JP2014168998A

JP2014168998A - 電力変換装置

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Publication number: JP2014168998A
Application number: JP2013040915A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Hatsukawa; 聡初川
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2014-09-18
Anticipated expiration: 2033-03-01
Also published as: JP6085995B2

Abstract

【課題】スピーカ及び増幅器を用いることなく警報音を発生させることができ、且つ、モータ又はフィルタ等のリアクトルの小型化が可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態に係る電力変換装置１は、ＰＷＭ方式を用いて電力変換を行い、モータ６を駆動するための駆動電力を生成するものである。この電力変換装置１は、ＰＷＭ信号Ｓｐｗｍに応じてスイッチングを行うことにより駆動電力を生成するスイッチング部１０と、所望のモータ出力Ｓｒに応じた基準信号Ｓｒａと搬送波信号Ｓｃとを比較して、ＰＷＭ信号Ｓｐｗｍを生成する制御部２０とを備える。制御部２０は、警報音のための警報信号Ｓａを基準信号Ｓｒａに重畳し、警報信号Ｓａの周波数は可聴周波数である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式を用いて電力変換を行い、モータを駆動するための駆動電力を生成する電力変換装置に関するものである。

電力変換を行い、モータを駆動するための駆動電力を生成する電力変換装置が知られている。この種の電力変換装置は、所望のモータ出力に応じた基準信号と搬送波信号とを比較することによりＰＷＭ信号を生成し、例えばインバータをＰＷＭ信号でスイッチングすることによりモータ駆動電力を生成する（ＰＷＭ方式）。この種の電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド車に用いられることがある。

電気自動車やハイブリッド車等では、ＰＷＭの搬送波信号の周波数が可聴周波数より高く設定され、モータ又はフィルタ等のリアクトルの小型化、及び、モータの静音化が図られている。また、電気自動車やハイブリッド車等では、モータの静音化に伴い、スピーカを用いて警報音を発する機能を備え、歩行者等に車両の接近を気付かせるようにすることが考案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、特許文献２には、モータから発生する電磁気音がＰＷＭの搬送波信号の周波数に関係することに着目し、搬送波信号の周波数を調整することによって電磁気音を調整することが開示されている。

特開２００９−４０３１８号公報特許第２８１００８１号公報

特許文献１に開示の発明では、警報音を発するために、スピーカ、及び、スピーカを駆動するための増幅器等が必要となってしまう。一方、特許文献２に開示の発明では、ＰＷＭの搬送波信号の周波数を可聴周波数以下に設定する必要があり、モータ又はフィルタ等のリアクトルが大きくなってしまう。

そこで、本発明は、スピーカ及び増幅器を用いることなく警報音を発生させることができ、且つ、モータ又はフィルタ等のリアクトルの小型化が可能な電力変換装置を提供することを目的としている。

本発明の電力変換装置は、ＰＷＭ方式を用いて電力変換を行い、モータを駆動するための駆動電力を生成する電力変換装置であって、ＰＷＭ信号に応じてスイッチングを行うことにより駆動電力を生成するスイッチング部と、所望のモータ出力に応じた基準信号と搬送波信号とを比較して、ＰＷＭ信号を生成する制御部とを備え、制御部は、警報音のための警報信号を基準信号に重畳し、警報信号の周波数は、可聴周波数である。

この電力変換装置では、基準信号に警報信号を重畳することにより、ＰＷＭ信号が警報信号に応じて変調し、その結果、駆動電力が警報信号に応じて変調することとなる。この駆動電力でモータを駆動すると、駆動電力の変調に起因してモータのリアクトルが振動し、その結果、警報信号に応じた警報音が発生することとなる。

この電力変換装置によれば、ＰＷＭの搬送波信号の周波数と、警報音のための警報信号の周波数とを別々に設定することができる。すなわち、警報信号の周波数を可聴周波数に設定することにより、スピーカ及び増幅器を用いることなく、警報音を発生させることができる。一方、搬送波信号の周波数を可聴周波数よりも高く設定すれば、モータ又はフィルタ等のリアクトルの小型化が可能である。

上記した警報信号の周波数は、搬送波信号の周波数の１／２倍以下であってもよい。これにより、ＰＷＭ方式による電力変換に警報信号が与える影響を軽減することができる。

また、上記したスイッチング部は、インバータであってもよいし、ＤＣ−ＤＣコンバータであってもよい。

また、上記したスイッチング部におけるスイッチング素子の材料は、ワイドバンドギャップ半導体を含んでいてもよい。ワイドバンドギャップ半導体材料を用いたスイッチング素子は、比較的に低損失であるので、ＰＷＭの搬送波信号の周波数を高く設定しても、スイッチング部におけるスイッチング損失を比較的に低減することができる。

本発明によれば、スピーカ及び増幅器を用いることなく警報音を発生させることができ、且つ、モータ又はフィルタ等のリアクトルの小型化が可能である。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置を示す図である。図１に示す制御部における各部信号波形を示す図である。従来の電力変換装置の制御部における各部信号波形を示す図である。本発明の変形例に係る電力変換装置を示す図である。本発明の変形例に係る電力変換装置を示す図である。本発明の変形例に係る電力変換装置を示す図である。図６に示す制御部における各部信号波形を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置を示す図である。図１に示す電力変換装置１は、例えば電気自動車又はハイブリッド車に搭載され、直列に接続されたバッテリ５ａ，５ｂから供給される直流電力を交流電力に変換し、モータ６を駆動するための駆動電力を生成するものである。この電力変換装置１は、例えばアクセル開度に応じた所望のモータ出力指令Ｓｒに基づき、ＰＷＭ方式を用いてモータ駆動電力を生成する。電力変換装置１は、インバータ（スイッチング部）１０と、制御部２０と、電流センサ３０と、フィルタ４０とを備える。

インバータ１０は、ハーフブリッジ型のインバータであり、バッテリ５ａの高電位側端子とバッテリ５ｂの低電位側端子との間に順に直列に接続されたトランジスタ（スイッチング素子）１１ａ，１１ｂと、トランジスタ１１ａ，１１ｂそれぞれに並列に接続されたダイオード１２ａ，１２ｂとからなる。以下では、トランジスタ１１ａ，１１ｂとしてＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を用いる場合を例示するが、トランジスタ１１ａ，１１ｂとしてはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられてもよい。

トランジスタ１１ａのドレインは、バッテリ５ａの高電位側端子に接続されており、トランジスタ１１ａのソースは、トランジスタ１１ｂのドレインに接続されている。トランジスタ１１ｂのソースは、バッテリ５ｂの低電位側端子に接続されている。また、ダイオード１２ａのアノードは、トランジスタ１１ａのソースに接続されており、ダイオード１２ａのカソードは、トランジスタ１１ａのドレインに接続されている。また、ダイオード１２ｂのアノードは、トランジスタ１１ｂのソースに接続されており、ダイオード１２ｂのカソードは、トランジスタ１１ｂのドレインに接続されている。

トランジスタ１１ａ，１１ｂの間のノードは、電流センサ３０及びフィルタ４０を介して単相交流モータ６の一方の端子に接続されており、単相交流モータ６の他方の端子はバッテリ５ａ，５ｂの間のノードに接続されている。

このトランジスタ１１ａ，１１ｂのゲートに、制御部２０からＰＷＭ信号Ｓｐｗｍが供給されると、トランジスタ１１ａ，１１ｂが交互にスイッチングを行い、バッテリ５ａ，５ｂの間のノードに対して、すなわちモータ６の他方の端子電位に対して、交互に正負に反転する駆動電力（交流電力）を、モータ６の一方の端子に供給することとなる。

電流センサ３０は、インバータ１０からモータ６に供給される駆動電流をモニタし、この駆動電流の大きさに応じた信号を制御部２０に供給する。

フィルタ４０は、例えばリアクトルからなり、インバータ１０から供給される駆動電流を平滑化するように作用する。なお、モータ６のリアクトルによって充分な平滑作用が得られる場合には、フィルタ４０は必ずしも備えられなくてもよい。

次に、図１及び図２を参照して、制御部２０について説明する。図２は、制御部２０における各部信号波形を示す図である。制御部２０は、基準信号生成部２１とＰＷＭ信号生成部２２とを有する。

基準信号生成部２１は、所望のモータ出力指令Ｓｒ（図２（ａ））に基づく基準信号Ｓｒａであって、警報音のための警報信号Ｓａ（図２（ｂ））を重畳した基準信号Ｓｒａ（図２（ｃ））を生成する。基準信号生成部２１は、基準信号ＳｒａをＰＷＭ信号生成部２２に供給する。

ＰＷＭ信号生成部２２は、基準信号Ｓｒａと搬送波信号Ｓｃ（図２（ｄ））とを比較して（図２（ｅ））、ＰＷＭ信号Ｓｐｗｍ（図２（ｆ））を生成する。なお、ＰＷＭ信号生成部２２は、電流センサ３０からのフィードバック信号に基づいて、ＰＷＭ信号Ｓｐｗｍの調整を行ってもよい。

警報信号Ｓａの周波数は、可聴周波数であり、約２０Ｈｚ以上約２０ｋＨｚ以下である。より好ましくは、警報信号Ｓａの周波数は約１２０Ｈｚ以上約４ｋＨｚ以下であり、更に好ましくは約１２０Ｈｚ以上約１ｋＨｚ以下である。一方、搬送波信号Ｓｃの周波数は、可聴周波数よりも高く、約１５ｋＨｚ以上である。

また、基準信号Ｓｒａの周波数は、搬送波信号Ｓｃの周波数の約１／２倍以下であり、より好ましくは約１／１０倍以下である。これにより、ＰＷＭ方式による電力変換に警報信号Ｓａが与える影響を軽減することができる。

本実施形態の電力変換装置１では、基準信号Ｓｒａに警報信号Ｓａを重畳することにより、ＰＷＭ信号Ｓｐｗｍにおける各パルスの幅が警報信号Ｓａに応じて変調することとなる。ここで、このＰＷＭ信号Ｓｐｗｍでスイッチングして得られる駆動電力は、ＰＷＭ信号Ｓｐｗｍに応じたパルスの集合であって、基準信号Ｓｒａの周波数に応じた包絡線を有する。よって、ＰＷＭ信号Ｓｐｗｍにおける各パルスの幅の変調に応じて、駆動電力における各パルスの幅も警報信号Ｓａに応じて変調することとなる。この駆動電力でモータ６を駆動すると、駆動電力における各パルスの変調に起因して、モータ６のリアクトルが振動し、その結果、警報信号Ｓａに応じた警報音が発生することとなる。

ここで、比較のために、従来の電力変換装置における制御部の各部信号波形を図３に示す。従来の電力変換装置は、制御部が基準信号生成部２１を備えない点で本実施形態の電力変換装置１と相違する。すなわち、従来の電力変換装置では、制御部は、所望のモータ出力指令に基づく基準信号Ｓｒと搬送波信号Ｓｃとを比較して（図３（ａ））、ＰＷＭ信号Ｓｐｗｍ（図３（ｂ））を生成する。

通常、電気自動車やハイブリッド車等では、ＰＷＭの搬送波信号Ｓｃの周波数が可聴周波数より高く設定され、モータ６又はフィルタ４０等のリアクトルの小型化、及び、モータ６の静音化が図られている。したがって、従来では、警報音を発するために、スピーカ、及び、スピーカを駆動するための増幅器等が必要となってしまう。

一方、従来の電力変換装置でも、ＰＷＭの搬送波信号Ｓｃの周波数を可聴周波数に設定すれば、モータ６から音を発することができる。しかしながら、ＰＷＭの搬送波信号Ｓｃの周波数を可聴周波数以下に設定すると、モータ６又はフィルタ４０等のリアクトルが大きくなってしまう

しかしながら、本実施形態の電力変換装置１によれば、ＰＷＭの搬送波信号Ｓｃの周波数と、警報音のための警報信号Ｓａの周波数とを別々に設定することができる。すなわち、警報信号Ｓａの周波数を可聴周波数に設定することにより、スピーカ及び増幅器を用いることなく、警報音を発生させることができる。一方、搬送波信号Ｓｃの周波数を可聴周波数よりも高く設定すれば、モータ６又はフィルタ４０等のリアクトルの小型化が可能である。

なお、インバータ１０におけるトランジスタ１１ａ，１１ｂ及びダイオード１２ａ，１２ｂの材料には、ＳｉＣ又はＧａＮ等のワイドバンドギャップ半導体が用いられる。ワイドバンドギャップ半導体材料を用いたトランジスタ１１ａ，１１ｂ及びダイオード１２ａ，１２ｂは、例えば、Ｓｉ（Silicon）材料を用いたトランジスタ１１ａ，１１ｂ及びダイオード１２ａ，１２ｂと比較して低損失であるので、ＰＷＭの搬送波信号の周波数を高く設定しても、インバータにおけるスイッチング損失を比較的に低減することができる。

なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。例えば、本実施形態では、スイッチング部としてハーフブリッジ型の単相インバータ１０を例示したが、本発明の特徴は、図４に示すように、スイッチング部としてフルブリッジ型の単相インバータ１０Ａを備える電力変換装置１Ａにも適用可能である。例えば、インバータ１０Ａは、バッテリ５の高電位側端子と低電位側端子との間に順に直列に接続されたトランジスタ１１ａ，１１ｂと、同様にバッテリ５の高電位側端子と低電位側端子との間に順に直列に接続されたトランジスタ１１ｃ，１１ｄと、これらのトランジスタ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄそれぞれに並列に接続されたダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄとからなる。トランジスタ１１ａ，１１ｂの間のノードは、電流センサ３０ａ及びフィルタ４０ａを介して単相交流モータ６の一方の端子に接続され、トランジスタ１１ｃ，１１ｄの間のノードは、電流センサ３０ｂ及びフィルタ４０ｂを介して単相交流モータ６の他方の端子に接続される。

また、本発明の特徴は、図５に示すように、スイッチング部として三相インバータ１０Ｂを備える電力変換装置１Ｂにも適用可能である。例えば、インバータ１０Ｂは、バッテリ５の高電位側端子と低電位側端子との間に順に直列に接続されたトランジスタ１１ａ，１１ｂと、同様にバッテリ５の高電位側端子と低電位側端子との間に順に直列に接続されたトランジスタ１１ｃ，１１ｄと、同様にバッテリ５の高電位側端子と低電位側端子との間に順に直列に接続されたトランジスタ１１ｅ，１１ｆと、これらのトランジスタ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆそれぞれに並列に接続されたダイオード１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆとからなる。トランジスタ１１ａ，１１ｂの間のノードは、電流センサ３０ａ及びフィルタ４０ａを介して三相交流モータ６のＵ相の端子に接続され、トランジスタ１１ｃ，１１ｄの間のノードは、電流センサ３０ｂ及びフィルタ４０ｂを介して三相交流モータ６のＶ相の端子に接続され、トランジスタ１１ｅ，１１ｆの間のノードは、電流センサ３０ｃ及びフィルタ４０ｃを介して三相交流モータ６のＷ相の端子に接続される。

また、本発明の特徴は、図６に示すように、スイッチング部としてＤＣ−ＤＣコンバータ１０Ｃを備える電力変換装置１Ｃにも適用可能である。例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０Ｃは、バッテリ５に直列に接続されたトランジスタ１１ａと、トランジスタ１１ａに並列に接続されたダイオード１２ａとを備える。トランジスタ１１ａのドレインはバッテリ５の高電位側端子に接続され、トランジスタ１１ａのソースは電流センサ３０及びフィルタ４０を介して直流モータ６の一方の端子に接続されており、直流モータ６の他方の端子はバッテリ５の低電位側端子に接続される。

図７に、電力変換装置１Ｃの制御部２０における各部信号波形を示す。図７に示すように、直流モータに駆動電力（直流電力）を供給する場合、基準信号生成部２１は、所望の直流モータ出力指令Ｓｒ（図７（ａ））に基づく基準信号Ｓｒａであって、警報音のための警報信号Ｓａ（図７（ｂ））を重畳した基準信号Ｓｒａ（図７（ｃ））を生成することとなる。一方、ＰＷＭ信号生成部２２は、基準信号Ｓｒａと搬送波信号Ｓｃ（図７（ｄ））とを比較して（図７（ｅ））、ＰＷＭ信号Ｓｐｗｍ（図７（ｆ））を生成することとなる。

また、本実施形態では、制御部２０における基準信号生成部２１とＰＷＭ信号生成部２２とは、ハードウエアを用いて個別に実現されてもよいし、ソフトウエアを用いて１つのマイコンで実現されてもよい。

また、本実施形態では、電気自動車及びハイブリット車に適用する場合を例示したが、燃料電池自動車、二輪電気自動車、電気フォークリフトなど、動力源として交流モータ又は直流モータを備える移動体全てに適用可能である。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…電力変換装置、５，５ａ，５ｂ…バッテリ、６…モータ、１０，１０Ａ，１０Ｂ…インバータ（スイッチング部）、１０Ｃ…ＤＣ−ＤＣコンバータ（スイッチング部）、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ…トランジスタ（スイッチング素子）、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ…ダイオード、２０…制御部、２１…基準信号生成部、２２…ＰＷＭ信号生成部、３０，３０ａ，３０ｂ，３０ｃ…電流センサ、４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ…フィルタ。

Claims

ＰＷＭ方式を用いて電力変換を行い、モータを駆動するための駆動電力を生成する電力変換装置であって、
ＰＷＭ信号に応じてスイッチングを行うことにより前記駆動電力を生成するスイッチング部と、
所望のモータ出力に応じた基準信号と搬送波信号とを比較して、前記ＰＷＭ信号を生成する制御部と、
を備え、
前記制御部は、警報音のための警報信号を前記基準信号に重畳し、
前記警報信号の周波数は、可聴周波数である、
電力変換装置。
前記警報信号の周波数は、前記搬送波信号の周波数の１／２倍以下である、請求項１に記載の電力変換装置。
前記スイッチング部は、インバータ又はＤＣ−ＤＣコンバータである、請求項１又は２に記載の電力変換装置。
前記スイッチング部におけるスイッチング素子の材料は、ワイドバンドギャップ半導体を含む、請求項１〜３の何れか１項に記載の電力変換装置。