JP5429536B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換部と制御部を有する電力変換装置に関する。

従来では、電源から供給される電力をスイッチング素子のスイッチング動作によって変換してモータを駆動するとともに、同じ電源から供給される電力でインバータ制御部が動作するように構成した空調用インバータシステムの一例が開示されている（例えば特許文献１；特に段落００２９，００３９および図１，図９を参照）。

また、電力変換装置に制御演算装置を内蔵し、スイッチング素子の駆動・保護回路とマイコンとの間にＨＶＩＣ（High Voltage Integrated Circuit；高耐圧の半導体集積回路）を介在させて信号伝達するように構成した車載用電力変換装置の一例が開示されている（例えば特許文献２；特に段落００１４−００１６および図３を参照）。

特許第３３５１３３０号公報 特許第３６２５６９２号公報

しかし、特許文献１に記載された技術によれば、モータのロータが空調用冷媒の内部にあるため、ロータ位置センサレス制御が行われている。この制御では、インバータ制御部が正確なロータ位置を把握できないので、スリップ等の要因によって制御とは異なるロータ位置になる場合がある。したがって、信頼性が劣るという問題がある。

また、特許文献２に記載された技術によれば、スイッチング素子の駆動・保護回路とマイコンとの間をＨＶＩＣで絶縁することができる。ところが、ＨＶＩＣは特許文献２の段落００１１，００１２および図２に示すように多くの回路素子や集積回路等を用いて構成するので高価になる。特許文献２に記載には記載されていないが、モータのロータ位置を検出するレゾルバから出力される検出信号をマイコンに入力する場合にＨＶＩＣを介在させることも可能である。この場合、レゾルバの数に対応してＨＶＩＣを備える必要があるので、全体としてコストが嵩むという問題がある。

本発明はこのような点に鑑みてなしたものであり、従来よりも信頼性を向上させながら、かつ全体のコストを低減できる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、第１電源から供給される電力を変換して回転機に出力する電力変換部と、前記第１電源とは異なる第２電源によって作動するとともに少なくとも前記回転機に備えるレゾルバから伝達される信号に基づいて前記電力変換部を構成するスイッチング素子群を駆動制御する制御部とを有する電力変換装置において、前記制御部は、前記電力変換部に内蔵するとともに、前記電力変換部の共通電位に直接接続し、絶縁部を介在させて前記レゾルバと接続することを特徴とする。

この構成によれば、制御部は、電力変換部に備える他の回路素子と電位を共通にできるので、絶縁距離等が不要になる。回転機に備えるレゾルバは、当該回転機（具体的にはロータ等の回転体）の正確な回転位置を検出するので、ロータ位置センサレス制御を行う特許文献１に記載の従来技術を適用するよりも信頼性が向上する。レゾルバと制御部との間に介在させる絶縁部は、信号を伝達可能であればよいので、安価な素子や回路等を適用することができる。絶縁部の具体例としては、フォトカプラ、磁気結合（例えばコイルやトランス等）、アイソレーションアンプ、抵抗器、容量性素子（例えばコンデンサ等）のうちでいずれかが該当する。よって高価なハーネスを使う必要がなく、ＨＶＩＣで絶縁を図る特許文献２に記載の従来技術を適用するよりもコストを低く抑えることができる。

請求項２に記載の発明は、前記絶縁部と前記レゾルバと間に介在され前記レゾルバから出力される検出信号をパルス信号に変換する信号変換部を備え、前記信号変換部は前記第２電源によって作動することを特徴とする。この構成によれば、制御部と同じ第２電源によって作動する信号変換部は、レゾルバから出力される検出信号をパルス信号に変換し、絶縁部を通じて制御部に伝達する。よって、パルス信号（すなわちデジタル信号）を確実に絶縁することができる。

請求項３に記載の発明は、前記絶縁部には、フォトカプラまたは磁気結合を用いることを特徴とする。この構成によれば、フォトカプラや磁気結合を用いることで、パルス信号を確実に絶縁し、かつコストを低く抑えることができる。

請求項４に記載の発明は、第１電源から供給される電力を変換して回転機に出力する電力変換部と、前記第１電源とは異なる第２電源によって作動するとともに少なくとも前記回転機に備えるレゾルバから伝達される信号に基づいて前記電力変換部を構成するスイッチング素子群を駆動制御する制御部とを有する電力変換装置において、前記制御部は、前記電力変換部に内蔵するとともに、信号を伝達可能な絶縁部を介在させて前記レゾルバと接続し、前記電力変換部は、前記レゾルバを励磁させる励磁信号を出力する励磁回路と、前記検出信号および前記励磁回路から出力される搬送波信号とに基づいて回転位置を求めて前記制御部に出力するコンバータとを有し、前記励磁回路および前記コンバータのうち一方または双方は、フォトカプラ、磁気結合、アイソレーションアンプ、前記第１電源と前記第２電源とを絶縁する絶縁抵抗値以上の抵抗値を有する抵抗器、前記第１電源と前記第２電源との電位差以上の耐圧を有する容量性素子のうちでいずれかを介在させて前記レゾルバと接続することを特徴とする。この構成によれば、励磁回路とコンバータとを高圧側または低圧側のいずれに配置するにせよ、レゾルバとの間に絶縁部（すなわちフォトカプラ、磁気結合、アイソレーションアンプ、抵抗器、容量性素子のうちでいずれか）を介在させて接続する。よって、励磁信号，搬送波信号および検出信号を確実に絶縁することができる。

請求項５に記載の発明は、前記フォトカプラは、出力側にトランジスタを備えることを特徴とする。この構成によれば、フォトカプラの発光素子（例えばＬＥＤ等）が出力する光の強さに応じて、受光素子としてのトランジスタに流れる電流を制御するので、絶縁を行いながらアナログ信号を確実に伝達することができる。

請求項６に記載の発明は、前記フォトカプラに備えるトランジスタは、ベース電流に基づいて出力を制御するように構成されていることを特徴とする。この構成によれば、トランジスタはベース電流に基づいて出力を制御するので、信号が例えば正弦波等の場合でも歪みを少なく伝達することができる。

請求項７に記載の発明は、前記フォトカプラの入力側に備えられ、信号を変調する変調回路と、前記フォトカプラの出力側に備えられ、前記変調回路によって変調された信号を復調する復調回路と、を有することを特徴とする。この構成によれば、信号をそのまま絶縁部に通すと歪む等のような場合に、絶縁部に通す前に変調回路で信号を変調させ、絶縁部を通した後に復調回路で信号を復調させる。こうすることで、どのような素子や回路等を絶縁部として適用する場合でも、信号の歪みを少なく伝達することができる。

請求項８に記載の発明は、前記抵抗器に接続され、前記抵抗器によって減衰した信号を増幅する増幅器を有することを特徴とする。この構成によれば、絶縁部として抵抗器を用いると信号の大きさ（振幅や平均値等）が減衰するが、増幅器によって元の大きさ以上に増幅する。こうすることで、アナログ信号を確実に伝達することができる。

電力変換装置の第１構成例を示す模式図である。 スイッチング素子を中心とする接続例を示す回路図である。 絶縁部の第１構成例を示す回路図である。 絶縁部の第２構成例を示す回路図である。 電力変換装置の第２構成例を示す模式図である。 絶縁部の第３構成例を示す回路図である。 絶縁部の第４構成例を示す回路図である。 絶縁部の第５構成例を示す回路図である。 絶縁部の第６構成例を示す回路図である。 絶縁部の第７構成例を示す回路図である。 絶縁部の第８構成例を示す回路図である。 電力変換装置の第３構成例を示す模式図である。 電力変換装置の第４構成例を示す模式図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面に基づいて説明する。なお、特に明示しない限り、「接続する」という場合には電気的な接続を意味する。また、連続符号は記号「〜」を用いて表記する。例えば「スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６」は、「スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６」を意味する。回転機には、エンジン始動および発電の双方が行える車両用の発電電動機を適用した例について説明する。

〔実施の形態１〕
実施の形態１は信号変換部を低圧系に配置する例であって、図１〜図４を参照しながら説明する。まず図１には、電力変換装置の第１構成例を模式図で示す。図１に示す電力変換装置２０は、第１電源Ｅ１（例えばバッテリ等）からコンバータ回路１０を経て供給される電力を変換して発電電動機３０に出力する機能を有する。この電力変換装置２０は、電力変換部２１、コントローラ２２、絶縁部２３，２４、信号変換部２５等を有する。コンバータ回路１０と電力変換装置２０との間には、平滑用のコンデンサＣ２が接続される。このコンデンサＣ２は、コンバータ回路１０から入力される直流電源電圧の電位変動を低減する。

コンバータ回路１０は、第１電源Ｅ１から平滑用のコンデンサＣ１を介して供給される直流電圧Ｖ１（例えば３００ボルト等）を、電力変換装置２０で必要とする直流電圧Ｖ１０（例えば６５０ボルト等）に変換して出力する機能を有する。このコンバータ回路１０の構成や作動等は周知であるので図示および説明を省略する。

電力変換装置２０は、給電機能と送電機能とを切り換え可能に備える。給電機能は、第１電源Ｅ１からコンバータ回路１０を介して供給される直流電力を三相交流電力に変換し、発電電動機３０に供給する機能である。送電機能は、発電電動機３０が発電した三相交流電力を整流し、コンバータ回路１０を介して第１電源Ｅ１に還流する機能である。

一点鎖線で囲って示す電力変換部２１は、駆動回路Ｍ１〜Ｍ６、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６、ダイオードＤ１〜Ｄ６、抵抗器Ｒ１〜Ｒ６などを有する。駆動回路Ｍ１〜Ｍ３、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３、ダイオードＤ１〜Ｄ３、抵抗器Ｒ１〜Ｒ３などは上アーム側に配置される。駆動回路Ｍ４〜Ｍ６、スイッチング素子Ｑ４〜Ｑ６、ダイオードＤ４〜Ｄ６、抵抗器Ｒ４〜Ｒ６などは下アーム側に配置される。

駆動回路Ｍ１〜Ｍ６は、制御電源５０から電圧の供給を受けて作動する。駆動回路Ｍ１〜Ｍ６は第１電源Ｅ１から制御（例えば降圧電源）された電源から供給を受けて作動しても良い。この駆動回路Ｍ１〜Ｍ６は、コントローラ２２から個別に伝達される制御信号（例えばＰＷＭ（パルス幅変調）信号等）に従って、対応するスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の制御端子（例えばゲート端子等）に駆動信号を出力する。なお、駆動回路Ｍ１〜Ｍ３が制御端子Ｐｉ１〜Ｐｉ３を介して受ける電圧と、駆動回路Ｍ４〜Ｍ６が制御端子Ｐｉ４〜Ｐｉ６を介して受ける電圧とでは基準電位が異なる。これは、半導体スイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）の所定端子（例えばエミッタ端子）を基準としてゲート電圧を形成するためである。制御端子Ｐｉ１〜Ｐｉ３から、後述するスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ３のセンス端子Ｐｓ１〜Ｐｓ３の間も基準電位が異なるので、絶縁を確保するために絶縁素子（または高耐圧素子）が必要である。

「スイッチング素子群」に相当するスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６には、例えばセンス電流を出力するセンス端子Ｐｓ１〜Ｐｓ６を備えたＩＧＢＴを用いる。センス端子Ｐｓ４〜Ｐｓ６と共通電位Ｇ２との間には、それぞれ抵抗器Ｒ４〜Ｒ６を接続する。抵抗器Ｒ１〜Ｒ３はそれぞれ対応するスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のエミッタ端子と接続される。共通電位Ｇ２は電力変換装置２０内で共通する電位（同電位グランド）であって、当該電力変換装置２０がグランドＧ１と接続された場合にはアースと同電位になる。共通電位Ｇ２は一般的にアースと同電位でないので、グランドＧ１とは異なる図記号を用いて図示する。ここで、図１では図示を簡単にするために一部の素子を省略したので、図２を参照しながらスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の具体的な接続例を説明する。

図２には、スイッチング素子Ｑｎを中心とする接続例を示す。ｎに１〜６のいずれかの数値を適用すると、図１に示すスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のいずれか一のスイッチング素子に対応する。このことは以下の記載でも同様とする。言い換えれば、スイッチング素子Ｑｎはスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を代表して説明する回路素子であり、図示する他の回路素子についても同様である。センス電圧を検出するための抵抗器Ｒｎは、一方端をスイッチング素子Ｑｎのセンス端子Ｐｓｎと接続し、他方端を同素子のエミッタ端子と接続する。スイッチング素子Ｑｎのゲート端子にはゲート電圧Ｖｇｎが印加される。当該ゲート電圧Ｖｇｎの印加に伴って、スイッチング素子Ｑｎのコレクタ・エミッタ間に電流が流れ、さらにセンス端子Ｐｓｎからセンス電流Ｉｓｎが流れる。当該センス電流Ｉｓｎが流れる抵抗器Ｒｎの両端には電圧Ｖseｎが生じる。この電圧Ｖseｎはセンス電流Ｉsnと相関関係があるので、当該相関関係をコントローラ２２内の記録媒体（例えばＲＯＭ，ＥＥＰＲＯＭ等）に記録しておく。

図１に戻って、ダイオードＤ１〜Ｄ６は、それぞれ対応するスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のコレクタ端子とエミッタ端子との間に並列接続される。これらのダイオードＤ１〜Ｄ６は、いずれもフリーホイールダイオードとして機能する。

電力変換部２１内の回路素子は、一点鎖線で囲って示すように三相（本例ではＵ相，Ｖ相，Ｗ相）に分けられ、コントローラ２２によって相ごとに作動が制御される。Ｕ相は、駆動回路Ｍ１，Ｍ４、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４、ダイオードＤ１，Ｄ４、抵抗器Ｒ１，Ｒ４などで構成される。Ｖ相は、駆動回路Ｍ２，Ｍ５、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ５、ダイオードＤ２，Ｄ５、抵抗器Ｒ２，Ｒ５などで構成される。Ｗ相は、駆動回路Ｍ３，Ｍ６、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ６、ダイオードＤ３，Ｄ６、抵抗器Ｒ３，Ｒ６などで構成される。Ｕ相のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４は、直列接続されてハーフブリッジを構成する。Ｖ相のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ５と、Ｗ相のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ６とについても同様に、直列接続されてハーフブリッジを構成する。ハーフブリッジの各接続点と発電電動機３０の三相端子とは、線路Ｋｕ，Ｋｖ，Ｋｗによって相ごとに接続される。線路ＫｕにはＵ相電流Ｉｕが流れ、線路ＫｖにはＶ相電流Ｉｖが流れ、線路ＫｗにはＷ相電流Ｉｕが流れる。

「制御部」に相当するコントローラ２２は、電力変換装置２０に内蔵され、コンバータ回路１０や電力変換装置２０等の動作を司る。例えば、絶縁部２３，２４を介して入力される信号情報に基づいて、コンバータ回路１０や電力変換装置２０等を制御するための制御信号（例えばＰＷＭ信号等）を出力する。入力される信号情報には、例えば外部ＥＣＵ６０から伝達される指令信号（例えばトルク指令等）や、発電電動機３０側に備えられたレゾルバ４０等の検出信号などが該当する。また、外部ＥＣＵ６０に対し絶縁部２３を介して信号情報を出力したり、レゾルバ４０に対し作動用の励磁信号Ｓｅを出力する。図示するように、コントローラ２２は共通電位Ｇ２に対して直接接続される（符号「Ｐｇ」から延びる接続線を参照）。

上述した各機能を果たす限りにおいて、コントローラ２２は任意に構成してよい。例えば、ＣＰＵ（マイコンを含む）によってソフトウェア制御を行う構成としてもよく、ＩＣ（ＬＳＩやゲートアレイ等を含む）やトランジスタ等の電子部品を用いてハードウェア制御を行う構成としてもよい。

絶縁部２３，２４には、パルス信号の伝達が行え、かつ電流を遮断できる任意の素子や回路等を適用することができる。本例の絶縁部２３には、模式的に示すようにバッファ付きの光電素子（例えばフォトカプラ等）を用いる。絶縁部２４の適用例について後述する（図３，図４を参照）。発電電動機３０は「回転機」に相当し、エンジン始動および発電の双方を行う。レゾルバ４０は、発電電動機３０に備える回転体（例えばロータ等）にかかる回転位置（絶対位置であって、回転角を含む。）を検出する。

信号変換部２５は、絶縁部２４とレゾルバ４０と間に介在して接続され、レゾルバ４０から出力される検出信号Ｓｄをパルス信号Ｓｐに変換する機能を有する。この信号変換部２５は、励磁回路２５ａやコンバータ２５ｂ等を有する。励磁回路２５ａは、レゾルバ４０に対して励磁信号Ｓｅ（例えば正弦波を示すsinωｔ）を出力する。コンバータ２５ｂは「Ｒ／Ｄコンバータ」とも呼ばれ、レゾルバ４０から出力される二種類の検出信号Ｓｄと、励磁回路２５ａから伝達される搬送波信号Ｓｃ（上述した励磁信号Ｓｅと同じ信号）とを受けて、発電電動機３０の回転体にかかる回転位置（回転角φ）を求めてパルス信号Ｓｐで出力する。二種類の検出信号Ｓｄは、上記回転角φおよび定数Ｋを用いて表せば、正弦波を示すＫ・sinφ・sinωｔと、余弦波を示すＫ・cosφ・sinωｔとからなる。なお、回転角φの詳細な算出方法については周知であるので図示および説明を省略する。

制御電源５０は、第２電源Ｅ２から供給される直流電圧Ｖ２（例えば１２ボルト等）を、コントローラ２２や駆動回路Ｍ１〜Ｍ６等で必要とする電圧や電流に変換して出力する機能を有する。この制御電源５０の構成や作動等は周知であるので図示および説明を省略する。第２電源Ｅ２には、例えばバッテリを用いる。制御電源５０と第２電源Ｅ２とは、ともにグランドＧ１に接続する。なお、図１に示す太破線は、第１電源Ｅ１からの電力供給を受けて高電圧で作動する素子や回路等（高圧系）と、第２電源Ｅ２からの電力供給を受けて低電圧で作動する素子や回路等（低圧系）との境界を示す。

絶縁部２４として適用可能な素子や回路等の構成例について、図３，図４を参照しながら説明する。図３に示す絶縁部７０と図４に示す絶縁部７１とは、いずれも上述したパルス信号Ｓｐを伝達する。なお、説明を簡単にするために、入力信号Ｓｉを低圧系とし、出力信号Ｓｏを高圧系とする。ただし、絶縁部７０，７１を後述する絶縁部２６，２８として適用する場合は、入力信号Ｓｉを高圧系とし、出力信号Ｓｏを低圧系とするので、グランドＧ１と共通電位Ｇ２とが逆になる。

まず図３に示す絶縁部７０は、フォトカプラＸａや抵抗器Ｒａなどで構成する。フォトカプラＸａは、発光素子としての発光ダイオードＤａと、受光素子としてのフォトトランジスタＱａとからなる。発光ダイオードＤａは、アノード側を入力信号Ｓｉを入力する端子に接続し、カソード側をグランドＧ１に接続する。フォトトランジスタＱａは、コレクタ端子を出力信号Ｓｏを出力する端子に接続し、エミッタ端子を共通電位Ｇ２に接続する。また、フォトトランジスタＱａのコレクタ端子と定電圧源Ｅｃとの間に抵抗器Ｒａを介在させて接続する。本例の定電圧源Ｅｃは低圧系の制御電源５０である。この絶縁部７０によれば、基本的にフォトカプラＸａの機能によって作動するので、入力信号Ｓｉと同位相で出力信号Ｓｏを出力する。

図４に示す絶縁部７１は、「磁気結合」に相当するトランスＴで構成する。トランスＴの一次巻線は、一方側を入力信号Ｓｉを入力する端子に接続し、他方側をグランドＧ１に接続する。トランスＴの二次巻線は、一方側を出力信号Ｓｏを出力する端子に接続し、他方側を共通電位Ｇ２に接続する。一次巻線と二次巻線の巻き方を調整することにより、入力信号Ｓｉと同位相で出力信号Ｓｏを出力する。

上述した実施の形態１によれば、以下に示す各効果を得ることができる。まず、請求項１に対応し、電力変換装置２０は電力変換部２１とコントローラ２２（制御部）とを備え、コントローラ２２は電力変換部２１に内蔵するとともに電力変換部２１の共通電位Ｇ２に直接接続し、絶縁部２４を介在させてレゾルバ４０と接続する構成とした（図１を参照）。この構成によれば、コントローラ２２は、電力変換部２１に備える他の回路素子と電位を共通にできるので、絶縁距離等が不要になる。レゾルバ４０は発電電動機３０（具体的にはロータ等）の正確な回転位置を検出するので、ロータ位置センサレス制御を行う特許文献１に記載の従来技術を適用するよりも信頼性が向上する。絶縁部２４は信号を伝達可能であればよいので、安価な素子や回路等を適用することができ、高価なハーネスを使う必要がない。また、ＨＶＩＣで絶縁を図る特許文献２に記載の従来技術を適用するよりもコストを低く抑えることができる。

請求項２に対応し、第２電源Ｅ２から供給される電力を受けて作動し、絶縁部２４とレゾルバ４０と間に介在される信号変換部２５を備える構成とした（図１を参照）。この構成によれば、レゾルバ４０から出力される検出信号Ｓｄを信号変換部２５でパルス信号Ｓｐに変換し、絶縁部２４を通じてコントローラ２２に伝達する。よって、絶縁部２４によってパルス信号Ｓｐ（すなわちデジタル信号）を確実に絶縁することができる。

請求項３に対応し、絶縁部２４には、フォトカプラＸａを用いる構成とするか（図３を参照）、あるいはトランスＴ（磁気結合）を用いる構成とした（図４を参照）。これらの構成によれば、パルス信号Ｓｐを確実に絶縁し、かつ簡単な構成でコストを低く抑えることができる。

〔実施の形態２〕
実施の形態２は信号変換部を高圧系に配置する例であって、図５〜図１１を参照しながら説明する。なお、図示および説明を簡単にするために実施の形態２では実施の形態１と異なる点について説明する。よって実施の形態１で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。

まず図５には、電力変換装置の第２構成例を模式図で示す。図１に示す第１構成例との相違は、信号変換部２５を高圧系に配置するのに伴う絶縁部２６，２７の接続位置である。すなわち、第１構成例では絶縁部２４をコントローラ２２と信号変換部２５との間に介在させて接続するのに対し、図５の第２構成例では絶縁部２６，２７を信号変換部２５とレゾルバ４０との間に介在させて接続する。

この構成では、励磁回路２５ａは絶縁部２６を介してレゾルバ４０に励磁信号Ｓｅを出力し、レゾルバ４０は絶縁部２７を介してコンバータ２５ｂに検出信号Ｓｄを出力する。上述したように励磁信号Ｓｅや検出信号Ｓｄはアナログ信号（例えば正弦波や余弦波等の波形信号）であるので、絶縁部２６，２７にはアナログ信号を伝達可能な素子や回路等を適用する必要がある。絶縁部２６に適用する場合にグランドＧ１と共通電位Ｇ２とが逆になる点を除けば、実施の形態１で示した絶縁部７０（図３を参照）と絶縁部７１（図４を参照）とをそのまま適用することができる。

その他に適用できる絶縁部の構成例について、図６〜図１１を参照しながら説明する。なお、実施の形態１と同様に、入力信号Ｓｉを低圧系とし、出力信号Ｓｏを高圧系とする。よって、定電圧源Ｅｃ１は低圧系の制御電源５０になり、定電圧源Ｅｃ２はコンバータ回路１０になる。ただし、後述する絶縁部２６，２８として適用する場合は、入力信号Ｓｉを高圧系とし、出力信号Ｓｏを低圧系とする。この場合は、定電圧源Ｅｃ１およびグランドＧ１と、定電圧源Ｅｃ２および共通電位Ｇ２とが逆になる。

図６に示す絶縁部７２は、フォトカプラＸｃを中心に、抵抗器Ｒｃ１〜Ｒｃ４やコンデンサＣｃ１，Ｃｃ２などで構成する。フォトカプラＸｃは、発光素子としての発光ダイオードＤｃと、受光素子としてのフォトトランジスタＱｃとからなる。発光ダイオードＤｃは、アノード側をコンデンサＣｃ１を介在させて入力信号Ｓｉを入力する端子に接続し、カソード側を抵抗器Ｒｃ３を介在させてグランドＧ１に接続する。抵抗器Ｒｃ１は、定電圧源Ｅｃ１と発光ダイオードＤｃのアノード側との間に接続する。抵抗器Ｒｃ２は、発光ダイオードＤｃのアノード側とグランドＧ１との間に接続する。フォトトランジスタＱｃは、コレクタ端子を定電圧源Ｅｃ２に接続し、エミッタ端子をコンデンサＣｃ１を介在させて出力信号Ｓｏを出力する端子に接続する。また、フォトトランジスタＱｃのエミッタ端子は抵抗器Ｒｃ４を介在させて共通電位Ｇ２に接続する。この絶縁部７２によれば、基本的にフォトカプラＸｃの機能によって作動するので、入力信号Ｓｉと同位相で出力信号Ｓｏを出力する。また、発光ダイオードＤｃの光量でフォトトランジスタＱｃのベース電流を制御するので、絶縁を行いながらアナログ信号を確実に伝送することができる。

図７に示す絶縁部７３は、フォトカプラＸｄを中心に、トランジスタＱｄ２，Ｑｄ３、抵抗器Ｒｄ１〜Ｒｄ７、コンデンサＣｄ１，Ｃｄ２、ダイオードＤｄ２などで構成する。フォトカプラＸｄは、発光素子としての発光ダイオードＤｄ１と、受光素子としてのフォトトランジスタＱｄ１とからなる。発光ダイオードＤｄ１は、アノード側を定電圧源Ｅｃ１に接続し、カソード側をトランジスタＱｄ３のエミッタ端子に接続する。当該トランジスタＱｄ３のベース端子はコンデンサＣｄ１を介在させて入力信号Ｓｉを入力する端子に接続し、同じくエミッタ端子は抵抗器Ｒｄ３を介在させてグランドＧ１に接続する。抵抗器Ｒｄ１は、定電圧源Ｅｄ１とトランジスタＱｄ３のベース端子との間に接続する。抵抗器Ｒｄ２とダイオードＤｄ２との直列接続は、抵抗器Ｒｄ２側をトランジスタＱｄ３のベース端子に接続し、ダイオードＤｄ２側をグランドＧ１に接続する。

一方、フォトトランジスタＱｄ１は、ベース端子を抵抗器Ｒｄ６を介在させてトランジスタＱｄ２のエミッタ端子に接続し、コレクタ端子をトランジスタＱｄ２のベース端子に接続し、エミッタ端子を共通電位Ｇ２に接続する。この抵抗器Ｒｄ６によって、負帰還ループを形成する。トランジスタＱｄ２は、ベース端子をさらに抵抗器Ｒｄ４を介在させて定電圧源Ｅｄ２に接続し、エミッタ端子を抵抗器Ｒｄ７を介在させて共通電位Ｇ２に接続する。またトランジスタＱｄ２のコレクタ端子は、コンデンサＣｄ２を介在させて出力信号Ｓｏを出力する端子に接続するとともに、抵抗器Ｒｄ５を介在させて定電圧源Ｅｃ２に接続する。この絶縁部７３によれば、基本的にフォトカプラＸｄの機能によって作動するので、入力信号Ｓｉと同位相で出力信号Ｓｏを出力する。また、発光ダイオードＤｄ１の光量だけでなく、抵抗器Ｒｄ６を介して流れるトランジスタＱｄ２のエミッタ電流によって、フォトトランジスタＱｄ１のベース電流を制御する。この制御によれば、絶縁を行いながらも、歪みを抑えたアナログ信号を確実に伝送することができる。

図８に示す絶縁部７４は、波形合成回路７４ａ，変調回路７４ｂ，フォトカプラＸｅ，復調回路７４ｃなどで構成する。波形合成回路７４ａは、入力信号Ｓｉと、波形発生回路８０から出力される基準波形信号Ｓｓとを合成して出力する。基準波形信号Ｓｓは任意であり、例えば三角波，正弦波，鋸波等が該当する。変調回路７４ｂは例えばコンパレータ等を用い、波形合成回路７４ａで合成された信号を変調する。変調方式は任意であり、例えばパルス変調，振幅変調，周波数変調，位相変調等がある。フォトカプラＸｅは上述したフォトカプラＸａ，Ｘｃ，Ｘｄと同様の構成である。復調回路７４ｃは例えばフィルタ等を用い、フォトカプラＸｅを介して伝達された変調信号を復調する。復調方式は変調回路７４ｂの変調方式に対応する。例えば変調回路７４ｂの変調方式がパルス変調であれば、復調回路７４ｃの復調方式はパルス復調となる。この絶縁部７４によれば、基本的にフォトカプラＸｅの機能によって作動し、変調と復調を行うだけであるので、入力信号Ｓｉと同位相で出力信号Ｓｏを出力する。

図９に示す絶縁部７５は、アイソレーションアンプＩＡで構成する。このアイソレーションアンプＩＡは、入力抵抗が高くて出力抵抗が低く設定され、入力回路ＩＡ１と出力回路ＩＡ２とが絶縁されている。入力回路ＩＡ１は、プラス端子を入力信号Ｓｉを入力する端子に接続し、マイナス端子をグランドＧ１に接続する。出力回路ＩＡ２は、プラス端子を出力信号Ｓｏを入力する端子に接続し、マイナス端子を共通電位Ｇ２に接続する。この絶縁部７５によれば、アイソレーションアンプＩＡを用いることによりコモンモードノイズを排除し、入力信号Ｓｉと同位相で出力信号Ｓｏを出力する。

図１０（Ａ）に示す絶縁部７６は、抵抗器Ｒｆ１，Ｒｆ２で構成する。すなわち、入力信号Ｓｉを抵抗器Ｒｆ１と抵抗器Ｒｆ２とで分圧し、出力信号Ｓｏとして出力する。抵抗器Ｒｆ１の抵抗値は、高圧系と低圧系とを絶縁するのに必要な絶縁抵抗値以上となるように設定する。この絶縁部７６によれば、分圧によって信号の大きさ（振幅や平均値等）が減衰するものの、入力信号Ｓｉと同位相で出力信号Ｓｏを出力する。ただし、信号の大きさが減衰することから、レゾルバ４０を励磁する励磁信号Ｓｅを伝達する絶縁部２６には適さない。

図１０（Ｂ）に示す絶縁部７７は、オペアンプＯＰや抵抗器Ｒｇ１〜Ｒｇ６で構成する。オペアンプＯＰは「増幅器」に相当する。入力信号Ｓｉは、オペアンプＯＰのプラス端子側において抵抗器Ｒｇ２と抵抗器Ｒｇ３とで分圧し、オペアンプＯＰのマイナス端子側において抵抗器Ｒｇ４と抵抗器Ｒｇ５とで分圧する。また、オペアンプＯＰのプラス端子は抵抗器Ｒｇ１を介して共通電位Ｇ２に接続する。オペアンプＯＰの出力端子は出力信号Ｓｏを出力する端子に接続するとともに、抵抗器Ｒｇ６を介在させてマイナス端子に接続する。差動増幅回路として作用させるには、抵抗器Ｒｇ２，Ｒｇ４の抵抗値を同値に設定し、抵抗器Ｒｇ１，Ｒｇ６の抵抗値を同値に設定する。さらに図１０（Ａ）に示す抵抗器Ｒｆ１と同様に、抵抗器Ｒｇ２，Ｒｇ４の各抵抗値は、高圧系と低圧系とを絶縁するのに必要な絶縁抵抗値以上となるように設定する。この絶縁部７７によれば、分圧によって信号の大きさ（振幅や平均値等）が減衰する分をオペアンプＯＰの増幅で補えるので、入力信号Ｓｉと同位相かつ同振幅で出力信号Ｓｏを出力する。なお、オペアンプＯＰの増幅率は「（抵抗器Ｒｇ６の抵抗値）／（抵抗器Ｒｇ４の抵抗値）」によって定まる。よってコントローラ２２で必要な信号の大きさ（振幅や平均値等）となるように、抵抗器Ｒｇ４，Ｒｇ６の各抵抗値を適切に設定することができる。

図１１に示す絶縁部７８は、「容量性素子」に相当するコンデンサＣｈなどで構成する。コンデンサＣｈは、入力信号Ｓｉを入力する端子と、出力信号Ｓｏを出力する端子との間に接続する。ただし、コンデンサＣｈは入力信号Ｓｉを入力する端子と出力信号Ｓｏを出力する端子との間で生じる電位差Ｖｈ以上の耐圧を有する必要がある。この絶縁部７８によれば、ＡＣカップリングを行い、入力信号Ｓｉと同位相で出力信号Ｓｏを出力する。

上述した実施の形態２によれば、以下に示す各効果を得ることができる。まず、請求項１に対応し、電力変換装置２０は電力変換部２１とコントローラ２２（制御部）とを備え、コントローラ２２は電力変換部２１に内蔵するとともに電力変換部２１の共通電位Ｇ２に直接接続し、絶縁部２６，２７を介在させてレゾルバ４０と接続する構成とした（図５を参照）。この構成によれば、コントローラ２２は、電力変換部２１に備える他の回路素子と電位を共通にできるので、絶縁距離等が不要になる。レゾルバ４０は、発電電動機３０の正確な回転位置を検出するので、信頼性が向上する。絶縁部２６，２７は、信号を伝達可能であればよいので、安価な素子や回路等を適用することができるので、コストを低く抑えることができる。

請求項４に対応し、電力変換装置２０は電力変換部２１とコントローラ２２（制御部）とを備え、コントローラ２２は電力変換部２１に内蔵するとともに、励磁回路２５ａとコンバータ２５ｂとを有する電力変換部２１を備え、電力変換部２１とレゾルバ４０との間に絶縁部２６，２７を介在させて接続する構成とした（図５を参照）。絶縁部２６，２７には、フォトカプラＸａ，Ｘｃ，Ｘｄ（図３，図６，図７を参照）、トランスＴ（図４を参照）、アイソレーションアンプＩＡ（図９を参照）、抵抗器Ｒｆ１（図１０（Ａ）を参照）、コンデンサＣｈ（図１１を参照）などを用いた。よって、アナログ信号としての励磁信号Ｓｅ，搬送波信号Ｓｃおよび検出信号Ｓｄを確実に絶縁することができる。

請求項５に対応し、フォトカプラＸｃは、出力側にフォトトランジスタＱｃ（受光素子としてのトランジスタ）を備える構成とした（図６を参照）。この構成によれば、フォトカプラＸｃの発光ダイオードＤｃ（発光素子）が出力する光の強さに応じて、フォトトランジスタＱｃに流れる電流を制御するので、絶縁を行いながらアナログ信号を確実に伝達することができる。

請求項６に対応し、フォトカプラＸｄに備えるフォトトランジスタＱｄ１は、ベース電流に基づいて出力を制御する構成とした（図７を参照）。この構成によれば、フォトトランジスタＱｄ１はベース電流に基づいて出力を制御するので、信号が例えば正弦波等の場合でも歪みを少なく伝達することができる。

請求項７に対応し、変調回路７４ｂをフォトカプラＸｅの入力側に備え、復調回路７４ｃをフォトカプラＸｅの出力側に備える構成とした（図８を参照）。この構成によれば、信号をそのまま通すと歪む等のような場合に、フォトカプラＸｅに通す前に変調回路７４ｂで信号を変調させ、フォトカプラＸｅを通した後に復調回路７４ｃで信号を復調させる。こうすることで、フォトカプラＸｅを含めてどのような素子や回路等を絶縁部として適用する場合でも、信号の歪みを少なく伝達することができる。

請求項８に対応し、抵抗器Ｒｇ２，Ｒｇ４に接続され、抵抗器Ｒｇ２，Ｒｇ４によって減衰した信号を増幅するオペアンプＯＰ（増幅器）を備える構成とした（図１０（Ｂ）を参照）。この構成によれば、絶縁を行うために抵抗器Ｒｇ２，Ｒｇ４を用いると信号の大きさ（振幅や平均値等）が減衰するが、オペアンプＯＰによって元の大きさ以上に増幅できる。こうすることで、アナログ信号を確実に伝達することができる。

〔実施の形態３〕
実施の形態３は、信号変換部のうちコンバータを高圧系に配置し、励磁回路を低圧系に配置する例であって、図１２を参照しながら説明する。なお、図示および説明を簡単にするために実施の形態３では実施の形態１と異なる点について説明する。よって実施の形態１で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。

図１２には、電力変換装置の第３構成例を模式図で示す。図１に示す第１構成例との相違は、信号変換部２５のうちコンバータ２５ｂのみを高圧系に配置するのに伴う絶縁部２８の接続位置である。すなわち、第１構成例では絶縁部２４をコントローラ２２と信号変換部２５との間に介在させて接続する。これに対して図１２の第３構成例では、絶縁部２７を信号変換部２５とレゾルバ４０との間に介在させて接続するとともに、絶縁部２８を励磁回路２５ａとコンバータ２５ｂとの間に介在させて接続する。絶縁部２７，２８は、アナログ信号を伝達可能な素子や回路等を適用する必要がある。絶縁部２７，２８には、実施の形態１で示した絶縁部７０（図３を参照）および絶縁部７１（図４を参照）や、実施の形態２で示した絶縁部７２〜７８（図６〜図１１を参照）をそのまま適用することができる。したがって、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。

〔実施の形態４〕
実施の形態４は、信号変換部のうち励磁回路を高圧系に配置し、コンバータを低圧系に配置する例であって、図１３を参照しながら説明する。なお、図示および説明を簡単にするために実施の形態４では実施の形態１と異なる点について説明する。よって実施の形態１で用いた要素と同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。

図１３には、電力変換装置の第４構成例を模式図で示す。図１に示す第１構成例との相違は、信号変換部２５のうち励磁回路２５ａのみを高圧系に配置するのに伴う絶縁部２８の接続位置である。すなわち、第２構成例では絶縁部２６を励磁回路２５ａとレゾルバ４０との間に介在させて接続する。これに対して図１３の第４構成例では、絶縁部２６を励磁回路２５ａとレゾルバ４０との間に介在させて接続するとともに、絶縁部２８を励磁回路２５ａとコンバータ２５ｂとの間に介在させて接続する。絶縁部２６，２８は、アナログ信号を伝達可能な素子や回路等を適用する必要がある。絶縁部２６，２８には、実施の形態１で示した絶縁部７０（図３を参照）および絶縁部７１（図４を参照）や、実施の形態２で示した絶縁部７２〜７８（図６〜図１１を参照）をそのまま適用することができる。したがって、実施の形態１，２と同様の作用効果が得られる。

〔他の実施の形態〕
以上では本発明を実施するための形態について実施の形態１〜４に従って説明したが、本発明は当該形態に何ら限定されるものではない。言い換えれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施することもできる。例えば、次に示す各形態を実現してもよい。

上述した実施の形態１〜４では、三相の発電電動機３０に合わせて電力変換装置２０の電力変換部２１を三相で構成し、６のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を備えた（図１を参照）。この形態に代えて、電力変換部２１を三相で構成するものの、上下アームのうち一方のアームに相当する３のスイッチング素子を備えてもよい。また、発電電動機３０等の回転機が三相以外の相数（例えば単相，二相，四相以上）であるときは、その相数に対応した数のスイッチング素子を備えてもよい。いずれにせよ単にスイッチング素子群を構成するスイッチング素子の数の違いに過ぎないので、上述した実施の形態１〜４と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態１〜４では、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６とダイオードＤ１〜Ｄ６とは別体に構成したが（図１，図２を参照）、いずれも半導体であるので一体化した素子を用いてもよい。同様にして、上述した実施の形態ではコンバータ回路１０は電力変換装置２０の外部に備える構成としたが（図１を参照）、電力変換装置２０に内蔵する構成としてもよい。単に形態が別体か一体かの違いに過ぎず、機能は同じであるので、上述した実施の形態１〜４と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態１〜４では、発電電動機３０（回転機）に備える回転体（例えばロータ等）の回転位置を検出するセンサとしてレゾルバ４０を適用した（図１，図５，図１２，図１３を参照）。この形態に代えて、磁性変化によって回転位置を検出できる他のセンサを適用してもよい。単にセンサの違いに過ぎず、機能は同じであるので、上述した実施の形態１〜４と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態１〜４では、磁気結合としてトランスＴを適用し（図４を参照）、容量性素子としてコンデンサＣｈを適用した（図１１を参照）。これらの形態に代えて、磁気結合が可能な他の素子（例えばコイルや巻線等）や、容量性を示す他の素子を適用してもよい。単に素子の違いに過ぎず、機能は同じであるので、上述した実施の形態１〜４と同様の作用効果を得ることができる。

上述した実施の形態１〜４では、コントローラ２２と接続する外部装置として、外部ＥＣＵ６０を適用した（図１，図５，図１２，図１３を参照）。この形態に代えて、コントローラ２２と信号の送受信を行える外部の制御装置（例えばコンピュータ等）を適用してもよい。単に機器の違いに過ぎず、機能は同じであるので、上述した実施の形態１〜４と同様の作用効果を得ることができる。

１０ コンバータ回路
２０ 電力変換装置
２１ 電力変換部
２２ コントローラ（制御部）
２３，２４，２６，２７，２８ 絶縁部
２５ 信号変換部
２５ａ 励磁回路
２５ｂ コンバータ
３０ 発電電動機
４０ レゾルバ
５０ 制御電源
６０ 外部ＥＣＵ
７０，７１，７２，７３，７４，７５，７６，７７，７８ 絶縁部
７４ａ 波形合成回路
７４ｂ 変調回路
７４ｃ 復調回路
Ｘａ，Ｘｃ，Ｘｄ，Ｘｅ フォトカプラ
Ｒｆ１，Ｒｇ２，Ｒｇ４ 抵抗器（絶縁抵抗値以上の抵抗値を有する抵抗器）
Ｃｈ コンデンサ（容量性素子）
Ｄａ，Ｄｃ，Ｄｄ１ 発光ダイオード（発光素子）
Ｑａ，Ｑｃ，Ｑｄ１ フォトトランジスタ（受光素子）
Ｔ トランス（磁気結合）
Ｅ１ 第１電源
Ｅ２ 第２電源
Ｇ１ グランド
Ｇ２ 共通電位

Claims (8)

1. 第１電源から供給される電力を変換して回転機に出力する電力変換部と、前記第１電源とは異なる第２電源によって作動するとともに少なくとも前記回転機に備えるレゾルバから伝達される信号に基づいて前記電力変換部を構成するスイッチング素子群を駆動制御する制御部とを有する電力変換装置において、
   前記制御部は、前記電力変換部に内蔵するとともに、前記電力変換部の共通電位に直接接続し、信号を伝達可能な絶縁部を介在させて前記レゾルバと接続することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記絶縁部と前記レゾルバと間に介在され、前記レゾルバから出力される検出信号をパルス信号に変換する信号変換部を備え、
   前記信号変換部は、前記第２電源によって作動することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記絶縁部には、フォトカプラまたは磁気結合を用いることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 第１電源から供給される電力を変換して回転機に出力する電力変換部と、前記第１電源とは異なる第２電源によって作動するとともに少なくとも前記回転機に備えるレゾルバから伝達される信号に基づいて前記電力変換部を構成するスイッチング素子群を駆動制御する制御部とを有する電力変換装置において、
   前記制御部は、前記電力変換部に内蔵するとともに、信号を伝達可能な絶縁部を介在させて前記レゾルバと接続し、
   前記電力変換部は、前記レゾルバを励磁させる励磁信号を出力する励磁回路と、前記検出信号および前記励磁回路から出力される搬送波信号とに基づいて回転位置を求めて前記制御部に出力するコンバータとを有し、
   前記励磁回路および前記コンバータのうち一方または双方は、フォトカプラ、磁気結合、アイソレーションアンプ、前記第１電源と前記第２電源とを絶縁する絶縁抵抗値以上の抵抗値を有する抵抗器、前記第１電源と前記第２電源との電位差以上の耐圧を有する容量性素子のうちでいずれかを介在させて前記レゾルバと接続することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記フォトカプラは、出力側にトランジスタを備えることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記フォトカプラに備えるトランジスタは、ベース電流に基づいて出力を制御するように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記フォトカプラの入力側に備えられ、信号を変調する変調回路と、
   前記フォトカプラの出力側に備えられ、前記変調回路によって変調された信号を復調する復調回路と、
   を有することを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
8. 前記抵抗器に接続され、前記抵抗器によって減衰した信号を増幅する増幅器を有することを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。

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