JPWO2013168491A1 - モータ駆動装置 - Google Patents

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Abstract

本発明は、バッテリ２の直流電圧を電力変換回路により交流電圧に変換して交流モータ３を駆動するモータ駆動装置に関する。上下アームに半導体スイッチ素子１０１をそれぞれ有するレグを複数並列接続して構成されたフルブリッジ回路１０を備え、このフルブリッジ回路１０を交流電源１に接続した状態でフルブリッジ回路１０から出力される高周波交流電圧をトランス２１及び交流／直流変換回路１１を介して直流電圧に変換し、バッテリ２を充電する。また、交流電源１をフルブリッジ回路１０から切り離した状態でバッテリ２の直流電圧をフルブリッジ回路１０により交流電圧に変換して交流モータ３に供給する。これにより、モータ駆動用の電力変換回路をバッテリ充電用にも共用しながら、絶縁用のトランス２１を高周波にて駆動可能とし、装置全体の小型化、低コスト化を図る。

Description

本発明は、例えばハイブリッド自動車（以下、ＨＥＶという）や電気自動車（以下、ＥＶという）に搭載されるモータ駆動装置に関し、詳しくは、モータ駆動用のバッテリの充電機能を有するモータ駆動装置に関する。
低炭素社会を目指す国際情勢を背景に、自動車業界では年々強化される排ガス規制に対応するため、ガソリン等の燃料により内燃機関を駆動して走行する従来の自動車から、電気エネルギーによりモータを駆動して走行可能なＨＥＶやＥＶへの移行が進んでいる。
ＨＥＶ・ＥＶは大容量のバッテリを搭載し、その電力によりモータを駆動して走行するため、バッテリを充電する車載用充電器と、バッテリの電力によってモータを駆動するためのパワートレインを備えている。
図１１は、ＨＥＶ・ＥＶに使用されている従来の車載用充電器及びパワートレインの構成例を示している。
図１１において、車載用充電器４は、力率制御回路（以下、ＰＦＣ回路という）４１、ＤＣ／ＡＣコンバータ４２、トランス４３、整流回路４４及びリアクトル４５を備え、ＤＣ／ＡＣコンバータ４２、トランス４３、整流回路４４及びリアクトル４５によって絶縁型ＡＣ／ＤＣコンバータが構成されている。また、パワートレイン５は三相のインバータ５１により構成されている。
なお、１は交流電源、２はバッテリ、３は三相の交流モータである。
図１１の動作を簡単に説明すると、バッテリ２の充電時には、外部の交流電源１が車載用充電器４に接続される。この状態でＰＦＣ回路４１により入力電流の力率を制御しつつ、前述したＤＣ／ＡＣコンバータ４２以降の回路によりバッテリ２の充電電流・電力・電圧を制御してバッテリ２を充電する。一方、車両の走行時には、バッテリ２の直流電力をインバータ回路５１により交流電力に変換して交流モータ３を駆動している。
図１１の従来技術では、車載用充電器４を構成する電力変換回路とパワートレイン５を構成する電力変換回路とが別個に設けられているため、回路の部品点数が多く、装置全体の大型化、高コスト化の原因となっている。
このため、電力変換回路を共用することで小型化、低コスト化を図る従来技術が、例えば特許文献１に開示されている。
図１２は、特許文献１に記載された従来技術の回路図である。図１２において、図１１に記載した構成要素と同一機能を有するものには同一の符号を付してある。図１２において、６はバッテリ２に並列に接続されたコンデンサ、７は交流入力が一次側に加えられるトランス、８はトランス７の二次側に接続されたフィルタ、９は交流モータ３の入力側に設けられた切り離しコネクタである。
図１２の回路では、切り離しコネクタ９を開放した状態で、交流入力をトランス７及びフィルタ８を介してインバータ５１に加え、そのＡＣ／ＤＣ変換動作によりバッテリ２を充電する。また、交流モータ３の運転時には、切り離しコネクタ９を接続した状態でバッテリ２の直流電力をインバータ５１により交流電力に変換して交流モータ３に供給する。
この従来技術においては、モータ駆動用のインバータ５１をバッテリ２の充電器としても利用することにより、回路構成を簡素化し、装置全体の小型化、低コスト化を図っている。
特許第３４７７８５０号公報（段落［０００７］〜［００１０］、図２等）
図１１の従来技術では、前述したように装置全体の小型化、低コスト化が困難である反面、ＤＣ／ＡＣコンバータ４２により数十ｋＨｚの高周波でトランス４３を駆動することにより、トランス４３の小型化が可能である。
これに対し、図１２に示した従来技術では、インバータ５１を交流モータ３の駆動時とバッテリ２の充電時に共用することで、装置全体の小型化等が可能になる。
しかしながら、図１２の回路構成では、交流入力とバッテリ２とを絶縁するために交流入力部にトランス７を用いている。この場合、交流入力に商用電源を用いると電源周波数は数十Ｈｚ程度であるため、トランス７が低周波仕様となり、小型化が困難である。
そこで、本発明の目的は、モータ駆動用の電力変換回路とバッテリ充電用の電力変換回路とを共用しながら、絶縁用のトランスを高周波にて駆動することにより、装置全体の小型化、低コスト化を可能にしたモータ駆動装置を提供することにある。
上記課題を解決するため、本発明は、バッテリの直流電圧を電力変換回路により交流電力に変換して交流モータを駆動するモータ駆動装置であり、上記電力変換回路は、上下アームに半導体スイッチ素子をそれぞれ有するレグを複数並列接続して構成されている。
そして、この電力変換回路を交流電源に接続した状態で電力変換回路から出力される交流電圧をトランス及び交流／直流変換回路を介して直流電圧に変換し、この直流電圧を用いてバッテリを充電する。また、交流電源を電力変換回路から切り離した状態でバッテリの直流電圧を電力変換回路により交流電圧に変換して交流モータに供給し、交流モータを駆動するものである。
本発明に用いられる電力変換回路は、半導体スイッチ素子を上下アームに有するレグを、例えば４個並列に接続して構成される。そして、これら４個のレグのうち３個のレグをインバータとして動作させることにより、バッテリを電源として三相の交流モータを駆動する。また、バッテリの充電時には、例えば２個のレグによって交流／直流変換動作させ、残りの２個のレグにより直流／交流変換動作させることで高周波交流電圧を生成し、この高周波交流電圧をトランス及び交流／直流変換回路により直流電圧に変換して充電電力を得る。
更に本発明は、交流モータをモータ／ジェネレータにより構成したり、あるいは、バッテリの直流電圧を昇圧してから交流電圧に変換して交流モータを駆動するようなシステムも含むものである。
本発明によれば、バッテリを電源として交流モータへの印加電圧を得るための電力変換回路の一部のレグを、交流電源から所定周波数の高周波交流電圧を得るための電力変換回路のレグと共用することができる。すなわち、本発明における交流モータの駆動時には、バッテリの直流電圧を前記電力変換回路により交流電圧に変換して交流モータに供給し、バッテリの充電時には、前記電力変換回路により力率を改善しつつ生成した高周波交流電圧を、トランスを介しＡＣ／ＤＣ変換してバッテリに供給する。
上記の動作により、絶縁用のトランスの小型化、電力変換回路のレグの有効利用が可能になり、回路構成の簡略化、装置全体の小型化、低コスト化を実現することができる。
本発明の第１実施形態を示す回路図である。 本発明の第２実施形態を示す回路図である。 本発明の第２実施形態によるバッテリ充電時のフルブリッジ回路の概略等価回路図である。 本発明の第２実施形態によるバッテリ充電時のトランス一次側電圧及び各レグのスイッチング関数を示す図である。 本発明の第２実施形態によるバッテリ充電時の制御回路の構成図である。 本発明の第３実施形態を示す回路図である。 本発明の第４実施形態を示す回路図である。 本発明の第５実施形態が適用される主要部の回路図である。 本発明の第５実施形態が適用される主要部の回路図である。 本発明の第５実施形態が適用される主要部の回路図である。 車載用充電器及びパワートレインからなる従来技術の回路図である。 特許文献１に記載された従来技術の回路図である。
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示す回路図である。図１において、図１１，図１２の構成要素と同一のものには同一の符号を付してあり、以下では図１１，図１２と異なる部分を中心に説明する。
バッテリ２には、スイッチＳＣ１，ＳＣ２からなる第３のスイッチ回路２０ｃとコンデンサ２３ｂとが並列に接続されている。コンデンサ２３ｂの両端には、電力変換回路としてのフルブリッジ回路１０の正負の直流端子が接続され、このフルブリッジ回路１０は、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチ素子１０１を上下アームに備えた４つのレグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣ，ＬｅｇＤを全て並列に接続して構成されている。
３つのレグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣの交流端子（各レグの上下アームの接続点）は、スイッチＳＡ１，ＳＡ２，ＳＡ３からなる第１のスイッチ回路２０ａを介して三相の交流モータ３に接続されている。また、レグＬｅｇＢ，ＬｅｇＣの交流端子は、スイッチＳＢ１，ＳＢ２からなる第２のスイッチ回路２０ｂ、リアクトル２２ａ、コンデンサ２３ａを介して単相の交流電源１に接続されている。
更に、レグＬｅｇＤ，ＬｅｇＡの交流端子（各レグの上下アームの接続点）はトランス２１の一次巻線に接続され、その二次巻線は、ダイオードブリッジからなるＡＣ／ＤＣ変換回路１１及びリアクトル２２ｂを介してバッテリ２の両端に接続されている。
次に、この実施形態の動作を説明する。
バッテリ２を充電する場合には、第２のスイッチ回路２０ｂをオンして外部の交流電源１をレグＬｅｇＢ，ＬｅｇＣの交流入出力端子に接続する。このとき、第１のスイッチ回路２０ａをオフし、交流モータ３をフルブリッジ回路１０から切り離しておく。また、第３のスイッチ回路２０ｃをオフし、フルブリッジ回路１０からトランス２１、ＡＣ／ＤＣ変換回路１１、リアクトル２２ｂを介してバッテリ２へエネルギーが供給される状態とする。
この状態でフルブリッジ回路１０のレグＬｅｇＢ，ＬｅｇＣのスイッチ素子１０１をオンオフ動作させることにより、これらのレグＬｅｇＢ，ＬｅｇＣによって力率制御を行いながら交流電源１の交流電圧を直流電圧へと変換する。この直流電圧は、レグＬｅｇＡ，ＬｅｇＤの並列回路の両端に印加される。
レグＬｅｇＡ，ＬｅｇＤでは、スイッチ素子１０１をオンオフ動作させることにより、直流電圧を所望の周波数のパルス状高周波交流電圧へと変換し、トランス２１の一次側に印加する。そして、トランス２１の巻数比に応じて二次側に出力される高周波交流電圧をＡＣ／ＤＣ変換器１１によって直流電圧へと変換し、リアクトル２２ｂを介してバッテリ２に印加することによりバッテリ２を充電する。
一方、バッテリ２に蓄えられた直流電力により交流モータ３を駆動して走行する場合、スイッチ回路２０ａをオンすると共にスイッチ回路２０ｂをオフし、また、スイッチ回路２０ｃをオンする。これにより、バッテリ２の直流電圧をフルブリッジ回路１０の正負の直流端子に印加する。
この状態でフルブリッジ回路１０のレグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣのスイッチ素子１０１をオンオフ動作させることにより、これらのレグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣを三相インバータとして動作させる。これにより、バッテリ２の直流電圧を所望の周波数の三相交流電圧に変換してモータ３に印加し、交流モータ３を駆動する。
なお、交流モータ３を駆動する場合には、レグＬｅｇＡのスイッチングによってトランス２１の一次側に電圧が印加されることがないように、レグＬｅｇＤをレグＬｅｇＡと同じパターンでオンオフさせることが必要である。
この第１実施形態によれば、バッテリ２の充電時にはレグＬｅｇＢ，ＬｅｇＣにより力率を改善しながらＡＣ／ＤＣ変換を行い、更に、レグＬｅｇＡ，ＬｅｇＤをＤＣ／ＡＣ変換動作させることにより高周波の交流電圧を得ることができる。このため、図１２の従来技術に比べてトランス２１の小型化が可能である。
また、レグＬｅｇＡは、トランス２１の一次側に交流電圧を供給するＤＣ／ＡＣ変換回路の一部のレグと、交流モータ３を駆動するインバータの一部のレグとを兼用しているため、部品点数の削減による構成の簡略化、装置の小型化、低コスト化が可能になる。
次に、図２は、本発明の第２実施形態を示す回路図である。図２において、図１の構成要素と同一のものには同一の符号を付してあり、以下では図１と異なる部分を中心に説明する。
この実施形態では、交流電源１の両端とコンデンサ２３ａの両端との間に第２のスイッチ回路２０ｂが接続され、コンデンサ２３ａ及びリアクトル２２ａの直列回路と、電力変換回路としてのフルブリッジ回路１０Ａの直流端子との間に、ＰＦＣ回路１２が接続されている。
なお、フルブリッジ回路１０Ａは、半導体スイッチ素子１０１としてＩＧＢＴを上下アームに備えた３つのレグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣと、半導体スイッチ素子１０２としてＭＯＳＦＥＴを上下アームに備えたレグＬｅｇＥとによって構成されている。ここで、レグＬｅｇＥのスイッチ素子１０２がＭＯＳＦＥＴである理由については後述する。
レグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣの交流端子と交流モータ３との間に接続された第４のスイッチ回路２０ｄは、レグＬｅｇＡの交流端子を交流モータ３に接続するスイッチＳＤ１のほか、レグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢの交流端子同士の短絡動作とレグＬｅｇＢの交流端子を交流モータ３に接続する動作とを選択的に行うスイッチＳＤ２と、レグＬｅｇＢ，ＬｅｇＣの交流端子同士の短絡動作とレグＬｅｇＣの交流端子を交流モータ３に接続する動作とを選択的に行うスイッチＳＤ３と、を備えている。
次いで、この実施形態の動作を説明する。
バッテリ２の充電時には、スイッチ回路２０ｄのスイッチＳＤ１，ＳＤ２，ＳＤ３の状態を、フルブリッジ回路１０Ａと交流モータ３とを切り離し、かつ、フルブリッジ回路１０ＡのレグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣの交流端子同士を短絡する状態とする。また、スイッチ回路２０ｂをオンして交流電源１のエネルギーをＰＦＣ回路１２へ供給可能にすると共に、スイッチ回路２０ｃをオフして、フルブリッジ回路１０からトランス２１、ＡＣ／ＤＣ変換回路１１を介してバッテリ２へエネルギーが供給される状態とする。
この状態でＰＦＣ回路１２により力率を制御しながら、交流電源１の交流電圧を直流電圧に変換し、その直流電圧をレグＬｅｇＡ〜ＬｅｇＥにより所望の周波数のパルス状高周波交流電圧に変換してトランス２１の一次側に印加する。そして、トランス２１の巻数比に応じて二次側に出力される高周波交流電圧をＡＣ／ＤＣ変換器１１によって直流電圧へと変換し、リアクトル２２ｂを介してバッテリ２に印加することによりバッテリ２を充電する。
一方、バッテリ２に蓄えられた直流電力により交流モータ３を駆動して走行する場合には、スイッチ回路２０ｄのスイッチＳＤ１，ＳＤ２，ＳＤ３の状態を、レグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣの交流端子同士の短絡を解除して交流モータ３に接続する状態とする。また、スイッチ回路２０ｂをオフすると共にスイッチ回路２０ｃをオンし、バッテリ２からフルブリッジ回路１０ＡのレグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣを介して交流モータ３へエネルギーが供給される状態とする。
この状態でレグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣのスイッチ素子１０１をオンオフ動作させることにより、これらのレグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣを三相インバータとして動作させる。これにより、バッテリ２の直流電圧を所望の周波数の三相交流電圧に変換して交流モータ３に印加し、交流モータ３を駆動する。
なお、第１実施形態と同様に、交流モータ３を駆動する場合にはレグＬｅｇＡのスイッチングによってトランス２１の一次側に電圧が印加されることがないように、レグＬｅｇＥをレグＬｅｇＡと同じパターンでオンオフさせることが必要である。
この第２実施形態においても、第１実施形態と同様にトランス２１の小型化が可能である。
また、レグＬｅｇＡは、トランス２１の一次側に交流電圧を供給するＤＣ／ＡＣ変換回路の一部のレグと、交流モータ３を駆動するインバータの一部のレグとを兼用しているため、回路構成の簡略化、装置の小型化、低コスト化が可能になる。
図３は、第２実施形態において、外部の交流電源１によってバッテリ２を充電する場合の、フルブリッジ回路１０Ａの概略等価回路図である。
バッテリ２の充電時に、スイッチ回路２０ｄはフルブリッジ回路１０Ａと交流モータ３とを切り離し、かつ、レグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣの交流端子同士を短絡する状態となっている。つまり、図３に示すように、トランス２１の一次側には、レグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣが並列接続された合成レグと、レグＬｅｇＥとによって構成されるフルブリッジ回路１０Ａが接続されることになる。
図４は、上記フルブリッジ回路１０Ａを用いてトランス２１の一次側に電圧を印加する場合の印加電圧ＶＴＲ１と、ＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣ，ＬｅｇＤのスイッチング関数ＳＬｅｇＡ，ＳＬｅｇＢ，ＳＬｅｇＣ，ＳＬｅｇＥとの関係を示している。ここで、各レグの上アーム側のスイッチ素子をＱｕｐとし、下アーム側のスイッチ素子をＱＬｏｗとすると、スイッチング関数＝１ならば当該レグのスイッチ素子ＱｕｐがＯＮ、スイッチ素子ＱＬｏｗがＯＦＦ、スイッチング関数＝０ならば当該レグのスイッチ素子Ｑｕｐ，ＱＬｏｗが共にＯＦＦ、スイッチング関数＝−１ならば当該レグのスイッチ素子ＱｕｐがＯＦＦ、スイッチ素子ＱＬｏｗがＯＮである状態を表すものとする。
図４からわかるように、この実施形態では、トランス２１に所望の電圧ＶＴＲ1を印加するためのスイッチング動作として、交流端子同士が短絡されているレグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣの動作周波数が電圧ＶＴＲ１の周波数の１／３となるように、レグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣを交替で動作させる。
言い換えれば、第４のスイッチ回路２０ｄによりフルブリッジ回路１０ＡのレグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣの交流端子同士を短絡させてトランス２１の一次側の一端に接続したときに、当該交流端子の出力電圧の周波数が、トランス２１の一次側の他端に接続される他のレグＬｅｇＥの交流端子の出力電圧の周波数と一致するように、レグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣ，ＬｅｇＥの各スイッチ素子をスイッチングする。このようなスイッチング動作は、例えば図５に示す制御回路により実現可能である。
すなわち、図５において、フルブリッジ回路１０Ａを動作させるためのデューティ指令値Ｄｕｔｙ＊と２種類のキャリア波（Ｃａｒｒｉｅｒ１，Ｃａｒｒｉｅｒ２）とをコンパレータ３０ａ，３０ｂにより比較して二つのスイッチングパルス信号を生成し、その一方をレグＬｅｇＥの駆動パルス（ＰｕｌｓｅＥ）とし、他方を出力先選択手段３１に入力する。ここで、キャリア波（Ｃａｒｒｉｅｒ１，Ｃａｒｒｉｅｒ２）は、周波数が電圧ＶＴＲ１と等しく、位相が互いに１８０°異なっている。
出力先選択手段３１は、例えばデマルチプレクサと同じ機能を有しており、出力先選択信号（Ｓｅｌｅｃｔ Ｓｉｇｎａｌ）に応じて、入力信号（コンパレータ３０ｂの出力信号）の出力先をＡ，Ｂ，Ｃのいずれかに振り分ける。出力先選択手段３１の出力Ａ，Ｂ，Ｃは、それぞれレグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣの駆動パルス（ＰｕｌｓｅＡ，Ｐｕｌｓｅ Ｂ，Ｐｕｌｓｅ Ｃ）とし、出力先選択信号（Ｓｅｌｅｃｔ Ｓｉｇｎａｌ）は駆動パルス（Ｐｕｌｓｅ Ａ，Ｐｕｌｓｅ Ｂ，Ｐｕｌｓｅ Ｃ）が図４に示したスイッチング関数ＳＬｅｇＡ，ＳＬｅｇＢ，ＳＬｅｇＣ，ＳＬｅｇＥの状態を実現するように与える。
ここで、レグＬｅｇＥのスイッチ素子１０２をＭＯＳＦＥＴとすることにより、レグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣのスイッチ素子１０１がＩＧＢＴであっても、トランス２１の一次側への印加電圧をＭＯＳＦＥＴの動作周波数と同等の周波数の高周波電圧とすることができ、トランス２１の小型化を達成することができる。
次いで、図６は、本発明の第３実施形態を示す回路図である。この実施形態は、複数台、例えば２台のモータ／ジェネレータを有するシステムに関するものである。ここで、モータ／ジェネレータは、交流モータ及び交流発電機の両機能を備えた回転機である。
図６に示す第３実施形態では、まず、図２の交流モータ３に代えて第１のモータ／ジェネレータ４ａを接続する。また、第２のモータ／ジェネレータ４ｂに、第１のスイッチ回路２０ａを介して、電力変換回路としてのフルブリッジ回路１０Ｂの交流端子を接続する。このフルブリッジ回路１０Ｂは、フルブリッジ回路１０Ａと同様にレグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣによって構成されており、フルブリッジ回路１０Ｂの直流端子はコンデンサ２３ｂの両端に接続されている。
更に、交流電源１の両端にリアクトル２２ａ及びコンデンサ２３ａを接続し、これらの直列回路の両端を、第２のスイッチ回路２０ｂを介してスイッチＳＡ２，ＳＡ３の各一端（フルブリッジ回路１０Ｂ側の各一端）にそれぞれ接続する。この第３実施形態では、図２におけるＰＦＣ回路１２が除去されている。
なお、図示されていないが、フルブリッジ回路１０Ｂ、スイッチ回路２０ａ及びモータ／ジェネレータ４ｂを組み合わせた回路を、フルブリッジ回路１０Ａに対して更に複数、並列に接続し、全体で３台以上のモータ／ジェネレータを駆動するように構成してもよい。
以下、この実施形態の動作を説明する。
交流電源１によりバッテリ２を充電する場合には、第４のスイッチ回路２０ｄを、フルブリッジ回路１０Ａと第１のモータ／ジェネレータ４ａとを切り離し、かつ、レグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣの交流端子同士を短絡する状態とする。また、第１のスイッチ回路２０ａをオフしてフルブリッジ回路１０Ｂと第２のモータ／ジェネレータ４ｂとを切り離し、第２のスイッチ回路２０ｂをオンして交流電源１からエネルギーをフルブリッジ回路１０Ｂに供給可能な状態とする。更に、第３のスイッチ回路２０ｃをオフすることにより、フルブリッジ回路１０Ａからトランス２１、ＡＣ／ＤＣ変換回路１１、リアクトル２２ｂを介してバッテリ２にエネルギーが供給される状態とする。
この状態にて、フルブリッジ回路１０Ｂにより力率を制御しつつ交流電源１の交流電圧を直流電圧に変換し、その直流電圧をフルブリッジ回路１０ＡのレグＬｅｇＡ〜ＬｅｇＥにより所望の周波数のパルス状高周波交流電圧と変換してトランス２１の一次側に印加する。そして、巻数比に応じてトランス２１の二次側に出力される高周波交流電圧をＡＣ／ＤＣ変換回路１１により直流電圧に変換し、バッテリ２を充電する。
このとき、フルブリッジ回路１０ＡのレグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣ，ＬｅｇＥのスイッチング関数は、図４に説明したように与えればよい。
一方、バッテリ２に蓄えられた直流電力によりモータ／ジェネレータ４ａ，４ｂを駆動して走行する場合、スイッチ回路２０ｄによりフルブリッジ回路１０ＡのレグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣの交流端子同士の短絡状態を解除すると共に、これらの交流端子をモータ／ジェネレータ４ａに接続する。また、スイッチ回路２０ａをオンすると共にスイッチ回路２０ｂをオフし、かつ、スイッチ回路２０ｃをオンする。
これにより、バッテリ２からフルブリッジ回路１０Ａ，１０Ｂを介してモータ／ジェネレータ４ａ，４ｂへエネルギーが供給されるようにし、かつ、モータ／ジェネレータ４ａ，４ｂが発電したエネルギーをバッテリ２に供給（回生）できる状態とする。
この状態にて、フルブリッジ回路１０Ａ，１０Ｂを三相インバータとして動作させ、バッテリ２の直流電圧を所望の三相交流電圧に変換して交流モータ（モータ／ジェネレータ４ａ，４ｂ）を駆動する。また、フルブリッジ回路１０Ａ，１０Ｂを三相整流動作させ、交流発電機（モータ／ジェネレータ４ａ，４ｂ）により発電した三相交流電圧を直流電圧に変換してバッテリ２に供給することにより、バッテリ２を充電することも可能である。
なお、前記同様に、モータ／ジェネレータ４ａを交流モータとして駆動する場合には、レグＬｅｇＡのスイッチングによってトランス２１の一次側に電圧が印加されることがないように、レグＬｅｇＥをレグＬｅｇＡと同じパターンでオンオフさせる必要がある。
次に、図７は本発明の第４実施形態を示す回路図である。
この第４実施形態は、図１に示した第１実施形態を一部改良したものであり、以下では図１と異なる部分を中心に説明する。
図７において、第１の電力変換回路としてのフルブリッジ回路１０Ｂは、図１のフルブリッジ回路１０からレグＬｅｇＤを除去したものである。また、１３は、半導体スイッチ素子１０１を２個直列に接続したレグからなる昇圧用の第２の電力変換回路としてのＤＣ／ＤＣ変換回路である。このＤＣ／ＤＣ変換回路１３は、フルブリッジ回路１０ＢのレグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣ及びコンデンサ２３ｂと並列に接続されている。
更に、ＤＣ／ＤＣ変換回路１３の上下アームの接続点はリアクトル２２ｃを介して第３のスイッチ回路２０ｃのスイッチＳＣ１の一端に接続されていると共に、トランス２１の一次巻線の一端に接続されている。そして、トランス２１の一次巻線の他端はレグＬｅｇＡの上下アームの接続点に接続されている。
トランス２１の二次側には、リアクトル２２ｂを介してスイッチＳＥ１，ＳＥ２からなる第５のスイッチ回路２０ｅが接続され、このスイッチ回路２０ｅはバッテリ２の両端に接続されている。
以下、この第４実施形態の動作を説明する。
外部の交流電源１によりバッテリ２を充電する場合、第１実施形態と同様に、第２のスイッチ回路２０ｂをオンし、第１のスイッチ回路２０ａ，第３のスイッチ回路２０ｃをオフする。これに加えて、第４実施形態では、第５のスイッチ回路２０ｅをオンする。
この状態で、フルブリッジ回路１０ＢのレグＬｅｇＢ，ＬｅｇＣのスイッチング動作により力率制御を行いつつ、交流電源１の交流電圧を直流電圧に変換する。この直流電圧を、レグＬｅｇＡ及びＤＣ／ＤＣ変換回路１３のレグのスイッチング動作により所望の周波数のパルス状高周波交流電圧に変換し、トランス２１の一次側に印加する。これにより、巻数比に応じてトランス２１の二次側に出力される高周波交流電圧をＡＣ／ＤＣ変換回路１１によって直流電圧に変換し、リアクトル２２ｂ及びスイッチ回路２０ｅを介してバッテリ２に供給することにより、バッテリ２を充電する。
一方、バッテリ２に蓄えられた直流電力により交流モータ３を駆動して走行する場合には、第１実施形態と同様に、スイッチ回路２０ａをオンすると共にスイッチ回路２０ｂをオフし、スイッチ回路２０ｃをオンする。更に、この第４実施形態では、スイッチ回路２０ｅをオフする。
この状態で、ＤＣ／ＤＣ変換回路１３をチョッパ動作させることによりバッテリ２の電圧を昇圧してフルブリッジ回路１０Ｂの直流入力端子に印加し、フルブリッジ回路１０ＢのレグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣを三相インバータとして動作させることで、直流電圧を所望の周波数の三相交流電圧に変換し、スイッチ２０ａを介して交流モータ３を駆動する。
この第４実施形態においても、バッテリ２の充電時にはレグＬｅｇＢ，ＬｅｇＣによりＡＣ／ＤＣ変換を行い、レグＬｅｇＡ及びＤＣ／ＤＣ変換回路１３のレグのスイッチング動作により高周波交流電圧を得ることができる。よって、トランス２１の小型化が可能である。
また、レグＬｅｇＡは、トランス２１の一次側に交流電圧を供給するＤＣ／ＡＣ変換回路の一部のレグと、交流モータ３を駆動するインバータの一部のレグとを兼用しているため、回路構成の簡略化、装置の小型化、低コスト化が可能になる。
次いで、本発明の第５実施形態を説明する。
前述した第１〜第４実施形態は、単相の交流電源１を使用した場合のものであるが、この第５実施形態は、三相の交流電源１ａを使用する場合のものである。
まず、図８は、図１の第１実施形態における単相の交流電源１に代えて三相の交流電源１ａを使用した例である。この場合には、図１のフルブリッジ回路１０にレグＬｅｇＦを追加してフルブリッジ回路１０Ｃを構成することで、三相の交流電源１ａに対応させることができる。なお、図８において、２０ｂ１はスイッチＳＢ１〜ＳＢ３からなる第２のスイッチ回路、２２ｄはリアクトル、２３ｄはコンデンサである。
次に、図９は、図２の第２実施形態における単相の交流電源１に代えて三相の交流電源１ａを使用した例である。この場合には、ＰＦＣ回路１２の交流入力側がすべて三相の交流電源１ａに対応した構成となる。
図１０は、図６の第３実施形態における単相の交流電源１に代えて三相の交流電源１ａを使用した例である。この場合には、フルブリッジ回路１０Ｂが三相入力仕様となり、バッテリ２を充電する際に、フルブリッジ回路１０ＢをＰＦＣ回路として動作させることで三相の交流電源１ａに対応させることができる。
なお、図８〜図１０の回路において、バッテリ２の充電時の動作、及び、交流モータ３またはモータ／ジェネレータ４ｂの駆動時の動作は、第１〜第３実施形態から容易に類推できるため、説明を省略する。
また、各実施形態では、三相の交流モータを駆動する場合について説明したが、単相の交流モータを駆動する場合には、スイッチ回路２０ａ，２０ｄ等を単相仕様のものに変更し、また、第２実施形態及び第３実施形態においては、モータ駆動用のインバータを構成するフルブリッジ回路のうち１個のレグ（例えば、レグＬｅｇＣ）を除去することで、本発明を適用可能である。
本発明は、ＨＥＶやＥＶに搭載される場合を始めとして、モータ駆動用のバッテリの充電機能を有する各種のモータ駆動装置として利用することができる。
１，１ａ：交流電源
２：バッテリ
３：交流モータ
４ａ，４ｂ：モータ／ジェネレータ
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ：フルブリッジ回路
１１：ＡＣ／ＤＣ変換回路
１２：ＰＦＣ回路
１３：ＤＣ／ＤＣ変換回路
２０ａ，２０ｂ，２０ｂ１，２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ：スイッチ回路
２１：トランス
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ：リアクトル
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ：コンデンサ
３０ａ，３０ｂ：コンパレータ
３１：出力先選択手段
１０１，１０２：半導体スイッチ素子
ＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣ，ＬｅｇＤ，ＬｅｇＥ，ＬｅｇＦ：レグ
ＳＡ１〜ＳＡ３，ＳＢ１〜ＳＢ３，ＳＣ１，ＳＣ２，ＳＤ１〜ＳＤ３，ＳＥ１，ＳＥ２：スイッチ
この状態でフルブリッジ回路１０のレグＬｅｇＢ，ＬｅｇＣのスイッチ素子１０１をオンオフ動作させることにより、これらのレグＬｅｇＢ，ＬｅｇＣによって力率制御を行いながら交流電源１の交流電圧を直流電圧へと変換する。この直流電圧は、レグＬｅｇＡ，ＬｅｇＤの並列回路の両端に印加される。
レグＬｅｇＡ，ＬｅｇＤでは、スイッチ素子１０１をオンオフ動作させることにより、直流電圧を所望の周波数のパルス状高周波交流電圧へと変換し、トランス２１の一次側に印加する。そして、トランス２１の巻数比に応じて二次側に出力される高周波交流電圧をＡＣ／ＤＣ変換回路１１によって直流電圧へと変換し、リアクトル２２ｂを介してバッテリ２に印加することによりバッテリ２を充電する。
次いで、この実施形態の動作を説明する。
バッテリ２の充電時には、スイッチ回路２０ｄのスイッチＳＤ１，ＳＤ２，ＳＤ３の状態を、フルブリッジ回路１０Ａと交流モータ３とを切り離し、かつ、フルブリッジ回路１０ＡのレグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣの交流端子同士を短絡する状態とする。また、スイッチ回路２０ｂをオンして交流電源１のエネルギーをＰＦＣ回路１２へ供給可能にすると共に、スイッチ回路２０ｃをオフして、フルブリッジ回路１０Ａからトランス２１、ＡＣ／ＤＣ変換回路１１を介してバッテリ２へエネルギーが供給される状態とする。
この状態でＰＦＣ回路１２により力率を制御しながら、交流電源１の交流電圧を直流電圧に変換し、その直流電圧をレグＬｅｇＡ〜ＬｅｇＥにより所望の周波数のパルス状高周波交流電圧に変換してトランス２１の一次側に印加する。そして、トランス２１の巻数比に応じて二次側に出力される高周波交流電圧をＡＣ／ＤＣ変換回路１１によって直流電圧へと変換し、リアクトル２２ｂを介してバッテリ２に印加することによりバッテリ２を充電する。
図４は、上記フルブリッジ回路１０Ａを用いてトランス２１の一次側に電圧を印加する場合の印加電圧ＶＴＲ１と、ＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣ，ＬｅｇＥのスイッチング関数ＳＬｅｇＡ，ＳＬｅｇＢ，ＳＬｅｇＣ，ＳＬｅｇＥとの関係を示している。ここで、各レグの上アーム側のスイッチ素子をＱｕｐとし、下アーム側のスイッチ素子をＱＬｏｗとすると、スイッチング関数＝１ならば当該レグのスイッチ素子ＱｕｐがＯＮ、スイッチ素子ＱＬｏｗがＯＦＦ、スイッチング関数＝０ならば当該レグのスイッチ素子Ｑｕｐ，ＱＬｏｗが共にＯＦＦ、スイッチング関数＝−１ならば当該レグのスイッチ素子ＱｕｐがＯＦＦ、スイッチ素子ＱＬｏｗがＯＮである状態を表すものとする。
一方、バッテリ２に蓄えられた直流電力により交流モータ３を駆動して走行する場合には、第１実施形態と同様に、スイッチ回路２０ａをオンすると共にスイッチ回路２０ｂをオフし、スイッチ回路２０ｃをオンする。更に、この第４実施形態では、スイッチ回路２０ｅをオフする。
この状態で、ＤＣ／ＤＣ変換回路１３をチョッパ動作させることによりバッテリ２の電圧を昇圧してフルブリッジ回路１０Ｂの直流入力端子に印加し、フルブリッジ回路１０ＢのレグＬｅｇＡ，ＬｅｇＢ，ＬｅｇＣを三相インバータとして動作させることで、直流電圧を所望の周波数の三相交流電圧に変換し、スイッチ回路２０ａを介して交流モータ３を駆動する。

Claims (10)

  1. バッテリの直流電圧を電力変換回路により交流電圧に変換して交流モータを駆動するモータ駆動装置において、
    上下アームに半導体スイッチ素子をそれぞれ有するレグを複数、並列接続して電力変換回路を構成し、
    前記電力変換回路を交流電源に接続した状態で前記電力変換回路から出力される高周波交流電圧をトランス及び交流／直流変換回路を介して直流電圧に変換し、この直流電圧により前記バッテリを充電すると共に、
    前記交流電源を前記電力変換回路から切り離した状態で前記バッテリの直流電圧を前記電力変換回路により交流電圧に変換して前記交流モータに供給することを特徴とするモータ駆動装置。
  2. バッテリの直流電圧を電力変換回路により交流電圧に変換して交流モータを駆動するモータ駆動装置において、
    上下アームに半導体スイッチ素子をそれぞれ有するレグを複数、並列接続して構成された電力変換回路と、
    前記電力変換回路を構成する複数のレグの交流端子と前記交流モータとの間に接続された第１のスイッチ回路と、
    前記電力変換回路を構成する複数のレグの交流端子と交流電源との間に接続された第２のスイッチ回路と、
    前記バッテリと前記電力変換回路の直流端子との間に接続された第３のスイッチ回路と、
    前記電力変換回路を構成する２個のレグの交流端子の間に一次側が接続されたトランスと、
    前記トランスの二次側に接続されて一対の出力端子間に前記バッテリが接続される交流／直流変換回路と、
    を備え、
    第１，第３のスイッチ回路をオフ、第２のスイッチ回路をオンした状態で、前記交流電源の交流電圧を前記電力変換回路に供給して高周波交流電圧を生成し、この高周波交流電力を、前記トランス及び前記交流／直流変換回路を介し直流電圧に変換して前記バッテリに供給することにより前記バッテリを充電し、
    第１，第３のスイッチ回路をオン、第２のスイッチ回路をオフした状態で、前記バッテリの直流電圧を前記電力変換回路により交流電圧に変換して前記交流モータに供給することを特徴とするモータ駆動装置。
  3. バッテリの直流電圧を電力変換回路により交流電圧に変換して交流モータを駆動するモータ駆動装置において、
    上下アームに半導体スイッチ素子をそれぞれ有するレグを複数、並列接続して構成された電力変換回路と、
    前記電力変換回路を構成する複数のレグの交流端子と前記交流モータとの間に設けられ、前記複数のレグの交流端子同士を短絡させ、またはこれらの交流端子を前記交流モータに接続可能な第４のスイッチ回路と、
    前記電力変換回路の直流端子と交流電源との間に、力率制御回路を介して接続された第２のスイッチ回路と、
    前記バッテリと前記電力変換回路の直流端子との間に接続された第３のスイッチ回路と、
    第４のスイッチ回路により交流端子同士が短絡される前記複数のレグの当該交流端子と他のレグの交流端子との間に一次側が接続されたトランスと、
    前記トランスの二次側に接続されて一対の出力端子間に前記バッテリが接続される交流
    ／直流変換回路と、
    を備え、
    第２のスイッチ回路をオンすると共に第３のスイッチ回路をオフし、かつ、第４のスイッチ回路により前記複数のレグの交流端子同士を短絡させた状態で、前記交流電源の交流電圧を前記力率制御回路を介して前記電力変換回路により高周波交流電圧に変換し、この高周波交流電圧を、前記トランス及び前記交流／直流変換回路を介し直流電圧に変換して前記バッテリに供給することにより前記バッテリを充電し、
    第２のスイッチ回路をオフすると共に第３のスイッチ回路をオンし、かつ、第４のスイッチ回路により前記複数のレグの交流端子を前記交流モータに接続した状態で、前記バッテリの直流電圧を前記電力変換回路により交流電圧に変換して前記交流モータに供給することを特徴とするモータ駆動装置。
  4. バッテリの直流電圧を電力変換回路により交流電圧に変換して複数台の交流モータを駆動するモータ駆動装置であって、前記交流モータが、交流発電機としても動作可能なモータ／ジェネレータにより構成されたモータ駆動装置において、
    上下アームに半導体スイッチ素子をそれぞれ有するレグを複数、並列接続して構成された複数台の電力変換回路と、
    前記複数台の電力変換回路のうち、一の電力変換回路を構成する複数のレグの交流端子と一のモータ／ジェネレータとの間に設けられ、前記複数のレグの交流端子同士を短絡させ、またはこれらの交流端子を一のモータ／ジェネレータに接続可能な第４のスイッチ回路と、
    前記複数台の電力変換回路のうち、他の電力変換回路を構成する複数のレグの交流端子と交流電源との間に接続された第２のスイッチ回路と、
    前記他の電力変換回路を構成する複数のレグの交流端子と他のモータ／ジェネレータとの間に接続された第１のスイッチ回路と、
    前記バッテリと前記一の電力変換回路の直流端子との間に接続された第３のスイッチ回路と、
    第４のスイッチ回路により交流端子同士が短絡される前記複数のレグの当該交流端子と他のレグの交流端子との間に一次側が接続されたトランスと、
    前記トランスの二次側に接続されて一対の出力端子間に前記バッテリが接続される交流／直流変換回路と、
    を備え、
    第１，第３のスイッチ回路をオフすると共に第２のスイッチ回路をオンし、かつ、第４のスイッチ回路により前記複数のレグの交流端子同士を短絡させた状態で、前記交流電源の交流電圧を前記他の電力変換回路により直流電圧に変換した後に前記一の電力変換回路により高周波交流電圧に変換し、この高周波交流電圧を、前記トランス及び前記交流／直流変換回路を介し直流電圧に変換して前記バッテリに供給することにより前記バッテリを充電し、
    第２のスイッチ回路をオフ、第１，第３のスイッチ回路をオンし、かつ、第４のスイッチ回路により前記複数のレグの交流端子を前記一のモータ／ジェネレータに接続した状態で、前記バッテリの直流電圧を前記一の電力変換回路及び前記他の電力変換回路により交流電圧に変換して各モータ／ジェネレータに供給することを特徴とするモータ駆動装置。
  5. バッテリの直流電圧を電力変換回路により交流電圧に変換して交流モータを駆動するモータ駆動装置において、
    上下アームに半導体スイッチ素子をそれぞれ有するレグを複数、並列接続して構成された第１の電力変換回路と、
    上下アームに半導体スイッチ素子をそれぞれ有する単一により構成され、第１の電力変換回路に並列に接続される昇圧用の第２の電力変換回路と、
    第１の電力変換回路を構成する複数のレグの交流端子と前記交流モータとの間に接続さ
    れた第１のスイッチ回路と、
    第１の電力変換回路を構成する複数のレグの交流端子と交流電源との間に接続された第２のスイッチ回路と、
    前記バッテリと第２の電力変換回路との間に接続された第３のスイッチ回路と、
    第１の電力変換回路の１個のレグの上下アーム接続点と第２の電力変換回路の上下アーム接続点との間に一次側が接続されたトランスと、
    前記トランスの二次側に接続された交流／直流変換回路と、
    前記交流／直流変換回路の出力側と前記バッテリとの間に接続された第５のスイッチ回路と、
    を備え、
    第１，第３のスイッチ回路をオフ、第２，第５のスイッチ回路をオンした状態で前記交流電源の交流電圧を第１の電力変換回路に供給し、第１の電力変換回路の１個のレグと第２の電力変換回路とによる直流／交流変換動作により高周波交流電圧を生成し、この高周波交流電圧を、前記トランス及び前記交流／直流変換回路を介し直流電圧に変換して前記バッテリに供給することにより前記バッテリを充電し、
    第１，第３のスイッチ回路をオン、第２，第５のスイッチ回路をオフした状態で、前記バッテリの直流電圧を第２の電力変換回路により昇圧した後、第１の電力変換回路により交流電圧に変換して前記交流モータに供給することを特徴とするモータ駆動装置。
  6. 請求項２〜４の何れか１項に記載したモータ駆動装置において、
    前記電力変換回路を構成する一部のレグを、前記バッテリを充電する際の直流／交流変換動作、及び、前記交流モータを駆動する際の直流／交流変換動作に共用することを特徴とするモータ駆動装置。
  7. 請求項５に記載したモータ駆動装置において、
    第１の電力変換回路を構成する一部のレグを、前記バッテリを充電する際の直流／交流変換動作、及び、前記交流モータを駆動する際の直流／交流変換動作に共用することを特徴とするモータ駆動装置。
  8. 請求項３に記載したモータ駆動装置において、
    第４のスイッチ回路により前記電力変換回路の複数のレグの交流端子同士を短絡させて前記トランスの一次側の一端に接続したときに、当該交流端子の出力電圧の周波数が、前記トランスの一次側の他端に接続される他のレグの交流端子の出力電圧の周波数と一致するように、前記電力変換回路の各レグの半導体スイッチ素子をスイッチングすることを特徴とするモータ駆動装置。
  9. 請求項４に記載したモータ駆動装置において、
    第４のスイッチ回路により前記一の電力変換回路の複数のレグの交流端子同士を短絡させて前記トランスの一次側の一端に接続したときに、当該交流端子の出力電圧の周波数が、前記トランスの一次側の他端に接続される他のレグの交流端子の出力電圧の周波数と一致するように、前記一の電力変換回路の各レグの半導体スイッチ素子をスイッチングすることを特徴とするモータ駆動装置。
  10. 請求項１〜５の何れか１項に記載したモータ駆動装置において、
    前記交流電源が単相電源または三相電源であることを特徴とするモータ駆動装置。
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