JP2006166674A

JP2006166674A - 電圧形インバータ装置

Info

Publication number: JP2006166674A
Application number: JP2004358000A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Kinoshita; 雅博木下
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2006-06-22

Abstract

【課題】直流電圧変動等による影響を抑え、不要なスイッチング周波数変化を抑制するとともに、電圧歪みを抑制する安定した電圧形インバータ装置を得ることを目的とする。【解決手段】除算器２１により、電圧センサー１８で検出した直流電圧値１９（Ｖｄｃ）を、所定の直流電圧基準値（Ｖｄｃｒｅｆ）で除算し、この結果に対し、係数器２２により、回路の特性に応じて補正係数を掛けた後、乗算器２３により、誤差電流閾値発生手段１５からの誤差電流閾値１６（Ｉｔｈ）と乗算し補正誤差電流閾値２５（Ｉｔｈ´）として出力する。直流電圧値が直流電圧基準値よりも上昇すれば誤差電流閾値を大きく、直流電圧値が直流電圧基準値よりも下がれば誤差電流閾値が小さくなるように作用するので、直流電圧変動に伴う電流変化率の影響を受けず、安定したスイッチング動作が可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、無停電電源装置、モータ駆動用インバータ等に適用される半導体スイッチを使用した電圧形インバータ装置に関するものである。

この種電圧形インバータ装置として、例えば、非特許文献１に紹介されたものがある。この電圧形インバータ装置は、直流電源と、この直流電源に接続され半導体スイッチをオンオフすることにより直流を交流に変換するインバータと、このインバータの交流出力電流を検出する電流センサーと、所定の電流基準値と電流検出値との偏差からなる誤差電流値と所定の誤差電流閾値とを比較するヒステリシスコンパレータとを備え、このコンパレータの出力に基づき半導体スイッチをオンオフ制御することにより電流検出値を電流基準値に追従させるもので、いわゆるヒステリシスコンパレータ方式の電流瞬時追従制御のスイッチングパルス発生方式と呼ばれているものである。

この方式では、インバータ出力電圧１サイクルでみた場合、出力電流の変化率に応じてスイッチング周波数が変化する。この結果、１サイクル内の平均スイッチング回数が、いわゆる三角波比較ＰＷＭ方式と同等であってもスイッチング損失を低く抑えることが出来る特徴がある。

社団法人電気学会１９８９年４月発行第４版「半導体電力変換回路」第１４３頁

従来の電流瞬時追従形のヒステリシスコンパレータ方式は、以上のように構成されているので、直流電源の電圧変動が生じた場合、直流電圧が高くなると電流変化率が高くなるためスイッチング周波数が増加する。即ち、直流電圧が高くかつスイッチング周波数が高くなるため、半導体スイッチのスイッチング損失が大きく上昇し、半導体スイッチの過熱や装置効率低下を招くなどの課題があった。また、直流電圧が低くなった場合は、逆にスイッチング周波数が低下するため、負荷への電圧歪みが増加する課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、直流電圧変動等による影響を抑え、不要なスイッチング周波数変化を抑制するとともに、電圧歪みを抑制する安定した電圧形インバータ装置を得ることを目的とする。

この発明に係る電圧形インバータ装置は、直流電源、この直流電源に接続され半導体スイッチをオンオフすることにより直流を交流に変換するインバータ、このインバータの交流出力電流を検出する電流センサー、および所定の電流基準値と電流検出値との偏差からなる誤差電流値と所定の誤差電流閾値とを比較するコンパレータを備え、このコンパレータの出力に基づき半導体スイッチをオンオフ制御することにより電流検出値を電流基準値に追従させる電圧形インバータ装置において、
直流電源の電圧を検出する電圧センサー、および電圧検出値に基づき直流電源の電圧変動に起因する半導体スイッチのオンオフするスイッチング周波数の変動を抑制するスイッチング周波数変動抑制手段を備えたものである。

この発明に係る電圧形インバータ装置は、以上のように、直流電源の電圧検出値に基づき直流電源の電圧変動に起因する半導体スイッチのオンオフするスイッチング周波数の変動を抑制するスイッチング周波数変動抑制手段を備えたので、直流電源の電圧が基準値より高くなっても、それに伴うスイッチング周波数の上昇が抑制され半導体スイッチの過熱等が防止され、直流電源の電圧が基準値より低くなっても、それに伴うスイッチング周波数の低下が抑制され負荷への電圧歪み等が防止される。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における電圧形インバータ装置を示す構成図である。ヒステリシスコンパレータ方式の電流瞬時追従制御のスイッチングパルス発生方式を、単相インバータのハーフブリッジ回路に適用したものである。図１において、主回路として、直流電源１ａ、１ｂと、単相ハーフブリッジのインバータを構成する、半導体スイッチのＩＧＢＴ素子２ａ、２ｂを備えている。直流出力端は、インダクタンス４を介して交流負荷５に接続されている。インダクタンス４は、例えば無停電電源装置であればフィルタリアクトルのインダクタンス成分に相当し、モータ駆動インバータであればモータ内部の漏れインダクタンスに相当するインダクタンス成分である。電流センサー３は、インバータ回路から出力される電流を検出する。

次に、制御系として、電流基準値発生手段１０と、減算器１３と、誤差電流閾値発生手段１５と、ゲート信号発生回路１７とを備えている。そして、電流基準値発生手段１０は、インバータが流すべき電流基準値１１（Ｉｒｅｆ）を生成する。減算器１３は、電流基準値１１と、電流センサー３から得られる電流検出値１２（Ｉｏ）との偏差である誤差電流値１４（Ｉｅｒｒ）を演算出力する。
誤差電流閾値発生手段１５は、電流基準誤差の目標である誤差電流閾値１６（Ｉｔｈ）を定める。ゲート信号発生回路１７は、ヒステリシスコンパレータ回路からなり、誤差電流値１４と誤差電流閾値１６とからＩＧＢＴ素子２ａ、２ｂの点弧、消弧ゲート信号を発生する。
電圧センサー１８は、直流電源１ａ、１ｂの直流電圧を検出し、検出した直流電圧値１９（Ｖｄｃ）に基づき、誤差電流閾値発生手段１５で発生する誤差電流閾値１６を補正するための補正量が、スイッチング周波数変動抑制手段である補正量演算手段２０で演算されるが、この補正量演算に係る部分は、更に後段で詳述する。

次に、動作について説明する。図１において、電流基準値発生手段１０は、例えば、無停電電源装置であれば電圧一定制御を行うための電圧制御回路が該当し、モータ駆動用インバータであればモータ回転数制御回路が一般的に該当し、これにより電流基準値１１（Ｉｒｅｆ）が生成される。電流基準値１１から電流検出値１２（Ｉｏ）を減算器１３で減算し、誤差電流値１４が得られる。
次に、誤差電流閾値発生手段１５から出力される誤差電流閾値１６（Ｉｔｈ）と誤差電流値１４（Ｉｅｒｒ）とをゲート信号発生回路１７に入力する。ゲート信号発生回路１７は、誤差電流閾値１６のヒステリシス特性を有したコンパレータ回路であり、誤差電流値１４と誤差電流閾値１６とをコンパレータで比較し、この結果でＩＧＢＴ素子２ａ、２ｂをオン／オフすることにより、図２に示したように、インバータ出力電流である電流検出値１２（Ｉｏ）が電流基準値１１（Ｉｒｅｆ）に対して、Ｉｒｅｆ±Ｉｔｈに入るように振動的に追従制御される。

即ち、Ｉｒｅｆ−Ｉｔｈ＜Ｉｏ＜Ｉｒｅｆ＋Ｉｔｈ
また、誤差電流値Ｉｅｒｒで表現すると、
−Ｉｔｈ＜Ｉｅｒｒ＝Ｉｒｅｆ−Ｉｏ＜Ｉｔｈ
の関係式が成立するように追従制御される。

ここで、ＩＧＢＴ素子２ａ（Ｑ１）、２ｂ（Ｑ２）のスイッチング周波数は、誤差電流閾値１６と電流変化率であるｄｉ／ｄｔで支配的に決定される。また、このｄｉ／ｄｔは、直流電源１ａ、１ｂの直流電圧と二次電圧である負荷電圧とインダクタンス成分４のインダクタンス値で決定される。
従って、既述したとおり、何ら対策を施さないと、直流電圧値１９（Ｖｄｃ）が高くなると電流変化率ｄｉ／ｄｔが高くなるためスイッチング周波数が増加する。即ち、直流電圧が高くかつスイッチング周波数が高くなるため、ＩＧＢＴ２ａ、２ｂのスイッチング損失が大きく上昇し、ＩＧＢＴ２ａ、２ｂの過熱や装置効率の低下を招くことになる。また、直流電圧が低くなった場合は、逆にスイッチング周波数が低下するため、負荷５への電圧歪みが増加することになる。

そこで、この発明の実施の形態１における電圧形インバータ装置では、スイッチング周波数変動抑制手段として電圧センサー１８と補正量演算手段２０とを設け、誤差電流閾値発生手段１５で作成する誤差電流閾値１６（Ｉｔｈ）を補正することで、上記問題点を解消するものである。以下、実施の形態１の要部を示す図３により、詳細に説明する。

図３は、補正量演算手段２０の内部構成を示すものである。
次に、動作について説明する。除算器２１により、電圧センサー１８で検出した直流電圧値１９（Ｖｄｃ）を、所定の直流電圧基準値（Ｖｄｃｒｅｆ）で除算し、この結果に対し、係数器２２により、回路の特性に応じて補正係数を掛けた後、乗算器２３により、誤差電流閾値発生手段１５からの誤差電流閾値１６（Ｉｔｈ）と乗算し補正誤差電流閾値２５（Ｉｔｈ´）として出力する。
この補正誤差電流閾値２５の出力回路には、この補正値が所定の下限値未満となるのを防止する下限リミッタ２４が挿入されており、この下限リミッタ２４を経た補正誤差電流閾値２５がゲート信号発生回路１７に送り込まれる。

以上のように、この発明の実施の形態１によれば、誤差電流閾値に対して直流電圧基準値に対する直流電圧比で補正するように構成したので、直流電圧値が直流電圧基準値よりも上昇すれば誤差電流閾値を大きく、直流電圧値が直流電圧基準値よりも下がれば誤差電流閾値が小さくなるように作用するので、直流電圧変動に伴う電流変化率の影響を受けず、安定したスイッチング動作が可能となる。
この結果、直流電圧上昇に伴うインバータ出力電流変化率の上昇による半導体スイッチの不要なスイッチング周波数上昇を抑制することが可能となり、半導体スイッチの損失上昇を抑制できるとともに、直流電圧低下に伴うスイッチング周波数低下による負荷電圧歪みを抑制できる効果がある。
更に、直流電圧値が下がり過ぎると、補正誤差電流閾値が大幅に低下しスイッチング周波数が際限なく上昇してスイッチング損失の増大やスイッチング回路の能力を超える等の不具合が生じる可能性があるが、下限リミッタを挿入したので、補正値が一定値以下になることが防止され上記不具合の発生が未然に防止される。

実施の形態２．
図４は、この発明の実施の形態２における電圧形インバータ装置で、図１で説明した補正量演算手段２０の変形例である。
実施の形態１では、誤差電流閾値の補正を直流電圧値と直流電圧基準値の比で行うように構成したが、図４に示した実施の形態２では、補正量を直流電圧値と直流電圧基準値の差分から求めるものである。

図４において、第１の減算器２６により直流電圧基準値から直流電圧値を減算し、その差分に対して補正係数Ｋ２を掛け、この結果を第２の減算器２８により、補正前の誤差電流閾値から減算する。次に、この結果に対して不要に小さくならないように下限リミッタ２４を設けた結果を補正誤差電流閾値としてゲート信号発生回路１７に入力する。これにより実施の形態１と同様に、直流電圧値が直流電圧基準値よりも上昇すれば誤差電流閾値を大きく、直流電圧値が直流電圧基準値よりも下がれば誤差電流閾値が小さくなるように作用するので、実施の形態１と同様の効果を奏する。
また、下限リミッタを挿入したので、直流電圧値が下がり過ぎても、スイッチング周波数が際限なく上昇してスイッチング損失の増大やスイッチング回路の能力を超える等の不具合が生じる可能性が未然に防止される。

実施の形態３．
図５は、この発明の実施の形態３における電圧形インバータ装置を示す構成図である。先の実施の形態１、２では、誤差電流閾値に対して補正を行うように構成したが、この実施の形態３では、図５に示すように誤差電流値１４（Ｉｅｒｒ）に対して補正した補正誤差電流値３５（Ｉｅｒｒ´）を、ゲート信号発生回路１７に入力するように構成する。
その他の部分については、先の図１の構成と同じであるので、重複部分の説明は省略し、以下、図５の補正量演算手段３０の内部構成を示す図６に基づいて実施の形態３における補正要領について説明する。

除算器３１により、直流電圧基準値（Ｖｄｃｒｅｆ）を、電圧センサー１８で検出した直流電圧値１９（Ｖｄｃ）で除算し、この結果に対し、係数器３２により、回路の特性に応じて補正係数を掛けた後、乗算器３３により、減算器１３からの誤差電流値１４（Ｉｅｒｒ）と乗算し補正誤差電流値３５（Ｉｅｒｒ´）として出力する。
電圧センサー１８の出力回路には、直流電圧値が所定の下限値未満となるのを防止する下限リミッタ３４が挿入されており、この下限リミッタ３４を経た直流電圧値が除算器３１に送り込まれる。

以上のように、この発明の実施の形態３によれば、誤差電流値に対して直流電圧基準値に対する直流電圧比で補正するように構成したので、直流電圧値が直流電圧基準値よりも上昇すれば誤差電流値を小さく、直流電圧値が直流電圧基準値よりも下がれば誤差電流値が大きくなるように作用するので、直流電圧変動に伴う電流変化率の影響を受けず、安定したスイッチング動作が可能となる。
この結果、先の実施の形態１、２と同様、直流電圧上昇に伴うインバータ出力電流変化率の上昇による半導体スイッチの不要なスイッチング周波数上昇を抑制することが可能となり、半導体スイッチの損失上昇を抑制できるとともに、直流電圧低下に伴うスイッチング周波数低下による負荷電圧歪みを抑制できる効果がある。

更に、直流電圧値が下がり過ぎると、補正誤差電流値が大幅に増大しスイッチング周波数が際限なく上昇してスイッチング損失の増大やスイッチング回路の能力を超える等の不具合が生じる可能性があるが、下限リミッタを挿入したので、補正値が一定値以上になることが防止され上記不具合の発生が未然に防止される。
なお、下限リミッタ３４を、この実施の形態３では、先の実施の形態１、２での補正値の回路と異なり直流電圧値（Ｖｄｃ）の回路に挿入しているのは、誤差電流値（Ｉｅｒｒ）は誤差電流閾値（Ｉｔｈ）と異なり常に変化しており、誤差電流値そのものに制限を設けるのはリミッタ値の選定が困難であり、これを解消するため、直流電圧値の回路に挿入している。これにより、零除算の可能性を防止することも出来る。

実施の形態４．
図７は、この発明の実施の形態４における電圧形インバータ装置で、図５の補正量演算手段３０の変形例である。
実施の形態３では、誤差電流値の補正を直流電圧値と直流電圧基準値の比で行うように構成したが、図７に示した実施の形態４では、補正量を直流電圧値と直流電圧基準値の差分から求めるものである。

図７において、第１の減算器３６により直流電圧値から直流電圧基準値を減算し、その差分に対して補正係数Ｋ４を掛け、この結果を第２の減算器３８により、補正前の誤差電流値から減算し、結果を補正誤差電流値としてゲート信号発生回路１７に入力する。これにより実施の形態３と同様に、直流電圧値が直流電圧基準値よりも上昇すれば誤差電流値を小さく、直流電圧値が直流電圧基準値よりも下がれば誤差電流値が大きくなるように作用するので、実施の形態３と同様の効果を奏する。
また、下限リミッタを挿入したので、直流電圧値が下がり過ぎても、スイッチング周波数が際限なく上昇してスイッチング損失の増大やスイッチング回路の能力を超える等の不具合が生じる可能性が未然に防止される。

なお、以上は説明を簡単にするために単相ハーフブリッジ回路を用いたが、この発明は、三相インバータ回路等、半導体スイッチのオンオフ動作で電圧変換を行う各種インバータ装置に広く適用出来同等の効果を奏する。また、スイッチング周波数抑制手段としては、例示した、除算器、乗算器、減算器を使用したものに限らず、直流電源の電圧を検出し、この電圧検出値が基準値より高くなればスイッチング周波数を低める方向に、電圧検出値が基準値より低くなればスイッチング周波数を高める方向に制御する補正手段であればよい。

この発明の実施の形態１における電圧形インバータ装置を示す構成図である。ヒステリシスコンパレータ方式の動作原理を示す図である。この発明の実施の形態１における補正量演算手段２０の内部構成を示す図である。この発明の実施の形態２で、図１の補正量演算手段２０の変形例を示す図である。この発明の実施の形態３における電圧形インバータ装置を示す構成図である。この発明の実施の形態３における補正量演算手段３０の内部構成を示す図である。この発明の実施の形態４で、図５の補正量演算手段３０の変形例を示す図である。

符号の説明

１ａ，１ｂ直流電源、２ａ，２ｂＩＧＢＴ素子（半導体スイッチ）、
３電流センサー、１０電流基準値発生手段、１１電流基準値（Ｉｒｅｆ）、
１２電流検出値（Ｉｏ）、１３減算器、１４誤差電流値（Ｉｅｒｒ）、
１５誤差電流閾値発生手段、１６誤差電流閾値（Ｉｔｈ）、
１７ゲート信号発生回路、１８電圧センサー、１９直流電圧値（Ｖｄｃ）、
２０，３０補正量演算手段、２１，３１除算器、２３，３３乗算器、
２４，３４下限リミッタ、２５補正誤差電流閾値（Ｉｔｈ´）、
２６，３６第１の減算器、２８，３８第２の減算器、
３５補正誤差電流値（Ｉｅｒｒ´）。

Claims

直流電源、上記直流電源に接続され半導体スイッチをオンオフすることにより直流を交流に変換するインバータ、このインバータの交流出力電流を検出する電流センサー、および所定の電流基準値と上記電流検出値との偏差からなる誤差電流値と所定の誤差電流閾値とを比較するコンパレータを備え、上記コンパレータの出力に基づき上記半導体スイッチをオンオフ制御することにより上記電流検出値を上記電流基準値に追従させる電圧形インバータ装置において、
上記直流電源の電圧を検出する電圧センサー、および上記電圧検出値に基づき上記直流電源の電圧変動に起因する上記半導体スイッチのオンオフするスイッチング周波数の変動を抑制するスイッチング周波数変動抑制手段を備えたことを特徴とする電圧形インバータ装置。
上記スイッチング周波数変動抑制手段は、上記電圧検出値と所定の直流電圧基準値とを入力して除算し補正量を出力する除算器、および上記所定の誤差電流閾値に上記補正量を乗算して補正誤差電流閾値を出力する乗算器を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電圧形インバータ装置。
上記スイッチング周波数変動抑制手段は、上記直流電圧基準値と上記電圧検出値とを入力して減算し補正量を出力する第１の減算器、および上記所定の誤差電流閾値と上記補正量とを入力して減算し補正誤差電流閾値を出力する第２の減算器を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電圧形インバータ装置。
上記スイッチング周波数変動抑制手段は、上記電圧検出値と所定の直流電圧基準値とを入力して除算し補正量を出力する除算器、および上記誤差電流値に上記補正量を乗算して補正誤差電流値を出力する乗算器を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電圧形インバータ装置。
上記スイッチング周波数変動抑制手段は、上記直流電圧基準値と上記電圧検出値とを入力して減算し補正量を出力する第１の減算器、および上記誤差電流値と上記補正量とを入力して減算し補正誤差電流値を出力する第２の減算器を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電圧形インバータ装置。
上記補正誤差電流閾値の出力回路に、上記スイッチング周波数変動抑制手段から出力される補正誤差電流閾値が所定の下限値未満となるのを防止する下限リミッタを備えたことを特徴とする請求項２または３に記載の電圧形インバータ装置。
上記電圧センサーの出力回路に、上記スイッチング周波数変動抑制手段に入力される電圧検出値が所定の下限値未満となるのを防止する下限リミッタを備えたことを特徴とする請求項４または５に記載の電圧形インバータ装置。