JP6954239B2 - 電力変換器及びモータシステム - Google Patents

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Description

本明細書に開示の技術は、電力変換器と、その電力変換器を利用したモータシステムに関する。
特許文献１に、並列に接続されているスイッチング素子を有する電力変換器が開示されている。その電力変換器は、２個のスイッチング素子と、２個のダイオードと、メインリアクトルと、２個のサブリアクトルを備えている。第１スイッチング素子と第１ダイオードは直列に接続されており、第２スイッチング素子と第２ダイオードも直列に接続されている。２組の直列回路は並列に接続されている。メインリアクトルは夫々の直列回路の中点と接続されている。メインリアクトルと一方の中点（第１スイッチング素子の側の中点）の間に第１サブリアクトルが接続されており、メインリアクトルと他方の中点（第２スイッチング素子側の中点）の間に第２サブリアクトルが接続されている。電力変換器のコントローラは、２個のスイッチング素子を交互にオンオフする。夫々のスイッチング素子がオフからオンに切り換わる際、２個のサブリアクトルの誘導電圧によりスイッチング損失が抑えられる。また、特許文献２にも、複数のリアクトルを使ってスイッチング損失を抑える技術が開示されている。
特開２００１−１８６７６８号公報 特開２００７−２８８８７６号公報
一般に電力変換器は、メインリアクトルに流れる電流を測定するための電流センサも備えている。電流センサの１つのタイプは、導体を囲む集磁リングコアを備えている。電流センサは、導体に流れる電流に起因して生じる磁束を集磁リングコアで集める。電流センサは、集磁リングコアを通る磁束を計測し、計測された磁束から導体を流れる電流を得る。一方、サブリアクトルは、スイッチング損失を抑えることが目的であり、小さなインダクタンスを有していればよい。本願の発明者は、サブリアクトルに要求される特性（インダクタンスの大きさ）と電流センサの集磁リングコアの特性が近く、集磁リングコアとそれに挿通された導体がサブリアクトルとして兼用可能であることに気が付いた。本明細書は、この知見を用いてスイッチング損失を低減できる電力変換器を少ない部品数で実現する技術を提供する。
本明細書が開示する電力変換器は、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子、第１ダイオード、第２ダイオード、第１電流センサ、第２電流センサ、リアクトル、コントローラを備えている、第１、第２スイッチング素子は並列に接続されている。コントローラは、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子を交互にオンさせる。第１ダイオードは第１スイッチング素子の正極端に接続されており、第２ダイオードは第２スイッチング素子の正極端に接続されている。別言すれば、第１スイッチング素子と第１ダイオードの直列回路と第２スイッチング素子と第２ダイオードの直列回路が並列に接続されている。スイッチング素子の正極端は、ｎ型トランジスタの場合、コレクタあるいはドレインに相当する。
第１スイッチング素子と第１ダイオードの直列回路の中点を第１中点と称し、第２スイッチング素子と第２ダイオードの直列回路の中点を第２中点と称する。リアクトルの一端は、第１中点と第２中点に接続されている。第１電流センサは、リアクトルと第１中点の間を流れる電流を計測する。第２電流センサは、リアクトルと第２中点の間を流れる電流を計測する。第１電流センサは、リアクトルと第１中点の間の第１導体が挿通されている第１集磁リングコアを備えている。第２電流センサは、リアクトルと第２中点の間の第２導体が挿通されている第２集磁リングコアを備えている。第１集磁リングコアと第２集磁リングコアの夫々がサブリアクトルとして機能する。リアクトル（メインリアクトル）を流れる電流は、第１電流センサと第２電流センサの計測値を合算することで得ることができる。従来の電力変換器は３個の電気部品（２個のサブリアクトルと１個の電流センサ）を必要としていたが、本明細書が開示する電力変換器は、２個の電気部品（２個の電流センサ）で同じ機能を実現することができる。即ち、本明細書が開示する電力変換器は、従来よりも少ない部品点数でスイッチング損失を低減することができる。なお、スイッチング損失抑制のメカニズムは実施例にて説明する。
本明細書が開示する技術は、リアクトルを備えた電圧変換器に適用することができるとともに、インバータと交流モータを含んでいるモータシステムに適用することができる。モータシステムの場合、モータの巻線がメインリアクトルに相当する。上記した電力変換器の２個のスイッチング素子の並列回路が、インバータの下アームスイッチング素子に対応する。２個のダイオードは、上アームスイッチング素子に逆並列に接続される還流ダイオードに対応する。２個の電流センサの計測値の合計値が、モータ（メインリアクトル）に流れる電流に相当する。そのようなモータシステムは、２個の電流センサの合計値を利用してモータに流れる電流を制御することができる。
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
第１実施例の電力変換器の回路図である。 パワーモジュールとリアクトルの斜視図である。 電流センサの斜視図である。 リアクトルを流れる電流とスイッチング素子のゲート電圧のタイムチャートである。 図４のタイムチャートの各時刻における電流の流れを示す図である。 第２実施例の電力変換器の回路図である。 リアクトルを流れる電流とスイッチング素子のゲート電圧のタイムチャートである（第２実施例）。 第３実施例（モータシステム）のブロック図である。 スイッチング回路のブロック図である。 変形例の電流センサの斜視図である。 誤差を相殺するための電流センサの配置図である。
（第１実施例）図面を参照して第１実施例の電力変換器を説明する。第１実施例の電力変換器は、昇圧コンバータ１０である。図１に、昇圧コンバータ１０の回路図を示す。昇圧コンバータ１０の低電圧端１２にバッテリ９０が接続されている。図示を省略しているが、高電圧端１３には、インバータなどの負荷が接続される。昇圧コンバータ１０は、低電圧端１２に印加された電圧を昇圧して高電圧端１３から出力する。なお、低電圧端１２の正極と負極をそれぞれ低圧正極端１２ａと低圧負極端１２ｂと称し、高電圧端１３の正極と負極をそれぞれ高圧正極端１３ａと高圧負極端１３ｂと称する。低圧負極端１２ｂと高圧負極端１３ｂは、共通負極線１４で直接に接続されている。
昇圧コンバータ１０は、第１スイッチング素子３１、第２スイッチング素子３２、第１下ダイオード４１、第２下ダイオード４２、第１上ダイオード４３、第２上ダイオード４４、リアクトル２２、フィルタコンデンサ２０、平滑コンデンサ５０を備えている。
第１スイッチング素子３１の負極端は共通負極線１４に接続されている。第１スイッチング素子３１の正極端は第１上ダイオード４３のアノードに接続されている。第１上ダイオード４３のカソードは高圧正極端１３ａに接続されている。第１スイッチング素子３１と第１上ダイオード４３の直列回路の中点を第１中点２７と称する。第１下ダイオード４１が第１スイッチング素子３１に逆並列に接続されている。第１スイッチング素子３１、第１下ダイオード４１、第１上ダイオード４３を囲む破線はパワーモジュール６２を表している。パワーモジュール６２については後述する。
第２スイッチング素子３２の負極端は共通負極線１４に接続されている。第２スイッチング素子３２の正極端は第２上ダイオード４４のアノードに接続されている。第２上ダイオード４４のカソードは高圧正極端１３ａに接続されている。第２スイッチング素子３２と第２上ダイオード４４の直列回路の中点を第２中点２８と称する。第２下ダイオード４２が第２スイッチング素子３２に逆並列に接続されている。第２スイッチング素子３２、第２下ダイオード４２、第２上ダイオード４４を囲む破線はパワーモジュール６４を表している。パワーモジュール６４については後述する。
第１、第２スイッチング素子３１、３２は、ともに、ｎ型のＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。第１、第２スイッチング素子３１、３２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）など、別のタイプのスイッチング素子であってもよい。ｎ型ＭＯＳＦＥＴの場合、スイッチング素子の正極端はドレインと呼ばれる。ｎ型ＩＧＢＴの場合、スイッチング素子の正極端はコレクタと呼ばれる。ＭＯＳＦＥＴの場合は負極端から正極端に電流を流すこともできるが、本明細書では、便宜上、ｎ型スイッチング素子のコレクタあるはドレインを正極端と称する。
リアクトル２２の一端は第１中点２７と第２中点２８の夫々と接続されており、リアクトル２２の他端は低圧正極端１２ａに接続されている。
フィルタコンデンサ２０は低圧正極端１２ａと低圧負極端１２ｂの間に接続されており、平滑コンデンサ５０は高圧正極端１３ａと高圧負極端１３ｂの間に接続されている。
図１に示されているように、第１スイッチング素子３１と第２スイッチング素子３２は並列に接続されている。図１に示す昇圧コンバータ１０は、並列に接続された２個のスイッチング素子３１、３２に電力が分散されるので、大きな電力を昇圧することができる。なお、図１に示す回路の昇圧動作については図５を参照しつつ後に説明する。
リアクトル２２と第１中点２７を接続する第１導体２３に第１電流センサ２４が配置されており、リアクトル２２と第２中点２８を接続する第２導体２５に第２電流センサ２６が配置されている。図１の回路図において太線で示されている部分が第１導体２３と第２導体２５に相当する。第１電流センサ２４は、リアクトル２２と第１中点２７の間を流れる電流を計測し、第２電流センサ２６はリアクトル２２と第２中点２８の間を流れる電流を計測する。第１電流センサ２４と第２電流センサ２６の出力の合計がリアクトル２２を流れる電流に相当する。
第１電流センサ２４と第２電流センサ２６の計測値はコントローラ５４へ送られる。コントローラ５４は、２個の電流センサの計測値からリアクトル２２を流れる電流を算出する。一方、コントローラ５４は、不図示の上位コントローラから昇圧コンバータ１０の目標出力を受信する。コントローラ５４は、昇圧コンバータ１０の出力が目標出力に追従するように、第１、第２電流センサ２４、２６の計測値を使って第１、第２スイッチング素子３１、３２を制御する。コントローラ５４は、第１スイッチング素子３１と第２スイッチング素子３２を交互にオンオフする。第１、第２スイッチング素子３１、３２の動作については後に図４、図５を使って説明する。
図２と図３を使って昇圧コンバータ１０の一部の部品のハードウエアを説明する。図２は、パワーモジュール６２、６４とリアクトル２２の斜視図である。図１の第１スイッチング素子３１、第１下ダイオード４１、第１上ダイオード４３は、パワーモジュール６２に収容されている。パワーモジュール６２は、樹脂パッケージと端子で構成される。第１スイッチング素子３１、第１下ダイオード４１、第１上ダイオード４３を実現する半導体チップがパッケージに収容されている。パッケージの内部で第１スイッチング素子３１と第１下ダイオード４１は逆並列に接続されており、第１スイッチング素子３１と第１上ダイオード４３が直列に接続されている。パッケージから延びるパワー端子６３は、パッケージの内部で第１スイッチング素子３１と第１上ダイオード４３の直列回路の中点と導通している。即ち、パワーモジュール６２のパワー端子６３が図１の第１中点２７に対応する。
図１の第２スイッチング素子３２、第２下ダイオード４２、第２上ダイオード４４は、パワーモジュール６４のパッケージに収容されている。パワーモジュール６４の構造はパワーモジュール６２と同一である。パワーモジュール６４のパッケージから延びるパワー端子６３は、パッケージの内部で第２スイッチング素子３２と第２上ダイオード４４の直列回路の中点と導通している。即ち、パワーモジュール６４のパワー端子６３が図１の第２中点２８に対応する。
リアクトル２２は、高透磁率材料で作られているコア２２ａに巻線２２ｂを複数回巻き付けた構造を備えている。リアクトル２２の一端、即ち、巻線２２ｂの一端とパワーモジュール６２のパワー端子６３が第１導体２３で接続されている。巻線２２ｂの一端とパワーモジュール６４のパワー端子６３が第２導体２５で接続されている。第１導体２３に第１電流センサ２４が備えられており、第２導体２５に第２電流センサ２６が備えられている。第１導体２３と第２導体２５は、バスバと呼ばれる金属細板である。
図３に第１電流センサ２４の斜視図を示す。第１電流センサ２４は、第１導体２３が挿通されている第１集磁リングコア２４ｂと、ホール素子２４ｈを備えている。第１集磁リングコア２４ｂは、高透磁率材料で作られている。第１集磁リングコア２４ｂは１箇所が切り欠かれており、その切欠にホール素子２４ｈが配置されている。第１導体２３に電流ＩＬ１が流れると、第１集磁リングコア２４ｂに磁束Ｂ１が発生する。磁束Ｂ１は、第１集磁リングコア２４ｂにより集められる。一方、ホール素子２４ｈにはコントローラ５４から一定の電流（バイアス電流Ｉｂ１）が供給されている。磁束Ｂ１とバイアス電流Ｉｂ１により発生するローレンツ力により、ホール素子２４ｈ内の電子が移動し、この移動より電圧が発生する。この電圧を増幅させたものが電圧Ｖｏｕｔ１となり、この電圧Ｖｏｕｔ１から、第１電流センサ２４は、第１導体２３を流れる電流ＩＬ１を測定することができる。第１電流センサ２４は、測定した電流ＩＬ１をコントローラ５４に送信する。第１電流センサ２４は電圧Ｖｏｕｔ１を出力し、コントローラ５４が電圧Ｖｏｕｔ１を電流ＩＬ１に換算してもよい。
第２電流センサ２６の構造は第１電流センサ２４と同様であり、第２導体２５が挿通される第２集磁リングコア２６ｂとホール素子を備えている。第２電流センサ２６は、第２導体２５を流れる電流ＩＬ２を計測する。計測された電流ＩＬ２もコントローラ５４に送信される。第１電流センサ２４と第２電流センサ２６の計測値の合計が、リアクトル２２を流れる電流に相当する。
先に述べたように、コントローラ５４は、第１電流センサ２４と第２電流センサ２６の計測値からリアクトル２２を流れる電流を取得し、リアクトル２２の電流値に基づいて第１、第２スイッチング素子３１、３２を制御する。
図３に示したように、第１電流センサ２４は、第１導体２３が挿通される第１集磁リングコア２４ｂを備えている。第１導体２３に流れる電流に起因して第１集磁リングコア２４ｂに磁束Ｂ１が発生する。磁束Ｂ１は、第１集磁リングコア２４ｂが有するインダクタンスによって生じる。即ち、第１導体２３が挿通される第１集磁リングコア２４ｂはリアクトルとして機能する。第２電流センサ２６が備える第２集磁リングコア２６ｂもリアクトルとして機能する。
第１電流センサ２４の第１集磁リングコア２４ｂと第２電流センサ２６の第２集磁リングコア２６ｂがともにリアクトルとして機能すると、図１の回路構成において、第１スイッチング素子３１がオフからオンに切り換わる直前に第１導体２３の電流がゼロの状態を作り出せる。スイッチング素子がオフからオンに切り換わるときにその上流側の導体の電流がゼロであると、スイッチング損失が抑制できる。
集磁リングコア２４ｂ、２６ｂのインダクタンスは１［μＨ］程度である。一方、リアクトル２２に要求されるリアクタンスは５０−１００［μＨ］である。このリアクタンスの差が、リアクトル２２の機能に大きな影響を及ぼさずにスイッチング損失を抑制するのに都合がよい。
図４と図５を参照しつつ、スイッチング損失が抑制されるメカニズムを説明する。図４と図５は、昇圧コンバータ１０の動作を説明する図でもある。図４はリアクトルを流れる電流とスイッチング素子３１、３２のゲート電圧のタイムチャートである。図５は、図４のタイムチャートの各時刻における電流の流れを示す図である。図４のグラフＧ１は、リアクトル２２を流れる電流ＩＬｍを示している。グラフＧ２は、第１導体２３を流れる電流ＩＬ１と第２導体２５を流れる電流ＩＬ２を示している。実線が第１導体２３を流れる電流ＩＬ１を示しており、破線が第２導体２５を流れる電流ＩＬ２を示している。グラフＧ３は第１スイッチング素子３１のゲート電圧Ｖｇ３１を示しており、グラフＧ４は第２スイッチング素子３２のゲート電圧Ｖｇ３２を示している。ゲート電圧のＨＩＧＨレベルの期間がスイッチング素子のオン期間に相当し、ゲート電圧のＬＯＷレベルの期間がスイッチング素子のオフ期間に相当する。ゲート電圧Ｖｇ３１の立ち上がりが、第１スイッチング素子３１がオフからオンに切り換わるタイミングに対応する。ゲート電圧Ｖｇ３１の立ち下りが、第１スイッチング素子３１がオンからオフに切り換わるタイミングに対応する。ゲート電圧Ｖｇ３２と第２スイッチング素子３２の間にも同様の関係がある。ゲート電圧Ｖｇ３１、Ｖｇ３２は、コントローラ５４によって制御される。
図４に示すように、時刻Ｔ１で第１スイッチング素子３１がオフからオンに切り換わり、時刻Ｔ３で第１スイッチング素子３１がオンからオフに切り換わる。時刻Ｔ１から時刻Ｔ４の間、第２スイッチング素子３２はオフに保持される。第２スイッチング素子３２は、時刻Ｔ４でオフからオンに切り換わり、時刻Ｔ６でオンからオフに切り換わる。第１スイッチング素子３１は、時刻Ｔ３から時刻Ｔ６の間、オフに保持される。別言すれば、第１スイッチング素子３１と第２スイッチング素子３２は、交互にオンオフされる。別言すれば、コントローラ５４は、第１スイッチング素子３１がオンの間、第２スイッチング素子３２をオフに保持し、第２スイッチング素子３２がオンの間、第１スイッチング素子３１をオフに保持する。スイッチング素子３１、３２は、時刻Ｔ１から時刻Ｔ６までの動作を繰り返す。
図５には、時刻Ｔ１−Ｔ６の各時刻における電流の流れを示してある。なお、図５では、昇圧コンバータ１０の回路構成を、図１よりも簡略化して示している。また、図５では、第１電流センサ２４の第１集磁リングコア２４ｂ、及び、第２電流センサ２６の第２集磁リングコア２６ｂをコイルの記号で表している。これは、それら集磁リングコアがリアクトルとして機能するからである。
各時刻における動作を説明する。時刻Ｔ１にて第１スイッチング素子３１がオフからオンに切り換わる。第２スイッチング素子３２はオフに保持されている。詳しくは後述するが、第１スイッチング素子３１がオンに切り換わる直前において第１導体２３には電流が流れていない。即ち、ゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ：Zero Current Switching）が実現され、スイッチング損失が抑えられる。ゼロ電流スイッチングが実現されるメカニズムについては後述する。
第１スイッチング素子３１がオンに切り換わると、低圧正極端１２ａからリアクトル２２、第１導体２３、第１スイッチング素子３１を通って共通負極線１４へ電流ＩＬ１が流れ始める。また、時刻Ｔ１の直前には、低圧正極端１２ａからリアクトル２２、第２導体２５、第２上ダイオード４４を通じて高圧正極端１３ａへと電流ＩＬ２が流れている。時刻Ｔ１の直前の状態、即ち、時刻Ｔ６における状態については後述する。
時刻Ｔ１から時刻Ｔ２までの間は、第２導体２５を流れていた電流が第１導体２３へ移るので、電流ＩＬ２が急速に減少し、電流ＩＬ１が急速に増加する。この間、リアクトル２２を流れる電流ＩＬｍはほとんど変化しない。なお、電流ＩＬ１、ＩＬ２の変化率は、集磁リングコア２４ｂ、２６ｂのリアクタンスに依存する。
時刻Ｔ２で第２導体２５を流れる電流ＩＬ２がゼロになる。即ち、時刻Ｔ２で第２上ダイオード４４を流れる電流がゼロになり、ダイオード４４がオフに切り換わる。ダイオード４４がオフに切り換わる際に逆回復電流がカソードからアノードへ流れる。この逆回復電流はスイッチング損失とノイズの一因となる。しかしながら、第１導体２３と第２導体２５にはサブリアクトルとして機能する第１集磁リングコア２４ｂと第２集磁リングコア２６ｂが配置されている。第１集磁リングコア２４ｂと第２集磁リングコア２６ｂのリアクタンスにより、第２上ダイオード４４の最大電流変化率が小さくなり、逆回復電流が抑えられる。即ち、第１集磁リングコア２４ｂと第２集磁リングコア２６ｂによって、第２上ダイオード４４がオフするときのスイッチング損失とノイズが抑えられる。
時刻Ｔ２以降は、リアクトル２２の誘導電圧と第１集磁リングコア２４ｂの誘導電圧（電流ＩＬ１を阻止する方向に作用する誘導電圧）が弱まり、低圧正極端１２ａから流入する電流が増加する。その結果、リアクトル２２を流れる電流ＩＬｍと第１導体２３を流れる電流ＩＬ１がともに増加する。
時刻Ｔ３に第１スイッチング素子３１がオンからオフに切り換わる。第１スイッチング素子３１がオフに切り換わると、リアクトル２２と第１集磁リングコア２４ｂが電流ＩＬ１を流し続ける方向に誘導電圧を生じる。この誘導電圧によって、低圧正極端１２ａからリアクトル２２、第１導体２３、第１上ダイオード４３を通じて電流ＩＬ１が流れる。第１上ダイオード４３を通じて流れる電流ＩＬ１によって平滑コンデンサ５０（図１参照）が充電され、高圧正極端１３ａの電圧が上昇する。即ち、低電圧端１２に印加された電圧が昇圧されて高電圧端１３から出力される。時刻Ｔ３以後、リアクトル２２及び第１集磁リングコア２４ｂの誘導電圧（電流ＩＬ１を流す方向に作用する誘導電圧）が低下するので、電流ＩＬ１が徐々に減少する。このため、リアクトル２２を流れる電流ＩＬｍも徐々に減少する。
時刻Ｔ３以後、第１上ダイオード４３に電流が流れると、順電圧降下により第１上ダイオード４３のカソード電圧がアノード電圧よりも下がる。その結果、リアクトル２２から第２導体２５と第２上ダイオード４４を通じて電流が流れようとする。しかし、第２導体に配置された第２集磁リングコア２６ｂのリアクタンスにより、リアクトル２２から第２上ダイオード４４へ向かう電流が抑制される。第２集磁リングコア２６ｂのリアクタンスの効果により、次の時刻Ｔ４の直前に第２導体２５には電流が流れていない。
時刻Ｔ４にて第２スイッチング素子３２がオフからオンに切り換わる。前述したように、時刻Ｔ４の直前にて第２導体２５には電流が流れていない。従って第２スイッチング素子３２がオンに切り換わる際、ゼロ電流スイッチングが実現される。第２スイッチング素子３２がオンに切り換わるので、低圧正極端１２ａから、リアクトル２２、第２導体２５、及び、第２スイッチング素子３２を通じて共通負極線１４へ電流ＩＬ２が流れる。時刻Ｔ４の直前には第１導体２３と第１上ダイオード４３を通じて電流ＩＬ１が流れている。第２スイッチング素子３２がオンに切り換わることで、第１導体２３を流れていた電流が第２導体２５へと移る。その結果、電流ＩＬ１が急速に減少すると同時に電流ＩＬ２が急速に増加する。この間、リアクトル２２を流れる電流ＩＬｍほとんど変化しない。
時刻Ｔ５で第１導体２３を流れる電流ＩＬ１がゼロになる。即ち、時刻Ｔ５で第１上ダイオード４３を流れる電流がゼロになり、ダイオード４３がオフに切り換わる。このとき逆回復電流がカソードからアノードへ流れる。先に述べたように、逆回復電流はスイッチング損失とノイズの一因となる。しかしながら、第１導体２３と第２導体２５にはサブリアクトルとして機能する第１集磁リングコア２４ｂと第２集磁リングコア２６ｂが配置されている。第１集磁リングコア２４ｂと第２集磁リングコア２６ｂのリアクタンスにより、第１上ダイオード４３における最大電流変化率が抑制され、逆回復電流が抑制される。その結果、スイッチング損失とノイズが低減できる。
時刻Ｔ５以降は、リアクトル２２の誘導電圧と第２集磁リングコア２６ｂの誘導電圧（電流ＩＬ２を阻止する方向に作用する誘導電圧）が弱まり、低圧正極端１２ａから流入する電流が増加する。その結果、リアクトル２２を流れる電流ＩＬｍと第２導体２５を流れる電流ＩＬ２がともに増加する。
時刻Ｔ６に第２スイッチング素子３２がオンからオフに切り換わる。第２スイッチング素子３２がオフに切り換わると、リアクトル２２と第２集磁リングコア２６ｂが電流ＩＬ２を流し続ける方向に誘導電圧を生じるので、低圧正極端１２ａからリアクトル２２、第２導体２５、第２上ダイオード４４を通じて電流ＩＬ２が流れる。第２上ダイオード４４を通じて流れる電流ＩＬ２によって平滑コンデンサ５０（図１参照）が充電され、高圧正極端１３ａの電圧が上昇する。即ち、低電圧端１２に印加された電圧が昇圧されて高電圧端１３から出力される。時刻Ｔ６以後、リアクトル２２及び第２集磁リングコア２６ｂの誘導電圧（電流ＩＬ２を流す方向に作用する誘導電圧）が低下するので、電流ＩＬ２が徐々に減少する。このため、リアクトル２２を流れる電流ＩＬｍも徐々に減少する。
時刻Ｔ６以後、第２上ダイオード４４に電流が流れると、順電圧降下により第２上ダイオード４４のカソード電圧がアノード電圧よりも下がる。その結果、リアクトル２２から第１上ダイオード４３へ向けて電流が流れようとする。しかし、第１導体に配置された第１集磁リングコア２４ｂのリアクタンスにより、リアクトル２２から第１上ダイオード４３へ向かう電流が抑制される。第１集磁リングコア２４ｂのリアクタンスの効果により、次の時刻Ｔ１（２周期目の時刻Ｔ１）の直前に第１導体２３には電流が流れていない。
以後、時刻Ｔ１からＴ６までの動作が繰り返される。このように、コントローラ５４は第１スイッチング素子３１と第２スイッチング素子３２を交互にオンオフする。そして、図１の回路を備える昇圧コンバータ１０は、集磁リングコアを有する電流センサを第１導体２３と第２導体２５の夫々に配置することで、スイッチング損失を低減することができる。従来であれば２個のサブリアクトルと１個の電流センサで実現したスイッチング損失低減効果を、第１実施例の昇圧コンバータ１０では２個の電流センサで実現している。第１実施例の昇圧コンバータ１０は、少ない部品でスイッチング損失を低減できる。
（第２実施例）次に、図６と図７を参照して第２実施例の電力変換器を説明する。第２実施例の電力変換器は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０ａである。以下では、説明の便宜のため、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０ａを単純に双方向コンバータ１０ａと称する。
図６に、双方向コンバータ１０ａの回路図を示す。双方向コンバータ１０ａは、図１の回路に第３スイッチング素子３３と第４スイッチング素子３４を加えた構成を備えている。第３スイッチング素子３３は、第１上ダイオード４３に対して逆並列に接続されている。第４スイッチング素子３４は、第２上ダイオード４４に対して逆並列に接続されている。第３、第４スイッチング素子３３、３４はｎ型ＭＯＳＦＥＴであり、正極端（ドレイン）から負極端（ソース）へ電流を流すことが可能であるとともに、負極端（ソース）から正極端（ドレイン）へ電流を流すこともできる。
昇圧動作に関しては、図１の昇圧コンバータ１０と同じである。一方、高電圧端１３に電圧が印加された場合、第３、第４スイッチング素子３３、３４がオンオフすることで、降圧動作が実現される。リアクトルとして機能する電流センサ２４、２６を除き、図６の回路構成と動作はよく知られているので詳しい説明は省略する。
図６の双方向コンバータ１０ａが昇圧動作を行うとき、第１実施例の昇圧コンバータ１０と同じ利点、即ち、スイッチング損失低減効果が得られる。
双方向コンバータ１０ａは、昇圧動作を行うときに第３、第４スイッチング素子３３、３４を活用することで、第１上ダイオード４３と第２上ダイオード４４の負荷を軽減することができる。第３、第４スイッチング素子３３、３４を活用した昇圧動作のタイミングチャートを図７に示す。グラフＧ１からＧ４は、図４のグラフと同じである。グラフＧ５は、第３スイッチング素子３３のゲート電圧Ｖｇ３３を示しており、グラフＧ６は第４スイッチング素子３４のゲート電圧Ｖｇ３４を示している。第１、第２スイッチング素子３１、３２と同様に、ゲート電圧のＨＩＧＨレベルの期間がスイッチング素子のオン期間に相当し、ゲート電圧のＬＯＷレベルの期間がスイッチング素子のオフ期間に相当する。ゲート電圧Ｖｇ３３、Ｖｇ３４もコントローラ５４によって制御される。
コントローラ５４は、時刻Ｔ３と時刻Ｔ４の間で第３スイッチング素子３３をオンに保持する。図７において符号Ａが示す箇所がオンに保持される期間である。それ以外の期間は、第３スイッチング素子３３はオフに保持される。第１実施例で説明したように、時刻Ｔ３から時刻Ｔ４の間、第１上ダイオード４３に電流ＩＬ１が流れている。この期間に第３スイッチング素子３３をオンに保持することで、電流ＩＬ１は第１上ダイオード４３と第３スイッチング素子３３に分散して流れる。その結果第１上ダイオード４３の負荷が軽減される。
コントローラ５４は、時刻Ｔ６と時刻Ｔ１の間で第４スイッチング素子３４をオンに保持する。図７において符号Ｂが示す箇所がオンに保持される期間である。それ以外の期間は、第４スイッチング素子３４はオフに保持される。第１実施例で説明したように、時刻Ｔ６から時刻Ｔ１の間、第２上ダイオード４４に電流ＩＬ２が流れている。この期間に第４スイッチング素子３４をオンに保持することで、電流ＩＬ２は第２上ダイオード４４と第４スイッチング素子３４に分散して流れる。その結果第２上ダイオード４４の負荷が軽減される。昇圧動作の間、第３、第４スイッチング素子３３、３４を常にオフに保持した場合、双方向コンバータ１０ａの動作は、図４、図５で説明した動作と同一となる。
（第３実施例）次に、図８、９を参照して第３実施例を説明する。第３実施例は、インバータ１１０と交流モータ１３０で構成されるモータシステム１００である。交流モータ１３０を以下ではモータ１３０と称する。インバータ１１０の入力端１１２の入力正極端１１２ａと入力負極端１１２ｂに直流電力が入力される。インバータ１１０は、入力された直流電力を三相交流に変換し、モータ１３０に供給する。
インバータ１１０は、３個のスイッチング回路１１０ａ−１１０ｃを備えている。スイッチング回路１１０ａ−１１０ｃは、入力正極端１１２ａと入力負極端１１２ｂの間で並列に接続されている。スイッチング回路１１０ａ−１１０ｃの夫々が直流を交流に変換する。
スイッチング回路１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃのそれぞれには、対応するモータ配線１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃが接続されている。モータ配線１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃの他端は、モータ１３０に接続されている。モータ１３０は、３つのコイル２２２ａ、２２２ｂ、２２２ｃを有している。モータ配線１２０ａがコイル２２２ａに接続されており、モータ配線１２０ｂがコイル２２２ｂに接続されており、モータ配線１２０ｃがコイル２２２ｃに接続されている。コイル２２２ａ−２２２ｃの一端同士が接続されている。このようなコイルの接続関係はスター結線と呼ばれている。
次に、スイッチング回路１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃについて説明する。なお、スイッチング回路１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃの構成は同じであるので、以下では、スイッチング回路１１０ｃについて説明する。
図９に、スイッチング回路１１０ｃの回路図を示す。スイッチング回路１１０ｃの構成は、図６に示した第２実施例の双方向コンバータ１０ａの構成と同じである。そこで以下では、スイッチング回路１１０ｃの構成要素のうち、第２実施例の双方向コンバータ１０ａの構成要素に対応する構成要素については、第２実施例と同じ参照番号を付して説明する。スイッチング回路１１０ｃは、スイッチング素子３１〜３４を有している。第１スイッチング素子３１と第２スイッチング素子３２は並列に接続されている。第１、第２スイッチング素子３１、３２の負極端はインバータ１１０の入力負極端１１２ｂに接続されている。第１スイッチング素子３１に第１下ダイオード４１が逆並列に接続されており、第２スイッチング素子３２に第２下ダイオード４２が逆並列に接続されている。
第１スイッチング素子３１の正極端に第１上ダイオード４３のアノードが接続されており、第２スイッチング素子３２の正極端に第２上ダイオード４４のアノードが接続されている。第１、第２上ダイオード４３、４４のカソードはインバータ１１０の入力正極端１１２ａに接続されている。第１上ダイオード４３に第３スイッチング素子３３が逆並列に接続されており、第２上ダイオード４４に第４スイッチング素子３４が逆並列に接続されている。
第１スイッチング素子３１と第１上ダイオード４３の直列回路の中点（第１中点２７）とモータ１３０のコイル２２２ｃが接続されている。第２スイッチング素子３２と第２上ダイオード４４の直列回路の中点（第２中点２８）とコイル２２２ｃが接続されている。コイル２２２ｃと第１中点２７を接続する第１導体２３に第１電流センサ２４が備えられており、コイル２２２ｃと第２中点２８を接続する第２導体２５に第２電流センサ２６が備えられている。第１、第２電流センサ２４、２６は、第１実施例の第１電流センサ２４と同じ構造を有している。即ち、第１電流センサ２４は、第１導体２３が挿通される第１集磁リングコア２４ｂを備えており、第２電流センサ２６は、第２導体２５が挿通される第２集磁リングコア２６ｂを備えている。第３実施例における第１、第２電流センサ２４、２６と第１、第２導体２３、２５とコイル２２２ｃの関係は、図２においてリアクトル２２をコイル２２２ｃに置き換えた構成に相当する。
良く知られているように、インバータは、２個のスイッチング素子の直列接続の組を３組備えている。インバータの正極端側のスイッチング素子は上アームスイッチング素子と呼ばれており、インバータの負極端側のスイッチング素子は下アームスイッチング素子と呼ばれている。夫々のスイッチング素子にはダイオードが逆並列に接続されている。そのダイオードは還流ダイオードと呼ばれている。
図８と図９から明らかな通り、第１、第２スイッチング素子３１、３２は下アームスイッチング素子に対応し、第３、第４スイッチング素子３３、３４は上アームスイッチング素子に対応する。第１、第２上ダイオード４３、４４は、上アームスイッチング素子に逆並列に接続される還流ダイオードに対応する。
コントローラ５４は、第１スイッチング素子３１と第２スイッチング素子３２を交互にオンオフするとともに、第１スイッチング素子３１と第３スイッチング素子３３を交互にオンオフする。また、コントローラ５４は、第２スイッチング素子３２と第４スイッチング素子３４を交互にオンオフする。結局、コントローラ５４は、第１スイッチング素子３１と第４スイッチング素子３４を同期してオンオフし、第２スイッチング素子３２と第３スイッチング素子３３を、第１スイッチング素子３１と逆位相でオンオフする。
スイッチング回路１１０ａ、１１０ｂは、スイッチング回路１１０ｃと同じ構造を有している。コントローラ５４は、３個のスイッチング回路１１０ａ−１１０ｃを１２０度の位相差で駆動する。そうすると、３個のスイッチング回路１１０ａ−１１０ｃの夫々から、１２０度の位相差を有する交流（即ち三相交流）が出力される。
コイル２２２ａ−２２２ｃは第１実施例のリアクトル２２と同様に所定のインダクタンスを有している。そして、コントローラ５４は、並列に接続されている第１、第２スイッチング素子３１、３２を交互にオンオフする。それゆえ、モータ１３０とインバータ１１０を有しているモータシステム１００は、電流センサ２４、２６の集磁リングコア２４ｂ、２６ｂがサブリアクトルとして機能し、スイッチング損失が低減される。モータシステム１００は固有のサブリアクトルを備えることなく、スイッチング損失を抑えることができる。即ち、モータシステム１００は従来よりも少ない部品数でスイッチング損失を低減することができる。
＜電流センサの変形例＞第１実施例の電力変換器（昇圧コンバータ１０）が有する第１、第２電流センサ２４、２６は、ホール素子タイプであった。本明細書が開示する電力変換器は、ホール素子タイプでなくとも、集磁リングコアを有していればよい。図１０に、変形例の電流センサの斜視図を示す。図６の電流センサ１２４は、コイルタイプである。コイルタイプの電流センサ１２４は、第１導体２３が挿通される集磁リングコア１２４ｂと、集磁リングコア１２４ｂに巻回されているコイル１２４ｃを備えている。第１導体２３を流れる電流ＩＬ１により、第１集磁リングコア１２４ｂに磁束Ｂ１が発生する。コントローラ５４は、第１集磁リングコア１２４ｂに巻かれているコイル１２４ｃに電流Ｉｃ１を流す。この電流Ｉｃ１は、磁束Ｂ１を打ち消す方向（あるいは磁束Ｂ１を増大させる方向）の磁束Ｂｃを集磁リングコア１２４ｂに発生させる。磁束Ｂｃの大きさは、コイル１２４ｃを流れる電流Ｉｃ１の大きさに比例する。集磁リングコア１２４ｂの磁束がゼロになったときの電流と、コイル１２４ｃの巻き数及び抵抗１２４ｄから、第１導体２３を流れる電流ＩＬ１を測定することができる。図１０の電流センサを実施例の第１電流センサ２４、第２電流センサ２６の代わりに用いてもよい。
＜２個の電流センサの誤差の相殺＞次に、電流センサの誤差について説明する。先に述べたように、コントローラ５４は、第１電流センサ２４が測定した電流ＩＬ１と、第２電流センサ２６が測定した電流ＩＬ２を合算することにより、リアクトル２２を流れる電流ＩＬｍを取得する。電流センサにはオフセット誤差が含まれる場合があり、以下では、２個の電流センサの計測値を合算することでオフセット誤差を相殺する仕組みについて説明する。
第１実施例の電力変換器（昇圧コンバータ１０）は、第１、第２電流センサ２４、２６として、図３に示したホール素子タイプを用いる。図３のホール素子タイプの第１電流センサ２４を例として、オフセット誤差の例について説明する。
第１電流センサ２４は、第１集磁リングコア２４ｂに挿通されている第１導体２３を流れる電流ＩＬ１を計測する。電流ＩＬ１が第１集磁リングコア２４ｂに発生させる磁束をＢ１とし、比例定数をＫ、コントローラ５４がホール素子２４ｈに流す一定の電流をＩｂ１とする。この場合において、ホール素子２４ｈに発生する電圧Ｖｏｕｔ１は、Ｋ×Ｉｂ１×Ｂ１＋Ｖｏｆｆｓｅｔで求められる。ここで、Ｖｏｆｆｓｅｔは、ホール素子２４ｈに対する入力信号がゼロのときに発生している電圧である。この電圧Ｖｏｆｆｓｅｔが、ホール素子２４ｈが有する誤差（オフセット誤差）である。オフセット誤差Ｖｏｆｆｓｅｔの値は、ホール素子２４ｈを切り出すウェハの特性により決まるため、同一ウェハから構成されたホール素子のオフセット誤差Ｖｏｆｆｓｅｔの値のバラつきは非常に小さい。従って、第２電流センサ２６のホール素子２６ｈも同一のウェハから構成されている場合、第２電流センサ２６のオフセット誤差は、第１電流センサ２４のオフセット誤差と概ね等しい。第２導体２５を流れる電流ＩＬ２が第２集磁リングコア２６ｂに発生させる磁束をＢ２、コントローラ５４がホール素子２６ｈに流す一定の電流をホール素子２４ｈと同様のＩｂ１とすると、ホール素子２６ｈに発生する電圧Ｖｏｕｔ２は、Ｋ×Ｉｂ１×Ｂ２＋Ｖｏｆｆｓｅｔとなる。このまま電圧Ｖｏｕｔ１と電圧Ｖｏｕｔ２を合算すると、オフセット誤差Ｖｏｆｆｓｅｔが２倍となってしまい、誤差が大きくなってしまう。
第１実施例の昇圧コンバータ１０において、第１、第２電流センサ２４、２６の配置を工夫するとともに、さらに差分器を導入することでオフセット誤差の相殺が図れる。図１１に、オフセット誤差を相殺するための電流センサの配置を示す。第１電流センサ２４は、リアクトル２２から第１中点２７へ向けて電流が流れたときに正値を出力するように配置され、第２電流センサ２６は、リアクトル２２から第２中点２８へ向けて電流が流れたときに負値が出力されるように配置される。別言すれば、第１電流センサ２４と第２電流センサ２６は、第１導体２３と第２導体２５の夫々に同じ方向の電流が流れたときに、出力値の正負が互いに逆となるように配置される。さらに別言すれば、第１電流センサ２４と第２電流センサ２６は、第１導体２３と第２導体２５の夫々に同じ方向の電流が流れたときに出力が逆極性（逆特性）となるように配置される。
具体的には、図１１に示すように、第１電流センサ２４と第２電流センサ２６の幾何学的な配置は同じにする。他方、第１電流センサ２４のホール素子２４ｈと第２電流センサ２６のホール素子２６ｈには、互いに逆方向のバイアス電流Ｉｂ１を流す。図１１の例では、第１電流センサ２４のホール素子２４ｈには図中の座標系の＋Ｘ方向にバイアス電流Ｉｂ１が流れ、第２電流センサ２６のホール素子２６ｈには−Ｘ方向のバイアス電流Ｉｂ１が流れる。そうすると、第１導体２３と第２導体２５に同じ方向の電流（リアクトル２２から中点へ向けて流れる電流）が流れたときに、一方の電流センサ（例えば第１電流センサ２４）の出力は正値となり、他方の電流センサ（例えば第２電流センサ２６）の出力は負値となる。
リアクトル２２から第１中点２７へ向けて電流ＩＬ１が流れたときに第１集磁リングコア２４ｂに発生する磁束をＢ１とすると、ホール素子２４ｈに発生する電圧Ｖｏｕｔ１は、先の式から、Ｖｏｕｔ１＝Ｋ×Ｉｂ１×Ｂ１＋Ｖｏｆｆｓｅｔとなる。一方、リアクトル２２から第２中点２８へ向けて電流ＩＬ２が流れたときに第２集磁リングコア２６ｂに発生する磁束をＢ２とすると、ホール素子２６ｈに発生する電圧Ｖｏｕｔ２は、Ｖｏｕｔ２＝−Ｋ×Ｉｂ１×Ｂ２＋Ｖｏｆｆｓｅｔとなる。Ｖｏｕｔ１とＶｏｕｔ２の正負が逆転するのは、バイアス電流Ｉｂ１の向きが第１電流センサ２４と第２電流センサ２６で逆だからである。このとき、リアクトル２２に流れる電流は、第１電流センサ２４の出力Ｖｏｕｔ１と第２電流センサ２６の出力Ｖｏｕｔ２の差分を取ればよい。図１１の例では、差分器５２によってＶｏｕｔ１とＶｏｕｔ２の差分が取られ、その結果がコントローラ５４に入力される。Ｖｏｕｔ１とＶｏｕｔ２の差分を取ることで、２個の電流センサ２４、２６のオフセット誤差Ｖｏｆｆｓｅｔが相殺される。図１１に示した部品配置と差分器５２を実施例の電力変換器（昇圧コンバータ１０や双方向コンバータ１０ａなど）に適用することで、リアクトル２２を流れる電流を高精度で計測することができる。
一般に、センサはオフセット誤差を有しているため、ホール素子タイプの電流センサに限らず、他のタイプの電流センサを用いても、２個の電流センサが逆特性となるように配置するとともに差分器を導入することで、電流センサのオフセット誤差を低減することができる。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
１０：昇圧コンバータ
１０ａ：双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ
２０：フィルタコンデンサ
２２：リアクトル
２３：第１導体
２４、２６、１２４：電流センサ
２４ｂ、２６ｂ、１２４ｂ：集磁リングコア
２５：第２導体
２７：第１中点
２８：第２中点
３１−３４：スイッチング素子
４１−４４：ダイオード
５０：平滑コンデンサ
５２：差分器
５４：コントローラ
６２、６４：パワーモジュール
９０：バッテリ
１００：モータシステム
１１０：インバータ
１１０ａ−１１０ｃ：スイッチング回路
１３０：交流モータ

Claims (3)

  1. 第１スイッチング素子と、
    前記第１スイッチング素子に並列に接続されている第２スイッチング素子と、
    前記第１スイッチング素子の正極端に接続されている第１ダイオードと、
    前記第２スイッチング素子の正極端に接続されている第２ダイオードと、
    一端が前記第１スイッチング素子と前記第１ダイオードの直列回路の中点（第１中点）、及び、前記第２スイッチング素子と前記第２ダイオードの直列回路の中点（第２中点）に接続されているリアクトルと、
    前記リアクトルと前記第１中点の間を流れる電流を計測する第１電流センサと、
    前記リアクトルと前記第２中点の間を流れる電流を計測する第２電流センサと、
    前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子を交互にオンさせるコントローラと、
    を備えており、
    前記第１電流センサが、前記リアクトルと前記第１中点の間の第１導体が挿通されている第１集磁リングコアを備えており、
    前記第２電流センサが、前記リアクトルと前記第２中点の間の第２導体が挿通されている第２集磁リングコアを備えている、電力変換器。
  2. 前記第１電流センサは前記リアクトルから前記第１中点へ向かって電流が流れたときに正値を出力し、前記第２電流センサは前記リアクトルから前記第２中点へ向かって電流が流れたときに負値を出力するように配置されており、
    前記第１電流センサの出力と前記第２電流センサの出力の差分をとる差分器をさらに備えている、請求項１に記載の電力変換器。
  3. 請求項１又は２に記載の電力変換器を含んでいるモータシステムであって、
    前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子は、インバータの下アームスイッチング素子として組み込まれており、
    前記第１ダイオードと前記第２ダイオードは上アームスイッチング素子の還流ダイオードとして組み込まれており、
    前記リアクトルは、モータの巻線である、モータシステム。
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