JP2007252192A

JP2007252192A - 電気自動車及びハイブリッド自動車のためのｙ字スイッチインバータ

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Publication number: JP2007252192A
Application number: JP2007064613A
Authority: JP
Inventors: Brian Welchko; ブライアン・ウェルチコ
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-03-14
Filing date: 2007-03-14
Publication date: 2007-09-27
Also published as: CN100574086C; US7193378B1; CN101060302A; DE102007012090A1

Abstract

【課題】逆起電力の大きさが供給電圧よりも大きくなる時、放電する。
【解決手段】コントローラと、複数の１次整流スイッチ対と、ニュートラルターミナルと、複数の整流制御スイッチとを備える。各スイッチ対は、各ノードで接続された第１及び第２の１次整流スイッチを備える。各整流制御スイッチは、対応するステータ巻き線回路がニュートラルターミナルと各ノードとの間に形成されるようにステータ巻き線の対応する巻き線に連結される。各整流制御スイッチは直列スイッチ回路と並列接続された第１のダイオードを備える。各直列スイッチ回路は第２のダイオードと第２のダイオードと直列に接続されたスイッチ要素とを備える。コントローラは、供給電圧が逆起電力に等しくなる時点に対する１次整流スイッチのオンタイム及びオフタイムを制御するためスイッチ要素と１次整流スイッチ対とに連結される。
【選択図】図３

Description

本発明は、永久磁石ＡＣシンクロナスモータ及びブラシレスＤＣモータのためのモータ制御に関する。

図１には、モータＰＭのための既知の三相モータ駆動システムが、パワーインバータ及び電源を備えて表されている。該電源は、キャパシタＣＡＰと共にバッテリＢＡＴを備えている。パワーインバータは、図示のように構成されたバイパスダイオードＤ１〜Ｄ６と共に主要整流スイッチＱ１〜Ｑ６を備えている。永久磁石モータＰＭは、３つのステータ巻き線Ａ、Ｂ及びＣにより駆動される三相モータである。巻き線Ａ及びＢを一つの方向の電流で付勢するために、スイッＱ１及びＱ５がオンにされ、他の全てのスイッチがオフにされる。巻き線Ａ及びＢを他の方向の電流で付勢するために、スイッＱ２及びＱ４がオンにされ、他の全てのスイッチがオフにされる。巻き線Ａ及びＣを一つの方向の電流で付勢するために、スイッＱ１及びＱ６がオンにされ、他の全てのスイッチがオフにされる。巻き線Ａ及びＣを他の方向の電流で付勢するために、スイッＱ３及びＱ４がオンにされ、他の全てのスイッチがオフにされる。巻き線Ｂ及びＣを一つの方向の電流で付勢するために、スイッＱ２及びＱ６がオンにされ、他の全てのスイッチがオフにされる。巻き線Ｂ及びＣを他の方向の電流で付勢するために、スイッＱ３及びＱ５がオンにされ、他の全てのスイッチがオフにされる。

ラウラらに付与された米国特許番号６，２３６，１７９号で説明されているように、ＡＣシンクロナスモータ及びブラシレスＤＣモータは、それらのステータ巻き線に接続されたソリッドステートスイッチング装置の整流を通して制御される。これらのモータは、永久磁石（ＰＭ）型式であってもよく、該型式では、永久磁石がロータ巻き線の代わりにロータ上で使用されている。ロータの速度が増大するとき、ステータ内で生成する電圧（「逆起電力」と称する）が増大する。これによって、所望のトルクを生成するためには、よりいっそう高いターミナル電圧が印加されることを必要とする。ベースとなる速度は、一定トルク範囲の頂点にあり、且つ、一定の馬力範囲の開始時にある速度である。多くの使用法では、一定速度におけるターミナル電圧を制限し、それでもなおベース速度を超える一定速度範囲に亘って一定馬力を維持することが望ましい。ターミナル電圧の制限に到達するベース速度に対する、達成可能なより高い速度の比率は、一定パワー速度比率と称される。所望の一定パワー速度比率を達成することは、モータインダクタンスがマイクロヘンリ範囲にあるときより困難となる。

内部に取り付けられた磁石（ＩＰＭ）を備えたＰＭモータは、７．５：１の一定パワー速度比率を有することが示された。しかし、これらの型式のＰＭモータは、市販されていない。

例えば電気自動車等の牽引装置では、トルク速度に関する仕様は、一定ベース速度以内まで一定トルクを要求し、より高い速度までは一定馬力での作動を要求する。表面に取り付けられた希土類磁石を備えたＰＭ電動モータは、それらのパワー密度及び効率に起因して、かかる用途のための有効な候補となる。これらのモータは電気的に整流され、インバータにより駆動される。

１９９７年１０月１４日に発行され、カムバーらに付与された米国特許番号５，６７７，６０５号は、ＰＷＭインバータとベース速度を超える一定パワー範囲内に作動を制御するための位相タイミング進角とを使用するブラシレスＤＣモータのための駆動システムを開示している。この特許は、６ステップのＰＷＭ駆動により駆動される三相ブラシレスＤＣモータを開示している。整流スイッチは、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）と、バイパスダイオードと並列に配置された主要スイッチングデバイスのためのＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴ電界効果トランジスタ）とを備えている。

速度が増大し、整流が高い率で発生したとき、この構成は、望ましくない回数で、位相電流の連続的な伝導と、バイパスダイオードによる伝導と、を可能にし、パワー及び効率の損失をもたらす。インバータ及びモータは、加熱し、これにより追加の冷却手段が必要となる。

米国特許番号６，２３６，１７９号は２００１年５月２２日に発行され、ロウラーらに付与された。その内容は参照により本明細書に組み込まれる。図２は、図１に表された既知のシステムに対するラウラらにより教えられた変更例を表している。３つのステータ巻き線を備えたステータを有する三相装置ＰＭを制御するための回路は、コントローラ（図１に表された）と、３つの主要な整流スイッチ対と、ニュートラルターミナルＮと、３つのステータ巻き線回路と、を備えている。第１のスイッチ対は、ノードＮＡで接続された、第１の主要整流スイッチ（Ｑ１、Ｄ１）及び第２の主要整流スイッチ（Ｑ４、Ｄ４）を備えている。第２のスイッチ対は、ノードＮＢで接続された、第１の主要整流スイッチ（Ｑ２、Ｄ２）及び第２の主要整流スイッチ（Ｑ５、Ｄ５）を備えている。第３のスイッチ対は、ノードＮＣで接続された、第１の主要整流スイッチ（Ｑ３、Ｄ３）及び第２の主要整流スイッチ（Ｑ６、Ｄ６）を備えている。第１のステータ巻き線回路は、ノードＮＡと、三相モータＰＭの巻き線Ａの一方の端部との間に接続された整流制御スイッチＳＷＡを備えている。巻き線Ａの他方の端部は、ニュートラルターミナルＮに接続されている。第２のステータ巻き線回路は、ノードＮＢと、三相モータＰＭの巻き線Ｂの一方の端部との間に接続された整流制御スイッチＳＷＢを備えている。巻き線Ｂの他方の端部は、ニュートラルターミナルＮに接続されている。第３のステータ巻き線回路は、ノードＮＣと、三相モータＰＭの巻き線Ｃの一方の端部との間に接続された整流制御スイッチＳＷＣを備えている。巻き線Ｃの他方の端部は、ニュートラルターミナルＮに接続されている。

整流制御スイッチＳＷＡ、ＳＷＢ及びＳＷＣの各々は、２つの反平行シリコン制御の整流器から構成されている。シリコン制御の整流器（ＳＣＲとして知られている）は、逆方向のバイアス状況では非伝導性であり、ＳＣＲが順方向にバイアスされている間にトリガー信号が受信されないならば、順方向バイアスされているときでさえも非伝導性である。一旦、順方向バイアスされている間にトリガーされたならば、ＳＣＲは伝導性となる。ＳＣＲが導電性となった後では、ＳＣＲに亘る電圧がゼロに降下するか又はＳＣＲが逆方向にバイアスされるようになるまで伝導性のままである。このようにして、コントローラは、トリガーパルスをＳＣＲに提供することができ、これにより、ＳＣＲが順方向バイアスされる任意の時刻でオンサイクルを開始する。しかし、ＳＣＲは、ＳＣＲに亘る電圧が逆転されたときのサイクルの終了時にのみ、非伝導性状態へと戻ることができる。コントローラは、供給電圧が逆起電力に等しい時点に対する主要整流スイッチの位相進角伝導角度を制御するためＳＣＲに連結されている。

ラウラらによる回路は、低いモータインダクタンスを備えた三相モータに適用される。この回路は、ベース速度が、特定のトルクが得られる最高速度にあるところのベース速度を十分に超えた速度で作動するモータを意図している。例えば、モータは、ＹＹＹｒｐｍの速度以内でＸＸＸトルクを要求することが条件として指定されている。モータ速度が増大するとき、ステータ巻き線は逆起電力を生成する。モータ巻き線からの逆起電力の大きさが供給電圧よりも大きくなるとき、モータがパワーを生成し続けるようにするため、モータＰＭのステータ巻き線へと電流をなおも放電する必要があるので、モータを更に駆動するためには何らかの手段を見出さなければならない。ラウラらは、モータ巻き線からの逆起電力の大きさが供給電圧よりも大きくなる時点における角度よりも前方に進角したモータ回転角度でステータ巻き線に電流を放電することによりベース速度を超えてモータを駆動させる。ラウラらは、この電流を、進角で、適切な整流制御スイッチＳＷＡ、ＳＷＢ又はＳＷＣ内のＳＣＲの一つをトリガーするようにコントローラを使用することにより進角でこの電流を提供する。ラウラらの特許では、進角は、ゼロ度から６０度までの範囲に提供される。この進角は、ラウラらの特許で説明されるように生成パワーを制御する。ＳＣＲに亘る電圧がゼロ又は負になるとき、ＳＣＲがオフとなる。ベース速度より僅かに大きい速度及び所定範囲の進角において、ラウラらの回路は、使用中の状態に戻るように位相が切り替えられる時点の前にゼロに達する位相電流を生じさせないおそれがある。これは、カタストロフィー的ではないが、平均出力パワーを減少させ、ＲＭＳ電流を増大させる「転流失敗」を生じさせる。

複数のステータ巻き線を備えたステータを有する多相装置を制御するための回路は、コントローラと、複数の１次整流スイッチ対と、ニュートラルターミナルと、複数の整流制御スイッチと、を備えている。各スイッチ対は、各々のノードで接続された第１及び第２の１次整流スイッチを備える。各整流制御スイッチは、ステータ巻き線回路が前記ニュートラルターミナルと前記ノードの各々一つとの間に形成されるように巻き線に連結されている。前記整流制御スイッチの各々は、直列スイッチ回路と並列に接続された第１のダイオードを備えている。前記直列スイッチ回路の各々は、第２のダイオードと、直列接続されたスイッチ要素とを備えている。前記コントローラは、供給電圧が逆起電力に等しくなる時点に対する前記１次整流スイッチのオンタイム及びオフタイムを制御するため、スイッチ要素と１次整流スイッチ対とに連結されている。

自動車エンジンは、複数のステータ巻き線を備えたステータを有する多相装置と、コントローラと、複数の１次整流スイッチ対と、ニュートラルターミナルと、複数の整流制御スイッチと、を備える。各スイッチ対は、各々のノードで接続された第１及び第２の１次整流スイッチを備えている。各整流制御スイッチは、ステータ巻き線回路が前記ニュートラルターミナルと前記ノードの各々一つとの間に形成されるように巻き線に連結されている。前記整流制御スイッチの各々は、直列スイッチ回路と並列に接続された第１のダイオードを備えている。前記直列スイッチ回路の各々は、第２のダイオードと、直列接続されたスイッチ要素とを備えている。前記コントローラは、供給電圧が逆起電力に等しくなる時点に対する前記１次整流スイッチのオンタイム及びオフタイムを制御するため、スイッチ要素と１次整流スイッチ対とに連結されている。

電動モータシステムは、電源と、複数のステータ巻き線を備えたステータを有する多相装置と、コントローラと、前記電源に連結された複数の１次整流スイッチ対と、ニュートラルターミナルと、多相装置に連結された複数の整流制御スイッチと、を備える。各スイッチ対は、各々のノードで接続された第１及び第２の１次整流スイッチを備えている。各整流制御スイッチは、ステータ巻き線回路が前記ニュートラルターミナルと前記ノードの各々一つとの間に形成されるように巻き線に連結されている。前記整流制御スイッチの各々は、直列スイッチ回路と並列に接続された第１のダイオードを備えている。前記直列スイッチ回路の各々は、第２のダイオードと、直列接続されたスイッチ要素とを備えている。前記コントローラは、供給電圧が逆起電力に等しくなる時点に対する前記１次整流スイッチのオンタイム及びオフタイムを制御するため、スイッチ要素と１次整流スイッチ対とに連結されている。

本発明は、添付図面を参照して好ましい実施例についての次の説明で詳細に説明される。

図３では、複数のステータ巻き線を備えたステータを有する多相装置を制御するための回路が表されている。当該回路は、コントローラ（図示せず）と、ニュートラルターミナルＮ_[BW1]と、複数の１次整流スイッチ対と、複数の整流制御スイッチとを備える。複数の１次整流スイッチ対の各々は、各ノードで接続された、第１及び第２の１次整流スイッチを備えている。第１のスイッチ対は、ノードＮＡで接続された、第１の１次整流スイッチ（Ｑ１，Ｄ１）と、第２の１次整流スイッチ（Ｑ４，Ｄ４）と、を備えている。第２のスイッチ対は、ノードＮＢで接続された、第１の１次整流スイッチ（Ｑ２，Ｄ２）と、第２の１次整流スイッチ（Ｑ５，Ｄ５）と、を備えている。第３のスイッチ対は、ノードＮＣで接続された、第１の１次整流スイッチ（Ｑ３，Ｄ３）と、第２の１次整流スイッチ（Ｑ６，Ｄ６）と、を備えている。

複数の整流制御スイッチの各々は、対応するステータ巻き線回路が、ニュートラルターミナルと、ノードの各々一つとの間に形成されるようにステータ巻き線の対応する巻き線に連結されている。複数のステータ巻き線回路の各々は、ニュートラルターミナルＮと、ノードＮＡ、ＮＢ又はＮＣの各々一つとの間に連結されている。２つの代替構成は、各々のステータ巻き線回路の設計者に利用可能である。

第１の代替構成では、第１のステータ巻き線回路は、ノードと、三相モータＰＭの巻き線Ａの一方の端部との間に接続された整流制御スイッチＳＷＡを備え、巻き線Ａの他方の端部はニュートラルターミナルＮに接続されている。第２のステータ巻き線回路は、ノードＮＢと、三相モータＰＭの巻き線Ｂの一方の端部との間に接続された整流制御スイッチＳＷＢを備えており、巻き線Ｂの他方の端部はニュートラルターミナルＮに接続されている。第３のステータ巻き線回路は、ノードＮＣと、三相モータＰＭの巻き線Ｃの一方の端部との間に接続された整流制御スイッチＳＷＣを備えており、巻き線Ｃの他方の端部はニュートラルターミナルＮに接続されている。

第２の代替構成では、第１のステータ巻き線回路は、ニュートラルターミナルＮと、三相モータＰＭの巻き線Ａの一方の端部との間に接続された整流制御スイッチＳＷＡを備え、巻き線Ａの他方の端部はノードＮＡに接続されている。第２のステータ巻き線回路は、ニュートラルターミナルＮと、三相モータＰＭの巻き線Ｂの一方の端部との間に接続された整流制御スイッチＳＷＢを備え、巻き線Ｂの他方の端部はノードＮＢに接続されている。第３のステータ巻き線回路は、ニュートラルターミナルＮと、三相モータＰＭの巻き線Ｃの一方の端部との間に接続された整流制御スイッチＳＷＣを備え、巻き線Ｃの他方の端部はノードＮＣに接続されている。設計者は、モータＰＭとニュートラルターミナルＮとの間で１つ以上の整流制御スイッチを接続するように選択することができ、モータＰＭと、ノードの各々一つとの間で他の整流制御スイッチを接続するように選択することができる。

図３では、整流制御スイッチＳＷＡ、ＳＷＢ及びＳＷＣ及びＳＷＣの各々は、直列スイッチ回路と並列に接続された第１のダイオードを備え、各々の直列スイッチ回路は、第２のダイオードとスイッチ要素とを備え、スイッチ要素は第２のダイオードと直列に接続されている。例えば、整流制御スイッチＳＷＡは、第１のダイオードＤＡ１を備え、該第１のダイオードＤＡ１は、スイッチ要素ＱＡと直列に接続された第２のダイオードＤＡ２を備える直列スイッチ回路と並列に接続されている。同様に、整流制御スイッチＳＷＢは、第１のダイオードＤＢ１を備え、該第１のダイオードＤＢ１は、スイッチ要素ＱＢと直列に接続された第２のダイオードＤＢ２を備える直列スイッチ回路と並列に接続されており、整流制御スイッチＳＷＣは、第１のダイオードＤＣ１を備え、該第１のダイオードＤＣ１は、スイッチ要素ＱＣと直列に接続された第２のダイオードＤＣ２を備える直列スイッチ回路と並列に接続されている。スイッチ要素ＱＡ、ＱＢ及びＱＣの各々は、ＰＮＰＩＧＢＴ、ＮＰＮＩＧＢＴ又はＭＯＳＦＥＴのいずれかであるのが好ましい。ＮＰＮＩＧＢＴは図３に表されている。スイッチダイオード対、ＱＡ及びＤＡ２、ＱＢ及びＤＢ２、ＱＣ及びＤＣ２の各々は、前方及び逆のブロッキング電圧の両方を可能にするＩＧＢＴスイッチを備えた本発明で実現することもできる。この種のスイッチは、典型的には、逆ブロッキングＩＧＢＴ，ＲＢＩＧＢＴ_[BW2]と称されている。

なお、ラウラらに付与された米国特許番号６，２３６，１７９号は、反並列シリコン制御式整流器（ＳＣＲ）、即ちラウラらが整流制御スイッチＳＷＡ、ＳＷＢ及びＳＷＣの各々に対してサイリスタと称したものを使用している。反平行ＳＣＲは、ＳＣＲが順方向にバイアスされ、かつ、トリガーされたとき、電流を流し始めるように作動可能であり、ＳＣＲは、ＳＣＲに亘る電圧がゼロまで減少するか又は逆方向にバイアスされるようになったときのみ電流を流すことを自動的に停止させるように作動可能である。

図３を再び参照すると、３つのスイッチ要素ＱＡ、ＱＢ及びＱＣの各々が閉じられるか又はオンになったとき、電流は、整流制御スイッチＳＷＡ、ＳＷＢ及びＳＷＣを介していずれかの方向に流れることができる。その結果、整流制御スイッチが閉じられた状態で、１次整流スイッチＱ１〜Ｑ６を制御し、これによってモータＰＭを制御するため任意の制御方法を使用することができる。

他方では、３つのスイッチ要素ＱＡ、ＱＢ及びＱＣが開放するか又はオフになったとき、電流は、ダイオードＤＡ１、ＤＢ１及びＤＣ１が回路内になおも存在していたとしても、モータ巻き線を通って流れることはできない。これは、Ｙ字接続されたモータＰＭが、図３に表されるようにダイオードＤＡ１、ＤＢ１及びＤＣ１が接続されたとき電流の源を持っていないためである。更には、これらのスイッチ要素ＱＡ、ＱＢ及びＱＣのうち２つだけが開放されるか又はオフにされたとき、電流は、第３のスイッチ要素がなおも閉じられているか又はオンになったとしてもモータ巻き線を通って流れることはできない。キルヒホッフの法則は、Ｙ字接続されたモータＰＭの巻き線を通る電流の総和がゼロとなことを要求しており、そうでなければ、電荷が発生し続け、Ｙ字接続モータＰＭのニュートラル接続から放出されてしまう。

コントローラは、供給電圧が逆起電力に等しくなる時点に対する１次整流スイッチのオンタイム及びオフタイムを制御するため、整流制御スイッチの各々のスイッチ要素に連結され、１次整流スイッチ対に連結されている。このようにして、モータへの電流は、ＳＣＲに亘る電圧がゼロまで減少される終了時にまでサイクルを待機するのではなく、任意の時刻で停止することができる。

モータＰＭの高速作動の間、モータの磁石をベースにした逆起電力は、インバータの１次整流スイッチの可能となる出力電圧よりも過度の電圧分、大きくなり得る。モータＰＭを制御するための既知の回路では、過度の電圧は、モータから出てインバータを通りバッテリＢＡＴ_[BW4]へとパワーを伝達させる。これは、２つの効果を引き起こす発電モードである。第１に、モータが発電機として作動し、バッテリが再充電される。第２には、モータにより発生されたトルクは負であり、これはブレーキとして作用する。ゼロトルクが、モータの高速作動の間に望まれる状況では、モータトルクがゼロとなるようにインバータの１次整流スイッチの出力電圧に厳密に等しくなるポイントまで逆起電力を減少させるためインバータの１次整流スイッチによりモータに場弱め電流が印加されなければならない。ゼロトルクを達成するため、モータがトルクを生成しなかった場合でさえもモータに場弱め電流が印加されなければならない。流れなければならない場弱め電流は、バッテリのパワー流出を引き起こし、トルクが生成されない高速作動の間のこのパワー損失は、「スピンロス」と称されている。

既知の回路では、スピンロスは、モータＰＭの無負荷高速作動の間に受ける。しかし、図３の回路では、整流制御スイッチＳＷＡ、ＳＷＢ及びＳＷＣは、伝達経路を無くすことにより総合的にスピンロスを無くすため任意の時刻でオフにする（即ち、開回路にする）ことができる。伝達経路を無くさなければ、該伝達経路は場弱め電流を運搬してしまうであろう。その結果、ゼロ出力トルクを調整的に生成するため電流をインバータにより印加する必要は無くなる。整流制御スイッチＳＷＡ、ＳＷＢ及びＳＷＣのスイッチ要素ＱＡ、ＱＢ及びＱＣの全てをオフに切り替えることによって、モータを通過する電流及び従ってスピンロスを無くすことができる。

モータＰＭの無負荷高速作動の他の結果が存在する。該作動では、モータの逆起電力がインバータの１次整流スイッチの可能となる出力電圧よりも過度の電圧分だけより大きくなるように生じ得る。回路中の整流制御スイッチがオフにされることが無い場合、インバータのノードの電圧は、１次整流スイッチにおいて通常は逆方向にバイアスされたダイオードＤ１〜Ｄ６を通過する。モータＰＭの無負荷高速作動の間、電流は、バッテリＢＡＴを充電させるためモータＰＭの１つ以上の巻き線からダイオードＤ１〜Ｄ３のうち１つ以上を通って流れることができ、ダイオードＤ４〜Ｄ６の１つ以上を通ってモータＰＭの巻き線の１つ以上へと戻っていく。これは、非制御式発電機モードと称されている。非制御式発電機モードにおける充電電流は、ブレーキトルクをモータにより経験させることができ、インバータ、キャパシタＣＡＰ又はバッテリＢＡＴさえも損傷を与え得る。バッテリが非制御式発電機モードにより印加される率で充電することができない場合、キャパシタＣＡＰは、逆起電力の電圧まで充電し、電流が流れなくなる。インバータへの損傷を回避するため、バッテリＢＡＴ、キャパシタＣＡＰ、及び、ダイオードＤ１〜Ｄ６を備える１次整流スイッチＱ１〜Ｑ６は、最大予想逆起電力電圧と、モータＰＭにより生成することができる任意の関連したサージ電流と、に耐えるように定格が定められていなければならない。

しかし、図３の回路では、整流制御スイッチＳＷＡ、ＳＷＢ及びＳＷＣは、伝導経路を無くすことによって非制御式の発電機モードを全体として無くすため、任意の時刻でオフにする（即ち、開回路にする）ことができる。伝導経路を無くさなければ、インバータには、場の逆起電力電圧が伝達される。整流制御スイッチＳＷＡ、ＳＷＢ及びＳＷＣのスイッチ要素ＱＡ、ＱＢ及びＱＣの全てをオフに切り替えることによって、非制御式発電機モードで発電され得る逆起電力電圧は、バッテリＢＡＴ、キャパシタＣＡＰ、及び、ダイオードＤ１〜Ｄ６を備える１次整流スイッチＱ１〜Ｑ６に亘って印加されず、これらの構成部品は、非制御式発電機モードで発電され得る逆起電力電圧に耐えるように定格が定められている必要はない。その結果、インバータの損傷は、モータＰＭの無負荷高速作動の間に回避される。ダイオードＤＡ１、ＤＡ２、ＤＢ１、ＤＢ２、ＤＣ１及びＤＣ２、並びに、整流制御スイッチＳＷＡ、ＳＷＢ及びＳＷＣのスイッチ要素ＱＡ、ＱＢ及びＱＣは、非制御式発電機モードで発電され得る逆起電力電圧に耐えるように定格が定められている必要があり得る。しかし、増大した定格は、整流制御スイッチＳＷＡ、ＳＷＢ及びＳＷＣのみで要求されるので、これは、既知の技術を超える有意なコスト削減を意味している。

上記とは対照的に、ラウラらの回路は、サイクルがＳＣＲに亘る電圧をゼロにまで減少させるとき、単に整流制御スイッチＳＷＡ、ＳＷＢ及びＳＷＣをオフにすることしかできない。

図３に表された回路の一変形例が図４に表されている。図４では、整流制御スイッチＳＷＡ、ＳＷＢ又はＳＷＣの各々におけるスイッチ要素ＱＡ、ＱＢ及びＱＣは、NPN IGBTを備えている。図４は、整流制御スイッチＳＷＡのダイオードＤＡ１を表しており、そのアノードがモータＰＭに接続され、そのカソードが１次整流スイッチ対のノードに接続されている。ダイオードＤＡ２のカソードは、ダイオードＤＡ１のアノードに接続され、スイッチ要素ＱＡは、１次整流スイッチ対のノードに接続されている。整流制御スイッチＳＷＢ又はＳＷＣは、同様に構成されている。

代替例として、整流制御スイッチＳＷＡ、ＳＷＢ及びＳＷＣは、端部間を逆転することができ、このときスイッチは申し分無く機能する。整流制御スイッチＳＷＡが端部間を逆転された状態で、ダイオードＤＡ１のカソードはモータＰＭに接続され、ダイオードＤＡ１のカソードは１次整流スイッチ対のノードに接続される。ダイオードＤＡ２のカソードは、ダイオードＤＡ１のアノードになおも接続され、スイッチ要素ＱＡは、モータＰＭに接続される。整流制御スイッチＳＷＢ又はＳＷＣは、同様に、端部間を逆転されている。

図３に表された回路の別の変形例は、図５に表され、該図５では、各々の整流制御スイッチＳＷＡ、ＳＷＢ又はＳＷＣにおけるスイッチ要素ＱＡ、ＱＢ又はＱＣは、PNP IGBTを備えている。図５は、整流制御スイッチＳＷＡのダイオードＤＡ１を表しており、そのアノードがモータＰＭに接続され、そのカソードが１次整流スイッチ対のノードに接続されている。ダイオードＤＡ１のカソードはダイオードＤＡ２のアノードに接続され、スイッチ要素ＱＡはモータＰＭに接続されている。整流制御スイッチＳＷＢ又はＳＷＣは同様に構成されている。

代替例として、整流制御スイッチＳＷＡ、ＳＷＢ及びＳＷＣは、図４に関して説明した仕方に類似した態様で端部間を逆転することができ、このときスイッチは申し分無く機能する。

図３に表された回路の別の変形例は、図６に表され、該図６では、各々の整流制御スイッチＳＷＡ、ＳＷＢ又はＳＷＣにおけるスイッチ要素ＱＡ、ＱＢ又はＱＣは、ＭＯＳＦＥＴを備えている。図６は、整流制御スイッチＳＷＡのダイオードＤＡ１を表しており、そのアノードがモータＰＭに接続され、そのカソードが１次整流スイッチ対のノードに接続されている。ダイオードＤＡ１のカソードはダイオードＤＡ２のアノードに接続され、スイッチ要素ＱＡはモータＰＭに接続されている。整流制御スイッチＳＷＢ又はＳＷＣは同様に構成されている。

代替例として、ダイオードＤＡ２及びスイッチ要素ＱＡの位置は、ダイオードＤＡ２のカソードがダイオードＤＡ１のアノードに接続されるように交換することができる。
代替例として、整流制御スイッチＳＷＡ、ＳＷＢ及びＳＷＣは、図４に関して説明した仕方に類似した態様で端部間を逆転することができ、このときスイッチは申し分無く機能する。

本発明の別の実施例では、自動車エンジンは、複数のステータ巻き線Ａ、Ｂ、Ｃを備えたステータを有する多相装置ＰＭと、コントローラと、複数の１次整流スイッチ対Ｑ１〜Ｑ６及びＤ１〜Ｄ６と、ニュートラルターミナルＮと、複数の整流制御スイッチＳＷＡ、ＳＷＢ及びＳＷＣと、を備えている。多相装置は三相伝導モータであるか又はステータ内の三相より多い相の巻き線を有する任意の電動モータであってもよい。複数の１次整流スイッチ対の各々は、各々のノードにおいて接続された第１及び第２の１次整流スイッチを備える。第１のスイッチ対は、ノードＮＡで接続された、第１の１次整流スイッチ（Ｑ１、Ｄ１）及び第２の１次整流スイッチ（Ｑ４、Ｄ４）を備えている。第２のスイッチ対は、ノードＮＢで接続された、第１の１次整流スイッチ（Ｑ２、Ｄ２）及び第２の１次整流スイッチ（Ｑ５、Ｄ５）を備えている。第３のスイッチ対は、ノードＮＣで接続された、第１の１次整流スイッチ（Ｑ３、Ｄ３）及び第２の１次整流スイッチ（Ｑ６、Ｄ６）を備えている。

複数の整流制御スイッチの各々は、対応するステータ巻き線回路がニュートラルターミナルとノードの各々一つとの間に形成されるようにステータ巻き線の対応する巻き線に連結されている。複数のステータ巻き線回路の各々は、ニュートラルターミナルＮと、ノードＮＡ、ＮＢ又はＮＣの各々一つとの間で連結されている。２つの代替構成が、各ステータ巻き線回路の設計者に利用可能である。

第１の代替構成では、第１のステータ巻き線回路は、ノードＮＡと、三相モータＰＭの巻き線Ａの一方の端部との間に接続された整流制御スイッチＳＷＡを備え、巻き線Ａの他方の端部はニュートラルターミナルＮに接続されている。第２のステータ巻き線回路は、ノードＮＢと、三相モータＰＭの巻き線Ｂの一方の端部との間に接続された整流制御スイッチＳＷＢを備え、巻き線Ｂの他方の端部はニュートラルターミナルＮに接続されている。第３のステータ巻き線回路は、ノードＮＣと、三相モータＰＭの巻き線Ｃの一方の端部との間に接続された整流制御スイッチＳＷＣを備え、巻き線Ｃの他方の端部はニュートラルターミナルＮに接続されている。

第２の代替構成では、第１のステータ巻き線回路は、ニュートラルターミナルＮと、三相モータＰＭの巻き線Ａの一方の端部との間に接続された整流制御スイッチＳＷＡを備え、巻き線Ａの他方の端部はノードＮＡに接続されている。第２のステータ巻き線回路は、ニュートラルターミナルＮと、三相モータＰＭの巻き線Ｂの一方の端部との間に接続された整流制御スイッチＳＷＢを備え、巻き線Ｂの他方の端部はノードＮＢに接続されている。第３のステータ巻き線回路は、ニュートラルターミナルＮと、三相モータＰＭの巻き線Ｃの一方の端部との間に接続された整流制御スイッチＳＷＣを備え、巻き線Ｃの他方の端部はノードＮＣに接続されている。設計者は、モータＰＭとニュートラルターミナルＮとの間で１つ以上の整流制御スイッチに接続することさえ選択することができ、モータＰＭとノードの各々一つとの間に他の整流制御スイッチを接続することを選択することができる。

図３に関して上述されたように、各々の整流制御スイッチは、直列スイッチ回路と並列に接続された第１のダイオードを備え、各々の直列スイッチ回路は、第２のダイオードと、スイッチ要素とを備える。スイッチ要素は、第２のダイオードと直列に接続されている。図３に関して上述されたように、コントローラは、供給電圧が逆起電力に等しくなる時点に対する１次整流スイッチのオンタイム及びオフタイムを制御するため、整流制御スイッチの各々のスイッチ要素に連結され、１次整流スイッチ対に連結されている。

本発明に係る更に別の実施例では、電動モータシステムは、電動モータシステムは、電源と、複数のステータ巻き線Ａ、Ｂ、Ｃを備えたステータを有する多相装置ＰＭと、コントローラと、複数の１次整流スイッチ対Ｑ１〜Ｑ６と、電源に連結されたＤ１〜Ｄ６と、ニュートラルターミナルＮと、多相装置に連結された複数の整流制御スイッチＳＷＡ、ＳＷＢ及びＳＷＣと、を備えている。多相装置は、三相電動モータであるか又はステータ内で３相よりも多い相を有する任意の電動モータであってもよい。電源は、電気バッテリＢＡＴ、燃料電池等であってもよい。好ましくは、キャパシタＣＡＰは、電源と並列に接続されている。複数の１次整流スイッチ対の各々は、各々のノードで接続された、第１及び第２の１次整流スイッチを備えている。第１のスイッチ対は、ノードＮＡで接続された、第１の１次整流スイッチ（Ｑ１、Ｄ１）と、第２の１次整流スイッチ（Ｑ４、Ｄ４）と、を備えている。第２のスイッチ対は、ノードＮＢで接続された、第１の１次整流スイッチ（Ｑ２、Ｄ２）と、第２の１次整流スイッチ（Ｑ５、Ｄ５）と、を備えている。第３のスイッチ対は、ノードＮＣで接続された、第１の１次整流スイッチ（Ｑ３、Ｄ３）と、第２の１次整流スイッチ（Ｑ６、Ｄ６）と、を備えている。

図３に関して上記したように、複数の整流制御スイッチの各々は、対応するステータ巻き線回路がニュートラルターミナルとノードの各々一つとの間に形成されるようにステータ巻き線の対応する巻き線に連結されている。複数のステータ巻き線回路の各々は、ニュートラルターミナルＮと、ノードＮＡ、ＮＢ又はＮＣの各々一つとの間に連結されている。２つの代替構成は、図３に関して上述されたように各ステータ巻き線回路の設計者に利用可能である。

図３に関して上記したように、各々の整流制御スイッチは、直列スイッチ回路と並列に接続された第１のダイオードを備え、各直列スイッチ回路は、第２のダイオード及びスイッチ要素を備える。スイッチ要素は、第２のダイオードに直列に接続されている。図３に関して上記したように、コントローラは、供給電圧が逆起電力に等しくなる時点に対する、１次整流スイッチのオンタイム及びオフタイムを制御するため、整流制御スイッチの各々のスイッチ要素に連結され、１次整流スイッチ対に連結されている。

多相装置を制御するための新規な回路の好ましい実施例（説明を意図しておりこれに限定するものではない）を説明したが、上記教えに鑑みて当業者により様々な変更及び変形をなすことができる。従って、添付した請求の範囲により画定される本発明の範囲内で、本発明の特定の実施例において様々な変更をなすことができることが理解されるべきである。

以上の通り、本発明を、詳細に特許法により特に要求されるように説明したが、特許の文言により請求され、保護されることが望ましいものは、添付した請求の範囲に記載されている。

図１は、電気自動車及びハイブリッド自動車のための既知の種類のインバータの概略図である。図２は、電気自動車及びハイブリッド自動車のための別の既知の種類のインバータの概略図である。図３は、本発明の一実施例に係るインバータの概略図である。図４は、図３のインバータの一変形例の概略図である。図５は、図３のインバータの別の変形例の概略図である。図６は、図３のインバータの更に別の変形例の概略図である。

Claims

複数のステータ巻き線を備えたステータを有する多相装置を制御するための回路であって、
コントローラと、
複数の１次整流スイッチ対であって、各スイッチ対は、各々のノードで接続された第１及び第２の１次整流スイッチを備える、前記複数の１次整流スイッチ対と、
ニュートラルターミナルと、
複数の整流制御スイッチであって、各整流制御スイッチは、対応するステータ巻き線回路が前記ニュートラルターミナルと前記ノードの各々一つとの間に形成されるように前記ステータ巻き線の対応する巻き線に連結されている、前記複数の複数の整流制御スイッチと、
を備え、
前記整流制御スイッチの各々は、直列スイッチ回路と並列に接続された第１のダイオードを備え、
前記直列スイッチ回路の各々は、第２のダイオードとスイッチ要素とを備え、該スイッチ要素は前記第２のダイオードと直列に接続され、
前記コントローラは、供給電圧が逆起電力に等しくなる時点に対する前記１次整流スイッチのオンタイム及びオフタイムを制御するため、前記整流制御スイッチの各々の前記スイッチ要素に連結され、前記１次整流スイッチ対に連結されている、回路。
前記整流制御スイッチの各々における前記スイッチ要素は、NPN IGBT、PNP IGBT、及び、MOSFETのうちいずれか１つを備えている、請求項１に記載の回路。
前記第１及び第２のダイオードのいずれか一方のアノードは、前記整流制御スイッチの各々における前記第１及び第２のダイオードのいずれか他方のカソードに接続されている、請求項２に記載の回路。
前記第１及び第２のダイオードのいずれか一方のアノードは、前記整流制御スイッチの各々における前記第１及び第２のダイオードのいずれか他方のカソードに接続されている、請求項１に記載の回路。
自動車エンジンであって、
複数のステータ巻き線を備えたステータを有する多相装置と、
コントローラと、
複数の１次整流スイッチ対であって、各スイッチ対は、各々のノードで接続された第１及び第２の１次整流スイッチを備える、前記複数の１次整流スイッチ対と、
ニュートラルターミナルと、
前記多相装置に連結された複数の整流制御スイッチであって、各整流制御スイッチは、対応するステータ巻き線回路が前記ニュートラルターミナルと前記ノードの各々一つとの間に形成されるように前記ステータ巻き線の対応する巻き線に連結されている、前記複数の複数の整流制御スイッチと、
を備え、
前記整流制御スイッチの各々は、直列スイッチ回路と並列に接続された第１のダイオードを備え、
前記直列スイッチ回路の各々は、第２のダイオードとスイッチ要素とを備え、該スイッチ要素は前記第２のダイオードと直列に接続され、
前記コントローラは、供給電圧が逆起電力に等しくなる時点に対する前記１次整流スイッチのオンタイム及びオフタイムを制御するため、前記整流制御スイッチの各々の前記スイッチ要素に連結され、前記１次整流スイッチ対に連結されている、自動車エンジン。
前記整流制御スイッチの各々における前記スイッチ要素は、NPN IGBT、PNP IGBT、及び、MOSFETのうちいずれか１つを備えている、請求項５に記載の自動車エンジン。
前記第１及び第２のダイオードのいずれか一方のアノードは、前記整流制御スイッチの各々における前記第１及び第２のダイオードのいずれか他方のカソードに接続されている、請求項６に記載の自動車エンジン。
前記第１及び第２のダイオードのいずれか一方のアノードは、前記整流制御スイッチの各々における前記第１及び第２のダイオードのいずれか他方のカソードに接続されている、請求項５に記載の自動車エンジン。
電動モータシステムであって、
電源と、
複数のステータ巻き線を備えたステータを有する多相装置と、
コントローラと、
前記電源に連結された複数の１次整流スイッチ対であって、各スイッチ対は、各々のノードで接続された第１及び第２の１次整流スイッチを備える、前記複数の１次整流スイッチ対と、
ニュートラルターミナルと、
前記多相装置に連結された複数の整流制御スイッチであって、各整流制御スイッチは、対応するステータ巻き線回路が前記ニュートラルターミナルと前記ノードの各々一つとの間に形成されるように前記ステータ巻き線の対応する巻き線に連結されている、前記複数の複数の整流制御スイッチと、
を備え、
前記整流制御スイッチの各々は、直列スイッチ回路と並列に接続された第１のダイオードを備え、
前記直列スイッチ回路の各々は、第２のダイオードとスイッチ要素とを備え、該スイッチ要素は前記第２のダイオードと直列に接続され、
前記コントローラは、供給電圧が逆起電力に等しくなる時点に対する前記１次整流スイッチのオンタイム及びオフタイムを制御するため、前記整流制御スイッチの各々の前記スイッチ要素に連結され、前記１次整流スイッチ対に連結されている、電動モータシステム。
前記整流制御スイッチの各々における前記スイッチ要素は、NPN IGBT、PNP IGBT、及び、MOSFETのうちいずれか１つを備えている、請求項９に記載の電動モータシステム。
前記第１及び第２のダイオードのいずれか一方のアノードは、前記整流制御スイッチの各々における前記第１及び第２のダイオードのいずれか他方のカソードに接続されている、請求項１０に記載の電動モータシステム。
前記第１及び第２のダイオードのいずれか一方のアノードは、前記整流制御スイッチの各々における前記第１及び第２のダイオードのいずれか他方のカソードに接続されている、請求項９に記載の電動モータシステム。