JP7068873B2

JP7068873B2 - 電力変換器

Info

Publication number: JP7068873B2
Application number: JP2018047169A
Authority: JP
Inventors: 基佐藤
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2022-05-17
Anticipated expiration: 2038-03-14
Also published as: JP2019161913A

Description

本発明は、電力変換器に関する。

従来、電動機（モータ）の駆動装置として用いられるインバータ等の電力変換器は、電圧源を入力として用いることが多かった。これは、電流源電源を用いるよりも、電圧源電源を用いる方が比較的容易であるためである。

近年、磁界または電界を用いて送電側と受電側との間で電力の授受を行う無線電力伝送（ワイヤレス電力伝送）の技術が着目されている。ワイヤレス電力伝送において、受電側は、定常状態では電流源電源を用いるものとして扱うことができる。

ワイヤレス電力伝送は、例えば電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）に適用され得る。ワイヤレス電力伝送を使用するＥＶは、ケーブルを用いずに無線で電力を得ることが可能である。ここで、ホイール側に駆動源（電動機、モータ）を配置し、車体側からホイール側に電力を伝送して駆動源を動作させるシステム（インホイールモータシステム）がある。例えば非特許文献１および非特許文献２は、ワイヤレスインホイールモータ駆動システムについて記載する。

山本岳、他３名、"ワイヤレスインホイールモータの送電電圧および負荷電圧制御による電力伝送効率最大化の検討"、電気学会論文誌ＤＮｏ．２ｐ１１８－ｐ１２５郡司大輔、他３名、"磁界共振結合ワイヤレス電力伝送における二次側コンバータを用いた負荷電圧制御手法の実験検証"、２０１４年電子情報通信学会ソサイエティ大会ＢＩ－８－４ｐ６１－ｐ６２

例えばインホイールモータシステムにおいて、受電側の回路が配置される空間は限られている。しかし、非特許文献１の図３に示されるように、受電側の回路は１０個の半導体スイッチを含む。そのため、電流源電源を用いると扱われる受電側の回路について、更なる小型化への要求があった。

前記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、回路を小型化した電力変換器を提供することにある。

前記課題を解決するため、本実施形態に係る電力変換器は、単相交流電流源からの電流を入力とする単相ハーフブリッジ回路と、前記電流の極性を検出する電流検出器と、前記単相ハーフブリッジ回路が備える直列に接続された第１のコンデンサおよび第２のコンデンサの中間点と異なる端子間の電圧を検出する電圧検出器と、前記単相ハーフブリッジ回路と並列に設けられた単相フルブリッジ回路と、前記電流検出器が検出した極性、前記電圧検出器が検出した電圧、および、直流電圧指令値に基づいて、前記単相ハーフブリッジ回路のスイッチングを制御する整流制御器と、三相モータのトルク指令値に基づいて、前記単相フルブリッジ回路のスイッチングを制御するベクトル制御器と、を備え、前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサの中間点が、前記単相交流電流源の一端と接続されて、前記単相フルブリッジ回路の２つの出力、および、前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサの中間点が、前記三相モータに接続され、前記整流制御器は、前記電圧検出器が検出した電圧と前記直流電圧指令値との差分を算出して、前記電流検出器が検出した極性と前記差分に基づく極性とに基づいて、前記単相ハーフブリッジ回路のスイッチングを制御する。

また、本実施形態に係る電力変換器において、前記単相ハーフブリッジ回路は、前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサと並列に設けられた、直列に接続された第１のスイッチおよび第２のスイッチを備え、前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチの中間点は、前記単相交流電流源の他端と接続されることが好ましい。

本実施形態に係る電力変換器によれば、回路を小型化した電力変換器を提供することができる。

本実施形態の電力変換器の構成図である。本実施形態における、整流制御器の構成図である。本実施形態における、三相モータへの入力波形を例示する図である。比較例の電力変換器の構成図である。

（全体構成）
図１は、本実施形態に係る電力変換器３０の構成図である。本実施形態において、電力変換器３０は車両に適用されて、インホイールモータシステムの受電側のシステムの一部として機能する。ここで、電力変換器３０は車両への適用に限定されるものではない。例えば、電力変換器３０は、一般的な多相モータの駆動装置への適用も可能である。

電力変換器３０は、単相交流電流源１と、電流検出器２と、電圧検出器５と、単相ハーフブリッジ回路８と、単相フルブリッジ回路９と、整流制御器７１と、ベクトル制御器１０と、を備える。電力変換器３０の出力（後述する第１のコンデンサ３および第２のコンデンサ４の中間点、および、単相フルブリッジ回路９の２つの出力）は、車輪に内蔵された三相モータ１２に入力される。つまり、本実施形態において、電力変換器３０は三相モータ１２を回転させて車両を移動させる。また、本実施形態において、電力変換器３０は車両の車輪側に装備される。本実施形態において、電力変換器３０は、磁界を用いた共振現象を利用した方式を用いて無線で受電する。電力変換器３０は、定常状態において、受電した電力を単相交流電流源１と扱うことができる。

単相交流電流源１は、単相交流電力を単相ハーフブリッジ回路８に供給する電流源である。上記の通り、本実施形態において、電力変換器３０が受電した電力が単相交流電流源１と扱われる。

電流検出器２は、単相交流電流源１からの電流Ｉ１の極性ＩＱを検出する。図１に示すように、単相交流電流源１から、後述する第１のコンデンサ３および第２のコンデンサ４の中間点へ流れる場合に、電流Ｉ１の極性ＩＱは正である。また、逆向きの場合に、電流Ｉ１の極性ＩＱは負である。電流検出器２は例えば電流センサである。電流センサの種類は限定されない。

単相ハーフブリッジ回路８は、単相交流電流源１からの電流Ｉ１を入力として、直流電圧を出力するコンバータとして機能する。単相ハーフブリッジ回路８は、直列に接続された第１のコンデンサ３および第２のコンデンサ４と、直列に接続された第１のスイッチ８１および第２のスイッチ８２と、が並列に設けられて構成される。単相交流電流源１の一端は、第１のコンデンサ３および第２のコンデンサ４の中間点と接続される。また、単相交流電流源１の他端は、第１のスイッチ８１および第２のスイッチ８２の中間点と接続される。また、第１のコンデンサ３の第２のコンデンサ４との中間点と逆側の端子は、第１のスイッチ８１の第２のスイッチ８２との中間点と逆側の端子と接続されている（図１のノードａ）。また、第２のコンデンサ４の第１のコンデンサ３との中間点と逆側の端子は、第２のスイッチ８２の第１のスイッチ８１との中間点と逆側の端子と接続されている（図１のノードｂ）。第１のスイッチ８１および第２のスイッチ８２は、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）である。

電圧検出器５は、直列に接続された第１のコンデンサ３および第２のコンデンサ４の中間点と異なる端子間の電圧を検出する。すなわち、電圧検出器５は、図１のノードａとノードｂとの間の電圧を検出する。電圧検出器５は例えば電圧センサである。電圧センサの種類は限定されない。

単相フルブリッジ回路９は、単相ハーフブリッジ回路８と並列に設けられる。単相フルブリッジ回路９は、単相ハーフブリッジ回路８からの直流電圧を入力として、２つの交流信号を出力するインバータとして機能する。単相フルブリッジ回路９は、直列に接続された第３のスイッチ９１および第４のスイッチ９２と、直列に接続された第５のスイッチ９３および第６のスイッチ９４と、が並列に設けられて構成される。第３のスイッチ９１の第４のスイッチ９２との中間点と逆側の端子、および第５のスイッチ９３の第６のスイッチ９４との中間点と逆側の端子は、第１のコンデンサ３の第２のコンデンサ４との中間点と逆側の端子（図１のノードａ）と接続されている。第４のスイッチ９２の第３のスイッチ９１との中間点と逆側の端子、および第６のスイッチ９４の第５のスイッチ９３との中間点と逆側の端子は、第２のコンデンサ４の第１のコンデンサ３との中間点と逆側の端子（図１のノードｂ）と接続されている。第３のスイッチ９１、第４のスイッチ９２、第５のスイッチ９３および第６のスイッチ９４は、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタである。

整流制御器７１は、電流検出器２が検出した電流Ｉ１の極性ＩＱ、電圧検出器５が検出したノードａとノードｂとの間の電圧、および、直流電圧指令値６に基づいて、単相ハーフブリッジ回路８のスイッチングを制御する。ここで、直流電圧指令値６は、例えば電力変換器３０を含むシステム全体の制御装置によって生成されてもよい。整流制御器７１は、ノードａとノードｂとの間の電圧が、直流電圧指令値６に基づく一定の値となるように、単相ハーフブリッジ回路８の第１のスイッチ８１および第２のスイッチ８２のオンまたはオフを制御する。整流制御器７１の制御の詳細については後述する。

ここで、整流制御器７１は、１以上のプロセッサ、コントローラ、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、デジタル信号処理装置、プログラマブルロジックデバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイ、または、これらの任意の組み合わせを含んでもよい。

ベクトル制御器１０は、三相モータ１２のトルク指令値１１に基づいて、単相フルブリッジ回路９のスイッチングを制御する。ここで、トルク指令値１１は、例えば電力変換器３０を含むシステム全体の制御装置によって生成されてもよい。

ここで、図１に示すように、単相フルブリッジ回路９の２つの出力（交流信号）、および、第１のコンデンサ３および第２のコンデンサ４の中間点が、三相モータ１２に接続される。第１のコンデンサ３および第２のコンデンサ４の中間点には、単相交流電流源１からの交流信号が入力される。つまり、単相交流電流源１からの交流信号が三相モータ１２へ供給される一つの信号となる。また、単相フルブリッジ回路９の２つの出力は、ベクトル制御器１０によって、単相交流電流源１からの交流信号と適切な位相差を有するように調整される。ここで、単相交流電流源１からの交流信号の周波数は例えば数十［ｋＨｚ］（一例として８５［ｋＨｚ］）である。ベクトル制御器１０は、例えばキャリア周波数を数［ｋＨｚ］とする公知の制御を実行してもよい。

また、第１のコンデンサ３の容量は、第２のコンデンサ４の容量と同じ（または略同じ）に設定される。このことにより、第１のコンデンサ３および第２のコンデンサ４の中間点において、中性点がとられる。ここで、第１のコンデンサ３と第２のコンデンサ４とは、容量が同じ（または略同じ）であれば、それぞれ、複数のコンデンサで構成されてもよい。

図２は、整流制御器７１の構成図である。整流制御器７１は、比較器７１１と、ゲート信号発生器７１２と、を備える。ここで、図２において、図１と同じ要素には同じ符号が付されており、詳細な説明は省略する。

比較器７１１は、電圧検出器５によって検出されたノードａとノードｂとの間の電圧（以下において「電圧検出器５が検出した電圧」ともいう）と、直流電圧指令値６と、を比較する。つまり、比較器７１１は、電圧検出器５が検出した電圧と直流電圧指令値６との差分を算出する。比較器７１１は、差分に基づいて、信号Ｖｄｃｈをゲート信号発生器７１２に出力する。信号Ｖｄｃｈは二値（ハイレベルＨおよびローレベルＬ）のデジタル信号である。ハイレベルＨは正に、ローレベルＬは負に対応させることができる。つまり、信号Ｖｄｃｈは上記の差分に基づく極性である。比較器７１１は、検出電圧が直流電圧指令値６以上である場合に、正（ハイレベルＨ）の信号Ｖｄｃｈを出力する。また、比較器７１１は、検出電圧が直流電圧指令値６未満である場合に、負（ローレベルＬ）の信号Ｖｄｃｈを出力する。

ゲート信号発生器７１２は、電流検出器２が検出した極性ＩＱと、信号Ｖｄｃｈと、に基づいて、単相ハーフブリッジ回路８のスイッチングを制御する。ゲート信号発生器７１２は、第１のスイッチ８１のオンまたはオフを切り替える制御信号ｕ１および第２のスイッチ８２のオンまたはオフを切り替える制御信号ｕ２を出力する。制御信号ｕ１および制御信号ｕ２は、二値（ハイレベルＨおよびローレベルＬ）のデジタル信号である。制御信号ｕ１および制御信号ｕ２は、極性ＩＱと信号Ｖｄｃｈとに基づいて、正（ハイレベルＨ）または負（ローレベルＬ）に設定される。本実施形態において、制御信号ｕ１は、制御信号ｕ２を反転させた信号になる。例えば、制御信号ｕ１が正のとき、制御信号ｕ２は負である。

ゲート信号発生器７１２は、以下のように、制御信号ｕ１および制御信号ｕ２を設定する。まず、ゲート信号発生器７１２は、極性ＩＱが正で、信号Ｖｄｃｈが正の場合に、制御信号ｕ２を正（制御信号ｕ１を負）にする。つまり、極性ＩＱが正で、信号Ｖｄｃｈが正の場合に、第２のスイッチ８２がオン（第１のスイッチ８１がオフ）になって第２のコンデンサ４は充電される。

また、ゲート信号発生器７１２は、極性ＩＱが正で、信号Ｖｄｃｈが負の場合に、制御信号ｕ１を正（制御信号ｕ２を負）にする。つまり、極性ＩＱが正で、信号Ｖｄｃｈが負の場合に、第１のスイッチ８１がオン（第２のスイッチ８２がオフ）になって第１のコンデンサ３が放電される。

また、ゲート信号発生器７１２は、極性ＩＱが負で、信号Ｖｄｃｈが正の場合に、制御信号ｕ１を正（制御信号ｕ２を負）にする。つまり、極性ＩＱが負で、信号Ｖｄｃｈが正の場合に、第１のスイッチ８１がオン（第２のスイッチ８２がオフ）になって第１のコンデンサ３が充電される。

また、ゲート信号発生器７１２は、極性ＩＱが負で、信号Ｖｄｃｈが負の場合に、制御信号ｕ２を正（制御信号ｕ１を負）にする。つまり、極性ＩＱが負で、信号Ｖｄｃｈが負の場合に、第２のスイッチ８２がオン（第１のスイッチ８１がオフ）になって第２のコンデンサ４が放電される。

このように、整流制御器７１が第１のスイッチ８１および第２のスイッチ８２をオンまたはオフにすることによって、ノードａとノードｂとの間の電圧は、直流電圧指令値６に基づく一定の値に制御される。

図３は、本実施形態の電力変換器３０からの、三相モータ１２への入力波形のシミュレーション結果を例示する図である。上記のように、電力変換器３０の第１のコンデンサ３および第２のコンデンサ４の中間点が三相モータ１２と接続されて、単相交流電流源１からの交流信号が三相モータ１２の１つの相（例えばｕ相）の信号として供給される。また、電力変換器３０の単相フルブリッジ回路９の２つの出力が、三相モータ１２の残りの２つの相（例えばｖ相およびｗ相）の信号として供給される。図３に示すように、本実施形態の電力変換器３０は、三相モータ１２を駆動させるための信号を生成して供給できる。

（比較例）
ここで、図４を参照して、比較例の電力変換器３０Ａを示しながら、本実施形態に係る電力変換器３０の効果について説明する。

図４は、比較例の電力変換器３０Ａの構成図である。比較例の電力変換器３０Ａは、図１の電力変換器３０の単相ハーフブリッジ回路８に代えて、コンバータ１８および平滑コンデンサ１４を備える。また、比較例の電力変換器３０Ａは、図１の電力変換器３０の単相フルブリッジ回路９に代えて、三相モータ１２に３つの駆動信号を供給する三相インバータ１９を備える。その他の要素については図１と同様であるため、詳細な説明を省略する。

コンバータ１８は、入力側が単相交流電流源１の両端に接続されて、出力側が平滑コンデンサ１４の両端に並列に接続される、交流直流変換器である。コンバータ１８は、複数のスイッチを備える。比較例において、コンバータ１８は、フルブリッジの４つのスイッチ１３１、１３２、１３３および１３４で構成される。スイッチ１３１、１３２、１３３および１３４は、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタである。

平滑コンデンサ１４は、上記のように、コンバータ１８の出力と並列に接続される。平滑コンデンサ１４の直流電圧は、三相インバータ１９に入力される。

整流制御器７１Ａは、電流検出器２が検出した電流Ｉ１の極性、電圧検出器５が検出したノードａとノードｂとの間の電圧、および、直流電圧指令値６に基づいて、コンバータ１８のスイッチングを制御する。整流制御器７１Ａは、平滑コンデンサ１４の電圧が一定の値になるように、スイッチ１３１、１３２、１３３および１３４のオンまたはオフを制御する。

三相インバータ１９は、上記のように、平滑コンデンサ１４の直流電圧を入力として、三相交流信号を生成して出力し、三相モータ１２を駆動する。三相インバータ１９は、６つのスイッチ１５１、１５２、１６１、１６２、１７１および１７２で構成される。スイッチ１５１、１５２、１６１、１６２、１７１および１７２は、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタである。

ベクトル制御器１０Ａは、トルク指令値１１に基づいて、三相インバータ１９のスイッチングを制御する。ベクトル制御器１０Ａは公知の制御（例えば三相のインバータのＰＷＭ制御）を実行してもよい。

図４に示すように、比較例の電力変換器３０Ａは、１０個のスイッチ（コンバータ１８が４つおよび三相インバータ１９が６つ）を含む。これに対し、図１に示すように、本実施形態に係る電力変換器３０は、６個のスイッチで構成される。よって、必要なスイッチの数が減少することによって、本実施形態の電力変換器３０は回路が小型化している。

以上のように、本実施形態に係る電力変換器３０は、単相交流電流源１からの電流Ｉ１を入力とする単相ハーフブリッジ回路８を備える。また、電力変換器３０は、電流Ｉ１の極性ＩＱを検出する電流検出器２を備える。また、電力変換器３０は、単相ハーフブリッジ回路８が備える直列に接続された第１のコンデンサ３および第２のコンデンサ４の中間点と異なる端子間の電圧（ノードａとノードｂとの間の電圧）を検出する電圧検出器５を備える。また、電力変換器３０は、単相ハーフブリッジ回路８と並列に設けられた単相フルブリッジ回路９を備える。また、電力変換器３０は、電流検出器２が検出した極性ＩＱ、電圧検出器５が検出した電圧、および、直流電圧指令値６に基づいて、単相ハーフブリッジ回路８のスイッチングを制御する整流制御器７１を備える。また、電力変換器３０は、三相モータ１２のトルク指令値１１に基づいて、単相フルブリッジ回路９のスイッチングを制御するベクトル制御器１０を備える。そして、第１のコンデンサ３および第２のコンデンサ４の中間点が単相交流電流源１の一端と接続されて、単相フルブリッジ回路９の２つの出力、および、第１のコンデンサ３および第２のコンデンサ４の中間点が、三相モータ１２に接続される。以上のような構成により、電力変換器３０は、スイッチの数を例えば比較例の電力変換器３０Ａよりも減らすことができ、回路を小型化することができる。

本発明を諸図面および実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形または修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形および修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

上記の実施形態において、電圧検出器５は図１のノードａとノードｂとの間の電圧を検出する。ここで、電圧検出器５は、第１のコンデンサ３および第２のコンデンサ４の中間点とノードａとの間の第１の電圧、および、同中間点とノードｂとの間の第２の電圧を検出してもよい。そして、整流制御器７１は、電圧検出器５によって検出された第１の電圧および第２の電圧に基づいて、これらの電圧が略等しくなるように、制御信号ｕ１および制御信号ｕ２を設定してもよい。

１単相交流電流源
２電流検出器
３第１のコンデンサ
４第２のコンデンサ
５電圧検出器
６直流電圧指令値
８単相ハーフブリッジ回路
９単相フルブリッジ回路
１０ベクトル制御器
１１トルク指令値
１２三相モータ
１４平滑コンデンサ
１８コンバータ
１９三相インバータ
３０電力変換器
３０Ａ電力変換器
７１整流制御器
８１第１のスイッチ
８２第２のスイッチ
９１第３のスイッチ
９２第４のスイッチ
９３第５のスイッチ
９４第６のスイッチ
１３１スイッチ
１３２スイッチ
１３３スイッチ
１３４スイッチ
１５１スイッチ
１５２スイッチ
１６１スイッチ
１６２スイッチ
１７１スイッチ
１７２スイッチ
７１１比較器
７１２ゲート信号発生器

Claims

単相交流電流源からの電流を入力とする単相ハーフブリッジ回路と、
前記電流の極性を検出する電流検出器と、
前記単相ハーフブリッジ回路が備える直列に接続された第１のコンデンサおよび第２のコンデンサの中間点と異なる端子間の電圧を検出する電圧検出器と、
前記単相ハーフブリッジ回路と並列に設けられた単相フルブリッジ回路と、
前記電流検出器が検出した極性、前記電圧検出器が検出した電圧、および、直流電圧指令値に基づいて、前記単相ハーフブリッジ回路のスイッチングを制御する整流制御器と、
三相モータのトルク指令値に基づいて、前記単相フルブリッジ回路のスイッチングを制御するベクトル制御器と、を備え、
前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサの中間点が、前記単相交流電流源の一端と接続されて、
前記単相フルブリッジ回路の２つの出力、および、前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサの中間点が、前記三相モータに接続され、
前記整流制御器は、
前記電圧検出器が検出した電圧と前記直流電圧指令値との差分を算出して、
前記電流検出器が検出した極性と前記差分に基づく極性とに基づいて、前記単相ハーフブリッジ回路のスイッチングを制御する、電力変換器。
前記単相ハーフブリッジ回路は、前記第１のコンデンサおよび前記第２のコンデンサと並列に設けられた、直列に接続された第１のスイッチおよび第２のスイッチを備え、
前記第１のスイッチおよび前記第２のスイッチの中間点は、前記単相交流電流源の他端と接続される、請求項１に記載の電力変換器。