DE102005031621A1

DE102005031621A1 - Leistungswandlervorrichtung

Info

Publication number: DE102005031621A1
Application number: DE102005031621A
Authority: DE
Inventors: Hirokazu Yokosuka Tokuda; Nobuyuki Yokosuka Kobayashi; Yasuhiro Yokosuka Okuma; Hiroyuki Matsuo; Osamu Hashimoto
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-07-08
Filing date: 2005-07-06
Publication date: 2006-02-16
Also published as: TW200620806A; JP4556516B2; JP2006025540A; US7245508B2; US20060007712A1; TWI348812B; CN1719712A

Abstract

Beschrieben wird eine Leistungswandlervorrichtung zur Verbeserung des steuerbaren Ausgangsspannungsbereichs und zum Abgeben einer gewünschten Ausgangsspannung mit einer verminderten Verzerrung. Die reihengeschalteten Arme U und X, die reihengeschalteten Arme V und Y, die reihengeschalteten Arme W und Z und der Kondensator (3) sind miteinander parallel geschaltet. Die eingangsseitigen reihengeschalteten Arme U und X und die ausgangsseitigen reihengeschalteten Arme W und Z werden der PWM-Steuerung unterzogen, so dass die reihengeschalteten Arme W und Z so gesteuert werden, dass sie eine Spannung haben, die niedriger ist als diejenige der reihengeschalteten Arme U und X, wodurch ein Abwärtstransformierungsbetrieb bereitgestellt wird. Ein Aufwärtstransformierungsbetrieb kann ebenfalls durch eine entgegengesetzte Beziehung vorgesehen werden, in der die reihengeschalteten Arme W und Z so gesteuert werden, dass sie eine Spannung haben, die höher ist als diejenige der reihengesteuerten Arme U und X. Dieser erweitert den Bereich, in dem die Ausgangsspannung gesteuert wird, um die Verzerrung zu reduzieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungsschaltwandlervorrichtung, die beispielsweise für eine Konstantspannungs-Leistungsquellenvorrichtung oder eine Leistungsausgleichsvorrichtung verwendet wird.
Im Hinblick auf diese Art der Leistungsquelle wurden verschiedene Anstrengungen unternommen, um die Effizienz der Vorrichtung zu verbessern, um einen übermäßigen Leistungsverbrauch zu unterdrücken oder das Problem der Behandlung der erzeugten Wärme zu lösen. Als eine dieser Anstrengungen ist häufig ein Beispiel zu sehen, in dem zur Reduzierung des Schaltverlusts eines Leistungs-Halbleiterschaltelements (z. B. IGBT), das allgemein für diese Art der Leistungsquelle verwendet wird (wobei der Verlust durch eine Taktung verursacht ist, mit der diese Art von Schaltelement ein- und ausgeschaltet wird, weil diese Art von Schaltelement kein idealer Schalter ist), die Anzahl der Schaltvorgänge so weit wie möglich reduziert wird.
Diese Art der Konstantspannungs-Leistungsquelle muss auch eine konstante Ausgangsspannung ausgeben, womit eine Leistungsausgleichsvorrichtung erforderlich wird, um die Ausgangsspannung zu regeln. Somit muss diese Art der Leistungsquelle eine Funktion haben, eine Eingangsspannung zu verändern, um die Spannung an einem Ausgangsanschluss auszugeben.

3 zeigt ein Beispiel dieser Art einer Leistungsquelle, die beispielsweise in der JP 2-521345 A (Seiten 3-4, 1) gezeigt ist.

In der in 3(a) gezeigten Leistungsquelle werden die reihengeschalteten Arme V und Y mit einem Impuls angesteuert, der mit der umgekehrten Phase der Eingangsspannung Vin synchronisiert ist, um die Anzahl der Schaltvorgänge im Vergleich zu dem Fall eines Stromrichter mit Impulsweitenmodulation (PWM) zu reduzieren, in dem Schaltvorgänge mit einer Frequenz durchgeführt werden, die ausreichend höher als eine Leistungsquellenfrequenz ist, um dadurch eine Umwandlung mit hoher Effizienz zu schaffen.

In diesem Fall werden die reihengeschalteten Arme W und Z wie in 3(b) gezeigt als ein PWM-Stromrichter betrieben, der mit einer Frequenz geschaltet wird, die ausreichend höher als eine Leistungsquellenfrequenz ist, so dass ein Vollbrückenstromrichter, der aus den reihengeschalteten Armen V und Y und den reihengeschalteten Armen W und Z aufgebaut ist, durch einen bzw. als Wechselrichter betrieben wird, wodurch ein Ausgangssignal mit einer Sinuswelle abgegeben wird. Obgleich 3(b) die reihengeschalteten Arme W und Z schematisch mit Impulsen mit einem konstanten Intervall zeigt, werden tatsächlich die Impulsbreiten in Abhängigkeit von einer Signalwel lenform, die der PWM-Modulation unterzogen wird, erhöht oder vermindert. Anschließend wird eine Gleichspannung als Quelle einer Ausgang durch einen Vollbrückengleichrichter aus der Kombination der eingangsseitigen reihengeschalteten Arme U und X und der reihengeschalteten Arme V und Y gleichgerichtet, und somit ist die Gleichspannung gleich oder niedriger als der Spitzenwert der Eingangsspannung.

Dadurch bedingt ist diese Art des Stromrichters auf einen Abwärts-Transformierungsvorgang beschränkt, um die Ausgangsspannung niedriger als die Eingangsspannung zu machen, oder einen Vorgang, um die Eingangsspannung gleich der Ausgangsspannung vorzusehen. Insbesondere besteht eine Beschränkung darin, dass dieser Stromrichter keinen Aufwärts-Transformierungsvorgang durchführen kann, um die Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung zu machen. Der Grund dafür, dass die Eingangsseite als eine Diodenbrücke arbeitet, liegt darin, dass das von den in 3(b) gezeigten reihengeschalteten Armen V und Y erzeugte Impulsmuster die Diode mit einer Taktung auslöst, mit der die Elemente V und Y ein Auslösesignal empfangen. Daher kann die in 4(a) gezeigte Schaltung folglich in ähnlicher Weise betrieben werden. Die Ausgangswellenformen Vout werden in 3 und 4 ebenfalls ähnlich abgegeben.

5 zeigt ein weiteres Beispiel dieser Art der Leistungsquelle, die beispielsweise in der JP 3-185846 EP (Seiten 5-8, 2) gezeigt ist.

Wenn die Eingangsspannung relativ nahe an einer in der in 5(a) gezeigten Schaltung auszugebenden Spannung liegt, wird, wie in 5(b) gezeigt, ein mit der Leistungsquelle synchronisierter Impuls verwendet, um die reihengeschalteten Arme U und X und die reihengeschalteten Arme W und Z zu betreiben. Wenn jedoch die Eingangsspannung reduziert wird, werden das in 5(c) gezeigte Impulsmuster und ein Spannungsbefehlsmuster für den Betrieb verwendet.

Das Verfahren in 5 ist jedoch insofern eingeschränkt, als die Eingangsspannung nicht erhöht werden kann. Ferner basiert der in dem vorstehend genannten Beispiel verwendete Sofortspannungsbefehl auf einer idealen Annahme, und in der Realität kann ein IGBT oder dergleichen nicht momentan geschaltet werden. Folglich ist die Notwendigkeit entstanden, ein in 6 gezeigtes Intervall – als Totzeit bezeichnet – zwischen dem Ausschalten des oberen Armelements und dem Einschalten des unteren Armelements vorzusehen. In dieser Totzeit sind sowohl das obere als auch das untere Armelement ausgeschaltet. Die Länge des Zeitraums, der als diese Totzeit erforderlich ist, ist von den verwendeten Bauelementen abhängig. Somit ist es unmöglich, einen Impuls vorzusehen, der schmaler (oder dünner) als die Totzeit ist, womit der Fall auftritt, dass die Impulsbreite auf Grund des Vorhandenseins der Totzeit gemäß der Amplitude eines Spannungsbefehls von einem idealen Wert abweicht. Diese Einschränkung tritt als ein Grenzwert (λmax) eines Sofortspannungsbefehls auf.

Wenn λmax beispielsweise auf den Fall von 5(c) angewandt wird, wird der Spannungsbefehl λU der Phase U wie in 7 gezeigt verzerrt, was ebenfalls eine Verzerrung der Ausgangsspannung Vout verursacht, wie die Zeichnung zeigt.

Somit ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Bereich zu vergrößern, in dem die Ausgangsspannung geregelt werden kann, und eine günstige Ausgangsspannung mit einer verminderten Verzerrung abzugeben.

Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus Patentanspruch 1.

Zur Lösung des vorstehend beschriebenen Problems werden in der Erfindung gemäß Anspruch 1 die mit dem Eingangsanschluss verbundenen reihengeschalteten Arme U und X und die mit dem Ausgangsanschluss verbundenen reihengeschalteten Arme W und Z einer PWM-Steuerung unterzogen, so dass sowohl die reihengeschalteten Arme U und X als auch die reihengeschalteten Arme W und Z eine Spannung in einem von der Vorrichtung vorgesehen Bereich frei ausgeben können. Somit wird ein Abwärtstransformierungsbetrieb vorgesehen, in dem die reihengeschalteten Arme W und Z eine niedrigere Spannung als die der reihengeschalteten Arme U und X haben, und es wird ein Aufwärtstransformierungsbetrieb vorgesehen, in dem die reihengeschalteten Arme W und Z eine höhere Spannung haben als die der reihengeschalteten Arme U und X. Somit kann eine Ausgangsspannung über den größtmöglichen Bereich erzeugt werden, womit die Verzerrung vermindert wird.

Gemäß dieser Erfindung kann eine Ausgangsspannung über den größtmöglichen Bereich erzeugt werden, so dass die Beschränkung der Ausgangsspannung vermindert wird und die Verzerrung reduziert wird.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.
1 ist ein Schaltbild, das den grundsätzlichen Aufbau dieser Erfindung zeigt.
2 erläutert den Betrieb der in 1 gezeigten Erfindung.
3 zeigt ein erstes Beispiel nach dem Stand der Technik.
4 zeigt eine Modifikation des Beispiels aus 3.
5 zeigt ein zweites Beispiel nach dem Stand der Technik.
6 zeigt die Totzeit.
7 zeigt das in 5 zu lösende Problem.
1 zeigt eine Ausführungsform, die den Aufbau dieser Erfindung erläutert.
Im Einzelnen besteht der Arm U aus einer Antiparallelschaltung des IGBT 1 und der Diode 2. Der Arm X hat denselben Aufbau. Die Arme U und X sind in Reihe geschaltet. Das Gleiche gilt für die reihenge schalteten Arme V und Y und die reihengeschalteten Arme W und Z. Diese drei Reihenschaltungen sind mit dem Kondensator 3 parallel geschaltet. Der Zwischenpunkt der reihengeschalteten Arme U und X ist mit dem Eingangsanschluss verbunden, während der Zwischenpunkt der reihengeschalteten Arme W und Z über die Drossel 5 mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist. Der Zwischenpunkt der reihengeschalteten Arme V und Y ist über die Drossel 4 mit dem anderen Ende der Eingangsanschlüsse verbunden und dieser Anschluss ist außerdem mit dem anderen Ende der Ausgangsanschlüsse verbunden.
Die Schaltung aus 1 kann als ein Reihen-Parallel-Stromrichter angenommen werden, in dem ein mit einer Eingangsspannung parallel geschalteter Parallelstromrichter mit einem zwischen einem Ausgang und einem Ausgang in Reihe geschalteten Reihenstromrichter kombiniert ist. Der Parallelstromrichter, der eine Konfiguration eines Vollbrückenstromrichters bzw. -gleichrichters hat, die aus den reihengeschalteten Armen U und X und den reihengeschalteten Armen V und Y besteht, wird verwendet, um die Gleichspannung des Kondensators 3 auf einem bestimmten Wert zu halten. Ein Beispiel der Impulsmuster ist in 2(a) als U und X und V und Y gezeigt.
Andererseits werden in dem Reihenstromrichter, der die Konfiguration hat, in der die Vollbrücke aus den reihengeschalteten Armen U und X und den reihengeschalteten Armen W und Z besteht, sowohl U als auch X sowie W und Z der PWM-Modulation unterzogen, so dass eine Ausgangsspannung über den größtmöglichen Bereich erzeugt werden kann. Ein Beispiel des Impulsmusters ist in 2(a) als U und X sowie W und Z gezeigt.
Wenn die reihengeschalteten Arme U und X eine Spannung haben, die höher ist als diejenige der reihengeschalteten Arme W und Z, kann ein Abwärtstransformierungsbetrieb vorgesehen werden (ein Sofortspannungsbefehl in diesem Fall ist in 2(b) gezeigt). Wenn die reihengeschalteten Arme U und X eine Spannung haben, die niedriger als diejenige der reihengeschalteten Arme W und Z ist, kann ein Aufwärtstransformierungsbetrieb vorgesehen werden (ein Sofortspannungsbefehl in diesem Fall ist in 2(c) gezeigt).

Claims

Leistungswandlervorrichtung, in welcher eine erste Reihenschaltung, eine zweite Reihenschaltung, eine dritte Reihenschaltung und ein Kondensator miteinander parallel geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass: die erste Reihenschaltung (U, X) in der Weise vorgesehen ist, dass ein erstes Schaltelement in Reihe mit einem zweiten Schaltelement geschaltet ist und das erste und das zweite Schaltelement Dioden haben, die mit ihnen in antiparalleler Weise verbunden sind; die zweite Reihenschaltung (V, Y) in der Weise vorgesehen ist, dass ein drittes Schaltelement in Reihe mit einem vierten Schaltelement geschaltet ist und das dritte und das vierte Schaltelement Dioden haben, die mit ihnen in antiparalleler Weise verbunden sind; die dritte Reihenschaltung (W, Z) in der Weise vorgesehen ist, dass ein fünftes Schaltelement in Reihe mit einem sechsten Schaltelement geschaltet ist und das fünfte und das sechste Schaltelement Dioden haben, die mit ihnen in antiparalleler Weise verbunden sind; ein Reihenverbindungspunkt an einem Zwischenpunkt der ersten Reihenschaltung (U, X) mit einem Eingangsanschluss verbunden ist; ein Reihenverbindungspunkt an einem Zwischenpunkt der zweiten Reihenschaltung (V, Y) mit dem anderen Eingangsanschluss über eine erste Drossel (4) verbunden ist; ein Reihenverbindungspunkt an einem Zwischenpunkt der dritten Reihenschaltung (W, Z) mit einem Ausgangsanschluss über eine zweite Drossel (5) verbunden ist; der andere Eingangsanschluss mit dem anderen Ausgangsanschluss verbunden ist; eine Vollbrückenschaltung, die aus der ersten Reihenschaltung und der zweiten Reihenschaltung besteht, verwendet wird, um einen Parallelstromrichter zu bilden, der mit dem Eingangsanschluss parallel geschaltet ist; eine Vollbrückenschaltung, die aus der ersten Reihenschaltung und der dritten Reihenschaltung besteht, verwendet wird, um einen Reihenstromrichter zu bilden, der zwischen einen Eingang und einen Ausgang geschaltet ist; eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, um das jeweilige erste und fünfte Schaltelement zu steuern, so dass es mit einer Frequenz ein- oder ausgeschaltet wird, die höher ist als die Frequenz einer Eingangsspannung, und um das jeweilige zweite und sechste Schaltelement zu steuern, so dass es mit einer Logik ein- oder ausgeschaltet wird, die jeweils umgekehrt zu derjenigen für das jeweilige erste und fünfte Schaltelement ist; und eine Spannung, die eine Differenz zwischen einer von der dritten Reihenschaltung ausgegebenen Spannung und einer von der ersten Reihenschaltung ausgegebenen Spannung ist, der Eingangsspannung überlagert wird und über den Ausgangsanschluss ausgegeben wird.