JP5686131B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
そして、電圧形インバータIV1、電圧形整流回路IV2、直流チョッパCVが制御装置CDによって駆動制御される。
回路と直列に前記直流電源とは異なる第2の直流電源が接続されている。
また、本発明の他の形態に係る電力変換装置は、前記負荷駆動回路が電圧形インバータ
である。
また、本発明の他の形態に係る電力変換装置は、前記インダクタンス素子が、前記第3のスイッチ回路に個別に直列接続されている。
また、本発明の他の形態に係る電力変換装置は、前記直流電力供給回路は、前記第3のスイッチ回路と直列に前記直流電源とは異なる第2の直流電源が接続されている。
また、本発明の他の形態に係る電力変換装置は、前記直流電力供給路は、前記電圧形整流回路における交流入力部の各相と、前記直流電圧変換回路を構成するスイッチング素子の直列接続点との間を夫々第4のスイッチ回路を介して接続する構成を有する。
また、本発明の他の形態に係る電力変換装置は、前記交流負荷は交流電動機であり、前記負荷駆動回路が電圧形インバータである。
図1は本発明の第1の実施形態の電力変換装置を示すブロック図であり、図中、1はハイブリッド電気自動車などに適用可能な電力変換装置である。この電力変換装置1は、電圧形整流回路4、直流電圧変換回路としての直流チョッパ6、負荷駆動回路としての電圧形インバータ8を有する。電圧形整流回路4は、エンジン等の内燃機関の出力軸から回転動力が伝達される交流電源としての交流発電機3から出力される3相交流電力を直流電力に変換する。
上アーム部4Hは、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)で構成される3つのスイッチング素子Q11a〜Q13aと、各スイッチング素子Q11a〜Q13aのそれぞれに逆並列に接続されたダイオードD11a〜D13aとを有する。
下アーム部4Lも、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)で構成される3つのスイッチング素子Q11b〜Q13bと、各スイッチング素子Q11b〜Q13bのそれぞれに逆並列に接続されたダイオードD11b〜D13bとを有する。
そして、上アーム部4Hの各スイッチング素子Q11a〜Q13aと、下アーム部4Lの各スイッチング素子Q11b〜Q13bとの接続点である交流電力入力点に交流発電機3の交流電力が供給されている。
さらにまた、電力変換装置1は、正極側ラインLpおよび負極側ラインLn間に、平滑用コンデンサCと並列に接続された負荷駆動装置としての電圧形インバータ8を有する。
上アーム部8Hは、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)で構成される3つのスイッチング素子Q21a〜Q23aと、各スイッチング素子Q21a〜Q23aのそれぞれに逆並列に接続されたダイオードD21a〜D23aとを有する。
下アーム部8Lも、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)で構成される3つのスイッチング素子Q21b〜Q23bと、各スイッチング素子Q21b〜Q23bのそれぞれに逆並列に接続されたダイオードD21b〜D23bとを有する。
そして、上アーム部8Hの各スイッチング素子Q21a〜Q23aと、下アーム部8Lの各スイッチング素子Q21b〜Q23bとの接続点である交流電力出力点に交流負荷としての交流電動機9が接続されている。
そして、電圧形整流回路4、直流チョッパ6、電圧形インバータ8及びスイッチ回路11が制御装置12によって駆動制御される。
整流回路制御部13は、電圧形整流回路4を整流回路として駆動制御する機能と、電圧形整流回路4を直流チョッパとして動作させるチョッパ制御回路としての機能を併せ持つ。
ここで、AC−DC変換制御部16は、交流発電機3がエンジン等の内燃機関によって回転駆動されている発電状態で、交流発電機3から出力される交流電力の位相に応じて電圧形整流回路4の各スイッチング素子Q11a〜Q13a及びQ11b〜Q13bのゲートを制御して整流動作させるゲート駆動信号を形成する。
整流動作停止信号Stは、論理値“1”であるときに、交流発電機3を停止させて電圧形整流回路4の整流動作を停止させることを示すものであり、チョッパ動作信号Scは、論理値“1”であるときに、電圧形整流回路4をチョッパ動作させることを示すものである。
ここで、スイッチ回路11は、アンド回路19の出力が低レベルすなわち論理値“0”であるときには開き、アンド回路19の出力が高レベルすなわち論理値“1”であるときには閉じる。また、選択スイッチ20は、アンド回路19の出力が低レベルすなわち論理値“0”であるときにはAC−DC変換制御部16の出力を選択し、アンド回路19の出力が高レベルすなわち論理値“1”であるときにDC−DC変換制御部17の出力を選択する。そして、選択スイッチ20の出力が電圧形整流回路4の各スイッチング素子Q11a〜Q13a及びQ11b〜Q13bのゲートに供給される。
今、交流発電機3がエンジン等の内燃機関によって回転駆動されている状態では、システム制御部18の整流動作停止信号Stが論理値“0”となっており、アンド回路19の出力が論理値“0”となっている。このため、選択スイッチ20では、AC−DC変換制御部16の出力が選択されて、このAC−DC変換制御部16で形成されるゲート駆動信号が電圧形整流回路4の各スイッチング素子Q11a〜Q13a及びQ11b〜Q13bに出力される。また、スイッチ回路11はオフ状態に制御される。
この電圧形インバータ8は、制御装置12のインバータ制御部15で、必要とするモータトルクに応じたモータ電圧,モータ電流が得られるゲート駆動信号が形成され、交流出力点から出力される3相交流電力が交流電動機9に出力される。これによって交流電動機9が回転駆動され、交流電動機9に動力伝達機構を介して連結された駆動輪を駆動して車両を走行させることができる。
そして、直流チョッパ6の負担を減らしたい場合には、電圧形整流回路4をチョッパ動作させるチョッパ動作信号Scを論理値“1”とする。これにより,アンド回路19の出力が論理値“1”となる。このため、スイッチ回路11がオン状態となるとともに、選択スイッチ20でDC−DC変換制御部17の出力が選択される。
この昇圧チョッパ制御状態では、通常のハイブリッド自動車と同様に、直流チョッパ6からバッテリ5のバッテリ電圧Vbが昇圧された直流電力が平滑用コンデンサCに供給され、この平滑用コンデンサCで平滑化されて電圧形インバータ8に供給することが可能である。
電圧形整流回路4を構成するスイッチング素子Q11a〜Q13a,Q11b〜Q13bを用いて直流チョッパ制御することで、同容量の素子を3並列にした直流チョッパを直流チョッパ6に並列に接続することになるので、直流チョッパ6のみで電圧形インバータ8に直流電力を供給する場合に比べ、より多くの電流を流すことが可能となる。また、直流チョッパ6の電流容量の選定の自由度が高くなる。
しかも、交流電動機9に対して大きな駆動電流を確保するために、電圧形整流回路4をチョッパとして利用するので、新たな直流チョッパ回路を設けたり、直流チョッパ6自体を大形化したりする必要もなく、全体の構成を簡易化することができる。
なお、リアクトルL10は、図4に示すように、スイッチ回路11とバッテリ5との間に接続してもよいし、スイッチ回路11と交流電動機3の巻線の中性点との間に接続してもよい。
この第2の実施形態は、交流発電機3の巻線および電圧形整流回路4で構成する直流チョッパの直流電源としての専用の直流電源を設けるようにしたものである。
この第2の実施形態では、図6に示すように、前述した第1の実施形態における図1の構成において、直流電力供給線Ldの第1の直流電源としてのバッテリ5とリアクトルL6との直列回路側の接続点をバッテリ5とリアクトルL6との接続点から取り外し、バッテリ5の負極側と負極側ラインLnとの接続点に接続している。これに加えて、直流電力供給線Ldのスイッチ回路11とバッテリ5の負極側との間に専用の第2の直流電源としての第2のバッテリ30が介挿されている。
なお、上記第2の実施形態においても、交流発電機3の巻線インダクタンスだけでは、インダクタンスが不足する場合には、チョッパ動作させる電圧形整流回路4の各スイッチング素子Q11a〜Q13aおよびQ11b〜Q13bのスイッチング周波数を高くする必要がある。このような場合には、図7に示すように、スイッチ回路11と直列に補助インダクタンス素子としてリアクトルL10を介挿すればよい。このリアクトルL10を介挿することにより、必要以上の高周波で電圧形整流回路4の各スイッチング素子Q11a〜Q13aおよびQ11b〜Q13bをスイッチングさせる必要がなくなり、電圧形整流回路4のスイッチング損失を低減することができ、小形化することができる。
また、上記第2の実施形態の構成を利用してハイブリッド電気自動車を構成する場合には、図8に示すように、交流発電機3をエンジン等の内燃機関21に連結して内燃機関21の回転駆動力を交流発電機3に伝達する一方、交流電動機9の出力軸を必要に応じて減速機構22を介してディファレンシャルギヤ23に連結し、このディファレンシャルギヤ23に左右の駆動輪24を連結するようにすればよい。
この第3の実施形態は、交流発電機3の巻線のインダクタンスを使用することなく2系統の直流チョッパ回路を構成するようにしたものである。
すなわち、第3の実施形態では、図9に示すように、前述した第1の実施形態における図3の構成において、直流電力供給路10を、電圧形整流回路4の交流入力点Piu〜Piwに個別に接続する接続線Lu1〜Lw1を設けている。
そして、制御装置12のシステム制御部18は、第1のスイッチ回路31の各スイッチ部31a〜31cをオン状態に制御する際に、第2のスイッチ回路32の各スイッチ部32a〜32cをオフ状態に制御する。逆に、第1のスイッチ回路31の各スイッチ部31a〜31cをオフ状態に制御する際に、第2のスイッチ回路32の各スイッチ部32a〜32cをオン状態に制御する。
この際、電圧形整流回路4をチョッパ動作させる場合には、第1のスイッチ回路31の各スイッチ部31a〜31cがオン状態に制御され、第2のスイッチ回路32の各スイッチ部32a〜32cがオフ状態に制御される。この状態で、電圧形整流回路4の下アーム部4Lの各スイッチング素子Q11b〜Q13bをオフ状態に制御し、上アーム部4Hの各スイッチング素子Q11a〜Q13aをオン・オフ制御することによって、降圧チョッパ制御が行われて、電圧形整流回路4側からもバッテリ5に充電される。
このため、バッテリ5のバッテリ電圧Vbが、直流チョッパ6とリアクトルL10a〜L10cおよび電圧形整流回路4で構成される直流チョッパ回路との双方で昇圧されて電圧形インバータ8に供給される。
したがって、前述した第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
なお、上記第3の実施形態においては、バッテリ5の正極側にリアクトルL6を接続した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、図10に示すように構成してもよい。すなわち、バッテリ5の負極側とスイッチング素子Q6aおよびQ6bの接続点との間に昇降圧用リアクトルL6を介挿して直列回路を構成し、バッテリ5の正極側を正極側ラインLpに接続するようにしても、上記第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。この場合、バッテリ5の負極側と昇降圧用リアクトルL6との接続点に直流電力供給線Ldの一端を接続する。
この第4の実施形態は、前述した第2の実施形態と同様に、リアクトルL10a〜L10cおよび電圧形整流回路4で構成する直流チョッパの直流電源としての専用の直流電源を設けるようにしたものである。
この第4の実施形態では、図13に示すように、前述した第3の実施形態における図10の構成において、各リアクトルL10a〜L10cとスイッチ部31a〜31cとの直列回路の一端を相互に接続し、この相互接続点とバッテリ5の負極側との間に、リアクトルL10a〜L10cと電圧形整流回路4とで構成される直流チョッパ回路の専用の第2の直流電源としての第2のバッテリ30を介挿した構成を有する。
このため、前述した第2の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
第2のバッテリ30は、バッテリ5とは切り離して、その正極側を直接正極側ラインLnに接続すればよいものである。
この第5の実施形態では、リアクトルを共有して、直流チョッパ6のスイッチング素子Q6a及びQ6bの素子サイズを低減できるようにしたものである。
すなわち、第5の実施形態では、図17に示すように、前述した第3の実施形態における図9の第1のスイッチ回路31及びリアクトルL10a〜L10cの直列回路を介挿した直流電力供給路10が省略されている。そして、直流チョッパ6のリアクトルL6とスイッチング素子Q6a及びQ6bの接続点との間と、電圧形整流回路4の交流入力点Piu〜Piwとの間に、直流電力供給路10が形成されている。この直流電力供給路10には、電圧形整流回路4の交流入力点Piu〜Piwにそれぞれ一端が接続された交流発電機3の相数と同数のスイッチ部31a〜31cを有する第1のスイッチ回路31が介挿されている。各スイッチ部31a〜31cの交流入力点Piu〜Piwとは反対側は互いに接続されてリアクトルL6とスイッチング素子Q6a及びQ6bの接続点との間に接続されている。
さらには、リアクトルL6を共有するので、リアクトルL6の構成とチョッパ制御する制御装置12の整流回路制御部13の構成とを簡略化することができる。
すなわち、図20は、電圧形整流回路4として3レベル電圧形整流回路を適用した第6の実施形態を示す回路図であり、例えば、前述した第1の実施形態である図1に示す構成において、コンデンサCが、2分割されたコンデンサC1,C2の直列接続回路に変更されている。そして、これらコンデンサC1,C2の接続中点と、電圧形整流回路4の交流入力点Piu〜Piwとの間に個別にスイッチ回路41の双方向スイッチング素子Q41a〜Q41cを接続している。
さらに、図22は、3レベル電圧形整流回路を前述した第5の実施形態である図17に適用した第7の実施形態を示す回路図である。この第7の実施形態では、第1のスイッチ回路31におけるスイッチ部31a〜31cの一部の機能を3レベル電圧形整流回路の双方向スイッチング素子Q41a〜Q41cで兼用することができる。
さらに、交流発電機3の回転が停止された状態で、交流電動機9を駆動しており、整流回路も含めてチョッパ動作させる場合には、制御装置12のシステム制御部18で、双方向スイッチング素子Q41a〜Q41cを双方向ともオン状態とし、スイッチ部33aをオン、スイッチ部33bをオフ状態にする。これは、図17において、各スイッチ部31a〜31cがオン状態に制御されるのと同様の動作となる。
そのほかは、図17における制御と同様に、チョッパ制御部14で、昇圧チョッパ制御用のゲート駆動信号が形成され、このゲート駆動信号が直接直流チョッパ6のスイッチング素子Q6aおよびQ6bのゲートに供給されるとともに、選択スイッチ20を介して電圧形整流回路4の上アーム部4Hの各スイッチング素子Q11a〜Q13aおよび下アーム部4Lの各スイッチング素子Q11b〜Q13bのゲートに同時に供給される。
さらに、上記第1〜第7の実施形態においては、交流電源として交流発電機3を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、交流電源として商用交流電源を適用することもできる。
さらに、上記第1〜第7の実施形態においては、インダクタンス素子としてリアクトルを適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、配線となるバスバー等のインダクタンス成分を利用する等の任意のインダクタンス素子を適用することができる。
また、上記第1〜第7の実施形態においては、交流発電機3及び交流電動機9が3相交流を使用する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ブラシレスモータのように4相以上の多相交流を使用することもできる。
Claims (12)
- 交流発電機からの交流電力を直流電力に変換する電圧形整流回路と、直流電源と、該直流電源の直流電圧を異なる直流電圧に変換する直流電圧変換回路と、電圧形整流回路の出力と直流電圧変換回路の出力のうち少なくとも一方の直流電力を交流電力に変換して交流負荷を駆動する負荷駆動回路とを有する電力変換装置であって、
前記直流電源を直流電圧変換回路へ接続し、前記直流電源の電圧を変換して前記負荷駆動回路へ供給するとともに、
前記直流電源を、直流電力供給路、スイッチ回路、前記交流発電機の中性点を介し、さらに当該交流発電機の巻線をインダクタンス素子として介して前記電圧形整流回路に接続し、
前記交流発電機が停止中であって、前記直流電圧変換回路の動作時に、前記スイッチ回路をオン状態として前記電圧形整流回路を直流チョッパとして制御し、前記直流電源の電圧を変換して前記負荷駆動回路へ前記直流電圧変換回路と並列に供給する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 前記直流電力供給路は、前記スイッチ回路と直列に補助インダクタンス素子が介挿された構成を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記直流電力供給路は、前記スイッチ回路と直列に前記直流電源とは異なる第2の直流電源が接続されている
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の電力変換装置。 - 前記負荷駆動回路が電圧形インバータである
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 交流電源からの交流電力を直流電力に変換する電圧形整流回路と、直流電源と、該直流電源の直流電圧を異なる直流電圧に変換する直流電圧変換回路と、電圧形整流回路の出力と直流電圧変換回路の出力のうち少なくとも一方の直流電力を交流電力に変換して交流負荷を駆動する負荷駆動回路とを有する電力変換装置であって、
前記直流電源を直流電圧変換回路へ接続し、前記直流電源の電圧を変換して前記負荷駆動回路へ供給するとともに、
前記直流電源を、直流電力供給路及びインダクタンス素子を介して前記電圧形整流回路に接続し、前記直流電圧変換回路の動作時に、前記電圧形整流回路を直流チョッパとして制御し、前記直流電源の直流電圧を変換して前記負荷駆動回路へ前記直流電圧変換回路と並列に供給し、
前記電圧形整流回路の交流入力部を相ごとに前記交流電源に接続する第2のスイッチ回路を設け、
前記第2のスイッチ回路及び前記電圧形整流回路における交流入力部間に相ごとに第3のスイッチ回路を介して前記直流電力供給路の一端を接続し、当該直流電力供給路の他端を、前記直流電源に接続し、
前記第3のスイッチ回路の前記電圧形整流回路側及び直流電力供給路側の一方に前記インダクタンス素子を介挿した
ことを特徴とする電力変換装置。 - 前記第2のスイッチ回路をオフ状態として前記電圧形整流回路を交流電源から切り離すとともに、前記第3のスイッチ回路をオン状態として前記直流電源を、前記インダクタンス素子を介して前記第2のスイッチ回路と前記電圧形整流回路における交流入力部との間に相ごとに接続し、
前記電圧形整流回路を直流チョッパとして制御し、前記直流電源の電圧を変換して前記負荷駆動回路へ供給する
ことを特徴とする請求項5に記載の電力変換装置。 - 前記インダクタンス素子は、前記第3のスイッチ回路に共通に直列接続されている
ことを特徴とする請求項5または6に記載の電力変換装置。 - 前記インダクタンス素子は、前記第3のスイッチ回路に個別に直列接続されている
ことを特徴とする請求項5または6に記載の電力変換装置。 - 前記直流電力供給路は、前記第3のスイッチ回路と直列に前記直流電源とは異なる第2の直流電源が接続されている
ことを特徴とする請求項5乃至8のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 交流電源からの交流電力を直流電力に変換する電圧形整流回路と、直流電源と、該直流電源の直流電圧を異なる直流電圧に変換する直流電圧変換回路と、電圧形整流回路の出力と直流電圧変換回路の出力のうち少なくとも一方の直流電力を交流電力に変換して交流負荷を駆動する負荷駆動回路とを有する電力変換装置であって、
前記直流電源を直流電圧変換回路へ接続し、前記直流電源の電圧を変換して前記負荷駆動回路へ供給するとともに、
前記直流電源を、直流電力供給路及びインダクタンス素子を介して前記電圧形整流回路に接続し、前記直流電圧変換回路の動作時に、前記電圧形整流回路を直流チョッパとして制御し、前記直流電源の直流電圧を変換して前記負荷駆動回路へ前記直流電圧変換回路と並列に供給し、
前記電圧形整流回路における交流入力部を相ごとに交流電源に接続する第2のスイッチ回路を設け、
前記電圧形整流回路における交流入力部と、前記直流電圧変換回路を構成するスイッチング素子の直列接続点との間に、相ごとに前記直流電力供給路を接続した
ことを特徴とする電力変換装置。 - 前記直流電力供給路は、前記電圧形整流回路における交流入力部の各相と、前記直流電圧変換回路を構成するスイッチング素子の直列接続点との間を夫々第4のスイッチ回路を介して接続する構成を有する
ことを特徴とする請求項10に記載の電力変換装置。 - 前記交流負荷は交流電動機であり、前記負荷駆動回路が電圧形インバータである
ことを特徴とする請求項5乃至11のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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