JP5686131B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
本発明は、直流電源回路及び交流電力を直流電力に変換する電圧形整流回路の双方から電力供給が可能で交流負荷を駆動する負荷駆動回路を有する例えば電動機駆動装置、ハイブリッド電気車等に適用可能な電力変換装置に関する。
従来、この種の電力変換装置としては、例えば、直流電源から出力された第１の直流電圧を電圧レベルが前記第１の直流電圧と異なる第２の直流電圧に変換する直流チョッパと、前記第２の直流電圧により駆動される第１および第２の電気負荷とを備える電気負荷装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
この電気負荷装置の具体的構成は、図２３に示すように、駆動輪を駆動する交流モータＭ１と、エンジンによって駆動され交流電力を発生する交流発電機Ｍ２とを有する。交流モータＭ１は電圧形インバータＩＶ１によって駆動され、交流発電機Ｍ２で発電された交流発電電力は、電圧形整流回路ＩＶ２によって直流電力に変換される。電圧形インバータＩＶ１および電圧形整流回路ＩＶ２を接続する正母線Ｌ１および負母線Ｌ２間には平滑用コンデンサＣが接続されている。この平滑用コンデンサＣが接続されている正母線Ｌ１および負母線Ｌ２間には、直流チョッパＣＶが接続されている。この直流チョッパＣＶは、直流電源Ｂの直流電力を昇圧して正母線Ｌ１および負母線Ｌ２間へ供給するとともに、電圧形インバータＩＶ１および電圧形整流回路ＩＶ２から入力される直流電力を降圧して直流電源Ｂを充電する。
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。
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。
しかしながら、図２３に示す従来例にあっては、交流発電機Ｍ２が発電機として作用している状態では、この交流発電機Ｍ２の交流発電電力によって、交流モータＭ１を駆動する。しかし、交流発電機Ｍ２をエンジンで駆動しているシステムでは、省エネルギーやＣＯ2削減のために、できる限り直流電源のみを用いて交流モータＭ１を駆動する傾向が高まっている。
例えば、エンジンと電気駆動システムとを併用したハイブリッド自動車では、直流電源としてバッテリあるいは大容量のコンデンサを用い、この容量を増やして配電系統からも充電できるようにして、数十ｋｍ程度の走行では、エンジンを動作させずに走行（電気自動車（ＥＶ）走行、回生制動時も含む）させるプラグイン・ハイブリッド自動車の実用化も間近に迫っている。
このように、電気自動車（ＥＶ）走行する期間では、発電機として作用する交流発電機Ｍ２の出力電力は０であり、通常、この交流発電機Ｍ２に接続された電圧形整流回路ＩＶ２は停止したままである。この電圧形整流回路ＩＶ２が停止した状態では、停止している電圧形整流回路からの電力が供給されない。このため、エンジンが動作しているときと同等の電動機トルクを交流モータＭ１から得たい場合には、その電力を直流チョッパＣＶを通じて直流電源Ｂから供給しなければならない。このため、直流チョッパＣＶの通電電流を増加せざるを得ず、直流チョッパＣＶが大形化するという未解決の課題がある。
そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、直流チョッパ等の直流電力回路を大形化することなく、必要な通電電流を確保することができる電力変換装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明の一の形態に係る電力変換装置は、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。
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。
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、前記負荷駆動回路が電圧形インバータ
である。
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、本発明の一の形態に係る電力変換装置は、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。
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のスイッチ回路に共通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、本発明の一の形態に係る電力変換装置は、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。
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。
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。
本発明によれば、交流発電機で発電した交流電力を直流電力に変換する電圧形整流回路を、交流発電機の停止時に、直流チョッパとして使用することにより、交流発電機で発電する交流電力が得られない状態でも、負荷が必要とする電流を直流電源から供給することができるという効果が得られる。また、１つの直流チョッパで負荷が必要とする電流を賄える場合には、直流チョッパ回路を小容量化することができるという効果が得られる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
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。
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。
電圧形整流回路４は、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に、上アーム部４Ｈと、下アーム部４Ｌとが接続されている。
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。
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。
そして、各スイッチング素子Ｑ１１ａ〜Ｑ１３ａのコレクタが正極側ラインＬｐに接続され、エミッタが下アーム部４Ｌに接続されている。
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。
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。
また、各スイッチング素子Ｑ１１ｂ〜Ｑ１３ｂのコレクタが上アーム部４Ｈのスイッチング素子Ｑ１１ａ〜Ｑ１３ａのエミッタに接続され、エミッタが負極側ラインＬｎに接続されている。
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。
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。
また、電力変換装置１は、所要数のバッテリユニットで構成される直流電源としてのバッテリ５を有し、このバッテリ５の直流電力が直流チョッパ６でＤＣ−ＤＣ変換されて正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎに供給される。ここで、バッテリ５は、例えば、数Ｖの単位バッテリユニットを所要数（例えば数十個）直列に接続されて数百Ｖのバッテリ電圧Ｖｂを出力する。
この直流チョッパ６は、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に直列に接続された例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）で構成される一対のスイッチング素子Ｑ６ａ及びＱ６ｂと、これら一対のスイッチング素子Ｑ６ａ及びＱ６ｂのそれぞれに逆並列に接続されたダイオードＤ６ａおよびＤ６ｂを有する。また、直流チョッパ６は、負極側が負極側ラインＬｎに接続され、バッテリ５の正極側には直列に接続されたリアクトルＬ６を有する。このリアクトルＬ６のバッテリ５とは反対側がスイッチング素子Ｑ６ａのエミッタとスイッチング素子Ｑ６ｂのコレクタとの接続点に接続されている。
さらに、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、直流チョッパ６のスイッチング素子Ｑ６ａ及びＱ６ｂと並列に接続された平滑用コンデンサＣを有する直流部７を備えている。
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。
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。
この電圧形インバータ８は、正極側ラインＬｐ及び負極側ラインＬｎ間に直列に接続された上アーム部８Ｈと下アーム部８Ｌとを有する。
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。
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。
そして、各スイッチング素子Ｑ２１ａ〜Ｑ２３ａのコレクタが正極側ラインＬｐに接続され、エミッタが下アーム部８Ｌに接続されている。
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。
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。
また、各スイッチング素子Ｑ２１ｂ〜Ｑ２３ｂのコレクタが上アーム部８Ｈのスイッチング素子Ｑ２１ａ〜Ｑ２３ａのエミッタに接続され、エミッタが負極側ラインＬｎに接続されている。
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、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。
なおさらに、電力変換装置１は、電圧形整流回路４の交流入力点と、バッテリ５およびリアクトルＬ６の接続点との間を接続する直流電力供給路１０を有する。この直流電力供給路１０は、一端が交流発電機３の中性点に接続され、他端がバッテリ５及びリアクトルＬ６の接続点に接続された直流電力供給線Ｌｄを有し、この直流電力供給線Ｌｄにスイッチ回路１１が介挿されている。
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。
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。
この制御装置１２は、電圧形整流回路４を駆動制御する整流回路制御部１３と、直流チョッパ６を駆動制御するチョッパ制御部１４と、電圧形インバータ８を駆動制御するインバータ制御部１５と、電力変換装置１の全体的な動作、すなわち、整流回路制御部１３、チョッパ制御部１４、インバータ制御部１５の連係を司るシステム制御部１８とを備えている。
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。
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。
整流回路制御部１３は、図２に示すように、交流発電機３の発電動作時に交流発電機３から入力される三相交流電力を整流して直流電力に変換するＡＣ−ＤＣ変換制御部１６と、電圧形整流回路４を直流チョッパとして動作させるＤＣ−ＤＣ変換制御部１７とを備えている。
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。
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。
また、ＤＣ−ＤＣ変換制御部１７は、後述するチョッパ制御部１４と同様に、バッテリ５のバッテリ電圧Ｖｂを昇圧して直流部７に供給する場合に、上アーム部４Ｈのスイッチング素子Ｑ１１ａ〜Ｑ１３ａをオフ状態とするゲート駆動信号と、下アーム部４Ｌのスイッチング素子Ｑ１１ｂ〜Ｑ１３ｂを同時にオン・オフ制御するゲート駆動信号とを形成して、電圧形整流回路４を昇圧チョッパ動作させる。さらに、ＤＣ−ＤＣ変換制御部１７は、直流部７の直流電力を降圧してバッテリ５を充電する場合に、下アーム部４Ｌのスイッチング素子Ｑ１１ｂ〜Ｑ１３ｂをオフ状態とするゲート駆動信号と、上アーム部４Ｈのスイッチング素子Ｑ１１ｂ〜Ｑ１３ｂを同時にオン・オフ制御するゲート信号とを形成して、電圧形整流回路４を降圧チョッパ動作させる。
ここで、電圧形整流回路４を昇圧あるいは降圧チョッパ動作させるために、スイッチング素子をオン・オフ制御する際、所定デューティ比でオン・オフするパルス幅変調（ＰＷＭ）制御としてもよいし、直流チョッパ回路の出力電圧を検出し、電圧の基準値との比較を行って、比較結果に基づいてスイッチング素子のオン・オフを行う制御としてもよい。以下の各実施形態においても同様であり、直流チョッパの制御方法は種々の制御方法を適用することができる。
システム制御部１８は、整流動作停止信号Ｓｔを発生させる整流動作停止信号発生部１８ａと、チョッパ動作信号Ｓｃを発生させるチョッパ動作信号発生部１８ｂと、整流動作停止信号Ｓｔとチョッパ動作信号Ｓｃとが入力されるアンド回路１９とを少なくとも有する。
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。
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。
そして、アンド回路１９の出力は、直接スイッチ回路１１に供給されてスイッチ回路１１の開閉を司るとともに、ＡＣ−ＤＣ変換制御部１６の出力とＤＣ−ＤＣ変換制御部１７の出力とを選択する選択スイッチ２０に選択信号として供給される。
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。
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。
チョッパ制御部１４は、上述の電圧形整流回路４をチョッパ動作させる場合と同様に、昇圧チョッパ動作時にスイッチング素子Ｑ６ａをオフ状態とするゲート駆動信号と、スイッチング素子Ｑ６ｂをオン・オフ制御するゲート駆動信号とを形成する。また、チョッパ制御部１４は、直流部７の直流電力を降圧してバッテリ５を充電する降圧チョッパ動作時に、スイッチング素子Ｑ６ｂをオフ状態とするゲート駆動信号と、スイッチング素子Ｑ６ａをオン・オフ制御するゲート信号とを形成する。
インバータ制御部１５は、交流電動機９を電動機として動作させる力行状態では、必要とするモータトルクに応じて電圧形インバータ８の上アーム部８Ｈを構成するスイッチング素子Ｑ２１ａ〜Ｑ２３ａと、下アーム部８Ｌを構成するスイッチング素子Ｑ２１ｂ〜Ｑ２３ｂとをオン・オフ制御するＤＣ−ＡＣ変換用のゲート駆動信号を形成する。また、交流電動機９による回生制動状態では、電圧形インバータ８を整流回路として動作させるＡＣ−ＤＣ変換用のゲート駆動信号を形成して、各スイッチング素子Ｑ２１ａ〜Ｑ２３ａおよびＱ２１ｂ〜Ｑ２３ｂのゲートに供給する。
次に、上記第１の実施形態の動作を説明する。
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。
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。
したがって、電圧形整流回路４で、整流動作が行われて交流発電機３から出力される交流発電電力が直流電力に変換され、この直流電力が平滑用コンデンサ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。
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。
この交流発電機３の回転駆動状態から交流発電機３を停止させて、交流電動機９を制動する回生制動状態となると、交流電動機９の回生電力が電圧形インバータ８に入力される。この回生制動状態では、インバータ制御部１５によって、電圧形インバータ８が電圧形整流回路４と同様の整流動作に制御されて、回生電力を直流電力に変換する。この直流電力は平滑用コンデンサＣで平滑化されて直流チョッパ６及び電圧形整流回路４に供給される。
このとき、チョッパ制御部１４からスイッチング素子Ｑ６ｂをオフ状態とするゲート信号が出力されるとともに、スイッチング素子Ｑ６ａをオン・オフ制御するゲート信号が出力され、直流チョッパ６が降圧チョッパ制御されて、バッテリ５を充電する。同時にシステム制御部１８では、整流動作停止信号Ｓｔを論理値“１”とし、交流発電機３が停止状態になる。
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。
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ＤＣ−ＤＣ変換制御部１７では、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をオフ状態に制御するゲート信号を出力するとともに、上アーム部４Ｈの各スイッチング素子Ｑ１１ａ〜Ｑ１３ａが同時にオン・オフ制御するゲート信号を出力して、電圧形整流回路４が交流発電機３の巻線をインダクタンス素子とする降圧チョッパとして制御される。したがって、直流チョッパ６経由とは別に、電圧形整流回路４、交流発電機３の巻線及びスイッチ回路１１を経由してもバッテリ５が充電される。ここで、電圧形整流回路４は、ＤＣ−ＤＣ変換制御部１７によって、チョッパ制御部１４とは独立して降圧チョッパ制御することができる。
一方、エンジン等の内燃機関からの回転駆動力が交流発電機３に伝達されていない交流発電機３の停止状態で、交流電動機９を回転駆動するには、バッテリ５の電力のみによって交流電動機９を回転駆動する所謂電気自動車（ＥＶ）に相当する駆動制御を行う。この場合には直流チョッパ６がチョッパ制御部１４によって昇圧チョッパ制御される。このとき、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を整流回路制御部１３によって昇圧チョッパ制御する。
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。
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。
この際には、システム制御部１８は、整流動作停止信号Ｓｔを論理値“１”とするとともに、チョッパ動作信号発生部１８ｂから供給されるチョッパ動作信号Ｓｃも論理値“１”とする。このため、アンド回路１９の出力が論理値“１”となって、これが直接スイッチ回路１１に供給されることにより、スイッチ回路１１がオン状態となる。したがって、バッテリ５の直流電力がスイッチ回路１１、交流発電機３の巻線を介して電圧形整流回路４の交流入力点に供給される。このため、交流発電機３の巻線のインダクタンスと後述する電圧形整流回路４の上アーム部４Ｈの各スイッチング素子Ｑ１１ａ〜Ｑ１３ａをオフ状態とし、下アーム部４Ｌの各スイッチング素子Ｑ１１ｂ〜Ｑ１３ｂを同時にオン・オフ制御することによって昇圧チョッパ回路が構成される。
また、アンド回路１９の出力が選択スイッチ２０に供給されるので、この選択スイッチ２０でＤＣ−ＤＣ変換制御部１７の出力が選択される。このＤＣ−ＤＣ変換制御部１７で形成されたゲート駆動信号が電圧形整流回路４の上アーム部４Ｈの各スイッチング素子Ｑ１１ａ〜Ｑ１３ａ及び下アーム部４Ｌの各スイッチング素子Ｑ１１ｂ〜Ｑ１３ｂのゲートに供給される。
これにより、電圧形整流回路４の上アーム部４Ｈを構成するスイッチング素子Ｑ１１ａ〜Ｑ１３ａがオフ状態に制御され、下アーム部４Ｌを構成するスイッチング素子Ｑ１１ｂ〜Ｑ１３ｂが同時にオン・オフ制御される昇圧チョッパ制御が行われる。この昇圧チョッパ制御によって、バッテリ５のバッテリ電圧Ｖｂが昇圧されて平滑用コンデンサＣを介して電圧形インバータ８に直流電力として供給される。
したがって、電圧形インバータ８には、バッテリ５のバッテリ電圧Ｖｂを直流チョッパ６および電圧形整流回路４の双方で昇圧した直流電力が供給される。このため、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較して、より多くの電流を電圧形インバータ８へ供給することが可能となる。
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。
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。
この結果、電圧形インバータ８で交流電動機９を駆動する場合の駆動電流を従来例に比較して大幅に増加させることができ、電力変換装置１をハイブリッド電気自動車に適用した場合、ＥＶ走行での発進時や急加速時等の大きなモータトルクが必要となる場合に、電力不足となることなく、確実に駆動力を確保することができる。
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。
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。
ハイブリッド電気自動車などの電気車駆動回路では、限られたスペースに回路を搭載する必要があり、上記第１の実施形態の回路構成を適用すると、電圧形インバータ８の必要電流を据え置くと、直流チョッパ６の通電電流を抑制することができ、直流チョッパ６の小形化が図れる。逆に、直流チョッパ６の通電電流を抑制しない場合には、電圧形整流回路４を使用してより大きな出力を出す回路を搭載することが可能になるため、電気車の加減速性能を大幅に向上させることができる。
また、上述したように、第１の実施形態では、直流チョッパ６と並列に交流発電機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回路が形成されている。このため、直流チョッパ６に異常が発生した場合には、直流チョッパ６のチョッパ制御部１４による駆動を停止させ、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回路で昇圧した直流電力を電圧形インバータ８に供給することができ、直流チョッパ６が異常状態となってもバッテリ５による交流電動機９の駆動を継続することができる。
さらに、上記第１の実施形態では、直流チョッパ６と交流発電機３の巻線および電圧形整流回路４の上アーム部４Ｈ及び下アーム部４Ｌによって構成される直流チョッパ回路との２つの直流チョッパ回路を備えている。そして、両直流チョッパ回路をチョッパ制御部１４と整流回路制御部１３のＤＣ−ＤＣ変換制御部１７との異なる制御部でチョッパ制御するので、両チョッパ回路のスイッチング素子のスイッチングタイミングをずらすことが可能となる。このように、両チョッパ回路のスイッチングタイミングをずらすことにより、平滑用コンデンサＣの電圧リップルを低減することができる。逆に、同じ幅の電圧リップルを許容する場合には、直流チョッパ６や電圧形整流回路４のチョッパ動作のスイッチング周波数を下げることができ、直流チョッパ６および電圧形整流回路４のスイッチング損失を低減できるため、小形化や高効率化を図ることができる。
なお、上記第１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、図３に示すように構成することもできる。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とリアクトルＬ６との接続点を、直流電力供給線Ｌｄを介して交流発電機３の中性点に接続する。この際、スイッチング素子Ｑ６ｂをオフ状態にして、スイッチング素子Ｑ６ａをオン・オフさせることにより、直流チョッパ６で昇圧動作させ、バッテリ５から正極側ラインＬｐと負極側ラインＬｎとの間へ直流電力を供給できる。この動作と同様に、電圧形整流回路４の下アーム部４Ｌを構成するスイッチング素子Ｑ１１ｂ〜Ｑ１３ｂをオフ状態とし，上アーム部４Ｈを構成するスイッチング素子Ｑ１１ａ〜Ｑ１３ａを同時にオン・オフさせることにより、昇圧チョッパとして動作させ、電圧形整流回路４を用いても、バッテリ５から正極側ラインＬｐと負極側ラインＬｎとの間へ直流電力を供給できる。
また、上記第１の実施形態においては、交流発電機３の巻線のインダクタンスをリアクトルとして利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、交流発電機の巻線のインダクタンスが不足する場合には、図４に示すように、スイッチ回路１１とバッテリ５との間に補助インダクタンス素子としてリアクトルＬ１０を介挿して不足するインダクタンスを補うようにしてもよい。
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。
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。
さらに、上記第１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５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。ここで、内燃機関２１と交流電動機９とは直結してもよく、例えば遊星歯車機構で構成される動力分割機構に内燃機関２１と交流電動機９とを並列に接続し、動力分割機構に交流発電機３を連結するようにしてもよい。
次に、本発明の第２の実施形態を図６について説明する。
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。
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。
この第２の実施形態によると、交流発電機３の停止時に、直流チョッパ６はバッテリ５のバッテリ電圧Ｖｂを昇圧する昇圧チョッパ動作を行い、交流発電機３の巻線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については専用の第２のバッテリ３０のバッテリ電圧Ｖｂ２を昇圧する昇圧チョッパ動作を行う。これにより、バッテリ５と第２のバッテリ３０の双方から直流電力の供給が可能となる。
前述した第１の実施形態においては、電気自動車（ＥＶ）走行時の走行距離を伸ばすためには，バッテリ５の容量を増やす必要がある。バッテリ５の容量を増加させる場合には、単純にバッテリ５を構成するユニットバッテリの並列数を増加させると、ユニットバッテリの個体差による充電状態や劣化状態のバラツキが、数が増えた分だけ大きくなる。このため、充電や劣化状態が悪いユニットバッテリに合わせて、バッテリあるいはコンデンサ全体を充放電制御することが必要になり、状態が良いバッテリあるいはコンデンサの蓄積エネルギーが有効に活用できないという未解決の課題が生じる。
しかしながら、上記第２の実施形態においては、直流チョッパ６の第１のバッテリ５のバッテリ容量を増加させることなく、交流発電機３の巻線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に専用の第２のバッテリ３０を設けたので、第１のバッテリ５及び第２のバッテリ３０の双方から直流電力を供給することが可能となる。第１のバッテリ５の容量や直流チョッパ６の通電電流を増やすことなく、電圧形インバータ８に供給する直流電力を増やすことができる。さらに、直流チョッパ６で制御する第１のバッテリ５の出力とは独立に第２のバッテリ３０の出力を制御できる。第１の直流電源及び第２の直流電源をバッテリで構成したときには、それぞれを独立に充放電制御することができるので、第１の直流電源の容量を単純に増やすよりも、バッテリの充電や劣化のバラツキを小さくすることができ、蓄積ネルギーの有効活用が可能となる。
この第２の実施形態おいては、第２のバッテリ３０を適用した場合について説明したが、この第２のバッテリ３０に代えて充放電用コンデンサの構成を有する小容量のユニットコンデンサを複数直並列に接続して直流電源とするか大容量の１つ以上の充放電用コンデンサを直流電源とすることができる。
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。
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。
なお、リアクトルＬ１０は、図７に示すように、スイッチ回路１１と第２のバッテリ３０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。
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。
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。
次に、本発明の第３の実施形態を図９について説明する。
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。
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。
これら接続線Ｌｕ１〜Ｌｗ１には、第１のスイッチ回路３１を構成する交流発電機３の相数に応じた数のスイッチ部３１ａ〜３１ｃと、リアクトルＬ１０ａ〜Ｌ１０ｃとが直列に接続されて介挿される。このスイッチ部３１ａ〜３１ｃとリアクトルＬ１０ａ〜Ｌ１０ｃの直列回路の一端は交流入力点Ｐｉｕ〜Ｐｉｗに接続される。また、直列回路の他端は互いに接続されてバッテリ５とリアクトルＬ６との接続点に接続されている。この直列回路の接続順は、図９に示すように、リアクトルＬ１０ａ〜Ｌ１０ｃをスイッチ部３１ａ〜３１ｃのバッテリ５側としてもよいし、スイッチ部３１ａ〜３１ｃの交流入力点Ｐｉｕ〜Ｐｉｗ側としてもよい。
また、交流発電機３の出力側と接続線Ｌｕ１〜Ｌｗ１および交流入力点Ｐｉｕ〜Ｐｉｗの接続点との間に第２のスイッチ回路３２を構成する交流発電機３の相数に応じた数のスイッチ部３２ａ〜３２ｃが介挿されている。
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。
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。
この第３の実施形態によると、交流発電機３が回転駆動されている状態では、第１のスイッチ回路３１の各スイッチ部３１ａ〜３１ｃがオフ状態に制御され、第２のスイッチ回路３２の各スイッチ部３２ａ〜３２ｃがオン状態に制御される。このため、交流発電機３で発電された交流電力が電圧形整流回路４の交流入力点Ｐｉｕ〜Ｐｉｗに入力される。この電圧形整流回路４の上アーム部４Ｈ及び下アーム部４Ｌの各スイッチング素子Ｑ１１ａ〜Ｑ１３ａおよびＱ１１ｂ〜Ｑ１３ｂがＡＣ−ＤＣ変換制御部１６で形成されるゲート駆動信号によって制御されることにより整流動作が行われる。この電圧形整流回路４から出力される直流電力が平滑用コンデンサＣで平滑化されて電圧形インバータ８に供給されることにより、この電圧形インバータ８の交流出力点から出力される交流電力が交流電動機９に供給され、交流電動機９が回転駆動される。
交流電動機９を制動する際に、交流電動機９が回生制動状態となると、交流電動機９から出力される交流電力が電圧形インバータ８で直流電力に変換され、直流チョッパ６で降圧チョッパ制御されてバッテリ５が充電される。このとき、交流発電機３は回転駆動状態から停止状態となる。
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。
さらに、交流発電機３の停止状態では、前述した第１の実施形態と同様に、直流チョッパ６を昇圧チョッパ動作させることにより、バッテリ５のバッテリ電圧Ｖｂを昇圧して平滑用コンデンサＣに供給することもできる。このときに、電圧形整流回路４をチョッパ動作させたいときには、前述した第１の実施形態と同様に、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の上アーム部４Ｈの各スイッチング素子Ｑ１１ａ〜Ｑ１３ａがオフ状態に制御され、下アーム部４Ｌの各スイッチング素子Ｑ１１ｂ〜Ｑ１３ｂをオン・オフ制御することにより昇圧チョッパ制御が行われて、バッテリ５のバッテリ電圧Ｖｂが昇圧されて平滑用コンデンサＣに供給される。
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。
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。
さらに、図９に示す構成においては、電圧形整流回路４を直流チョッパとして使用する際には、交流発電機３に電流を流さないため、この際の交流発電機の発熱が防げられる。また、昇降圧用リアクトルＬ１０ａ〜Ｌ１０ｃが電圧形整流回路４の相ごとに設けられているので、リアクトルＬ１０ａ〜Ｌ１０ｃと電圧形整流回路４の下アーム部４Ｌの各スイッチング素子Ｑ１１ｂ〜Ｑ１３ｂとで行う昇圧チョッパ制御は、相ごとに独立して制御することができる。この場合、スイッチング素子Ｑ１１ｂ〜Ｑ１３ｂのスイッチングの位相をずらせることで、直流出力のリップルを抑制することもできる。また、必要電流量に応じてスイッチング素子Ｑ１１ａ及びＱ１１ｂ、Ｑ１２ａ及びＱ１２ｂ並びにＱ１３ａ及びＱ１３ｂの組の１つ又は２つ以上を選択して昇圧チョッパ動作させることができる。
同様に、リアクトルＬ１０ａ〜Ｌ１０ｃと電圧形整流回路４の上アーム部４Ｈの各スイッチング素子Ｑ１１ａ〜Ｑ１３ａとで行う降圧チョッパ制御も、相ごとに独立して制御することができる。
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。
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。
図１０に示す構成は、図９と同様に、電圧形整流回路４を直流チョッパとして使用する際に、交流発電機３を第２のスイッチ回路３２によって電圧形整流回路４から切り離し、リアクトルＬ１０ａ〜Ｌ１０ｃが電圧形整流回路４の相ごとに設けられている。このため、リアクトルＬ１０ａ〜Ｌ１０ｃと電圧形整流回路４の下アーム部４Ｌの各スイッチング素子Ｑ１１ｂ〜Ｑ１３ｂとで行う昇圧チョッパ制御は、相ごとに独立して制御することができる。この場合も、スイッチング素子Ｑ１１ｂ〜Ｑ１３ｂのスイッチングの位相をずらせることで、直流出力のリップルを抑制することができる。また、必要電流量に応じてスイッチング素子Ｑ１１ａ及びＱ１１ｂ、Ｑ１２ａ及びＱ１２ｂ並びにＱ１３ａ及びＱ１３ｂの組の１つ又は２つ以上を選択して昇圧チョッパ動作させることができる。
また、上記第３の実施形態においては、交流発電機３の出力相数に応じた昇降用リアクトルＬ１０ａ〜Ｌ１０ｃを設け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１１に示すように、第１のスイッチ回路３１の各スイッチ部３１ａ〜３１ｃの昇降用リアクトルＬ１０ａ〜Ｌ１０ｃ側を互いに接続し、１つの昇降用リアクトルＬ１０を介してバッテリ５及び昇降用リアクトルＬ６の接続点に接続するようにしてもよい。
さらに、上記第３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１２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。また、内燃機関２１と交流電動機９との連結関係は前述した図５と同様に構成することができる。
次に、本発明の第４の実施形態を図１３について説明する。
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。
この第４の実施形態によれば、バッテリ５のバッテリ電圧Ｖｂを直流チョッパ６で昇圧して電圧形インバータ８に供給するともに、バッテリ３０のバッテリ電圧Ｖｂ２を昇降圧用リアクトル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で昇圧して電圧形インバータ８に供給する。
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。
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。
図１３に示す構成は、図９と同様に、電圧形整流回路４を直流チョッパとして使用する際に、交流発電機３を第２のスイッチ回路３２によって電圧形整流回路４から切り離し、リアクトルＬ１０ａ〜Ｌ１０ｃが電圧形整流回路４の相ごとに設けられている。このため、昇降圧用リアクトルＬ１０ａ〜Ｌ１０ｃと電圧形整流回路４の下アーム部４Ｌの各スイッチング素子Ｑ１１ｂ〜Ｑ１３ｂとで行う昇圧チョッパ制御は、相ごとに独立して制御することができる。この場合、スイッチング素子Ｑ１１ｂ〜Ｑ１３ｂのスイッチングの位相をずらせることで、直流出力のリップルを抑制することができる。また、必要電流量に応じてスイッチング素子Ｑ１１ａ及びＱ１１ｂ、Ｑ１２ａ及びＱ１２ｂ並びにＱ１３ａ及びＱ１３ｂの組の１つ又は２つ以上を選択して昇圧チョッパ動作させることができる。更に，バッテリ３０を３つに分割し、リアクトルＬ１０ａ〜Ｌ１０ｃにそれぞれ個別に接続することも可能である。
なお、上記第４の実施形態では、直流チョッパ６のリアクトルＬ６をバッテリ５の正極側に直列に接続したが、図１４に示すように、バッテリ５の負極側に直列に接続することできる。この場合には、直流チョッパ６の接続は、図３，図１０の構成と同様であり、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。
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。
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。
図１４に示す構成は、図９と同様に、電圧形整流回路４を直流チョッパとして使用する際に、交流発電機３を第２のスイッチ回路３２によって電圧形整流回路４から切り離し、リアクトルＬ１０ａ〜Ｌ１０ｃが電圧形整流回路４の相ごとに設けられている。このため、リアクトルＬ１０ａ〜Ｌ１０ｃと電圧形整流回路４の下アーム部４Ｌの各スイッチング素子Ｑ１１ｂ〜Ｑ１３ｂとで行う昇圧チョッパ制御は、相ごとに独立して制御することができる。この場合、スイッチング素子Ｑ１１ｂ〜Ｑ１３ｂのスイッチングの位相をずらせることで、直流出力のリップルを抑制することができる。また、必要電流量に応じてスイッチング素子Ｑ１１ａ及びＱ１１ｂ、Ｑ１２ａ及びＱ１２ｂ並びにＱ１３ａ及びＱ１３ｂの組の１つ又は２つ以上を選択して昇圧チョッパ動作させることができる。
また、上記第４の実施形態では、３つのリアクトルＬ１０ａ〜Ｌ１０ｃ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、図１５に示すように、第１のスイッチ回路３１の各スイッチ部３１ａ〜３１ｃのリアクトル側を互いに接続し、その接続点と第２のバッテリ３０との間に１つのリアクトルＬ１０を接続するようにしても良い。この場合には１つのリアクトルＬ１０を設けるだけで良いので、リアクトルとチョッパ制御する制御回路を簡素化することができる。
さらに、上記第４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１６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。また、内燃機関２１と交流電動機９との連結関係は前述した図５と同様に構成することができる。
次に、本発明の第５の実施形態を図１７について説明する。
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。
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。
また、制御装置１２は、図１７に示すように、チョッパ制御部１４から出力されるゲート信号が整流回路制御部１３に供給されている。そして、整流回路制御部１３は、図１８に示すように、前述した第１の実施形態における図２の構成において、ＤＣ−ＤＣ変換制御部１７が省略され、これに代えてチョッパ制御部１４から入力されるゲート信号が直接選択スイッチ２０の固定接点に供給されていることを除いては図２と同様の構成を有し、図２との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。また、システム制御部１８では、アンド回路１９の出力が直接第１のスイッチ回路３１に供給されているとともに、反転論理回路１９ａを介して第２のスイッチ回路３２に供給されていることを除いては、図２と同様の構成を有し、図２との対応部分には同一符号を付し、その詳細説明はこれを省略する。
この第５の実施形態によると、交流発電機３が動作している状態では、システム制御部１８のアンド回路１９の出力が論理値“０”となって、第１のスイッチ回路３１の各スイッチ部３１ａ〜３１ｃがオフ状態で、第２のスイッチ回路３２の各スイッチ部３２ａ〜３２ｃがオン状態に制御される。このため、前述した第１〜第４の実施形態と同様に、交流発電機３で発電された交流電力が電圧形整流回路４で整流されて直流電力に変換され、これが電圧形インバータ８に供給される。この電圧形インバータ８によって交流電動機９で必要とするモータトルクに応じた三相交流電力が形成され、交流電動機９に供給されて、交流電動機９が回転駆動される。
一方、交流電動機９が回生制動状態となったときには、電圧形インバータ８がインバータ制御部１５によって整流回路として動作されて、交流電動機９から入力される交流電力を直流電力に変換する。この際、直流チョッパ６のスイッチング素子の通電電流を低減したい場合には、制御装置１２のシステム制御部１８でチョッパ動作信号Ｓｃと整流動作停止信号Ｓｔをともに“１”とする。これにより、アンド回路１９の出力が論理値“１”となって、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。これと同時に選択スイッチ２０でチョッパ制御部１４から入力されるチョッパ制御用のゲート信号が選択され、このチョッパ制御用のゲート駆動信号が、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のゲートとに同時に供給される。
この回生制動状態では、チョッパ制御部１４から例えば直流チョッパ６のスイッチング素子Ｑ６ｂと電圧形整流回路４の下アーム部４Ｌの各スイッチング素子Ｑ１１ｂ〜Ｑ１３ｂとをそれぞれオフ状態に制御するゲート信号が出力されるとともに、直流チョッパ６のスイッチング素子Ｑ６ａと電圧形整流回路４の上アーム部４Ｈの各スイッチング素子Ｑ１１ａ〜Ｑ１３ａを同時にオン・オフ制御するゲート信号が出力される。このため、電圧形整流回路４及び直流チョッパ６の双方で降圧チョッパ制御が行われて、電圧形インバータ８から出力される直流電力がバッテリ５の充電電圧まで降圧されてバッテリ５が充電される。
さらに、交流発電機３が停止した状態で、交流電動機９を駆動する際に電圧形整流回路４もチョッパ動作させる場合には、チョッパ動作信号Ｓｃと整流動作停止信号Ｓｔを”１”とすることにより、システム制御部１８のアンド回路１９の出力が論理値“１”となって、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。さらに、整流回路制御部１３の選択スイッチ２０でチョッパ制御部１４から出力されるゲート信号が選択される。
これと同時に、チョッパ制御部１４から昇圧チョッパ制御用のゲート駆動信号が出力され、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。
したがって、直流チョッパ６のスイッチング素子Ｑ６ａと電圧形整流回路４の上アーム部４Ｈの各スイッチング素子Ｑ１１ａ〜Ｑ１３ａとをそれぞれオフ状態に制御した状態で、直流チョッパ６のスイッチング素子Ｑ６ｂと電圧形整流回路４の下アーム部４Ｌの各スイッチング素子Ｑ１１ｂ〜Ｑ１３ｂを同時にオン・オフ制御することにより、昇圧チョッパ制御が行われる。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及び電圧形整流回路４でそれぞれ昇圧されて、電圧形インバータ８に供給される。この電圧形インバータ８を構成する各スイッチチング素子Ｑ２１ａ〜Ｑ２３ａおよびＱ２１ｂ〜Ｑ２３ｂを制御装置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てオン・オフ制御することにより、直流電力を交流電力に変換して交流電動機９に交流電力を供給して駆動する。
このように、上記第５の実施形態でも、バッテリ５の直流電力を直流チョッパ６及び電圧形整流回路４の２つのスイッチング部でチョッパ制御するので、直流チョッパ６のスイッチング素子の通電電流を抑制することができ、直流チョッパ６を小形化することができる。さらには、直流チョッパ６の通電電流を抑制しない場合には、電圧形インバータ８に供給する電流量を増加させることができ、高モータトルク駆動が可能となる。
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。
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。
なお、上記第５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１９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。また、内燃機関２１と交流電動機９との連結関係は前述した図５と同様に構成することができる。
ここで、上記第１〜第５の実施形態においては、電圧形整流回路を２レベル変換回路の例で説明したが、多レベル変換回路を適用することもできる。
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。
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。
双方向スイッチング素子Ｑ４１ａ〜Ｑ４１ｃには、図２１（ａ）に示すように、逆阻止能力のあるＩＧＢＴａ及びＩＧＢＴｂを逆並列に接続したものや、図２１（ｂ）に示すように、逆阻止能力のないＩＧＢＴｃ及びＩＧＢＴｄとダイオードＤｃ及びＤｄとを直列に組み合わせたものや、図２１（ｃ）に示すように、逆阻止能力のないＩＧＢＴｅ及びＩＧＢＴｆのコレクタ同志を接続し、これと並列にダイオードＤｅ及びＤｆのアノード同志を接続し、ＩＧＢＴｅ及びＩＧＢＴｆの接続点及びダイオードＤｅ及びＤｆの接続点間を接続して組み合わせたものなどが適用可能である。
また、上記第６の実施形態においては、第１の実施形態に３レベル電圧形整流回路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、前述した第２〜第４の実施形態に３レベル電圧形整流回路を適用することもできる。
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、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。
すなわち、図２２に示すように、電圧形整流回路４の交流入力点Ｐｉｕ〜Ｐｉｗには個別に双方向スイッチング素子Ｑ４１ａ〜Ｑ４１ｃの一端が接続され、双方向スイッチング素子Ｑ４１ａ〜Ｑ４１ｃの他端は互いに接続されて第３のスイッチ回路３３に接続されている。この第３のスイッチ回路３３はスイッチ部３３ａ，３３ｂを有し、スイッチ部３３ａ，３３ｂの一端はそれぞれ双方向スイッチング素子Ｑ４１ａ〜Ｑ４１ｃの他端に接続されている。スイッチ部３３ａの他端は直流チョッパ６を構成するスイッチング素子Ｑ６ａとＱ６ｂの接続点へ接続されている。また、スイッチ部３３ｂの他端は２分割されたコンデンサＣ１とＣ２の接続点へ接続されている。
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、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、さらに双方向スイッチング素子Ｑ４１ａ〜Ｑ４１ｃによって３レベル電圧形整流回路を構成する。
この第７の実施形態によると、交流発電機３がエンジン等の内燃機関によって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を論理値“０”としており、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，Ｑ１１ｂ〜Ｑ１３ｂ，Ｑ４１ａ〜Ｑ４１ｃに出力される。このときスイッチ部３３ａは開いており、スイッチ部３３ｂは閉じている。
したがって、３レベル電圧形整流回路４で、整流動作が行われて交流発電機３から出力される交流発電電力が直流電力に変換されて平滑用コンデンサＣ１，Ｃ２で平滑化されて電圧形インバータ８に供給される。
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。
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。
また、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。
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。
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。
したがって、例えば直流チョッパ６のスイッチング素子Ｑ６ａと電圧形整流回路４の上アーム部４Ｈの各スイッチング素子Ｑ１１ａ〜Ｑ１３ａとをそれぞれオフ状態に制御した状態で、直流チョッパ６のスイッチング素子Ｑ６ｂと電圧形整流回路４の下アーム部４Ｌの各スイッチング素子Ｑ１１ｂ〜Ｑ１３ｂとを同時にオン・オフ制御することにより、昇圧チョッパ制御が行われる。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及び電圧形整流回路４でそれぞれ昇圧されて、電圧形インバータ８に供給される。この電圧形インバータ８を構成する各スイッチチング素子Ｑ２１ａ〜Ｑ２３ａおよびＱ２１ｂ〜Ｑ２３ｂを制御装置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てオン・オフ制御することにより、直流電力を交流電力に変換して交流電動機９に交流電力を供給して駆動する。
また、上記第１〜第７の実施形態においては、直流電源としてバッテリ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、充電用コンデンサ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、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、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。
また、上記第１〜第７の実施形態においては、電圧形インバータ８として２レベルインバータ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、３レベル以上の多レベルインバータ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。
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、上記帯１〜第７の実施形態においては、電圧形整流回路４、直流チョッパ６および電圧形インバータ８のスイッチング素子として絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を適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、パワーＭＯＳＦＥＴ等の任意の電圧制御形スイッチング素子を適用することができる。
さらに、上記第１〜第７の実施形態においては、本発明をハイブリッド電気自動車に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、交流負荷を駆動する任意の負荷駆動装置に本発明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。
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。
以上のように本発明は、交流発電機で発電した交流電力を直流電力に変換する電圧形整流回路を、交流発電機の停止時に、直流チョッパとして使用することにより、交流発電機で発電する交流電力が得られない状態でも、負荷が必要とする電流を直流電源から供給することができ、ハイブリッド自動車や交流負荷を駆動する任意の負荷駆動装置に適用することができる。
１…電力変換装置、３…交流発電機、４…電圧形整流回路、５…バッテリ、６…直流チョッパ、Ｑ６ａ，Ｑ６ｂ…スイッチング素子、Ｌ６…昇降圧用リアクトル、７…直流部、Ｃ…平滑用コンデンサ、８…電圧形インバータ、９…交流電動機、１０…直流電力供給路、Ｌｄ…直流電力供給線、１１…スイッチ回路、Ｌ１０…リアクトル、１２…制御装置、１３…整流回路制御部、１４…チョッパ制御部、１５…インバータ制御部、１６…ＡＣ−ＤＣ変換制御部、１７…ＤＣ−ＤＣ変換制御部、１８…システム制御部、１９…アンド回路、２０…選択スイッチ、３０…第２のバッテリ、３１…第１のスイッチ回路、３１ａ〜３１ｃ…スイッチ部、３２…第２のスイッチ回路、３２ａ〜３２ｃ…スイッチ部、４１…スイッチ回路、Ｑ４１ａ〜Ｑ４１ｃ…双方向スイッチング素子
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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