JP7318418B2 - 電力変換器 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、電力変換器に関する。

例えば電気自動車には、電源の出力を走行用モータの駆動力に変換する電力変換器が搭載される。この電力変換器は、電源の出力電圧を昇圧するスイッチング素子を備えている昇圧回路と、昇圧した電力を走行用モータの駆動力に変換するスイッチング素子を備えている電力変換回路と、を備えている。このような電力変換器には、流れる電流を検知する電流センサが設けられており、電力変換器の制御器は電流センサの検知した電流値によってスイッチング素子を制御する。

電力変換器を流れる電流を検知する電流センサに誤差が生じると、電力変換器の出力を正確に制御できない。電流センサに誤差を生じると、実際には電流が流れていないにも関わらず、電流センサの出力がゼロ以外を示す場合がある。この現象は、ゼロ点（原点）のずれとして知られている。

ゼロ点のずれを補正する技術が例えば特許文献１に開示されている。特許文献１は、２個のスイッチング素子の直列接続を含む電圧変換回路と、電圧変換回路に接続されている電力変換回路を備えている。直列接続の低電位側のスイッチング素子（下スイッチング素子）は、電源の電圧を昇圧してインバータへ供給する昇圧動作に関与する。高電位側のスイッチング素子（上スイッチング素子）は、モータが発電した電力（回生電力）を降圧して電源へ供給する降圧動作に関与する。なお、電源からモータへ電流が流れる状態は力行と呼ばれる。特許文献１の電力変換器では、上スイッチング素子と下スイッチング素子をともにオフに保持し、力行と回生が切り替わるタイミングで電流センサの計測値を取得する。力行と回生が切り替わるタイミングで電流の流れる向きが逆転する。電流の流れる向きが逆転するタイミングでは、電力変換器に電流が流れなくなる。特許文献１の電力変換器は、そのタイミングにおける計測値をゼロ点のオフセットとして取得する。

特開２０１３－１１０９３２号公報

特許文献１の技術は、力行から回生に切り替わる際の電流が流れなくなるタイミングにおける電流センサの計測値に基づいてゼロ点のずれを補正する。しかしながら、特許文献１の技術では、電流センサの計測値の取得タイミングがわずかでもずれると、ゼロ点のずれの補正の精度が下がってしまう。本明細書は、電流センサのゼロ点を従来よりも正確に補正することのできる電力変換器を提供する。

本明細書が開示する電力変換器は、昇圧回路と、電力変換回路と、電流センサと、制御器を備えている。昇圧回路は、電源の電圧を昇圧する第１スイッチング素子を有している。電力変換回路は、昇圧回路の出力を走行用モータの駆動電力に変換する第２スイッチング素子を有している。電流センサは、電源と走行用モータの間を流れる電流を計測する。制御器は、電流センサの計測値に基づいて、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子を制御する。制御器は、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子をともにオフするとともにそのときの電流センサの計測値に基づいて電流センサのゼロ点を補正する。すなわち、本明細書が開示する電力変換器は、昇圧用の第１スイッチング素子と電力変換用の第２スイッチング素子をともにオフにして電力変換器に流れる電流が確実にゼロになる状態を作り出してからゼロ点補正用の計測値を取得する。従ってゼロ点を正確に補正することができる。

昇圧回路は、電源に接続される入力端子と第１スイッチング素子の間に接続されているリアクトルを備えている場合がある。一方、電流センサには、計測対象の電流に起因して生じる磁束から、ホール効果を利用して電流の計測値を得るホール素子方式が採用されることが多い。そのような場合、リアクトルに僅かでも電流が流れていると、リアクトルが発する磁場により電流センサの計測値がさらに誤差を含むことになる。本明細書が開示する技術は、リアクトルに実際に流れる電流がゼロになる状態を作り出すので、リアクトルの磁場の影響を受けない。

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。

実施例の電力変換器を搭載する電気自動車の回路図である。 実施例の電力変換器の側面図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ線でカットした電力変換器の断面図である。 実施例の電力変換器が備える制御器が実行する処理フロー図である。

図面を参照して実施例の電力変換器について説明する。図１を参照して、実施例の電力変換器１が備える回路について説明する。電力変換器１は、電気自動車１００に搭載されている。図１に示すように、電力変換器１は、電気自動車１００の電源であるバッテリ２と、電気自動車１００の車輪を駆動するモータ８と、に接続されている。電力変換器１は、バッテリ２の直流電圧をモータ８の駆動電力に変換する。モータ８は三相交流モータである。電力変換器１は、バッテリ２の直流電圧を昇圧し、昇圧された電力を三相交流に変換する。

図１に示すように、電力変換器１は、昇圧回路としてコンバータ回路４を備えている。また、電力変換器１は、電力変換回路としてインバータ回路６を備えている。さらに、電力変換器１は、コンバータ回路４と、インバータ回路６と、を制御する制御器１０と、を備えている。コンバータ回路４は、チョッパ型の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータの回路であり、バッテリ２の電圧を昇圧してインバータ回路６へ供給する。コンバータ回路４は、モータ８が発電した回生電力を（インバータ回路６が直流電力に変換した後に）、バッテリ２の電圧まで降圧することもできる。

図１に示すように、バッテリ２と、コンバータ回路４と、の間にはフィルタコンデンサ１２が接続されている。コンバータ回路４と、インバータ回路６と、の間には平滑コンデンサ１４が接続されている。

コンバータ回路４は、半導体モジュール３０と、リアクトル２０と、電流センサ２２と、を備えている。半導体モジュール３０は、バッテリ２の電圧を昇圧する複数の電圧スイッチング素子３２、３４の直列接続を備えている。半導体モジュール３０の各電圧スイッチング素子３２、３４には、ダイオードが逆並列に接続されている。リアクトル２０は、電源であるバッテリ２に接続される入力端子と、電圧スイッチング素子３２、３４を備えている半導体モジュール３０と、の間に接続されている。電流センサ２２は、リアクトル２０と、半導体モジュール３０と、の間に接続さており、リアクトル２０に流れる電流を計測する。電流センサ２２は、コンバータ回路４に流れる電流を計測する。図中の矢印破線は信号の流れを示している。電流センサ２２の計測値は、制御器１０に送られる。電流センサ２２の計測値に基づいて、制御器１０は、電圧スイッチング素子３２、３４を制御する。

先に述べたように、コンバータ回路４は双方向ＤＣ－ＤＣコンバータである。コンバータ回路４の機能については、良く知られているため説明を省略する。

インバータ回路６について説明する。インバータ回路６は、コンバータ回路４によって昇圧された直流電力を、モータ８を駆動する交流電力に変換する。図１に示すように、インバータ回路６は、半導体モジュール４０、５０、６０が並列に接続された回路構造を有している。半導体モジュール４０は、昇圧回路（コンバータ回路４）の出力を走行用モータの駆動電力に変換する２個の変換スイッチング素子４２、４４の直列接続を備えている。半導体モジュール４０の各変換スイッチング素子４２、４４には、ダイオードが逆並列に接続されている。半導体モジュール５０、６０についても、２個の変換スイッチング素子の直列接続（変換スイッチング素子５２、５４の直列接続、および、変換スイッチング素子６２、６４の直列接続）を備えているが、半導体モジュール４０と同構造であるため説明は省略する。また、図１に示すように、インバータ回路６は、パワーケーブル１８を介してモータ８に接続されている。インバータ回路６の出力は、パワーケーブル１８を介してモータ８に送られる。また、インバータ回路６と、モータ８と、の間には、電流センサ１６が接続されている。電流センサ１６は、インバータ回路６がモータ８に送る三相交流のそれぞれを計測する。電流センサ１６は、バッテリ２とモータ８の間を流れる電流を計測する。電流センサ１６の計測値は、制御器１０に送られる。電流センサ１６の計測値に基づいて、制御器１０は、インバータ回路６が備える複数の変換スイッチング素子４２、４４、５２、５４、６２、６４を制御する。なお、以下では、コンバータ回路４が備える複数の電圧スイッチング素子３２、３４をまとめて電圧スイッチング素子群と称する場合がある。また、インバータ回路６が備える複数の変換スイッチング素子４２、４４、５２、５４、６２、６４をまとめて変換スイッチング素子群と称する場合がある。

上述した各スイッチング素子は、電力変換用のトランジスタ（パワートランジスタ）である。各スイッチング素子は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。

次に、図２及び図３を参照して実施例の電力変換器１のハードウエア構成について説明する。図２に、電力変換器１の側面図を示す。電力変換器１のケース７０は、アッパーカバー７２、アッパーケース７４、ロアケース７６に分割されている。アッパーケース７４は、上下が開口しており、上側の開口がアッパーカバー７２で塞がれ、下側の開口はロアケース７６で塞がれる。アッパーカバー７２は複数のボルト８０でアッパーケース７４に取り付けられる。ロアケース７６は、複数のボルト８２でアッパーケース７４に取り付けられる。ロアケース７６には、モータ８から延びるパワーケーブル１８（図１参照）のコネクタ（不図示）が接続されるコネクタ孔７９が設けられている。パワーケーブル１８のコネクタに接続される３本の接続バスバ１８ａがコネクタ孔７９に面している。コネクタ孔７９は、ロアケース７６の側面に設けられている。

図３を参照して電力変換器１の内部構造について説明する。図３は、図２の線ＩＩＩ－ＩＩＩに沿った電力変換器１の断面図である。電力変換器１の上部には、制御器１０が配置されている。制御器１０は、回路基板である。制御器１０は、アッパーケース７４の中板の上に固定されている。図１のフィルタコンデンサ１２及び平滑コンデンサ１４は、コンデンサモジュール２４に内蔵されている。図３に示すように、コンデンサモジュール２４は、電力変換器１のケース７０のＹ軸方向負側（すなわち、図面左側）に配置されている。電力変換器１が備えている複数の半導体モジュール３０、４０、５０、６０（図１参照）は、積層ユニット４６に内蔵されている。積層ユニット４６は、２個のスイッチング素子を樹脂で封止した複数の半導体モジュールと、半導体モジュールを冷却する冷却器と、を積層することで構成されている。積層ユニット４６の下側には、Ｚ軸方向に延びている３本の端子が設けられている。最も左側に位置する端子は、正極端子４６ａである。正極端子４６ａは、コンデンサモジュール２４と正極バスバ４７で接続されている。中央に位置する端子は、負極端子４６ｂである。負極端子４６ｂは、コンデンサモジュール２４と負極バスバ４８で接続されている。最も右側に位置する端子は、中点端子４６ｃである。図３に示すように、中点端子４６ｃは、出力バスバ４９を介して接続バスバ１８ａと接続されている。先に述べたように、接続バスバ１８ａは、図１に示したモータ８と、パワーケーブル１８を介して接続される。すなわち、インバータ回路６の出力は、接続バスバ１８ａ及びパワーケーブル１８を介してモータ８に送られる。なお、図１に示すように、パワーケーブル１８は、３本のケーブルから構成されている。そのため、パワーケーブル１８に接続される接続バスバ１８ａも、図２に示すように、３本のバスバから構成されている。ここでは、接続バスバ１８ａのうちの１本のバスバについて説明するが、他の２本のバスバについても同様である。

図３に示すように、接続バスバ１８ａは、端子台１７を貫通してコネクタ孔７９に向かって延びている。先に述べたように、接続バスバ１８ａは、コネクタ孔７９を介してパワーケーブル１８と接続される。端子台１７の内部には、電流センサ１６が設けられている。図３の右側に、Ｙ軸方向正側から見たときの電流センサ１６の形状を示す。電流センサ１６は、接続バスバ１８ａを囲むリングコア１６ａと、リングコア１６ａのギャップに配置されるホール素子１６ｂと、を備えている。リングコア１６ａは磁性体で作られている。リングコア１６ａは、接続バスバ１８ａを流れる電流が発生する磁束を集める。ホール素子１６ｂは、リングコア１６ａを通る磁束を計測する。電流センサ１６は、リングコアを通る磁束から接続バスバ１８ａを流れる電流値を得ることができる。電流センサ１６は、接続バスバ１８ａの電流に起因して生じる磁束からホール効果を利用して電流の計測値を得るホール素子方式である。電流センサ１６は、制御器１０に接続されている。電流センサ１６が計測した計測値に基づいて、制御器１０は、図１に示すコンバータ回路４及びインバータ回路６が備えている複数のスイッチング素子を制御する。なお、図１に示す電流センサ２２も、電流センサ１６と同様にリングコアと、ホール素子と、を備えるホール素子方式の電流センサである。

ここで、ホール素子１６ｂは、リングコア１６ａを通る磁束を計測するために抵抗値を有している。この抵抗値によってホール素子１６ｂが出力する磁束の強さが変化する。ホール素子１６ｂの抵抗値は、例えば温度特性によって変化する。すなわち、ホール素子１６ｂを備えている電流センサ１６には、温度特性によりゼロ点（原点）のずれが生じるおそれがある。このホール素子１６ｂの原点のずれを修正するために、制御器１０は、電流センサ１６の計測値に基づいて原点を補正する。しかしながら、電流センサ１６の計測値が誤っている場合、制御器１０は、正確に原点のずれを修正することができない。電流センサ１６の計測値の誤差が大きい場合には、電流センサ１６の計測値に基づいて補正した原点が、補正前の原点に対して、よりずれた原点となるおそれがある。

また、図３に示すように、電力変換器１の底面には、リアクトル２０が配置されている。よく知られているため詳細は省略するが、リアクトル２０は、平角線をエッジワイズに巻回したコイルに、磁性体で形成されているリング状のコアの一部を挿通させたものである。リアクトル２０は、コイルに流れる電流を磁気エネルギーに変換する。このため、リアクトル２０のコイルに電流が流れると、リアクトル２０の周辺には強い磁場が発生する。図３に示すように、リアクトル２０は、電流センサ１６の近傍に配置されている。先に述べたように、電流センサ１６は、ホール素子１６ｂが磁束から接続バスバ１８ａに流れる電流を計測する。このため、リアクトル２０に電流が流れている最中に電流センサ１６が計測した値に基づいて補正した原点は、リアクトル２０から発生した強い磁場の影響によって、より大きな誤差を含んでいるおそれがある。

以下、電流センサ１６（図１参照）の原点をより正確に補正するために、制御器１０が実行する処理について、図４を参照して説明する。制御器１０は、まず初めに原点補正が必要かを判定する（ステップＳ２）。図示は省略したが、電力変換器１は、電流センサの他にも、温度センサ、電圧センサ、モータ８（図１参照）の回転数センサ等を備えている。例えば温度変化が激しい場合には、先に述べたように、電流センサのホール素子の抵抗値に影響がある可能性が高い。このため、制御器１０は、例えば温度センサの温度が所定値を超えた場合に、原点補正が必要だと判定する（ステップＳ２：ＹＥＳ）。また、温度等の条件で原点補正が必要でないと判定された場合（ステップＳ２：ＮＯ）には、制御器１０は、原点補正を所定時間以上実行していないかを判定する（ステップＳ４）。これにより、温度等の条件で原点補正が必要でない場合であっても、制御器１０は、所定時間内に原点補正を実行することができる。所定時間は、例えば温度センサが計測する温度変化等によって設定されてもよい。

温度等の条件から原点補正が必要と判定された場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）または、原点補正を所定時間以上実行していない場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）には、制御器１０は、図１に示す変換スイッチング素子群がオフされているかを判定する（ステップＳ６）。変換スイッチング素子群がオンされている場合（ステップＳ６：ＮＯ）には、電流センサ１６（図１参照）に電流が流れている可能性が高いため、制御器１０は原点補正を行わずに処理を終了する。変換スイッチング素子群がオフされている場合（ステップＳ６：ＹＥＳ）には、制御器１０は、電圧スイッチング素子群がオフされているかを判定する（ステップＳ８）。

電圧スイッチング素子群がオフされている場合（ステップＳ８：ＹＥＳ）には、図１に示す電流センサ１６の検知した電流値に基づいて原点を補正する（ステップＳ１４）。具体的には、制御器１０は、変換スイッチング素子群と、電圧スイッチング素子群と、がオフされているときの電流センサ１６の計測値を、電流センサ１６のゼロ点（原点）に置換する。変換スイッチング素子群と、電圧スイッチング素子群と、がオフされているときは、電流センサ１６には電流が流れていない。すなわち、この場合に、電流センサ１６には電流が流れていないことが保証される。また、変換スイッチング素子群と、電圧スイッチング素子群と、がオフされているときは、リアクトル２０に電流が流れていない。そのため、電流センサ１６がリアクトル２０から発生する磁場の影響を受けることがない。このように、変換スイッチング素子群と、電圧スイッチング素子群と、がオフされているときの電流センサ１６の計測値に基づいて原点を補正することで、制御器１０は、正確に電流センサ１６の原点を補正することができる。

さらに、電圧スイッチング素子群がオンされている場合（ステップＳ８：ＮＯ）には、制御器１０は、電圧スイッチング素子群をオフすることができるかを判定する（ステップＳ１０）。図示は省略したが、制御器１０は、例えばモータ８の回転数が所定値以下の場合に、電圧スイッチング素子群をオフすることができると判定する。電力変換器１が力行を行っている場合には、電圧スイッチング素子群で昇圧を行う必要がないと判定できる場合に、制御器１０は、電圧スイッチング素子群をオフする（ステップＳ１２）。一例としては、電気自動車１００のシフトレバーのポジションがニュートラルであり、かつ、モータ８の回転数から取得される車速が低い場合等である。また、電力変換器１が回生を行っている場合には、回生電流が所定値以下であり、電圧スイッチング素子群をオフにしても逆起電圧によって変換スイッチング素子群に影響がないと判定できる場合に、制御器１０は、電圧スイッチング素子群をオフする（ステップＳ１２）。このように、実施例の電力変換器１が備える制御器１０は、所定の条件時に電圧スイッチング素子群をオフすることで、原点補正の実行回数を増加させることができる。その結果、電流センサ１６の精度が向上する。

実施例の留意点を以下に述べる。先に述べたように、実施例の電力変換器１が備える複数のスイッチング素子は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるが、他のトランジスタ、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよい。また、実施例の電力変換器１が備えるコンバータ回路４は、２個の電圧スイッチング素子３２、３４を備えているが、図１の高電位側のスイッチング素子（上スイッチング素子）３２は、必須の構成要素ではない。その場合、コンバータ回路、はＤＣ－ＤＣコンバータとなる。また、実施例の電力変換器１は電気自動車１００に搭載されているが、エンジンを備えるハイブリッド車に搭載されてもよい。その場合には、エンジンを動作させるための別のインバータ回路を備えてもよい。

また、実施例の電力変換器１が備える制御器１０は、原点を補正するために、変換スイッチング素子群と、電圧スイッチング素子群と、がオフされているときの電流センサ１６の計測値を、電流センサ１６のゼロ点（原点）に置換している。しかしながら、本明細書が開示する技術は、これに限定されない。例えば、制御器１０は、変換スイッチング素子群と、電圧スイッチング素子群と、がオフされているときの電流センサ１６の計測値と、原点（すなわち、ゼロ）との差分からオフセット値を特定してもよい。その場合、制御器１０は、オフセット値特定後の電流センサ１６の計測値にオフセット値を加算することで、原点を補正することができる。

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。

１：電力変換器
２：バッテリ
４：コンバータ回路
６：インバータ回路
８：モータ
１０：制御器
１２：フィルタコンデンサ
１４：平滑コンデンサ
１６、２２：電流センサ
１６ａ：リングコア
１６ｂ：ホール素子
１７：端子台
１８：パワーケーブル
１８ａ：接続バスバ
２０：リアクトル
２４：コンデンサモジュール
３０、４０、５０、６０：半導体モジュール
３２、３４：電圧スイッチング素子
４２、４４、５２、５４、６２、６４：変換スイッチング素子
４６：積層ユニット
４６ａ：正極端子
４６ｂ：負極端子
４６ｃ：中点端子
４７：正極バスバ
４８：負極バスバ
４９：出力バスバ
７０：ケース
７２：アッパーカバー
７４：アッパーケース
７６：ロアケース
７９：コネクタ孔
８０、８２：ボルト
１００：電気自動車

Claims (2)

1. 電源の電圧を昇圧する第１スイッチング素子を有している昇圧回路と、
   前記昇圧回路の出力を走行用モータの駆動電力に変換する第２スイッチング素子を有している電力変換回路と、
   前記電源と前記走行用モータの間を流れる電流を計測する電流センサと、
   前記電流センサの計測値に基づいて、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子を制御する制御器と、
   を備えており、
   前記制御器は、
   前記電流センサのゼロ点を補正することが必要であり、かつ、前記第２スイッチング素子がオフされている場合に、前記第１スイッチング素子がオフできるかを判断し、
   前記第１スイッチング素子がオフできると判断される場合に、前記第１スイッチング素子をオフするとともにそのときの前記電流センサの計測値に基づいて前記電流センサのゼロ点を補正する、電力変換器。
2. 前記昇圧回路は、前記電源に接続される入力端子と前記第１スイッチング素子の間に接続されているリアクトルを備えており、
   前記電流センサは、計測対象の電流に起因して生じる磁束から、ホール効果を利用して電流の計測値を得るホール素子方式である、
   請求項１に記載の電力変換器。

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