JP5439914B2

JP5439914B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP5439914B2
Application number: JP2009091377A
Authority: JP
Inventors: 将圭洲濱; 哲平相良
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-04-03
Filing date: 2009-04-03
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2029-04-03
Also published as: JP2010246242A

Description

本発明は、電力変換装置に関し、詳しくは、三相交流により作動する電気機器の駆動回路としてのインバータと、直流電圧をパルス幅変調電圧として電気機器に印加するパルス幅変調制御モードと直流電圧を過変調電圧として電気機器に印加する過変調制御モードと直流電圧を矩形波電圧として電気機器に印加する矩形波制御モードとのうちのいずれかの制御モードにより電気機器を作動するようインバータを制御する制御手段と、を備える電力変換装置に関する。

従来、この種の電力変換装置としては、ダイポーラ変調，ユニポーラ変調，過変調，パルスモードを切り替えて電力変換するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、各変調を切り替えて用いることにより、ゼロから最大電圧まで連続かつスムーズに出力電圧を安定して供給すると共にパルスモードに移行するときの異音の発生を抑制している。

特開平５−３４４７３９号公報

三相交流で駆動する電動機などの電気機器の駆動回路として用いられるインバータのスイッチング素子を制御する際に、直流電圧をパルス幅変調電圧として電気機器に印加するパルス幅変調制御モードと直流電圧を過変調電圧として電気機器に印加する過変調制御モードと直流電圧を矩形波電圧として電気機器に印加する矩形波制御モードとを切り替えて行なわれることも多い。パルス幅変調制御モードから過変調制御モードに切り替えるときや過変調制御モードから矩形波制御モードに切り替えるときには、制御モードの切り替えに伴って若干の電圧の段差が生じる場合がある。この電圧の段差は、電気機器の作動に段差、例えば電気機器が電動機のときには出力トルクにショックが生じてしまう。

本発明の電力変換装置は、パルス幅変調制御モードから過変調制御モードに切り替えるときや過変調制御モードから矩形波制御モードに切り替えるときに生じ得る電圧の段差を抑制することを主目的とする。

本発明の電力変換装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の電力変換装置は、
三相交流により作動する電気機器の駆動回路としてのインバータと、直流電圧をパルス幅変調電圧として前記電気機器に印加するパルス幅変調制御モードと直流電圧を過変調電圧として前記電気機器に印加する過変調制御モードと直流電圧を矩形波電圧として前記電気機器に印加する矩形波制御モードとのうちのいずれかの制御モードにより前記電気機器を作動するよう前記インバータを制御する制御手段と、を備える電力変換装置において、
前記制御手段は、前記パルス幅変調制御モードから前記過変調制御モードに切り替えるときには切り替え直後の前記過変調制御モードにおける過変調電圧の電圧が連続する部分にスリットが生じるよう前記インバータを制御し、前記過変調制御モードから前記矩形波制御モードに切り替えるときには切り替え直前の前記過変調制御モードにおける過変調電圧の電圧が連続する部分にスリットが生じないよう前記インバータを制御する手段である、
ことを特徴とする。

この本発明の電力変換装置では、パルス幅変調制御モードから過変調制御モードに切り替えるときには、切り替え直後の過変調制御モードにおける過変調電圧の電圧が連続する部分にスリットが生じるようインバータを制御する。ここで、スリットはパルス幅変調電圧におけるパルス間となるようにするのが好ましい。このようにスリットを生じさせることにより、スリットがないときに比して制御モードを切り替えたときに生じ得る電圧の段差を抑制することができる。また、過変調制御モードから矩形波制御モードに切り替えるときには、切り替え直前の過変調制御モードにおける過変調電圧の電圧が連続する部分にスリットが生じないようインバータを制御する。即ち、スリットのない過変調電圧としてから矩形波電圧に切り替えるのである。こうすることにより、スリットがあるときに比して制御モードを切り替えたときに生じ得る電圧の段差を抑制することができる。

本発明の一実施例としての電力変換装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電力変換装置２０による電力変換の際の制御モードの一例を示す説明図である。パルス幅変調制御モードから過変調制御モードに切り替えるときの電圧波形を示す説明図である。過変調制御モードから矩形波制御モードに切り替えるときの電圧波形を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての電力変換装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電力変換装置２０は、図示するように、バッテリ１０からの直流電力を用いて三相交流で駆動する電気機器としてのモータ１２を駆動する駆動回路としてのインバータ２２と、インバータ２２の図示しない６つのスイッチング素子としてのトランジスタをスイッチング制御する電子制御ユニット３０と、を備える。インバータ２２は、６つのトランジスタがバッテリ１０からの電力ラインに対してソース側とシンク側になるよう２個ずつペアで配置されており、この６つのトランジスタに逆方向に並列するよう６つのダイオードが接続されている。また、対となるトランジスタ同士の接続点の各々にはモータ１２の三相コイル（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の各々が接続されている。したがって、電力ライン間に電圧が作用している状態で対をなすトランジスタのオン時間の割合を制御することにより三相コイルに回転磁界を形成でき、モータ１２を回転駆動することができる。電子制御ユニット３０は、ＣＰＵ３２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ３２の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ３４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ３６と、図示しない入出力ポートと、を備える。電子制御ユニット３０には、モータ１２の回転軸に取り付けられたレゾルバ１４からの回転信号やインバータ２２に取り付けられた図示しない電流センサからモータ１２に印加する相電流などが入力ポートを介して入力されており、電子制御ユニット３０からはインバータ２２の６つのトランジスタへのスイッチング制御信号が出力ポートを介して出力されている。

次に、こうして構成された実施例の電力変換装置２０の動作について説明する。図２は、実施例の電力変換装置２０による電力変換の際の制御モードの一例を示す説明図である。実施例の電力変換装置２０は、モータ１２から出力すべきトルク指令からモータ１２に印加すべき電圧指令を作成し、この電圧指令と直流電圧を振幅とする三角波との関係から、パルス幅変調制御モード（図２の左）と過変調制御モード（図２の中央）と矩形波制御モード（図２の右）の３つの制御モードを切り替えてモータ１２を駆動制御する。パルス幅変調制御モードは、電圧指令の振幅が三角波の振幅より小さいときに実行され、電圧指令が三角波より大きいときにオンとすると共に電圧指令が三角波より小さいときにオフとすることにより直流電圧をパルス幅変調する。過変調制御モードは、例えば電圧指令の振幅が三角波の振幅より大きく電圧指令の半周期における電圧の面積が対応する矩形波の面積の所定割合（例えば９割など）より小さいときに実行され、パルス幅変調制御モードと同様に電圧指令が三角波より大きいときにオンとすると共に電圧指令が三角波より小さいときにオフとすることにより直流電圧を変調する。過変調では、電圧指令の振幅が三角波の振幅より大きくなるため、電圧指令のうち三角波の振幅より大きい部分では電圧が連続するようになる。矩形波制御モードは、電圧指令の半周期における電圧の面積が対応する矩形波の面積の所定割合（例えば９割など）より大きいときに実行され、電圧指令の半周期毎に直流電圧を正負の矩形波電圧とする。したがって、実施例の電力変換装置２０は、若干のヒステリシスをもって電圧指令の振幅が三角波の振幅より大きくなるか小さくなるときにパルス幅変調制御モードと過変調制御モードとを切り替え、若干のヒステリシスをもって電圧指令の半周期の電圧の面積が対応する矩形波の面積の所定割合（例えば９割など）以上になるか未満になるときに過変調制御モードと矩形波制御モードとを切り替える。

次に、実施例の電力変換装置２０により制御モードがパルス幅変調制御モードから過変調制御モードに切り替えるときの制御および過変調制御モードから矩形波制御モードに切り替えるときの制御について説明する。図３はパルス幅変調制御モードから過変調制御モードに切り替えるときの電圧波形を示す説明図であり、図４は過変調制御モードから矩形波制御モードに切り替えるときの電圧波形を示す説明図である。実施例の電圧変換装置２０では、図３に示すように、パルス幅変調制御モードから過変調制御モードに切り替えるときには、切り替えた直後の過変調電圧における電圧波形に示すように、パルス幅変調電圧におけるパルス間に相当する位置に電圧によるスリットを生じるようにしている。即ち、一瞬だけトランジスタをオンまたはオフするのである。このように、切り替え直後の過変調電圧にスリットを生じさせることにより、パルス幅変調制御モードから過変調制御モードに切り替えるときに生じる電圧の段差を抑制している。また、実施例の電圧変換装置２０では、図４に示すように、過変調制御モードから矩形波制御モードに切り替えるときには、切り替えた前の過変調電圧における電圧波形に示すように、パルス幅変調電圧におけるパルス間に相当する位置の電圧によるスリットは生じないようにしている。このように、切り替え前の過変調電圧にスリットを生じさせないことにより、過変調制御モードから矩形波制御モードに切り替えるときに生じる電圧の段差を抑制している。

以上説明した実施例の電力変換装置２０によれば、パルス幅変調制御モードから過変調制御モードに切り替えるときには、切り替えた直後の過変調電圧のパルス幅変調電圧におけるパルス間に相当する位置に電圧によるスリットを生じるようにすることにより、パルス幅変調制御モードから過変調制御モードに切り替えるときに生じる電圧の段差を抑制することができる。また、過変調制御モードから矩形波制御モードに切り替えるときには、切り替えた前の過変調電圧におけるパルス幅変調電圧におけるパルス間に相当する位置に電圧によるスリットは生じないようにすることにより、過変調制御モードから矩形波制御モードに切り替えるときに生じる電圧の段差を抑制することができる。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、インバータ２２が「インバータ」に相当し、パルス幅変調制御モード，過変調制御モード，矩形波制御モードを切り替えてバッテリ１０からの直流電圧をパルス幅変調電圧，過変調電圧，矩形波電圧としてモータ１２に印加するようインバータ２２を制御し、パルス幅変調制御モードから過変調制御モードに切り替えるときには切り替えた直後の過変調電圧のパルス幅変調電圧におけるパルス間に相当する位置に電圧によるスリットを生じるように制御すると共に過変調制御モードから矩形波制御モードに切り替えるときには、切り替えた前の過変調電圧におけるパルス幅変調電圧におけるパルス間に相当する位置に電圧によるスリットは生じないように制御する電子制御ユニット３０が「制御装置」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、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し得ることは勿論である。

本発明は、電力変換装置の製造産業などに利用可能である。

１０バッテリ、１２モータ、１４レゾルバ、２０電力変換装置、２２インバータ、３０電子制御ユニット、３２ＣＰＵ、３４ＲＯＭ３６ＲＡＭ。

Claims

直流電圧を三相交流電圧に変換して電気機器に印加するために三相に対応する６個のスイッチング素子を有するインバータと、直流電圧をパルス幅変調電圧として前記電気機器に印加するパルス幅変調制御モードと直流電圧を過変調電圧として前記電気機器に印加する過変調制御モードと直流電圧を矩形波電圧として前記電気機器に印加する矩形波制御モードとのうちのいずれかの制御モードにより前記電気機器を作動するよう前記インバータを制御する制御手段と、を備える電力変換装置において、
前記制御手段は、前記パルス幅変調制御モードから前記過変調制御モードに切り替えるときには切り替え直後の前記過変調制御モードにおける過変調電圧の電圧が連続する部分であって前記パルス幅変調電圧におけるパルス間に相当する位置に前記スイッチング素子を瞬時にオンオフすることによって電圧変化によるスリットが生じるよう前記インバータを制御する手段である、
ことを特徴とする電力変換装置。