JP5552443B2

JP5552443B2 - 駆動装置

Info

Publication number: JP5552443B2
Application number: JP2011003980A
Authority: JP
Inventors: 将圭洲濱; 大介荻野
Original assignee: Aisin AW Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Aisin AW Co Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2031-01-12
Also published as: JP2012147572A

Description

本発明は、駆動装置に関する。

従来、この種の駆動装置としては、三相交流によって駆動されるモータと、モータを駆動するインバータと、を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、インバータによってモータに供給される電流やモータで発生させるトルクがしきい値よりも大きい場合にはインバータ発熱を最低にするようにＰＷＭ制御のキャリア周波数を決定し、電流やトルクがしきい値よりも小さい場合にはインバータでの損失とモータでの損失との合計が最小となるようにキャリア周波数を決定し、決定したキャリア周波数でインバータのパルス幅変調（ＰＷＭ）制御を行なっている。

特開２０１０−５７２４３号公報

こうした駆動装置では、インバータでの損失をより低減するために、インバータのダイオードの導通抵抗を小さくしてその導通損失を低減することが考えられているが、この種のダイオードを用いた場合に駆動装置としては他にどうすればよいかが更なる課題とされている。

本発明の駆動装置は、電動機を駆動するインバータでの損失の低減を図ることを主目的とする。

本発明の駆動装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の駆動装置は、
三相交流により駆動される電動機と、複数のトランジスタと該複数のトランジスタの各々に対して逆方向に並列接続された複数のダイオードとを有し該複数のトランジスタのスイッチングによって前記電動機を駆動するインバータと、前記インバータを介して前記電動機と電力のやりとりが可能なバッテリと、を備える駆動装置において、
前記ダイオードは、前記トランジスタに比して導通抵抗が小さいものであり、
静電容量が可変の静電容量可変部を有し、前記電動機と前記インバータとの間でやりとりされる電力の力率を調整可能な力率調整回路、
を備えることを要旨とする。

この駆動装置では、トランジスタよりもダイオードの方が導通抵抗が小さいインバータを備えるものにおいて、静電容量が可変の静電容量可変部を有し電動機とインバータとの間でやりとりされる電力の力率（以下、電動機電力力率という）を調整可能な力率調整回路を設ける。したがって、静電容量可変部の静電容量を調整して電動機電力力率を悪化させることにより、電動機の各相を流れる電流をインバータ側で見たときにその電流の一周期のうちトランジスタに電流が流れる時間を短くすると共にダイオードに電流が流れる時間を長くすることができ、インバータでの損失の低減を図ることができる。

本発明の一実施例としての駆動装置２０の構成の概略を示す構成図である。インバータ２４から見たモータ２２と力率調整回路２８との各相の等価回路である。モータ２２のＵ相の電圧Ｖｕと電流Ｉｕとの時間変化の様子の一例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての駆動装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の駆動装置２０は、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載され、図示するように、同期発電電動機として構成されたモータ２２と、モータ２２を駆動するインバータ２４と、モータ２２とインバータ２４との間でやりとりされる電力の力率（以下、モータ電力力率という）ＰＦを調整可能な力率調整回路２８と、インバータ２４を介してモータ２２と電力のやりとりが可能なバッテリ２６と、装置全体をコントロールする電子制御ユニット４０と、を備える。

モータ２２は、永久磁石が埋め込まれたロータ（図示せず）と三相コイルが巻回されたステータとを有し、三相交流によって駆動される。

インバータ２４は、６つのトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６と、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のそれぞれに逆方向に並列接続された６つのダイオードＤ１〜Ｄ６と、を備える。トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６は、それぞれバッテリ２６の正極側端子と負極側端子とに対してソース側とシンク側になるよう２個ずつペアで配置されており、対となるトランジスタ同士の接続点の各々にモータ２２の三相コイル（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の各々が接続されている。したがって、インバータ２４に電圧が作用している状態でトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のオン時間の割合を調整することにより、三相コイルに回転磁界を形成でき、モータ２２を回転駆動することができる。また、実施例では、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６は、従来の半導体（例えば、シリコンなど）によって構成され、ダイオードＤ１〜Ｄ６は、従来の半導体よりもバンドギャップが大きいいわゆるワイドギャップ半導体（例えば、炭化ケイ素や窒化ガリウムなど）によって構成されるものとした。即ち、ダイオードＤ１〜Ｄ６は、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６に比して十分に導通抵抗が小さい（例えば、１０分の１など）ものを用いるものとした。

力率調整回路２８は、一方がモータ２２の三相コイルの各相に接続されると共に他方が互いに接続された静電容量可変回路２８ａ〜２８ｃを備える。静電容量可変回路２８ａは、モータ２２の三相コイルのＵ相にアノードが接続されたサイリスタＴｈ１とサイリスタＴｈ１に逆方向に並列接続されたサイリスタＴｈ２とサイリスタＴｈ１のカソード（サイリスタＴｈ２のアノード）に一方の端子が接続されたコンデンサＣ１とを備え、静電容量可変回路２８ｂは、モータ２２の三相コイルのＶ相にアノードが接続されたサイリスタＴｈ３とサイリスタＴｈ３に逆方向に並列接続されたサイリスタＴｈ４とサイリスタＴｈ３のカソード（サイリスタＴｈ４のアノード）に一方の端子が接続されたコンデンサＣ２とを備え、静電容量可変回路２８ｃは、モータ２２の三相コイルのＷ相にアノードが接続されたサイリスタＴｈ５とサイリスタＴｈ５に逆方向に並列接続されたサイリスタＴｈ６とサイリスタＴｈ５のカソード（サイリスタＴｈ６のアノード）に一方の端子が接続されたコンデンサＣ３とを備え、コンデンサＣ１〜Ｃ３の他方の端子は互いに接続されている。この静電容量可変回路２８ａ〜２８ｃでは、サイリスタＴｈ１〜Ｔｈ６がオン後は電流が値０となったときにオフとなるものであることから、サイリスタＴｈ１〜Ｔｈ６の点弧位相の調整によるこれらのオン時間の割合の調整により、コンデンサＣ１〜Ｃ３に蓄電可能な電荷を調整することができる。したがって、静電容量可変回路２８ａ〜２８ｃは、静電容量が可変の可変コンデンサと同様に考えることができる。

図２は、インバータ２４から見たモータ２２と力率調整回路２８との各相の等価回路である。インバータ２４から見たモータ２２と力率調整回路２８との各相は、図示するように、モータ２２の各相のインダクタＬｐおよび抵抗Ｒｐと、力率調整回路２８の各相の可変コンデンサＣｐと、が並列接続されたものとして考えることができる。この等価回路から、可変コンデンサＣｐの静電容量の調整によってモータ電力力率ＰＦを調整できることが分かる。

電子制御ユニット４０は、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵの他にＲＯＭやＲＡＭ，入出力ポートを備える。電子制御ユニット４０には、モータ２２のロータの回転位置を検出する回転位置検出センサ２２ａからの回転位置や、モータ２２の三相コイルのＶ相、Ｗ相に印加される相電流を検出する電流センサ２３Ｖ，２３Ｗからの相電流Ｉｖ，Ｉｗ，バッテリ２６の端子間に設置された図示しない電圧センサからの端子間電圧，バッテリ２６の出力端子に取り付けられた図示しない電流センサからの充放電電流，バッテリ２６の温度を検出する図示しない温度センサからの電池温度などが入力ポートを介して入力されている。電子制御ユニット４０からは、インバータ２４のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６へのスイッチング制御信号や、力率調整回路２８のサイリスタＴｈ１〜Ｔｈ６へのスイッチング制御信号などが出力ポートを介して出力されている。なお、電子制御ユニット４０は、回転位置検出センサ２２ａからの回転位置に基づいてモータ２２の回転数Ｎｍも演算している。

こうして構成された駆動装置２０では、電子制御ユニット４０は、モータ２２から出力すべきトルクとしてのトルク指令Ｔｍ＊に基づいてインバータ２４のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６をスイッチング制御（オンオフ制御）すると共にモータ２２の回転数Ｎｍに基づいてサイリスタＴｈ１〜Ｔｈ６をスイッチング制御（オン制御）する。

図３は、モータ２２のＵ相の電圧Ｖｕと電流Ｉｕとの時間変化の様子の一例を示す説明図である。図３（ａ）は、力率調整回路２８を備えない比較例の電圧Ｖｕと電流Ｉｕとの様子を示し、図３（ｂ）は、力率調整回路２８を備え比較例に比してモータ電力力率ＰＦを悪化させた実施例の電圧Ｖｕと電流Ｉｕとの様子を示す。インバータ２４のうちモータ２２のＵ相に対応するトランジスタＴｒ１，Ｔｒ４およびダイオードＤ１，Ｄ４について考えると、電圧Ｖｕと電流Ｉｕとが共に正のときにはトランジスタＴｒ１に電流が流れ、電圧Ｖｕが負で電流Ｉｕが正のときにはダイオードＤ４に電流が流れ、電圧Ｖｕと電流Ｉｕとが共に負のときにはトランジスタＴｒ４に電流が流れ、電圧Ｖｕが正で電流Ｉｕが負のときにはダイオードＤ４に電流が流れる。インバータ２４のうちモータ２２のＶ相，Ｗ相に対応するトランジスタやダイオードについても同様に考えることができる。したがって、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６よりもダイオードＤ１〜Ｄ６の方が十分に導通抵抗が小さいインバータ２４を用いる場合、図３（ｂ）に示すように、図３（ａ）に比してモータ電力力率ＰＦを悪化させることにより、モータ２２の各相に流れる電流をインバータ２４側で見たときにその電流の一周期のうちトランジスタに電流が流れる時間を短くすると共にダイオードに電流が流れる時間を長くすることができ、インバータ２４での損失を低減することができる。即ち、図２の等価回路における可変コンデンサＣｐの静電容量の調整によってモータ電力力率ＰＦを悪化させることにより、インバータ２４での損失を低減させることができるのである。

また、上述の図２の等価回路のアドミタンスＹは、インダクタＬｐのインダクタンス（自己インダクタンス）Ｌおよび抵抗Ｒｐの抵抗値Ｒと可変コンデンサＣｐの静電容量Ｃとを用いて次式（１）により表わすことができ、式（１）の右辺を整理すると式（２）が得られる。ここで、式（１）や式（２）中、「ｊ」は虚数単位を示し、「ω」はモータ２２の回転数Ｎｍに応じた交流の角周波数を示す。式（２）中、右辺の虚数成分が大きくなると、モータ電力力率ＰＦが悪化する。モータ電力力率ＰＦが悪化すると、上述したようにインバータ２４での損失を低減することができるるものの、有効電力が減少すると共に無効電力が増加する。このため、駆動装置２０全体としての効率の向上を図るためには、モータ電力力率ＰＦの悪化によるインバータ２４での損失の低下分とモータ電力力率ＰＦの悪化による有効電力の低下分（効率の低下分）とを考慮して可変コンデンサＣｐの静電容量Ｃをより適正に調整することが好ましい。したがって、実施例では、モータ２２の回転数Ｎｍ（各周波数ω）の増加に対する式（２）中の右辺の虚数成分の増加を抑制するために、モータ２２の回転数Ｎｍ（角周波数ω）が大きいほど、虚数成分が減少しない範囲で可変コンデンサＣｐの静電容量Ｃが小さくなるよう、サイリスタＴｈ１〜Ｔｈ６の点弧位相を調整するものとした。こうすれば、モータ電力力率ＰＦをより適正に調整することができる。

以上説明した実施例の駆動装置２０によれば、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６よりもダイオードＤ１〜Ｄ６の方が導通抵抗が小さいインバータ２４を用いるものにおいて、静電容量が可変の静電容量可変回路２８ａ〜２８ｃを有しモータ２２とインバータ２４との間でやりとりされる電力の力率であるモータ電力力率ＰＦを調整可能な力率調整回路２８を設け、静電容量調整回路２８ａ〜２８ｃの静電容量の調整によってモータ電力力率ＰＦを悪化させるから、モータ２２の各相に流れる電流をインバータ２４側で見たときに、その電流の一周期のうちトランジスタに電流が流れる時間を短くすると共にダイオードに電流が流れる時間を長くすることができ、インバータ２４での損失を低減することができる。

実施例の駆動装置２０では、力率調整回路２８の静電容量可変回路２８ａ〜２８ｃは、それぞれ、コンデンサとサイリスタとを備えコンデンサに蓄電可能な電荷がサイリスタの点弧位相に応じた値となるものを用いるものとしたが、これに代えて、静電容量が極板の対向面積や距離に応じた値となる可変コンデンサを用いるものとしてもよいし、互いに静電容量が異なり且つ互いにスイッチを介して直列や並列に接続された複数のコンデンサを備えトータルの静電容量がスイッチのオンオフによる複数のコンデンサの接続関係に応じた値となるものを用いるものとしてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、モータ２２が「電動機」に相当し、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６とダイオードＤ１〜Ｄ６とを有するインバータ２４が「インバータ」に相当し、インバータ２４を介してモータ２２と電力をやりとりするバッテリ２６が「バッテリ」に相当し、静電容量が可変の静電容量可変回路２８ａ〜２８ｃを有しモータ２２とインバータ２４との間でやりとりされる電力の力率であるモータ電力力率ＰＦを調整可能な力率調整回路２８が「力率調整回路」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、駆動装置の製造産業に利用可能である。

２０駆動装置、２２モータ、２２ａ回転位置検出センサ、２３Ｖ，２３Ｗ電流センサ、２４インバータ、２６バッテリ、２８力率調整回路、４０電子制御ユニット、Ｃ１〜Ｃ３コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ６ダイオード、Ｔｈ１〜Ｔｈ６サイリスタ、Ｔｒ１〜Ｔｒ６トランジスタ。

Claims

三相交流により駆動される電動機と、複数のトランジスタと該複数のトランジスタの各々に対して逆方向に並列接続された複数のダイオードとを有し該複数のトランジスタのスイッチングによって前記電動機を駆動するインバータと、前記インバータを介して前記電動機と電力のやりとりが可能なバッテリと、を備える駆動装置において、
前記ダイオードは、前記トランジスタに比して導通抵抗が小さいものであり、
静電容量が可変の静電容量可変部を有し、前記電動機と前記インバータとの間でやりとりされる電力の力率を調整可能な力率調整回路と、
前記電動機と前記インバータとの間でやりとりされる電力の力率が悪化するよう前記静電容量可変部の静電容量を調整する静電容量調整手段と、
を備える駆動装置。