JP4001120B2 - 電圧変換装置 - Google Patents

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Description

この発明は、電圧変換装置に関し、特に、電源電圧を出力する電源に過電圧が印加されないように電圧変換を行なう電圧変換装置に関するものである。
従来の電圧変換装置は、昇圧コンバータと、制御装置とを備える。制御装置は、昇圧コンバータの出力電圧と、負荷としての交流モータが出力すべきトルク指令値と、交流モータのモータ回転数とを受ける。
制御装置は、トルク指令値と、モータ回転数とに基づいて昇圧コンバータの目標電圧を演算し、その演算した目標電圧と、昇圧コンバータの出力電圧との誤差をさらに演算する。そして、制御装置は、演算した誤差に応じてＰＩ制御ゲイン（比例ゲインおよび積分ゲイン）を調整し、その調整したＰＩ制御ゲインを用いて昇圧コンバータをフィードバック制御する。
昇圧コンバータは、制御装置からのフィードバック制御によって、出力電圧が目標電圧になるように直流電源からの直流電圧を出力電圧に変換する（特許文献１）。
このように、従来の電圧変換装置は、直流電圧を変換した出力電圧と目標電圧との誤差に応じてＰＩ制御ゲインを調整し、その調整したＰＩ制御ゲインを用いて出力電圧が目標電圧になるように直流電源からの直流電圧を出力電圧に変換する。
特開２００３−３０９９９７号公報
しかし、従来の電圧変換装置においては、出力電圧が目標電圧からずれた場合、そのずれた出力電圧が目標電圧に到達するようにデューティー比を大きく変えると、電源側に戻す電気パワーが増大して電源に過電圧が印加されるという問題がある。
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、電源に過電圧が印加されないように電圧変換を行なう電圧変換装置を提供することである。
この発明によれば、電圧変換装置は、電圧変換器と、制御装置とを備える。電圧変換器は、上アーム用の第１のスイッチング素子と、下アーム用の第２のスイッチング素子とのスイッチング動作によって、出力電圧が目標電圧になるように電源からの電源電圧を出力電圧に変換する。制御装置は、電源に過電圧が印加されるときのデューティー比上限値よりも小さい範囲のデューティー比で第１および第２のスイッチング素子をスイッチング制御する。
好ましくは、制御装置は、デューティー比演算手段と、スイッチング制御手段とを含む。デューティー比演算手段は、電源に過電圧が印加されたと判定する基準値であるしきい値電圧と出力電圧とに基づいてデューティー比上限値を演算する。スイッチング制御手段は、演算されたデューティー比上限値よりも小さい範囲のデューティー比で第１および第２のスイッチング素子をスイッチング制御する。
好ましくは、出力電圧は、モータを駆動するインバータに供給される。
好ましくは、出力電圧は、複数のモータに対応して設けられ、相互に並列接続された複数のインバータに供給される。
好ましくは、電源電圧は、直流バッテリーから得られる。
この発明による電圧変換装置においては、第１および第２のスイッチング素子は、電源に過電圧が印加されるときのデューティー比上限値よりも小さいデューティー比でスイッチング制御され、出力電圧が目標電圧になるように電源電圧を出力電圧に変換する。
したがって、この発明によれば、過電圧が電源に印加されるのを防止できる。
本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明を繰返さない。
図１は、この発明の実施の形態による電圧変換装置を備えるモータ駆動装置の概略図である。図１を参照して、この発明の実施の形態による電圧変換装置を備えるモータ駆動装置１００は、バッテリーＢと、コンデンサＣ１，Ｃ２と、電圧センサー１０，１３と、昇圧コンバータ１２と、インバータ１４，３１と、電流センサー２４，２８と、制御装置３０とを備える。
モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、ハイブリッド自動車または電気自動車の駆動輪を駆動するためのトルクを発生するための駆動モータである。あるいは、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、エンジンにて駆動される発電機の機能を持つように、そして、エンジンに対して電動機として動作し、たとえば、エンジン始動を行ない得るようなものとしてハイブリッド自動車に組み込まれるようにしてもよい。
バッテリーＢは、電源ライン１１１と、インバータ１４，３１の負母線１１２との間に接続される。コンデンサＣ１は、電源ライン１１１と負母線１１２との間にバッテリーＢに並列に接続される。コンデンサＣ２は、インバータ１４，３１の正母線１１３と、負母線１１２との間に接続される。
昇圧コンバータ１２は、リアクトルＬ１と、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。リアクトルＬ１の一方端はバッテリーＢの電源ライン１１１に接続され、他方端はＮＰＮトランジスタＱ１とＮＰＮトランジスタＱ２との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ１のエミッタとＮＰＮトランジスタＱ２のコレクタとの間に接続される。ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２は、正母線１１３と負母線１１２との間に直列に接続される。そして、ＮＰＮトランジスタＱ１のコレクタは正母線１１３に接続され、ＮＰＮトランジスタＱ２のエミッタは負母線１１２に接続される。また、各ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ接続されている。
インバータ１４，３１は、ノードＮ１とノードＮ２との間に並列に接続される。
インバータ１４は、Ｕ相アーム１５と、Ｖ相アーム１６と、Ｗ相アーム１７とから成る。Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６、およびＷ相アーム１７は、正母線１１３と負母線１１２との間に並列に接続される。
Ｕ相アーム１５は、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４から成り、Ｖ相アーム１６は、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ５，Ｑ６から成り、Ｗ相アーム１７は、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ７，Ｑ８から成る。また、各ＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。
各相アームの中間点は、モータジェネレータＭＧ１の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータジェネレータＭＧ１は、３相の永久磁石モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成され、Ｕ相コイルの他端がＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４の中間点に、Ｖ相コイルの他端がＮＰＮトランジスタＱ５，Ｑ６の中間点に、Ｗ相コイルの他端がＮＰＮトランジスタＱ７，Ｑ８の中間点にそれぞれ接続されている。
インバータ３１は、インバータ１４と同じ構成からなる。そして、インバータ３１の各相アームの中間点は、モータジェネレータＭＧ２の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータジェネレータＭＧ２も、モータジェネレータＭＧ１と同じように、３相の永久磁石モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成され、Ｕ相コイルの他端がインバータ３１のＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４の中間点に、Ｖ相コイルの他端がインバータ３１のＮＰＮトランジスタＱ５，Ｑ６の中間点に、Ｗ相コイルの他端がインバータ３１のＮＰＮトランジスタＱ７，Ｑ８の中間点にそれぞれ接続されている。
バッテリーＢは、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池から成る直流バッテリーである。電圧センサー１０は、バッテリーＢから出力される直流電圧Ｖｂを検出し、その検出した直流電圧Ｖｂを制御装置３０へ出力する。コンデンサＣ１は、バッテリーＢから出力された直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧を昇圧コンバータ１２へ供給する。
昇圧コンバータ１２は、コンデンサＣ１から供給された直流電圧を昇圧してコンデンサＣ２へ供給する。より具体的には、昇圧コンバータ１２は、制御装置３０から信号ＰＷＭＣを受けると、信号ＰＷＭＣによってＮＰＮトランジスタＱ２がオンされた期間に応じて直流電圧を昇圧してコンデンサＣ２に供給する。この場合、ＮＰＮトランジスタＱ１は、信号ＰＷＭＣによってオフされている。
また、昇圧コンバータ１２は、制御装置３０からの信号ＰＷＭＣに応じて、コンデンサＣ２を介してインバータ１４（または３１）から供給された直流電圧を降圧してバッテリーＢを充電する。
コンデンサＣ２は、昇圧コンバータ１２によって昇圧された直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をノードＮ１，Ｎ２を介してインバータ１４，３１に供給する。このように、コンデンサＣ２は、昇圧コンバータ１２によって昇圧された直流電圧を受け、その受けた直流電圧を平滑化してインバータ１４，３１に供給する。
電圧センサー１３は、コンデンサＣ２の両端の電圧Ｖｍ（すなわち、インバータ１４，３１への入力電圧に相当する。以下同じ。）を検出し、その検出した電圧Ｖｍを制御装置３０へ出力する。
インバータ１４は、ノードＮ１，Ｎ２およびコンデンサＣ２を介して昇圧コンバータ１２から直流電圧が供給されると制御装置３０からの信号ＰＷＭＩ１に基づいて直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ１を駆動する。これにより、モータジェネレータＭＧ１は、トルク指令値ＴＲ１によって指定されたトルクを発生するように駆動される。また、インバータ１４は、モータ駆動装置１００が搭載されたハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時、モータジェネレータＭＧ１が発電した交流電圧を制御装置３０からの信号ＰＷＭＩ１に基づいて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧をコンデンサＣ２およびノードＮ１，Ｎ２を介して昇圧コンバータ１２に供給する。
インバータ３１は、ノードＮ１，Ｎ２およびコンデンサＣ２を介して昇圧コンバータ１２から直流電圧が供給されると制御装置３０からの信号ＰＷＭＩ２に基づいて直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ２を駆動する。これにより、モータジェネレータＭＧ２は、トルク指令値ＴＲ２によって指定されたトルクを発生するように駆動される。また、インバータ３１は、モータ駆動装置１００が搭載されたハイブリッド自動車または電気自動車の回生制動時、モータジェネレータＭＧ２が発電した交流電圧を制御装置３０からの信号ＰＷＭＩ２に基づいて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧をコンデンサＣ２およびノードＮ１，Ｎ２を介して昇圧コンバータ１２に供給する。
なお、ここで言う回生制動とは、ハイブリッド自動車または電気自動車を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車両を減速（または加速の中止）させることを含む。
電流センサー２４は、モータジェネレータＭＧ１に流れるモータ電流ＭＣＲＴ１を検出し、その検出したモータ電流ＭＣＲＴ１を制御装置３０へ出力する。また、電流センサー２８は、モータジェネレータＭＧ２に流れるモータ電流ＭＣＲＴ２を検出し、その検出したモータ電流ＭＣＲＴ２を制御装置３０へ出力する。
制御装置３０は、外部に設けられたＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）からトルク指令値ＴＲ１，ＴＲ２およびモータ回転数ＭＲＮ１，ＭＲＮ２を受け、電圧センサー１０から直流電圧Ｖｂを受け、電圧センサー１３から出力電圧Ｖｍを受け、電流センサー２４からモータ電流ＭＣＲＴ１を受け、電流センサー２８からモータ電流ＭＣＲＴ２を受ける。そして、制御装置３０は、出力電圧Ｖｍ、モータ電流ＭＣＲＴ１、およびトルク指令値ＴＲ１に基づいて、後述する方法によりインバータ１４がモータジェネレータＭＧ１を駆動するときにインバータ１４のＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８をスイッチング制御するための信号ＰＷＭＩ１を生成し、その生成した信号ＰＷＭＩ１をインバータ１４へ出力する。
また、制御装置３０は、出力電圧Ｖｍ、モータ電流ＭＣＲＴ２、およびトルク指令値ＴＲ２に基づいて、後述する方法によりインバータ３１がモータジェネレータＭＧ２を駆動するときにインバータ３１のＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８をスイッチング制御するための信号ＰＷＭＩ２を生成し、その生成した信号ＰＷＭＩ２をインバータ３１へ出力する。
さらに、制御装置３０は、インバータ１４（または３１）がモータジェネレータＭＧ１（またはモータジェネレータＭＧ２）を駆動するとき、直流電圧Ｖｂ、出力電圧Ｖｍ、トルク指令値ＴＲ１（またはＴＲ２）、およびモータ回転数ＭＲＮ１（またはＭＲＮ２）に基づいて、後述する方法により昇圧コンバータ１２のＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をスイッチング制御するための信号ＰＷＭＣを生成し、その生成した信号ＰＷＭＣを昇圧コンバータ１２へ出力する。この信号ＰＷＭＣは、バッテリーＢに過電圧が印加されないようにＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をスイッチング制御するための信号である。
図２は、図１に示す制御装置３０の機能ブロック図である。図２を参照して、制御装置３０は、インバータ制御手段３０１，３０２と、コンバータ制御手段３０３とを含む。
インバータ制御手段３０１は、外部ＥＣＵからトルク指令値ＴＲ１を受け、電流センサー２４からモータ電流ＭＣＲＴ１を受け、電圧センサー１３から電圧Ｖｍを受ける。そして、インバータ制御手段３０１は、トルク指令値ＴＲ１、モータ電流ＭＣＲＴ１および電圧Ｖｍに基づいて、後述する方法によって信号ＰＷＭＩ１を生成してインバータ１４へ出力する。
インバータ制御手段３０２は、外部ＥＣＵからトルク指令値ＴＲ２を受け、電流センサー２８からモータ電流ＭＣＲＴ２を受け、電圧センサー１３から電圧Ｖｍを受ける。そして、インバータ制御手段３０２は、トルク指令値ＴＲ２、モータ電流ＭＣＲＴ２および電圧Ｖｍに基づいて、後述する方法によって信号ＰＷＭＩ２を生成してインバータ３１へ出力する。
コンバータ制御手段３０３は、外部ＥＣＵからトルク指令値ＴＲ１，２およびモータ回転数ＭＲＮ１，２を受け、電圧センサー１０から直流電圧Ｖｂを受け、電圧センサー１３から電圧Ｖｍを受ける。コンバータ制御手段３０３は、バッテリーＢに過電圧が印加されたと判定する基準値であるしきい値電圧ＯＶｂを保持しており、その保持したしきい値電圧ＯＶｂと、電圧センサー１３から受けた電圧Ｖｍとに基づいて、バッテリーＢに過電圧（＝しいき値電圧ＯＶｂ）が印加されるときのＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２のスイッチング制御におけるデューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍを後述する方法によって演算する。そして、コンバータ制御手段３０３は、演算したデューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍよりも小さい範囲において、トルク指令値ＴＲ１（またはＴＲ２）、モータ回転数ＭＲＮ１（またはＭＲＮ２）、直流電圧Ｖｂおよび電圧Ｖｍに基づいて、後述する方法によって信号ＰＷＭＣを生成して昇圧コンバータ１２へ出力する。
なお、しきい値電圧ＯＶｂは、たとえば、バッテリーＢに印加された電圧が過電圧であると判定される電圧のうち、最小値に設定される。
図３は、図２に示すインバータ制御手段３０１，３０２の機能ブロック図である。図３を参照して、インバータ制御手段３０１，３０２は、モータ制御用相電圧演算部４０と、インバータ用ＰＷＭ信号変換部４２とを含む。
モータ制御用相電圧演算部４０は、外部ＥＣＵからトルク指令値ＴＲ１，２を受け、電圧センサー１３から昇圧コンバータ１２の出力電圧Ｖｍ、すなわち、インバータ１４，３１への入力電圧を受け、モータジェネレータＭＧ１の各相に流れるモータ電流ＭＣＲＴ１を電流センサー２４から受け、モータジェネレータＭＧ２の各相に流れるモータ電流ＭＣＲＴ２を電流センサー２８から受ける。そして、モータ制御用相電圧演算部４０は、出力電圧Ｖｍ、トルク指令値ＴＲ１（またはＴＲ２）およびモータ電流ＭＣＲＴ１（またはＭＣＲＴ２）に基づいて、モータジェネレータＭＧ１（またはモータジェネレータＭＧ２）の各相コイルに印加する電圧を計算し、その計算した結果をインバータ用ＰＷＭ信号変換部４２へ出力する。
インバータ用ＰＷＭ信号変換部４２は、モータ制御用相電圧演算部４０から受けた計算結果に基づいて、インバータ１４（またはインバータ３１）の各ＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８を実際にオン／オフする信号ＰＷＭＩ１（または信号ＰＷＭＩ２）を生成し、その生成した信号ＰＷＭＩ１（または信号ＰＷＭＩ２）をインバータ１４（またはインバータ３１）の各ＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８へ出力する。
これにより、各ＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８は、スイッチング制御され、モータジェネレータＭＧ１（またはモータジェネレータＭＧ２）が指令されたトルクを出力するようにモータジェネレータＭＧ１（またはモータジェネレータＭＧ２）の各相に流す電流を制御する。このようにして、モータ駆動電流が制御され、トルク指令値ＴＲ１（またはＴＲ２）に応じたモータトルクが出力される。
インバータ１４が信号ＰＷＭＩ１によって力行モードで駆動されるか回生モードで駆動されるかは、モータ回転数ＭＲＮ１およびトルク指令値ＴＲ１によって決定される。すなわち、モータ回転数を横軸にとり、トルク指令値を縦軸にとった直交座標において、モータ回転数ＭＲＮ１とトルク指令値ＴＲ１との関係が第１象限または第２象限に存在するとき、モータジェネレータＭＧ１は力行モードにあり、モータ回転数ＭＲＮ１とトルク指令値ＴＲ１との関係が第３象限または第４象限に存在するとき、モータジェネレータＭＧ１は、回生モードにある。したがって、モータ制御用相電圧演算部４０が第１象限または第２象限に存在するモータ回転数ＭＲＮ１とトルク指令値ＴＲ１とを外部ＥＣＵから受けたとき、インバータ用ＰＷＭ信号変換部４２は、インバータ１４を力行モードで駆動するための信号ＰＷＭＩ１を生成し、モータ制御用相電圧演算部４０が第３象限または第４象限に存在するモータ回転数ＭＲＮ１とトルク指令値ＴＲ１とを外部ＥＣＵから受けたとき、インバータ用ＰＷＭ信号変換部４２は、インバータ１４を回生モードで駆動するための信号ＰＷＭＩ１を生成する。
インバータ３１が信号ＰＷＭＩ２によって力行モードで駆動されるか回生モードで駆動されるかについても同様である。
図４は、図２に示すコンバータ制御手段３０３の機能ブロック図である。図４を参照して、コンバータ制御手段３０３は、インバータ入力電圧指令演算部５０と、フィードバック電圧指令演算部５２と、デューティー比変換部５４とを含む。
インバータ入力電圧指令演算部５０は、外部ＥＣＵからトルク指令値ＴＲ１，２およびモータ回転数ＭＲＮ１，２を受ける。そして、インバータ入力電圧指令演算部５０は、トルク指令値ＴＲ１（またはＴＲ２）およびモータ回転数ＭＲＮ１（またはＭＲＮ２）に基づいてインバータ入力電圧の最適値（目標値）、すなわち、電圧指令Ｖｄｃ＿ｃｏｍを演算し、その演算した電圧指令Ｖｄｃ＿ｃｏｍをフィードバック電圧指令演算部５２へ出力する。
フィードバック電圧指令演算部５２は、昇圧コンバータ１２の出力電圧Ｖｍを電圧センサー１３から受け、電圧指令Ｖｄｃ＿ｃｏｍ（出力電圧Ｖｍの目標電圧に相当する。以下同じ。）をインバータ入力電圧指令演算部５０から受ける。そして、フィードバック電圧指令演算部５２は、出力電圧Ｖｍと電圧指令Ｖｄｃ＿ｃｏｍとに基づいて、出力電圧Ｖｍを電圧指令Ｖｄｃ＿ｃｏｍに設定するためのフィードバック電圧指令Ｖｄｃ＿ｃｏｍ＿ｆｂを演算し、その演算したフィードバック電圧指令Ｖｄｃ＿ｃｏｍ＿ｆｂをデューティー比変換部５４へ出力する。
デューティー比変換部５４は、しきい値電圧ＯＶｂを保持しており、直流電圧Ｖｂを電圧センサー１０から受け、出力電圧Ｖｍを電圧センサー１３から受ける。そして、デューティー比変換部５４は、しきい値電圧ＯＶｂと出力電圧Ｖｍとに基づいて、デューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍを次式により演算する。
ＤＲ＿Ｕｌｉｍ＝ＯＶｂ／Ｖｍ・・・（１）
なお、この発明において、「デューティー比」とは、昇圧コンバータ１２の上アームであるＮＰＮトランジスタＱ１のオン期間Ｔ１ｏｎと、下アームであるＮＰＮトランジスタＱ２のオン期間Ｔ２ｏｎとの割合（＝Ｔ１ｏｎ／（Ｔ１ｏｎ＋Ｔ２ｏｎ））を言う。
式（１）より、デューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍは、昇圧コンバータ１２から実際に出力される出力電圧Ｖｍに応じて決定される。
デューティー比変換部５４は、デューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍを演算すると、その演算したデューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍよりも小さい範囲において、直流電圧Ｖｂと、出力電圧Ｖｍと、フィードバック電圧指令Ｖｄｃ＿ｃｏｍ＿ｆｂとに基づいて、出力電圧Ｖｍをフィードバック電圧指令Ｖｄｃ＿ｃｏｍ＿ｆｂに設定するためのデューティー比ＤＲを演算する。
図５は、デューティー比ＤＲと昇圧コンバータ１２の出力電圧Ｖｍとの関係図である。図５を参照して、曲線ｋ１は、上記（１）式によって演算されたデューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍを表す。そして、曲線ｋ１以上の領域は、バッテリーＢに過電圧が印加されるときのデューティー比を表し、曲線ｋ１よりも下側の領域は、バッテリーＢに過電圧が印加されないときのデューティー比を表す。
デューティー比変換部５４は、直流電圧Ｖｂ、出力電圧Ｖｍおよびフィードバック電圧指令Ｖｄｃ＿ｃｏｍ＿ｆｂに基づいて、曲線ｋ１よりも下側の領域において、出力電圧Ｖｍをフィードバック電圧指令Ｖｄｃ＿ｃｏｍ＿ｆｂに設定するためのデューティー比ＤＲを演算する。
このことは、デューティー比変換部５４は、デューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍの制限を課さないで、直流電圧Ｖｂ、出力電圧Ｖｍ１およびフィードバック電圧指令Ｖｄｃ＿ｃｏｍ＿ｆｂに基づいて、出力電圧Ｖｍをフィードバック電圧指令Ｖｄｃ＿ｃｏｍ＿ｆｂに設定するように演算したデューティー比ＤＲ＿Ｎｌｉｍ１がデューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍ以上であるとき、デューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍよりも小さいデューティー比ＤＲ１をＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をスイッチング制御するためのデューティー比ＤＲとして決定し、制限を課さないで演算したデューティー比ＤＲ＿Ｎｌｉｍ２がデューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍよりも小さいとき、その演算したデューティー比ＤＲ＿Ｎｌｉｍ２をＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をスイッチング制御するためのデューティー比ＤＲとして決定することを意味する。
すなわち、演算されたデューティー比ＤＲ＿Ｎｌｉｍ１と出力電圧Ｖｍ１との関係が曲線ｋ１よりも上側の点Ａに存在するとき、デューティー比ＤＲと出力電圧Ｖｍとの関係が曲線ｋ１よりも下側に存在する点Ｂに存在するように、デューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍよりも小さいデューティー比ＤＲ１をＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をスイッチング制御するためのデューティー比ＤＲとして決定し、演算されたデューティー比ＤＲ＿Ｎｌｉｍ２と出力電圧Ｖｍ１との関係が曲線ｋ１よりも下側の点Ｃに存在するとき、演算されたデューティー比ＤＲ＿Ｎｌｉｍ２をＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をスイッチング制御するためのデューティー比ＤＲとして決定することを意味する。
そして、デューティー比変換部５４は、直流電圧Ｖｂ、出力電圧Ｖｍおよびフィードバック電圧指令Ｖｄｃ＿ｃｏｍ＿ｆｂがどのように変化しても、曲線ｋ１よりも下側においてＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をスイッチング制御するためのデューティー比ＤＲを決定する。
制限せずに演算されたデューティー比ＤＲ＿Ｎｌｉｍ１がデューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍ以上であることに起因してデューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍよりも小さいデューティー比ＤＲ１をＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をスイッチング制御するためのデューティーＤＲとして決定する場合、デューティー比ＤＲ１は、各種の方法によって決定される。
すなわち、デューティー比ＤＲ１は、デューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍよりも小さい範囲でデューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍにできる限り近い値に決定されてもよいし、デューティー比ＤＲ＿Ｎｌｉｍ１とデューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍとの差ΔＤＲに応じてデューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍよりも小さい範囲で決定されてもよい。後者の場合、差ΔＤＲが相対的に大きいとき、デューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍよりも小さい範囲でデューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍとの差が相対的に小さくなるようにデューティー比ＤＲ１を決定し、差ΔＤＲが相対的に小さいとき、デューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍよりも小さい範囲でデューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍとの差が相対的に大きくなるようにデューティーＤＲ１を決定してもよい。
デューティー比変換部５４は、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をスイッチング制御するためのデューティー比ＤＲを演算すると、その演算したデューティー比ＤＲに基づいて昇圧コンバータ１２のＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするための信号ＰＷＭＣを生成する。そして、デューティー比変換部５４は、生成した信号ＰＷＭＣを昇圧コンバータ１２のＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２へ出力する。
これにより、昇圧コンバータ１２のＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２は、バッテリーＢに過電圧が印加されないようにスイッチング制御され、昇圧コンバータ１２は、出力電圧Ｖｍが目標電圧（電圧指令Ｖｄｃ＿ｃｏｍ）になるように直流電圧Ｖｂを出力電圧Ｖｍに変換する。したがって、バッテリーＢに過電圧が印加されるのを防止できる。
なお、昇圧コンバータ１２の下側のＮＰＮトランジスタＱ２のオンデューティーを大きくすることによりリアクトルＬ１における電力蓄積が大きくなるため、より高電圧の出力を得ることができる。一方、上側のＮＰＮトランジスタＱ１のオンデューティーを大きくすることにより正母線の電圧が下がる。そこで、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２のデューティー比を制御することで、正母線の電圧をバッテリーＢの出力電圧以上の任意の電圧に制御可能である。
モータ駆動装置１００においては、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の動作状態によって、コンデンサＣ２の両端の電圧Ｖｍが大きく変動することがある。すなわち、モータジェネレータＭＧ２における消費電力が急激に増加した場合、電圧Ｖｍが大きく低下し、モータジェネレータＭＧ１における発電電力が急激に増加した場合、電圧Ｖｍが大きく上昇する。
このような状態においては、出力電圧Ｖｍが目標電圧（電圧指令Ｖｄｃ＿ｃｏｍ）から大きくずれているので、コンバータ制御手段３０３は、出力電圧Ｖｍが目標電圧に設定されるようにデューティー比ＤＲを大きく変えてＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をスイッチング制御する。
この場合、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をスイッチング制御するためのデューティー比ＤＲを制限しなければ、バッテリーＢに過電圧が印加される。すなわち、出力電圧Ｖｍが目標電圧よりも大きく上昇すると、コンバータ制御手段３０３は、出力電圧Ｖｍを目標電圧まで低下させるためにデューティーＤＲを大きくしてＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をスイッチング制御する。そうすると、ＮＰＮトランジスタＱ１がオンされる期間Ｔ１ｏｎが長くなり、昇圧コンバータ１２を介してインバータ１４，３１側からバッテリーＢ側へ電流が流れる割合が高くなる。その結果、バッテリーＢに過電圧が印加される。
また、出力電圧Ｖｍが目標電圧よりも大きく低下すると、コンバータ制御手段３０３は、出力電圧Ｖｍを目標電圧まで上昇させるためにデューティー比ＤＲを小さくして（すなわち、下アーム用のＮＰＮトランジスタＱ２のオン期間Ｔ２ｏｎを長くして）、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をスイッチング制御する。そうすると、多くの電気エネルギーがリアクトルＬ１に蓄積され、出力電圧Ｖｍが目標電圧よりも高くなり、コンバータ制御手段３０３は、デューティーＤＲを大きくしてＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をスイッチング制御する。その結果、上述したようにバッテリーＢに過電圧が印加される。
このように、出力電圧Ｖｍが目標電圧から変動（低下および上昇）すると、バッテリーＢに過電圧が印加される。
しかし、この発明においては、上述したように、コンバータ制御手段３０３は、デューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍよりも小さい範囲でデューティー比ＤＲを決定し、その決定したデューティー比ＤＲを用いてＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をスイッチング制御するので、出力電圧Ｖｍが目標電圧から変動してもバッテリーＢに過電圧が印加されることはない。
なお、コンバータ制御手段３０３における動作は、実際には、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）によって実行される。そして、ＣＰＵは、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）に記憶されたプログラムを読出し、その読出したプログラムを実行してデューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍよりも小さい範囲でデューティー比ＤＲを決定し、その決定したデューティー比ＤＲを用いてＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をスイッチング制御する。
図６は、電圧値のタイミングチャートである。図６においては、縦軸は、規格化された電圧値を表し、横軸は、時間を表す。また、曲線ｋ２は、出力電圧Ｖｍを表し、曲線ｋ３は、この発明を適用した場合の直流電圧Ｖｂを表し、曲線ｋ４は、この発明を適用しない場合の直流電圧Ｖｂを表す。
図６を参照して、出力電圧Ｖｍが１．０秒経過後に上下すると、この発明を適用した場合、バッテリーＢの直流電圧Ｖｂは、出力電圧Ｖｍの変動に伴って上下するが、しきい値電圧ＯＶｂに到達することはなく（曲線ｋ３参照）、バッテリーＢに過電圧が印加されることはない。
しかし、この発明を適用しない場合、バッテリーＢの直流電圧Ｖｂは、出力電圧Ｖｍの変動に伴って大きく上昇し、しきい値電圧ＯＶｂに到達する。その結果、バッテリーＢに過電圧が印加される。
したがって、この発明を適用することによってバッテリーＢに過電圧が印加されるのを防止できる。
なお、しきい値電圧ＯＶｂは、バッテリーＢの保護、およびバッテリーＢと昇圧コンバータ１２との間に接続され、バッテリーＢからの直流電圧Ｖｂを直接受けて駆動される補機の保護を考慮してそのレベルが決定される。
再び、図１を参照して、モータ駆動装置１００における全体動作について説明する。全体の動作が開始されると、電圧センサー１０は、バッテリーＢからの直流電圧Ｖｂを検出し、その検出した直流電圧Ｖｂを制御装置３０へ出力する。また、電圧センサー１３は、コンデンサＣ２の両端の電圧Ｖｍを検出し、その検出した電圧Ｖｍを制御装置３０へ出力する。さらに、電流センサー２４は、モータジェネレータＭＧ１に流れるモータ電流ＭＣＲＴ１を検出して制御装置３０へ出力し、電流センサー２８は、モータジェネレータＭＧ２に流れるモータ電流ＭＣＲＴ２を検出して制御装置３０へ出力する。そして、制御装置３０は、外部ＥＣＵからトルク指令値ＴＲ１，２、およびモータ回転数ＭＲＮ１，２を受ける。
そうすると、制御装置３０は、電圧Ｖｍ、モータ電流ＭＣＲＴ１、およびトルク指令値ＴＲ１に基づいて、上述した方法により信号ＰＷＭＩ１を生成し、その生成した信号ＰＷＭＩ１をインバータ１４へ出力する。また、制御装置３０は、電圧Ｖｍ、モータ電流ＭＣＲＴ２、およびトルク指令値ＴＲ２に基づいて、上述した方法により信号ＰＷＭＩ２を生成し、その生成した信号ＰＷＭＩ２をインバータ３１へ出力する。さらに、制御装置３０は、インバータ１４（または３１）がモータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）を駆動するとき、直流電圧Ｖｂ、電圧Ｖｍ、トルク指令値ＴＲ１（またはＴＲ２）、およびモータ回転数ＭＲＮ１（またはＭＲＮ２）に基づいて、上述した方法により出力電圧Ｖｍに応じてデューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍを演算し、その演算したデューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍよりも小さい範囲でＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をスイッチング制御するためのデューティー比ＤＲを決定して昇圧コンバータ１２のＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をスイッチング制御するための信号ＰＷＭＣを生成する。そして、制御装置３０は、その生成した信号ＰＷＭＣを昇圧コンバータ１２へ出力する。
そうすると、昇圧コンバータ１２は、信号ＰＷＭＣに応じて、バッテリーＢからの直流電圧ＶｂをバッテリーＢに過電圧が印加されないように昇圧し、その昇圧した直流電圧をコンデンサＣ２に供給する。コンデンサＣ２は、昇圧コンバータ１２からの直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をノードＮ１，Ｎ２を介してインバータ１４，３１に供給する。そして、インバータ１４は、コンデンサＣ２によって平滑化された直流電圧を制御装置３０からの信号ＰＷＭＩ１によって交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ１を駆動する。また、インバータ３１は、コンデンサＣ２によって平滑化された直流電圧を制御装置３０からの信号ＰＷＭＩ２によって交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ２を駆動する。これによって、モータジェネレータＭＧ１は、トルク指令値ＴＲ１によって指定されたトルクを発生し、モータジェネレータＭＧ２は、トルク指令値ＴＲ２によって指定されたトルクを発生する。
モータ駆動装置１００においては、昇圧コンバータ１２の出力電圧Ｖｍが目標電圧（Ｖｄｅ＿ｃｏｍ）よりも低下した場合、バッテリーＢからインバータ１４，３１側へ電力を取り出すことになるが、その場合、バッテリーＢと昇圧コンバータ１２との間で流れる電流が、バッテリーＢの出力が最大となる最適電流範囲内になり、かつ、上述したデューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍよりも小さくなるようにデューティー比ＤＲを決定し、その決定したデューティー比ＤＲを用いてＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をスイッチング制御するようにしてもよい。
これにより、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の要求パワーをバッテリーＢの出力によって賄えないときでも、バッテリーＢから最大出力を得ることができ、コンデンサＣ２の電圧低下を最小限に抑制しながら、バッテリーＢに過電圧が印加されないように直流電圧Ｖｂを出力電圧Ｖｍに変換できる。
また、上記においては、出力電圧Ｖｍの目標電圧（電圧指令Ｖｄｃ＿ｃｏｍ）からの変動の有無に拘わらず、デューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍよりも小さい範囲において、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をスイッチング制御するためのデューティー比ＤＲを決定すると説明したが、この発明においては、これに限らず、出力電圧Ｖｍが目標電圧から所定値以上変動した場合に、上述したデューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍよりも小さい範囲において、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をスイッチング制御するためのデューティー比ＤＲを決定するようにしてもよい。
バッテリーＢに過電圧が印加され易くなるのは、出力電圧Ｖｍが目標電圧から大きく変動し、その変動した出力電圧Ｖｍを目標電圧に設定するためにデューティー比ＤＲを大きく変えてＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をスイッチング制御しなければならないときであるので、出力電圧Ｖｍが目標電圧から所定値以上変動した場合にデューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍよりも小さい範囲でデューティー比ＤＲを決定することは効果がある。
なお、昇圧コンバータ１２およびコンバータ制御手段３０３は、「電圧変換装置」を構成する。
また、コンバータ制御手段３０３は、電源（バッテリーＢ）に過電圧が印加されるときのデューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍよりも小さい範囲のデューティー比で第１および第２のスイッチング素子（ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２）をスイッチング制御する「制御装置」を構成する。
さらに、デューティー比変換部５４は、電源（バッテリーＢ）に過電圧が印加されたと判定されるときのしきい値電圧ＯＶｂと出力電圧Ｖｍとに基づいてデューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍを演算する「デューティー比演算手段」を構成する。
さらに、インバータ入力電圧指令演算部５０、フィードバック電圧指令演算部５２およびデューティー比変換部５４は、演算されたデューティー比上限値ＤＲ＿Ｕｌｉｍよりも小さい範囲のデューティー比で第１および第２のスイッチング素子（ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２）をスイッチング制御する「スイッチング制御手段」を構成する。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
この発明は、電源に過電圧が印加されないように電圧変換を行なう電圧変換装置に適用される。
この発明の実施の形態による電圧変換装置を備えるモータ駆動装置の概略図である。 図１に示す制御装置の機能ブロック図である。 図２に示すインバータ制御手段の機能ブロック図である。 図２に示すコンバータ制御手段の機能ブロック図である。 デューティー比ＤＲと昇圧コンバータの出力電圧Ｖｍとの関係図である。 電圧値のタイミングチャートである。
符号の説明
１０，１３ 電圧センサー、１２ 昇圧コンバータ、１４，３１ インバータ、１５ Ｕ相アーム、１６ Ｖ相アーム、１７ Ｗ相アーム、２４，２８ 電流センサー、３０ 制御装置、４０ モータ制御用相電圧演算部、４２ インバータ用ＰＷＭ信号変換部、５０ インバータ入力電圧指令演算部、５２ フィードバック電圧指令演算部、５４ デューティー比変換部、１００ モータ駆動装置、１１１ 電源ライン、１１２ 負母線、１１３ 正母線、３０１，３０２ インバータ制御手段、３０３ コンバータ制御手段、Ｂ バッテリー、Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、Ｌ１ リアクトル、Ｑ１〜Ｑ８ ＮＰＮトランジスタ、Ｄ１〜Ｄ８ ダイオード、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ、Ｎ１，Ｎ２ ノード。

Claims (5)

  1. 上アーム用の第１のスイッチング素子と、下アーム用の第２のスイッチング素子とのスイッチング動作によって、出力電圧が目標電圧になるように電源からの電源電圧を前記出力電圧に変換する電圧変換器と、
    前記電源に過電圧が印加されるときのデューティー比上限値よりも小さい範囲のデューティー比で前記第１および第２のスイッチング素子をスイッチング制御する制御装置とを備える電圧変換装置。
  2. 前記制御装置は、
    前記電源に前記過電圧が印加されたと判定する基準値であるしきい値電圧と前記出力電圧とに基づいて前記デューティー比上限値を演算するデューティー比演算手段と、
    前記演算されたデューティー比上限値よりも小さい範囲のデューティー比で前記第１および第２のスイッチング素子をスイッチング制御するスイッチング制御手段とを含む、請求項１に記載の電圧変換装置。
  3. 前記出力電圧は、モータを駆動するインバータに供給される、請求項１または請求項２に記載の電圧変換装置。
  4. 前記出力電圧は、複数のモータに対応して設けられ、相互に並列接続された複数のインバータに供給される、請求項１または請求項２に記載の電圧変換装置。
  5. 前記電源電圧は、直流バッテリーから得られる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電圧変換装置。
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