JP6477915B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
オン状態で導通しオフ状態で非導通となるスイッチ部が2つ直列接続された1相分のアームが、直流の正極と負極との間に、複数相の交流の相数に応じて並列接続され、各アームにおける2つの前記スイッチ部の接続点を各相の交流入出力として、直流電力と複数相の交流電力との間で電力変換するものであって、
前記スイッチ部のそれぞれは、スイッチング素子と、前記負極から前記正極へ向かう方向を順方向として前記スイッチング素子に並列接続されたフリーホイールダイオードとを備え、
前記スイッチング素子は、第1スイッチング素子、又は、オフ状態とオン状態との間でのスイッチング応答性が前記第1スイッチング素子よりも高い第2スイッチング素子であり、
前記フリーホイールダイオードは、第1整流素子、又は、前記第1整流素子よりも逆回復時間が短い第2整流素子であり、
前記アームのそれぞれは、前記正極の側に接続された上段側スイッチ部と、前記負極の側に接続された下段側スイッチ部との何れか一方の前記スイッチ部が、前記第1スイッチング素子と前記第2整流素子との並列接続により構成され、他方の前記スイッチ部が、前記第2スイッチング素子と前記第1整流素子との並列接続により構成されている。
以下、電力変換装置1の第1の実施形態を図面に基づいて説明する。図1のブロック図は、電力変換装置1のシステム構成を模式的に示している。電力変換装置1は、直流電源11と、交流の回転電機80との間に備えられ、直流と交流との間で電力を変換する。回転電機80は、本実施形態では、例えばハイブリッド自動車や電気自動車等の車両の駆動力源となる回転電機である。回転電機80は、複数相の交流(ここでは3相交流)により動作する回転電機であり、電動機としても発電機としても機能することができる。回転電機80は、インバータ10(インバータ回路)を介して直流電源11からの電力を動力に変換する(力行)。或いは、回転電機80は、例えば不図示の内燃機関や車輪から伝達される回転駆動力を電力に変換し、インバータ10を介して直流電源11を充電する(回生)。
次に、電力変換装置1の第2の実施形態について説明する。本実施形態では、図7に示すように、4つの異なる動作領域A〜Dが設定され、それぞれの動作領域において異なる変調方式が採用されている点で、上記第1の実施形態とは異なる。また、本実施形態では、第1スイッチング素子5のスイッチング制御信号の周波数と、第2スイッチング素子7のスイッチング制御信号の周波数と、の双方が可変値である点でも、上記第1の実施形態とは異なる。これらの相違点により、本実施形態の電力変換装置1は、上記第1の実施形態よりもさらにシステム損失を低減できる構成となっている。尚、本実施形態でも、相対的にスイッチングの際の損失が少なくスイッチングの際の応答性も良い第2スイッチング素子7(SiC−MOSFET)が下段側スイッチング素子32である。以下では、本実施形態に係る電力変換装置1について、上記第1の実施形態との相違点を中心として説明する。特に説明しない点については、上記第1の実施形態と同様とすることができる。
(1)上記の各実施形態においては、図4に示したように、上段側スイッチング素子31が第1スイッチング素子5、上段側フリーホイールダイオード41が第2ダイオード8、下段側スイッチング素子32が第2スイッチング素子7、下段側フリーホイールダイオード42が第1ダイオード6である形態を例として説明した。しかし、図10に示すように、上段側スイッチ部21と下段側スイッチ部22との構造が逆であってもよい。つまり、上段側スイッチング素子31が第2スイッチング素子7、上段側フリーホイールダイオード41が第1ダイオード6、下段側スイッチング素子32が第1スイッチング素子5、下段側フリーホイールダイオード42が第2ダイオード8であってもよい。換言すれば、それぞれのアーム9は、上段側スイッチ部21と下段側スイッチ部22との何れか一方のスイッチ部2が、第1スイッチング素子5と第2ダイオード8との並列接続により構成され、他方のスイッチ部2が、第2スイッチング素子7と第1ダイオード6との並列接続により構成されていればよい。
以下、上記において説明した電力変換装置(1)の概要について簡単に説明する。
オン状態で導通しオフ状態で非導通となるスイッチ部(2)が2つ直列接続された1相分のアーム(9)が、直流の正極(P)と負極(N)との間に、複数相の交流の相数に応じて並列接続され、各アーム(9)における2つの前記スイッチ部(2)の接続点を各相の交流入出力として、直流電力と複数相の交流電力との間で電力変換するものであって、
前記スイッチ部(2)のそれぞれは、スイッチング素子(3)と、前記負極(N)から前記正極(P)へ向かう方向を順方向として前記スイッチング素子(3)に並列接続されたフリーホイールダイオード(4)とを備え、
前記スイッチング素子(3)は、第1スイッチング素子(5)、又は、オフ状態とオン状態との間でのスイッチング応答性が前記第1スイッチング素子(5)よりも高い第2スイッチング素子(7)であり、
前記フリーホイールダイオード(4)は、第1整流素子(6)、又は、前記第1整流素子(6)よりも逆回復時間が短い第2整流素子(8)であり、
前記アーム(9)のそれぞれは、前記正極(P)の側に接続された上段側スイッチ部(21)と、前記負極(N)の側に接続された下段側スイッチ部(22)との何れか一方の前記スイッチ部(2)が、前記第1スイッチング素子(5)と前記第2整流素子(8)との並列接続により構成され、他方の前記スイッチ部(2)が、前記第2スイッチング素子(7)と前記第1整流素子(6)との並列接続により構成されている。
2 :スイッチ部
3 :スイッチング素子
4 :フリーホイールダイオード
5 :第1スイッチング素子
6 :第1ダイオード(第1整流素子)
7 :第2スイッチング素子
8 :第2ダイオード(第2整流素子)
9 :アーム
10 :インバータ(インバータ回路)
11 :直流電源
20 :駆動制御部
21 :上段側スイッチ部
22 :下段側スイッチ部
80 :回転電機
N :負極
P :正極
Claims (7)
- オン状態で導通しオフ状態で非導通となるスイッチ部が2つ直列接続された1相分のアームが、直流の正極と負極との間に、複数相の交流の相数に応じて並列接続され、各アームにおける2つの前記スイッチ部の接続点を各相の交流入出力として、交流の回転電機と直流電源との間に備えられ、直流電力と複数相の交流電力との間で電力変換する電力変換装置であって、
前記スイッチ部のそれぞれは、スイッチング素子と、前記負極から前記正極へ向かう方向を順方向として前記スイッチング素子に並列接続されたフリーホイールダイオードとを備え、
前記スイッチング素子は、第1スイッチング素子、又は、オフ状態とオン状態との間でのスイッチング応答性が前記第1スイッチング素子よりも高い第2スイッチング素子であり、
前記フリーホイールダイオードは、第1整流素子、又は、前記第1整流素子よりも逆回復時間が短い第2整流素子であり、
前記アームのそれぞれは、前記正極の側に接続された上段側スイッチ部と、前記負極の側に接続された下段側スイッチ部との何れか一方の前記スイッチ部が、前記第1スイッチング素子と前記第2整流素子との並列接続により構成され、他方の前記スイッチ部が、前記第2スイッチング素子と前記第1整流素子との並列接続により構成されており、
前記スイッチ部のそれぞれをスイッチング制御するためのスイッチング制御信号を出力する駆動制御部を備え、
前記上段側スイッチ部が、前記第1スイッチング素子と前記第2整流素子との並列接続により構成され、前記下段側スイッチ部が、前記第2スイッチング素子と前記第1整流素子との並列接続により構成され、
前記回転電機の要求トルクと回転速度とに応じて設定される複数の動作領域の内、最も前記要求トルク及び前記回転速度が低い領域よりも前記要求トルク及び前記回転速度が高く、最も前記要求トルク及び前記回転速度が高い領域よりも前記要求トルク及び前記回転速度が低く、且つ、前記回転電機のトルクが正である前記動作領域では、
複数相の内の1相の電流が正の期間では、前記第2スイッチング素子の前記スイッチング制御信号が常時、非有効状態とされ、当該期間の中で電気角の一周期を交流の相数で除した期間に相当する一定期間では、前記第1スイッチング素子の前記スイッチング制御信号が有効状態に維持され、
複数相の内の1相の電流が負の期間では、前記第1スイッチング素子の前記スイッチング制御信号が常時、非有効状態とされ、前記第2スイッチング素子の前記スイッチング制御信号がスイッチング制御され、
複数の前記動作領域の内、最も前記要求トルク及び前記回転速度が低い領域よりも前記要求トルク及び前記回転速度が高く、最も前記要求トルク及び前記回転速度が高い領域よりも前記要求トルク及び前記回転速度が低く、且つ、前記回転電機のトルクが負である前記動作領域では、
複数相の内の1相の電流が負の期間では、前記第2スイッチング素子の前記スイッチング制御信号が常時、非有効状態とされ、当該期間の中で電気角の一周期を交流の相数で除した期間に相当する一定期間では、前記第2スイッチング素子の前記スイッチング制御信号も非有効状態に維持され、
複数相の内の1相の電流が正の期間では、前記第1スイッチング素子の前記スイッチング制御信号が常時、非有効状態とされ、前記第2スイッチング素子の前記スイッチング制御信号がスイッチング制御される、
電力変換装置。 - オン状態で導通しオフ状態で非導通となるスイッチ部が2つ直列接続された1相分のアームが、直流の正極と負極との間に、複数相の交流の相数に応じて並列接続され、各アームにおける2つの前記スイッチ部の接続点を各相の交流入出力として、交流の回転電機と直流電源との間に備えられ、直流電力と複数相の交流電力との間で電力変換する電力変換装置であって、
前記スイッチ部のそれぞれは、スイッチング素子と、前記負極から前記正極へ向かう方向を順方向として前記スイッチング素子に並列接続されたフリーホイールダイオードとを備え、
前記スイッチング素子は、第1スイッチング素子、又は、オフ状態とオン状態との間でのスイッチング応答性が前記第1スイッチング素子よりも高い第2スイッチング素子であり、
前記フリーホイールダイオードは、第1整流素子、又は、前記第1整流素子よりも逆回復時間が短い第2整流素子であり、
前記アームのそれぞれは、前記正極の側に接続された上段側スイッチ部と、前記負極の側に接続された下段側スイッチ部との何れか一方の前記スイッチ部が、前記第1スイッチング素子と前記第2整流素子との並列接続により構成され、他方の前記スイッチ部が、前記第2スイッチング素子と前記第1整流素子との並列接続により構成されており、
前記スイッチ部のそれぞれをスイッチング制御するためのスイッチング制御信号を出力する駆動制御部を備え、
前記上段側スイッチ部が、前記第2スイッチング素子と前記第1整流素子との並列接続により構成され、前記下段側スイッチ部が、前記第1スイッチング素子と前記第2整流素子との並列接続により構成され、
前記回転電機の要求トルクと回転速度とに応じて設定される複数の動作領域の内、最も前記要求トルク及び前記回転速度が低い領域よりも前記要求トルク及び前記回転速度が高く、最も前記要求トルク及び前記回転速度が高い領域よりも前記要求トルク及び前記回転速度が低く、且つ、前記回転電機のトルクが負である前記動作領域では、
複数相の内の1相の電流が正の期間では、前記第2スイッチング素子の前記スイッチング制御信号が常時、非有効状態とされ、当該期間の中で電気角の一周期を交流の相数で除した期間に相当する一定期間では、前記第1スイッチング素子の前記スイッチング制御信号が有効状態に維持され、
複数相の内の1相の電流が負の期間では、前記第1スイッチング素子の前記スイッチング制御信号が常時、非有効状態とされ、前記第2スイッチング素子の前記スイッチング制御信号がスイッチング制御され、
複数の前記動作領域の内、最も前記要求トルク及び前記回転速度が低い領域よりも前記要求トルク及び前記回転速度が高く、最も前記要求トルク及び前記回転速度が高い領域よりも前記要求トルク及び前記回転速度が低く、且つ、前記回転電機のトルクが正である前記動作領域では、
複数相の内の1相の電流が負の期間では、前記第2スイッチング素子の前記スイッチング制御信号が常時、非有効状態とされ、当該期間の中で電気角の一周期を交流の相数で除した期間に相当する一定期間では、前記第2スイッチング素子の前記スイッチング制御信号も非有効状態に維持され、
複数相の内の1相の電流が正の期間では、前記第1スイッチング素子の前記スイッチング制御信号が常時、非有効状態とされ、前記第2スイッチング素子の前記スイッチング制御信号がスイッチング制御される、
電力変換装置。 - 前記第1スイッチング素子の前記スイッチング制御信号の周波数は固定値であり、前記第2スイッチング素子の前記スイッチング制御信号の周波数は可変値である請求項1又は2に記載の電力変換装置。
- 前記第1スイッチング素子の前記スイッチング制御信号の周波数と、前記第2スイッチング素子の前記スイッチング制御信号の周波数と、の双方が可変値である請求項1又は2に記載の電力変換装置。
- 前記スイッチング制御信号の周波数が、前記回転電機の速度、前記回転電機のトルク、直流から交流への変調率の少なくとも1つに応じて設定される請求項1から4の何れか一項に記載の電力変換装置。
- 前記第1スイッチング素子は、Si−IGBT又はSi−MOSFETであり、前記第2スイッチング素子は、SiC−MOSFET、GaN−MOSFET、又はSiC−IGBTである、請求項1から5の何れか一項に記載の電力変換装置。
- 前記第1整流素子は、ファストリカバリーダイオードであり、前記第2整流素子はSiC−ショットキーバリアダイオードである、請求項1から6の何れか一項に記載の電力変換装置。
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