JP6161002B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

下記特許文献１には、スイッチトリラクタンスモータの３相分の巻線に印加する電圧を昇圧することができると共に、３相分の巻線に流れる電流を容量素子及び電源に回生することができる駆動回路が開示されている。該駆動回路は、１つのコンデンサ、９つのスイッチング素子及び６つのダイオードによって構成されている。また、この駆動回路は、３相分の巻線に供給する方形波状の駆動電流の立ち上がりを急峻にすることも可能である。

特開２０１２−４４８１６号公報

ところで、上記従来技術では、上述したように、スイッチトリラクタンスモータの３相分の巻線に供給する方形波状の駆動電流の立ち上がりを急峻にすることが可能であるが、該駆動電流を生成するために、１つのコンデンサ、９つのスイッチング素子及び６つのダイオードを用いる必要があるため、部品点数が増えてしまうという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、スイッチトリラクタンスモータに供給する方形波状の駆動電流の立ち上がりを急峻にすることが可能な回路の部品点数を減らすこと目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、スイッチング素子を備え、直流電源によって出力される電力を変換してスイッチトリラクタンスモータのコイルに供給する電力変換装置であって、一端が前記直流電源のプラス側に接続されているコンデンサと、前記コンデンサの他端と前記コイルの一端との間に設けられる前記スイッチング素子である第１スイッチング素子と、前記コイルの他端と前記直流電源のマイナス側との間に設けられる前記スイッチング素子である第２スイッチング素子と、アノード端子が前記直流電源のプラス側に、またカソード端子が前記コイルの一端にそれぞれ接続されている第１ダイオードと、アノード端子が前記コイルの他端に、またカソード端子が前記コンデンサの他端にそれぞれ接続されている第２ダイオードとを具備し、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子をオン状態にすることで前記直流電源及び前記コンデンサから前記コイルに駆動電力を供給する第１動作モードと、少なくとも前記第２スイッチング素子をオン状態にすることで前記直流電源から前記コイルに駆動電力を供給する第２動作モードと、第１スイッチング素子をオン状態にし、かつ第２スイッチング素子をオフ状態にする第３動作モードと、全ての前記スイッチング素子をオフ状態にすることで前記コイルから前記コンデンサに電力を供給する第４動作モードとを有する、という手段を採用する。

本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、直流電源のプラス側と前記第２ダイオードのカソード端子との間に設けられる第３スイッチング素子と、アノード端子が前記直流電源のマイナス側に、またカソード端子が前記コイルの一端にそれぞれ接続されている第３ダイオードとをさらに具備し、第３スイッチング素子をオン状態にし、かつ第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子をオフ状態にすることで前記コイルから前記直流電源に電力を供給する第５動作モードをさらに有し、前記第１動作モードにおいて、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子をオン状態にし、かつ第３スイッチング素子をオフ状態にすることで前記直流電源及び前記コンデンサから前記コイルに駆動電力を供給し、前記第３動作モードにおいて、第１スイッチング素子をオン状態にし、かつ第２スイッチング素子に加えて第３スイッチング素子をオフ状態にする、という手段を採用する。

本発明では、第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記直流電源のプラス端子と前記コンデンサの一端との間に設けられる前記スイッチング素子である第４スイッチング素子をさらに具備し、前記第１動作モードにおいて、前記第４スイッチング素子もオン状態にし、前記第２動作モードにおいて、少なくとも前記第２スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子をオン状態にすることで前記直流電源から前記コイルに駆動電力を供給し、前記第３動作モードにおいて、第１スイッチング素子をオン状態にし、かつ第２スイッチング素子及び第３スイッチング素子をオフ状態にし、第４スイッチング素子についてはオン状態あるいはオフ状態であり、前記第５動作モードにおいて、第３スイッチング素子をオン状態にし、かつ第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子に加えて第４スイッチング素子をオフ状態にすることで前記コイルから前記直流電源に加えて前記コンデンサに電力を供給する、という手段を採用する。

本発明では、第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれか１つの解決手段において、前記第２スイッチング素子及び前記第２ダイオードは、前記スイッチトリラクタンスモータに備えられる複数相分のコイル各々に対して設けられる、という手段を採用する。

本発明によれば、第１動作モードにおいて、直流電源と、第４動作モードで充電されたコンデンサとを用いてスイッチトリラクタンスモータのコイルに駆動電力を供給するので、方形波状の駆動電流の立ち上がりを急峻にすることができる。また、本発明よれば、上述した先行技術文献に比べて、部品点数を減らすことが可能である。

本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の回路図である。 本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の駆動電流（ａ）、印加電圧（ｂ）及びスイッチング（ｃ）を示すタイミングチャートである。 本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の変形例を示す回路図である。 本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の回路図である。 本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の駆動電流（ａ）、印加電圧（ｂ）及びスイッチング（ｃ）を示すタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の駆動電流（ａ）、印加電圧（ｂ）及びスイッチング（ｃ）を示すタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の駆動電流（ａ）、印加電圧（ｂ）及びスイッチング（ｃ）を示すタイミングチャートである。 本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の変形例を示す回路図である。 本発明の第３実施形態に係る電力変換装置の回路図である。 本発明の第３実施形態に係る電力変換装置の駆動電流（ａ）、印加電圧（ｂ）及びスイッチング（ｃ）を示すタイミングチャートである。 本発明の第３実施形態に係る電力変換装置の変形例を示す回路図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第1実施形態〕
初めに第１実施形態について説明する。本第１実施形態に係る電力変換装置は、直流電源Ｅによって出力される電力を変換してスイッチトリラクタンスモータ（図示略）のコイルＬ１に供給するものである。このような電力変換装置は、図１に示すように、１対の第１端子Ｔ１、Ｔ２、１対の第２端子Ｔ１１、Ｔ１２、コンデンサＣ、第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２、第１ダイオードＤ１、第２ダイオードＤ２及びスイッチ制御部Ｍから構成されている。

１対の第１端子Ｔ１、Ｔ２は、直流電源Ｅの両端（プラス端子及びマイナス端子）に接続されている。一方、１対の第２端子Ｔ１１、Ｔ１２は、スイッチトリラクタンスモータ（図示略）のコイルＬ１の両端に接続されている。
コンデンサＣは、直流電源Ｅのプラス側とコイルＬ１の一端との間に設けられ、一端が直流電源Ｅのプラス側に、また他端が第１スイッチング素子Ｓ１を介してコイルＬ１の一端にそれぞれ接続されている。

第１スイッチング素子Ｓ１は、コンデンサＣの他端とコイルＬ１の一端との間に設けられ、一端がコンデンサＣの他端に、また他端がコイルＬ１の一端にそれぞれ接続されている。
第２スイッチング素子Ｓ２は、コイルＬ１の他端と直流電源Ｅのマイナス側との間に設けられ、一端がコイルＬ１の他端に、また他端が直流電源Ｅのマイナス側にそれぞれ接続されている。

このような第１スイッチング素子Ｓ１及び第２スイッチング素子Ｓ２は、例えば、ＦＥＴトランジスタ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）であり、ゲート端子がスイッチ制御部Ｍに接続され、スイッチ制御部Ｍから電圧値がハイレベルである制御信号がゲート端子に入力されるとオン状態となり、電圧値がローレベルである制御信号がゲート端子に入力されると、オフ状態となる。また、第１スイッチング素子Ｓ１及び第２スイッチング素子Ｓ２は、ＦＥＴトランジスタ以外にも、例えばバイポーラトランジスタやＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であってもよい。

第１ダイオードＤ１は、アノード端子が直流電源Ｅのプラス側に、またカソード端子がコイルＬ１の一端にそれぞれ接続されている。
第２ダイオードＤ２は、アノード端子がコイルＬ１の他端に、またカソード端子がコンデンサＣの他端にそれぞれ接続されている。

スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子Ｓ１及び第２スイッチング素子Ｓ２のスイッチング制御を行うマイクロコントローラであり、具体的には各スイッチング素子のゲート端子それぞれに、立ち上がり及び立ち下りのタイミング及びデューティ比の異なる制御信号を出力する。

次に、このように構成された本電力変換装置の動作について図１及び図２を参照して説明する。
本電力変換装置は、スイッチトリラクタンスモータ（図示略）のコイルＬ１に方形波状の駆動電流を供給するために、第１スイッチング素子Ｓ１及び第２スイッチング素子Ｓ２のスイッチング等を実行する。つまり、本電力変換装置は、以下に説明する第１〜第４動作モードを実行する。

第１動作モードは、直列接続される直流電源Ｅ及びコンデンサＣからコイルＬ１に駆動電力を供給する動作モードである。つまり、第１動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子Ｓ１及び第２スイッチング素子Ｓ２をオン状態にする（図２（ｃ）参照）。これによって、図１（１）に示すように、直流電源Ｅから、コンデンサＣ、第１スイッチング素子Ｓ１、コイルＬ１、第２スイッチング素子Ｓ２を順に介して直流電源Ｅに至る経路で電流が流れる。

例えば、直流電源Ｅの電圧をＥＶ、コンデンサＣの電圧をＣＶとした場合、コイルＬ１に印加される電圧は（ＥＶ＋ＣＶ）である（図２（ｂ）参照）。そして、印加電圧（ＥＶ＋ＣＶ）に応じた駆動電流がコイルＬ１に供給される。この結果、駆動電流は、急激に上昇する（図２（ａ）参照）。そして、コンデンサＣに蓄えられた電荷が全て放電されると、第１動作モードが終了し、第２動作モードに移行する。

第２動作モードは、第１動作モードの終了後、直流電源ＥのみからコイルＬ１に駆動電力を供給する動作モードである。なお、図２（ｃ）では、第２動作モードにおいて、第１スイッチング素子Ｓ１がオン状態となっているが、第１スイッチング素子Ｓ１は、オン状態でもよいし、またオフ状態であってもよい。

第２動作モードでは、図１（２）に示すように、直流電源Ｅから、第１ダイオードＤ１、コイルＬ１、第２スイッチング素子Ｓ２を順に介して直流電源Ｅに至る経路で電流が流れる。この結果、駆動電流は、上記第１動作モードに続いて上昇する（図２（ａ）参照）。そして、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子Ｓ１をオン状態にして、第２スイッチング素子Ｓ２をオフ状態にすることで、第２動作モードを終了して、第３動作モードに移行する（図２（ｃ）参照）。

第３動作モードは、コイルＬ１から発生する電力を還流する動作モードである。つまり、第３動作モードは、コイルＬ１から発生する電力を、還流して熱として消費する動作モードである。上述したように、第３動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子Ｓ１をオン状態にして、第２スイッチング素子Ｓ２をオフ状態にする（図２（ｃ）参照）。これによって、図１（３）に示すように、コイルＬ１から、第２ダイオードＤ２、第１スイッチング素子Ｓ１を順に介してコイルＬ１に至る経路で電流が流れる。この結果、コイルＬ１から発生した電力は、熱として消費される。

その後、スイッチ制御部Ｍは、第２スイッチング素子Ｓ２のオン状態とオフ状態とを切り替えることによって、第２動作モードと第３動作モードとの切り替えを繰り返す。この結果、駆動電流は、目標電流値Ｒｅｆ近傍で上下する（図２（ａ）参照）。つまり、駆動電流は、目標電流値Ｒｅｆ近傍で安定するように制御される。

そして、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子Ｓ１及び第２スイッチング素子Ｓ２をオフ状態にすることで、第４動作モードに移行する（図２（ｃ）参照）。

第４動作モードは、コイルＬ１から発生する電力をコンデンサＣに供給して充電する動作モードである。上述したように、第４動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子Ｓ１及び第２スイッチング素子Ｓ２両方をオフ状態にする（図２（ｃ）参照）。

これによって、図１（４）に示すように、コイルＬ１から、第２ダイオードＤ２、コンデンサＣ、第１ダイオードＤ１を順に介してコイルＬ１に至る経路で電流が流れる。この結果、コンデンサＣには、電荷が蓄えられる。これに伴って、コイルＬ１に供給される駆動電流は、低下する（図２（ａ）参照）。本電力変換装置は、上記第１〜第４動作モードを繰り返すことによって、継続的に方形波状の駆動電流を生成して、スイッチトリラクタンスモータ（図示略）のコイルＬ１に供給する。

続いて、上記第１実施形態の変形例について説明する。
第１実施形態の変形例は、スイッチトリラクタンスモータ（図示略）の３相分のコイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３各々に１２０度ずつ位相の異なる駆動電流を供給するものである。この第１実施形態の変形例は、図３に示すように、３対の第２端子Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ３１、Ｔ３２、第２スイッチング素子Ｓ２、Ｓ１２、Ｓ２２及び第２ダイオードＤ２、Ｄ１２、Ｄ２２がスイッチトリラクタンスモータに備えられるコイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３各々に対して設けられる点において、上述した第１実施形態と相違する。

これ以外の構成要素については第１実施形態と同様である。なお、１対の第１端子Ｔ１、Ｔ２、コンデンサＣ、第１スイッチング素子Ｓ１及び第１ダイオードＤ１については、共有されてコイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３各々に供給される各駆動電流の生成に用いられる。よって、第１実施形態の変形例において上述した第１実施形態と同様の構成要素については説明を省略する。

１対の第２端子Ｔ２１、Ｔ２２は、スイッチトリラクタンスモータ（図示略）のコイルＬ２の両端に接続されている。
第２スイッチング素子Ｓ１２は、コイルＬ２の他端と直流電源Ｅのマイナス側との間に設けられ、一端がコイルＬ２の他端に、また他端が直流電源Ｅのマイナス側にそれぞれ接続されている。
第２ダイオードＤ１２は、アノード端子がコイルＬ２の他端に、またカソード端子がコンデンサＣの他端にそれぞれ接続されている。

１対の第２端子Ｔ３１、Ｔ３２は、スイッチトリラクタンスモータ（図示略）のコイルＬ３の両端に接続されている。
第２スイッチング素子Ｓ２２は、コイルＬ３の他端と直流電源Ｅのマイナス側との間に設けられ、一端がコイルＬ３の他端に、また他端が直流電源Ｅのマイナス側にそれぞれ接続されている。

第２ダイオードＤ２２は、アノード端子がコイルＬ３の他端に、またカソード端子がコンデンサＣの他端にそれぞれ接続されている。
なお、上記第２スイッチング素子Ｓ１２、Ｓ２２は、例えば、上記第１スイッチング素子Ｓ１及び第２スイッチング素子Ｓ２と同様に、ＦＥＴトランジスタ、あるいはバイポーラトランジスタやＩＧＢＴであってもよい。また、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子Ｓ１及び第２スイッチング素子Ｓ２に加えて、第２スイッチング素子Ｓ１２、Ｓ２２も制御する。

このように構成された第１実施形態の変形例は、スイッチトリラクタンスモータのコイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３各々に供給する方形波状の駆動電流を生成するために上述した第１実施形態の第１〜第４動作モードを実行して、コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３各々に１２０度ずつ位相の異なる方形波状の駆動電流を供給する。

ここで、１２０度ずつ位相の異なる各駆動電流の方形部分（立ち上がりから立ち下がりまでの間）は、時間を空けて重ならないように制御されている。すなわち、各駆動電流の生成に共有される第１端子Ｔ１、Ｔ２、コンデンサＣ、第１スイッチング素子Ｓ１、第１ダイオードＤ１は、時間をずらして、各駆動電流の生成に用いられる。

このような本実施形態によれば、第１動作モードにおいて、直流電源Ｅと、第４動作モードで充電されたコンデンサＣとを用いてスイッチトリラクタンスモータのコイルＬ１（あるいはコイルＬ２、Ｌ３）に駆動電流を供給するので、方形波状の駆動電流の立ち上がりを急峻にすることができる。また、本実施形態よれば、上述した先行技術文献に比べて、部品点数を減らすことが可能である。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態に係る電力変換装置について説明する。
本第２実施形態に係る電力変換装置は、図４に示すように、第３スイッチング素子Ｓ３及び第３ダイオードＤ３を備える点において、上記第１実施形態と相違する。これ以外の構成要素については第１実施形態と同様である。よって、第２実施形態において第１実施形態と同様の構成要素については説明を省略する。

第３スイッチング素子Ｓ３は、直流電源Ｅのプラス側と第２ダイオードＤ２のカソード端子との間に設けられ、一端が直流電源Ｅのプラス側に、また他端が第２ダイオードＤ２のカソード端子にそれぞれ接続されている。なお、第３スイッチング素子Ｓ３は、例えば、上記第１スイッチング素子Ｓ１及び第２スイッチング素子Ｓ２と同様に、ＦＥＴトランジスタ、あるいはバイポーラトランジスタやＩＧＢＴであってもよい。
第３ダイオードＤ３は、アノード端子が直流電源Ｅのマイナス側に、またカソード端子がコイルＬ１の一端にそれぞれ接続されている。

次に、このように構成された本第２実施形態の動作について図４〜図７を参照して説明する。
第１動作モードは、第１実施形態と同様に、直列接続される直流電源Ｅ及びコンデンサＣからコイルＬ１に駆動電力を供給する動作モードである。つまり、第２実施形態の第１動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子Ｓ１及び第２スイッチング素子Ｓ２をオン状態にし、かつ第３スイッチング素子をオフ状態にする（図５（ｃ）参照）。

これによって、図４（１）に示すように、第１実施形態と同様、直流電源Ｅから、コンデンサＣ、第１スイッチング素子Ｓ１、コイルＬ１、第２スイッチング素子Ｓ２を順に介して直流電源Ｅに至る経路で電流が流れる。例えば、直流電源Ｅの電圧をＥＶ、コンデンサＣの電圧をＣＶとした場合、コイルＬ１に印加される電圧は（ＥＶ＋ＣＶ）である（図５（ｂ）参照）。

そして、印加電圧（ＥＶ＋ＣＶ）に応じた駆動電流がコイルＬ１に供給される。この結果、駆動電流は、急激に上昇する（図５（ａ）参照）。そして、コンデンサＣに蓄えられた電荷が全て放電されると、第１動作モードが終了し、第２動作モードに移行する。

第２動作モードは、第１実施形態と同様、第１動作モードの終了後、直流電源ＥのみからコイルＬ１に駆動電力を供給する動作モードである。なお、図５（ｃ）では、第２動作モードにおいて、第１スイッチング素子Ｓ１がオン状態となっているが、第１スイッチング素子Ｓ１は、オン状態でもよいし、またオフ状態であってもよい。

第２動作モードでは、図４（２）に示すように、直流電源Ｅから、第１ダイオードＤ１、コイルＬ１、第２スイッチング素子Ｓ２を順に介して直流電源Ｅに至る経路で電流が流れる。また、第１スイッチング素子Ｓ１がオン状態である場合には、直流電源Ｅから、第３スイッチング素子Ｓ３の逆並列ダイオード、第１スイッチング素子Ｓ１、コイルＬ１、第２スイッチング素子Ｓ２を順に介して直流電源Ｅに至る経路でも電流が流れる。この結果、駆動電流は、上記第１動作モードに続いて上昇する（図５（ａ）参照）。

そして、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子Ｓ１をオン状態にして、第２スイッチング素子Ｓ２及び第３スイッチング素子Ｓ３をオフ状態にすることで、第２動作モードを終了して、第３動作モードに移行する（図５（ｃ）参照）。

第３動作モードは、第１実施形態と同様、コイルＬ１から発生する電力を還流する動作モードである。つまり、第３動作モードは、コイルＬ１から発生する電力を、還流して熱として消費する動作モードである。上述したように、第３動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子Ｓ１をオン状態にして、第２スイッチング素子Ｓ２及び第３スイッチング素子Ｓ３をオフ状態にする（図５（ｃ）参照）。これによって、図４（３）に示すように、コイルＬ１から、第２ダイオードＤ２、第１スイッチング素子Ｓ１を順に介してコイルＬ１に至る経路で電流が流れる。この結果、コイルＬ１から発生する電力は、熱として消費される。

その後、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２及び第３スイッチング素子Ｓ３を制御して、第２動作モードと第３動作モードとの切り替えを繰り返す。この結果、駆動電流は、目標電流値Ｒｅｆ近傍で上下する（図５（ａ）参照）。つまり、駆動電流は、目標電流値Ｒｅｆ近傍で安定するように制御される。

そして、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２及び第３スイッチング素子Ｓ３をオフ状態にすることで、第４動作モードに移行する（図５（ｃ）参照）。

第４動作モードは、第１実施形態と同様、コイルＬ１から発生する電力をコンデンサＣに供給して充電する動作モードである。上述したように、第４動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２及び第３スイッチング素子Ｓ３をオフ状態にする（図５（ｃ）参照）。

これによって、図４（４）に示すように、コイルＬ１から、第２ダイオードＤ２、コンデンサＣ、第１ダイオードＤ１を順に介してコイルＬ１に至る経路で電流が流れる。この結果、コンデンサＣには、電荷が蓄えられる。これに伴って、コイルＬ１に供給される駆動電流は、低下する（図５（ａ）参照）。

一方、本実施形態において、スイッチ制御部Ｍは、第３スイッチング素子Ｓ３をオン状態にして、かつ第１スイッチング素子Ｓ１及び第２スイッチング素子Ｓ２をオフ状態にすることで、第４動作モードに代えて、第５動作モードに移行するようにしてもよい（図６（ｃ）参照）。

第５動作モードは、コイルＬ１から発生する電力を直流電源Ｅに供給する動作モードである。上述したように、第５動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍは、第３スイッチング素子Ｓ３をオン状態にして、第１スイッチング素子Ｓ１及び第２スイッチング素子Ｓ２をオフ状態にする（図６（ｃ）参照）。これによって、図４（５）に示すように、コイルＬ１から、第２ダイオードＤ２、第３スイッチング素子Ｓ３、直流電源Ｅ、第３ダイオードＤ３を順に介してコイルＬ１に至る経路で電流が流れる。この結果、直流電源Ｅには、電力が供給される。これに伴って、コイルＬ１に供給される駆動電流は、低下する（図６（ａ）参照）。

本電力変換装置は、上記第１〜第４動作モードを繰り返すことによって、継続的に方形波状の駆動電流を生成して、スイッチトリラクタンスモータ（図示略）のコイルＬ１に供給しもよい（図５参照）。また、第４動作モードに代えて、第５動作モードを実行してもよい。なお、第５動作モードを実行した場合には、コンデンサＣに電荷が蓄えられないので、この後、第１動作モードではなく、第２動作モードを実行することになる（図６参照）。また、図７に示すように、第４動作モードに移行後、特定の時間経過後に、第４動作モードから第５動作モードに移行するようにしてもよい。

続いて、上記第２実施形態の変形例について説明する。
第２実施形態の変形例は、スイッチトリラクタンスモータ（図示略）の３相分のコイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３各々に１２０度ずつ位相の異なる駆動電流を供給するものである。この第２実施形態の変形例は、図８に示すように、３対の第２端子Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ３１、Ｔ３２、第２スイッチング素子Ｓ２、Ｓ１２、Ｓ２２及び第２ダイオードＤ２、Ｄ１２、Ｄ２２がスイッチトリラクタンスモータに備えられるコイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３各々に対して設けられる点において、上述した第２実施形態と相違する。

これ以外の構成要素については第２実施形態と同様である。なお、１対の第１端子Ｔ１、Ｔ２、コンデンサＣ、第１スイッチング素子Ｓ１、第１ダイオードＤ１、第３スイッチング素子Ｓ３及び第３ダイオードＤ３については、共有されて各駆動電流の生成に用いられる。すなわち、第２実施形態の変形例は、第１実施形態の変形例に、第３スイッチング素子Ｓ３及び第３ダイオードＤ３を追加したものである。よって、第２実施形態の変形例の各構成要素については説明を省略する。

このように構成された第２実施形態の変形例は、スイッチトリラクタンスモータのコイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３各々に供給する方形波状の駆動電流を生成するために上述した第２実施形態の第１〜第４動作モードを実行して、コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３各々に１２０度ずつ位相の異なる方形波状の駆動電流を供給する。また、第２実施形態の変形例は、第４動作モードに代えて、第５動作モードを実行してもよい。なお、第５動作モードを実行した場合には、コンデンサＣに電荷が蓄えられないので、この後、第１動作モードではなく、第２動作モードを実行することになる（図６参照）。また、図７に示すように、第４動作モードに移行後、特定の時間経過後に、第４動作モードから第５動作モードに移行するようにしてもよい。

ここで、１２０度ずつ位相の異なる各駆動電流の方形部分（立ち上がりから立ち下がりまでの間）は、第１実施形態の変形例と同様、時間を空けて重ならないように制御されている。すなわち、各駆動電流の生成に共有される第１端子Ｔ１、Ｔ２、コンデンサＣ、第１スイッチング素子Ｓ１、第１ダイオードＤ１及び第３スイッチング素子Ｓ３及び第３ダイオードＤ３は、時間をずらして、各駆動電流の生成に用いられる。

このような本実施形態によれば、第１動作モードにおいて、直流電源Ｅと、第４動作モードで充電されたコンデンサＣとを用いてスイッチトリラクタンスモータのコイルＬ１（あるいはコイルＬ２、Ｌ３）に駆動電流を供給するので、方形波状の駆動電流の立ち上がりを急峻にすることができる。また、本実施形態よれば、上述した先行技術文献に比べて、部品点数を減らすことが可能である。また。本実施形態によれば、第５動作モードにおいて、コイルＬ１（あるいはコイルＬ２、Ｌ３）から直流電源Ｅに電力を供給するので、電力の消費を低減することができる。

〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態に係る電力変換装置について図９及び図１０を参照して説明する。
本第３実施形態に係る電力変換装置は、図９に示すように、第４スイッチング素子Ｓ４を備える点において、上記第２実施形態と相違する。これ以外の構成要素については第２実施形態と同様である。よって、第３実施形態において第２実施形態と同様の構成要素については説明を省略する。

第４スイッチング素子Ｓ４は、直流電源Ｅのプラス側とコンデンサＣの一端との間に設けられ、一端が直流電源Ｅのプラス端子に、また他端がコンデンサＣの一端にそれぞれ接続されている。

次に、このように構成された本第３実施形態の動作について図９及び図１０を参照して説明する。
第１動作モードは、第２実施形態と同様に、直列接続される直流電源Ｅ及びコンデンサＣからコイルＬ１に駆動電力を供給する動作モードである。つまり、第３実施形態の第１動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２及び第４スイッチング素子Ｓ４をオン状態にし、かつ第３スイッチング素子をオフ状態にする。

これによって、図９（１）に示すように、直流電源Ｅから、第４スイッチング素子Ｓ４、コンデンサＣ、第１スイッチング素子Ｓ１、コイルＬ１、第２スイッチング素子Ｓ２を順に介して直流電源Ｅに至る経路で電流が流れる。例えば、直流電源Ｅの電圧をＥＶ、コンデンサＣの電圧をＣＶとした場合、コイルＬ１に印加される電圧は（ＥＶ＋ＣＶ）である（図１０（ｂ）参照）。

そして、印加電圧（ＥＶ＋ＣＶ）に応じた駆動電流がコイルＬ１に供給される。この結果、駆動電流は、急激に上昇する（図１０（ａ）参照）。そして、コンデンサＣに蓄えられた電荷が全て放電されると、第１動作モードが終了し、第２動作モードに移行する。

第２動作モードは、第２実施形態と同様、第１動作モードの終了後、直流電源ＥのみからコイルＬ１に駆動電力を供給する動作モードである。なお、図１０（ｃ）では、第２動作モードにおいて、第１スイッチング素子Ｓ１がオン状態となっているが、第１スイッチング素子Ｓ１は、オン状態でもよいし、またオフ状態であってもよい。

第２動作モードでは、図９（２）に示すように、直流電源Ｅから、第４スイッチング素子Ｓ４、第１ダイオードＤ１、コイルＬ１、第２スイッチング素子Ｓ２を順に介して直流電源Ｅに至る経路で電流が流れる。また、第１スイッチング素子Ｓ１がオン状態である場合には、直流電源Ｅから、第３スイッチング素子Ｓ３の逆並列ダイオード、第１スイッチング素子Ｓ１、コイルＬ１、第２スイッチング素子Ｓ２を順に介して直流電源Ｅに至る経路でも電流が流れる。この結果、駆動電流は、上記第１動作モードに続いて上昇する（図５ａ）参照）。

そして、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子Ｓ１をオン状態にして、第２スイッチング素子Ｓ２及び第３スイッチング素子Ｓ３をオフ状態にすることで、第２動作モードを終了して、第３動作モードに移行する（図１０（ｃ）参照）。また、図１０（ｃ）では、第３動作モードにおいて、第４スイッチング素子Ｓ４がオン状態となっているが、第４スイッチング素子Ｓ４は、オン状態でもよいし、またオフ状態であってもよい。

第３動作モードは、第２実施形態と同様、コイルＬ１から発生する電力を還流する動作モードである。つまり、第３動作モードは、コイルＬ１から発生する電力を、還流して熱として消費する動作モードである。上述したように、第３動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子Ｓ１をオン状態にして、第２スイッチング素子Ｓ２及び第３スイッチング素子Ｓ３をオフ状態にする（図１０（ｃ）参照）。なお、第４スイッチング素子Ｓ４については、図１０（ｃ）に示すようにオン状態でもよいし、またオフ状態であってもよい。これによって、図９（３）に示すように、コイルＬ１から、第２ダイオードＤ２、第１スイッチング素子Ｓ１を順に介してコイルＬ１に至る経路で電流が流れる。この結果、コイルＬ１から発生する電力は、熱として消費される。

その後、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２、第３スイッチング素子Ｓ３及び第４スイッチング素子Ｓ４を制御して、第２動作モードと第３動作モードとの切り替えを繰り返す。この結果、駆動電流は、目標電流値Ｒｅｆ近傍で上下する（図１０（ａ）参照）。つまり、駆動電流は、目標電流値Ｒｅｆ近傍で安定するように制御される。

そして、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２、第３スイッチング素子Ｓ３及び第４スイッチング素子Ｓ４をオフ状態にすることで、第４動作モードに移行する。

第４動作モードは、第２実施形態と同様、コイルＬ１から発生する電力をコンデンサＣに供給して充電する動作モードである。上述したように、第４動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍは、第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２及び第３スイッチング素子Ｓ３及び第４スイッチング素子Ｓ４をオフ状態にする。

これによって、図９（４）に示すように、コイルＬ１から、第２ダイオードＤ２、コンデンサＣ、第１ダイオードＤ１を順に介してコイルＬ１に至る経路で電流が流れる。この結果、コンデンサＣには、電荷が蓄えられる。これに伴って、コイルＬ１に供給される駆動電流は、低下する。

一方、本実施形態において、スイッチ制御部Ｍは、第３スイッチング素子Ｓ３をオン状態にして、かつ第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２及び第３スイッチング素子Ｓ３をオフ状態にすることで、第４動作モードに代えて、第５動作モードに移行するようにしてもよい（図１０（ｃ）参照）。

第５動作モードは、コイルＬ１から発生する電力を直流電源Ｅに供給する動作モードである。上述したように、第５動作モードにおいて、スイッチ制御部Ｍは、第３スイッチング素子Ｓ３をオン状態にして、第１スイッチング素子Ｓ１、第２スイッチング素子Ｓ２及び第４スイッチング素子Ｓ４をオフ状態にする（図１０（ｃ）参照）。これによって、図９（５）に示すように、コイルＬ１から、第２ダイオードＤ２、第３スイッチング素子Ｓ３、直流電源Ｅ、第３ダイオードＤ３を順に介してコイルＬ１に至る経路で電流が流れる。また、図９（５）に示すように、コイルＬ１から、第２ダイオードＤ２、コンデンサＣ、第１ダイオードＤ１を順に介してコイルＬ１に至る経路で電流が流れる。これに伴って、コイルＬ１に供給される駆動電流は、低下する（図１０（ａ）参照）。

本電力変換装置は、上記第１〜第４動作モードを繰り返すことによって、継続的に方形波状の駆動電流を生成して、スイッチトリラクタンスモータ（図示略）のコイルＬ１に供給しもよいし、第４動作モードに代えて、上記第１〜第３、第５動作モードを繰り返すようにしてもよい（図１０参照）。

続いて、上記第３実施形態の変形例について説明する。
第３実施形態の変形例は、スイッチトリラクタンスモータ（図示略）の３相分のコイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３各々に１２０度ずつ位相の異なる駆動電流を供給するものである。この第３実施形態の変形例は、図１１に示すように、３対の第２端子Ｔ１１、Ｔ１２、Ｔ２１、Ｔ２２、Ｔ３１、Ｔ３２、第２スイッチング素子Ｓ２、Ｓ１２、Ｓ２２及び第２ダイオードＤ２、Ｄ１２、Ｄ２２がスイッチトリラクタンスモータに備えられるコイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３各々に対して設けられる点において、上述した第３実施形態と相違する。

これ以外の構成要素については第３実施形態と同様である。なお、１対の第１端子Ｔ１、Ｔ２、コンデンサＣ、第１スイッチング素子Ｓ１、第１ダイオードＤ１、第３スイッチング素子Ｓ３、第３ダイオードＤ３及び第４スイッチング素子Ｓ４については、共有されて各駆動電流の生成に用いられる。すなわち、第３実施形態の変形例は、第２実施形態の変形例に、第４スイッチング素子Ｓ４を追加したものである。よって、第３実施形態の変形例の各構成要素については説明を省略する。

このように構成された第３実施形態の変形例は、スイッチトリラクタンスモータのコイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３各々に供給する方形波状の駆動電流を生成するために上述した第３実施形態の第１〜第４動作モードを実行して、コイルＬ１、Ｌ２、Ｌ３各々に１２０度ずつ位相の異なる方形波状の駆動電流を供給する。また、第２実施形態の変形例は、第４動作モードに代えて、上記第１〜第３、第５動作モードを実行してもよい（図１０参照）。

ここで、１２０度ずつ位相の異なる駆動電流の方形部分（立ち上がりから立ち下がりまでの間）は、第１実施形態の変形例と同様、時間を空けて重ならないように制御されている。すなわち、各駆動電流の生成に共有される第１端子Ｔ１、Ｔ２、コンデンサＣ、第１スイッチング素子Ｓ１、第１ダイオードＤ１及び第３スイッチング素子Ｓ３、第３ダイオードＤ３及び第４スイッチング素子Ｓ４は、時間をずらして、各駆動電流の生成に用いられる。

このような本実施形態によれば、第１動作モードにおいて、直流電源Ｅと、第４動作モードあるいは第５動作モードで充電されたコンデンサＣとを用いてスイッチトリラクタンスモータのコイルＬ１（あるいはコイルＬ２、Ｌ３）に駆動電流を供給するので、方形波状の駆動電流の立ち上がりを急峻にすることができる。また、本実施形態よれば、上述した先行技術文献に比べて、部品点数を減らすことが可能である。また。本実施形態によれば、第５動作モードにおいて、コイルＬ１（あるいはコイルＬ２、Ｌ３）から直流電源Ｅに電力を供給するので、電力の消費を低減することができる。また、コンデンサＣの充電電圧を直流電源Ｅに制限することができるので、コンデンサＣの過充電を防止することが可能である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
上記第１〜第３実施形態は、直流電源からの電力を変換して３相のスイッチトリラクタンスモータに供給するための電力変換装置に本発明を適用したものであるが、直流電源からの電力を変換して３相以外の複数相のスイッチトリラクタンスモータに電力を供給するための電力変換装置に本発明を適用するようにしてもよい。

Ｃ…コンデンサ、Ｄ１…第１ダイオード、Ｄ１２…第２ダイオード、Ｄ２…第２ダイオード、Ｄ２２…第２ダイオード、Ｄ３…第３ダイオード、Ｅ…直流電源、Ｌ１…コイル、Ｌ２…コイル、Ｌ３…コイル、Ｍ…スイッチ制御部、Ｓ１…第１スイッチング素子、Ｓ１２…第２スイッチング素子、Ｓ２…第２スイッチング素子、Ｓ２２…第２スイッチング素子、Ｓ３…第３スイッチング素子、Ｓ４…第４スイッチング素子、Ｔ１…第１端子、Ｔ２…第１端子、Ｔ１１…第２端子、Ｔ１２…第２端子、Ｔ２１…第２端子、Ｔ２２…第２端子、Ｔ３１…第２端子、Ｔ３２…第２端子

Claims (4)

1. スイッチング素子を備え、直流電源によって出力される電力を変換してスイッチトリラクタンスモータのコイルに供給する電力変換装置であって、
   一端が前記直流電源のプラス側に接続されているコンデンサと、
   前記コンデンサの他端と前記コイルの一端との間に設けられる前記スイッチング素子である第１スイッチング素子と、
   前記コイルの他端と前記直流電源のマイナス側との間に設けられる前記スイッチング素子である第２スイッチング素子と、
   アノード端子が前記直流電源のプラス側に、またカソード端子が前記コイルの一端にそれぞれ接続されている第１ダイオードと、
   アノード端子が前記コイルの他端に、またカソード端子が前記コンデンサの他端にそれぞれ接続されている第２ダイオードとを具備し、
   前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子をオン状態にすることで前記直流電源及び前記コンデンサから前記コイルに駆動電力を供給する第１動作モードと、少なくとも前記第２スイッチング素子をオン状態にすることで前記直流電源から前記コイルに駆動電力を供給する第２動作モードと、第１スイッチング素子をオン状態にし、かつ第２スイッチング素子をオフ状態にする第３動作モードと、全ての前記スイッチング素子をオフ状態にすることで前記コイルから前記コンデンサに電力を供給する第４動作モードとを有することを特徴とする電力変換装置。
2. 直流電源のプラス側と前記第２ダイオードのカソード端子との間に設けられる第３スイッチング素子と、
   アノード端子が前記直流電源のマイナス側に、またカソード端子が前記コイルの一端にそれぞれ接続されている第３ダイオードとをさらに具備し、
   第３スイッチング素子をオン状態にし、かつ第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子をオフ状態にすることで前記コイルから前記直流電源に電力を供給する第５動作モードをさらに有し、
   前記第１動作モードにおいて、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子をオン状態にし、かつ第３スイッチング素子をオフ状態にすることで前記直流電源及び前記コンデンサから前記コイルに駆動電力を供給し、
   前記第３動作モードにおいて、第１スイッチング素子をオン状態にし、かつ第２スイッチング素子に加えて第３スイッチング素子をオフ状態にすることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記直流電源のプラス端子と前記コンデンサの一端との間に設けられる前記スイッチング素子である第４スイッチング素子をさらに具備し、
   前記第１動作モードにおいて、前記第４スイッチング素子もオン状態にし、
   前記第２動作モードにおいて、少なくとも前記第２スイッチング素子及び前記第４スイッチング素子をオン状態にすることで前記直流電源から前記コイルに駆動電力を供給し、
   前記第３動作モードにおいて、第１スイッチング素子をオン状態にし、かつ第２スイッチング素子及び第３スイッチング素子をオフ状態にし、第４スイッチング素子についてはオン状態あるいはオフ状態であり、
   前記第５動作モードにおいて、第３スイッチング素子をオン状態にし、かつ第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子に加えて第４スイッチング素子をオフ状態にすることで前記コイルから前記直流電源に加えて前記コンデンサに電力を供給することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記第２スイッチング素子及び前記第２ダイオードは、前記スイッチトリラクタンスモータに備えられる複数相分のコイル各々に対して設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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