JP2004007964A - Inverter circuit device for three-phase motor for vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハイブリッド車、エコラン車、燃料電池車、電動自転車などに用いられる両用三相回転電機用インバータ回路装置に関し、詳しくはその発電制御に関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
特許文献1は、車両用三相回転電機の発電電力を整流する三相全波整流回路(本明細書では三相インバータ回路とも称するものとする)をMOSトランジスタにより構成し、その交流側主電極電圧とバッテリ電圧との間の電位差に基づいてこのMOSトランジスタを断続制御することにより、この三相整流回路のダイオード(MOSトランジスタの寄生ダイオードでもよい)の電力損失を低減するMOS型三相整流回路ことを提案している。
【0003】
しかしながら、上記した従来のMOS型三相整流回路では、オン後のMOSトランジスタのチャンネル電圧降下、すなわち、交流側主電極電圧とバッテリ電圧との間の電位差がたとえば0.1V程度と小さいため、たとえば車両用発電機のような電磁的悪環境下において交流側主電極電圧とバッテリ電圧との間のこの電位差の変化を正確に判定することが容易ではなく、オフを正確なタイミングで実施することが難しいという問題が、その実用化を妨げていた。
【0004】
従来のMOS型三相整流回路の上アーム素子をなすMOSトランジスタを例に具体的に説明すると、交流側主電極電圧がバッテリ電圧より所定しきい値以上高くなると、このMOSトランジスタはオンされるが、オンされた後、このMOSトランジスタの電圧降下は0.1V程度と小さくなってオフしやすくなり、チャッタリングが生じる可能性が考えられる。
【0005】
また、この電圧検出からMOSトランジスタのオン又はオフが終了するまでの回路遅延時間が存在するために高回転領域において、バッテリからモータへの電流逆流現象が生じたり、MOSトランジスタのオンが遅れて出力電流の取り出し能力が低下したり、電流がMOSトランジスタの寄生ダイオードを通じて流れて電力損失が増加するという問題もあった。
【0006】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、三相全波整流を行う三相回転電機用インバータ回路の動作安定性を確保しつつその電力損失を低減することを、その目的としている。
【0007】
【特許文献1】特許2959640号公報
【0008】
【課題を解決するための手段】
第一発明をなす請求項1記載の車両用三相回転電機用インバータ回路装置は、車両用三相回転電機の三相電機子巻線と直流電源との間に介設されて少なくとも前記三相電機子巻線の誘起電圧である三つの相電圧を整流して前記直流電源に給電する三相インバータ回路と、前記三相インバータ回路の各スイッチング素子を断続制御する制御回路とを備え、前記三相インバータ回路は、MOSトランジスタからなる上アーム素子又は下アーム素子を有する車両用三相回転電機用インバータ回路装置において、
前記制御回路が、第一の前記相電圧を整流する前記上アーム素子のオンタイミング又はオフタイミングを、前記第一の相電圧とは異なる前記相電圧に基づいて決定することを特徴としている。
【0009】
すなわち、この発明では、従来のように自己の両主電極端子間の電位差ではなく、少なくとも自己相とは異なる異相の相電圧を用いてこの自己相のMOSトランジスタの断続タイミング決定するので、自己相の両主電極端子間の電位差がオン後に非常に小さくなってしまいその変化検出が容易でないという従来技術における問題を解決して、動作信頼性に優れた低損失の三相全波整流を実現することができる。
【0010】
更に説明を行う。
【0011】
この発明の対象をなす同期整流技術においては、三相インバータ回路(更に多相でもよい)のMOSトランジスタなどのスイッチング素子の断続制御のうち、特にオフタイミングの決定が特に重要である。すなわち、スイッチング素子のオンタイミングは、自己の交流側主電極電圧が直流側主電極電圧を超えた時点(スイッチング遅れを考慮して交流側主電極電圧が直流側主電極電圧よりわずかに小さい点まで上昇した時点でもよい)で、すなわち最適な時点で確実にオンすることができる。
【0012】
しかし、スイッチング素子のオフタイミングは、自己が導通しているために自己の交流側主電極電圧と直流側主電極電圧との差が非常に小さく(通常0.1V以下)、たとえ回転電機のこの相の発電電圧(相電圧)が直流側主電極電圧より小さくなってもMOSトランジスタのような双方向導通型のスイッチング素子では直流側主電極から交流側主電極への電流逆流により良好な電圧変化を検出することができない。
【0013】
このため、この発明のように、上記したように確実な他の相電圧のオンタイミングからの所定の時間遅延後にこのオン中のスイッチング素子のオフを行うことが特に好適である。検出するべき他の相としては、このオン中のスイッチング素子のオフタイミングにもっとも時間的に近接し、かつ、時間的に同時または先行する相のスイッチング素子のオンタイミングとすることがタイミング誤差を最も低減するうえで最適である。
【0014】
このような条件に最も合致する上記他相とは、このスイッチング素子をオフすべき相よりも120度(三相の場合)だけ遅れる相である。最も大きい電圧値をもつ相電圧がU、V、Wの順に変化する場合、U相の上アーム素子のオフタイミングは、次のV相の上アーム素子のオンタイミングに一致させることができる。このようにすれば、このU相の上アーム素子は120度だけオンすることができる。この場合には、時間遅延がないために、上記した回転数変化や発電電圧変化などによるタイミングのずれを最小化することができる。
【0015】
更に、上記説明では、自己の相電圧が所定値(好適にはバッテリ電圧またはそれよりわずかに小さい)まで上昇した場合に自己の相の上アーム素子をオンし、後続相の相電圧が所定値(好適にはバッテリ電圧またはそれよりわずかに小さい)場合まで上昇した時点またはそれより所定期間遅延した時点にて先行相の上アーム素子のオフを指令する上アーム素子制御を行ったが、下アーム素子の制御においても同様に任意の相の下アーム素子のオフタイミングを他の相の下アーム素子のオンタイミングに基づいて決定することができる。ただし、下アーム素子は同相の上アーム素子と同時にターンオンしないようにすればよいので、上記上アーム素子の断続制御のためのタイミングで、同相の下アーム素子の断続を逆に行ってもよい。
【0016】
好適な態様において、前記制御回路は、前記第一の相電圧より遅れる第二の相電圧が所定の第一しきい値電圧値を超える時点又は前記時点から所定時間経過した時点にて前記第一の相電圧を整流する前記上アーム素子のオフを指令することを特徴としている。
【0017】
本構成によれば、所定相の上アーム素子をオフを、この相よりも遅相側にずれる他相の相電圧の上昇タイミングに基づいて決定するので、強電磁ノイズ環境下でもこのオフを好適なタイミングで実施することができる。また、回路系の動作遅延により上アーム素子のオフタイミングが遅延しても、バッテリから回転電機側に電流が逆流するのを容易に防止することができる。なお、上記所定時間は一定としてもよく、又はそれを回転数が増加するほど短縮するようにしてもよい。
【0018】
更に説明する。
【0019】
この態様において特に、第一の相電圧より遅れる第二の相電圧が所定の第一しきい値電圧値を超える時点よりも所定時間遅れた時点にて第一の相電圧を整流する前記上アーム素子のオフを指令することが好ましい。ここで、第一の相電圧より遅れる第二の相電圧が所定の第一しきい値電圧値を超える時点を第二の相電圧を整流する上アーム素子のオンタイミングと仮定すれば、この第二相の上アーム素子のオンタイミングよりも所定時間遅れて第一相の上アーム素子のオフタイミングを設定することになる。すなわち、ある相の上アーム素子のオフタイミングを、それに後続する(最も近接して遅れる)相の上アーム素子のオンタイミングよりも(更に正確に言えば後続相電圧が所定しきい値を超えた時点よりも)所定時間遅延する。
【0020】
この所定時間遅延を設定しない場合、既述したように、三相インバータ回路の三つの上アーム素子は120度ずつ交互にオンすることになり、各相電圧は、120度期間づつ同期整流を行うことになる。以下、この方式を120度同期整流方式と称する。
【0021】
しかし、アイドル回転数以上の発電好適回転数範囲で運転される通常の車両用交流発電機では、各相電圧(各相の上アーム素子の交流側主電極電圧)は、それがバッテリ電圧(各相の上アーム素子の直流側主電極電圧)または所定電圧を超えてターンオンした後、120度期間を過ぎてもなお、バッテリ電圧より高い場合が通常であり、通常180度に近い期間、バッテリ充電が可能となっている。したがって、上記した120度同期整流方式では、みすみす整流可能なエネルギーを無駄に発電のみしていることになる。そこで、上記した120度同期整流期間を超えて、換言すれば、後続相の電圧が所定しきい値を超えてから更に所定時間だけ先行相の上アーム素子のオフタイミングを遅延させれば、この発電の無駄を減らしたり、解消したりすることができ、発電効率を向上することができるわけである。
【0022】
好適な態様において、前記制御回路は、前記第一の相電圧を整流する前記上アーム素子のオンタイミングを、前記第一の相電圧が前記直流電源の電圧より低い所定の第二しきい値電圧値を超え、かつ、前記第一の相電圧より遅れる第二の相電圧が所定の第三しきい値電圧値より低い期間に、前記所定の上アーム素子のオンを指令することを特徴としている。
【0023】
この態様によれば、回路系の動作遅延により上アーム素子のオンタイミングの遅延を低減して、上アーム素子の電力損失の増加を抑止することができるので、回路構成を簡素化することができる。もちろん、発電機が回転角センサをもつ場合には、検出された回転角に基づいて120度から更に必要な角度だけ遅延を容易に行うことができる。
【0024】
好適な態様において、前記制御回路は、前記三相回転電機の回転数が所定値以上の場合に前記MOSトランジスタをオンさせるので、高回転域において影響が大きいオンタイミングの遅延による上アーム素子の電力損失増加を抑止することができる。また、低回転において、MOSトランジスタをオンすることによりバッテリから回転電機に電流が逆流するのを防止することができる。
【0025】
好適な態様において、前記しきい値回転数は、前記相電圧が前記直流電源の電圧を超える回転数に設定されるので、相電圧がバッテリ電圧を超えることなく、発電能力がない場合にMOSトランジスタがオンして、電流が逆流する不具合を防止することができる。
【0026】
上記第一発明と同一課題を解決する第二発明としての請求項6記載の車両用三相回転電機用インバータ回路装置は、車両用三相回転電機の三相電機子巻線と直流電源との間に介設されて少なくとも前記三相電機子巻線の誘起電圧である三つの相電圧を整流して前記直流電源に給電する三相インバータ回路と、前記三相インバータ回路の各スイッチング素子を断続制御する制御回路とを備え、前記三相インバータ回路は、MOSトランジスタからなる上アーム素子を有する車両用三相回転電機用インバータ回路装置において、
前記制御回路は、第一の前記相電圧がバッテリ電圧より所定値だけ小さく設定された所定のしきい値電圧を超える場合に、前記第一の相電圧を整流する前記上アーム素子のオンを指令することを特徴としている。
【0027】
すなわち、上記説明した従来の同期整流型車両用三相回転電機用インバータ回路装置では、各相電圧とバッテリ電圧との比較結果により、つまりMOSトランジスタの両主電極間に生じる電位差によりその断続制御を行っており、上記のようにチャタリングが生じやすくなったり、回路遅延により動作が遅れてしまう。
【0028】
そこで、この発明では、各相電圧をバッテリ電圧より小さい所定のしきい値電圧とを比較して、上アーム素子をなすMOSトランジスタのオンを指令する。このしきい値電圧としては、バッテリ電圧に正相関を有する値たとえばバッテリ電圧を分圧した値とすることができ、または所定の定電圧とすることもできる。このようにすれば、MOSトランジスタが電磁ノイズ等により誤オンすることを良好に防止し、また、回路遅延の悪影響を軽減することができる。
【0029】
なお、この場合、MOSトランジスタには、自己の相電圧がまだバッテリ電圧を超えないうちにオンを指令されることになるが、相電圧波形が略矩形波であることと、回路遅延とにより、問題は生じない。
【0030】
好適な態様において、前記制御回路は、前記第一の相電圧が前記直流電源の電圧より低い所定の第二しきい値電圧値未満で、かつ、前記第一の相電圧より遅れる第二の相電圧が所定の第三しきい値電圧値より高い期間に、前記第一の相電圧を整流する前記下アーム素子のオンを指令することを特徴としている。この態様によれば、回路系の動作遅延により下アーム素子のオンタイミングの遅延を低減して、下アーム素子の電力損失の増加を抑止することができる。
【0031】
好適な態様において、前記制御回路は、前記第一の相電圧が所定の第一しきい値電圧値を超えた時点から前記第二の相電圧が第一しきい値電圧値を超えた時点までの時間である第一相電圧優勢時間をカウントし、前記第一相電圧優勢時間に正相関を有する関数値として遅延時間を設定し、前記第二の相電圧が所定の第一しきい値電圧値を超える時点から前記遅延時間だけ経過した時点にて前記第一の相電圧を整流する前記上アーム素子のオフを指令する。これにより、回転数の変動に応じて遅延時間を適切に設定することができる。
【0032】
すなわち、この態様では、先行相の相電圧がしきい値電圧値を超えた時点から後続相の相電圧がしきい値電圧値を超えた時点までの時間をカウントし、この時間(第一相電圧優勢時間)に正相関を有する関数値として上記遅延時間を設定する。更に説明する。
【0033】
上記第一相電圧優勢時間は、発電機の回転数に反比例して変化するのは明白である。たとえば、三相の場合は、この第一相電圧優勢時間は、回転数に比例する三相交流電圧の周波数に反比例するその一周期の1/3となる。したがって、上記第一相電圧優勢時間に正相関を有する関数値として遅延時間を設定することにより、回転数が変化しても相電圧の周期に対する三相インバータ回路の各相の上アーム素子のオン期間の割合が変動することを抑止することができる。この遅延時間中における上アーム素子の導通により、上アーム素子は120度以上の期間にわたって同期整流を行うことができるので、発電効率を向上することができる。
【0034】
なお、上記説明では上アーム素子について記述したが、三相インバータ回路の上アーム素子と下アーム素子とは同期して通常は逆のタイミングにて駆動されるために、下アーム素子も上記した上アーム素子の制御と同様に制御されることができる。また、上アーム素子と同様にある相の下アーム素子のオフをこの下アーム素子より遅れる相の下アーム素子のオンから所定時間遅延して行ってもよい。
【0035】
好適な態様において、前記制御回路は、前記第一相電圧優勢時間の半分の期間を前記遅延時間とする。このようにすれば、三相インバータ回路の任意相の上アーム素子に流れる逆電流を抑止することができ、遅延時間の演算も簡単となる。
【0036】
好適な態様において、前記制御回路は、前記第一相電圧優勢時間の1/4を前記遅延時間とする。このようにすれば、遅延時間の演算を簡単な複雑化することなく、適切な上アーム素子のオン時間を得ることができる。
【0037】
好適な態様において、前記制御回路は、内蔵タイマとしてのカウンタによりカウントした前記第一相電圧優勢時間に所定係数(0.5未満)を掛けて前記遅延時間とする。このようにすれば、遅延演算をそれほど複雑化することなく、最適な同期整流が可能となる。
【0038】
好適な態様において、前記制御回路は、前記第一相電圧優勢時間が大きい場合に前記係数を低下させ、前記第一相電圧優勢時間が小さい場合に前記係数を増加させる。このようにすれば、簡素な構成にて一層最適な同期整流が可能となる。以下、更に説明する。
【0039】
相電圧(正確に言えば発電機の相間起電力)がバッテリ電圧よりも大きい期間(以下、発電可能相期間ともいう)が360度期間(電気角2π)のうちのどれだけの割合を占めるかは、この相電圧が回転機回転数に正相関をもつ関数値であるため、回転機回転数に正相関(略比例する)をもつ関数値となる。
【0040】
ある相の上アーム素子のオン期間は、上記第一相電圧優勢時間と上記遅延時間の合計となるため、この合計が360度に占める割合が、上記発電可能相期間が360度期間(電気角2π)に占める割合に等しくなることが同期整流の理想である。したがって、上記遅延時間は、回転機回転数に最適な相関をもつ関数値とすることが好ましい。
【0041】
ここで、回転機回転数は、隣接二相の上アーム素子の交流側主電極電圧が所定しきい値を超えた時点間の時間すなわち上記第一相電圧優勢時間に反比例する簡単に入力可能なパラメータである。結局、上記した遅延時間は、回転数に負の相関を有する関数値となる。
【0042】
第一相電圧優勢時間が短いほど回転数が高いため発電電圧(相電圧)が大きいと推定し、相電圧がバッテリ電圧を超える発電可能期間が電気角2πに占める期間が大きいと推定し、遅延時間を相対的に増加させる。逆に、第一相電圧優勢時間が長いほど回転数が低いため発電電圧(相電圧)が小さいと推定し、相電圧がバッテリ電圧を超える発電可能期間が電気角2πに占める期間が小さいと推定し、遅延時間を相対的に減少させる。これにより、遅延時間を好適に設定することができる。もちろん、遅延時間は60度を超えることはない。
【0043】
好適な態様において、前記制御回路は、前記回転電機の界磁電流制御用のスイッチング素子のデユーティが小さい場合に前記係数を低下させ、前記デユーティが大きい場合に前記係数を増加させる。このようにすれば、簡素な構成にて一層最適な同期整流が可能となる。
【0044】
以下、更に説明する。
【0045】
界磁電流通電式の回転機の発電電圧(相電圧)がバッテリ電圧よりも大きい期間(以下、発電可能相期間ともいう)が360度期間(電気角2π)のうちのどれだけの割合を占めるかは、発電電圧(相電圧)が界磁電流に正相関をもつ関数値であるため、界磁電流に正相関(略比例する)をもつ関数値となる。
【0046】
ある相の上アーム素子のオン期間は、第一相電圧優勢時間と遅延時間の合計となるため、この合計が360度に占める割合が、発電可能相期間が360度期間(電気角2π)に占める割合に等しくなることが同期整流の理想である。したがって、遅延時間は、界磁電流に最適な相関をもつ関数値とすることが好ましい。
【0047】
ここで、界磁電流は、界磁電流スイッチング用のスイッチング素子のデユーティに略比例する簡単に入力可能なパラメータである。結局、上記した遅延時間は、デユーティに正の相関を有する関数値となる。つまり、界磁電流の大きさは、界磁電流をスイッチング制御するスイッチングトランジスタのデユーティに正相関をもつ関数値であるため、このデユーティから界磁電流を推定することができる。
【0048】
そこで、このようにして求めた界磁電流から発電電圧を予測することができる。なお、磁石式発電機では界磁電流の推定は不要となる。また、発電電流の変化は、発電機内部の電圧降下の変化により発電機の端子電圧すなわち相電圧を変化させるので、発電電流に関連する電気パラメータにより更に上記した発電電圧の予測を調整することもできる。結局、遅延時間はデユーティに正の相関を有する関数値となる。もちろん、遅延時間は60度を超えることはない。
【0049】
したがって、デユーティが大きいほど発電電圧(相電圧)が大きいと推定し、相電圧がバッテリ電圧を超える発電可能期間が電気角2πに占める期間が大きいと推定し、上記遅延時間を相対的に増加することが好ましい。逆に、デユーティが小さいほど発電電圧(相電圧)が小さいと推定し、相電圧がバッテリ電圧を超える発電可能期間が電気角2πに占める期間が小さいと推定し、上記遅延時間を相対的に減少することが好ましい。
【0050】
その他、電機子コイルの発電電圧(相電圧)は、第一相電圧優勢時間とデユーティに関係し、発電電圧の大きさと最適遅延時間とは正相関をもつため、第一相電圧優勢時間とデユーティと遅延時間とをマップ又は関数として記憶しておき、それに基づいて最適な遅延時間を演算してもよい。このようにすることにより、相電圧がバッテリ電圧を上回るほとんどの期間にわたって、上アーム素子を導通させることが可能となり、三相インバータ回路の同期整流における発電効率を向上(回路損失の低減)を実現することができる。
【0051】
好適な態様において、前記制御回路は、前記第一の相電圧より遅れる第二の相電圧が所定の第一しきい値電圧値を超える時点にて前記車両用三相回転電機が内蔵する回転角センサからカウント開始用の回転角度値を取得し、前記所定時間に相当する回転角量を前記カウント開始用の回転角度値に加算してオフタイミング用の回転角度値を算出し、前記回転角センサから入力される回転角が前記オフタイミング用の回転角度値に達した時点にて前記第一相電圧を整流する前記上アーム素子のオフを指令する。
【0052】
すなわち、この態様では、いままで説明された種々の方法により設定されるあるいは固定値として設定される前記遅延時間に相当する回転角の大きさ(回転角量とも称する)だけ、前記遅行する相の上アーム素子が第一のしきい値を超えた時点(しばしば遅行する相の上アーム素子のオンタイミングとされる)から遅延される。したがって、この態様では回転電機は回転角を検出する回転角センサを必要とする。
このようにすれば、設定された遅延時間に相当する正確な回転角量だけ上アーム素子のオフタイミングを遅延させることができる。
【0053】
好適な態様において、前記制御回路は、前記第一の相電圧が所定のしきい値に達する場合に前記第一相電圧を整流する前記上アーム素子のオンを指令し、前記第一の相電圧より遅れる第二の相電圧が所定の第一しきい値電圧値を超える時点から前記所定時間後に前記第一の相電圧を整流する前記上アーム素子のオフを指令し、前記第一相電圧を整流する前記上アーム素子に前記オンを指令する時点から所定のデッドタイムだけ先行した時点にて前記第一相電圧を整流する前記上アーム素子と同相の下アーム素子のオフを指令し、前記第一相電圧を整流する前記上アーム素子に前記オフを指令する時点から所定のデッドタイムだけ遅れた時点にて前記第一相電圧を整流する前記上アーム素子と同相の下アーム素子のオンを指令する。
【0054】
このようにすれば、上アーム素子と同相の下アーム素子を簡単に断続制御することができるとともに、同相の上、下アーム素子の同時オンを確実に防止することができる。
【0055】
【発明の実施の形態】
【0056】
【実施例1】
実施例1を図1を参照して以下に説明する。
【0057】
(全体説明)
1は界磁巻線型同期機からなる三相ブラシレスDCモータ、2はインバータ回路、3はコントローラ、4は界磁電流制御装置、5は回転角度センサとしてのレゾルバ、6は平滑コンデンサ、7は電流センサ、8は界磁電流断続用のMOSトランジスタからなる界磁電流スイッチ、9はバッテリである。
【0058】
三相ブラシレスDCモータ1は、U相巻線11、V相巻線12、W相巻線13をスター接続してなり、ロータに巻装されて界磁電流制御装置から所望の界磁電流を通電される界磁コイル14を有している。
【0059】
インバータ回路2は、電動動作時にバッテリ両端VB+、VBー間から給電される直流電源電圧を三相交流電圧に変換し、発電動作時に三相全波整流回路として機能する三相インバータ回路であって、21〜23は上アーム側の半導体スイッチング素子、24〜26はMOSトランジスタからなる下アーム側の半導体スイッチング素子、Dは寄生ダイオードからなるフライホイルダイオードであるが専用のダイオードを設けてもよい。
【0060】
コントローラ3は、レゾルバ5、電流センサ7からの信号と、図示しない車両制御装置からの発電指令、電動指令に基づいて電動動作時に三相インバータ回路2の各MOSトランジスタ21〜26をPWM制御するための制御信号(PWM信号)を形成するMG制御回路31と、発電時にMOSトランジスタ21〜26を同期整流動作させる同期整流制御回路32と、電動動作時にMG制御回路31から出力されるPWM信号および発電時に同期整流制御回路32から出力される同期整流信号を電力増幅してMOSトランジスタ21〜26のゲート電極端子に個別に印加するゲート駆動回路33とからなる。
【0061】
MG制御回路31は、レゾルバ5からの位相に基づいて各相の通電位相信号を、PWMキャリヤ信号を電流センサ7からの電流と目標電流との差に基づいて決定したデューティ比によりPWM変調することによりPWM信号を決定する。
【0062】
この種のPWM電動制御動作の原理および回路構成自体はもはや周知であり、MG制御回路31およびゲート駆動回路33は、もはや周知でありかつこの実施例の要旨でもないので、それらの詳細説明は省略する。
【0063】
界磁電流制御装置4は通常のオルタネータのレギュレータと呼称されている回路であって、バッテリ9の端子電圧VB+を一定とするために界磁電流値をフィードバック制御するが、これは、従来のオルタネータのレギュレータと同じであるので説明を省略する。
【0064】
レゾルバ5は、磁気式回転角センサや光学式回転角センサに変更できることはもちろんである。平滑コンデンサ6は、インバータ回路2のスイッチング動作によるスイッチングサージ電圧が図示しない直流電源に悪影響を及ぼす効果を低減したり、外部に放射される電磁波ノイズを低減するために三相インバータ回路2の一対の直流電源端間に接続された大容量コンデンサにより構成されている。
【0065】
電流センサ7は、インバータ回路2の入力電流を検出するものであり、この実施例では、回路簡素化のために低抵抗素子を用いているが、ホール素子などでもよいことは当然である。
【0066】
同期整流回路32は、発電動作時に、各相電圧VU、VV、VWに基づいて、三相インバータ回路2の各MOSトランジスタ21〜26を断続制御することにより、三相発電電圧を整流してバッテリ9に給電する。
【0067】
(同期整流制御の説明)
この実施例の要旨をなす同期整流制御について、以下に詳細に説明する。この実施例の同期整流制御回路32を図2に示す。
【0068】
U相電圧VUは、電流制限抵抗rを通じてコンパレータ321Uによりしきい値電圧値(この実施例では約バッテリ電圧VBの半分に設定されている)Vthと比較され、V相電圧VVは、電流制限抵抗rを通じてコンパレータ321Vによりしきい値電圧値Vthと比較されてインバータ回路323Vにより反転され、これらの比較結果はオア回路324U、インバータ回路325Uを通じてMOSトランジスタ21のゲート電極端子に印加される。
【0069】
その結果、MOSトランジスタ21は、U相電圧VUがしきい値電圧値Vthより高く、かつ、V相電圧VVがしきい値電圧値Vthより低い期間にだけオンする動作を行う。
【0070】
これにより、図3に示すように、U相電圧VUがバッテリ電圧の半分より高くなった時点でMOSトランジスタ21のオンが指令される。なお、三相全波整流回路を通じてバッテリ充電を行う各相電圧の波形は略矩形波となり、U相電圧VUがバッテリ電圧を実際に超えた時点と、U相電圧VUがバッテリ電圧の半分(しきい値電圧値Vth)を超えた時点との間の時間差は小さく、かつ、信号の遅延が存在するために、このMOSトランジスタ21のオン時にバッテリ9からの逆流はほとんど無視することができる。
【0071】
次に、MOSトランジスタ21は、U相電圧VUがバッテリ電圧の半分より小さくなる前のV相電圧VVがバッテリ電圧の半分より大きくなる時点にて早期にオフを指令される。これにより、MOSトランジスタ21がオンしている限り、MOSトランジスタ21の両主電極端子間の電位差は約0.1Vと小さいために、この電位差の変化により正確にオフタイミングを決定することが困難であるという問題は生じることがない。
【0072】
ただし、この実施例では、V相電圧VVの立ち上がりエッジにてMOSトランジスタ21のオフを行うために、若干だけMOSトランジスタ21のオフが先行し、その後、U相電圧VUが実際にバッテリ電圧+0.75V程度に低下するまで、MOSトランジスタ21の寄生ダイオードを利用するダイオード整流期間が発生し、理想的な同期整流に比較して電力損失が増加する。そこで、V相電圧VVの立ち上がりエッジから所定時間遅延してからMOSトランジスタ21をオフしてもよい。
【0073】
同期整流制御回路32の全体回路図を図4に示す。
【0074】
下アーム素子を構成するMOSトランジスタ24〜26も上アーム素子を構成するMOSトランジスタ21〜23と同様に制御される。
【0075】
324U’、324V’、324W’はオア回路324Uと同一機能を奏するオア回路であり、325U’、325V’、325W’はインバータ回路325Uと同一機能を奏するインバータ回路である。
【0076】
(変形態様)
変形態様を図5を参照して以下に説明する。
【0077】
この変形態様は、図2に示す回路において2入力オア回路324Uを3入力オア回路328に置換し、fーVコンバータ326とコンパレータ327とを追加したものである。
【0078】
fーVコンバータ326は、レゾルバ5から出力される交流信号電圧の周波数に比例するアナログ出力電圧を回転数比例電圧として出力する。コンパレータ327は、この回転数比例電圧と所定のしきい値電圧値Vth2とを比較し、比較結果を3入力オア回路328に入力する。
【0079】
したがって、発電機の回転数がしきい値電圧値Vth2に相当するしきい値回転数を超えるまでは、コンパレータ327の出力電圧はハイレベルとなり、オア回路328はハイレベルを出力し、インバータ回路325Uはローレベルを出力するので、MOSトランジスタ21がオンされることはない。図4に示す各オア回路324V、324W、324U’、324V’、324W’も同様にこのような3入力オア回路に変更すれば、同様に低回転数において、MOSトランジスタ21〜26が誤ってオンしてバッテリからの逆電流が流れることがない。
【0080】
なお、しきい値電圧値Vth2に相当するしきい値回転数は、このしきい値回転数における相電圧のピーク値がバッテリ電圧に相当するかそれを所定値だけ超えるように設定することが好適である。
【0081】
【実施例2】
他の実施例について以下に説明する。この実施例は、図1に示す同期整流制御回路32をマイコン構成とし、発電電圧に関連する入力信号をこの同期整流制御回路32に入力し、この同期整流制御回路32が遅延時間を演算し、この遅延時間だけ、120度以上各上アーム素子21から23のオン期間を延長することを、その骨子とするものである。
【0082】
図6は、相電圧の波形を示すタイミングチャートである。Vuは三相星形接続されたU相電機子コイルの起電力、Vvは三相星形接続されたV相電機子コイルの起電力、Vwは三相星形接続されたW相電機子コイルの起電力である。三相インバータ回路のU相上アーム素子の交流側主電極電圧(Uアーム電圧という)、V相上アーム素子の交流側主電極電圧(Vアーム電圧という)、W相上アーム素子の交流側主電極電圧(Wアーム電圧という)は、三相インバータ回路の各アーム素子を構成するMOSトランジスタの寄生ダイオードのオンが存在するため、180度に近い期間だけバッテリ電圧を超えることになる。
【0083】
次に、上記した三相インバータ回路の上アーム素子、下アーム素子のオフタイミングを決定する処理を説明する。なお、これらの素子のオンタイミングは、上述のように上アーム素子の交流側主電極電圧がしきい値電圧を超えた時点により簡単に決定できるので、ここでは説明しない。
【0084】
まず、ステップS100にて、遅延時間ΔTを上記説明した種々の方法にて設定する。次に、いずれかの相の上アーム素子がオンしたかどうか(もしくは、いずれかの相の上アーム素子が所定しきい値を超えたかどうか)を調べ(S102)、NOであればステップS100にリターンし、YESであれば上記遅延時間ΔTが設定されたタイマをスタートして上記遅延時間ΔT後に、上記オンした上アーム素子の相よりも先行する相の上アーム素子をオフする(S104)。次に、所定小時間経過後にこの先行する相の下アーム素子をオンしてステップS100にリターンする(S106)。
【0085】
【実施例3】
他の実施例について以下に説明する。この実施例は、図1に示す同期整流制御回路32をマイコン構成とし、回転電機内蔵の回転角センサから入力される回転角信号に基づいて上アーム素子のオフを行うものである。
【0086】
図8は、上記した三相インバータ回路の上アーム素子、下アーム素子のオフタイミングを決定する処理を説明する。なお、上アーム素子のオンタイミングは、上述のように上アーム素子の交流側主電極電圧がしきい値電圧を超えた時点により簡単に決定できるので、ここでは説明しない。
【0087】
まず、ステップS200にて、すでに説明した遅延時間ΔTに相当する遅延角度量(回転角量)Δθを上記説明した種々の方法にて設定する。次に、いずれかの相の上アーム素子がオンしたかどうか(もしくは、いずれかの相の上アーム素子が所定しきい値を超えたかどうか)を調べ(S202)、NOであればステップS200にリターンし、YESであれば回転角センサからこの時の回転角(カウント開始用の回転角度値)の値を読み込む(S204)。
【0088】
次に、このカウント開始用の回転角度値に上記遅延角度量Δθを加算して、オフタイミング用の回転角度値を算出し(S206)、回転角センサから入力する回転角がこのオフタイミング用の回転角度値に達するまで待機してから(S208)、先行相の上アーム素子をオフし(S210)、所定のデッドタイム後、オフした上アーム素子と同相の下アーム素子をオンする(S212)。
【0089】
(下アーム素子のオフ制御例の説明)
なお、下アーム素子のオフは、同相の上アーム素子のオンの決定により実施し、この実施から所定デッドタイム経過後、この上アーム素子をオンすることができる。
【0090】
(変形態様)
なお、本発明の車両用三相回転電機用インバータ回路装置において、三相インバータ回路を電動モードで運転することも可能であり、また、発電整流専用の場合に上アーム側と下アーム側のどちらかをダイオードのみとしてもよい。また、発電機としては、通常のランデルポール型発電機でもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1の制御に用いる車両用三相回転電機用インバータ回路装置を示す回路図である。
【図2】図1の同期整流制御回路の一部を示す回路図である。
【図3】図2の同期整流制御回路の動作を示すタイミングチャートである。
【図4】図1の同期整流制御回路の全体を示す回路図である。
【図5】変形態様を示す回路図である。
【図6】相電圧の波形図である。
【図7】実施例2におけるオフタイミングを決定するフローチャートである。
【図8】実施例3におけるオフタイミングを決定するフローチャートである。
【符号の説明】
1 三相ブラシレスDCモータ(車両用三相回転電機)
2 インバータ回路(三相インバータ回路)
3 コントローラ(制御回路)
5 レゾルバ
9 バッテリ(直流電源)
11〜13 相巻線
21〜23 上アーム側のMOSトランジスタ
24〜26 下アーム側のMOSトランジスタ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an inverter circuit device for a dual-use three-phase rotating electric machine used for a hybrid vehicle, an eco-run vehicle, a fuel cell vehicle, an electric bicycle, and the like, and more particularly to power generation control thereof.
[0002]
2. Description of the Related Art
[0003]
However, in the above-described conventional MOS-type three-phase rectifier circuit, since the channel voltage drop of the MOS transistor after being turned on, that is, the potential difference between the AC-side main electrode voltage and the battery voltage is as small as about 0.1 V, for example, It is not easy to accurately determine the change in this potential difference between the AC-side main electrode voltage and the battery voltage in an electromagnetically harmful environment such as a vehicle generator, and it is difficult to perform the turning-off at the correct timing. The difficulties hindered its practical application.
[0004]
The MOS transistor forming the upper arm element of the conventional MOS type three-phase rectifier circuit will be specifically described as an example. When the AC main electrode voltage becomes higher than the battery voltage by a predetermined threshold or more, this MOS transistor is turned on. After being turned on, the voltage drop of this MOS transistor becomes as small as about 0.1 V, so that the MOS transistor is easily turned off, and it is possible that chattering may occur.
[0005]
Further, since there is a circuit delay time from the detection of the voltage to the end of turning on or off of the MOS transistor, in a high rotation region, a current reverse flow from the battery to the motor occurs, or the turning on of the MOS transistor is delayed. There are also problems that the ability to take out current is reduced, and that current flows through the parasitic diode of the MOS transistor to increase power loss.
[0006]
The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to reduce the power loss of an inverter circuit for a three-phase rotating electric machine that performs three-phase full-wave rectification while ensuring operation stability.
[0007]
[Patent Document 1] Japanese Patent No. 2959640
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The inverter circuit device for a three-phase electric rotating machine for a vehicle according to the first aspect of the present invention, wherein the inverter circuit device is provided between a three-phase armature winding of a three-phase electric rotating machine for a vehicle and a DC power supply and at least the three-phase electric rotating machine. A three-phase inverter circuit for rectifying three phase voltages, which are induced voltages of the armature winding, and supplying power to the DC power supply; and a control circuit for intermittently controlling each switching element of the three-phase inverter circuit. The phase inverter circuit is an inverter circuit device for a three-phase rotating electrical machine for a vehicle having an upper arm element or a lower arm element made of a MOS transistor.
The control circuit may determine an ON timing or an OFF timing of the upper arm element that rectifies the first phase voltage based on the phase voltage different from the first phase voltage.
[0009]
That is, in the present invention, the intermittent timing of the MOS transistor of the self-phase is determined by using at least a phase voltage of a different phase different from the self-phase, instead of the potential difference between the two main electrode terminals as in the prior art. To solve the problem in the prior art that the potential difference between the two main electrode terminals becomes very small after turning on and it is not easy to detect the change, thereby realizing low-loss three-phase full-wave rectification with excellent operation reliability. be able to.
[0010]
Further explanation will be given.
[0011]
In the synchronous rectification technology that is the object of the present invention, of the intermittent control of a switching element such as a MOS transistor of a three-phase inverter circuit (or a multi-phase inverter circuit), determination of an off timing is particularly important. That is, the ON timing of the switching element is determined when the own AC-side main electrode voltage exceeds the DC-side main electrode voltage (up to a point where the AC-side main electrode voltage is slightly smaller than the DC-side main electrode voltage in consideration of switching delay). (It may be at the time of rising), that is, it can be reliably turned on at the optimum time.
[0012]
However, when the switching element is turned off, the difference between its own AC-side main electrode voltage and its DC-side main electrode voltage is very small (usually 0.1 V or less) because of the self-conduction. Even if the generated voltage (phase voltage) of the phase becomes smaller than the DC main electrode voltage, in a bidirectional conduction type switching element such as a MOS transistor, a favorable voltage change is caused by a current reverse flow from the DC main electrode to the AC main electrode. Cannot be detected.
[0013]
For this reason, as in the present invention, it is particularly preferable to turn off the switching element during the ON after a predetermined time delay from the ON timing of the other phase voltage as described above. As other phases to be detected, the timing error closest to the off-timing of the on-time switching element and the on-timing of the switching element of the phase that is simultaneous or preceding in time is most likely to cause a timing error. Most suitable for reduction.
[0014]
The other phase that best meets such a condition is a phase that is delayed by 120 degrees (in the case of three phases) from the phase in which the switching element is to be turned off. When the phase voltage having the largest voltage value changes in the order of U, V, and W, the off-timing of the U-phase upper arm element can be matched with the on-timing of the next V-phase upper arm element. In this way, the U-phase upper arm element can be turned on only by 120 degrees. In this case, since there is no time delay, it is possible to minimize the timing deviation due to the change in the number of rotations or the change in the generated voltage.
[0015]
Further, in the above description, when the own phase voltage rises to a predetermined value (preferably the battery voltage or slightly lower than the battery voltage), the upper arm element of the own phase is turned on, and the phase voltage of the subsequent phase is set to the predetermined value. (Preferably the battery voltage or slightly lower than it), the upper arm element control for instructing to turn off the upper arm element of the preceding phase at the point of time when it rises or when it is delayed for a predetermined period of time. Similarly, in the element control, the off-timing of the lower-arm element of an arbitrary phase can be determined based on the on-timing of the lower-arm element of another phase. However, since the lower arm element need not be turned on at the same time as the upper arm element of the same phase, the lower arm element of the same phase may be switched on and off at the timing for controlling the disconnection of the upper arm element.
[0016]
In a preferred aspect, the control circuit is configured to control the first phase voltage at a time when a second phase voltage delayed from the first phase voltage exceeds a predetermined first threshold voltage value or when a predetermined time elapses from the time. And turning off the upper arm element for rectifying the phase voltage.
[0017]
According to this configuration, the off-state of the upper-arm element of the predetermined phase is determined based on the rising timing of the phase voltage of the other phase that is shifted to a phase later than this phase, so that this off is preferable even in a strong electromagnetic noise environment. It can be performed at an appropriate timing. Also, even if the off-timing of the upper arm element is delayed due to the operation delay of the circuit system, it is possible to easily prevent the current from flowing backward from the battery to the rotating electric machine. The predetermined time may be fixed, or may be reduced as the number of rotations increases.
[0018]
Further explanation will be given.
[0019]
Particularly in this aspect, the upper arm that rectifies the first phase voltage at a time that is delayed by a predetermined time from a time when a second phase voltage that is delayed from the first phase voltage exceeds a predetermined first threshold voltage value It is preferable to instruct the turning off of the element. Here, assuming that a point in time at which the second phase voltage that lags behind the first phase voltage exceeds a predetermined first threshold voltage value is the ON timing of the upper arm element that rectifies the second phase voltage, The off-timing of the first-phase upper arm element is set with a predetermined time delay from the on-timing of the two-phase upper arm element. That is, the off-timing of the upper-arm element of a certain phase is higher than the on-timing of the upper-arm element of the succeeding (latest) phase (more precisely, the succeeding phase voltage exceeds a predetermined threshold). Delay for a predetermined time (from the point in time).
[0020]
When the predetermined time delay is not set, as described above, the three upper arm elements of the three-phase inverter circuit are turned on alternately by 120 degrees, and each phase voltage performs synchronous rectification for a period of 120 degrees. Will be. Hereinafter, this method is referred to as a 120-degree synchronous rectification method.
[0021]
However, in a normal vehicular alternator operated in a power generation suitable rotation speed range equal to or higher than the idle rotation speed, each phase voltage (AC side main electrode voltage of the upper arm element of each phase) is determined by the battery voltage (each After turning on beyond the DC side main electrode voltage of the upper arm element of the phase) or a predetermined voltage, it is normal that the battery voltage is still higher than the battery voltage even after a period of 120 degrees, and the battery charge period is usually close to 180 degrees. Is possible. Therefore, in the above-described 120-degree synchronous rectification method, only the energy that can be rectified by the power is wastedly generated. Therefore, if the off-timing of the upper arm element of the preceding phase is further delayed by a predetermined time after the voltage of the succeeding phase exceeds the predetermined threshold beyond the 120-degree synchronous rectification period, in other words, The waste of power generation can be reduced or eliminated, and power generation efficiency can be improved.
[0022]
In a preferred aspect, the control circuit sets an ON timing of the upper arm element for rectifying the first phase voltage to a predetermined second threshold voltage at which the first phase voltage is lower than the voltage of the DC power supply. Value, and during a period in which a second phase voltage that is later than the first phase voltage is lower than a predetermined third threshold voltage value, instructs to turn on the predetermined upper arm element. .
[0023]
According to this aspect, the delay of the ON timing of the upper arm element can be reduced by the operation delay of the circuit system, and the increase in power loss of the upper arm element can be suppressed, so that the circuit configuration can be simplified. . Of course, if the generator has a rotation angle sensor, it is possible to easily perform a delay from 120 degrees to a further required angle based on the detected rotation angle.
[0024]
In a preferred aspect, the control circuit turns on the MOS transistor when the rotation speed of the three-phase rotating electric machine is equal to or higher than a predetermined value. Loss increase can be suppressed. Also, at low rotation, turning on the MOS transistor can prevent a current from flowing backward from the battery to the rotating electric machine.
[0025]
In a preferred aspect, the threshold rotation speed is set to a rotation speed at which the phase voltage exceeds the voltage of the DC power supply. Therefore, when the phase voltage does not exceed the battery voltage and there is no power generation capability, the MOS transistor Is turned on, and the problem that the current flows backward can be prevented.
[0026]
The inverter circuit device for a three-phase rotating electric machine for a vehicle according to claim 6 as a second invention that solves the same problem as the first invention, comprises a three-phase armature winding of the three-phase rotating electric machine for a vehicle and a DC power supply. A three-phase inverter circuit interposed therebetween for rectifying at least three phase voltages that are induced voltages of the three-phase armature winding and supplying power to the DC power supply; A control circuit for controlling the three-phase inverter circuit, wherein the three-phase inverter circuit is an inverter circuit device for a three-phase rotary electric machine for a vehicle having an upper arm element formed of a MOS transistor.
The control circuit, when the first phase voltage exceeds a predetermined threshold voltage set lower than the battery voltage by a predetermined value, instructs to turn on the upper arm element that rectifies the first phase voltage. It is characterized by doing.
[0027]
That is, in the above-described conventional inverter circuit device for a synchronous rectification type three-phase rotary electric machine for a vehicle, the intermittent control is performed based on a comparison result between each phase voltage and a battery voltage, that is, a potential difference generated between both main electrodes of the MOS transistor. Therefore, chattering is likely to occur as described above, and the operation is delayed due to a circuit delay.
[0028]
Therefore, according to the present invention, each phase voltage is compared with a predetermined threshold voltage smaller than the battery voltage, and a command to turn on the MOS transistor serving as the upper arm element is issued. The threshold voltage may be a value having a positive correlation with the battery voltage, for example, a value obtained by dividing the battery voltage, or a predetermined constant voltage. With this configuration, it is possible to prevent the MOS transistor from being erroneously turned on due to electromagnetic noise or the like, and to reduce the adverse effect of the circuit delay.
[0029]
In this case, the MOS transistor is instructed to be turned on before its own phase voltage has not yet exceeded the battery voltage. However, because the phase voltage waveform is a substantially rectangular wave and the circuit delay, No problem arises.
[0030]
In a preferred aspect, the control circuit is configured to control the second phase in which the first phase voltage is lower than a predetermined second threshold voltage value lower than the voltage of the DC power supply and the second phase lags behind the first phase voltage. During a period in which the voltage is higher than a predetermined third threshold voltage value, an instruction is given to turn on the lower arm element for rectifying the first phase voltage. According to this aspect, it is possible to reduce the delay of the on-timing of the lower arm element due to the operation delay of the circuit system, and to suppress an increase in the power loss of the lower arm element.
[0031]
In a preferred aspect, the control circuit is configured to control the time from when the first phase voltage exceeds a predetermined first threshold voltage value to when the second phase voltage exceeds the first threshold voltage value. The first phase voltage dominant time is counted, a delay time is set as a function value having a positive correlation with the first phase voltage dominant time, and the second phase voltage is a predetermined first threshold voltage. At the time when the delay time has elapsed from the time when the value exceeds the value, the upper arm element for rectifying the first phase voltage is commanded to be turned off. Thereby, the delay time can be appropriately set according to the fluctuation of the rotation speed.
[0032]
That is, in this embodiment, the time from when the phase voltage of the preceding phase exceeds the threshold voltage value to when the phase voltage of the succeeding phase exceeds the threshold voltage value is counted, and this time (the first phase) is counted. The delay time is set as a function value having a positive correlation with the voltage dominance time. Further explanation will be given.
[0033]
Obviously, the first phase voltage dominant time varies inversely with the generator speed. For example, in the case of three phases, the first phase voltage dominant time is 1/3 of one cycle thereof which is inversely proportional to the frequency of the three-phase AC voltage proportional to the rotation speed. Therefore, by setting the delay time as a function value having a positive correlation with the first phase voltage dominant time, the upper arm element of each phase of the three-phase inverter circuit can be turned on with respect to the phase voltage cycle even if the rotation speed changes. Variations in the period ratio can be suppressed. Due to the conduction of the upper arm element during this delay time, the upper arm element can perform synchronous rectification over a period of 120 degrees or more, so that power generation efficiency can be improved.
[0034]
In the above description, the upper arm element is described. However, since the upper arm element and the lower arm element of the three-phase inverter circuit are normally driven at the opposite timing in synchronization with each other, the lower arm element is also described above. It can be controlled similarly to the control of the arm element. Further, similarly to the upper arm element, the lower arm element of a certain phase may be turned off with a predetermined time delay from the on of the lower arm element of a phase later than the lower arm element.
[0035]
In a preferred aspect, the control circuit sets a half period of the first phase voltage dominant time as the delay time. By doing so, it is possible to suppress the reverse current flowing through the upper arm element of any phase of the three-phase inverter circuit, and the calculation of the delay time is simplified.
[0036]
In a preferred aspect, the control circuit sets 遅 延 of the first phase voltage dominant time as the delay time. This makes it possible to obtain an appropriate ON time of the upper arm element without complicating the calculation of the delay time.
[0037]
In a preferred aspect, the control circuit multiplies the first phase voltage dominant time counted by a counter as a built-in timer by a predetermined coefficient (less than 0.5) to obtain the delay time. This makes it possible to perform optimal synchronous rectification without significantly complicating the delay calculation.
[0038]
In a preferred aspect, the control circuit decreases the coefficient when the first phase voltage dominance time is long, and increases the coefficient when the first phase voltage dominance time is short. This makes it possible to achieve more optimal synchronous rectification with a simple configuration. This will be further described below.
[0039]
How much of the 360-degree period (electrical angle 2π) occupies a period in which the phase voltage (more precisely, the inter-phase electromotive force of the generator) is higher than the battery voltage (hereinafter, also referred to as a power generation phase period). Is a function value having a positive correlation (substantially proportional) to the rotating machine speed because this phase voltage has a positive correlation with the rotating machine speed.
[0040]
Since the ON period of the upper arm element of a certain phase is the sum of the first phase voltage dominant time and the delay time, the ratio of the total to 360 degrees is that the power generation possible phase period is 360 degrees period (electrical angle). 2π) is ideal for synchronous rectification. Therefore, it is preferable that the delay time is a function value having an optimum correlation with the rotating speed of the rotating machine.
[0041]
Here, the rotation speed of the rotating machine can be easily input in inverse proportion to the time between the time when the AC main electrode voltage of the upper arm element of the adjacent two phases exceeds the predetermined threshold, that is, the first phase voltage dominant time. Parameter. As a result, the above-described delay time becomes a function value having a negative correlation with the rotation speed.
[0042]
It is estimated that the shorter the first phase voltage dominant time is, the higher the number of revolutions is, so that the generated voltage (phase voltage) is large. It is estimated that the period during which the phase voltage exceeds the battery voltage occupies an electrical angle of 2π is large, and the delay is delayed. Increase time relatively. Conversely, it is estimated that the longer the first phase voltage dominant time is, the lower the number of revolutions is, so the generated voltage (phase voltage) is small, and that the period during which the phase voltage exceeds the battery voltage and occupies the electrical angle 2π is small. And the delay time is relatively reduced. Thereby, the delay time can be set appropriately. Of course, the delay time does not exceed 60 degrees.
[0043]
In a preferred aspect, the control circuit decreases the coefficient when the duty of the switching element for controlling the field current of the rotating electric machine is small, and increases the coefficient when the duty is large. This makes it possible to achieve more optimal synchronous rectification with a simple configuration.
[0044]
This will be further described below.
[0045]
A period during which the generated voltage (phase voltage) of the rotating machine of the field current conduction type is higher than the battery voltage (hereinafter also referred to as a power generation possible phase period) occupies what percentage of the 360-degree period (electric angle 2π). Since the power generation voltage (phase voltage) is a function value having a positive correlation with the field current, it is a function value having a positive correlation (substantially proportional) with the field current.
[0046]
Since the ON period of the upper arm element of a certain phase is the sum of the first phase voltage dominant time and the delay time, the ratio of the total to 360 degrees is that the power generation possible phase period is 360 degrees period (electrical angle 2π). It is the ideal of synchronous rectification that it becomes equal to the occupying ratio. Therefore, it is preferable that the delay time be a function value having an optimum correlation with the field current.
[0047]
Here, the field current is a parameter that can be easily input that is approximately proportional to the duty of the switching element for switching the field current. As a result, the above-mentioned delay time becomes a function value having a positive correlation with the duty. That is, since the magnitude of the field current is a function value having a positive correlation with the duty of the switching transistor that controls the switching of the field current, the field current can be estimated from the duty.
[0048]
Thus, the generated voltage can be predicted from the field current thus obtained. It is not necessary to estimate the field current in the magnet generator. In addition, since the change in the generated current changes the terminal voltage, that is, the phase voltage of the generator according to the change in the voltage drop inside the generator, the above-described prediction of the generated voltage may be further adjusted by the electric parameter related to the generated current. it can. As a result, the delay time becomes a function value having a positive correlation with the duty. Of course, the delay time does not exceed 60 degrees.
[0049]
Therefore, it is estimated that the larger the duty is, the larger the generated voltage (phase voltage) is, and the longer the period during which the phase voltage exceeds the battery voltage occupies the electrical angle 2π is, the longer the delay time is relatively increased. Is preferred. Conversely, it is estimated that the smaller the duty is, the smaller the generated voltage (phase voltage) is, and that the period during which the phase voltage exceeds the battery voltage occupies the electrical angle 2π is small, and the delay time is relatively reduced. Is preferred.
[0050]
In addition, the generated voltage (phase voltage) of the armature coil is related to the first phase voltage dominance time and the duty, and the magnitude of the generated voltage and the optimal delay time have a positive correlation. And the delay time may be stored as a map or a function, and the optimum delay time may be calculated based on the map or the function. By doing so, it is possible to conduct the upper arm element for most of the time when the phase voltage is higher than the battery voltage, thereby improving the power generation efficiency (reducing the circuit loss) in the synchronous rectification of the three-phase inverter circuit. can do.
[0051]
In a preferred aspect, the control circuit is configured to control a rotation angle incorporated in the three-phase electric rotating machine for a vehicle at a time when a second phase voltage delayed from the first phase voltage exceeds a predetermined first threshold voltage value. A rotation angle value for starting counting is obtained from a sensor, a rotation angle amount corresponding to the predetermined time is added to the rotation angle value for starting counting, and a rotation angle value for off-timing is calculated. When the rotation angle input from the controller reaches the rotation angle value for the off-timing, a command is issued to turn off the upper arm element that rectifies the first phase voltage.
[0052]
That is, in this embodiment, the phase of the lagging phase is set by the magnitude of the rotation angle (also referred to as the rotation angle amount) corresponding to the delay time set by the various methods described above or set as a fixed value. It is delayed from the time when the upper arm element exceeds the first threshold value (often referred to as the on-timing of the upper arm element in the lagging phase). Therefore, in this embodiment, the rotating electric machine needs a rotation angle sensor for detecting the rotation angle.
With this configuration, the off-timing of the upper arm element can be delayed by an accurate rotation angle amount corresponding to the set delay time.
[0053]
In a preferred aspect, the control circuit instructs the upper arm element to rectify the first phase voltage when the first phase voltage reaches a predetermined threshold value, and the first phase voltage Command the off-state of the upper arm element that rectifies the first phase voltage after the predetermined time from the time when the second phase voltage that is later exceeds the predetermined first threshold voltage value, and sets the first phase voltage to The upper arm element to rectify is commanded to turn off the lower arm element in phase with the upper arm element to rectify the first phase voltage at a point in time preceding the command to turn on the upper arm element by a predetermined dead time. At a point in time which is delayed by a predetermined dead time from a point in time when the upper arm element for rectifying a one-phase voltage is commanded to turn off, a command for turning on a lower arm element in phase with the upper arm element for rectifying the first phase voltage is given. I do.
[0054]
In this way, the lower arm element in phase with the upper arm element can be easily intermittently controlled, and simultaneously the upper and lower arm elements in phase can be reliably prevented from being simultaneously turned on.
[0055]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0056]
[0057]
(Overall explanation)
1 is a three-phase brushless DC motor composed of a field winding synchronous machine, 2 is an inverter circuit, 3 is a controller, 4 is a field current controller, 5 is a resolver as a rotation angle sensor, 6 is a smoothing capacitor, and 7 is a current. A
[0058]
The three-phase
[0059]
The
[0060]
The controller 3 performs PWM control of each of the
[0061]
The
[0062]
The principle and circuit configuration of this kind of PWM electric control operation are already well known, and the
[0063]
The field current control device 4 is a circuit called a normal alternator regulator, and performs feedback control of a field current value in order to keep the terminal voltage VB + of the
[0064]
Needless to say, the resolver 5 can be changed to a magnetic rotation angle sensor or an optical rotation angle sensor. The smoothing capacitor 6 is provided with a pair of the three-
[0065]
The
[0066]
During the power generation operation, the
[0067]
(Description of synchronous rectification control)
The synchronous rectification control which forms the gist of this embodiment will be described in detail below. FIG. 2 shows a synchronous
[0068]
The U-phase voltage VU is compared with a threshold voltage value Vth (set to about half of the battery voltage VB in this embodiment) by a
[0069]
As a result,
[0070]
Thereby, as shown in FIG. 3, when U-phase voltage VU becomes higher than half of the battery voltage, an instruction to turn on
[0071]
Next,
[0072]
However, in this embodiment, since the
[0073]
FIG. 4 shows an overall circuit diagram of the synchronous
[0074]
The
[0075]
324U ', 324V' and 324W 'are OR circuits having the same function as the
[0076]
(Modification)
A modified embodiment will be described below with reference to FIG.
[0077]
In this modification, a two-input OR
[0078]
The
[0079]
Therefore, until the rotation speed of the generator exceeds the threshold rotation speed corresponding to threshold voltage value Vth2, the output voltage of
[0080]
The threshold rotation speed corresponding to the threshold voltage value Vth2 is preferably set such that the peak value of the phase voltage at this threshold rotation speed corresponds to the battery voltage or exceeds it by a predetermined value. It is.
[0081]
Another embodiment will be described below. In this embodiment, the synchronous
[0082]
FIG. 6 is a timing chart showing the waveform of the phase voltage. Vu is the electromotive force of a three-phase star connected U-phase armature coil, Vv is the electromotive force of a three-phase star connected V-phase armature coil, and Vw is a three-phase star connected W-phase armature coil. The electromotive force of AC-side main electrode voltage of U-phase upper arm element of the three-phase inverter circuit (referred to as U-arm voltage), AC-side main electrode voltage of V-phase upper arm element (referred to as V-arm voltage), AC-side main electrode voltage of W-phase upper arm element The electrode voltage (referred to as the W arm voltage) exceeds the battery voltage only for a period close to 180 degrees because the parasitic diode of the MOS transistor forming each arm element of the three-phase inverter circuit is on.
[0083]
Next, a process for determining the off-timing of the upper arm element and the lower arm element of the three-phase inverter circuit will be described. The on-timing of these elements can be easily determined when the AC main electrode voltage of the upper arm element exceeds the threshold voltage, as described above, and thus will not be described here.
[0084]
First, in step S100, the delay time ΔT is set by the various methods described above. Next, it is checked whether or not the upper arm element of any phase is turned on (or whether or not the upper arm element of any phase exceeds a predetermined threshold) (S102). Returning, if YES, the timer in which the delay time ΔT is set is started, and after the delay time ΔT, the upper arm element of the phase preceding the phase of the turned on upper arm element is turned off (S104). Next, after a predetermined short time has elapsed, the lower arm element of the preceding phase is turned on, and the process returns to step S100 (S106).
[0085]
Embodiment 3
Another embodiment will be described below. In this embodiment, the synchronous
[0086]
FIG. 8 illustrates a process of determining the off timing of the upper arm element and the lower arm element of the three-phase inverter circuit. The on-timing of the upper arm element can be easily determined when the AC main electrode voltage of the upper arm element exceeds the threshold voltage as described above, and is not described here.
[0087]
First, in step S200, the delay angle amount (rotation angle amount) Δθ corresponding to the delay time ΔT described above is set by the various methods described above. Next, it is checked whether or not the upper arm element of any phase has turned on (or whether or not the upper arm element of any phase has exceeded a predetermined threshold) (S202). Returning, if YES, the value of the rotation angle (rotation angle value for starting counting) at this time is read from the rotation angle sensor (S204).
[0088]
Next, the delay angle amount Δθ is added to the rotation angle value for counting start to calculate a rotation angle value for off timing (S206), and the rotation angle input from the rotation angle sensor is used for the off timing. After waiting until the rotation angle value is reached (S208), the upper arm element of the preceding phase is turned off (S210), and after a predetermined dead time, the lower arm element in phase with the turned off upper arm element is turned on (S212). .
[0089]
(Description of OFF control example of lower arm element)
The turning off of the lower arm element is performed by determining the turning on of the upper arm element of the same phase, and the upper arm element can be turned on after a lapse of a predetermined dead time from this execution.
[0090]
(Modification)
In the inverter circuit device for a three-phase rotating electric machine for a vehicle according to the present invention, the three-phase inverter circuit can be operated in the electric mode. Alternatively, only the diode may be used. Further, the generator may be an ordinary Randall-pole type generator.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing an inverter circuit device for a three-phase rotary electric machine for a vehicle used for control of a first embodiment.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a part of the synchronous rectification control circuit of FIG.
FIG. 3 is a timing chart showing an operation of the synchronous rectification control circuit of FIG. 2;
FIG. 4 is a circuit diagram showing the entire synchronous rectification control circuit of FIG. 1;
FIG. 5 is a circuit diagram showing a modified embodiment.
FIG. 6 is a waveform diagram of a phase voltage.
FIG. 7 is a flowchart for determining an off timing according to the second embodiment.
FIG. 8 is a flowchart for determining an off timing according to the third embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Three-phase brushless DC motor (three-phase rotating electric machine for vehicles)
2. Inverter circuit (three-phase inverter circuit)
3 controller (control circuit)
5 Resolver
9 Battery (DC power supply)
11 to 13 phase winding
21-23 MOS transistor on upper arm side
24 to 26 MOS transistor on lower arm side
Claims (15)
前記三相インバータ回路は、MOSトランジスタからなる上アーム素子又は下アーム素子を有する車両用三相回転電機用インバータ回路装置において、
前記制御回路は、
第一の前記相電圧を整流する前記上アーム素子のオンタイミング又はオフタイミングを、前記第一の相電圧とは異なる前記相電圧に基づいて決定することを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。The three-phase armature winding of the vehicular three-phase rotating electric machine is interposed between the DC power supply and at least three phase voltages that are induced voltages of the three-phase armature winding and rectified to supply power to the DC power supply. A three-phase inverter circuit, and a control circuit for intermittently controlling each MOS transistor constituting the three-phase inverter circuit,
The three-phase inverter circuit is an inverter circuit device for a three-phase rotating electrical machine for a vehicle having an upper arm element or a lower arm element made of a MOS transistor,
The control circuit includes:
The on-timing or the off-timing of the upper arm element for rectifying the first phase voltage is determined based on the phase voltage different from the first phase voltage. Inverter circuit device.
前記第一の相電圧より遅れる第二の相電圧が所定の第一しきい値電圧値を超える時点又は前記時点から所定時間経過した時点にて前記第一の相電圧を整流する前記上アーム素子のオフを指令する特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。The inverter circuit device for a three-phase rotary electric machine for a vehicle according to claim 1, wherein the control circuit comprises:
The upper arm element that rectifies the first phase voltage at a time when a second phase voltage delayed from the first phase voltage exceeds a predetermined first threshold voltage value or when a predetermined time has elapsed from the time. An inverter circuit device for a three-phase rotary electric machine for a vehicle, characterized by commanding turning off of the vehicle.
前記制御回路は、
前記第一の相電圧が前記直流電源の電圧より低い所定の第二しきい値電圧値を超え、かつ、前記第一の相電圧より遅れる第二の相電圧が所定の第三しきい値電圧値より低い期間に、前記所定の上アーム素子のオンを指令することを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。The inverter circuit device for a three-phase rotary electric machine for a vehicle according to claim 1,
The control circuit includes:
The first phase voltage exceeds a predetermined second threshold voltage value lower than the voltage of the DC power supply, and a second phase voltage delayed from the first phase voltage is a predetermined third threshold voltage. An inverter circuit device for a three-phase rotary electric machine for a vehicle, wherein a command to turn on the predetermined upper arm element is issued during a period lower than the value.
前記制御回路は、
前記三相回転電機の回転数が所定値以上の場合に、前記MOSトランジスタをオンさせることを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。The inverter circuit device for a three-phase rotary electric machine for a vehicle according to claim 3,
The control circuit includes:
An inverter circuit device for a three-phase rotating electrical machine for a vehicle, wherein the MOS transistor is turned on when the rotation speed of the three-phase rotating electrical machine is equal to or more than a predetermined value.
前記しきい値回転数は、前記相電圧が前記直流電源の電圧を超える回転数に設定されることを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。The inverter circuit device for a three-phase rotary electric machine for a vehicle according to claim 4,
The inverter circuit device for a three-phase rotating electric machine for a vehicle, wherein the threshold rotation speed is set to a rotation speed at which the phase voltage exceeds the voltage of the DC power supply.
前記三相インバータ回路は、MOSトランジスタからなる上アーム素子を有する車両用三相回転電機用インバータ回路装置において、
前記制御回路は、
第一の前記相電圧が前記直流電源の電圧より所定値だけ小さく設定された所定のしきい値電圧を超える場合に、前記第一の相電圧を整流する前記上アーム素子のオンを指令することを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。The three-phase armature winding of the vehicular three-phase rotating electric machine is interposed between the DC power supply and at least three phase voltages that are induced voltages of the three-phase armature winding and rectified to supply power to the DC power supply. A three-phase inverter circuit, and a control circuit for intermittently controlling each switching element of the three-phase inverter circuit,
The three-phase inverter circuit is an inverter circuit device for a three-phase rotating electrical machine for a vehicle having an upper arm element formed of a MOS transistor,
The control circuit includes:
When the first phase voltage exceeds a predetermined threshold voltage that is set smaller than the voltage of the DC power supply by a predetermined value, instructing that the upper arm element that rectifies the first phase voltage be turned on. An inverter circuit device for a three-phase rotary electric machine for vehicles, characterized by the following.
前記制御回路は、
前記第一の相電圧が前記直流電源の電圧より低い所定の第二しきい値電圧値未満で、かつ、前記第一の相電圧より遅れる第二の相電圧が所定の第三しきい値電圧値より高い期間に、前記第一の相電圧を整流する前記下アーム素子のオンを指令することを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。The inverter circuit device for three-phase rotation for a vehicle according to claim 1,
The control circuit includes:
The first phase voltage is less than a predetermined second threshold voltage value lower than the voltage of the DC power supply, and a second phase voltage delayed from the first phase voltage is a predetermined third threshold voltage. An inverter circuit device for a three-phase rotary electric machine for a vehicle, wherein a command is issued to turn on the lower arm element for rectifying the first phase voltage during a period higher than a value.
前記制御回路は、
前記第一の相電圧が所定の第一しきい値電圧値を超えた時点から、前記第二の相電圧が第一しきい値電圧値を超えた時点までの時間である第一相電圧優勢時間をカウントし、
前記第一相電圧優勢時間に正相関を有する関数値として遅延時間を設定し、
前記第二の相電圧が所定の第一しきい値電圧値を超える時点から前記遅延時間だけ経過した時点にて前記第一の相電圧を整流する前記上アーム素子のオフを指令することを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。The inverter circuit device for three-phase rotation for a vehicle according to claim 2,
The control circuit includes:
A first phase voltage dominance which is a time from a time when the first phase voltage exceeds a predetermined first threshold voltage value to a time when the second phase voltage exceeds the first threshold voltage value; Count the time,
The delay time is set as a function value having a positive correlation with the first phase voltage dominant time,
A command is issued to turn off the upper arm element that rectifies the first phase voltage when the delay time has elapsed from the time when the second phase voltage exceeds a predetermined first threshold voltage value. Inverter circuit device for a three-phase rotating electric machine for vehicles.
前記制御回路は、
前記第一相電圧優勢時間の1/2を前記遅延時間とすることを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。The inverter circuit device for three-phase rotation for a vehicle according to claim 8,
The control circuit includes:
An inverter circuit device for a three-phase rotary electric machine for a vehicle, wherein 1/2 of the first phase voltage dominant time is set as the delay time.
前記制御回路は、
前記第一相電圧優勢時間の1/4を前記遅延時間とすることを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。The inverter circuit device for three-phase rotation for a vehicle according to claim 8,
The control circuit includes:
An inverter circuit device for a three-phase rotating electrical machine for a vehicle, wherein one-fourth of the first phase voltage dominant time is the delay time.
前記制御回路は、
内蔵タイマとしてのカウンタによりカウントした前記第一相電圧優勢時間に所定係数(0.5未満)を掛けて前記遅延時間とすることを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。The inverter circuit device for three-phase rotation for a vehicle according to claim 8,
The control circuit includes:
An inverter circuit device for a three-phase rotating electric machine for a vehicle, wherein the delay time is obtained by multiplying the first phase voltage dominant time counted by a counter as a built-in timer by a predetermined coefficient (less than 0.5).
前記制御回路は、
前記第一相電圧優勢時間が大きい場合に前記係数を低下させ、前記第一相電圧優勢時間が小さい場合に前記係数を増加させることを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。The inverter circuit device for three-phase rotation for a vehicle according to claim 11,
The control circuit includes:
The inverter circuit device for a three-phase rotary electric machine for a vehicle, wherein the coefficient is decreased when the first phase voltage dominance time is long, and the coefficient is increased when the first phase voltage dominance time is short.
前記制御回路は、
前記回転電機の界磁電流制御用のスイッチング素子のデユーティが小さい場合に前記係数を低下させ、前記デユーティが大きい場合に前記係数を増加させることを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。The inverter circuit device for three-phase rotation for a vehicle according to claim 11,
The control circuit includes:
An inverter circuit device for a three-phase electric rotating machine for a vehicle, wherein the coefficient is reduced when the duty of the switching element for controlling the field current of the rotating electric machine is small, and the coefficient is increased when the duty is large. .
前記制御回路は、
前記第一の相電圧より遅れる第二の相電圧が所定の第一しきい値電圧値を超える時点にて前記車両用三相回転電機が内蔵する回転角センサからカウント開始用の回転角度値を取得し、
前記所定時間に相当する回転角量を前記カウント開始用の回転角度値に加算してオフタイミング用の回転角度値を算出し、
前記回転角センサから入力される回転角が前記オフタイミング用の回転角度値に達した時点にて前記第一相電圧を整流する前記上アーム素子のオフを指令する特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。The inverter circuit device for three-phase rotation for a vehicle according to claim 2,
The control circuit includes:
At the point in time when the second phase voltage that is later than the first phase voltage exceeds a predetermined first threshold voltage value, a rotation angle value for counting starts from a rotation angle sensor built in the three-phase rotating electric machine for a vehicle. Acquired,
A rotation angle amount for off timing is calculated by adding a rotation angle amount corresponding to the predetermined time to the rotation angle value for counting start,
Three-phase rotation for a vehicle, wherein the upper arm element that rectifies the first phase voltage is commanded to be turned off when the rotation angle input from the rotation angle sensor reaches the rotation angle value for the off timing. Inverter circuit device for electric machinery.
前記制御回路は、
前記第一の相電圧が所定のしきい値に達する場合に前記第一相電圧を整流する前記上アーム素子のオンを指令し、前記第一の相電圧より遅れる第二の相電圧が所定の第一しきい値電圧値を超える時点から前記所定時間後に前記第一の相電圧を整流する前記上アーム素子のオフを指令し、
前記第一相電圧を整流する前記上アーム素子に前記オンを指令する時点から所定のデッドタイムだけ先行した時点にて前記第一相電圧を整流する前記上アーム素子と同相の下アーム素子のオフを指令し、
前記第一相電圧を整流する前記上アーム素子に前記オフを指令する時点から所定のデッドタイムだけ遅れた時点にて前記第一相電圧を整流する前記上アーム素子と同相の下アーム素子のオンを指令することを特徴とする車両用三相回転電機用インバータ回路装置。The inverter circuit device for a three-phase rotary electric machine for a vehicle according to claim 2,
The control circuit includes:
When the first phase voltage reaches a predetermined threshold value, the upper arm element for rectifying the first phase voltage is commanded to be turned on, and a second phase voltage delayed from the first phase voltage becomes a predetermined value. Command the off of the upper arm element rectifying the first phase voltage after the predetermined time from the time exceeding the first threshold voltage value,
Turn off the lower arm element in phase with the upper arm element that rectifies the first phase voltage at a point ahead of the time point when the upper arm element that rectifies the first phase voltage is commanded to turn on the upper arm element by a predetermined dead time. Command,
When the upper arm element for rectifying the first phase voltage is delayed by a predetermined dead time from the time when the upper arm element is commanded to be turned off, the lower arm element in phase with the upper arm element for rectifying the first phase voltage is turned on. An inverter circuit device for a three-phase rotating electrical machine for a vehicle, characterized in that:
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