專利名稱：交流馬達驅(qū)動電路以及電動車輛驅(qū)動電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于通過使用交流發(fā)電機以及包括蓄電池和電容器的直流電 源驅(qū)動交流馬達的交流馬達驅(qū)動電路、以及使用該交流馬達驅(qū)動電路的電動車 輛驅(qū)動電路。
2.
背景技術(shù)：
對于此類電路，有已知的如圖11所示的電路(例如，參見 JP-A-2004-112883)。
圖11是示出相關(guān)交流馬達驅(qū)動電路的第一示例的電路圖。在該電路中， 交流發(fā)電機M2的三相交流輸出被電壓源整流器31轉(zhuǎn)換成直流輸出，該電壓 源整流器31由開關(guān)器件以及反向并聯(lián)的二極管連接成為其各個臂的橋式電路 形成。直流輸出由連接在直流鏈路(連接點N1和N2)的電容器13平滑處理。 經(jīng)平滑處理的直流輸出從直流鏈路傳遞到電池B，來自電池B的直流輸出也被 輸入到直流鏈路。此外，在直流鏈路與電池B之間，直流斬波器12被設(shè)置用 于執(zhí)行直流電壓轉(zhuǎn)換，用于將來自直流鏈路的直流電能提供給電池B、并且相 反地將來自電池B的直流電能提供給直流鏈路。此外，以上被輸入到直流鏈路 的直流電能通過電壓源逆變器14轉(zhuǎn)換成交流輸出，該電壓源逆變器14由各個 開關(guān)器件Q3到Q8與其各個相應(yīng)的二極管D3到D8配對反向并聯(lián)連接成為其 各個臂的橋式電路形成。在有經(jīng)轉(zhuǎn)換的交流電能的情況下，交流馬達M1被驅(qū) 動。
然而，作為將交流發(fā)電機的輸出直接轉(zhuǎn)換成具有不同頻率的交流輸出并且 將經(jīng)轉(zhuǎn)換的輸出饋送給交流馬達的電路的一個示例，諸如圖12中所示的電路 也是己知的(例如，參見JP-A-2005-318731)。
圖12是示出相關(guān)交流馬達驅(qū)動電路的第二示例的電路圖。在該電路中， 馬達發(fā)電機MG1與MG2之間的電能轉(zhuǎn)換通過使用矩陣轉(zhuǎn)換器38實現(xiàn)。此外，
3為了在電池12與馬達發(fā)電機MG1和MG2之間交換電能，設(shè)置了電壓源逆變 器36和直流斬波器32。
順便提及的是，在圖11中所示的電路中，用于平滑處理直流輸出的電容 器13被要求具有大的電容，這使得電路的小型化變得困難。此外，在直流斬 波器12中需要電抗器L1。從這點來看，還存在使電路大型化的問題。
此外，在圖12中所示的電路中，電池12與馬達發(fā)電機MG2之間還需要 大的直流電容器C2，這使得電路的小型化變得困難。此外，直流斬波器32中 需要電抗器L。從這點，還存在使電路大型化的問題。
然而，電流源整流器與電壓源逆變器的組合被用于稱為間接矩陣轉(zhuǎn)換器的 系統(tǒng)中，該系統(tǒng)在以下非專利文獻中公開("直接的交流/交流轉(zhuǎn)換器的技術(shù)趨 勢"，IEEEJ工業(yè)應(yīng)用會干ll (IEEEJ Transactions on Industry Applications)，第 126-D巻，No.9，第1161-1170頁(日文))。該文獻描述電流源整流器與電 壓源逆變器的使用使諸如圖11中所示的電容器13之類的大型部件可被省略。 JP-A-2004-112883 JP-A-2005-318731"直接的交流/交流轉(zhuǎn)換器的技術(shù)趨勢"，正EEJ工業(yè)應(yīng) 用會刊，第126-D巻，No. 9，第1161-1170頁(日文)。
因此，本發(fā)明的一個目的是消除對諸如以上之類的交流馬達驅(qū)動電路中的 直流斬波器中的直流電容器和電抗器的需要并且小型化該驅(qū)動電路。

發(fā)明內(nèi)容
為解決以上問題并實現(xiàn)該目的，本發(fā)明的第一方面表征為用于驅(qū)動交流馬 達的交流馬達驅(qū)動電路包括交流發(fā)電機；能夠提供和吸收電能的直流電源； 設(shè)置在交流發(fā)電機的輸出側(cè)上的電流源整流器；設(shè)置在電流源整流器與交流馬 達之間的電壓源逆變器，通過該逆變器交流馬達連接到電流源整流器的輸出 側(cè)；以及多個各自用其端子之一連接到電壓源逆變器的其自身相應(yīng)的輸出端的 雙向開關(guān)。在該驅(qū)動電路中，多個雙向開關(guān)的其它端子集總在一起以連接到直 流電源的端子之一，并且直流電源的另一端子連接到電壓源逆變器的直流輸入 端子之一。本發(fā)明的第二方面為在根據(jù)本發(fā)明的第一方面的交流馬達驅(qū)動電路中， 開關(guān)器件以及與其反向并聯(lián)的二極管可用于雙向開關(guān)。在根據(jù)本發(fā)明的第一或 第二方面的交流馬達驅(qū)動電路中，作為本發(fā)明的第三方面，電流源整流器可形 成有連接為橋式電路的各個臂的多個雙向開關(guān)電路并且可在交流輸入側(cè)上設(shè) 置有濾波器電路，或者，作為本發(fā)明的第四方面，電流源整流器可形成有連接 為橋式電路的各個臂的多個各自具有反向阻斷能力的單向開關(guān)并且可在交流 輸入側(cè)上設(shè)置有濾波器電路。
作為本發(fā)明的第五方面，使用根據(jù)本發(fā)明的第一至第四方面的任一個的交
流馬達驅(qū)動電路的電動車輛驅(qū)動電路可被設(shè)置為其中交流發(fā)電機由內(nèi)燃機驅(qū) 動。
根據(jù)本發(fā)明，在交流馬達驅(qū)動電路中，使用針對整流電路的電流源整流器 以及針對逆變器的電壓源逆變器的直接轉(zhuǎn)換器電路的利用使得交流發(fā)電機與 交流馬達之間的電能轉(zhuǎn)換能夠執(zhí)行而無需在輸入和輸出直流電能的直流鏈路 上設(shè)置大電容器。此外，雙向開關(guān)的端子之一連接到電壓源逆變器的各個輸出 端，雙向開關(guān)的另一端連接到直流電源的端子之一，并且直流電源的另一端子 連接到電壓源逆變器的直流輸入端之一。在此情況下，通過雙向開關(guān)以及電壓 源逆變器的上或下臂，電壓源逆變器可形成為具有設(shè)置在輸入側(cè)的直流電源并 且具有設(shè)置在輸出側(cè)的交流馬達。
在以上配置中，在使整流電路的操作停止并且使與雙向開關(guān)一起形成非電 壓源逆變器的上臂或下臂中的所有開關(guān)器件被關(guān)斷的情況下，包括下臂或上臂 的剩余部分以及雙向開關(guān)的電壓源逆變器的操作使雙向電能能夠在直流電源 與交流馬達之間交換。能夠既用來自交流發(fā)電機的輸出電能又用來自直流電源 的電能提供執(zhí)行電能供給的這種轉(zhuǎn)換電路的配置能夠使用這兩種以上類型的 電能通過執(zhí)行以上電源的時分開關(guān)來驅(qū)動交流馬達。此外，通過停止整流電路 的操作并且關(guān)斷形成與雙向開關(guān)一起形成非電壓源逆變器的上臂或下臂中的 所有開關(guān)器件，或者通過在使所有的雙向開關(guān)關(guān)斷的情況下操作整流電路，交 流馬達可用由直流電源和交流發(fā)電機中的僅一個所提供的輸出電能驅(qū)動。
此外，還是在將交流馬達用作制動器的情況下，以與以上相同的方式，交 流馬達中生成的電能可被傳遞到交流發(fā)電機和直流電源中的至少一個以使交流馬達執(zhí)行再生操作。在該配置中，不僅相關(guān)驅(qū)動電路的各個示例中的直流鏈 路的大電容器，而且在相關(guān)驅(qū)動電路的示例中的各個斬波器中所需的大電抗器 (圖11中的電抗器L1以及圖12中的電抗器L)都是不必要的。這使得提供 具有降低成本以及減小尺寸和減輕重量的驅(qū)動電路成為可能。
在以上配置中，當直流電源的電壓總是高于電流源整流器的輸出電壓時， 在包括其中從電流源整流器提供電能的周期的整個周期中，施加到雙向開關(guān)的 電壓的極性總是保持為相同。即使雙向開關(guān)被開關(guān)器件以及與其反向并聯(lián)連接 的二極管代替，使用與使用雙向開關(guān)時的操作相同的操作也是可能的，從而雙
向開關(guān)可以被簡化。
通過將具有設(shè)置在交流輸入端上的濾波器電路以及在輸出側(cè)上形成的雙
向開關(guān)器件連接成各臂的橋式電路的電路用作電流源整流器，在交流馬達驅(qū)動 電路用于將在交流馬達中生成的電能傳遞到交流發(fā)電機的再生操作時的情況 下，該再生操作可用簡單的電路配置來實現(xiàn)。此時，在整流電路中電流路徑中
的器件數(shù)目可少至2，從而還獲得好的轉(zhuǎn)換效率。此外，通過使用具有設(shè)置在
交流輸入側(cè)上的濾波器電路以及在輸出側(cè)上形成有各自具有反向阻斷能力的 單向開關(guān)器件連接為各臂的橋式電路的電路，在交流馬達驅(qū)動電路被用于非再 生操作并且不將在交流馬達中生成的電能傳遞到交流發(fā)電機時的情況下，電路 配置可做得較簡單些。
用于諸如混合動力車之類的電動車輛的驅(qū)動電路需要被安裝在有限空間 內(nèi)。然而，使用根據(jù)本發(fā)明的電路使得大型電容器或大型抗電器沒有必要。因 此，對電動車輛而言在這種有限空間中安裝驅(qū)動電路以使馬達和發(fā)電機能輸出 更高的功率變得可能，這可增強電動車輛的加速和減速性能。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的交流馬達驅(qū)動電路的實施例的電路圖； 圖2是示出用于如圖1所示的驅(qū)動電路的雙向開關(guān)的第一具體示例的電路
圖3是示出用于如圖1所示的驅(qū)動電路的雙向開關(guān)的第二具體示例的電路
6圖4是示出圖1所示的交流馬達驅(qū)動電路的第一變體的示例的電路圖； 圖5是示出圖1所示的交流馬達驅(qū)動電路的第二變體的示例的電路圖； 圖6是示出圖4所示的交流馬達驅(qū)動電路的另一變體的示例的電路圖； 圖7是示出圖1所示的交流馬達驅(qū)動電路的第三變體的示例的電路圖； 圖8是示出圖7所示的濾波器電路的具體示例的電路圖； 圖9是示出圖7所示的交流馬達驅(qū)動電路的另一變體的示例的電路圖； 圖IO是示出圖1所示的交流馬達驅(qū)動電路的應(yīng)用的示例的圖示； 圖11是示出相關(guān)交流馬達驅(qū)動電路的第一示例的電路圖；以及 圖12是示出相關(guān)交流馬達驅(qū)動電路的第二示例的電路圖。
具體實施例方式
圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的交流馬達驅(qū)動電路的實施例的電路圖。
如圖1所示，在該實施例中，三相交流發(fā)電機1的輸出側(cè)連接有電流源整 流器2，在該電流源整流器2的輸出側(cè)設(shè)置有通過一對正負直流輸入端與其連 接的第一電壓源逆變器3。在該第一電壓源逆變器3的輸出側(cè)，通過其三相交 流輸出執(zhí)行三相交流馬達4的可變速驅(qū)動。第一電壓源逆變器3的各個三相交 流輸出端連接有雙向開關(guān)6的端子之一，其另一端子連接到蓄電池5的正端子。 蓄電池5的負端子連接到第一電壓源逆變器3的負直流輸入端。對于蓄電池5， 可使用電容器或直流電源系統(tǒng)，其通過諸如能夠進行雙向功率轉(zhuǎn)換的直流斬波 器之類的直流到直流轉(zhuǎn)換器連接到蓄電池或電容器。
有了如圖1中所示的配置，交流發(fā)電機1的交流輸出與交流馬達4的交流 輸入之間的電能轉(zhuǎn)換通過在使用第一電壓源逆變器3將直流輸出轉(zhuǎn)換成交流輸 出之前使用電流源整流器2將交流發(fā)電機1的交流輸出一次轉(zhuǎn)換成直流輸出來 實現(xiàn)。此外，在圖1中，被點劃線圍繞的部分是第二電壓源逆變器31,其形成 有三個雙向開關(guān)6以及第一電壓源逆變器3的三個下臂(一個臂形成有開關(guān)器 件3a以及與其反向并聯(lián)連接的二極管3b)。第二電壓源逆變器31使蓄電池5 的輸出作為其直流輸入，并且使用其輸出執(zhí)行交流馬達4的可變速驅(qū)動。
因此，可提供給交流馬達4的交流電能是來自交流發(fā)電機l的交流電能 通過電壓源整流器2被轉(zhuǎn)換成直流電能、并且該直流電能通過第一電壓源逆變
7器3被再次轉(zhuǎn)換成的交流電能(第一電能)，以及由蓄電池5所提供的直流電 能通過第二電壓源逆變器31所轉(zhuǎn)換成的交流電能(第二電能)。此時，在交 替地開關(guān)第一電壓源逆變器3和第二電壓逆變器31的操作的同時所執(zhí)行的時
分操作使第一電能和第二電能能夠被提供給交流馬達4。
此外，在使電流源整流器2停止并且使第一電壓源逆變器3的上臂中的所 有三個開關(guān)器件3a關(guān)斷的情況下，交流馬達4的可變速驅(qū)動還可僅用交流電 能(第二電能)執(zhí)行，該交流電能通過第二電壓源逆變器31由蓄電池5所提 供的直流電能轉(zhuǎn)換而成。同樣地，通過在所有雙向開關(guān)6保持關(guān)斷的情況下操 作第一電壓源逆變器3，交流馬達4可僅用交流電能(第一電能)驅(qū)動，該交 流電能是由來自交流發(fā)電機1的交流電能通過電壓源整流器2被轉(zhuǎn)換成直流電 能、并且該直流電能通過第一電壓源逆變器3被再次轉(zhuǎn)換成的交流電能。
此外，同樣是在制動交流馬達4時，再生操作可使用一種模式執(zhí)行，在該 模式中在按以上相同方式使第一電壓源逆變器3用作整流器且使電流源整流器 2進一步用作逆變器的情況下在用作發(fā)電機的交流馬達4中所生成的交流電能 僅被傳遞給交流發(fā)電機1。此外，存在一種其中在使第二電壓源逆變器31用作 整流器的情況下交流馬達4中生成的交流電能被僅傳遞給蓄電池5的再生操作 模式、或者其中在交流馬達4中生成的交流電能被傳遞給交流發(fā)電機1以及蓄 電池5兩者的再生操作模式。在交流馬達4中生成的交流電能可使用三種再生 操作模式中的任一種傳遞。
雙向開關(guān)6可通過使用例如各個其自身具有反向阻斷能力的開關(guān)器件6a 如圖2所示地具體形成。此外，當使用其自身不具有反向阻斷能力的各個開關(guān) 器件6b時，雙向開關(guān)6可通過附加地使用二極管6c如圖3所示地具體形成。
圖4是示出圖1所示的交流馬達驅(qū)動電路的第一變體的示例的電路圖。
如圖4所示，驅(qū)動電路的配置與圖1中所示的不同之處在于雙向開關(guān)6 連接到蓄電池5的負端子并且蓄電池5的正端子連接到第一電壓源逆變器3的 直流輸入端的正端子。在圖4中，被點劃線圍繞的部分是第三電壓源逆變器32， 其形成有三個雙向開關(guān)6以及第一電壓源逆變器3的三個上臂。該第三電壓源 逆變器32使蓄電池5的直流輸出作為其直流輸入，并且用其輸出執(zhí)行交流馬 達4的可變速驅(qū)動。這使得該電路能與圖1中所示電路的操作類似地操作。
8圖5是示出圖1所示的交流馬達驅(qū)動電路的第二變體的示例的電路圖。
除了圖1中所示的各個雙向開關(guān)6被開關(guān)器件6e以及與其反向并聯(lián)連接 的二極管6f代替之外，該電路與圖1中所示的電路完全相同。當蓄電池5的 電壓總是高于電流源整流器2的輸出電壓時，施加到各個開關(guān)(6e + 6f)的電 壓V^總是正的(對于電壓的極性，參見圖5中所示的箭頭)。在這種情況下， 與圖1中所示電路操作相同的電路操作成為可能。因而，圖1中所示的雙向開 關(guān)6可以被簡化。
圖6是示出圖4所示的交流馬達驅(qū)動電路的另一變體的示例的電路圖。除 了圖4中所示的各個雙向開關(guān)6被開關(guān)器件6e以及與其反向并聯(lián)連接的二極 管6f代替之外，該電路與圖4中所示的驅(qū)動電路完全相同。當蓄電池5的電 壓總是高于電流源整流器2的輸出電壓時，施加到各個開關(guān)(6e + 6f)的電壓 V^總是正的(對于電壓的極性，參見圖6中所示的箭頭)。在這種情況下， 與圖4中所示電路操作相同的電路操作成為可能。因而，圖4中所示的雙向開 關(guān)6可以被簡化。
圖7是示出圖1所示的交流馬達驅(qū)動電路的第三變體的示例的電路圖。該 電路表征為在圖l所示的電路中，電流源整流器2形成有設(shè)置在交流輸入側(cè) 的濾波器電路2a、以及連接為橋式電路的臂的雙向開關(guān)2b。濾波器電路2a可 以實現(xiàn)為例如LC濾波器，該LC濾波器利用如圖8所示的交流發(fā)電機1的內(nèi) 電感以及設(shè)置成星形連接的電容器2aa。此外，雙向開關(guān)2b的實現(xiàn)通過使用類 似例如雙向開關(guān)6的圖2或圖3中所示的電路成為可能。
圖9是示出圖7所示的交流馬達驅(qū)動電路的進一步變體的示例的電路圖。 這是其中圖7所示的各個雙向開關(guān)2b被具有反向阻斷能力的單向開關(guān)2c代替 的電路。在此，對于開關(guān)2c，選擇其自身具有反向阻斷能力的器件。然而，該 器件可形成有其自身不具有反向阻斷能力的開關(guān)器件以及與其串聯(lián)連接的二 極管。
圖10是示出圖1所示的交流馬達驅(qū)動電路的應(yīng)用的示例的圖示。在此示 例中，對于圖l所示的交流馬達驅(qū)動電路，內(nèi)燃機7被附加地設(shè)置成機械地耦 合到交流發(fā)電機l。此外，通過將交流馬達4的輸出軸經(jīng)由齒輪8連接到輪子 9，該交流馬達驅(qū)動電路被設(shè)置為電動車輛驅(qū)動電路。內(nèi)燃機引擎7當然可施加到圖4至7以及圖9中所示的電路中。
雖然已參考本發(fā)明的優(yōu)選實施例具體示出和描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域普通 技術(shù)人員會理解在形式和細節(jié)上可作出上述和其它改變而不背離本發(fā)明的精 神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種交流馬達驅(qū)動電路，其包括交流發(fā)電機；直流電源，其能夠提供和吸收電能；電流源整流器，其設(shè)置在所述交流發(fā)電機的輸出側(cè)上；電壓源逆變器，其設(shè)置在所述電流源整流器與交流馬達之間，所述交流馬達通過所述逆變器連接到所述電流源整流器的輸出側(cè)；以及多個雙向開關(guān)，各個雙向開關(guān)使用其端子中的一個端子連接到所述電壓源逆變器上其相對應(yīng)的輸出端，所述多個雙向開關(guān)的其它端子集總在一起以連接到所述直流電源的端子之一；以及所述直流電源的另一端子連接到所述電壓源逆變器的直流輸入端之一。
2. 如權(quán)利要求1所述的交流馬達驅(qū)動電路，其特征在于，將開關(guān)器件以 及與其反向并聯(lián)的二極管用為所述雙向開關(guān)。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的交流馬達驅(qū)動電路，其特征在于，所述電流 源整流器中形成有多個雙向開關(guān)，所述雙向開關(guān)連接為橋式電路的各個臂，且 在所述交流輸入側(cè)設(shè)置有濾波器電路。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的交流馬達驅(qū)動電路，其特征在于，所述電流 源整流器中形成有多個各自具有反向阻斷能力的單向開關(guān)，所述單向開關(guān)連接 為橋式電路的各個臂，且在所述交流輸入側(cè)設(shè)置有濾波器電路。
5. —種電動車輛驅(qū)動電路，使用如權(quán)利要求1至4中任一項所述的交流 馬達驅(qū)動電路，其中，所述交流發(fā)電機由內(nèi)燃機驅(qū)動。
全文摘要
本發(fā)明為交流馬達驅(qū)動電路以及電動車輛驅(qū)動電路。在交流馬達驅(qū)動電路中，電流源整流器2被設(shè)置在交流發(fā)電機2的輸出側(cè)，并且交流馬達4通過電壓源逆變器3連接到電流源整流器2的輸出側(cè)。除此之外，多個雙向開關(guān)6各自的端子之一連接到電壓源逆變器3的其自身相應(yīng)的輸出端，多個雙向開關(guān)6的其它端子集總在一起以連接到蓄電池5的端子之一，并且蓄電池5的另一端子連接到電壓源逆變器3的直流輸入端之一。這消除對先前必需的DC鏈路上的大電容器以及斬波器中的電抗器的需要，藉此交流馬達驅(qū)動電路被小型化。
文檔編號B60L11/12GK101582678SQ20091014142
公開日2009年11月18日 申請日期2009年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月13日
發(fā)明者巖堀道雄, 鹢頭政和 申請人:富士電機電子技術(shù)株式會社