電力を直流電力に変換する電圧形整流回路と直流電源回路との少なくとも一方から直流電力の供給を受けて交流電動機を駆動する電圧形インバータを有する電力変換装置であって、
前記電圧形整流回路は、それぞれスイッチング素子を有する上アーム部および下アーム部を有し、当該電圧形整流回路の交流入力端子と前記交流発電機との間に第1のスイッチ回路を介挿し、
前記電圧形整流回路の出力側に前記直流電源回路を接続し、該直流電源回路と前記電圧形インバータとの間に第2のスイッチ回路を介挿し、
前記電圧形インバータの入力側の一方の直流入力部と、前記電圧形整流回路の交流入力側との間に、第3のスイッチ回路とリアクトルとの直列回路を介挿し、
前記電圧形整流回路の前記上アームおよび前記下アームの少なくとも一方をチョッパ制御する整流回路制御部を有する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 前記直列回路は、一端が前記電圧形整流回路の交流入力側に個別に接続された当該交流入力側の相数と同数のスイッチ部で構成される第3のスイッチ回路と、該第3のスイッチ回路の各スイッチ部の互いに接続された他端と前記前記負荷駆動装置の入力側の一方の直流入力部に接続された1つのリアクトルとで構成されていることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記直列回路は、電圧形整流回路の交流入力側に個別に接続された当該交流入力側の相数と同数のスイッチ部で構成される第3のスイッチ回路と、該第3のスイッチ回路の各スイッチ部と直列に接続された当該スイッチ部と同数のリアクトルとで構成されていることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 交流発電機で発電した交流電力を直流電力に変換する電圧形整流回路と直流電源回路との少なくとも一方から直流電力の供給を受けて交流電動機を駆動する電圧形インバータを有する電力変換装置であって、
前記電圧形整流回路は、それぞれスイッチング素子を有する上アーム部および下アーム部を有し、
前記電圧形整流回路の出力側に前記直流電源回路を接続し、該直流電源回路と前記電圧形インバータとの間に第2のスイッチ回路を介挿し、
前記電圧形インバータの入力側の一方の直流入力部と、前記交流発電機の中性点との間に、第4のスイッチ回路を介挿し、
前記電圧形整流回路の前記上アームおよび前記下アームの少なくとも一方をチョッパ制御する整流回路制御部を有する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 前記第4のスイッチ回路と直列に補助リアクトルを介挿したことを特徴とする請求項4に記載の電力変換装置。
- 前記直流電源回路は、前記電圧形整流回路の出力側に接続された直流電源で構成されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記直流電源回路は、直流電源をチョッパ制御する直流チョッパ回路で構成されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記交流発電機は車両に搭載された内燃機関に連結されて回転駆動され、前記交流電動機は前記車両の駆動輪を回転駆動することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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