JP2005506025A

JP2005506025A - パワーエレクトロニクス及び駆動システム用ｄｃリンクコンデンサのソフトスタート

Info

Publication number: JP2005506025A
Application number: JP2003533421A
Authority: JP
Inventors: コジョリ，ハッサン・エイ
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2001-10-02
Filing date: 2002-10-02
Publication date: 2005-02-24
Also published as: US6744644B2; WO2003030342A3; US20030063481A1; WO2003030342A2; EP1433246A2

Abstract

ＤＣリンクをコンデンサバンクのためにソフトスタートするのに用いるソフトスタートシステム及び方法が開示される。ソフトスタートシステム（２００）において、コンデンサ（２３０）がＤＣリンク（２８０）の第１のバス（２８２）に接続される。抵抗（２１０）がＤＣリンク（２８０）の第２のバス（２８４）に接続される。抵抗（２１０）とコンデンサ（２３０）は直列に接続される。スイッチング素子（２２０）が抵抗（２１０）と並列に接続される。トリガー回路（２４０）がＤＣリンク（２８０）のＤＣ電圧を測定し、スイッチング素子（２２０）を作動して抵抗（２１０）を短絡する。ソフトスタート方法では、ＤＣリンク（２８０）のコンデンサ（２３０）を充電し、コンデンサ（２３０）の電荷を測定し、コンデンサの電荷が所定値に達したときにスイッチング素子（２２０）を作動して抵抗（２１０）を短絡する。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は電力系統におけるソフトスタートシステムに関し、特に、航空機／産業用パワーエレクトロニクス及び駆動システム用ＤＣリンクコンデンサのソフトスタートに関する。
【背景技術】
【０００２】
ソフトスタートシステムは電力変換システムや配電システムにおいて発生する突入電流を抑制するのに使用される。例えば、コンデンサバンクを充電する際、初期の突入電流により非常に大きな過渡電流、過渡電圧の変動が発生する。このような過渡電圧、過渡電流は半導体に過大なストレスを与え、他の回路素子、例えば、ＤＣリンクコンデンサや電磁干渉用（ＥＭＩ）フィルタ素子に損傷を与える可能性がある。
【０００３】
図１は従来のソフトスタート回路を示したものである。在来のソフトスタート回路ではＤＣリンク１８０の通電路に抵抗１１０とスイッチング素子１２０を使用するので相当な電力損失が発生する。さらに、在来のソフトスタート回路ではバックエンドインバータ１７０等の負荷に供給する全電流を通す能力がスイッチング素子１２０に求められるのでスイッチング素子１２０を高電流定格で設計する必要がある。さらに、スイッチング素子はＤＣリンク１８０と同じ高電圧に置かれるのでソフトスタートによる電力供給を起動するトリガー回路に別個の電源が必要になる。
【０００４】
図１の回路において、ソフトスタートシステムはフロントエンド整流器１６０とバックエンドインバータ１７０間のインタフェースとして機能する。フロントエンド整流器１６０は３相ＡＣ電力系統１５０からＡＣ電力を受け、これをＤＣ電力に変換する。しかしながら、ＤＣ電圧の印加開始時にコンデンサバンク１３０は見かけ上短絡回路として振る舞うので、このＤＣ電力を直にコンデンサバンク１３０に供給すると問題が起きる。このため、ＤＣ電圧をフロントエンド整流器１６０から印加し始めるときに電流制限抵抗１１０を挿入することで突入電流を抑制する。コンデンサバンク１３０が充電されると、コンデンサバンク１３０に引き込まれる電流はほぼゼロになる。さらに、ＤＣバス１８２、１８４間の電圧がフロントエンド整流器１６０の出力電圧に近づく。トリガー回路１４０はこの電圧を検出し、電圧が所定のしきい値に達したときにスイッチング素子１２０をトリガーする。スイッチング素子１２０は作動されるとき、抵抗１１０を短絡する。しかしながら、上述したように、このためにスイッチング素子１２０はバックエンドインバータ１７０と直列接続される構成になることから、スイッチング素子１２０はバックエンドインバータ１７０が引き込む全電流を通電しなければならない。したがって、スイッチング素子１２０をこの全電流定格に合わせた大容量のものにしなければならない。代表的に、スイッチング素子１２０、ヒートシンク（図示せず）や他の関連素子はかなり大きくなり、高価になる。
【０００５】
図１に示す在来のソフトスタート回路はＤＣリンクを用いた電力系統の初期開始時における過大な電流／電圧変動を防止するためのものである。この回路設計では通常の動作中に過大の電力を消費する高電圧高電流型のスイッチング素子が必要になる。代わりにリレーを用いることができるが、高電圧高電流定格のリレーなので非常に高価な上、サイズも大きくなる。したがって、このソフトスタートシステムは実施するのが難しく、各素子のために大きな物理的スペースを要する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、電力系統の全電流を常時、通電するような、固体素子あるいは電気機械リレーによるスイッチング素子を必要としないソフトスタートシステムが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、従来システムの問題点を解決するため、ＤＣリンク電路から取り外したスイッチング素子を有する電力系統用ソフトスタート装置が提供される。本発明によれば、スイッチング素子と抵抗はＤＣリンク電路外のコンデンサバンクに直列接続される。本発明の一実施形態によれば、ソフトスタートシステムは、電源からＡＣ電力を受け、このＡＣ電力をＤＣリンクのＤＣ電力に変換する整流器と、上記ＤＣリンクの第１のバスに接続されるコンデンサと、上記ＤＣリンクの第２のバスに接続されるとともに上記コンデンサと直列に接続される抵抗と、上記抵抗と並列に接続されるスイッチング素子と、上記ＤＣリンクのＤＣ電圧を測定し、上記スイッチング素子を作動して上記抵抗を短絡するトリガー回路とを有する。
【０００８】
本発明の別の一実施形態によれば、電力系統におけるＤＣリンクをソフトスタートするＤＣリンクソフトスタート方法は、コンデンサが上記ＤＣリンクの第１のバスに接続され、抵抗が上記ＤＣリンクの第２のバスに接続されるとともに上記コンデンサと直列に接続される構成において、上記コンデンサを充電し、上記コンデンサの電荷を測定し、スイッチング素子が上記抵抗と並列に接続される構成において、当該スイッチング素子を作動することにより作動時に上記抵抗を短絡する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明をさらに理解するために添付図面を参照して詳細に説明する。
本発明の諸特徴を添付図面に開示するが、本発明の趣旨、範囲から逸脱することなく代替実施形態を取り得るものである。
【００１０】
図２Ａは本発明の一実施形態に基づいたソフトスタートシステムを示したものである。この電力系統用ソフトスタートシステムは電源２５０からＡＣ電力を受け、このＡＣ電力をＤＣリンク２８０のＤＣ電力に変換する整流器２６０を有する。ＤＣリンク２８０は例えばインバータ２７０のような電力回路素子に電力を供給するためのものである。このＤＣリンク２８０の第１のバス２８２にコンデンサ２３０が接続される。また、このＤＣリンク２８０の第２のバス２８４に抵抗２１０が接続される。この抵抗２１０と並列にスイッチング素子２２０が接続されるとともに、トリガー回路２４０がＤＣリンク２８０のＤＣ電圧を測定し、スイッチング素子２２０を作動して抵抗２１０を短絡する。
【００１１】
図２Ｂは図１Ａに示すソフトスタート用スイッチング素子２２０をオン、オフするためのヒステリシス制御を示したものである。横軸はＤＣバス電圧を、縦軸はスイッチング素子２２０の状態を示す。動作区間を表す３つの区間I、II、IIIがある。区間Iはスイッチング素子がオフである（すなわちVdc<Vdc lowになる)区間である。区間IIは過渡的区間で、スイッチング素子の状態は前の状態に依存する。例えば、スイッチング素子がそれまでオフであったなら、Vdc>Vdc highになるまでオフの状態を維持する。同様に、スイッチング素子がそれまでオンであったならば、Vdc<Vdc lowになるまでオンの状態を維持する。最後に、区間IIIはスイッチング素子がオンである（すなわちVdc>Vdc highになる）区間である。トリガー回路２４０は、ＤＣリンク電圧Vdcが所定のしきい値であるVdc highボルトに達したとき、したがってコンデンサ２３０が十分に高電圧に充電されたときに、スイッチング素子を作動することができる。
【００１２】
図２Ｂに示すように、この意味するところは、コンデンサが当初、充電されている間、ソフトスタート用スイッチング素子２２０はオフのままで、VdcがVdc highを越えるようになるまでその状態が続く。そして、スイッチング素子２２０は、一旦、オンすると、ＤＣ電圧VdcがVdc highより下がってもオンの状態を続ける。これにより、ＤＣリンク電圧Vdcが設定値の前後で若干変動することに起因するスイッチング素子２２０の不要なオン／オフ（すなわちチャタリング）を防止できる。しかしながら、ＤＣバス電圧VdcがVdc lowより下がると、スイッチング素子２２０は開いて、パワーエレクトロニクス回路の動作は一時的に停止し、再び、VdcがVdc highを越えるようになると、ソフトスタート用スイッチング素子２２０はオンして関連回路をオンにして（例えばフロントエンド整流器やバックエンドインバータをオンにして）通常の動作に復帰する。
【００１３】
当業者には明らかなように、上記設計を実現するのに多数の代替素子、代替構成が可能である。例えば、スイッチング素子２２０は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）で構成できる。これに代え、電気機械式あるいは固体素子式を問わず、他の適当なスイッチング素子、例えば、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、金属酸化膜半導体ＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴ）、シリコン制御型整流器（ＳＣＲ）、ダイオード、ハイブリッドダイオード、等が使用できる。
【００１４】
さらに、当業者には明らかなように、本発明の範囲から逸脱することなく、他の素子の組合せを加えたり、変更することができる。例えば、フリーホイールダイオード２２５をスイッチング素子２２０に加えたり、あるいはハイブリッド素子の一部としてスイッチング素子に集積化してもよい。よく知られているように、他の保護素子、例えば、スナバ等を追加してもよい。抵抗２１０は抵抗バンク等の複数の抵抗から構成してよい。周知のように、抵抗２１０は適当な材質、例えば金属、セラミック、カーボン、半導体、あるいはこれらの組合せから形成できる。同様に、コンデンサはコンデンサバンクで構成でき、公知のように適当な材質から形成できる。
【００１５】
さらに、図３に示すように、スイッチング素子を整流器と一体化してもよい。この一体化により一層小型でコストのかからない設計が可能になる。この設計において、多くの素子は図２に関して説明した実施形態と同一であることから、共通の要素について同一の参照符号を付してあり、その説明は省略する。
【００１６】
図３において、整流器は、周知のように６個のＩＧＢＴを収めたパッケージで構成できる。したがって、整流器の具体的な構成は図示せず、説明は省略する。７番目のＩＧＢＴがスイッチング素子３２０になる。整流器とスイッチング素子３２０は１個のパッケージ３６０に収められる。例えば、整流器とスイッチング素子３２０のＩＧＢＴは図示のようにインテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）３６０に収められる。ＩＰＭ３６０には例えば、３相ＩＧＢＴブリッジ及びＩＧＢＴスイッチング素子３２０とともにダイオード３２４で示すようなフリーホイールダイオード、ＩＧＢＴを駆動するドライバ回路、ブロッキングダイオード３２２、及びトリガー回路２４０に接続される外部インタフェース回路が実装される。パワーＩＧＢＴとともに所要の全てのサポート及びインタフェース回路、素子を１つのパッケージ内に詰め込むことにより、大幅に設計及び製造コスト並びに複雑さを低減できる。さらに、各素子の集積化によりソフトスタートシステムに必要な物理的エンベロープを節約でき、例えば航空機のハードウェアで使用する電気系統のようにサイズに制約がある環境において特に有効である。当業者には明らかなように、多数の他の集積化が可能である。例えば、整流器は在来のダイオードブリッジにＩＧＢＴ、ＳＣＲ、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子３２０を統合したもので形成できる。
【００１７】
トリガー回路２４０は周知である在来トリガー回路の任意の変化を取り得る。さらに、トリガー回路２４０の特定の設計、仕様は、よく知られているようにスイッチング素子の条件、仕様に依存する。したがって、トリガー回路２４０の詳細な説明は省略する。しかしながら、従来システムと異なり、トリガー回路２４０は本発明のトポロジーに基づき、別電源を要しない。すなわち、トリガー回路２４０に供給する電力はＤＣリンク２８０から与えることができ、この点で、図１に示すような従来のソフトスタート回路、すなわち、ＤＣリンクの電路に抵抗及びスイッチング素子を設ける従来のソフトスタート回路と異なる。図１の構成を制限する主因は、スイッチング素子１４０がＤＣリンク１８０と同じ高電圧、高電位に置かれ、スイッチング素子１２０を作動するトリガー回路１４０のために別電源が必要なことである。
【００１８】
能動型整流器フロントエンドを備える上記実施形態（すなわち図２Ａ及び図３）の場合、固体スイッチング素子のために別個、独立の電源は不要である。本発明では、同一のＤＣ／ＤＣ電源を使用でき、これをローサイドスイッチング素子への電力供給に使用できる。ローサイド固体素子に対するこの種の共通電源方式はよく知られており、詳細な説明は省略する。
【００１９】
上記各実施形態の動作は似ている。まず、直列抵抗２１０を介してコンデンサ２３０を充電する。コンデンサ２３０が所定の高電圧（すなわちVdc high）まで充電されると、制御信号がスイッチング素子２２０に与えられて抵抗２１０は短絡される。上述したように、この構成の実現は簡単で、コスト的に有利であり、７個入りＩＰＭパッケージの７番目のＩＧＢＴをスイッチング素子に利用、適用する。さらに、この方式によれば、通常の動作中におけるソフトスタート用スイッチング素子２２０の電力消費を大幅に低減でき、ＤＣリンクコンデンサのために軽量、低コストかつ確実なソフトスタート回路を提供することができる。
【００２０】
本発明の別の実施形態に基づいて、電力系統におけるＤＣリンクのコンデンサをソフトスタートするソフトスタート方法が提供される。このソフトスタート方法では、ＤＣリンクの第１のバスにコンデンサが接続され、ＤＣリンクの第２のバスに抵抗が接続され、かつ上記抵抗とコンデンサが直列接続される構成において上記コンデンサを充電する。次に、コンデンサの電荷を測定する。次に、スイッチング素子を作動する。このスイッチング素子は上記抵抗と並列接続され、作動時に抵抗を短絡する。
【００２１】
当業者には明らかなように、本発明の範囲から逸脱することなく、上記ステップに様々な変更を加えることができる。例えば、コンデンサの電荷はコンデンサに流れる電流を測定することで測定できる。この代わりに、抵抗の両端電圧（すなわち、コンデンサが充電されると抵抗電圧がゼロに近づく）、抵抗を通る電流、あるいはコンデンサの両端電圧を測定することによりコンデンサの電荷を測定できる。さらに、コンデンサが充電するまでの適当な遅延時間をもつタイミング回路による測定によりコンデンサの電荷を測定してもよい。
【００２２】
しかしながら、スイッチング素子の制御方法としては、図２Ｂに明記されるように、Vdc highの設定値前後でＤＣバス電圧が変動することに起因してスイッチング素子がオンしたりオフしたりするのを防止するために、ヒステリシスを組み込んだＤＣリンク電圧制御方法が好ましい。
【００２３】
本発明によれば、通常動作中、高調波電流のみを見るようにしたＤＣリンクコンデンサの経路上にソフトスタート用スイッチング素子を設けているのでその電力消費を大幅に低減できる。したがって、スイッチング素子は従来の設計のように全システム電流ではなく、高調波電流を通電する能力があれば足りる。その結果、本発明に基づいたスイッチング素子のコストは同様の従来設計に比べ格段に少なくなる。
【００２４】
図４は本発明に基づいたソフトスタートシステムの試験結果を示したものである。図２Ａに示す回路により電源投入されるモータコントローラに関して４つの代表的なソフトスタート波形を示してある。トレース１はＡ相に関するライン／ニュートラル間のＡＣ入力電圧（Ａ相対地電圧）を示す。トレース２はＡＣ電源のＡ相電流（すなわちフロントエンド整流器入力電流）を表す。トレース３はＤＣリンク電圧を示し、トレース４はＤＣリンクコンデンサ電流を示す。これらの波形から分かるように、電源側の入力電圧及び電流において、上記ソフトスタート回路により、ソフトスタートに関係する過渡的現象は目立たない。入力ライン電流は単位当たり１以下に抑えられており、スタート時（起動時）のＤＣリンク電流は安全な電流値に制御され、通常の動作電流を大幅に越えることはない。
【００２５】
以上、本発明の原理を例示により説明した。当業者には明らかなように、本発明は様々な形態で構成できる。例えば、トリガー回路は別電源を要しないのでこれを整流器とスイッチング素子に加え、それらを特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に一体的に集積化してよい。また、図示したソフトスタートシステムはインバータに関連するものであった。しかしながら、当業者には明らかなように、本発明は任意の適当な回路素子、装置にＤＣ電力を供給するのに適用できる。したがって、本発明の範囲は上記記載に限定されず、特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】従来のソフトスタートシステムの回路図である。
【図２Ａ】本発明の１側面に基づいたソフトスタートシステムの回路図である。
【図２Ｂ】スイッチング素子のヒステリシス制御を説明する図である。
【図３】本発明の別の側面に基づいたソフトスタートシステムの回路図である。
【図４】本発明に基づいたソフトスタートシステムの試験結果を示す図である。

Claims

ＤＣリンク（２８０）の第１のバス（２８２）に接続されるコンデンサ（２３０）と、
上記ＤＣリンク（２８０）の第２のバス（２８４）に接続され、上記コンデンサ（２３０）と直列に接続される抵抗（２１０）と、
上記抵抗（２１０）と並列に接続されるスイッチング素子（２２０）と、
上記ＤＣリンク（２８０）のＤＣ電圧を測定し、上記スイッチング素子（２２０）を作動して上記抵抗（２１０）を短絡するトリガー回路（２４０）と
を含む電力系統用ソフトスタートシステム。
さらに、電源（２５０）からのＡＣ電力を受け、当該ＡＣ電力を上記ＤＣリンク（２８０）のＤＣ電力に変換する整流器（２６０）を含む、請求項１記載のソフトスタートシステム。
上記スイッチング素子（２２０）は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である、請求項１記載のソフトスタートシステム。
上記スイッチング素子（２２０）は電気機械式素子、固体素子、バイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、金属酸化膜半導体ＦＥＴ（ＭＯＳＦＥＴ）、シリコン制御型整流器（ＳＣＲ）、スイッチングダイオード、及びハイブリッド素子の少なくとも１つである、請求項１記載のソフトスタートシステム。
上記スイッチング素子は上記整流器と同じパッケージに収められる、請求項１記載のソフトスタートシステム。
上記整流器（２６０）は６個のＩＧＢＴから構成され、上記スイッチング素子（２２０）は第７のＩＧＢＴである、請求項５記載のソフトスタートシステム。
上記トリガー回路（２４０）は上記ＤＣリンク（２８０）から電力が供給される、請求項１記載のソフトスタートシステム。
コンデンサ（２３０）がＤＣリンク（２８０）の第１のバスに接続され、抵抗（２１０）が上記ＤＣリンク（２８０）の第２のバスに接続されるとともに上記コンデンサ（２３０）と直列に接続される構成において、上記コンデンサ（２３０）を充電するステップと、
上記コンデンサ（２３０）の電荷を測定するステップと、
スイッチング素子を作動するステップと、を含み、スイッチング素子（２２０）が上記抵抗（２１０）と並列に接続され、当該スイッチング素子（２２０）を作動することにより作動時に上記抵抗（２１０）を短絡する、
ことを特徴とする電力系統におけるＤＣリンク（２８０）をソフトスタートするＤＣリンクソフトスタート方法。
上記コンデンサ（２３０）の電荷はヒステリシス制御により決められる、請求項８記載の方法。
上記抵抗（２１０）の両端電圧、上記抵抗（２１０）を通る電流、上記第１のバス（２８２）と第２のバス（２８４）間電圧、上記コンデンサ（２３０）の両端電圧のうち少なくとも１つを測定することにより上記コンデンサ（２３０）の電荷を測定する、請求項８記載の方法。