JP2014171362A - Power conversion apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device.
従来、2つのインバータにより回転電機の電力を変換するインバータ駆動システムが知られている。例えば特許文献1では、高電圧時において、第1のインバータシステムと第2のインバータシステムのパルス幅変調信号(以下、パルス幅変調を「PWM」という。)の基本波成分の位相を180°ずらすことで2つの電源が電気的に直列接続され、2つの電源電圧の和により回転電機を駆動する。また特許文献1では、低電圧時において、第1インバータシステムまたは第2インバータシステムの一方の上アームまたは下アームのいずれかを3相同時オンし、他方をPWM駆動している。
Conventionally, an inverter drive system that converts electric power of a rotating electrical machine by two inverters is known. For example, in
特許文献1では、第1のインバータシステムおよび第2のインバータシステムにおいて、PWM駆動をしている。そのため、例えば1つのインバータシステムにて回転電機の電力を変換する場合と比較し、装置全体としてのスイッチング回数が多いため、スイッチング損失が比較的大きい。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、スイッチング損失を低減可能な電力変換装置を提供することにある。
In
This invention is made | formed in view of the above-mentioned subject, The objective is to provide the power converter device which can reduce switching loss.
本発明は、巻線を有する回転電機の電力を変換する電力変換装置であって、第1電力供給源と、第2電力供給源と、第1インバータ部と、第2インバータ部と、制御部と、を備える。第1インバータ部は、巻線の一端に接続される第1スイッチング素子を有し、第1電力供給源により駆動される。第2インバータ部は、巻線の他端に接続される第2スイッチング素子を有し、第2電力供給源により駆動される。 The present invention is a power conversion device that converts electric power of a rotating electrical machine having a winding, and includes a first power supply source, a second power supply source, a first inverter unit, a second inverter unit, and a control unit. And comprising. The first inverter unit has a first switching element connected to one end of the winding, and is driven by a first power supply source. The second inverter unit has a second switching element connected to the other end of the winding, and is driven by a second power supply source.
制御部は、第1制御信号生成手段、および、第2制御信号生成手段を有する。
第1制御信号生成手段は、第1キャリア波と巻線に通電される電流に係る第1基本波とに基づくPWM制御により、第1スイッチング素子のオンオフ作動を制御する。
第2制御信号生成手段は、第1スイッチング素子のスイッチング回数より第2スイッチング素子のスイッチング回数が少なくなるように、第1基本波と位相が180°ずれている第2基本波に基づき、第2スイッチング素子のオンオフ作動を制御する。
ここで、第2基本波に基づいて第2スイッチング素子のオンオフ作動を制御する場合、第2スイッチング素子のスイッチング回数が最も少ない状態は、第2基本波の半周期ごとにオンオフを切り替える、いわゆる矩形波制御の場合である。
The control unit includes first control signal generation means and second control signal generation means.
The first control signal generating means controls the on / off operation of the first switching element by PWM control based on the first carrier wave and the first fundamental wave relating to the current passed through the winding.
The second control signal generating means generates a second control signal based on a second fundamental wave that is 180 degrees out of phase with the first fundamental wave so that the number of times of switching of the second switching element is less than the number of times of switching of the first switching element. The on / off operation of the switching element is controlled.
Here, when the on / off operation of the second switching element is controlled based on the second fundamental wave, the state in which the switching frequency of the second switching element is the smallest is the so-called rectangular shape that switches on / off every half cycle of the second fundamental wave. This is the case of wave control.
本発明では、第1インバータ部と第2インバータ部とを位相が180°ずれている基本波に基づいて制御することにより、第1電力供給源と第2電力供給源とを直列接続した状態にて回転電機を駆動している。これにより、回転電機を高電圧で駆動することができるので、高回転、高トルクを出力可能となる。 In the present invention, the first inverter unit and the second inverter unit are controlled based on the fundamental wave whose phase is shifted by 180 °, so that the first power supply source and the second power supply source are connected in series. To drive the rotating electrical machine. As a result, the rotating electrical machine can be driven with a high voltage, and thus high rotation and high torque can be output.
また、第2スイッチング素子のスイッチング回数は、キャリア波と第1基本波とに基づくPWM制御される第1スイッチング素子のスイッチング回数より少ない。これにより、第1インバータ部と同様のPWM制御をした場合と比較し、第2インバータ部におけるスイッチング回数を低減することができるので、第2インバータ部におけるスイッチング損失を低減することができる。ひいては、装置全体の損失が低減し、効率が向上する。駆動電圧が高いほどスイッチング損失が大きくなるので、第2電力供給源の電圧が第1電力供給源の電圧より高い場合、第2インバータ部のスイッチング回数の低減によるスイッチング損失低減の効果が大きい。 The number of switching times of the second switching element is less than the number of switching times of the first switching element that is PWM-controlled based on the carrier wave and the first fundamental wave. Thereby, compared with the case where PWM control similar to the 1st inverter part is performed, since the frequency | count of switching in a 2nd inverter part can be reduced, the switching loss in a 2nd inverter part can be reduced. As a result, the loss of the entire apparatus is reduced and the efficiency is improved. Since the switching loss increases as the drive voltage increases, when the voltage of the second power supply source is higher than the voltage of the first power supply source, the effect of reducing the switching loss by reducing the number of times of switching of the second inverter unit is great.
以下、本発明による電力変換装置を図面に基づいて説明する。
(一実施形態)
図1に示すように、本発明の一実施形態による電力変換装置1は、モータ10の電力を変換するものである。
Hereinafter, a power converter according to the present invention will be described with reference to the drawings.
(One embodiment)
As shown in FIG. 1, the
モータ10は、例えば電動車両に適用され、図示しない駆動輪を駆動するためのトルクを発生する。本実施形態のモータ10は、駆動輪を駆動するための電動機としての機能、および、図示しないエンジンや駆動輪から伝わる運動エネルギにより駆動されて発電可能な発電機としての機能を有する、所謂モータジェネレータ(MG)である。本実施形態では、主に電動機として機能する場合について説明するので、「モータ10」と呼ぶ。
本実施形態のモータ10は、3相交流の回転電機であって、U相コイル11、V相コイル12およびW相コイル13を有する。本実施形態では、U相コイル11、V相コイル12およびW相コイル13が「巻線」に対応する。
The
The
電力変換装置1は、第1インバータ部20、第2インバータ部30、第1電力供給源41、第2電力供給源42、第1コンデンサ51、第2コンデンサ52、および、制御部60等を備える。
The
第1インバータ部20は、3相インバータであり、U相コイル11、V相コイル12およびW相コイル13への通電を切り替えるべく、6つのスイッチング素子(以下「SW素子」という。)21〜26がブリッジ接続される。本実施形態のSW素子21〜26は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。
The
SW素子21は、SW素子24の高電位側に接続される。SW素子21とSW素子24との接続点27は、U相コイル11の一端111に接続される。接続点27とU相コイル11の一端111とは、配線151で接続される。
SW素子22は、SW素子25の高電位側に接続される。SW素子22とSW素子25との接続点28は、V相コイル12の一端121に接続される。接続点28とV相コイル12の一端121とは、配線152で接続される。
SW素子23は、SW素子26の高電位側に接続される。SW素子23とSW素子26との接続点29は、W相コイル13の一端131に接続される。接続点29とW相コイル13の一端131とは、配線153で接続される。
配線151、152、153は、例えばケーブルまたはバスバーである。本実施形態では、接続点26〜29とコイル11〜13とを接続する配線151、152、153は、「第1インバータ部20とモータ10とを接続する配線」であって、当該配線の長さを第1配線長L1とする。
The
The
The
The
第2インバータ部30は、第1インバータ部20と同様、3相インバータであり、3相インバータであり、U相コイル11、V相コイル12およびW相コイル13への通電を切り替えるべく、6つのSW素子31〜36がブリッジ接続される。本実施形態のSW素子31〜36は、SW素子21〜26と同様、IGBTである。
The
SW素子31は、SW素子34の高電位側に接続される。SW素子31とSW素子34との接続点37は、U相コイル11の他端112に接続される。接続点37とU相コイル11の他端112とは、配線161で接続される。
SW素子32は、SW素子35の高電位側に接続される。SW素子32とSW素子35との接続点38は、V相コイル12の他端122に接続される。接続点38とV相コイル12の他端122とは、配線162で接続される。
SW素子33は、SW素子36の高電位側に接続される。SW素子33とSW素子36との接続点39は、W相コイル13の他端132に接続される。接続点39とW相コイル13の他端132とは、配線163で接続される。
配線161、162、163は、例えばケーブルまたはバスバーである。本実施形態では、接続点36〜39とコイル11〜13とを接続する配線161、162、163は、「第2インバータ部30とモータ10とを接続する配線」であって、当該配線の長さを第2配線長L2とする。
The
The
The
The
以下適宜、高電位側に接続されるSW素子21〜23、31〜33を「上アーム素子」といい、低電位側に接続されるSW素子24〜26、34〜36を「下アーム素子」という。また、本実施形態では、SW素子21〜26が「第1スイッチング素子」に対応し、SW素子31〜36が「第2スイッチング素子」に対応する。
Hereinafter, the
第1電力供給源41は、第1インバータ部20に並列に接続される直流電源であって、第1インバータ部20を経由してモータ10に電力を供給する。
第2電力供給源42は、第2インバータ部30に並列に接続される直流電源であって、第2インバータ部30を経由してモータ10に電力を供給する。
The first power supply source 41 is a DC power source connected in parallel to the
The second
本実施形態では、第2電力供給源42により印加される第2電圧値E2は、第1電力供給源41により印加される第1電圧値E1より大きい。すなわちE2>E1である。また本実施形態では、第2電圧値E2は、第1電圧値E1の2倍とする。すなわち、E2=2×E1である。
以下適宜、第1インバータ部20の駆動に係る電圧である第1電圧値E1、および、第2インバータ部30の駆動に係る電圧である第2電圧値E2を、「駆動電圧」という。
In the present embodiment, the second voltage value E2 applied by the second
Hereinafter, the first voltage value E1 that is a voltage related to driving of the
第1コンデンサ51は、第1電力供給源41と並列に接続され、第1電力供給源41から第1インバータ部20へ供給される電流を平滑化する平滑コンデンサである。
第2コンデンサ52は、第2電力供給源42と並列に接続され、第2電力供給源42から第2インバータ部30へ供給される電流を平滑化する平滑コンデンサである。
The
The
第1インバータ部20、第1電力供給源41および第1コンデンサ51の組み合わせを第1系統100とし、第2インバータ部30、第2電力供給源42および第2コンデンサ52の組み合わせを第2系統200とすれば、本実施形態では、第1系統100および第2系統200は、モータ10の両側に接続されている、といえる。
The combination of the
制御部60は、通常のコンピュータとして構成されており、内部にはCPU、ROM、I/O、および、これらの構成を接続するバスライン等が備えられる。
制御部60は、第1制御信号生成部61、および、第2制御信号生成部62を有する。
第1制御信号生成部61は、第1インバータ部20のSW素子21〜26のオンオフ作動を制御する第1制御信号を第1インバータ部20に出力する。第2制御信号生成部62は、第2インバータ部30のSW素子31〜36のオンオフ作動を制御する第2制御信号を第2インバータ部30に出力する。
The
The
The first control
ところで、モータ10の駆動に際し、駆動電圧により、回転限界およびトルク限界が存在し、駆動電圧が高ければ、高回転、高トルクでの出力が可能となる。一方、駆動電圧が大きいと、スイッチング損失が大きくなる。
そこで本実施形態では、モータ10の回転数、および、モータ10のトルクに応じ、制御モードを切り替えている。図2に示すように、本実施形態では、モータ10の回転数およびトルクに応じ、回転数およびトルクが実線T1より小さい領域A、および、回転数およびトルクが実線T1とT2との間の領域Bでは、制御モードを「第2の制御モード」としての低電圧モードとし、回転数およびトルクが実線T2とT3との間の領域Cでは、制御モードを「第1の制御モード」としての高電圧モードとする。また、以下適宜、領域Aにおける制御モードを制御モードA、領域Bにおける制御モードを制御モードB、領域Cにおける制御モードを制御モードCという。
By the way, when the
Therefore, in the present embodiment, the control mode is switched according to the rotation speed of the
以下、各制御モードについて説明する。
まず、高電圧モードについて、図3および図4に基づいて説明する。図3においては、U相を例に説明する。また、図4においては、オンされているSW素子を実線、オフされているSW素子を破線にて示し、制御部60の記載を省略している。また、煩雑になることを避けるため、配線151〜153、161〜163の符番は省略した(図6も同様)。
高電圧モードでは、第1インバータ部20のSW素子21〜26のオンオフ作動を図3(a)に示す第1基本波F1に基づいて制御し、第2インバータ部30のSW素子31〜36のオンオフ作動を基本波F1と位相が180°ずれた第2基本波F2に基づいて制御する。
Hereinafter, each control mode will be described.
First, the high voltage mode will be described with reference to FIGS. In FIG. 3, the U phase will be described as an example. In FIG. 4, the SW element that is turned on is indicated by a solid line, the SW element that is turned off is indicated by a broken line, and the description of the
In the high voltage mode, the on / off operation of the
図3(b)、(c)に示すように、第1制御信号生成部61は、第1基本波F1と図示しないキャリア波とを比較し、第1制御信号としてPWM制御信号を出力し、SW素子21、24のオンオフ作動を制御する。ここで、PWM制御には、第1基本波F1の振幅がキャリア波の振幅以下である「正弦波PWM制御」、および、第1基本波F1の振幅がキャリア波の振幅より大きい「過変調PWM制御」が含まれる。本実施形態のキャリア波は「第1キャリア波」に対応する。なお、キャリア波の振幅に対する基本波の振幅を変調率とすると、正弦波PWM制御の変調率は1以下であり、過変調PWM制御の変調率は1より大きい。
As shown in FIGS. 3B and 3C, the first
また、図3(d)、(e)に示すように、第2制御信号生成部62は、第2基本波F2に基づき、第2基本波F2が正の場合、上アーム素子であるSW素子31をオン、下アーム素子であるSW素子34をオフとし、第2基本波F2が負の場合、上アーム素子であるSW素子31をオフ、下アーム素子であるSW素子34をオンとする矩形波制御信号を第2制御信号として出力する。
Further, as shown in FIGS. 3D and 3E, the second
すなわち本実施形態では、高電圧モードにおいて、第1インバータ部20をPWM制御とし、第2インバータ部30を矩形波制御としている。そのため、図3(b)〜(e)に示すように、第2インバータ部30のSW素子31、34のスイッチング回数は、第1インバータ部20のSW素子21、24のスイッチング回数より少ない。
なお、V相、W相についても同様である。
That is, in this embodiment, in the high voltage mode, the
The same applies to the V phase and the W phase.
高電圧モードでは、第1基本波F1の位相と第2基本波F2の位相が180°ずれているの。そのため、図4に示す例のように、第1インバータ部20において、U相では上アーム素子であるSW素子21がオン、V相およびW相では下アーム素子であるSW素子35、36がオンであり、第2インバータ部30において、U相では下アーム素子であるSW素子24がオン、V相およびW相では上アーム素子であるSW素子32、33がオンであれば、2点鎖線の矢印Yで示すように、第1電力供給源41と第2電力供給源42とを直列接続した状態にてモータ10を駆動することができる。
In the high voltage mode, the phase of the first fundamental wave F1 and the phase of the second fundamental wave F2 are shifted by 180 °. Therefore, as in the example shown in FIG. 4, in the
したがって、図3(f)、(g)に示すように、高電圧モードでは、U−V間線間電圧およびU−W間線間電圧は、パルスの高さが第1電力供給源41の第1電圧値E1と第2電力供給源42の第2電圧値E2との和であるE1+E2となる。なお図示はしていないが、V−W間の線間電圧についでも同様である。
Therefore, as shown in FIGS. 3 (f) and 3 (g), in the high voltage mode, the U-V line voltage and the U-W line voltage have a pulse height of the first power supply source 41. E1 + E2, which is the sum of the first voltage value E1 and the second voltage value E2 of the second
本実施形態では、第2インバータ部30を矩形波制御としているので、第1インバータ部20と同様のPWM制御をした場合と比較し、スイッチング回数を減らすことができる。詳細には、(PWM制御によるスイッチング回数)−(矩形波制御によるスイッチング回数)分だけ、第2インバータ部30におけるスイッチング回数を減らすことができる。これにより、第2インバータ部30におけるスイッチング損失が低減できるので、図5に示すように、第2インバータ部30を第1インバータ部20と同様のPWM制御により駆動する参考例1と比較し、インバータ損失を低減することができる。
In the present embodiment, since the
次に、低電圧モードについて、図6〜図8に基づいて説明する。なお、図6においては、図4と同様、オンされているSW素子を実線、オフされているSW素子を破線にて示し、制御部60の記載を省略している。
図6に示すように、低電圧モードでは、第1インバータ部20または第2インバータ部30の一方を中性点化し、中性点化していない第1インバータ部20または第2インバータ部の他方による片側電源駆動とする。
Next, the low voltage mode will be described with reference to FIGS. In FIG. 6, as in FIG. 4, the SW elements that are turned on are indicated by solid lines, and the SW elements that are turned off are indicated by broken lines, and the description of the
As shown in FIG. 6, in the low voltage mode, one of the
図6(a)は、第2インバータ部30を中性点化する場合の例である。図6(a)に示す例では、上アーム素子31〜33を3相同時にオンし、下アーム素子34〜36を3相同時にオフしている。また、第1インバータ部20は、第1基本波F1およびキャリア波に基づくPWM制御としている。これにより、第2インバータ部30側を中性点とみなすことができ、第1電力供給源41および第1インバータ部20によりモータ10を駆動することができる。
第2インバータ部30を中性点化すると、図7に示すように、U−V間の線間電圧およびU−W間の線間電圧は、パルスの高さが第1電力供給源41の第1電圧値E1となる。なお図示はしていないが、V−W間の線間電圧についても同様である。
FIG. 6A shows an example in which the
When the
図6(b)は、第1インバータ部20を中性点化する場合の例である。図6(b)に示す例では、上アーム素子21〜23を3相同時にオンし、下アーム素子34〜36を3相同時にオフしている。また、第2インバータ部30は、第1基本波F1およびキャリア波に基づくPWM制御としている。これにより、第1インバータ部20側を中性点とみなすことができ、第2電力供給源42および第2インバータ部30によりモータ10を駆動することができる。
第1インバータ部20を中性点化すると、図8に示すように、U−V間の線間電圧およびU−W間の線間電圧は、パルスの高さが第2電力供給源42の第2電圧E2となる。なお図示はしていないが、V−W間の線間電圧についても同様である。
FIG. 6B is an example when the
When the
図6(a)では、上アーム素子31〜33を同時オンし、下アーム素子34〜36を同時オフしているが、上アーム素子31〜33を同時オフし、下アーム素子34〜36を同時オンしても、第2インバータ部30を中性点化することができる。
同様に、図6(b)では、上アーム素子21〜23を同時オンし、下アーム素子34〜36を同時オフしているが、上アーム素子21〜23を同時オフし、下アーム素子24〜26を同時オンしても、第1インバータ部20を中性点化することができる。
In FIG. 6A, the
Similarly, in FIG. 6B, the
そこで本実施形態では、第2インバータ部30を中性点化する場合、上アーム素子31〜33がオン、下アーム素子34〜36がオフである状態と、上アーム素子31〜33がオフ、下アーム素子34〜36がオンである状態とを、所定期間ごとに切り替える。同様に、第1インバータ部20を中性点化する場合、上アーム素子21〜23がオン、下アーム素子24〜26がオフである状態と、上アーム素子21〜23がオフ、下アーム素子24〜26がオンである状態とを、所定期間ごとに切り替える。
これにより、特定の素子のオン状態が継続することによる発熱や、素子間の熱損失の偏りを低減することができる。
Therefore, in this embodiment, when the
As a result, it is possible to reduce heat generation due to the continued ON state of a specific element and unevenness of heat loss between elements.
なお、切り替えに係る所定期間は、第1基本波F1の1周期よりも十分に長い期間(例えば数秒)とすることが望ましい。また、当該所定期間は、モータ10の回転数やトルク等に応じて可変としてもよい。さらにまた、当該所定期間は、第1インバータ部20と第2インバータ部30とで異なる長さとしてもよい。
In addition, it is desirable that the predetermined period for switching is a period (for example, several seconds) that is sufficiently longer than one cycle of the first fundamental wave F1. Further, the predetermined period may be variable according to the rotation speed, torque, or the like of the
本実施形態では、第1電力供給源41の第1電圧値E1と第2電力供給源42の第2電圧値E2とを異なる値としている。そのため、低電圧モードにおいて、第2インバータ部30を中性点化するか、第1インバータ部20を中性点化するか、を選択することができる。
すなわち本実施形態では、低電圧モードを、第2インバータ部30側を中性点化し第1電力供給源41の第1電圧値E1にて駆動する「制御モードA」、および、第1インバータ部20側を中性点化し第2電力供給源42の第2電圧値E2にて駆動する「制御モードB」に分けることができる。さらに、第1電力供給源41の第1電圧値E1と第2電力供給源42の第2電圧値E2との和E1+E2にて駆動する「制御モードC(高電圧モード)」を加えた3つの制御モードを選択可能である。
In the present embodiment, the first voltage value E1 of the first power supply source 41 and the second voltage value E2 of the second
That is, in this embodiment, the low voltage mode is set to a neutral point on the
ここで、3つの制御モードにおけるインバータ効率、MG効率、および、全体効率を図9に示す。図9中においては、制御モードAにて駆動した場合を実線、制御モードBにて駆動した場合を破線、制御モードCにて駆動した場合を1点鎖線にて示した。
図9は、図2中のP1〜P4のトルクを、回転数をNとし、各制御モードにて出力した場合を示している。なお、制御モードAは図2中の実線T1以下の回転数およびトルクを出力可能であり、制御モードBは実線T2以下の回転数およびトルクを出力可能であり、制御モードCは実線T3以下の回転数およびトルクを出力可能である。すなわち、P1およびP2は全ての制御モードにて出力可能であり、P3は制御モードB、Cにて出力可能であり、P4は制御モードCにて出力可能である。換言すると、制御モードAではP3、P4のトルクを出力することはできず、制御モードBではP4のトルクを出力することができない。
Here, FIG. 9 shows inverter efficiency, MG efficiency, and overall efficiency in the three control modes. In FIG. 9, the case of driving in the control mode A is indicated by a solid line, the case of driving in the control mode B is indicated by a broken line, and the case of driving in the control mode C is indicated by a one-dot chain line.
FIG. 9 shows a case where the torques P1 to P4 in FIG. The control mode A can output the rotation speed and torque below the solid line T1 in FIG. 2, the control mode B can output the rotation speed and torque below the solid line T2, and the control mode C is below the solid line T3. The rotation speed and torque can be output. That is, P1 and P2 can be output in all control modes, P3 can be output in control modes B and C, and P4 can be output in control mode C. In other words, P3 and P4 torque cannot be output in the control mode A, and P4 torque cannot be output in the control mode B.
スイッチング損失は駆動電圧が低いほど小さいので、図9(a)に示すように、インバータ効率は、駆動電圧が低い制御モードAにおいて最も高く、次いで制御モードB、Cの順である。
また、図9(b)に示すように、MG効率は、制御モードによらず、すなわち駆動電圧によらず、略同程度である。
したがって、図9(c)に示すように、全体効率は、駆動電圧が低い制御モードAにおいて最も高く、次いで制御モードB、Cの順である。
Since the switching loss is smaller as the drive voltage is lower, as shown in FIG. 9A, the inverter efficiency is highest in the control mode A where the drive voltage is low, and then in the order of the control modes B and C.
Further, as shown in FIG. 9B, the MG efficiency is approximately the same regardless of the control mode, that is, regardless of the drive voltage.
Therefore, as shown in FIG. 9C, the overall efficiency is highest in the control mode A where the drive voltage is low, and then in the order of the control modes B and C.
そのため本実施形態では、全体効率を高めるべく、図2の実線T1以下の領域Aは、駆動電圧が最も低い制御モードAにてモータ10を駆動し、実線T1と実線T2との間の領域Bは、次いで駆動電圧の低い制御モードBにてモータ10を駆動し、実線T2と実線T3との間の領域Cは、最も駆動電圧の高い制御モードCにてモータ10を駆動するように、制御モードを切り替えている。
Therefore, in the present embodiment, in order to increase the overall efficiency, the area A below the solid line T1 in FIG. 2 drives the
ここで、スイッチング速度の違いによるスイッチング損失について、図10および図11に基づいて説明する。スイッチング速度とは、SW素子21〜26、31〜36のオンからオフ、または、オフからオンへの切り替えに係る速度であり、図12(a)、(b)および図13(a)、(b)におけるインバータ出力電圧の立ち上がりの傾きに対応する。
Here, the switching loss due to the difference in switching speed will be described with reference to FIGS. The switching speed is a speed related to switching of the
図10において、(a)はスイッチング速度が遅い場合の電流と電圧の関係、(b)はスイッチング速度が遅い場合のスイッチング損失、(c)はスイッチング速度が速い場合の電流と電圧の関係、(d)はスイッチング速度が速い場合のスイッチング損失を示している。なお、スイッチング損失は、図10(b)、(d)に示す斜線で示す領域の面積に対応し、スッチング損失をPとすると、スイッチング損失は、電流iおよび電圧vに基づき、式(1)のように表される。
P=∫(i×v)dt ・・・(1)
10, (a) is the relationship between current and voltage when the switching speed is slow, (b) is the switching loss when switching speed is slow, (c) is the relationship between current and voltage when switching speed is fast, ( d) shows the switching loss when the switching speed is high. Note that the switching loss corresponds to the area of the hatched area shown in FIGS. 10B and 10D, and when the switching loss is P, the switching loss is based on the current i and the voltage v. It is expressed as
P = ∫ (i × v) dt (1)
図10に示すように、スイッチング速度が速いほど、スイッチング損失は小さい。そのため、図11に示すように、スイッチング速度が速いほど、インバータ損失も小さくなる。なお、図11においては、横軸をスイッチング速度比、縦軸をインバータ損失比としている。 As shown in FIG. 10, the higher the switching speed, the smaller the switching loss. Therefore, as shown in FIG. 11, the higher the switching speed, the smaller the inverter loss. In FIG. 11, the horizontal axis represents the switching speed ratio and the vertical axis represents the inverter loss ratio.
次に、スイッチング速度の違いによるサージ電圧について図12および図13に基づいて説明する。図12は第1インバータ部20(すなわち低電圧駆動)の例であり、図13は第2インバータ部30(すなわち高電圧駆動)の例である。
図12および図13において、(a)はスイッチング速度が遅い場合のインバータ出力電圧、(b)はスイッチング速度が速い場合のインバータ出力電圧、(c)はスイッチング速度が遅い場合のモータ入力電圧、(d)はスイッチング速度が速い場合のモータ入力電圧を示している。(c)、(d)においては、第1配線長L1または第2配線長L2が、相対的に短い場合を実線で示し、長い場合を破線で示した。
Next, the surge voltage due to the difference in switching speed will be described with reference to FIGS. FIG. 12 shows an example of the first inverter unit 20 (that is, low voltage driving), and FIG. 13 shows an example of the second inverter unit 30 (that is, high voltage driving).
12 and 13, (a) is the inverter output voltage when the switching speed is low, (b) is the inverter output voltage when the switching speed is high, (c) is the motor input voltage when the switching speed is low, ( d) shows the motor input voltage when the switching speed is fast. In (c) and (d), the case where the first wiring length L1 or the second wiring length L2 is relatively short is indicated by a solid line, and the case where it is long is indicated by a broken line.
図12(a)、(b)および図13(a)、(b)に示すように、駆動電圧が同じであれば、スイッチング速度によらず、インバータ出力電圧は等しい。一方、スイッチング速度が速い場合、インバータ出力電圧の立ち上がりの傾きは、スイッチング速度が遅い場合より大きい。
また、図12と図13とを比較すると、図12に示す第1インバータ部20のインバータ出力電圧Vout1は、図13に示す第2インバータ部30のインバータ出力電圧Vout2より小さい。
As shown in FIGS. 12A and 12B and FIGS. 13A and 13B, if the drive voltage is the same, the inverter output voltage is equal regardless of the switching speed. On the other hand, when the switching speed is fast, the rising slope of the inverter output voltage is larger than when the switching speed is slow.
12 is compared with FIG. 13, the inverter output voltage Vout1 of the
次に、モータ入力電圧について、説明する。図10および図11にて説明したように、スイッチング損失を低減するためには、スイッチング速度を速くすることが有効である。一方、スイッチングにより急峻な電圧パルスが入力されると、サージ電圧が生じる。
ここで、第1インバータ部20を駆動した場合のサージ電圧のピーク値について、スイッチング速度が遅く配線長が短い場合をVcs1、配線長が長い場合をVcl1とし(図12(c)参照)、スイッチング速度が速く配線長が短い場合をVds1、配線長が長い場合をVdl1とする(図12(d)参照)。また、第2インバータ部30を駆動した場合のサージ電圧のピーク値について、スイッチング速度が遅く配線長が短い場合をVcs2、配線長が長い場合をVcl2とし(図13(c)参照)、スイッチング速度が速く配線長が短い場合をVds2、配線長が長い場合をVdl2とする(図13(d)参照)。
Next, the motor input voltage will be described. As described with reference to FIGS. 10 and 11, in order to reduce the switching loss, it is effective to increase the switching speed. On the other hand, when a steep voltage pulse is input by switching, a surge voltage is generated.
Here, regarding the peak value of the surge voltage when the
図12、図13(c)、(d)に示すように、駆動電圧およびスイッチング速度が同じであれば、配線長が長い方がサージ電圧のピーク値は大きくなる。すなわち、Vcl1>Vcs1であり、Vdl1>Vds1である。また、Vcl2>Vcs2であり、Vdl2>Vds2である。
また、駆動電圧および配線長が同じであれば、スイッチング速度が速いほうがサージ電圧のピーク値は大きくなる。すなわち、Vds1>Vcs1であり、Vdl1>Vcl1である。また、Vds2>Vcs2であり、Vdl2>Vcl2である。
さらにまた、スイッチング速度および配線長が同じであれば、駆動電圧が大きい方がサージ電圧のピーク値は大きくなる。すなわち、Vcs2>Vcs1であり、Vcl2>Vcl1である。また、Vds2>Vds1であり、Vdl2>Vdl1である。
As shown in FIGS. 12, 13C, and 13D, if the drive voltage and the switching speed are the same, the peak value of the surge voltage increases as the wiring length increases. That is, Vcl1> Vcs1 and Vdl1> Vds1. Further, Vcl2> Vcs2, and Vdl2> Vds2.
Further, if the drive voltage and the wiring length are the same, the peak value of the surge voltage becomes larger as the switching speed is faster. That is, Vds1> Vcs1 and Vdl1> Vcl1. Further, Vds2> Vcs2 and Vdl2> Vcl2.
Furthermore, if the switching speed and the wiring length are the same, the peak value of the surge voltage increases as the drive voltage increases. That is, Vcs2> Vcs1 and Vcl2> Vcl1. Further, Vds2> Vds1 and Vdl2> Vdl1.
スイッチング速度および配線長とサージ電圧のピーク値との関係を図14に示す。図14においては、横軸をスイッチング速度比、縦軸をサージ電圧ピーク値とする。また、配線長は、Lx>Ly>Lzとする。
図14に示すように、スイッチング速度が速いほど、サージ電圧のピーク値は大きくなる。また、配線長が長いほど、サージ電圧のピーク値は大きくなる。
FIG. 14 shows the relationship between the switching speed and wiring length and the peak value of the surge voltage. In FIG. 14, the horizontal axis represents the switching speed ratio, and the vertical axis represents the surge voltage peak value. The wiring length is Lx>Ly> Lz.
As shown in FIG. 14, the higher the switching speed, the greater the peak value of the surge voltage. Further, the longer the wiring length, the larger the peak value of the surge voltage.
ところで、サージ電圧のピーク値がモータ10のコイル間における部分放電開始電圧を超えると、モータ10の内部で部分放電が発生し、絶縁被膜が劣化し、ひいては絶縁破壊を引き起こす虞がある。そのため、絶縁性能を確保するためには、サージ電圧のピーク値を部分放電開始電圧以下に抑える必要がある。
By the way, when the peak value of the surge voltage exceeds the partial discharge start voltage between the coils of the
そこで本実施形態では、サージ電圧のピーク値を部分放電開始電圧以下に抑えるべく、駆動電圧が大きくサージ電圧のピーク値が大きい第2インバータ部30のSW素子31〜36のスイッチング速度である第2スイッチング速度S2を、第1インバータ部20のスイッチング速度である第1スイッチング速度S1より遅くしている。すなわちS2<S1である。
また、第1インバータ部20および第2インバータ部30は、できるだけモータ10の近くに配置することが好ましいが、搭載スペース等の制約がある場合、第2インバータ部30を優先してモータ10の近くに配置し、第2インバータ部30とモータ10との間の配線長である第2配線長L2を短くする。すなわちL2<L1である。
Therefore, in the present embodiment, in order to suppress the peak value of the surge voltage below the partial discharge start voltage, the second driving speed is the second switching speed of the
In addition, the
第2インバータ部30側の配線長を短く、スイッチング速度を遅くした場合の効果を図15に示す。図15では、サージ電圧のピーク値の比であるサージ最大電圧比を示している。本実施形態では、参考例2と合計の配線長を同じとし、第2配線長L2を短くしている。そのため、第1配線長L1は参考例2よりも長くなる。また、本実施形態では、第2インバータ部30のスイッチング速度を参考例2よりも遅くしている。
FIG. 15 shows the effect when the wiring length on the
図15に示すように、本実施形態では、第2配線長L2を短くすべく、第1配線長L1を参考例2よりも長くしているので、低電圧駆動である第1インバータ部20によるサージ電圧のピーク値は、参考例2よりも大きくなる。ただし、高電圧駆動である第2インバータ部30によるサージ電圧のピーク値より小さく、部分放電開始電圧以下であるので、絶縁被膜の劣化を引き起こすことはない。
As shown in FIG. 15, in the present embodiment, the first wiring length L1 is made longer than the reference example 2 in order to shorten the second wiring length L2, so that the
一方、本実施形態では、第2配線長L2を短くし、第2スイッチング速度S2を遅くしているので、高電圧駆動である第2インバータ部30によるサージ電圧のピーク値は、参考例2と比較して小さい。そのため、電力変換装置1全体としてみたとき、参考例2と比較し、本実施形態におけるサージ電圧のピーク値は小さい。したがって、サージ電圧のピーク値が部分放電開始電圧を超えることによる絶縁被膜の劣化を抑制することができる。
On the other hand, in the present embodiment, the second wiring length L2 is shortened and the second switching speed S2 is slowed down. Therefore, the peak value of the surge voltage by the
以上詳述したように、U相コイル11、V相コイル12およびW相コイル13を有するモータ10の電力を変換する電力変換装置1は、第1電力供給源41と、第2電力供給源42と、第1インバータ部20と、第2インバータ部30と、制御部60と、を備える。
第1インバータ部20は、U相コイル11の一端111、V相コイル12の一端121およびW相コイル13の一端131に接続されるSW素子21〜26を有し、第1電力供給源41により駆動される。
第2インバータ部30は、U相コイル11の他端112、V相コイル12の他端122およびW相コイル13の他端132に接続されるSW素子31〜36を有し、第2電力供給源42により駆動される。
As described in detail above, the
The
The
制御部60は、第1制御信号生成部61、および、第2制御信号生成部62を有する。
第1制御信号生成部61は、キャリア波と、コイル11〜13に通電される電流に係る第1基本波F1とに基づくPWM制御により、SW素子21〜26のオンオフ作動を制御する。
第2制御信号生成部62は、SW素子21〜26のスイッチング回数より、SW素子31〜36のスイッチング回数が少なくなるように、第1基本波F1と位相が180°ずれている第2基本波F2に基づき、SW素子31〜36のオンオフ作動を制御する。
なお、第2基本波F2に基づいてSW素子31〜36のオンオフ作動を制御する場合、SW素子31〜36のスイッチング回数が最も少ない状態は、第2基本波の半周期ごとにオンオフを切り替える矩形波制御の場合である。
The
The first control
The second
When the on / off operation of the
本実施形態では、第1インバータ部20と第2インバータ部30とを位相が180°ずれている基本波に基づいて制御することにより、第1電力供給源41と第2電力供給源42とを直列接続した状態にてモータ10を駆動している。これにより、モータ10を高電圧で駆動することができるので、高回転、高トルクを出力可能となる。
In the present embodiment, the first power supply source 41 and the second
また本実施形態の第2インバータ部30では、第2基本波F2の半周期ごとにSW素子31〜36のオンオフを切り替える矩形波制御としている。したがって、本実施形態のSW素子31〜36のスイッチング回数は、キャリア波と第1基本波F1とに基づいてPWM制御されるSW素子21〜26のスイッチング回数より少ない。これにより、第1インバータ部20と同様のPWM制御をした場合と比較し、第2インバータ部30におけるスイッチング回数を低減することができるので、第2インバータ部30におけるスイッチング損失を低減することができる。ひいては、装置全体の損失が低減し、効率が向上する。
Moreover, in the
また、第1インバータ部20の電力供給源である第1電力供給源41の第1電圧値E1と、第2インバータ部30の電力供給源である第2電力供給源42の第2電圧値E2とは、異なる値である。特に、本実施形態では、第2電圧値は、第1電圧値より大きく、第1電圧値の2倍である。また、駆動電圧が大きい方が、スイッチング損失が大きい。本実施形態では、駆動電圧が大きい第2インバータ部30のスイッチング回数が少なくなるように制御しているので、スイッチング損失をより低減することができる。
Further, the first voltage value E1 of the first power supply source 41 that is the power supply source of the
上述のように、高電圧でモータ10を駆動することにより、高回転、高トルクを出力可能となるが、電圧が高いほど、第1インバータ部20および第2インバータ部30におけるスイッチング損失が大きくなる。
そこで、本実施形態の制御部60は、モータ10の回転数およびトルクに応じ、高電圧モードと低電圧モードとを切り替えている。
回転数およびトルクが大きい場合の高電圧モードでは、第1制御信号生成部61は、キャリア波と第1基本波F1とに基づくPWM制御によりSW素子21〜26のオンオフ作動を制御する。また、第2制御信号生成部62は、SW素子21〜26のスイッチング回数よりSW素子31〜36のスイッチング回数が少なくなるように、第2基本波F2に基づいてSW素子31〜36のオンオフ作動を制御する。
As described above, by driving the
Therefore, the
In the high voltage mode when the rotation speed and torque are large, the first
回転数およびトルクが小さい場合の低電圧モードでは、第1制御信号生成部61または第2制御信号生成部62の一方は、SW素子21〜26またはSW素子31〜36のうち、高電位側に接続される全相の上アーム素子21〜23、31〜33または低電位側に接続される全相の下アーム素子24〜26、34〜36をオンし、第1制御信号生成部61または第2制御信号生成部62の他方は、第1基本波F1に基づくPWM制御によりSW素子21〜26、31〜36のオンオフ作動を制御する。
In the low voltage mode when the rotation speed and torque are small, one of the first control
低電圧モードでは、第1インバータ部20の上アーム素子21〜23を全相同時オン、または、下アーム素子24〜26を全相同時オンとすることにより、第1インバータ部20側を中性点化し、第2電圧値E2により駆動される第2インバータ部30のPWM制御にてモータ10を駆動する。また、第2インバータ部30の上アーム素子31〜33を全相同時オン、または、下アーム素子34〜36の全相を同時オンとすることにより、第2インバータ部30側を中性点化し、第1電圧値E1により駆動される第1インバータ部20のPWM制御によりモータ10を駆動する。
In the low voltage mode, the
これにより、高電圧モードでは、第1電力供給源41と第2電力供給源42とを直列接続した状態にて、高回転、高トルクが出力可能となる。また、低回転、低トルク領域では、低電圧モードとし、第1インバータ部20側または第2インバータ部30側を中性点化する。低電圧モードにおいて、第1インバータ部20側または第2インバータ部30側を中性点化し、第1電力供給源41または第2電力供給源42の一方による片側電源駆動とすることにより、高電圧モードと比較し、低回転、低トルク領域におけるスイッチング損失を低減することができ、装置全体としての効率を高めることができる。
Thus, in the high voltage mode, high rotation and high torque can be output in a state where the first power supply source 41 and the second
特に本実施形態では、第2電力供給源42の第2電圧値E2を第1電力供給源41の第1バッテリE1の第1電圧値E1の2倍とし、第1電圧値E1と第2電圧値E2とをアンバランスにしている。これにより、駆動電圧の低い第1インバータ部20により駆動する制御モードA、および、駆動電圧の高い第2インバータ部30により駆動する制御モードBの2つに低電圧モードをさらに分けることができ、低回転、低トルク領域におけるスイッチング損失をより低減することができる。
In particular, in the present embodiment, the second voltage value E2 of the second
また、低電圧モードにおいて、第1インバータ部20側を中性点化する場合、第1制御信号生成部61は、全相の上アーム素子21〜23がオンである状態と、全相の下アーム素子24〜26がオンである状態とを所定期間ごとに切り替える。第2インバータ部30側を中性点化する場合、第2制御信号生成部62は、全相の上アーム素子31〜33がオンである状態と、全相の下アーム素子34〜36がオンである状態とを所定周期ごとに切り替える。これにより、特定の素子がオンされ続けることによる発熱や、素子ごとの熱損失の偏りを低減することができる。
In addition, when the
さらに、本実施形態では、SW素子31〜36のオンオフの切り替えに係る第2スイッチング速度S2は、SW素子21〜26のオンオフの切り替えに係る第1スイッチング速度S1以下である。特に本実施形態では、第2スイッチング速度S2は、第1スイッチング速度S1より遅い。駆動電圧の高い第2インバータ部30におけるスイッチング速度を遅くすることにより、第2インバータ部30におけるサージ電圧のピーク値を低減することができる。
Furthermore, in this embodiment, 2nd switching speed S2 which concerns on on / off switching of SW element 31-36 is below 1st switching speed S1 which concerns on on / off switching of SW element 21-26. Particularly in the present embodiment, the second switching speed S2 is slower than the first switching speed S1. By reducing the switching speed in the
さらにまた、第2インバータ部30とモータ10とを接続する配線の配線長である第2配線長L2は、第1インバータ部20とモータ10とを接続する配線の配線長である第2配線長L1より短い。これにより、配線長の合計が等しい場合、第1配線長L1と第2配線長L2とが同じである場合と比較し、駆動電圧が高い第2インバータ部30におけるサージ電圧のピーク値を低減することができるので、電力変換装置1全体としてのサージ電圧のピーク値を低減することができる。
Furthermore, the second wiring length L2 that is the wiring length of the wiring that connects the
サージ電圧のピーク値を低減することにより、サージ電圧が部分放電開始電圧を超えるのを抑制することができるので、モータ10内部で部分放電が発生し、絶縁皮膜が劣化するのを抑制することができる。
なお本実施形態では、第1インバータ部20とモータ10とを接続する配線、および、第2インバータ部30とモータ10とを接続する配線は、ケーブルまたはバスバーである。
By reducing the peak value of the surge voltage, it is possible to suppress the surge voltage from exceeding the partial discharge start voltage, so that partial discharge is generated inside the
In the present embodiment, the wiring connecting the
本実施形態では、制御部60が「第1制御信号生成手段」、および、「第2制御信号生成手段」に対応する。詳細には、第1制御信号生成部61が「第1制御信号生成手段」に対応し、第2制御信号生成部62が「第2制御信号生成手段」に対応する。
In the present embodiment, the
(他の実施形態)
(ア)スイッチング回数
上記実施形態では、高電圧モードにおいて、第1インバータ部をPWM制御し、第2インバータ部を矩形波制御した。他の実施形態では、第2スイッチング素子のスイッチング回数が第1スイッチング素子のスイッチング回数より少なく、第1基本波と位相が180°ずれた第2基本波に基づいて制御されていれば、第1インバータ部および第2インバータ部をどのように制御してもよい。
例えば、(基本波の振幅/キャリア波の振幅)を変調率とすれば、キャリア波が同じであれば、変調率が大きいほどスイッチング回数が少なくなるので、第2基本波の変調率を、第1基本波の変調率より大きくしてもよい。なお、変調率を無限大とした場合が矩形波制御である、と捉えれば、上記実施形態についても、第2基本波の変調率が第1基本波の変調率が大きい、とみなすこともできる。これにより、第1スイッチング素子のスイッチング回数よりも第2スイッチング素子のスイッチング回数が少なくなる。
なお、低電圧モードから高電圧モードへの切り替えに際し、変調率を段階的に高めていくようにしてもよい。このように構成することにより、低電圧モードから高電圧モードへの切り替えに伴うハンチングを抑制することができる。
(Other embodiments)
(A) Switching frequency In the above embodiment, in the high voltage mode, the first inverter unit is PWM-controlled and the second inverter unit is rectangular-wave controlled. In another embodiment, if the number of times of switching of the second switching element is less than the number of times of switching of the first switching element and control is performed based on the second fundamental wave that is 180 ° out of phase with the first fundamental wave, The inverter unit and the second inverter unit may be controlled in any way.
For example, if the modulation factor is (the amplitude of the fundamental wave / the amplitude of the carrier wave), if the carrier wave is the same, the larger the modulation rate, the smaller the number of switchings. It may be larger than the modulation factor of one fundamental wave. If it is assumed that the case where the modulation factor is infinite is rectangular wave control, the modulation factor of the second fundamental wave can also be regarded as the modulation factor of the first fundamental wave being large in the above embodiment. . Thereby, the frequency | count of switching of a 2nd switching element becomes smaller than the frequency | count of switching of a 1st switching element.
Note that the modulation rate may be increased stepwise when switching from the low voltage mode to the high voltage mode. With this configuration, hunting associated with switching from the low voltage mode to the high voltage mode can be suppressed.
また例えば、高電圧モードにおいて、第1インバータ部および第2インバータ部を共にPWM制御する場合、第2制御信号生成部は、第1インバータ部の駆動に係る第1キャリア波よりも周期が長い第2キャリア波と第2基本波とに基づき、第2スイッチング素子のオンオフ作動を制御してもよい。第2キャリア波の周期を第1キャリア波の周期よりも長くすることにより、第1基本波の変調率と第2基本波の変調率とが同じであっても、第1スイッチング素子のスイッチング回数よりも第2スイッチング素子のスイッチング回数が少なくなる。これにより、第2インバータ部におけるスイッチング損失を低減することができる。
なお、第1スイッチング素子のスイッチング回数よりも第2スイッチング素子のスイッチング回数が少なくなるように、変調率およびキャリア波の周期は、適宜設定可能である。
Also, for example, in the high voltage mode, when both the first inverter unit and the second inverter unit are PWM controlled, the second control signal generation unit has a longer cycle than the first carrier wave related to driving the first inverter unit. The on / off operation of the second switching element may be controlled based on the two-carrier wave and the second fundamental wave. By making the period of the second carrier wave longer than the period of the first carrier wave, even if the modulation factor of the first fundamental wave and the modulation factor of the second fundamental wave are the same, the number of switching times of the first switching element As a result, the number of times of switching of the second switching element is reduced. Thereby, the switching loss in a 2nd inverter part can be reduced.
Note that the modulation factor and the period of the carrier wave can be set as appropriate so that the number of times of switching of the second switching element is less than the number of times of switching of the first switching element.
(イ)電力供給源の電圧値
上記実施形態では、第1電圧値と第2電圧値とは異なる値であった。他の実施形態では、第1電圧値と第2電圧値とが同じ値であってもよい。また、上記実施形態では、第2電圧値は、第1電圧値の2倍であった。他の実施形態では、第2電圧値が第1電圧値よりも小さくてもよいし、第1電圧値の2倍より小さくてもよいし、第1電圧値の2倍より大きくてもよい。
また他の実施形態では、第1電力供給源および第2電力供給源は、例えば昇圧コンバータ等の構成を含んでいてもよい。
(A) Voltage value of power supply source In the above embodiment, the first voltage value and the second voltage value are different values. In other embodiments, the first voltage value and the second voltage value may be the same value. In the above embodiment, the second voltage value is twice the first voltage value. In other embodiments, the second voltage value may be smaller than the first voltage value, smaller than twice the first voltage value, or larger than twice the first voltage value.
In another embodiment, the first power supply source and the second power supply source may include a configuration such as a boost converter.
(ウ)スイッチング速度
上記実施形態では、サージ電圧のピーク値を低減すべく、第2スイッチング速度は、第1スイッチング速度より遅い。他の実施形態では、第2スイッチング速度は、第1スイッチング速度と同じでもよい。
また、上記実施形態で説明したとおり、サージ電圧のピーク値は、駆動電圧が高いほど大きかった。ここで、部分放電開始電圧およびサージ電圧のピーク値を考慮すると、高電圧モードにおけるサージ電圧のピーク値を小さくすることが重要である。また、スイッチング損失の面から言えば、スイッチング速度は速い方が好ましい。
(C) Switching speed In the said embodiment, in order to reduce the peak value of a surge voltage, a 2nd switching speed is slower than a 1st switching speed. In other embodiments, the second switching speed may be the same as the first switching speed.
Further, as described in the above embodiment, the peak value of the surge voltage is larger as the drive voltage is higher. Here, considering the partial discharge start voltage and the peak value of the surge voltage, it is important to reduce the peak value of the surge voltage in the high voltage mode. In terms of switching loss, a higher switching speed is preferable.
そこで他の実施形態では、高電圧モードの場合、サージ電圧のピーク値を小さくすべく、第2スイッチング速度を第1スイッチング速度より遅くし、低電圧モードの場合、スイッチング損失を低減すべく、第2スイッチング速度を速くし、第1スイッチング速度と同じにしてもよい。すなわち、高電圧モードと低電圧モードとを回転電機の回転数およびトルクに応じて切り替えることを鑑みれば、「第2スイッチング速度は、回転電機の回転数およびトルク応じて可変である」ということである。スイッチング速度は、スイッチング素子のオンオフ切り替えに係るゲート抵抗を調整することにより変更可能である。例えば、低電圧モードと高電圧モードとでスイッチング速度を切り替えるとすれば、抵抗値の異なる2つのゲート抵抗を並列接続し、一方のゲート抵抗がスイッチング素子と接続されるように、スイッチを切り替えるように構成することができる。これにより、スイッチング損失をより低減し、効率を向上可能である。 Therefore, in another embodiment, in the high voltage mode, the second switching speed is made slower than the first switching speed to reduce the peak value of the surge voltage, and in the low voltage mode, the first switching speed is reduced to reduce the switching loss. 2 The switching speed may be increased to be the same as the first switching speed. That is, in view of switching between the high-voltage mode and the low-voltage mode according to the rotation speed and torque of the rotating electrical machine, “the second switching speed is variable according to the rotation speed and torque of the rotating electrical machine”. is there. The switching speed can be changed by adjusting the gate resistance related to switching of the switching element. For example, if the switching speed is switched between the low voltage mode and the high voltage mode, two gate resistors having different resistance values are connected in parallel, and the switch is switched so that one gate resistor is connected to the switching element. Can be configured. Thereby, switching loss can be further reduced and efficiency can be improved.
(エ)上記実施形態では、低電圧モードにおいて、中性点化するインバータ部において、全相の上アーム素子がオンである状態と、全相の下アーム素子がオンである状態とを、所定期間ごとに切り替えていた。他の実施形態では、中性点化するインバータ部において、全相の上アーム素子がオンである状態と、全相の下アーム素子がオンである状態とを切り替えなくてもよい。
また、スイッチング素子の温度を検出するサーミスタ等の温度検出手段を設け、スイッチング素子の温度に基づき、上アーム素子の全相がオン、下アーム素子の全相がオフである状態と、上アーム素子の全相がオフ、下アーム素子の全相がオンである状態とを、切り替えてもよい。これにより、スイッチング素子の発熱を抑制し、耐熱限界を超えることなく、適切に制御することができる。
(D) In the above embodiment, in the low voltage mode, in the inverter portion that is neutralized, the state where the upper arm element of all phases is on and the state where the lower arm element of all phases are on are predetermined. It changed every period. In another embodiment, it is not necessary to switch between a state in which the upper arm elements of all phases are turned on and a state in which the lower arm elements of all phases are turned on in the inverter section that is neutralized.
Further, temperature detecting means such as a thermistor for detecting the temperature of the switching element is provided, and based on the temperature of the switching element, all phases of the upper arm element are on and all phases of the lower arm element are off, and the upper arm element May be switched between a state in which all phases are off and a state in which all phases of the lower arm element are on. As a result, the heat generation of the switching element can be suppressed and appropriately controlled without exceeding the heat resistance limit.
(オ)上記実施形態では、回転電機の回転数およびトルクに応じ、高電圧モードと低電圧モードとを切り替える。他の実施形態では、回転電機の回転数およびトルクによらず、高電圧モードとしてもよい。 (E) In the above embodiment, the high voltage mode and the low voltage mode are switched according to the rotation speed and torque of the rotating electrical machine. In other embodiments, the high voltage mode may be used regardless of the rotation speed and torque of the rotating electrical machine.
(カ)上記実施形態では、スイッチング素子はIGBTである。他の実施形態では、スイッチング素子は、MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ、バイポーラトランジスタ等を用いることができる。
(キ)上記実施形態の回転電機は、電動機としての機能および発電機としての機能を併せ持つ所謂モータジェネレータであるが、他の実施形態では、発電機としての機能を持たない電動機であってもよいし、電動機としての機能を持たない発電機であってもよい。
(ク)上記実施形態では、回転電機は、電動車両の車両主機に適用された。他の実施形態では、回転電機は、車両補機に適用してもよいし、他の装置に適用してもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
(F) In the above embodiment, the switching element is an IGBT. In another embodiment, a MOS (Metal Oxide Semiconductor) transistor, a bipolar transistor, or the like can be used as the switching element.
(G) The rotating electrical machine of the above embodiment is a so-called motor generator having both a function as an electric motor and a function as a generator. However, in other embodiments, the electric motor may not have a function as a generator. However, the generator may not have a function as an electric motor.
(H) In the above embodiment, the rotating electrical machine is applied to a main vehicle of an electric vehicle. In other embodiments, the rotating electrical machine may be applied to a vehicle auxiliary machine or may be applied to other devices.
As mentioned above, this invention is not limited to the said embodiment at all, In the range which does not deviate from the meaning of invention, it can implement with a various form.
1・・・電力変換装置
10・・・モータ(回転電機)
11〜13・・・コイル(巻線)
20・・・第1インバータ部
21〜26・・・SW素子(第1スイッチング素子)
30・・・第2インバータ部
31〜36・・・SW素子(第2スイッチング素子)
41・・・第1電力供給源
42・・・第2電力供給源
60・・・制御部(第1制御信号生成手段、第2制御信号生成手段)
DESCRIPTION OF
11-13 ... Coil (winding)
20 ... 1st inverter part 21-26 ... SW element (1st switching element)
30 ... 2nd inverter part 31-36 ... SW element (2nd switching element)
41 ... 1st
Claims (13)
第1電力供給源(41)と、
第2電力供給源(42)と、
前記巻線の一端(111、121、131)に接続される第1スイッチング素子(21〜26)を有し、前記第1電力供給源により駆動される第1インバータ部(20)と、
前記巻線の他端(112、122、132)に接続される第2スイッチング素子(31〜36)を有し、前記第2電力供給源により駆動される第2インバータ部(30)と、
第1キャリア波と前記巻線に通電される電流に係る第1基本波とに基づくPWM制御により前記第1スイッチング素子のオンオフ作動を制御する第1制御信号生成手段(61)、および、前記第1スイッチング素子のスイッチング回数より前記第2スイッチング素子のスイッチング回数が少なくなるように、前記第1基本波と位相が180°ずれている第2基本波に基づき前記第2スイッチング素子のオンオフ作動を制御する第2制御信号生成手段(62)を有する制御部(60)と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。 A power converter (1) for converting electric power of a rotating electrical machine (10) having windings (11-13),
A first power supply source (41);
A second power supply source (42);
A first inverter unit (20) having a first switching element (21-26) connected to one end (111, 121, 131) of the winding and driven by the first power supply source;
A second inverter unit (30) having a second switching element (31 to 36) connected to the other end (112, 122, 132) of the winding and driven by the second power supply source;
First control signal generating means (61) for controlling on / off operation of the first switching element by PWM control based on a first carrier wave and a first fundamental wave relating to a current passed through the winding; and The on / off operation of the second switching element is controlled based on a second fundamental wave that is 180 degrees out of phase with the first fundamental wave so that the number of switching times of the second switching element is less than the number of switching times of one switching element. A control unit (60) having second control signal generating means (62) for performing,
A power conversion device comprising:
前記第1制御信号生成手段が前記第1キャリア波と前記第1基本波とに基づくPWM制御により前記第1スイッチング素子のオンオフ作動を制御し、前記第2制御信号生成手段が前記第1スイッチング素子のスイッチング回数より前記第2スイッチング素子のスイッチング回数が少なくなるように前記第2基本波に基づいて前記第2スイッチング素子のオンオフ作動を制御する第1の制御モードと、
前記第1制御信号生成手段または前記第2制御信号生成手段の一方が、前記第1スイッチング素子または前記第2スイッチング素子のうち、高電位側に接続される全相の上アーム素子または低電位側に接続される全相の下アーム素子をオンし、前記第1制御信号生成手段または前記第2制御信号生成手段の他方は、前記第1基本波に基づくPWM制御により前記第1スイッチング素子または前記第2スイッチング素子のオンオフ作動を制御する第2の制御モードと、
を前記回転電機の回転数およびトルクに応じて切り替えることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の電力変換装置。 The controller is
The first control signal generating means controls the on / off operation of the first switching element by PWM control based on the first carrier wave and the first fundamental wave, and the second control signal generating means is the first switching element. A first control mode for controlling the on / off operation of the second switching element based on the second fundamental wave so that the switching frequency of the second switching element is less than the switching frequency of
One of the first control signal generation means or the second control signal generation means is an upper arm element or a low potential side of all phases connected to the high potential side of the first switching element or the second switching element. The lower arm elements of all the phases connected to the first control signal generating means or the second control signal generating means are turned on by the PWM control based on the first fundamental wave. A second control mode for controlling the on / off operation of the second switching element;
The power conversion device according to any one of claims 1 to 10, wherein the power is switched according to a rotational speed and torque of the rotating electrical machine.
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