特許 6237164 スイッチング制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6237164

(24)【登録日】2017年11月10日

(45)【発行日】2017年11月29日

(54)【発明の名称】スイッチング制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20171120BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/48 F

【請求項の数】7

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2013-247652(P2013-247652)

(22)【出願日】2013年11月29日

(65)【公開番号】特開2015-106979(P2015-106979A)

(43)【公開日】2015年6月8日

【審査請求日】2016年9月26日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100100712

【弁理士】

【氏名又は名称】岩▲崎▼ 幸邦

(74)【代理人】

【識別番号】100101247

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 俊一

(74)【代理人】

【識別番号】100095500

【弁理士】

【氏名又は名称】伊藤 正和

(74)【代理人】

【識別番号】100098327

【弁理士】

【氏名又は名称】高松 俊雄

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 健介

(72)【発明者】

【氏名】塚本 雅裕

(72)【発明者】

【氏名】田中 大記

(72)【発明者】

【氏名】長井 純之

【審査官】 北嶋 賢二

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１７２３０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０８９５５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／０９６０５１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流電源からの電力を変換して負荷に供給するためのスイッチング装置を制御するスイッチング制御装置であって、
所定の周波数範囲内に設定された複数のキャリア周波数の中から使用するキャリア周波数を選択するキャリア周波数拡散モードを実行するときに、前記所定の周波数範囲内に設定された複数のキャリア周波数のうち低周波側のキャリア周波数を選択する選択割合が、高周波側のキャリア周波数を選択する選択割合より低くなるようにキャリア周波数を選択するキャリア周波数選択部と、
前記キャリア周波数選択部で選択されたキャリア周波数を使用して前記キャリア周波数拡散モードを実行し、前記スイッチング装置をＰＷＭ制御するＰＷＭ制御部とを備え、
前記ＰＷＭ制御部は、前記所定の周波数範囲内に設定された複数のキャリア周波数の選択頻度に基づいて前記複数のキャリア周波数の周波数平均値を算出し、前記周波数平均値が前記スイッチング装置の熱設計上の基準となるキャリア周波数以下となるようにＰＷＭ制御することを特徴とするスイッチング制御装置。

【請求項2】

前記キャリア周波数選択部は、前記所定の周波数範囲内に設定された複数のキャリア周波数の周波数間隔を、高周波側よりも低周波側で広くすることによって低周波側の選択割合を低くすることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング制御装置。

【請求項3】

前記キャリア周波数選択部は、前記所定の周波数範囲内に設定された複数のキャリア周波数の選択頻度を、高周波側よりも低周波側で少なくすることによって低周波側の選択割合を低くすることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング制御装置。

【請求項4】

前記キャリア周波数選択部は、前記所定の周波数範囲内に設定された複数のキャリア周波数の選択割合を、高周波側から低周波側へ連続的に低下させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスイッチング制御装置。

【請求項5】

前記キャリア周波数選択部は、前記所定の周波数範囲内に設定された複数のキャリア周波数の選択割合を、高周波側から低周波側へ段階的に低下させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のスイッチング制御装置。

【請求項6】

前記負荷がモータであり、前記スイッチング装置がインバータである場合に、
前記ＰＷＭ制御部は、前記モータが特定の運転領域になると、前記キャリア周波数拡散モードを実行することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のスイッチング制御装置。

【請求項7】

前記モータの特定の運転領域は、前記モータが所定のトルク以上となる運転領域、前記モータが所定の回転数以上となる運転領域、または前記モータが所定のトルクまたは回転数以上となる運転領域であることを特徴とする請求項６に記載のスイッチング制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、直流電源からの電力を変換して負荷に供給するためのスイッチング装置を制御するスイッチング制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来では、インバータの制御装置において、複数のキャリア周波数を不規則に使用することによって、インバータが発生するノイズを特定の周波数に集中させないようにする技術として特許文献１が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００６−１７４６４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、上述した従来のインバータの制御装置では、インバータから発生するノイズに対しては効果があるものの、インバータに電気的に接続さている部品によってはノイズが却って悪化してしまうという問題点があった。

【0005】

そこで、本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、インバータに電気的に接続された部品のノイズについても抑制することのできるスイッチング制御装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上述した課題を解決するために、本発明は、所定の周波数範囲内に設定された複数のキャリア周波数の中から使用するキャリア周波数を選択するキャリア周波数拡散モードを実行する。そして、このキャリア周波数拡散モードでは、複数のキャリア周波数のうち低周波側のキャリア周波数を選択する選択割合が、高周波側のキャリア周波数を選択する選択割合より低くなるようにキャリア周波数を選択する。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、スイッチング装置に電気的に接続された部品の特性を考慮してキャリア周波数を選択するので、スイッチング装置に電気的に接続された部品のノイズについても抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、本発明の第１実施形態に係るインバータ制御装置を備えた電力変換システムの構成を示すブロック図である。

【図2】図２は、本発明の第１実施形態に係るインバータ制御装置で用いるマップを示す図である。

【図3】図３は、本発明の第１実施形態に係るインバータ制御装置による効果を説明するための図である。

【図4】図４は、本発明の第２実施形態に係るインバータ制御装置で用いるマップを示す図である。

【図5】図５は、本発明の第３実施形態に係るインバータ制御装置で用いるマップを示す図である。

【図6】図６は、本発明の第４実施形態に係るインバータ制御装置で用いるマップを示す図である。

【図7】図７は、本発明の第５実施形態に係るインバータ制御装置を備えた電力変換システムの構成を示すブロック図である。

【図8】図８は、本発明の第５実施形態に係るインバータ制御装置によるキャリア周波数拡散モードの切り替え方法を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明を適用した第１〜第５実施形態について図面を参照して説明する。

【0010】

［第１実施形態］
［電力変換システムの構成］
図１は本実施形態に係るインバータ制御装置を備えた電力変換システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、電力変換システム１は、バッテリ３とインバータ５とモータ７とインバータ制御装置９とを備えている。

【0011】

電力変換システム１は、直流電源からの電力を変換して負荷に供給するためのシステムである。本実施形態では、バッテリ３から供給された直流電力を、インバータ制御装置９のスイッチング制御によってインバータ５で交流電力に変換し、モータ７に供給する。

【0012】

バッテリ３は、車載バッテリ等の直流電源であり、インバータ５に直流電力を供給する。

【0013】

インバータ５は、バッテリ３から供給された直流電力を変換して負荷に供給するスイッチング装置であり、本実施形態では直流を交流に変換するインバータ５を一例として説明する。ただし、ＤＣ−ＤＣコンバータ等のように直流から直流に変換するスイッチング装置であってもよい。本実施形態のインバータ５は、直流電力を３相の交流電力に変換してモータ７に供給しており、内部に備えたＩＧＢＴ等のスイッチング素子によって３相交流を出力してモータ７をＰＷＭ駆動する。

【0014】

モータ７は、例えば３相交流モータ等の負荷であり、インバータ５から出力される交流電力によって駆動されている。ただし、交流電力によって駆動される負荷である必要はなく、直流電力によって駆動される負荷であってもよい。

【0015】

インバータ制御装置９は、インバータ５やＤＣ−ＤＣコンバータ等のスイッチング装置を制御するスイッチング制御装置であり、本実施形態ではインバータ制御装置９をスイッチング制御装置の一例として説明する。インバータ制御装置９は、インバータ５をＰＷＭ制御するための駆動パルスを出力しており、所定の周波数範囲内に設定された複数のキャリア周波数の中から使用するキャリア周波数を選択するキャリア周波数拡散モードを実行する。そして、インバータ制御装置９は、ＰＷＭ制御部１１とキャリア周波数選択部１３とを備えている。

【0016】

ＰＷＭ制御部１１は、キャリア周波数選択部１３で選択されたキャリア周波数を使用してキャリア周波数拡散モードを実行し、インバータ５をＰＷＭ制御する。

【0017】

キャリア周波数選択部１３は、キャリア周波数拡散モードを実行するときに、複数のキャリア周波数のうち低周波側のキャリア周波数を選択する選択割合が、高周波側のキャリア周波数を選択する選択割合より低くなるようにキャリア周波数を選択する。そのため、キャリア周波数選択部１３は、キャリア周波数を選択する際に用いるマップ１５を予め格納している。

【0018】

尚、インバータ制御装置９は、マイクロコンピュータ、マイクロプロセッサ、ＣＰＵを含む汎用の電子回路と周辺機器から構成されており、特定のプログラムを実行することにより、ＰＷＭ制御部１１及びキャリア周波数選択部１３として動作する。

【0019】

［キャリア周波数の選択方法］
次に、図２のマップを参照して、キャリア周波数選択部１３によるキャリア周波数の選択方法を説明する。図２は、キャリア周波数選択部１３に格納されているマップ１５を示す図である。

【0020】

図２に示すように、予め設定された所定の周波数範囲内に複数のキャリア周波数ｆ１〜ｆｎが設定されており、ｆ１が最も低い周波数でｆｎが最も高い周波数となっている。本実施形態では、キャリア周波数ｆ１〜ｆｎの選択頻度は全て一定であるが、隣接するキャリア周波数の周波数間隔が高周波側よりも低周波側で広くなるように設定されており、これによって低周波側の選択割合を低くしている。

【0021】

図２の点線２１は、一定周波数幅内に設定されているキャリア周波数の数を示している。図２では、点線２１が低周波側で低い値を示し、高周波側で高い値を示しているので、一定周波数幅内に設定されているキャリア周波数の数は高周波側よりも低周波側で少なくなっている。すなわち、低周波側のキャリア周波数の密度が低くなっているので、キャリア周波数の周波数間隔が高周波側よりも低周波側で広くなっていることを表している。

【0022】

また、点線２１が示すように、本実施形態では、一定周波数幅内に設定されているキャリア周波数の数は、高周波側から低周波側へ連続的に低下している。これにより、キャリア周波数の選択割合についても高周波側から低周波側へ連続的に低下している。

【0023】

［第１実施形態の効果］
次に、図３を参照して、本実施形態に係るインバータ制御装置９による効果を説明する。

【0024】

図３は、上述したキャリア周波数の選択方法を用いてインバータ５を駆動した場合におけるバッテリ３に生じるリプル電流の波高値と音振ノイズに影響するパワーを示した図である。尚、図３はいわゆるＦＦＴ（高速フーリエ変換）波形とは異なり、あるキャリア周波数を用いている間にバッテリ３に生じるリプル電流の波高値を示したものであり、直流分は除いている。

【0025】

図３に示すように、バッテリ３に生じるリプル電流の波高値は、低周波側のキャリア周波数ｆ１で最も高く、周波数が高くなるにしたがって低下していき、高周波側のキャリア周波数ｆｎで最も低くなっている。

【0026】

ここで、本実施形態では、図２に示すようにキャリア周波数の周波数間隔を高周波側よりも低周波側で広くしている。これにより、図３に示すように音振ノイズに影響するパワー３１は、周波数の変化に対して一定とすることができる。

【0027】

従来では、リプル電流の増大にともなって音振ノイズも低周波側で増大していたが、本実施形態では低周波側の周波数間隔を広くしているので、低周波側の音振ノイズを低減して音振ノイズの周波数特性を該一定とすることができる。したがって、吸音材などの追加部品が不要となり、コストを低減することができる。

【0028】

特に、従来の特許文献１ではキャリア周波数を拡散させることで特定の周波数におけるノイズをホワイトノイズ化していた。しかし、同じレベルのノイズでも人間の感受特性によって周波数毎にノイズの感じ方は異なるものであり、人間は低い周波数のほうがノイズを大きいと感じる。したがって、単にノイズが特定の周波数に集中しないようにしただけでは、ノイズの低減効果は十分ではないが、本実施形態では低周波側の音振ノイズを低減できるので、人間の感受特性を考慮すると、よりノイズの低減効果を大きくすることができる。

【0029】

以上詳細に説明したように、本実施形態に係るインバータ制御装置９では、キャリア周波数拡散モードを実行するときに、低周波側のキャリア周波数を選択する選択割合が、高周波側のキャリア周波数を選択する選択割合より低くする。これにより、インバータ５に電気的に接続されたバッテリ３の特性を考慮してキャリア周波数を選択できるので、インバータ５のノイズだけではなく、インバータ５に電気的に接続されたバッテリ３の音振ノイズについても抑制することができる。

【0030】

特に、低周波側のキャリア周波数の選択割合を低くすることにより、インバータ５が励起するバッテリ３の電流のうち低周波数成分を減らすことができるので、バッテリ３から発生する音振ノイズを効果的に低減することができる。このため吸音材などの追加部品が不要となり、システム全体のコストを低減することができる。

【0031】

また、本実施形態に係るインバータ制御装置９では、キャリア周波数の周波数間隔を高周波側よりも低周波側で広くすることによって低周波側の選択割合を低くする。これにより低周波側の選択割合を確実に低下させることができ、インバータ５に電気的に接続されたバッテリ３の音振ノイズを確実に抑制することができる。

【0032】

さらに、本実施形態に係るインバータ制御装置９では、キャリア周波数の選択割合を高周波側から低周波側へ連続的に低下させるので、バッテリ３に発生する音振ノイズの周波数特性を周波数全域で一定にすることができる。これにより、インバータ５に電気的に接続されたバッテリ３の音振ノイズを確実に抑制することができる。

【0033】

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係るインバータ制御装置について図面を参照して説明する。尚、本実施形態に係るインバータ制御装置の構成は、第１実施形態と同一なので、詳細な説明は省略する。

【0034】

［キャリア周波数の選択方法］
次に、図４のマップを参照して、キャリア周波数選択部１３によるキャリア周波数の選択方法を説明する。図４は、キャリア周波数選択部１３に格納されているマップ１５を示す図である。

【0035】

図４に示すように、予め設定された所定の周波数範囲内に複数のキャリア周波数ｆ１〜ｆｎが設定されており、ｆ１が最も低い周波数でｆｎが最も高い周波数となっている。本実施形態では、キャリア周波数ｆ１〜ｆｎの選択頻度は全て一定であるが、周波数間隔が高周波側よりも低周波側で広くなるように設定されており、これによって低周波側の選択割合を低くしている。

【0036】

ただし、本実施形態では、点線４１が示すように、一定周波数幅内に設定されているキャリア周波数の数が、高周波側から低周波側へ段階的に低下していることが第１実施形態と相違している。これにより、キャリア周波数の選択割合についても高周波側から低周波側へ段階的に低下している。

【0037】

図４に示すように、点線４１は、一定周波数幅内に設定されているキャリア周波数の数が区間Ｓ１から区間Ｓ５へ段階的に低下している。すなわち、各区間Ｓ１〜Ｓ５内では、キャリア周波数の周波数間隔は一定となっているが、区間Ｓ１から区間Ｓ５へいくにしたがって高周波側よりも低周波側でキャリア周波数の周波数間隔が広くなっている。

【0038】

尚、マップを実装する場合には、区間毎にマップを作成して実装するようにしてもよい。これにより、マップを格納する際のメモリ容量をさらに低減することができ、コストを低減することが可能となる。

【0039】

［第２実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本実施形態に係るインバータ制御装置９によれば、キャリア周波数の選択割合を高周波側から低周波側へ段階的に低下させるので、マップを格納する際のメモリ容量を低減することができ、コストを低減することができる。

【0040】

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係るインバータ制御装置について図面を参照して説明する。尚、本実施形態に係るインバータ制御装置の構成は、第１実施形態と同一なので、詳細な説明は省略する。

【0041】

［キャリア周波数の選択方法］
次に、図５のマップを参照して、キャリア周波数選択部１３によるキャリア周波数の選択方法を説明する。図５は、キャリア周波数選択部１３に格納されているマップ１５を示す図である。

【0042】

図５に示すように、予め設定された所定の周波数範囲内に複数のキャリア周波数ｆ１〜ｆｎが設定されており、ｆ１が最も低い周波数でｆｎが最も高い周波数となっている。本実施形態では、キャリア周波数ｆ１〜ｆｎの周波数間隔は全て一定であるが、選択頻度が高周波側よりも低周波側で少なくなるように設定されており、これによって低周波側の選択割合を低くしている。したがって、本実施形態では、点線５１が示すように、一定周波数幅内に設定されているキャリア周波数の数は一定となっている。

【0043】

尚、第２実施形態で説明したように、キャリア周波数に区間Ｓ１〜Ｓ５を設定し、区間Ｓ１から区間Ｓ５へいくにしたがって段階的に高周波側よりも低周波側でキャリア周波数の選択頻度を少なくしてもよい。

【0044】

［第３実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本実施形態に係るインバータ制御装置９では、キャリア周波数の選択頻度を高周波側よりも低周波側で少なくすることによって低周波側の選択割合を低くする。これにより低周波側の選択割合を確実に低下させることができ、インバータ５に電気的に接続されたバッテリ３の音振ノイズを確実に抑制することができる。

【0045】

［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係るインバータ制御装置について図面を参照して説明する。尚、本実施形態に係るインバータ制御装置の構成は、第１実施形態と同一なので、詳細な説明は省略する。

【0046】

本実施形態に係るインバータ制御装置９では、ＰＷＭ制御部１１が、所定の周波数範囲内に設定された複数のキャリア周波数の選択頻度に基づいて、複数のキャリア周波数の周波数平均値を算出する。そして、この周波数平均値がインバータ５の熱設計上の基準となるキャリア周波数以下となるようにＰＷＭ制御する。

【0047】

具体的に第１実施形態を例にして説明すると、図６に示すように第１実施形態ではキャリア周波数の選択頻度を一定にして周波数間隔を低周波側で広くしている。

【0048】

この場合に、ＰＷＭ制御部１１は、図６に示すようにキャリア周波数の周波数平均値ｆａがインバータ５の熱設計上の基準となるキャリア周波数ｆ_０以下となるようにＰＷＭ制御を行う。

【0049】

ここで、キャリア周波数ｆ_０は、インバータ５の熱設計時の基本周波数であり、この周波数を超えると、インバータ５が熱設計上の許容範囲を超えてしまう可能性がある。

【0050】

一方、キャリア周波数の周波数平均値ｆａは、キャリア周波数の選択頻度に基づいて算出されている。例えば、キャリア周波数ｆ１の選択頻度がｘ１、キャリア周波数ｆ２の選択頻度がｘ２、・・・キャリア周波数ｆｎの選択頻度がｘｎの場合には、以下に示す式（１）によってキャリア周波数の周波数平均値ｆａを求めることができる。

【0051】

fa＝（f1*x1＋f2*x2＋・・・＋fn*xn）/（x1＋x2＋・・・＋xn） （１）
したがって、ＰＷＭ制御部１１は、式（１）に基づいてキャリア周波数の周波数平均値ｆａを算出し、このキャリア周波数の周波数平均値ｆａがキャリア周波数ｆ_０以下となるようにＰＷＭ制御を行う。

【0052】

尚、図６では第１実施形態の場合を例にして説明したが、第２及び第３実施形態で説明したマップの場合でも適用可能である。

【0053】

［第４実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本実施形態に係るインバータ制御装置９では、キャリア周波数の選択頻度に基づいて周波数平均値ｆａを算出し、この周波数平均値ｆａがインバータ５の熱設計上の基準となるキャリア周波数ｆ_０以下となるようにＰＷＭ制御する。これにより、インバータ５の熱性能を考慮したＰＷＭ制御を行うことができるので、安定したＰＷＭ制御を実行することができる。

【0054】

［第５実施形態］
次に、本発明の第５実施形態に係るインバータ制御装置について図面を参照して説明する。尚、第１実施形態と同一の構成要素には同一の番号を付して詳細な説明は省略する。

【0055】

［電力変換システムの構成］
図７は本実施形態に係るインバータ制御装置を備えた電力変換システムの構成を示すブロック図である。図７に示すように、本実施形態に係るインバータ制御装置７１は、モータ７からトルク及び回転数を取得して、キャリア周波数拡散モードへ移行するタイミングを決定するようにしたことが第１実施形態と相違している。

【0056】

本実施形態は、負荷がモータ７であり、スイッチング装置としてインバータ５が実装されている場合に適用されるものであり、ＰＷＭ制御部１１は、モータ７が特定の運転領域になるとキャリア周波数拡散モードを実行する。この特定の運転領域としては、図８に示すように、モータ７が所定のトルク以上となる運転領域Ａ、モータ７が所定の回転数以上となる運転領域Ｂ、または運転領域Ａ、Ｂの両方となる。

【0057】

インバータ５のリプル電流は、モータ相電流及び変調率に対して正の相関を有している。また、モータ７が高トルクまたは高回転のときは、各々モータ相電流、変調率が高くなる領域である。このため、モータ７が高トルクまたは高回転の運転領域では、インバータ５のリプル電流は増加するので、その結果バッテリ３に生じるリプル電流も増加してバッテリ３の音振ノイズが増加する。

【0058】

一方、インバータ５は、これらの運転領域で発熱が大きくなるので、発熱を低減させるために単純にキャリア周波数を下げることが考えられる。しかし、キャリア周波数を下げると、さらにインバータ５のリプル電流が増大するので、その結果バッテリ３の音振ノイズを増大させてしまう。

【0059】

そこで、このようなモータ７が高トルクまたは高回転のときにキャリア周波数拡散モードを実行すれば、キャリア周波数の平均値を下げることができるので、インバータ５の発熱を低減できるとともに、音振ノイズへの悪影響も抑制することが可能となる。

【0060】

［第５実施形態の効果］
以上詳細に説明したように、本実施形態に係るインバータ制御装置７１では、モータ７が特定の運転領域になると、キャリア周波数拡散モードを実行する。これにより、モータ７が特定の運転領域ではキャリア周波数拡散モードを実行し、その他の運転領域ではキャリア周波数を一定にするので、インバータ制御装置７１の演算負荷を低減することができ、コストを低減することができる。

【0061】

また、本実施形態に係るインバータ制御装置７１では、特定の運転領域として、モータ７が所定のトルク以上となる運転領域、モータ７が所定の回転数以上となる運転領域、またはモータ７が所定のトルクまたは回転数以上となる運転領域を設定する。これにより、インバータ５の熱負荷が高くなる高トルク、高回転の領域でキャリア周波数の平均値を下げることができるので、インバータ５の熱負荷を低減してインバータ５を小型化することができる。

【0062】

なお、上述の実施形態は本発明の一例である。このため、本発明は、上述の実施形態に限定されることはなく、この実施形態以外の形態であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計などに応じて種々の変更が可能であることは勿論である。

【符号の説明】

【0063】

１ 電力変換システム
３ バッテリ
５ インバータ
７ モータ
９、７１ インバータ制御装置
１１ ＰＷＭ制御部
１３ キャリア周波数選択部
１５ マップ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】