JP6702210B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

例えば、電源電力をモータ等の駆動用電力に変換するために、インバータやコンバータ等の電力変換装置が用いられる。電力変換装置では、スイッチング素子のオンオフに伴うスイッチング損失が発生することから、これを低減するための補助回路を設け、リアクトルとコンデンサによる共振現象を利用して、ゼロボルトスイッチング（以下、ＺＶＳと称する）を実現する手法が提案されている。

一例として、特許文献１には、直流電力入力と三相交流出力との間に接続されたスイッチング・ブリッジと、直流電力入力とスイッチング・ブリッジとの間に接続された補助回路を備えて、直流電力を三相交流出力に変換するための零電圧遷移電圧源インバータが開示されている。補助回路は、直流電力入力の直流レールに接続されたレール・スイッチと、その両端に接続された、共振インダクタと補助スイッチとの直列接続体と、補助ダイオードとからなる。補助ダイオードは、第１の端部が補助スイッチと共振インダクタとの接続点に接続され、第２の端部がアースに接続される。

特許第３２０７４３１号公報

特許文献１に記載される手法では、直流レールのレール・スイッチがオフのときにブリッジ回路のブリッジ・スイッチがゼロ電圧状態でターンオンされ、次いで、補助回路に支援されてレール・スイッチが時間ｔ１でターンオンされる。補助回路の補助スイッチは、時間ｔ１より前にターンオンされて、共振インダクタに電流が蓄積され、時間ｔ１より後にターンオフされる。共振インダクタは、ブリッジ・スイッチとレール・スイッチとの間のキャパシタンスと共振して、レール・スイッチのターンオンに対して、ゼロ電流遷移を提供する。その後、ブリッジ・スイッチがターンオフされ、さらに、レール・スイッチがターンオフされる。

このようにしてスイッチングが繰り返されることにより、直流電力が三相交流電力に変換されて、モータ等の負荷に供給される。その際に、負荷への出力を適切に制御するには、例えば、負荷電流を速やかに把握して、制御に反映させることが重要となる。三相交流のモータ電流は、例えば、インバータ回路を流れるパルス状の直流母線電流を電流検出器にて検出し、ＰＷＭパルスパターンによって決定される電圧ベクトルとの関係から推定することができる。しかしながら、この手法では、電流検出器を用いる必要があり、しかも、ＰＷＭ周期内で複数の直流母線電流をサンプリングし、演算を行って各相の電流を推定している。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、電流検出器を用いずに精度よく負荷電流を推定して、負荷の状態を速やかに把握し、又は負荷の制御に反映可能な電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、
入力電源（Ｂ）の正極側電位線（１ｐ）に接続されたメインスイッチ（Ｓｍ）と、
上記メインスイッチと上記入力電源の負極側電位線（１ｎ）との間に接続された１つ以上の半導体パワー素子（Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎ、Ｓ１）と、
上記正極側電位線に、上記メインスイッチと並列に、補助スイッチ（Ｓａｓ）及び共振リアクトル（Ｌ１）が接続されると共に、上記補助スイッチ及び上記共振リアクトルの接続点（３１）と上記負極側電位線との間に補助ダイオード（Ｄａｓ）が接続された補助回路（３）と、
上記メインスイッチ及び上記補助スイッチのスイッチングにより負荷（Ｍ、Ｍ１）への出力を制御する制御部（４）と、を備える電力変換装置（１）であって、
上記メインスイッチから上記負荷への電流経路と並列に共振コンデンサ（Ｃ１）が接続されており、
上記制御部は、上記メインスイッチがオフ状態であるときに、上記補助スイッチをオンオフする制御信号を出力する駆動制御部（４１、４２）と、上記補助スイッチがオンしてから、上記共振コンデンサの電圧（Ｖｃ）が上昇を開始するまでのオン時間（Ｔon）を検出する時間検出器（５）を有している、電力変換装置にある。

上記一態様の電力変換装置は、制御部が、メインスイッチと補助スイッチのスイッチングを制御するのに伴い、入力電源からメインスイッチ又は補助スイッチを介した電流経路の通電が制御され、入力電圧が変換されて負荷に出力される。その際、制御部は、メインスイッチのオフ後に、駆動制御部からの制御信号により補助回路を作動させて、共振リアクトルにエネルギを蓄積すると共に共振コンデンサを充電する。このとき、補助回路を流れるリアクトル電流が、補助回路を経由して負荷へ出力される電流以上となると、共振コンデンサの充電が開始され、共振コンデンサの電圧が立ち上がる。すなわち、時間検出器で検出されるオン時間と、リアクトル電流と、負荷電流との関係を用いて、負荷電流を推定することができる。したがって、その結果に基づいて過電流を判定したり、所望の出力に応じたスイッチング制御を行ったりすることが可能になる。

以上のごとく、上記態様によれば、電流検出器を用いることなく、精度よく負荷電流を推定して、負荷の状態を速やかに把握し、又は負荷の制御に反映可能な電力変換装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、電力変換装置の概略構成を示す回路図。 実施形態１における、電力変換装置の制御部へ入力されるコンデンサ電圧の検出回路図。 実施形態１における、電力変換装置の制御部を構成する時間検出器の動作を説明するタイムチャート図。 実施形態１における、電力変換装置のメインスイッチとハーフブリッジ回路の各相を構成する半導体スイッチへの制御信号を示す波形図。 実施形態１における、電力変換装置のメインスイッチのスイッチング周期中、期間Ｔ１の電流経路と各スイッチの動作状態を示す図。 実施形態１における、電力変換装置のメインスイッチのスイッチング周期中、期間Ｔ２の電流経路と各スイッチの動作状態を示す図。 実施形態１における、電力変換装置のメインスイッチのスイッチング周期中、期間Ｔ３の電流経路と各スイッチの動作状態を示す図。 実施形態１における、電力変換装置のメインスイッチのスイッチング周期中、期間Ｔ４の電流経路と各スイッチの動作状態を示す図。 実施形態１における、電力変換装置のメインスイッチのスイッチング周期中、期間Ｔ５の電流経路と各スイッチの動作状態を示す図。 実施形態１における、電力変換装置のメインスイッチのスイッチング周期中、期間Ｔ６の電流経路と各スイッチの動作状態を示す図。 実施形態１における、電力変換装置のメインスイッチのスイッチング周期中、期間Ｔ７の電流経路と各スイッチの動作状態を示す図。 実施形態１における、電力変換装置のメインスイッチのスイッチング周期中、期間Ｔ８の電流経路と各スイッチの動作状態を示す図。 実施形態１における、電力変換装置のメインスイッチのスイッチング周期中、期間Ｔ６〜Ｔ８における各スイッチの動作とコンデンサ電圧及びリアクトル電流との関係を示すタイムチャート図。 実施形態１における、電力変換装置の制御部による制御のフローチャート図。 実施形態２における、電力変換装置の制御部による制御のフローチャート図。 実施形態３における、電力変換装置の概略構成を示す回路図。 実施形態４における、電力変換装置の概略構成を示す回路図。 実施形態５における、電力変換装置の概略構成を示す回路図。

（実施形態１）
以下、電力変換装置に係る実施形態１について、図１〜図１４を参照して説明する。
図１に示すように、本形態の電力変換装置１は、入力電源としてのバッテリＢ(例えば入力電圧Ｖｉ：４８Ｖ)と、その正極側電位線１ｐに接続されたメインスイッチＳｍと、メインスイッチＳｍとバッテリＢの負極側電位線１ｎとの間に接続された１つ以上の半導体パワー素子である、半導体スイッチＳｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎを有する出力回路部２と、補助スイッチＳａｓと共振リアクトルＬ１と補助ダイオードＤａｓを有する補助回路３と、制御部４と、共振コンデンサＣ１を備えている。

出力回路部２は、負荷としての交流モータＭに接続され、制御部４は、メインスイッチＳｍ及び補助スイッチＳａｓのスイッチングにより交流モータＭへの出力を制御する。メインスイッチＳｍから交流モータＭへの電流経路には、これと並列に、共振コンデンサＣ１が接続される。半導体スイッチＳｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎは、メインスイッチＳｍとバッテリＢの負極側電位線１ｎとの間において、複数のハーフブリッジ回路２ｕ、２ｖ、２ｗを構成し、メインスイッチＳｍのスイッチングに伴って、複数のハーフブリッジ回路２ｕ、２ｖ、２ｗから交流モータＭへの通電が制御される。共振コンデンサＣ１は、メインスイッチＳｍと出力回路部２の接続点１１に、複数のハーフブリッジ回路２ｕ、２ｖ、２ｗと並列に接続されている。

電力変換装置１は、例えば、交流モータＭを駆動源とする車載装置に適用され、直流電源であるバッテリＢからの入力電力を、所望の交流出力に変換して交流モータＭに出力する。交流モータＭは、三相（すなわち、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のモータコイルＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗを備え、これらモータコイルＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗは一端が共通接続されている。メインスイッチＳｍ、出力回路部２及び補助回路３は、制御部４に接続されている。

電力変換装置１の各スイッチの動作は、制御部４からの制御信号によって制御される。このとき、制御部４は、メインスイッチＳｍのオンオフ動作に先立ち、補助スイッチＳａｓをオンオフ動作させて、共振コンデンサＣ１への充電を制御する。そして、補助回路３の作動による損失を抑制しながら、メインスイッチＳｍのスイッチングによる損失が低減されるように、これらスイッチのオンオフタイミングを制御する。

制御部４は、メインスイッチＳｍがオフ状態であるときに、補助スイッチＳａｓをオンオフする制御信号を出力する駆動制御部として、制御器４１及び駆動回路４２を有している。制御器４１は、補助スイッチＳａｓを含む各スイッチのオンオフ指令信号を出力し、駆動回路４２は、補助スイッチＳａｓのオンオフを切り替えるためのゲート電圧信号を出力する。また、制御部４は、補助スイッチＳａｓの駆動に伴う時間計測を行う時間検出器５を有している。時間検出器５は、補助スイッチＳａｓがオンしてから、共振コンデンサＣ１の電圧（以下、コンデンサ電圧と称する）Ｖｃが上昇を開始するまでのオン時間Ｔonを計測する。さらに本形態では、制御部４は、時間検出器５の計測結果から、負荷電流Ｉ_Ｌである相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを推定する相電流推定部４３を有している。

時間検出器５は、例えば、発振器から出力される発振信号をカウントするカウンタと、コンデンサ電圧Ｖｃの上昇を検出するコンデンサ電圧検出器５１を備えて構成される。図２に示すように、コンデンサ電圧検出器５１は、例えば、直列接続された２つの分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２と、分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２の接続点に入力端子５２ａが接続され、基準端子５２ｂに閾値電圧Ｖth1が入力されるコンパレータ５２にて構成することができる。分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２は、分圧抵抗Ｒ１側の一端が接続点１１に接続され、分圧抵抗Ｒ２側の一端は接地されている。コンデンサ電圧Ｖｃは、分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２により分圧されて、入力端子５２ａに入力し、閾値電圧Ｖth1との比較結果が二値信号として出力される。閾値電圧Ｖth1は、入力される分圧電圧との比較により、コンデンサ電圧Ｖｃの立ち上がりを検出するための所定の電圧であり、予め設定される。

図３に示すように、時間検出器５は、補助スイッチＳａｓのオン指令信号が出力された時点でカウントを開始し、コンデンサ電圧Ｖｃの検出信号が入力されるまでの時間をカウントする。コンデンサ電圧検出器５１の出力信号は、例えば、コンデンサ電圧Ｖｃに対応する分圧電圧が、閾値電圧Ｖth1以上に満たないときは、ローレベル信号であり、閾値電圧Ｖth1以上になると、ハイレベル信号に切り替わる。これをコンデンサ電圧Ｖｃの検出信号として、時間検出器５のカウントを停止する指令信号が出力される。

時間検出器５は、カウント開始から停止までのカウント値に対応する時間を、オン時間Ｔonとする。制御部４は、時間検出器５の計測結果から、相電流推定部４２にて相電流を推定し、制御器４１による各スイッチ指令信号に反映させる。
この制御の詳細については、後述する。なお、時間検出器５は、マイコン等のカウンタ機能を用いるデジタル式に限らず、積分回路等を用いるアナログ式としてもよい。

出力回路部２は、バッテリＢの直流電力を、交流電力に変換するインバータとして構成されており、メインスイッチＳｍとバッテリＢの負極Ｂｎとの間に、並列接続された複数のハーフブリッジ回路を有する。ここでは、正極Ｂｐに接続される正極側電位線１ｐと負極Ｂｎに接続される負極側電位線１ｎとの間に、３つのハーフブリッジ回路２ｕ、２ｖ、２ｗが配置される。負極側電位線１ｎは、例えば、グランド電位に設定されている。

各ハーフブリッジ回路２ｕ、２ｖ、２ｗは、正極Ｂｐ側の上アームスイッチである半導体スイッチＳｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐと、負極Ｂｎ側の下アームスイッチである半導体スイッチＳｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎと、を直列接続して構成される。Ｕ相の半導体スイッチＳｕｐと半導体スイッチＳｕｎとの接続点２１ｕには、モータコイルＬｕの他端（すなわち、共通する一端と反対側の一端）が接続される。同様に、Ｖ相、Ｗ相の半導体スイッチＳｖｐ、Ｓｗｐと半導体スイッチＳｖｎ、Ｓｗｎとの接続点２１ｖ、２１ｗには、それぞれモータコイルＬｖ、Ｌｗの他端が接続される。

補助回路３は、補助スイッチＳａｓ及び共振リアクトルＬ１の直列接続体と、これらの接続点３１に接続される補助ダイオードＤａｓとを有している。補助スイッチＳａｓ及び共振リアクトルＬ１の直列接続体は、正極側電位線１ｐに、メインスイッチＳｍと並列に接続される。具体的には、補助スイッチＳａｓの一端が、メインスイッチＳｍの正極Ｂｐ側に接続され、共振リアクトルＬ１の一端が、メインスイッチＳｍの出力回路部２側に接続されている。補助ダイオードＤａｓは、接続点３１と負極側電位線１ｎとの間に逆方向接続される。すなわち、カソード側が、補助スイッチＳａｓ及び共振リアクトルＬ１の接続点３１に接続され、アノード側が、負極側電位線１ｎに接続されて、補助回路３の作動時に流れるリアクトル電流Ｉａｓを整流している。

メインスイッチＳｍ、補助スイッチＳａｓとしては、例えば、ゲート電圧制御式のＭＯＳＦＥＴ（すなわち、電界効果トランジスタ）が用いられる。メインスイッチＳｍ、補助スイッチＳａｓは、それぞれＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース間に逆方向接続されたダイオードを有している。ＭＯＳＦＥＴ以外の半導体パワー素子、例えば、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を用いることもできる。

同様に、出力回路部２を構成する半導体スイッチＳｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐ及び半導体スイッチＳｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎとして、例えば、ＭＯＳＦＥＴが用いられる。また、半導体スイッチＳｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐ及び半導体スイッチＳｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎは、それぞれＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース間に逆方向接続されたダイオードＤｕｐ、Ｄｖｐ、Ｄｗｐ、Ｄｕｎ、Ｄｖｎ、Ｄｗｎを有している。ＭＯＳＦＥＴ以外の半導体パワー素子、例えば、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を用いることもできる。

なお、ハーフブリッジ回路２ｕ、２ｖ、２ｗとなる各直列接続体は、２つの半導体スイッチの組み合わせに限らない。２つの半導体パワー素子からなる直列接続体であれば、例えば、半導体スイッチとダイオードを組み合わせた直列接続体でもよい。また、出力回路部２は、３つのハーフブリッジ回路２ｕ、２ｖ、２ｗを用いた三相のインバータとしたが、単相のインバータとして構成してもよく、２つ以上のハーフブリッジ回路を有していればよい。

共振コンデンサＣ１は、メインスイッチＳｍと出力回路部２との間に、出力回路部２の複数のハーフブリッジ回路２ｕ、２ｖ、２ｗと並列に配置される。具体的には、メインスイッチＳｍのソース端子側の正極側電位線１ｐに、共振コンデンサＣ１の一端が接続され、他端がグランド電位の負極側電位線１ｎに接続される。好ましくは、共振コンデンサＣ１の容量は、出力回路部２の半導体スイッチＳｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐ及び半導体スイッチＳｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎの寄生容量の合計値よりも大きくするのがよい。十分大きな容量の電圧依存の少ない容量素子を共振コンデンサＣ１として使用することで、スイッチング時の制御性が向上する。また、スイッチオフ時のメインスイッチＳｍのドレイン−ソース間電圧の上昇を緩やかにして、スイッチング損失を低減できる。さらに、共振コンデンサＣ１を補助回路３の近傍に配置することができ、急峻で大きな共振電流が流れる電流経路のループを小さくして、放射ノイズを低減できる。

また、電力変換装置１は、バッテリＢの電圧を平滑化する平滑コンデンサＣｉを備えている。具体的には、補助スイッチＳａｓとメインスイッチＳｍとの接続点１２よりバッテリＢ側において、正極側電位線１ｐと負極側電位線１ｎの間に平滑コンデンサＣｉが接続されている。これにより、バッテリＢの直流電源の変動による影響を抑制することができる。

制御部４は、メインスイッチＳｍ、補助スイッチＳａｓの各ゲート電極に、ゲート配線を介してそれぞれ接続されている。また、ハーフブリッジ回路２ｕ、２ｖ、２ｗの半導体スイッチＳｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐ及び半導体スイッチＳｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎの各ゲート電極に、ゲート配線を介してそれぞれ接続されている。制御部４は、例えば、交流モータＭの要求トルクに応じた目標出力となるように、各ゲート電極に制御信号を出力してこれらスイッチをオンオフ制御し、入力された直流電力を三相交流電力に変換する。このとき、出力回路部２の３つのハーフブリッジ回路２ｕ、２ｖ、２ｗは、上アームスイッチである半導体スイッチＳｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐと、下アームスイッチである半導体スイッチＳｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎが交互に通電状態となるように制御され、モータコイルＬｕ、Ｌｖ、Ｌｗに相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが流れる。

図４に示すように、交流モータＭの三相（すなわち、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に対応する出力回路部２の各スイッチのゲート電極には、それぞれ異なるタイミングでパルス状の制御信号が出力される。三相は、それぞれ電気角で１２０度の位相差を有しており、３６０度で１サイクルとなっている。なお、図２には、電気角を１２０度とした例を示しているが、この値は必ずしも１２０度である必要はなく、任意に設定できる。

３つのハーフブリッジ回路２ｕ、２ｖ、２ｗにおいて、上アームスイッチである半導体スイッチＳｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐの通電状態は、１つのメインスイッチＳｍのオンオフとの組み合わせによって制御される。すなわち、半導体スイッチＳｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐは、それぞれ１サイクル中、電気角で１２０度の間オン状態となり、その間にメインスイッチＳｍのオンオフが切り換えられる。このメインスイッチＳｍのオン状態の間、半導体スイッチＳｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐは、実質的な通電オン状態となる。

下アームスイッチである半導体スイッチＳｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎは、対応する半導体スイッチＳｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐが実質的な通電オフ状態にあるときに、オン状態となるように制御される。言い換えれば、メインスイッチＳｍと半導体スイッチＳｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐの両方がオン状態であるときに、対応する半導体スイッチＳｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎが同時にオン状態とならないようにしている。

メインスイッチＳｍは、ＰＷＭ（すなわち、パルス幅変調）制御により駆動され、メインスイッチＳｍのオン期間中に、三相のうちオン状態にある相の半導体スイッチＳｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐを経由する電流経路が形成される。制御部４は、例えば、交流モータＭの各相電圧又は各相電流の目標値と実測値との差とに基づいて、ＰＷＭ制御のデューティ比を演算し、ＰＷＭ信号を生成する。デューティ比は、パルス波の１周期（すなわち、スイッチング周期）のうちのオン期間とオフ期間の比率であり、ＰＷＭ信号に基づく所定のタイミングでメインスイッチＳｍがオンオフ駆動される。

図４中のＶg_smは、メインスイッチＳｍにおけるゲート電圧を示しており、ゲート電圧がハイレベル（以下、Ｈレベル）のときにオンし、ローレベル（以下、Ｌレベル）のときにオフする。同様に、Ｖg_upは、Ｕ相の上アームの半導体スイッチＳｕｐにおけるゲート電圧を示しており、Ｖg_unは、Ｕ相の下アームの半導体スイッチＳｕｎにおけるゲート電圧を示している。また、Ｖg_vp、Ｖg_vnは、Ｖ相の上アーム及び下アームの半導体スイッチＳｖｐ、Ｓｖｎにおけるゲート電圧を示し、Ｖg_wp、Ｖg_wnは、Ｗ相の上アーム及び下アームの半導体スイッチＳｗｐ、Ｓｗｎにおけるゲート電圧を示している。ここでは、各相の半導体スイッチＳｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐがオン状態である間に、メインスイッチＳｍは、例えば、それぞれ４回のスイッチングを行っている。なお、スイッチング回数は、一例であり、回路条件等によって変化する。

このように、３つのハーフブリッジ回路２ｕ、２ｖ、２ｗを有する出力回路部２を、１つのメインスイッチＳｍと組み合わせることで、制御性が大きく向上する。さらに、メインスイッチＳｍのオンオフ時には、共振リアクトルＬ１を有する補助回路３と共振コンデンサＣ１によるＬＣ共振回路の補助により、制御性よくＺＶＳによるターンオン・ターンオフ動作を実現できる。一例として、Ｕ相の通電時における、メインスイッチＳｍのスイッチング１周期分（すなわち、図４中に斜線で示す期間）を、図５に示すように複数の期間Ｔ１〜Ｔ８に分けて、制御部４による各期間の制御の詳細を説明する。
なお、図５〜図１２では、回路動作の説明上、平滑コンデンサＣｉは不要であるため、図示を省略している。

図５左図に示すように、Ｕ相のモータコイルＬｕに通電する際には、制御部４がハイレベルのゲート電圧指令信号を出力し、メインスイッチＳｍと、ハーフブリッジ回路２ｕの半導体スイッチＳｕｐ及びハーフブリッジ回路２ｖの半導体スイッチＳｖｎをオン状態とする。これら以外の半導体スイッチＳｕｎ、半導体スイッチＳｖｐ及びハーフブリッジ回路２ｗの半導体スイッチＳｗｐ、Ｓｗｎは、いずれもオフ状態とする。このとき、図５右図に示すように、メインスイッチＳｍがオン状態となる期間Ｔ１の間、バッテリＢの正極側電位線１ｐから、メインスイッチＳｍを経由して、半導体スイッチＳｕｐ、モータコイルＬｕ、モータコイルＬｖ、半導体スイッチＳｖｎ、負極側電位線１ｎへの電流経路（すなわち、図５左図中に矢印で示す経路）が形成される。メインスイッチＳｍは、ドレイン−ソース間が導通して、ドレイン−ソース間電圧Ｖds_smは０Ｖとなっている。また、オフ状態の半導体スイッチＳｖｐの両端間は同電位となっており、ドレイン−ソース間電圧Ｖds_svは０Ｖとなっている。図５右図中のＶg_asは、補助スイッチＳａｓのゲート電圧を示している。

期間Ｔ１に先立ち、後述するように、前サイクルの期間Ｔ４〜Ｔ８の間において、補助回路３の補助スイッチＳａｓが駆動されて、共振コンデンサＣ１が充電される。これにより、コンデンサ電圧Ｖｃは、入力電圧Ｖｉ（例えば、４８Ｖ）と同等になり、メインスイッチＳｍのソース端子側、すなわち、接続点１１の電圧が上昇する。したがって、期間Ｔ１のゲート電圧の立ち上がりにおいて、メインスイッチＳｍは、ＺＶＳによるターンオン動作が可能になる。また、メインスイッチＳｍのターンオンより前に、補助スイッチＳａｓがターンオフされることで、補助回路３を過剰な電流が流れるのを抑制できる。

この状態において、図６左図に示すように、メインスイッチＳｍをオフすると、共振コンデンサＣ１の電荷が、メインスイッチＳｍと出力回路部２との接続点１１へ向けて供給される。これにより、半導体スイッチＳｕｐ、モータコイルＬｕ、モータコイルＬｖ、半導体スイッチＳｖｎを経由して、負極側電位線１ｎへの電流経路（すなわち、図６左図中に矢印で示す経路）が形成される。図６右図に示すように、この期間Ｔ２では、まず、メインスイッチＳｍのゲート電圧Ｖg_smが、ＨレベルからＬレベルに切り替えられることで、メインスイッチＳｍがオフし、次いで、共振コンデンサＣ１の電荷が抜かれることで、コンデンサ電圧Ｖｃが低下し始めると共に、メインスイッチＳｍのドレイン−ソース間電圧Ｖds_smが上昇を始める。

このとき、メインスイッチＳｍのスイッチング速度に対して、共振コンデンサＣ１のコンデンサ電圧Ｖｃの低下速度が遅いために、メインスイッチＳｍのドレイン−ソース間電圧Ｖds_smが上昇する前に、メインスイッチＳｍをターンオフ可能となる。すなわち、期間Ｔ２のゲート電圧g_smの立ち下がりにおいて、メインスイッチＳｍのターンオフ動作は、ＺＶＳとなる。その後、共振コンデンサＣ１の放電によりコンデンサ電圧Ｖｃは０Ｖまで低下し、メインスイッチＳｍのドレイン−ソース間電圧Ｖds_smは電源電圧と同等となる。

すると、図７右図に示す期間Ｔ３において、交流モータＭ側からバッテリＢ側へ向かってモータコイル電流が還流する。還流電流は、図７左図に示すように、ハーフブリッジ回路２ｗの接続点２１ｗから、半導体スイッチＳｖｐのダイオードＤｖｐを経由して半導体スイッチＳｕｐ側へ流れると共に、半導体スイッチＳｖｎから半導体スイッチＳｕｎのダイオードＤｖｎを経由して半導体スイッチＳｕｐ側へ流れる。

好適には、図８に示すように、続く期間Ｔ４において、半導体スイッチＳｕｎ及び半導体スイッチＳｖｐをオンする。これにより、ダイオードＤｕｎ、Ｄｖｐに代わって、より損失の小さい半導体スイッチＳｕｎと半導体スイッチＳｖｐのドレイン−ソース間が導通するため、導通損を低減することができる。また、半導体スイッチＳｕｎ、Ｓｖｐの両端間は同電位となっており、ターンオン動作は、ＺＶＳとなる。さらに、図９に示すように、期間Ｔ５において、半導体スイッチＳｕｎ及び半導体スイッチＳｖｐをオフすることで、半導体スイッチＳｕｎ及び半導体スイッチＳｖｐをオフすることで、メインスイッチＳｍがオンできる状況を作る。このとき半導体スイッチＳｕｎ及び半導体スイッチＳｖｐのドレイン-ソース間は同電位となっており、ＺＶＳターンオフとなる。

図１０〜図１２に示す期間Ｔ６〜期間Ｔ８では、補助回路３を作動させて、共振コンデンサＣ１に充電する。図１３に制御部４の制御フローを示すように、まず、ステップＳ１において、補助スイッチＳａｓをオンするためのオン指令信号が、制御器４１から駆動回路４２及び時間検出器５に入力される。これにより、駆動回路４からのゲート電圧指令信号がハイレベルに切り替わり、補助スイッチＳａｓがオンする。また、ステップＳ２において、時間検出器５によるカウントが開始される。これにより、図１０左図に示すように、補助スイッチＳａｓ、共振リアクトルＬ１を経由して、半導体スイッチＳｕｐ、モータコイルＬｕ、モータコイルＬｖ、半導体スイッチＳｖｎ、負極側電位線１ｎへの電流経路が形成される。

図１０右図に示すように、期間Ｔ６以前に補助回路３は通電されておらず、また共振リアクトルＬ１により電流の立ち上がりが抑制されるため、補助スイッチＳａｓのターンオン動作は、ゼロ電流スイッチング（すなわち、ＺＣＳ）となる。補助スイッチＳａｓのターンオンに伴い、補助スイッチＳａｓ及び共振リアクトルＬ１を経て補助回路３をリアクトル電流Ｉａｓが流れ、期間Ｔ６において、リアクトル電流Ｉａｓは、時間と共に上昇する。図１４に示すように、相電流Ｉｕは、期間Ｔ４〜期間Ｔ８の間、緩やかに低下する。

期間Ｔ７においてリアクトル電流Ｉａｓが、相電流Ｉｕ以上になると、図１１左図に示すように、共振コンデンサＣ１へ向けて充電電流が流れ始める。同時に、図１１右図に示すように、コンデンサ電圧Ｖｃが上昇し始めると共に、メインスイッチＳｍのドレイン−ソース間電圧Ｖds_smが低下を始める。

制御部４は、図１３のステップＳ３において、コンデンサ電圧検出器５１のコンパレータ５２の出力を取り込み、コンデンサ電圧Ｖｃが閾値電圧Ｖth1に達したか否かを判定する。ステップＳ３が否定判定された場合は、肯定判定されるまでステップＳ３を繰り返す。ステップＳ３が肯定判定されると、ステップＳ４に進み、時間検出器５によるカウントを停止するための指令信号を出力する。そして、カウント開始から停止までのカウント値に対応する時間を、オン時間Ｔonとして出力し、時間計測を終了する。

続くステップＳ５では、時間検出器５にて計測したオン時間Ｔonと、下記式１に基づいて、負荷電流Ｉ_Ｌ（例えば、Ｕ相の通電時であれば、相電流Ｉｕ）を推定する。このステップＳ５は、相電流推定部４３における処理に相当する。式１は、オン時間Ｔonにおいて、負荷電流Ｉ_Ｌ＝リアクトル電流Ｉａｓであることから導かれる。
式１：Ｉ_Ｌ＝（Ｖｉ／Ｌａｓ）・Ｔon
ただし、式１中、Ｖｉは、入力電圧であり、Ｌａｓは、共振リアクトルＬ１のインダクタンスである。

ステップＳ６では、例えば、図示しないセンサ等の検出結果に基づき、交流モータＭに要求されるトルク及び回転数を演算する。さらに、これらに対応する出力電流の目標値を演算し、式１による推定値と比較して、以降の制御に反映させる。例えば、ステップＳ７では、要求トルク及び回転数に応じた目標出力により近づくように、各スイッチをオンオフ駆動するためのパルス信号のデューティ比を変更して、制御器４１から出力する。

このようにして、交流モータＭを流れる相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを、電流センサ等を用いることなく、高応答かつ精度よく推定することができる。さらに、その推定結果を、スイッチング制御に速やかに反映させることができるので、制御性が向上し、高性能な電力変換装置１を実現できる。

一方、コンデンサ電圧Ｖｃが閾値電圧Ｖth1を超えて上昇すると、予め設定されるタイミングで、補助スイッチＳａｓをオフするためのゲート電圧指令信号が出力される。これにより、図１２左図に示すように、補助スイッチＳａｓがオフし、共振リアクトルＬ１と共振コンデンサＣ１が共振して、共振リアクトルＬ１に蓄えられていたエネルギが共振コンデンサＣ１に移動する。図１２右図に示す期間Ｔ８において、共振コンデンサＣ１のコンデンサ電圧Ｖｃは上昇を続ける。リアクトル電流Ｉａｓは、補助スイッチＳａｓのターンオフに伴い、徐々に下降する。

このようにして、期間Ｔ６〜期間Ｔ８の間に、コンデンサ電圧Ｖｃを入力電圧Ｖｉまで上昇させることができる。同時に、メインスイッチＳｍのソース端子側の電位が上昇することで、ドレイン−ソース間電圧Ｖds_smが０Ｖまで低下する。したがって、メインスイッチＳｍのＺＶＳが可能になる。

その後、メインスイッチＳｍをオンするためのゲート電圧指令信号が出力されると、１つのスイッチング周期が終了し、次のスイッチング周期が開始される。制御部４は、ステップＳ５〜Ｓ７で算出されたデューティ比を用いて、速やかに精度良い制御を行うことができる。

（実施形態２）
電力変換装置に係る実施形態２について、図１５を参照して説明する。
図示を省略する本形態の電力変換装置１の基本構成は、上記実施形態１と同様であり、バッテリＢの正極側電位線１ｐに接続されたメインスイッチＳｍと、交流モータＭに接続された出力回路部２と、補助スイッチＳａｓと共振リアクトルＬ１と補助ダイオードＤａｓを有する補助回路３と、制御部４と、共振コンデンサＣ１を備えている。これら各部の基本作動は、上記実施形態１と同様であり、本形態では、制御部４における相電流推定部４３に代えて、過電流判定部を備えており、制御フローの一部が異なっている。
なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

図１５において、ステップＳ１１〜Ｓ１４は、図１３におけるステップＳ１〜Ｓ４と同じであり、説明を省略する。ステップＳ１５では、ステップＳ１４にて計測されたオン時間Ｔonを用い、下記式２に基づいて過電流判定を行う。
式２：Ｔon≧（Ｌａｓ／Ｖｉ）・Ｉ_{Ｌ_Ｌｉｍ}
ただし、式２中、Ｖｉは、入力電圧であり、Ｌａｓは、共振リアクトルＬ１のインダクタンスであり、Ｉ_{Ｌ_Ｌｉｍ}は、最大負荷電流（例えば、Ｕ相の通電時であれば、最大相電流Ｉｕ_{_Ｌｉｍ}）である。

式２は、負荷電流Ｉ_Ｌを推定するための上記式１を変形することにより得られ、計測されたオン時間Ｔonが、想定される最大負荷電流Ｉ_{Ｌ_Lim}に対応するオン時間（すなわち、式２の右辺）以上であるときに、過電流と判定する。

ステップＳ１５にて過電流と判定された場合には、ステップＳ１６へ進み、例えば、メインスイッチＳｍをオフする。出力回路部２への通電を制御しているメインスイッチＳｍをオフすることで、メインスイッチＳｍを含む電流経路が遮断され、スイッチ等に過剰な電流が流れないように保護することができる。好ましくは、バッテリＢに接続されているメインスイッチＳｍ及び補助スイッチＳａｓ、さらには、出力回路部２を構成する半導体スイッチ半Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎを含む全スイッチをオフすることにより、確実に過電流から保護することができる。

（実施形態３）
電力変換装置に係る実施形態３について、図１６を参照して説明する。
図１６に示すように、本形態の電力変換装置１の基本構成は、上記実施形態１と同様であり、バッテリＢの正極側電位線１ｐに接続されたメインスイッチＳｍと、交流モータＭに接続された出力回路部２と、補助スイッチＳａｓと共振リアクトルＬ１と補助ダイオードＤａｓを有する補助回路３と、図示しない制御部４と、共振コンデンサＣ１を備えている。電力変換装置１の各部動作は、制御部４からの制御信号によって制御される。

上記実施形態１では、出力回路部２のハーフブリッジ回路２ｕ、２ｖ、２ｗと並列な共振コンデンサＣ１を配置したが、本形態では、メインスイッチＳｍと並列に、共振コンデンサＣ１を配置している。具体的には、メインスイッチＳｍが接続される正極側電位線１ｐにおいて、メインスイッチＳｍのドレイン端子側に、共振コンデンサＣ１の一端が接続され、メインスイッチＳｍのソース端子側に、共振コンデンサＣ１の他端がそれぞれ接続されている。

本形態の構成においても、メインスイッチＳｍのスイッチングにより、ハーフブリッジ回路２ｕ、２ｖ、２ｗの駆動が制御されて、出力回路部２から所望の交流出力を交流モータＭに出力できる。その際に、制御部４により同様の制御を行い、補助スイッチＳａｓがオンしてからのオン時間Ｔonをモニタすることで、交流モータＭの相電流Ｌｕ、Ｌｖ、Ｌｗを容易に推定し、又は過電流を判定することができる。

また、共振コンデンサＣ１をメインスイッチＳｍの直近に配置できるため、低インダクタンスでの実装が可能になる。この場合、メインスイッチＳｍのターンオフ時にドレイン−ソース間の電圧上昇を理想に近い緩やかな波形にできるため、ターンオフ損失を低減する効果が高い。

（実施形態４）
電力変換装置に係る実施形態４について、図１７を参照して説明する。
図１７に示すように、本形態の電力変換装置１の基本構成は、上記実施形態１と同様であり、バッテリＢの正極側電位線１ｐに接続されたメインスイッチＳｍと、交流モータＭに接続された出力回路部２と、補助スイッチＳａｓと共振リアクトルＬ１と補助ダイオードＤａｓを有する補助回路３と、図示しない制御部４と、共振コンデンサＣ１を備えている。電力変換装置１の各部動作は、制御部４からの制御信号によって制御される。

上記実施形態１では、補助回路３を、メインスイッチＳｍと並列に設けられた、補助スイッチＳａｓと共振リアクトルＬ１の直列接続体と、補助ダイオードＤａｓとで構成したが、ダイオードＤａｓに代えて、第２の補助スイッチＳａｓ１を配置することもできる。第２の補助スイッチＳａｓ１は、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチング素子からなり、第２の補助ダイオードＤａｓ１が並列に接続されている。第２の補助ダイオードＤａｓ１は、補助ダイオードＤａｓと同方向を順方向としており、補助ダイオードＤａｓと同様に動作する。

この第２の補助ダイオードＤａｓの動作時に、例えば、上記実施形態１においてダイオードＤａｓを経由する電流経路が形成されるタイミングで、第２の補助スイッチＳａｓ１をオン状態とする。これにより、第２の補助スイッチＳａｓ１へ電流を分流し、第２の補助ダイオードＤａｓの導通損失を低減して、補助回路３における損失を低減できる。
それ以外の構成及び作動は、実施形態１と同様であり、説明を省略する。

（実施形態５）
電力変換装置に係る実施形態５について、図１８を参照して説明する。本形態の電力変換装置１は、バッテリＢの正極側電位線１ｐに接続されたメインスイッチＳｍと、メインスイッチＳｍを含み、コンバータとして構成された出力回路部２と、補助スイッチＳａｓと共振リアクトルＬ１と補助ダイオードＤａｓを有する補助回路３と、図示しない制御部４と、共振コンデンサＣ２とを備えている。本形態では、出力回路部２の構成が、上記実施形態１と異なっており、以下、相違点を中心に説明する。

出力回路部２は、メインスイッチＳｍと直列に接続された、同期整流用の半導体パワー素子である、同期スイッチＳ１を有し、メインスイッチＳｍと同期スイッチＳ１の接続点２２に、リアクトルＬ２の一端が接続されている。リアクトルＬ２の他端と負極側電位線１ｎとの間には、例えば、負荷としての直流モータＭ１が接続されると共に、直流モータＭと並列にコンデンサＣ３が接続されている。同期スイッチＳ１は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体パワー素子からなり、ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース間に逆方向接続されたダイオードＤ１を有している。ＭＯＳＦＥＴ以外の半導体スイッチング素子又はダイオードを用いることもできる。

出力回路部２は、降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータを構成し、バッテリＢからの入力電力を直流出力に変換する。出力回路部２は、メインスイッチＳｍと同期スイッチＳ１を交互にオンオフすることにより矩形波を生成し、リアクトルＬ２とコンデンサＣ３とで形成されるフィルタ回路で平滑化して、直流電圧として出力する。補助回路３の共振リアクトルＬ１は、接続点３１と接続点２２の間に接続され、共振コンデンサＣ２は、接続点２２とリアクトルＬ２の間において、同期スイッチＳ１と並列に接続される。

本形態のメインスイッチＳｍと補助スイッチＳａｓのオンオフ動作は、上記実施形態１の図４と同様であり、同期スイッチＳ１のオンオフ動作は、図９のゲート電圧Ｖg_unによる半導体スイッチＳｕｎのオンオフ動作に対応する。リアクトルＬ２を流れるリアクトル電流Ｉ_Ｌは、図４の相電流Ｉｕに対応する。この構成においても、メインスイッチＳｍがオフ状態である期間に、補助スイッチＳａｓのオンオフにより共振コンデンサＣ２が充電されて、メインスイッチＳｍのＺＶＳが可能になる。

制御部４の構成は、上記実施形態１と同様であり、図示しない時間検出器５に、接続点２２からコンデンサ電圧Ｖｃを取り込み、補助スイッチＳａｓがオンしてからのオン時間Ｔonを計測することができる。そして、オン時間Ｔonを用いて、負荷電流であるリアクトル電流Ｉ_Ｌを容易に推定し、又は過電流を判定することができる。

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、複数のメインスイッチＳｍを設けて、そのそれぞれに対して、複数のハーフブリッジ回路を有する出力回路部２を配置してもよい。あるいは、１つのメインスイッチＳｍに対して、それぞれ複数のハーフブリッジ回路を有する出力回路部２を、複数並列配置することもできる。

上記実施形態では、電力変換装置１を交流モータＭ、直流モータＭ１に接続して、交流出力を供給するためのインバータ又はコンバータとして構成したが、負荷はモータＭ、Ｍ１に限らず、車載機器その他任意の機器に適用可能である。また、インバータ動作は、矩形波パルス信号による通電制御に限らず、正弦波信号による通電制御でもよい。

Ｂ バッテリ（入力電源）
Ｃ１ 共振コンデンサ
Ｌ１ 共振リアクトル
Ｓｍ メインスイッチ
Ｓａｓ 補助スイッチ
Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎ 半導体スイッチ（半導体パワー素子）
１ 電力変換装置
３ 補助回路
４ 制御部
５ 時間検出器

Claims (9)

1. 入力電源（Ｂ）の正極側電位線（１ｐ）に接続されたメインスイッチ（Ｓｍ）と、
   上記メインスイッチと上記入力電源の負極側電位線（１ｎ）との間に接続された１つ以上の半導体パワー素子（Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎ、Ｓ１）と、
   上記正極側電位線に、上記メインスイッチと並列に、補助スイッチ（Ｓａｓ）及び共振リアクトル（Ｌ１）が接続されると共に、上記補助スイッチ及び上記共振リアクトルの接続点（３１）と上記負極側電位線との間に補助ダイオード（Ｄａｓ）が接続された補助回路（３）と、
   上記メインスイッチ及び上記補助スイッチのスイッチングにより負荷（Ｍ、Ｍ１）への出力を制御する制御部（４）と、を備える電力変換装置（１）であって、
   上記メインスイッチから上記負荷への電流経路と並列に共振コンデンサ（Ｃ１）が接続されており、
   上記制御部は、上記メインスイッチがオフ状態であるときに、上記補助スイッチをオンオフする制御信号を出力する駆動制御部（４１、４２）と、上記補助スイッチがオンしてから、上記共振コンデンサの電圧（Ｖｃ）が上昇を開始するまでのオン時間（Ｔon）を検出する時間検出器（５）を有している、電力変換装置。
2. 上記制御部は、上記時間検出器にて検出した上記オン時間と下記式１に基づいて、負荷電流（Ｉ_Ｌ）を推定する、請求項１に記載の電力変換装置。
   式１：Ｉ_Ｌ＝（Ｖｉ／Ｌａｓ）・Ｔon
   ただし、式１中、Ｖｉは、上記入力電源の電圧であり、Ｌａｓは、上記共振リアクトルのインダクタンスである。
3. 上記制御部は、推定された上記負荷電流に基づいて、上記メインスイッチのスイッチングを制御する、請求項２に記載の電力変換装置。
4. 上記制御部は、検出された上記オン時間と、推定された上記負荷電流とが、下記式２を満たす関係にあるときに、過電流と判定する、請求項２又は３に記載の電力変換装置。
   式２：Ｔon≧（Ｌａｓ／Ｖｉ）・Ｉ_{Ｌ_Ｌｉｍ}
   ただし、式２中、Ｖｉは、上記入力電源の電圧であり、Ｌａｓは、上記共振リアクトルのインダクタンスであり、Ｉ_{Ｌ_Ｌｉｍ}は、最大負荷電流である。
5. 上記制御部は、過電流と判定されたときに、上記メインスイッチをオフする、請求項４に記載の電力変換装置。
6. 上記制御部は、過電流と判定されたときに、上記メインスイッチ及び上記補助スイッチを含む全スイッチをオフする、請求項４に記載の電力変換装置。
7. 上記半導体パワー素子は、半導体スイッチング素子（Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎ、Ｓ１）又はダイオードである、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
8. 複数の上記半導体パワー素子（Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎ）がブリッジ接続された複数のハーフブリッジ回路（２ｕ、２ｖ、２ｗ）を有して、変換された交流電力を負荷（Ｍ）に出力する出力回路部（２）を備える、請求項７に記載の電力変換装置。
9. 上記メインスイッチと同期整流用の上記半導体パワー素子（Ｓ１）とが直列接続され、上記メインスイッチ及び同期整流用の上記半導体パワー素子の接続点（２２）に一端が接続されたリアクトル（Ｌ２）と、上記リアクトルの他端に接続されたコンデンサ（Ｃ２）を有し、変換された直流電力を負荷（Ｍ１）に出力する出力回路部（２）を備える、請求項７に記載の電力変換装置。

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