(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかし、特許文献1に開示された発明では、ソフトスイッチング動作期間中はインバータ回路が直流電源から切断されるため、モータ電流相当の大電流をLC共振回路に流す必要があり、追加するLC共振回路の大型化や損失増加による電力変換装置の効率低下の問題がある。また、主回路電圧が零電圧になる期間は負荷電力に応じて大きくなるため、インバータが出力する実効的な電圧が低下し、従って電動機の出力性能が低下する問題もある。
【0006】
この発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、追加する回路の小型化および損失低減を実現した電力変換装置及び電動機システム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】
【0007】
この発明に係る電力変換装置は、一端が直流電源に接続され直流電源からの入力を遮断する電源遮断回路と、一端が電源遮断回路の他端に接続され、直流電源からの電力を交流電力に変換するインバータ回路と、インバータ回路および電源遮断回路を制御する制御部と、を備え、インバータ回路は、スイッチング素子を有する上アームおよびスイッチング素子を有する下アームが直列接続された複数のレグであって、互いに並列接続された複数のレグを有しており、制御部は、電源遮断回路が直流電源とインバータ回路とを遮断する電源遮断期間において、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの下アームのスイッチング素子をオンとする第1動作モードと、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの上アームおよび下アームのスイッチング素子を同時にオンとする第2動作モードと、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの上アームのスイッチング素子をオンとする第3動作モードと、を用いてインバータ回路および電源遮断回路を制御し、第1動作モードにおいて、下アームに電流を還流するよう下アームのスイッチング素子をオンとし、第3動作モードにおいて、上アームに電流を還流するよう上アームのスイッチング素子をオンとし、制御部は、第1動作モードから第3動作モードへ、または、第3動作モードから第1動作モードへ遷移させる場合において、第1動作モードと第3動作モードとの間に第2動作モードを設け、電源遮断期間を周期的に繰り返すこと、を特徴とする。
また、この発明に係る電力変換装置は、一端が直流電源に接続され直流電源からの入力を遮断する電源遮断回路と、一端が電源遮断回路の他端に接続され、直流電源からの電力を交流電力に変換するインバータ回路と、インバータ回路および電源遮断回路を制御する制御部と、を備え、インバータ回路は、スイッチング素子を有する上アームおよびスイッチング素子を有する下アームが直列接続された複数のレグであって、互いに並列接続された複数のレグを有しており、制御部は、電源遮断回路が直流電源とインバータ回路とを遮断する
周期的または断続的に繰り返される期間において、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの下アームのスイッチング素子をオンとする第1動作モードと、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの上アームおよび下アームのスイッチング素子を同時にオンとする第2動作モードと、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの上アームのスイッチング素子をオンとする第3動作モードと、を用いてインバータ回路および電源遮断回路を制御し、第1動作モードにおいて、下アームに電流を還流するよう下アームのスイッチング素子をオンとし、第3動作モードにおいて、上アームに電流を還流するよう上アームのスイッチング素子をオンとし、制御部は、第1動作モードから第3動作モードへ、または、第3動作モードから第1動作モードへ遷移させる場合において、第1動作モードと第3動作モードとの間に第2動作モードを設け、キャリア信号のリセットする際に第2動作モードに遷移させること、を特徴とする。
また、この発明に係る電力変換装置は、一端が直流電源に接続され直流電源からの入力を遮断する電源遮断回路と、一端が電源遮断回路の他端に接続され、直流電源からの電力を交流電力に変換するインバータ回路と、インバータ回路および電源遮断回路を制御する制御部と、を備え、インバータ回路は、スイッチング素子を有する上アームおよびスイッチング素子を有する下アームが直列接続された複数のレグであって、互いに並列接続された複数のレグを有しており、制御部は、電源遮断回路が直流電源とインバータ回路とを遮断する
周期的または断続的に繰り返される期間において、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの下アームのスイッチング素子をオンとする第1動作モードと、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの上アームおよび下アームのスイッチング素子を同時にオンとする第2動作モードと、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの上アームのスイッチング素子をオンとする第3動作モードと、を用いてインバータ回路および電源遮断回路を制御し、第1動作モードにおいて、下アームに電流を還流するよう下アームのスイッチング素子をオンとし、第3動作モードにおいて、上アームに電流を還流するよう上アームのスイッチング素子をオンとし、制御部は、第1動作モードから第3動作モードへ、または、第3動作モードから第1動作モードへ遷移させる場合において、第1動作モードと第3動作モードとの間に第2動作モードを設け、正極母線の電圧を零電圧に低下させること、を特徴とする。
また、この発明に係る電力変換装置は、一端が直流電源に接続され直流電源からの入力を遮断する電源遮断回路と、一端が電源遮断回路の他端に接続され、直流電源からの電力を交流電力に変換するインバータ回路と、インバータ回路および電源遮断回路を制御する制御部と、を備え、インバータ回路は、スイッチング素子を有する上アームおよびスイッチング素子を有する下アームが直列接続された複数のレグであって、互いに並列接続された複数のレグを有しており、制御部は、電源遮断回路が直流電源とインバータ回路とを遮断する
周期的または断続的に繰り返される期間において、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの下アームのスイッチング素子をオンとする第1動作モードと、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの上アームおよび下アームのスイッチング素子を同時にオンとする第2動作モードと、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの上アームのスイッチング素子をオンとする第3動作モードと、を用いてインバータ回路および電源遮断回路を制御し、第1動作モードにおいて、下アームに電流を還流するよう下アームのスイッチング素子をオンとし、第3動作モードにおいて、上アームに電流を還流するよう上アームのスイッチング素子をオンとし、制御部は、第1動作モードから第3動作モードへ、または、第3動作モードから第1動作モードへ遷移させる場合において、第1動作モードと第3動作モードとの間に第2動作モードを設け、電源遮断回路によって直流電源と遮断されたインバータ回路とを遮断する期間は、インバータ回路へのすべての電力供給が遮断された期間であること、を特徴とする。
また、この発明に係る電力変換装置は、一端が直流電源に接続され直流電源からの入力を遮断する電源遮断回路と、一端が電源遮断回路の他端に接続され、直流電源からの電力を交流電力に変換するインバータ回路と、インバータ回路および電源遮断回路を制御する制御部と、を備え、インバータ回路は、スイッチング素子を有する上アームおよびスイッチング素子を有する下アームが直列接続された複数のレグであって、互いに並列接続された複数のレグを有しており、制御部は、電源遮断回路が直流電源とインバータ回路とを遮断する
周期的または断続的に繰り返される期間において、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの下アームのスイッチング素子をオンとする第1動作モードと、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの上アームおよび下アームのスイッチング素子を同時にオンとする第2動作モードと、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの上アームのスイッチング素子をオンとする第3動作モードと、を用いてインバータ回路および電源遮断回路を制御し、第1動作モードにおいて、下アームに電流を還流するよう下アームのスイッチング素子をオンとし、第3動作モードにおいて、上アームに電流を還流するよう上アームのスイッチング素子をオンとし、制御部は、第1動作モードから第3動作モードへ、または、第3動作モードから第1動作モードへ遷移させる場合において、第1動作モードと第3動作モードとの間に第2動作モードを設け、電源遮断回路とインバータ回路との間には、インバータ回路へ電力供給する蓄電デバイスを含まないこと、を特徴とする。
また、この発明に係る電力変換装置は、一端が直流電源に接続され直流電源からの入力を遮断する電源遮断回路と、一端が電源遮断回路の他端に接続され、直流電源からの電力を交流電力に変換するインバータ回路と、インバータ回路および電源遮断回路を制御する制御部と、を備え、インバータ回路は、スイッチング素子を有する上アームおよびスイッチング素子を有する下アームが直列接続された複数のレグであって、互いに並列接続された複数のレグを有しており、制御部は、電源遮断回路が直流電源とインバータ回路とを遮断する電源遮断期間において、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの下アームのスイッチング素子をオンとする第1動作モードと、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの上アームおよび下アームのスイッチング素子を同時にオンとする第2動作モードと、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの上アームのスイッチング素子をオンとする第3動作モードと、を用いてインバータ回路および電源遮断回路を制御し、第1動作モードにおいて、下アームに電流を還流するよう下アームのスイッチング素子をオンとし、第3動作モードにおいて、上アームに電流を還流するよう上アームのスイッチング素子をオンとし、制御部は、第1動作モードから第3動作モードへ、または、第3動作モードから第1動作モードへ遷移させる場合において、第1動作モードと第3動作モードとの間に第2動作モードを設け、直流電源からの直流電力を交流電力に変換する期間または電動機からの交流電力を直流電力変換する期間中に、電源遮断期間を断続的に繰り返すこと、を特徴とする。
また、この発明に係る電力変換装置は、一端が直流電源に接続され直流電源からの入力を遮断する電源遮断回路と、一端が電源遮断回路の他端に接続され、直流電源からの電力を交流電力に変換するインバータ回路と、インバータ回路および電源遮断回路を制御する制御部と、を備え、インバータ回路は、スイッチング素子を有する上アームおよびスイッチング素子を有する下アームが直列接続された複数のレグであって、互いに並列接続された複数のレグを有しており、制御部は、電源遮断回路が直流電源とインバータ回路とを遮断する期間において、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの下アームのスイッチング素子をオンとする第1動作モードと、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの上アームおよび下アームのスイッチング素子を同時にオンとする第2動作モードと、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの上アームのスイッチング素子をオンとする第3動作モードと、を用いてインバータ回路および電源遮断回路を制御し、第1動作モードにおいて、下アームに電流を還流するよう下アームのスイッチング素子をオンとし、第3動作モードにおいて、上アームに電流を還流するよう上アームのスイッチング素子をオンとし、制御部は、第1動作モードから第3動作モードへ、または、第3動作モードから第1動作モードへ遷移させる場合において、第1動作モードと第3動作モードとの間に第2動作モードを設け、制御部は、電源遮断回路をオフとした状態で第2動作モードへ遷移させ、第1動作モードから第3動作モードへ遷移させる場合において、第1動作モード中に電源遮断回路をオフとするとともに、第3動作モード中に電源遮断回路をオンとすること、または、第3動作モードから第1動作モードへ遷移させる場合において、第3動作モード中に電源遮断回路をオフとするとともに、第1動作モード中に前記電源遮断回路をオンとすること、を特徴とする。
また、この発明に係る電力変換装置は、一端が直流電源に接続され直流電源からの入力を遮断する電源遮断回路と、一端が電源遮断回路の他端に接続され、直流電源からの電力を交流電力に変換するインバータ回路と、インバータ回路および電源遮断回路を制御する制御部と、を備え、インバータ回路は、スイッチング素子を有する上アームおよびスイッチング素子を有する下アームが直列接続された複数のレグであって、互いに並列接続された複数のレグを有しており、制御部は、電源遮断回路が直流電源とインバータ回路とを遮断する期間において、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの下アームのスイッチング素子をオンとする第1動作モードと、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの上アームおよび下アームのスイッチング素子を同時にオンとする第2動作モードと、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの上アームのスイッチング素子をオンとする第3動作モードと、を用いてインバータ回路および電源遮断回路を制御し、第1動作モードにおいて、下アームに電流を還流するよう下アームのスイッチング素子をオンとし、第3動作モードにおいて、上アームに電流を還流するよう上アームのスイッチング素子をオンとし、制御部は、第1動作モードから第3動作モードへ、または、第3動作モードから第1動作モードへ遷移させる場合において、第1動作モードと第3動作モードとの間に第2動作モードを設け、制御部は、鋸波キャリア信号および正弦波信号を用いたPWM制御によって、インバータ回路を制御し、制御部は、第2動作モードにおいて、鋸波キャリア信号および正弦波信号を比較判定することにより生成された信号に対し、予め定められた遅延を付加する固定遅延回路をさらに備えること、を特徴とする。
また、この発明に係る電力変換装置は、一端が直流電源に接続され直流電源からの入力を遮断する電源遮断回路と、一端が電源遮断回路の他端に接続され、直流電源からの電力を交流電力に変換するインバータ回路と、インバータ回路および電源遮断回路を制御する制御部と、を備え、インバータ回路は、スイッチング素子を有する上アームおよびスイッチング素子を有する下アームが直列接続された複数のレグであって、互いに並列接続された複数のレグを有しており、制御部は、電源遮断回路が直流電源とインバータ回路とを遮断する期間において、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの下アームのスイッチング素子をオンとする第1動作モードと、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの上アームおよび下アームのスイッチング素子を同時にオンとする第2動作モードと、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの上アームのスイッチング素子をオンとする第3動作モードと、を用いてインバータ回路および電源遮断回路を制御し、第1動作モードにおいて、下アームに電流を還流するよう下アームのスイッチング素子をオンとし、第3動作モードにおいて、上アームに電流を還流するよう上アームのスイッチング素子をオンとし、制御部は、第1動作モードから第3動作モードへ、または、第3動作モードから第1動作モードへ遷移させる場合において、第1動作モードと第3動作モードとの間に第2動作モードを設け、制御部は、直流電源の電圧値に基づいて、電源遮断回路が直流電源とインバータ回路とを遮断する期間および上アームおよび下アームを同時にオンする期間を制御すること、を特徴とする。
また、この発明に係る電力変換装置は、一端が直流電源に接続され直流電源からの入力を遮断する電源遮断回路と、一端が電源遮断回路の他端に接続され、直流電源からの電力を交流電力に変換するインバータ回路と、インバータ回路および電源遮断回路を制御する制御部と、を備え、インバータ回路は、スイッチング素子を有する上アームおよびスイッチング素子を有する下アームが直列接続された複数のレグであって、互いに並列接続された複数のレグを有しており、制御部は、電源遮断回路が直流電源とインバータ回路とを遮断する期間において、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの下アームのスイッチング素子をオンとする第1動作モードと、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの上アームおよび下アームのスイッチング素子を同時にオンとする第2動作モードと、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの上アームのスイッチング素子をオンとする第3動作モードと、を用いてインバータ回路および電源遮断回路を制御し、第1動作モードにおいて、下アームに電流を還流するよう下アームのスイッチング素子をオンとし、第3動作モードにおいて、上アームに電流を還流するよう上アームのスイッチング素子をオンとし、制御部は、第1動作モードから第3動作モードへ、または、第3動作モードから第1動作モードへ遷移させる場合において、第1動作モードと第3動作モードとの間に第2動作モードを設け、制御部は、インバータ回路を制御する制御信号のうち少なくとも1つの制御信号に基づいて、電源遮断回路が直流電源とインバータ回路とを再接続するタイミングを制御すること、を特徴とする。
【0008】
また、この発明に係る電動機システムは上記の電力変換装置と、直流電源と、電力変換装置に接続された電動機と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0009】
この発明に係る電力変換装置および電動機システムによれば、共振回路を用いることなくスイッチング損失の低減を実現することができる。
【発明を実施するための形態】
【0011】
実施の形態1.
本発明の実施の形態1に係る電力変換装置および電動機システムについて図面を参照して説明する。
図1は、実施の形態1に示す電力変換装置および電動機システムの全体構成を示すブロック図である。
図2は、電力変換装置が有する制御部の内部ブロック図である。
図3および
図4は、電力変換装置の動作説明用タイムチャートである。
図5は、電力変換装置の低損失スイッチング動作の説明図である。
図6は、電力変換装置の低損失スイッチング動作の説明用模式図である。
図7は、比較例の動作説明図である。
図8は、電力変換装置のインバータ1相分の低損失スイッチング動作説明用タイムチャートである。
【0012】
まず、実施の形態1の電力変換装置および電動機システムの全体構成を
図1に基づいて説明する。実施の形態1に示す電動機システムは、電動機駆動装置1000と電動機130を備えている。電動機駆動装置1000は、電力変換装置100と直流電源である蓄電デバイス120とを備えている。また、電力変換装置100は、電源遮断回路10と、インバータ回路20と、制御部30とを備えている。
【0013】
電動機駆動装置1000は、電動機130を制御するものである。ここで、電動機130は、交流電力が入出力される負荷であり、例えばモータやモータジェネレータである。電動機130がモータである場合には、電動機駆動装置1000は、直流電源であるリチウムイオンバッテリやニッケル水素バッテリあるいはコンデンサなどの蓄電デバイス120から供給される電力を、電力変換装置100で交流に変換し、変換された電力でモータである電動機130を駆動する。
【0014】
電力変換装置100は、一端が蓄電デバイス120に接続され、他端がインバータ回路20に接続されて、蓄電デバイス120からインバータ回路20への入力を遮断する電源遮断回路10と、一端が電源遮断回路10に接続されて、蓄電デバイス120からの入力電力を交流電力に変換して電動機130に電力を供給するインバータ回路20と、電源遮断回路10およびインバータ回路20を制御する制御部30を備えている。インバータ回路20の正極母線27は、電源遮断回路10を介して蓄電デバイス120のプラス端子に接続され、負極母線28は、電源遮断回路10を介して蓄電デバイス120のマイナス端子に接続されている。
【0015】
実施の形態1の電動機システムは、電動機130が発電機として動作する場合にも適用することができる。この場合は、発電機として動作する電動機130は動力を交流電力に変換し、電力変換装置100はこの交流電力を直流電力に変換して電源遮断回路10を介して蓄電デバイス120に電力を供給する。すなわち、実施の形態1の電動機システムは、電力変換装置100が伝送する電力の方向に関わらず、小型で低損失な電動機システムを実現することができる。
【0016】
次に、電力変換装置100の各部の回路構成について、
図1、
図2に基づいて説明する。まず、電源遮断回路10について説明する。
電源遮断回路10は、インバータ回路20と蓄電デバイス120とを遮断する役割を果たし、本実施の形態では正極母線17にスイッチング部11を設ける構成を示している。スイッチング部11は、スイッチング素子11aを備えており、スイッチング素子11aがオフとなることにより直流電源としての蓄電デバイス120とインバータ回路20とを遮断することができる。なお、電源遮断回路10として、スイッチング素子を用いた構成について示したが、これに限ったものではなく、インバータ回路20等の異常時の保護を目的として備えたリレー素子などを用いても良い。
【0017】
本実施の形態では、スイッチング素子11aのドレイン端子および逆並列ダイオード11bのカソード端子が蓄電デバイス120と接続されている。また、スイッチング部11の他端(スイッチング素子11aのソース端子および逆並列ダイオード11bのアノード端子)は、正極母線17に接続されている。なお、本実施の形態に示す電力変換装置では、正極母線17側にスイッチング部11を設ける構成について示したが、これに限ったものではなく、負極母線18側に設ける構成、または正極母線17および負極母線18の両方に設ける構成としてもよい。
【0018】
なお、本実施の形態では、スイッチング素子として、MOSFETを使用することを想定している。また、本実施の形態1では、スイッチング部がスイッチング素子と逆並列ダイオードで構成される例を示したが、逆並列ダイオードはスイッチング素子の寄生ダイオードで代用することができる。また、MOSFETの代わりにIGBT(insulated gate bipolar transistor)やその他のスイッチング素子を適用してもよい。また、そのスイッチング素子は、シリコン単元素半導体に限られるものではなく、シリコンカーバイドや窒化ガリウム等を適用した化合物半導体も適用できる。
【0019】
次に、インバータ回路20について説明する。
インバータ回路20は、PWM(Pulse Width Modulation)制御が適用された3相インバータであり、スイッチング素子を有する2つのアームを直列接続してレグを構成し、3つのレグを互いに並列接続したものである。ここでは、直列接続された2つのアームのうち、正極母線17側のアームを上アーム、負極母線18側のアームを下アームと称することとする。
図1において、インバータ回路20は第1〜第3上アーム21,23,25と第1〜第3下アーム22,24,26とを有している。第1上アーム21と第1下アーム22とが第1レグを構成し、第2上アーム23と第2下アーム24とが第2レグを構成し、第3上アーム25と第3下アーム26とにより第3レグを構成している。また、各アームは、スイッチング素子と逆並列ダイオードとを備えている。例えば、第1上アーム21は、スイッチング素子21aと逆並列ダイオード21bとを備えている。
【0020】
スイッチング素子21aのドレイン端子は正極母線17に接続され、スイッチング素子21aのソース端子はスイッチング素子22aのドレイン端子と直列に接続されている。また、スイッチング素子22aのソース端子は負極母線18に接続されている。同様に、スイッチング素子23aおよびスイッチング素子25aのドレイン端子は、正極母線17に接続され、ソース端子はそれぞれスイッチング素子24aおよびスイッチング素子26aのドレイン端子と直列に接続されている。また、スイッチング素子24aおよびスイッチング素子26aのソース端子は負極母線18に接続されている。
【0021】
本実施の形態では、第1上アーム21と第1下アーム22とから成る第1レグはU相、第2上アーム23と第2下アーム24とから成る第2レグはV相、第3上アーム25と第3下アーム26とから成る第3レグはW相に対応する。第1上アーム21と第1下アーム22との接続点は、電動機130のU相端子130aに接続されており、第2上アーム23と第2下アーム24との接続点は、電動機130のV相端子130bに接続されている。また、第3上アーム25と第3下アーム26との接続点は、電動機130のW相端子130cに接続されている。
【0022】
本実施の形態では、インバータ回路20として3相インバータを用いた場合について説明するが、これに限られるものではなく、2相インバータや4相以上の多相インバータであってもよい。すなわち、インバータ回路を構成するレグの数が2以上の場合に本発明を適用することができる。
【0023】
次に、制御部30について説明する。
制御部30は、基準信号生成回路40と、鋸波キャリア生成回路50と、制御信号生成回路60とゲート駆動回路部70とを備える。基準信号生成回路40は、正弦波信号発生源41と位相シフタ42a,42bとを備える。制御信号生成回路60は、比較器61a〜61eと、反転回路62a〜62cと、固定遅延回路63a〜63cと、加算回路64とを備える。ゲート駆動回路部70は、ゲート駆動回路70a〜70gを備える。
【0024】
ここで、制御部30と、電源遮断回路10、インバータ回路20、および電動機130との制御信号のインターフェイスを説明する。制御部30のゲート制御信号30aは、スイッチング素子11aのゲート端子に接続されている。また、ゲート制御信号30b〜30gは、スイッチング素子21a〜26aのそれぞれのゲート端子に接続されている。ここで、各スイッチング素子のゲート端子に与える制御信号は、各スイッチング素子のソース端子を基準として与えるものであり、実際には各ソース端子との接続配線が存在するが、簡略化のために
図1では図示を省略している。
【0025】
次に、制御部30の制御および回路動作について説明する。
図2は制御部30の内部ブロック図であり、スイッチング素子21a〜26aのゲート制御信号30b〜30gの生成方法を説明するものである。
一般に、インバータのPWM制御は、キャリア信号と基準信号を用いて実現されることが知られている。本実施の形態に示す電力変換装置および電動機システムでは、キャリア信号として、鋸波キャリア生成回路50によって鋸波キャリア信号50aが生成される例を示す。また、基準信号として、基準信号生成回路40内の正弦波信号発生源41で正弦波が生成される例を示す。この基準信号に基づいて、位相シフタ42a,42bにより+2/3πおよび+4/3π位相をシフトした信号が生成される。本実施の形態では、正弦波基準信号40a,40b,40cは、それぞれ電動機130のU相、V相、W相のゲート制御信号を生成する場合に用いられる。
【0026】
図2に示すように、制御部30は、鋸波キャリア信号50aと正弦波基準信号40a〜40cは、比較器61a〜61cでそれぞれ比較判定し、各相の上アームおよび下アームの制御信号が生成される。例えば、U相(第1レグ)の第1上アーム21のスイッチング素子21aのゲート制御信号30bは、比較器61aの出力をゲート駆動回路70bで増幅して生成される。一方、U相(第1レグ)の第1下アーム22のスイッチング素子22aのゲート制御信号30cは、比較器61aの出力を反転回路62aにより論理反転され、この信号に固定遅延回路63aで所定時間の遅延を付加し、ゲート駆動回路70cで増幅して生成される。V相(第2レグ)およびW相(第3レグ)についても同様である。その結果、後で説明する
図3のゲート制御信号30b〜30gが生成される。なお、固定遅延回路63a〜63cで遅延させる所定時間は、スイッチング部11、各相の上アーム21,23,25および各相の下アーム22,24,26の寄生の入力容量と出力容量の充放電の時定数から決定する。
【0027】
一方、電源遮断回路10のスイッチング素子11aのゲート制御信号30aは、比較器61d,61eによる基準信号Vref1およびVref2と鋸波キャリア信号50aとの比較判定結果に基づいて生成する。具体的には、比較器61dは、鋸波キャリア信号50aが正の基準信号Vref1より大きい状態を判定する。一方、比較器61eは鋸波キャリア信号50aが負の基準信号Vref2より小さい状態を判定する。比較器61dおよび比較器61eの出力は加算回路64で加算される。この結果、鋸波キャリア信号50aの値がリセットする点(微分値が不連続になる点)の前後の期間で加算回路64の出力はH状態になる。加算回路64の出力をゲート駆動回路70aで増幅してゲート制御信号30aが生成される。
【0028】
なお、ゲート駆動回路部70のゲート駆動回路70a〜70gは、それぞれが駆動するスイッチング素子のソース電位が異なるため、絶縁インターフェイスおよび絶縁電源を備えている。
【0029】
次に、本実施の形態に示す電力変換装置100の電源遮断回路10の動作を
図3に基づいて説明する。
図3は、本実施の形態に示す電力変換装置における電源遮断回路の動作説明用のタイムチャートであり、信号波形を模式的に示している。なお、
図3において、正弦波基準信号40a〜40cはU相、V相、W相に対応する正弦波基準信号を示す。ゲート制御信号30aは、スイッチング素子11aのゲート制御信号である。ゲート制御信号30b〜30gは、各レグの上アームおよび下アームのスイッチング素子21a〜26aのゲート制御信号を示す。また、Vbusは正極母線17の電圧である。さらに、Rは鋸波キャリア信号50aのリセットを表す。
【0030】
図3に示す通り、鋸波キャリア信号50aの立ち上がり期間におけるスイッチング素子21a〜26aのスイッチングに対しては、電源遮断回路10のスイッチング素子11aはオン状態を保持している。従って、この期間は電源遮断動作を行わない。また、直列接続された上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子(例えば21aと22a)の短絡を防止するために、固定遅延回路63a〜63cにより所定期間のデッドタイム(以下、正デッドタイム)が確保される。この鋸波キャリア信号50aの立ち上がり期間の回路動作は、従来の一般的な3相インバータ制御と同様である。
【0031】
一方、鋸波キャリア信号50aを採用したことにより、鋸波のリセット時にスイッチング素子21a〜26aの全てがスイッチング動作することとなるが、その前後の期間(
図3中の電源遮断期間Pr)を電源遮断回路10のスイッチング素子11aをオフ期間とする。
【0032】
上述の通り、この電源遮断期間Prは、鋸波キャリア信号50aが正の基準信号Vref1より大きい期間と負の基準信号Vref2より小さい期間を加算回路64で加算することで生成している。この電源遮断期間Prに、インバータ回路20のスイッチング素子21a〜26aをスイッチングすることで、3相一括の低損失スイッチングを実現できる。
【0033】
次に、本実施の形態の電源遮断回路10の特徴とその効果を
図4〜
図8に基づいて説明する。
図4は、
図3に図示した電源遮断期間Prを中心に、一点斜線で示した範囲Aを分かり易く拡大したものである。また、
図4に図示した電源遮断期間Prの前および後の期間におけるインバータ回路20の電流経路を
図5(a)および
図5(b)にそれぞれ示している。鋸波のようなリセット形状(信号の符号が即座に反転する形状)を有するキャリア信号を採用することにより、キャリア信号がリセットする際に下アーム還流モード(
図5(a))から上アーム還流モード(
図5(b))に遷移するように制御することができる。さらに、固定遅延回路63a〜63cにより、電源遮断期間Prにおいてインバータ回路20の上アームおよび下アームのスイッチング素子(例えば21aと22a)が同時オンする期間(以下、負デッドタイム)を設ける。この負デッドタイムを設けることで、正極母線17の電圧Vbusを零電圧に低下させ、低損失スイッチング動作を実現できる。
【0034】
図5(a)から
図5(b)への環流電流の遷移を、低損失スイッチング動作の説明用模式図である
図6で説明する。
図6は、低損失スイッチング動作を分かり易く説明する模式図であり、符番号は省略している。
図6(a)〜(c)は、
図5(a)から
図5(b)への遷移を示す図であり、
図6(d)は、
図5(b)に対応する。
【0035】
図6(a)は、
図5(a)の状態からスイッチング部11のスイッチング素子11aがオフとなった状態である。ここでは、
図6(a)に示す状態を第1動作モードと称することとする。第1動作モードは、一括スイッチング前の状態であり、
図5(a)と同様に下アーム還流モードの状態である。すなわち、各相の下アームのスイッチング素子22a,24a,26aがオン状態(各相の上アームのスイッチング素子21a,23a,25aがオフ状態)となる状態であり、
図6(a)に示すように、インバータ回路20のオン状態にある各相の下アーム22,24,26と電動機130との間で電流を還流させる還流モードである。ここで、
図5(a)ではスイッチング素子11aがオフしているが、そのドレイン−ソース間電圧は増加せず、従って寄生容量は放電した状態を保持する。すなわち、スイッチング素子11aは零電流でターンオフすることとなる。
【0036】
図6(b)は、
図6(a)の状態から、各相の上アームのスイッチング素子21a,23a,25aがオンとなった状態を示している。ここでは、
図6(b)に示す状態を第2動作モードと称することとする。第2動作モードでは、インバータ回路20のすべての相の上アームおよび下アームのスイッチング素子21a〜26aが同時にオンとする状態である。ここで、図中の破線で示したスイッチング部の寄生容量を充放電する電流の経路を点線で示している。すなわち、第1の動作モードでオフ状態にあった各相の上アーム21,23,25は、寄生容量に電荷が充電されているため、そのオン動作によってこれらの寄生容量の電荷は放電されることとなる。
図6(b)で上下アームが同時オンする段階においては、スイッチング部11の寄生容量に
図6(b)中の点線の充電経路が形成されるため、正極母線17の電圧Vbusは零電圧に低下する。このとき、各相の上アームのスイッチング素子21a,23a,25aは零電流でターンオンし、各相の上アームおよび下アームを電流が還流する状態になる。
【0037】
次に、
図6(c)は、
図6(b)の状態から、下アームのスイッチング素子22a、24a、26aがターンオフした状態を示している。ここでは、
図6(c)に示す状態を第3動作モードと称することとする。第3動作モードでは、インバータ回路20の各相の上アームのスイッチング素子21a,23a,25aを同時にオンとした状態であり、各相の上アームを電流が還流することとなる。ここで、各相の下アームのスイッチング素子22a,24a,26aがオフした段階においては、正極母線17の電圧Vbusは零電圧にあり、従って各相の下アームのスイッチング素子22a,24a,26aは零電圧でスイッチングする。その後、スイッチング素子11aがオンすると(
図6(d))、スイッチング部11の寄生容量は図中の点線の経路で放電され、一方で各相の下アーム22,24,26は図中の点線の経路で充電され、結果として正極母線17の電圧Vbusが上昇する。このタイミングでインバータ回路の還流電流は、下アームから上アームへ完全に移行する。このスイッチング素子11aのオン動作においても、スイッチング素子11aは零電流でターンオンする。
【0038】
以上のように、
図6(a)〜(d)の各素子のスイッチング動作は、零電流または零電圧のスイッチングをするため、低損失なスイッチングを実現することができる。ここで、従来のソフトスイッチング技術では、共振原理によって正極母線17の電圧Vbusを上昇および下降さていた。一方、本発明では、第2動作モードにおけるインバータ回路の上アームおよび下アームの同時オン動作で正極母線17の電圧Vbusを下降させ、スイッチング部11の再接続動作(スイッチング素子11aのオン動作)でVbusを上昇させる点が異なる。これにより、共振回路が不要となり、回路の小型化を実現できる。さらに、従来のソフトスイッチング技術ではVbusの降下期間が負荷電力に依存して大きくならざるを得なかったのに対し(たとえば10μs)、本発明では共振周期に寄らず十分に小さくできるため(たとえば1μs未満)、従ってインバータの実効的な出力電圧の低下による電動機の出力性能の低下を抑制できる。
【0039】
なお、上記では第1動作モードにおいて各相の下アームのスイッチング素子22a,24a,26aをすべてオンとする場合について示したが、必ずしもすべてをオンとする必要はない。例えば、
図6(a)に示す例ではスイッチング素子24aはオフとした場合でも、スイッチング素子24aに逆並列に接続された逆並列ダイオード24bを介して還流することができる。第2動作モードおよび第3動作モードについても同様であり、第2動作モードにおいては、各相の上アームのスイッチング素子21a,23a,25aおよび各相の下アームのスイッチング素子22a,24a,26aを、必ずしもすべてオンとする必要はない。また、第3動作モードにおいても、各相の上アームのスイッチング素子21a,23a,25a必ずしもすべてオンとする必要はない。
【0040】
ここで、低損失スイッチング動作を実現するとき、各相の上アームおよび下アームをオンにする負デッドタイムを設けることが必要である理由を比較例である
図7を用いて説明する。
図7は、
図5(a)から
図5(b)に遷移する際に、一般的な正デッドタイム期間を設けた状態、すなわちインバータ回路のスイッチング素子21a〜26aの全てをオフした状態のインバータ回路の電流経路を示す図である。この場合は、負荷電流はインバータ回路20の逆並列ダイオードに流れることになる。その結果として、負荷電流はスイッチング部11の逆並列ダイオード11bを介して電源へ回生される。すなわち、スイッチング素子11aがオフ状態にあったとしても、
図5(a)から
図5(b)に遷移する際の正デッドタイム期間中に正極母線17の電圧Vbusが上昇し、従って零電圧スイッチング動作が実現できないこのため、一般的な正デッドタイム期間を設けた場合には、ソフトスイッチング動作を実現するために、正デッドタイム期間中の負荷電流を共振回路で流すために、大規模な共振回路を追加する必要がある。
【0041】
さらに、本実施の形態の電源遮断回路10の動作を
図8に基づいて、
図1も参照して説明する。
図8はU相を例として、
図4の電源遮断期間Prにおける低損失スイッチング波形を模式的に示した図である。
図8において、ゲート制御信号30b,30cは、U相の上アームおよび下アームのスイッチング素子21a,22aのゲート制御信号である。ゲート制御信号30aは、スイッチング素子11aのゲート制御信号である。また、Vbusは正極母線17の電圧である。Ia(破線)は、U相上アーム(第1上アーム21)の逆並列ダイオード21bを流れる電流であり、Vka(実線)は、U相上アームの逆並列ダイオード21bの端子間電圧である。Id(破線)は、U相下アーム(第1下アーム22)のスイッチング素子22aを流れる電流であり、Vds(実線)は、U相下アームのスイッチング素子22aのソースードレイン間の電圧である。また、「HS」は通常スイッチングを示し、「SS」は低損失スイッチングを示す。
【0042】
この電源遮断期間Prにおいて、U相下アームのスイッチング素子22aはオンからオフに遷移する。これに伴い、U相上アームの逆並列ダイオード21bはオフからオンに遷移し、電流Iaはすべて逆並列ダイオード21bに流れるようになる。
図8において、U相下アームのスイッチング素子22aのオン→オフの遷移は、ゲート制御信号30c(U相下アームのスイッチング素子22aのゲート制御信号)のオン→オフの変化に対応する。この低損失スイッチングは、上述のように正極母線17の電圧Vbusが零電圧の状態のスイッチングであるため、スイッチング損失が発生しない零電圧スイッチングを実現できる。
【0043】
なお、通常スイッチング(HS)は、一般的な正デッドタイム期間を設けた場合のスイッチングであり、具体的には、U相下アームのスイッチング素子22aのオフ→オンへのスイッチングである。ここで、U相上アームの逆並列ダイオード21bを流れる電流(Ia)およびU相上アームの逆並列ダイオード21bの端子間電圧(Vka)の変化は、U相下アームのスイッチング素子22aがオフからオンに遷移することに伴い、U相上アームの逆並列ダイオード21bがオンからオフに遷移することを表している。
【0044】
このように、本実施の形態に示す電力変換装置および電動機システムは、鋸波キャリア信号のリセット時のインバータ動作を低損失化し、電源遮断回路10で発生するスイッチング損失をも抑制することができる。鋸波キャリア信号のリセット時に発生するインバータのスイッチングは総回数の1/2である。従って、本実施の形態1ではインバータ回路20のスイッチング損失を1/2に低減できる。一方で、電源遮断回路10で発生する損失は主としてスイッチング素子11aの導通損失であるが、この導通損失はスイッチング素子11aを並列化することでさらに低減できる。
【0045】
以上のように、本実施の形態1に示す電力変換装置および電動機システムでは、鋸波キャリア信号のようなリセット形状を有するキャリア信号を採用することでインバータを下アーム還流モードから上アーム還流モードに遷移する動作モードを設け、このタイミングで電源遮断回路のスイッチング素子11aをオフかつインバータの上、下アームの制御に負デッドタイム期間を設けることで蓄電デバイス120へ回生動作を防止し、共振電流を流すことなく低損失スイッチングを実現するものである。
【0046】
従って、本実施の形態1で適用するキャリア信号は鋸波形状に限られるものではなく、下アーム還流から上アーム還流に遷移する動作モードを提供するキャリア信号全般に適用できる。
【0047】
また、本実施の形態1では、鋸波キャリア信号が立ち上がる期間中のスイッチングに対して正デッドタイムを与え、かつ鋸波キャリア信号のリセット時のスイッチングに対して負デッドタイムを与える手段として、固定遅延回路63a〜63cを用いた構成を例示した。しかし、これに限られるものではない。さらに、本実施の形態1では、下アーム還流から上アーム還流に遷移する場合を例示したが、比較器61a〜61cの+入力と−入力を入れ替えることで上アーム還流から下アーム還流に遷移させてもよい。
【0048】
なお、本実施の形態1では、直流電源として、蓄電デバイスを想定して説明した。しかし、交流電力をインバータで直流に変換した直流電源であってもよい。また、太陽光発電装置、燃料電池、直流出力可能な発電機であってもよい。
【0049】
また、本実施の形態1では、電力変換装置100の低損失スイッチング(負デッドタイム)の適用を、蓄電デバイス120から電動機130に電流が流れる方向の例で説明した。しかし、電力変換装置100の低損失スイッチング(負デッドタイム)は、発電機としての電動機130から蓄電デバイス120に電流が流れる方向の場合でも、同様に適用できる。すなわち、電力変換装置100を流れる電流の方向に関わらずに、低損失スイッチング(負デッドタイム)を適用することで、共振回路を追加することいなく損失低減を実現した電力変換装置及びこれを用いた電動機システムを構成できる。
【0050】
以上説明したように、実施の形態1に係る電力変換装置および電動機システムは、直流電源とインバータ回路との間に接続された電源遮断部と、インバータ回路と、電源遮断部とを制御する制御部とを備えており、制御部が、制御部は、電源遮断回路が直流電源とインバータ回路とを遮断する期間において、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの下アームのスイッチング素子をオンとする第1動作モードと、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの上アームおよび下アームのスイッチング素子を同時にオンとする第2動作モードと、複数のレグのうち少なくとも1つのレグの上アームのスイッチング素子をオンとする第3動作モードと、を用いてインバータ回路および電源遮断回路を制御することにより、回路の小型化および損失低減を実現できる。さらに、インバータ出力の零電圧期間の増加による実効的な出力電圧の低下を抑制し、従って電動機の出力特性の低下を抑制できる。
【0051】
実施の形態2.
実施の形態2の電力変換装置および電動機システムは、実施の形態1の電力変換装置および電動機システムと比べ、インバータ回路の上アームと下アームのスイッチング素子のゲート制御信号の遅延時間および電源遮断回路が蓄電デバイスとインバータ回路とを遮断する期間を削減し、従ってインバータ出力の零電圧期間を短縮する構成としたものである。実施の形態2に係る電力変換装置および電動機システムの構成は
図1に示す場合と同様であり、説明を省略する。
【0052】
以下、実施の形態2の電力変換装置について、制御部の内部ブロック図である
図9に基づいて、実施の形態1との差異を中心に説明する。
図9において、実施の形態1の
図2と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。なお、実施の形態1と区別するため、電力変換装置200、制御部230、および制御信号生成回路260としている。
【0053】
まず、電力変換装置200の制御部230の構成を
図9に基づいて説明する。
実施の形態2の制御部230と実施の形態1の制御部30との構成の違いは、制御信号生成回路260である。制御信号生成回路260において、実施の形態1の制御信号生成回路60の固定遅延回路63a〜63cを可変遅延回路263a〜263cとし、さらに電源電圧検出回路51と遮断期間調整回路を追加している。
【0054】
図2に示した実施の形態1における制御信号の生成方法と比べて、
図9に示す制御部230では可変遅延回路263a〜263cが、電源電圧検出回路51が検出した蓄電デバイス120の電圧検出値51aに応じて遅延時間を可変させる。さらに、遮断期間調整回路66は、電圧検出値51aに応じて比較器61dおよび61eの基準電圧を調整する。これにより、実施の形態1では予め定めた所定の遅延時間および電源遮断期間を与えるに対して、本実施の形態2では蓄電デバイスの電圧値に応じて遅延時間を最適化することができる。すなわち、蓄電デバイスの電圧値に応じてスイッチング部11および第1〜第3上アーム21,23,25および第1〜第3下アーム22,24,26の寄生容量が変化することに起因して、正極母線17の電圧Vbusの立ち上がりおよび立ち下がり時間が変化すること考慮して遅延時間を与える。その結果、デッドタイムを最小化することができるため、デッドタイム追加による電力変換効率の低下を抑制できる効果がある。
【0055】
本実施の形態2では、蓄電デバイス120の状態を検出する方法として電源電圧検出回路51を用いる構成を例示したが、蓄電デバイス120から供給される電流値を検出する方法であってもよい。この場合、電源電圧検出回路の入力信号としては、カレントトランス等を用いて取得した正極母線17を流れる電流の測定値を用いることができる。
【0056】
本実施の形態2において、制御信号生成回路260以外の構成および動作は、実施の形態1と同様であるため、その説明は省略する。
【0057】
以上説明したように、実施の形態2に係る電力変換装置および電動機システムは、実施の形態1で示した電力変換装置の上アームと下アームのスイッチング素子のゲート制御信号の遅延時間および電源遮断期間を蓄電デバイスの状態に応じて変更する構成としたものである。したがって、実施の形態2の電力変換装置およびこれを用いた電動機システムは、実施の形態1と同様におよび共振回路を用いることなく損失低減を実現できる。さらに、デッドタイム追加による電力変換効率の低下、さらにはインバータ実効的な出力電圧の低下を抑制できる効果がある。
【0058】
実施の形態3.
実施の形態3に係る電力変換装置および電動機システムは、実施の形態2で示した電力変換装置および電動機システムと同様に、インバータ回路の上アームと下アームのスイッチング素子のゲート制御信号の遅延時間および電源遮断回路が蓄電デバイスとインバータ回路とを遮断する期間を削減し、インバータ出力の零電圧期間を短縮する構成としたものである。実施の形態3に係る電力変換装置および電動機システムの構成は
図1に示す場合と同様であり、説明を省略する。
【0059】
以下、実施の形態3の電力変換装置について、制御部の内部ブロック図である
図10に基づいて、実施の形態2との差異を中心に説明する。
図10において、実施の形態2の
図9と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。なお、実施の形態2と区別するため、電力変換装置300、制御部330、および制御信号生成回路360としている。
【0060】
まず、電力変換装置300の制御部330の構成を
図10に基づいて説明する。実施の形態3の制御部330と実施の形態2の制御部230との構成の違いは、電源電圧検出回路51を削除したこと、および制御信号生成回路360の構成である。
【0061】
図9に示した実施の形態2における制御信号の生成方法と比べて、
図10では可変遅延回路263a〜263cが、スイッチング素子11aを駆動するゲート駆動回路70aの出力電圧を判定するゲート判定回路267aの出力電圧に応じて遅延時間を可変させる。さらに、遮断期間調整回路66は、スイッチング素子26aを駆動するゲート駆動回路70gの出力電圧を判定するゲート判定回路267bの出力電圧に応じて比較器61dおよび61eの基準電圧を調整する。これにより、実施の形態2では蓄電デバイスの電圧値に応じて遅延時間を最適化したのに対し、本実施の形態3ではスイッチング素子11aおよび26aのゲートが完全にオフしたタイミングを検出して遅延時間を最適化することができる。具体的には、蓄電デバイス120とインバータ回路20が遮断されると即座にインバータ回路20の上アーム21,23,25および下アーム22,24,26を同時オン状態にし、かつインバータ回路20の上アーム21,23,25および下アーム22,24,26の同時オン状態が解除されると即座に蓄電デバイス120とインバータ回路20を再接続するように調整する。その結果、デッドタイムを最小化することができるため、デッドタイム追加による電力変換効率の低下を抑制できる効果がある。
【0062】
本実施の形態3では、インバータ回路の上アーム21,23,25および下アーム22,24,26の同時オン状態が解除されるタイミングを検出する方法として、スイッチング素子26aのゲート電圧を判定する例を示したが、他の下アームのスイッチング素子のゲート電圧を判定する方法、あるいは全ての下アームのスイッチング素子のゲート電圧を判定する方法であっても良い。
【0063】
本実施の形態3において、制御信号生成回路360以外の構成および動作は、実施の形態1と同様であるため、その説明は省略する。
【0064】
以上説明したように、実施の形態3の電力変換装置は、実施の形態1の電力変換装置の上アームと下アームのスイッチング素子のゲート制御信号の遅延時間および電源遮断期間をスイッチング素子のゲートの放電時間に応じて最適化する構成としたものである。したがって、実施の形態3の電力変換装置およびこれを用いた電動機システムは、実施の形態1と同様におよび共振回路を用いることなく損失低減を実現できる。さらに、デッドタイム追加による電力変換効率の低下、さらにはインバータ実効的な出力電圧の低下を抑制できる効果がある。
【0065】
実施の形態4.
実施の形態4の電力変換装置および電動機システムは、実施の形態1の電力変換装置および電動機システムのインバータ回路および電動機をX群とY群の2群構成としたものである。
【0066】
以下、実施の形態4の電力変換装置および電動機システムについて、電力変換装置および電動機システムの構成を示すブロック図である
図11、および電力変換装置の制御部の内部ブロック図である
図12に基づいて、実施の形態1との差異を中心に説明する。
図11、12において、実施の形態1の
図1、2と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。なお、実施の形態1と区別するため、電動機システム4000、電力変換装置400、インバータ回路420X、420Y、制御部430、基準信号生成回路440、および制御信号生成回路460としている。また、
図12において、図面を簡素化するため、ゲート駆動回路部を省略している。
【0067】
まず、実施の形態4の電動機システム4000および電力変換装置400の全体構成を
図11に基づいて説明する。
電動機システム4000は、蓄電デバイス120から供給される電力を、電力変換装置400で交流に変換し、変換された電力でモータである2台の電動機130X、130Yを駆動する。電力変換装置400は、負荷である2台の電動機130X、130Yにそれぞれ電力を供給するインバータ回路420X、420Yと、インバータ回路420X、420Yと蓄電デバイス120の間に接続された電源遮断回路10と、電源遮断回路10およびインバータ回路420X、420Yを制御する制御部430を備えている。以下、適宜、電動機130Xおよびインバータ回路420X、電動機130Yおよびインバータ回路420YをそれぞれX群、Y群と記載する。
【0068】
電源遮断回路10とインバータ回路420X、420Yそれぞれの構成および動作は、実施の形態1に示す電源遮断回路とインバータ回路20と同様であるため、説明は省略する。
【0069】
次に制御部430について説明する。
制御部430は、基準信号生成回路440と、鋸波キャリア生成回路50と、制御信号生成回路460と図示しないゲート駆動回路部とを備える。基準信号生成回路440では、実施の形態1の基準信号生成回路40に対して、インバータ回路420Y用に位相シフタ443a〜443cが追加されている。インバータ回路420Y用の正弦波基準信号40aY、40bY、40cYはそれぞれインバータ回路420Y(すなわち、電動機130Y)のU相、V相、W相に対応する。正弦波信号発生源41で生成する基準信号に対して、位相シフタ443aで位相をθ分だけシフトさせている。このため、この正弦波基準信号40aY、40bY、40cYは、インバータ回路420X(すなわち、電動機130X)用の正弦波基準信号40aX、40bX、40cXに対して、位相がθシフトしている。
【0070】
制御信号生成回路460では、実施の形態1の制御信号生成回路60に対して、2台のインバータ回路420X、420Yに対応する構成となっている。それぞれの構成、動作は、実施の形態1と同じである。すなわち、制御信号生成回路460では、インバータ回路420Xに対応する、比較器61aX〜61cXと、反転回路62aX〜62cXと、固定遅延回路63aX〜63cXとを備える。また、制御信号生成回路460では、インバータ回路420Yに対応する、比較器61aY〜61cYと、反転回路62aY〜62cYと、固定遅延回路63aY〜63cYとを備える。
【0071】
2群の電動機(130X、130Y)を2群のインバータ回路(420X、420Y)で駆動する場合、2群のインバータ回路の各相の正弦波基準信号を異なる位相で与えることで、蓄電デバイス120に発生するリップル電流を分散化することが一般的である。本実施の形態4では、その位相差をθとしている。一方で、鋸波キャリア信号50aは、X群とY群で同一の信号を用いている。同一のキャリア信号を用いることで、鋸波キャリア信号のリセット時にX群とY群が同時にスイッチングするため、電源遮断回路のゲート制御信号は
図2と同様に生成することができる。すなわち、電源遮断回路の動作周波数の増加を抑制し、制御負荷の増加を抑制することができる。
【0072】
実施の形態4では、インバータ回路420X、420Yおよび電動機130X、130Yが、2群構成になっているため、電動機の総出力トルクを向上できる。また、一方の電動機は駆動を主体とし、他方の電動機は発電を主体とするように設計することで、駆動と発電の両機能をそれぞれ最適に実現することができる。
【0073】
本実施の形態4では、インバータ回路および電動機が2群構成の例を示したが、3群構成あるいはそれ以上の多群構成に対しても、同様に適用することができる。
【0074】
以上説明したように、実施の形態4の電力変換装置および電動機システムは、実施の形態1の電力変換装置および電動機システムのインバータ回路および電動機をX群とY群の2群構成としたものである。したがって、実施の形態4の電力変換装置およびこれを用いた電動機システムは、実施の形態1と同様に追加する回路の小型化および損失低減を実現できる。さらに、電動機の総出力トルクの向上、および駆動と発電の両機能の最適化を実現することができる。
【0075】
実施の形態5.
実施の形態5の電力変換装置および電動機システムは、実施の形態4の電力変換装置および電動機システムに対して、2群のインバータ回路の鋸波キャリア信号に位相差φを設ける構成としたものである。
【0076】
以下、実施の形態5の電力変換装置および電動機システムについて、電力変換装置の内部ブロック図である
図13に基づいて、実施の形態4との差異を中心に説明する。
図13において、実施の形態4の
図12と同一あるいは相当部分は、同一の符号を付している。なお、実施の形態4と区別するため、電力変換装置500、制御部530、および制御信号生成回路560としている。なお、
図13において、図面を簡素化するため、ゲート駆動回路部を省略している。
【0077】
まず、実施の形態5の電動機システムおよび電力変換装置500の全体構成は、実施の形態4の電動機システム4000および電力変換装置400と同様である。すなわち、電動機システムは、蓄電デバイス120から供給される電力を、電力変換装置500で交流に変換し、変換された電力でモータである2台の電動機を駆動する。
【0078】
次に制御部530について説明する。
実施の形態4の制御部430との違いは、制御信号生成回路560である。まず、構成の違いを説明する。制御信号生成回路560では、実施の形態4の制御信号生成回路460に対して、位相シフタ565と加算回路566が追加されている。位相シフタ565によって、鋸波キャリア生成回路50が生成する鋸波キャリア信号50aに対して、位相差φ分だけシフトさせて、X群用の鋸波キャリア信号(50aX)として用いている。また、加算回路566では、鋸波キャリア信号50a(50aY)と位相差φ分だけシフトさせたX群用の鋸波キャリア信号(50aX)を加算し、その出力を比較器61d、61eに入力している。
なお、
図13では、鋸波キャリア信号50aと同じ信号であるが、鋸波キャリア信号50aXとの対応を明確にするため、鋸波キャリア信号50aYと記載している。
【0079】
次に、電力変換装置500の動作について、実施の形態4の電力変換装置400との差異を中心に説明する。
位相差φは、蓄電デバイス120に発生するリップル電流、およびノイズを分散化する目的で与えられる。この場合、インバータ回路のX群とY群の鋸波キャリア信号50aXおよび鋸波キャリア信号50aYのリセットタイミングがずれるため、両方のリセットタイミングで電源遮断回路を動作させる必要がある。そこで、本実施の形態5では、鋸波キャリア信号50aXと鋸波キャリア信号50aYを加算回路566で加算し、比較器61d,61eに入力する構成としている。このため、電源遮断回路10の動作周波数は実施の形態4に示す電力変換装置の2倍となり、電源遮断回路10の損失も2倍になる。
【0080】
従来方式では、共振回路の損失が問題となり、例えばインバータ回路X群とY群でそれぞれ個別に共振回路を設けるなどの対策が必要と考えられる。
一方、本実施の形態5の電動機システムでは、共振回路を削除したことにより、異なるタイミングでスイッチングするインバータ回路X群とY群に同一の電源遮断回路を適用することができる。
【0081】
本実施の形態5の制御部530の制御信号生成回路560以外の構成および動作は、実施の形態4と同様であるため、その説明は省略する。
【0082】
本実施の形態5では、インバータ回路および電動機が2群構成の例を示したが、3群構成あるいはそれ以上の多群構成に対しても、各群の正弦波基準信号および鋸波キャリア信号に位相差を与えることで、容易に適用することができる。
【0083】
以上説明したように、実施の形態5の電力変換装置および電動機システムは、実施の形態4の電力変換装置および電動機システムに対して、2群のインバータ回路の鋸波キャリア信号に位相差φを設ける構成としたものである。したがって、実施の形態5の電力変換装置およびこれを用いた電動機システムは、実施の形態1と同様に追加するLC共振回路の小型化および損失低減を実現できる。さらに、電動機の総出力トルクの向上、および駆動と発電の両機能の最適化を実現することができるとともに、蓄電デバイスに発生するリップル電流およびノイズを分散できる。
【0084】
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。