JP2005176538A

JP2005176538A - 中性点クランプ式電力変換器とその制御方法

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Publication number: JP2005176538A
Application number: JP2003414616A
Authority: JP
Inventors: Katsutoshi Yamanaka; 克利山中; Yoshiyuki Tanaka; 善之田中
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-12-12
Filing date: 2003-12-12
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】中性点クランプ式電力変換装置において、微少電圧・微少電流を出力できるようにすると共に出力電圧・電流の歪みを低減する。
【解決手段】直列接続された第１、第２、第３および第４のスイッチング素子と、これらスイッチング素子にそれぞれ個々に逆並列接続された第１、第２、第３および第４のダイオードと、第５のダイオードと、第６のダイオードと、前記第２および第３のスイッチング素子の接続点から出力端子を導出する中性点クランプ式電力変換器において、前記第５のダイオードと並列接続した第５のスイッチング素子と、前記第６のダイオードと並列接続した第６のスイッチング素子とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明はモータの可変速駆動をおこなうインバータ・サーボドライブや系統連系する中性点クランプ式電力変換装置とその制御方法に関する。

従来の一般的な中性点クランプ式パルス幅変調方式の電力変換装置は、図３のように、系統電源を整流するなどし、正（P）・負（N）の直流電圧を作り、その正極と負極の間に直列接続した同じ容量の平滑コンデンサＣ１および平滑コンデンサＣ２を設け、直列接続した平滑コンデンサの分圧点の電圧（中間電圧）を、４個直列接続したスイッチング素子および各スイッチング素子と逆並列接続されたダイオードと2個のクランプダイオードを介してアンプの出力端子へ出力できる構成となっている（例えば、特許文献１参照）。
4個直列接続されたスイッチング素子のうち上側2個がオンした場合（この状態を出力Pとする）、出力電流は上側2個のスイッチング素子を流れ、下側２個のスイッチング素子がオンした場合（この状態を出力Nとする）、出力電流は下側２個のスイッチング素子を流れ、中間にある２個のスイッチング素子がオンした場合（この場合を出力Oとする）は、ダイオードと中間のスイッチング素子を流れる。このように中性点クランプ式パルス幅変調方式の電力変換装置は1相の出力端子にP、O、Nの３レベルを出力することができ、これら３つの状態をパルス幅変調することによって、可変周波数、可変電圧を出力することができる。
特開昭５５−４３９９６（第１図、第３図、第４図）

しかしながら、中性点クランプ式パルス幅変調方式の電力変換装置で、負荷に零電圧を加える場合は、一般的に各相出力がO状態となる時間を増やして加えることが一般的である。
従来の中性点クランプ式パルス幅変調方式の電力変換装置は、中間電圧を出力する場合には、必ずダイオードを介して出力する構成となるため、相の出力電圧がOレベルに近いときは、出力電流がクランプダイオードを流れる時間が長くなる。また、クランプダイオードに電流が流れる場合には、図４のダイオードの特性による順方向電圧降下が発生し、この出力電圧がこのダイオードの順方向電圧降下（Ｖｆ）以下であると電流が流れにくくなる。このダイオードの順方向電圧降下（Ｖｆ）は半導体材料によって決まる特性値であり、一般的な少信号シリコンダイオードではＶｆ≒０．７（Ｖ）、ゲルマニウムダイオードではＶｆ≒０．２（Ｖ）である。しかし、電力変換装置に利用される電力用ダイオードの順方向電圧効果Ｖｆの値は１Ｖ〜３Ｖ程度と大きな値となる。

従って、従来の中性点クランプ式パルス幅変調方式の電力変換装置はクランプダイオードの順方向電圧降下以下の電圧を出力することができず、微少電圧・微少電流出力時は、電流が断続的なパルス状の電流となり、電圧・電流の歪みが増加するという問題があった。
中性点クランプ式パルス幅変調方式の電力変換装置の用途は、一般的に鉄道電気車両等の電源電圧の高い電動機駆動に使われることが多い。かかる用途では、電力変換器の出力として、微少電圧・微少電流を出力する必要はほとんどなかった。ところが位置、速度、トルク（推力）を高精度に制御する用途に使用する場合では、微少電圧・微少電流の制御が必要になる。

そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、中性点クランプ式電力変換装置において、微少電圧・微少電流を出力できるようにすると共に出力電圧・電流の歪みを低減する電力変換装置とその制御方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、直列接続された第１、第２、第３および第４のスイッチング素子と、これら第１ないし第４のスイッチング素子にそれぞれ個々に逆並列接続された第１、第２、第３および第４のダイオードとを具備し、前記第１のスイッチング素子の正側端子を直流電圧源の正側端子に接続し、前記第４のスイッチング素子の負側端子を前記直流電圧源の負側端子に接続し、カソードが前記第１および第２のスイッチング素子の接続点に、かつアノードが前記直流電圧源の零電圧端子に接続された第５のダイオードと、アノードが前記第３および第４のスイッチング素子の接続点に、かつカソードが前記直流電圧源の零電圧端子に接続された第６のダイオードと、前記第２および第３のスイッチング素子の接続点から出力端子を導出する中性点クランプ式電力変換器において、前記第５のダイオードと並列接続した第５のスイッチング素子と、前記第６のダイオードと並列接続した第６のスイッチング素子とを備えたものである。

また、直列接続された第１、第２、第３および第４のスイッチング素子と、これら第１ないし第４のスイッチング素子にそれぞれ個々に逆並列接続された第１、第２、第３および第４のダイオードとを具備し、前記第１のスイッチング素子の正側端子を直流電圧源の正側端子に接続し、前記第４のスイッチング素子の負側端子を前記直流電圧源の負側端子に接続し、カソードが前記第１および第２のスイッチング素子の接続点に、かつアノードが前記直流電圧源の零電圧端子に接続された第５のダイオードと、アノードが前記第３および第４のスイッチング素子の接続点に、かつカソードが前記直流電圧源の零電圧端子に接続された第６のダイオードと、前記第２および第３のスイッチング素子の接続点から出力端子を導出する中性点クランプ式電力変換器の制御方法において、前記第５のダイオードと並列接続した第５のスイッチング素子と前記第６のダイオードと並列接続した第６のスイッチング素子を前記第２のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子が同時にオンする状態のみに同期してオンするものである。

上記手段により、中間電圧を出力するときダイオードの順方向電圧降下の影響を受けないので、出力電圧・電流の歪みを減少することができる。
また、前記第５のダイオードと並列接続した第５のスイッチング素子と前記第６のダイオードと並列接続した第６のスイッチング素子を前記第２のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子が同時にオンする状態のみに同期してオンすることで、装置の動作と構造を簡単化することができる。

本発明の中性点クランプ式パルス幅変調方式の電力変換装置によれば、クランプダイオードと並列にスイッチング素子を接続し、O状態の出力でスイッチング素子をオンすることによって、抵抗性のスイッチング素子（MOSFET等）を通して電圧を出力でき、出力電圧・電流の歪みを低減することができるという効果がある。

以下、本発明の具体的実施例を図に基づいて説明する。

図１は、本発明の電力変換装置である中性点クランプ式インバータブリッジの一実施の形態を示すものである。図1は1相分（Ｕ相）の主回路を示し、三相インバ−タの場合はＶ相およびＷ相も動用に構成する。図１において、５１、５２は直流電源、５３〜５８は例えばMOS型電界効果トランジスタ（MOSFET）５９、６０はクランプダイオード、６１〜６４はフリーホイリングダイオードである（以下ダイオードと適宜略記する）。
直流電源５１、５２は従来例である図３の平滑コンデンサＣ１、Ｃ２に相当する。直流電源端子４０、４２間に直列接続された4個のスイッチング素子５５〜５８と各スイッチング素子個々に逆並列接続されたフリーホイリングダイオード６１〜６４とを備えている。第１および第２のスイッチング素子５５、５６の接続点と第３および第４のスイッチング素子５７、５８の接続点との間に、クランプダイオード５９、６０がスイッチング素子５５〜５８とは逆向きの極性で直列に接続されている。電圧Ｖｄ１およびＶｄ２で代表される直流電圧源（電圧Ｖｄ＝Ｖｄ１＋Ｖｄ２。Ｖｄ１＝Ｖｄ２）からは正負両端子４０、４２のほかに零電圧端子４１が導出され、この零電圧端子４１が両クランプダイオード５９、６０の接続点に接続されている。

本発明が従来技術と相違する部分は、クランプダイオード５９、６０と並列接続されたスイッチング素子５３、５４を備えた部分のみである。その他の部分は基本的に従来技術と同一である。これらスイッチング素子５３、５４としてはスイチング素子の導通時の特性が抵抗性であれば、MOSFET以外のものでも適用できる。

即ち、直列接続された第１、第２、第３および第４のスイッチング素子と、これら第１ないし第４のスイッチング素子にそれぞれ個々に逆並列接続された第１、第２、第３および第４のダイオードとを具備し、前記第１のスイッチング素子の正側端子を直流電圧源の正側端子に接続し、前記第４のスイッチング素子の負側端子を前記直流電圧源の負側端子に接続し、カソードが前記第１および第２のスイッチング素子の接続点に、かつアノードが前記直流電圧源の零電圧端子に接続された第５のダイオードと、アノードが前記第３および第４のスイッチング素子の接続点に、かつカソードが前記直流電圧源の零電圧端子に接続された第６のダイオードと、前記第２および第３のスイッチング素子の接続点から出力端子を導出する中性点クランプ式電力変換器において、前記第５のダイオードと並列接続した第５のスイッチング素子と、前記第６のダイオードと並列接続した第６のスイッチング素子とを備えている。

次に図1の動作を説明する。５５、５６のMOSFETがオンすればP状態となり、５７、５８のMOSFETがオンすればN状態となり、５３、５４、５６、５７のMOSFETがオンすればO状態となる。また、５３のMOSFETと５４のMOSFETは５６のMOSFETと５７のMOSFETが同時にオンとなる状態のみでオンし、その他の状態ではオフとすることで、各P、O、Nの状態を出力できる。MOSFET５４とMOSFET５７のゲート駆動電源は基本的に共用化できるが、MOSFET５３とMOSFET５４は第３のスイチング素子であるMOSFET５７がオン状態時のみオンするので、MOSFET５３のターンオン時間に遅れが発生することを考慮すれば、MOSFET５３のゲート駆動回路の電源をMOSFET５４がオンした場合に供給される構成とし、MOSFET５７のものを利用する回路構成が可能で、回路を簡単化できる。また、このターンオン時間の遅れを無くす為に、MOSFET５３のゲート駆動電源をMOSFET５４、MOSFET５７のゲート駆動電源よりブートストラップ回路を使って簡易的に作ることも可能で、このブートストラップ回路はMOSFET５３がオフの間の電源保持をすれば良いだけなので、MOSFET５３のゲート駆動電源回路は非常に低コスト化できる。

出力0の状態で流れる電流経路は、従来の中性点クランプ式電力変換装置では、ダイオードとスイッチング素子の直列回路を通して流れていたが、本発明の実施例で、出力電流が小さく、MOSFETのオン抵抗と出力電流の積がダイオードの順方向電圧降下よりも小さい場合は、電流はオン状態の５３、５４、５６、５７MOSFETの並列回路を通りクランプダイオード５７、５９へは流れない。これは電界効果トランジスタがオンしている場合は抵抗性の導通状態となり双方向に電流を流すことが出来る性質にも依存している。このように、クランプダイオード５７、５９に並列にMOSFETを接続し、O状態を出力する場合にMOSFETをオンすれば、抵抗性のMOSFETを通して電圧を出力できるので、クランプダイオードの順方向電圧降下以下の電圧を出力でき、出力電圧・電流の歪みを低減できる。

図２は本発明の電力変換装置を3相構成としたものであり、７３と７７、７４と７６、７９と８３、８０と８２、８５と８９、８６と８８のMOSFETが同期してオン・オフすることで従来の3相中性点クランプ式パルス幅変調方式の電力変換装置と同様に各相がP、O、Nの状態を出力でき、さらに、微少電圧・電流出力時にクランプダイオードの順方向電圧降下の影響を無くすことが可能となる。

本発明は、電力変換器の出力として、微少電圧・微少電流の制御ができるので、位置、速度、トルク（推力）を高精度に制御する用途（位置決めモータ駆動用電力変換装置、高精度の工作機械・ロボット用制御モータ駆動用）にも適用できる。

本発明の第１実施例を示す電力変換装置の回路図本発明の第2実施例を示す電力変換装置の回路図従来の3相中性点クランプ式電力変換装置装置の回路図ダイオードの電圧-電流特性図

符号の説明

１〜６整流ダイオード
８、９平滑コンデンサ
１０〜１５、５９、６０、９１〜９６クランプダイオード
１６〜２７スイッチング素子（IGBT）
２８〜３９、６１〜６４、９７〜１０８還流ダイオード
４０直流電源の正側端子
４１直流電源の零電圧端子
４２直流電源の負側端子
４３出力端子
５１、５２、７１、７８直流電源
５３〜５８、７３〜９０電界効果トランジスタ（MOSFET）

Claims

直列接続された第１、第２、第３および第４のスイッチング素子と、これら第１ないし第４のスイッチング素子にそれぞれ個々に逆並列接続された第１、第２、第３および第４のダイオードとを具備し、前記第１のスイッチング素子の正側端子を直流電圧源の正側端子に接続し、前記第４のスイッチング素子の負側端子を前記直流電圧源の負側端子に接続し、カソードが前記第１および第２のスイッチング素子の接続点に、かつアノードが前記直流電圧源の零電圧端子に接続された第５のダイオードと、アノードが前記第３および第４のスイッチング素子の接続点に、かつカソードが前記直流電圧源の零電圧端子に接続された第６のダイオードと、前記第２および第３のスイッチング素子の接続点から出力端子を導出する中性点クランプ式電力変換器において、前記第５のダイオードと並列接続した第５のスイッチング素子と、前記第６のダイオードと並列接続した第６のスイッチング素子とを備え、前記第１から第６のスイッチング素子が電界効果トランジスタであることを特徴とする中性点クランプ式電力変換器。
直列接続された第１、第２、第３および第４のスイッチング素子と、これら第１ないし第４のスイッチング素子にそれぞれ個々に逆並列接続された第１、第２、第３および第４のダイオードとを具備し、前記第１のスイッチング素子の正側端子を直流電圧源の正側端子に接続し、前記第４のスイッチング素子の負側端子を前記直流電圧源の負側端子に接続し、カソードが前記第１および第２のスイッチング素子の接続点に、かつアノードが前記直流電圧源の零電圧端子に接続された第５のダイオードと、アノードが前記第３および第４のスイッチング素子の接続点に、かつカソードが前記直流電圧源の零電圧端子に接続された第６のダイオードと、前記第２および第３のスイッチング素子の接続点から出力端子を導出する中性点クランプ式電力変換器の制御方法において、前記第５のダイオードと並列接続した第５のスイッチング素子と前記第６のダイオードと並列接続した第６のスイッチング素子を前記第２のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子が同時にオンする状態のみに同期してオンすることを特徴とする中性点クランプ式電力変換器の制御方法。