JP2009060708A - Control method for double converter device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は交流から直流、さらに交流に変換するダブルコンバータ変換装置に適用するスイッチ素子の制御方式に関する。 The present invention relates to a switch element control system applied to a double converter conversion device for converting from AC to DC and further to AC.
図5に交流から直流、さらに交流に変換する電力変換装置とその制御ブロックの一般的な例を示す。1が3相の交流電源(R相,S相,T相)、2が交流から直流に変換する変換回路(コンバータ)で、IGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)TrとダイオードDiが逆並列接続された6アームで構成される。変換回路2では、IGBTなどのスイッチ素子を適用することで、直流電圧Edの制御や交流電流(iR,iS,iT)の制御が可能になる。図5の符号4が直流回路を構成する大容量のコンデンサで、一般には電解コンデンサを適用する。3が直流から交流に変換する変換回路(インバータ)で、変換回路2とともに出力電圧や出力電流(iU,iV,iW)を制御する。変換回路3の出力U,V,Wはモータなどの負荷に接続される。
FIG. 5 shows a general example of a power conversion device for converting from alternating current to direct current, and further to alternating current, and its control block. 1 is a three-phase AC power supply (R phase, S phase, T phase), 2 is a conversion circuit (converter) that converts AC to DC, and IGBT (insulated gate bipolar transistor) Tr and diode Di are connected in reverse parallel. 6 arms. The
また、5はIGBTを駆動するためのゲート駆動回路で、制御回路ブロック10から出力されるオン・オフ指令Sに基き、IGBTを実際に駆動する信号に変換する。同様に制御回路10からは、各IGBTに対するオン・オフ指令Sが、ここでは12信号分(R1~W2)生成される。制御回路10の内部では、交流電圧(または交流電流)指令回路6からの信号(変調信号)と、PWM(パルス幅変調)用の三角波発生回路7からの信号(搬送波)とを比較回路8に入力し、その大小関係によって信号Sが生成される。また、その対向アーム側IGBTの反転信号S(-)は反転回路9にて生成される。
Reference numeral 5 denotes a gate drive circuit for driving the IGBT, which is converted into a signal for actually driving the IGBT based on an ON / OFF command S output from the
図6は1相分のIGBTとダイオードを内蔵したパワー半導体モジュール(2in1モジュール)を適用した場合で、コンバータ側のモジュール1相分と、インバータ側のモジュール1相分を1スタック構造にした構造例を示す。なお、図6(a)は上面図、同(b)は側面図である。MCがコンバータ側のモジュール、MIがインバータ側のモジュールで、それぞれの正側端子(C1端子)T1,T2と、直流回路の電解コンデンサ4の正側端子T3とが導体11によって接続されている。また、MIの負側端子(E2端子)T4,T5と直流回路の電解コンデンサ4の負側端子T6とが導体12によって接続されている。また、それぞれのモジュールの出力端子(E1C2端子)T7,T8はR相電源,U相負荷にそれぞれ接続される。さらに、モジュール下部には、放熱器13とファン14が設置されている。
Fig. 6 shows a case where a power semiconductor module (2-in-1 module) with a built-in IGBT and diode for one phase is applied, and a one-phase structure of the converter-side module and the inverter-side module for one phase Indicates. 6A is a top view and FIG. 6B is a side view. MC is a module on the converter side, and MI is a module on the inverter side. The positive side terminals (C1 terminals) T1 and T2 and the positive side terminal T3 of the electrolytic capacitor 4 of the DC circuit are connected by a conductor 11. Further, the negative side terminals (E2 terminals) T4 and T5 of MI and the negative side terminal T6 of the electrolytic capacitor 4 of the DC circuit are connected by a
図7に上記のようなスタック15A,15B,15Cの3台で3相分を形成した回路例を示す。この場合、直流回路部の電解コンデンサは、スタック毎に接続されるため4A,4B,4Cと3セット必要になり、それぞれの正側端子同士と負側端子同士が接続される。また、同図のL1~L6は電解コンデンサ4A,4B,4Cとインバータ用モジュールMIa,MIb,MIcとの間の配線インダクタンス分を表わしている。すなわち、図6の導体11の端子T2とT3間、および導体12の端子T5とT6間の配線インダクタンスである。また、端子T1とT2間、およびT4とT5間にも実長分の配線インダクタンスが存在するが、説明上このインダクタンス値はゼロとして無視している。
FIG. 7 shows an example of a circuit in which the three stacks 15A, 15B, and 15C as described above form three phases. In this case, since the electrolytic capacitors in the DC circuit section are connected to each stack, three sets of 4A, 4B, and 4C are required, and the positive terminals and the negative terminals are connected to each other. Also, L1 to L6 in the figure represent wiring inductances between the
図5のような電力変換回路のPWM制御回路については例えば特許文献1に、また、図6のような配線構造については例えば特許文献2にそれぞれ開示されている。
図8に或る1スタック(R,U相)の動作例を示す。この図は、R2のIGBTとU1のIGBTがオン状態(a)から、R2のIGBTがターンオフした後の転流後の状態(b)を示している。
いま、R2がターンオフすると、そこに流れていた電流icR2は、R1のダイオードに転流し、電解コンデンサ4Aに流れ込む。その際、IGBTターンオフ時のdi/dtによって、配線インダクタンスL1,L2には図8(b)の「+」方向に電圧が発生する。
FIG. 8 shows an operation example of a certain stack (R, U phase). This figure shows the state (b) after the commutation after the R2 IGBT and the U1 IGBT are turned on (a) after the R2 IGBT is turned off.
Now, when R2 is turned off, the current ic R2 flowing therethrough is commutated to the diode of R1 and flows into the
そのときのR2に印加される電圧VCEと、IGBTの電流icR2の波形を図9に示す。
ここで、電解コンデンサ4Aの直流電圧Edに対する跳ね上がり電圧ΔV1は、次式のように表わされる。
ΔV1=(L1+L2)・d icR2/dt (1)
FIG. 9 shows waveforms of the voltage V CE applied to
Here, the jumping voltage ΔV1 with respect to the DC voltage Ed of the
ΔV1 = (L1 + L2) ・ d ic R2 / dt (1)
また、図10に別の動作例を示す。ここでは、R2のIGBTとU1のIGBTがオン状態(a)から、R2とU1のIGBTが同時にターンオフした後の、転流後の状態(b)を示している。R2のターンオフによって、そこに流れていた電流icR2は、R1のダイオードに転流し、電解コンデンサ4Aに流れ込む。また、U1のターンオフでは、そこに流れていた電流iCU1は、U2のダイオードに転流する。その際、IGBTターンオフ時のdi/dtによって、配線インダクタンスL1,L2には図10(b)の「+」方向に電圧が発生する。
FIG. 10 shows another operation example. Here, a state (b) after commutation after the R2 IGBT and the U1 IGBT are turned off simultaneously from the R2 IGBT and the U1 IGBT is shown. When R2 is turned off, the current ic R2 flowing therethrough is commutated to the diode R1 and flows into the
そのときのR2に印加される電圧VCEと、IGBTの電流icR2の波形を図11に示す。
ここで、電解コンデンサ4Aの直流電圧Edに対する跳ね上がり電圧ΔV2は、次式のように表わされる。
ΔV2=(L1+L2)・(dicR2/dt+diCU1/dt) (2)
FIG. 11 shows waveforms of the voltage V CE applied to R2 and the IGBT current ic R2 at that time.
Here, the jumping voltage ΔV2 with respect to the DC voltage Ed of the
ΔV2 = (L1 + L2) ・ (dic R2 / dt + di CU1 / dt) (2)
すなわち、図10のような同時遮断現象によって、iCU1≒icR2の場合は、
ΔV2≒2ΔV1
となり、図8で単独にスイッチング動作したときに比べ、約2倍の跳ね上がり電圧が発生する。一例として、L1=L2=50nH、di/dt=2000A/μs、Ed=900Vとすると、上記(2)式より、VCEmax=1300Vとなり、耐圧1700Vクラスの素子を必要とする。
That is, when i CU1 ≈ ic R2 due to the simultaneous interruption phenomenon as shown in FIG.
ΔV2 ≒ 2ΔV1
Thus, a jumping voltage that is about twice as large as that when the switching operation is performed independently in FIG. 8 is generated. As an example, if L1 = L2 = 50 nH, di / dt = 2000 A / μs, and Ed = 900 V, V CEmax = 1300 V from the above equation (2), and a device with a withstand voltage of 1700 V class is required.
つまり、制御時に特別な制約を設けない限り、上記のような同時遮断現象が発生し、スイッチング時のサージ電圧が大きくなって、耐圧の大きな素子が必要となる。
したがって、この発明の課題は、スイッチング時のサージ電圧を抑制し、低耐圧の素子を適用可能にすることにある。
That is, unless a special restriction is provided at the time of control, the above-described simultaneous interruption phenomenon occurs, the surge voltage at the time of switching increases, and an element with a high breakdown voltage is required.
Therefore, an object of the present invention is to suppress a surge voltage at the time of switching and to apply a low withstand voltage element.
このような課題を解決するため、この発明では、交流から直流、さらに直流から交流に変換する電力変換装置であって、直流部にはコンデンサが接続され、交流から直流、および直流から交流に変換する各電力変換回路にそれぞれ能動スイッチ素子を用い、前記コンデンサと交流から直流に変換する第1電力変換回路の能動スイッチ素子との間、および前記コンデンサと直流から交流に変換する第2電力変換回路の能動スイッチ素子との間の配線に、共通配線区間が存在する電力変換装置を制御するダブルコンバータ変換装置の制御方式において、
前記第1電力変換回路と前記第2電力変換回路の各能動スイッチ素子をターンオンさせる信号が或る設定時間内に同時に発生するか、または第1電力変換回路と第2電力変換回路の各能動スイッチ素子をターンオフさせる信号が或る設定時間内に同時に発生したときは、一方の信号を遅延させる遅延回路を設けたことを特徴とする。
In order to solve such a problem, the present invention provides a power conversion device for converting from AC to DC, and further from DC to AC, and a capacitor is connected to the DC section to convert from AC to DC and from DC to AC. A second power conversion circuit for converting the capacitor and the direct current to the alternating current between the capacitor and the active switch element of the first power conversion circuit for converting the direct current to the direct current. In the control system of the double converter conversion device for controlling the power conversion device in which the common wiring section exists in the wiring between the active switch element of
A signal for turning on each active switch element of the first power conversion circuit and the second power conversion circuit is simultaneously generated within a set time, or each active switch of the first power conversion circuit and the second power conversion circuit A delay circuit for delaying one of the signals when a signal for turning off the element is simultaneously generated within a certain set time is provided.
この発明によれば、スイッチング時に発生するサージ電圧値が低くなるため、電圧定格の低いIGBTやFWDチップを適用でき、小型で安価なシステムを構築することが可能となる。 According to the present invention, since a surge voltage value generated at the time of switching is lowered, an IGBT or FWD chip having a low voltage rating can be applied, and a small and inexpensive system can be constructed.
図1はこの発明の実施の形態を説明するフローチャートである。
まず、ステップS1では、コンバータ側IGBTとインバータ側IGBTに対し、ターンオフ指令が或る設定時間内に発生しているかどうかを判断し、発生していない場合(Nの場合)はステップS2に進み、発生した場合(Yの場合)はステップS3に進む。ステップS2ではコンバータ側IGBTとインバータ側IGBTに対し、ターンオン指令が或る設定時間内に発生しているかどうかを判断し、Yの場合はステップS3に進み、Nの場合は処理を終了する。ステップS3では、立ち上がりまたは立ち下がりタイミングの遅い方の信号を、或る設定時間だけ遅延させる。
FIG. 1 is a flowchart for explaining an embodiment of the present invention.
First, in step S1, it is determined whether or not a turn-off command is generated within a certain set time for the converter side IGBT and the inverter side IGBT. If not (N), the process proceeds to step S2. If it occurs (in the case of Y), the process proceeds to step S3. In step S2, it is determined whether a turn-on command is generated within a certain set time for the converter side IGBT and the inverter side IGBT. If Y, the process proceeds to step S3. If N, the process ends. In step S3, the signal with the later rising or falling timing is delayed by a certain set time.
すなわち、コンバータモジュールとインバータモジュールとを電解コンデンサ間を共通配線にて接続する、図6のようなダブルコンバータ変換システムにおいて、同一スタック内のコンバータ側IGBTとインバータ側IGBTが所定時間内に同時にスイッチング(ターンオフまたはターンオン)が行なわれると判断される場合には、一方の信号を遅延させることにより、同時遮断現象が発生しないようにし、スイッチング時のサージ電圧を抑制するものである。 That is, in the double converter conversion system as shown in FIG. 6 in which the converter module and the inverter module are connected by common wiring between the electrolytic capacitors, the converter side IGBT and the inverter side IGBT in the same stack are simultaneously switched within a predetermined time ( When it is determined that the turn-off or turn-on) is performed, one of the signals is delayed so that the simultaneous interruption phenomenon does not occur and the surge voltage at the time of switching is suppressed.
図2Aに、コンバータ側IGBTの制御信号Rの立ち上がりまたは立ち下がりタイミングに対し、インバータ側IGBTの制御信号Uが、或る設定時間T内に立ち上がりまたは立ち下がった場合に、制御信号Uを遅延させる回路例を示す。また、図2Bに、インバータ側IGBTの制御信号U’の立ち上がりまたは立ち下がりタイミングに対し、コンバータ側IGBTの制御信号Rが、或る設定時間T内に立ち上がりまたは立ち下がった場合に、制御信号Rを遅延させる回路例を示す。 FIG. 2A delays the control signal U when the control signal U of the inverter side IGBT rises or falls within a set time T with respect to the rise or fall timing of the control signal R of the converter side IGBT. An example circuit is shown. 2B shows that when the control signal R of the converter side IGBT rises or falls within a certain set time T with respect to the rise or fall timing of the control signal U ′ of the inverter side IGBT. The circuit example which delays is shown.
図2Aにおいて、20Aがワンショット回路で、R相信号(R)の立ち上がりによってH(ハイ)レベルの信号を出力する。ここで、スイッチ21AはU相信号(U)がHレベルのときにオン状態となるスイッチとする。すなわち、U相信号(U)がHの状態で、R相信号(R)がL(ロー)からHに変化するタイミングで、時間T分のワンショット信号が出力され、オア回路22に入力される。同様に、回路20Bによって、R相信号(R)の立ち下がりタイミング(R相信号(R)がHからLに変化するタイミング)で、Hレベルのワンショット信号が出力されオア回路22に入力される。
In FIG. 2A, 20A is a one-shot circuit, which outputs an H (high) level signal at the rising edge of the R-phase signal (R). Here, the
一方、ワンショット回路23Aは立ち上がりによって動作し、Lレベルの信号を出力する。ここで、スイッチ24AはU相信号(U)がLレベルのときにオン状態となるスイッチとする。すなわち、U相信号(U)がLの状態で、R相信号(R)がLからHに変化するタイミングで、時間T分のワンショット信号が出力され、オア回路25に入力される。同様に、回路23Bによって、R相信号(R)の立ち下がりタイミング(R相信号(R)がHからLに変化するタイミング)で、Lレベルのワンショット信号が出力されオア回路25に入力される。
On the other hand, the one-
ここで、オア回路25は、回路23A,23BがLとなっている期間に、U相信号(U)がLからHに立ち上がった場合に、U相信号(U)を回路23Aまたは回路23Bの出力がHになるまで、Hに立ち上がるのを強制的に遅延させる目的で接続されている。
同様に、オア回路22も、回路20A,20BがHとなっている期間に、U相信号(U)がHからLに立ち下がった場合に、U相信号(U)を回路20Aまたは回路20Bの出力がLになるまで、Lに立ち下がるのを強制的に遅延させる目的で接続されている。
Here, the
Similarly, the
26A,26Bはプルダウン抵抗で、スイッチ回路21A,21Bの入力が開放の場合(U相信号(U)がLの場合)に、回路20A,20Bの出力を強制的にLにするために設けられている。また、27A,27Bはプルアップ抵抗で、スイッチ回路24A,24Bの入力が開放の場合(U相信号(U)がHの場合)に、回路23A,23Bの出力を強制的にHにするために設けられている。
26A and 26B are pull-down resistors provided to force the outputs of the
図2Aは、R相信号(R)の変化が、U相信号(U)の変化よりもタイミング的に早かった場合の信号処理回路である。一方、図2Bは図2AからのU相信号(U)の変化が、R相信号(R)の変化よりもタイミング的に早かった場合の信号処理回路を示し、U相とR相の関係が逆になるだけで、回路構成は全く同じである。
最終的には、図2Aの回路と図2Bの回路とは直列に接続する構成とし、U相信号(U’)とR相信号(R’)は、バッファ回路28A,28Bと反転回路29A,29Bによって、それぞれの相の上アーム側のIGBT駆動信号(U1’, R1’)と、下アーム側のIGBT駆動信号(U2’, R2’)となる。
FIG. 2A shows a signal processing circuit when the change of the R-phase signal (R) is earlier in timing than the change of the U-phase signal (U). On the other hand, FIG. 2B shows a signal processing circuit when the change of the U-phase signal (U) from FIG. 2A is earlier in timing than the change of the R-phase signal (R), and the relationship between the U-phase and the R-phase is shown. The circuit configuration is exactly the same only by reversing.
Finally, the circuit of FIG. 2A and the circuit of FIG. 2B are configured to be connected in series, and the U-phase signal (U ′) and the R-phase signal (R ′) are supplied to the
図3に図2A,2Bのタイムチャートを示す。
時刻t0にてR相信号(R)が立ち下がり、期間T以内の時刻t1にてU相信号(U)が立ち下がった場合、U相信号(U)の立ち下がりは時刻t2まで遅延される(信号U’)。同様に、時刻t3にてU相信号(U)が立ち上がり、期間T以内の時刻t4にてR相信号(R)が立ち上がった場合、R相信号(R)の立ち上がりは時刻t5まで遅延される(信号R’)。また、時刻t6,t7においては、期間T以内に対象となる信号は存在しないので、信号はそのままとなる。
FIG. 3 shows time charts of FIGS. 2A and 2B.
When the R phase signal (R) falls at time t0 and the U phase signal (U) falls at time t1 within the period T, the fall of the U phase signal (U) is delayed until time t2. (Signal U '). Similarly, when the U-phase signal (U) rises at time t3 and the R-phase signal (R) rises at time t4 within the period T, the rise of the R-phase signal (R) is delayed until time t5. (Signal R ′). In addition, at time t6 and t7, the target signal does not exist within the period T, so the signal remains as it is.
図4に、この発明によるシステム構成図を示す。
同図の符号31,32,33が図2Aの回路と図2Bの回路とを直列接続した遅延回路を示し、この点が図5に示す従来例と異なるだけなので、詳細は省略する。なお、10A,10A’,10A”はインバータ用モジュールの制御回路、10B,10B’,10B”はコンバータ用モジュールの制御回路を示す。
また、以上では信号の遅延をハードウエアで実現したが、ソフトウエアで実現しても良いのは言うまでも無い。
FIG. 4 shows a system configuration diagram according to the present invention.
In the above description, signal delay is realized by hardware, but it goes without saying that it may be realized by software.
1…交流電源、2…変換回路(コンバータ)、3…変換回路(インバータ)、4…電解コンデンサ、5…ゲート駆動回路、6…指令回路、7…三角波発生回路、8…比較回路、9,29A,29B…反転回路、10〜10B”…制御回路、20A,20B,23A,23B…ワンショット回路、21A,21B,24A,24B…スイッチ、22,25…オア回路、26A,26B…プルダウン抵抗、27A,27B…プルアップ抵抗、28A,28B…バッファ回路、31〜33…遅延回路。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記第1電力変換回路と前記第2電力変換回路の各能動スイッチ素子をターンオンさせる信号が或る設定時間内に同時に発生するか、または第1電力変換回路と第2電力変換回路の各能動スイッチ素子をターンオフさせる信号が或る設定時間内に同時に発生したときは、一方の信号を遅延させる遅延回路を設けたことを特徴とするダブルコンバータ変換装置の制御方式。 A power converter for converting from AC to DC, and further from DC to AC, with a capacitor connected to the DC section, and using an active switch element for each power conversion circuit for converting from AC to DC and from DC to AC, Common wiring between the capacitor and the active switch element of the first power conversion circuit that converts AC to DC, and between the capacitor and the active switch element of the second power conversion circuit that converts DC to AC In the control system of the double converter conversion device that controls the power conversion device in which the section exists,
A signal for turning on each active switch element of the first power conversion circuit and the second power conversion circuit is simultaneously generated within a set time, or each active switch of the first power conversion circuit and the second power conversion circuit A control system for a double converter conversion device, comprising a delay circuit for delaying one signal when signals for turning off an element are simultaneously generated within a set time.
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CN102082547A (en) * | 2009-11-30 | 2011-06-01 | 株式会社日立制作所 | Power conversion device |
JP2011160571A (en) * | 2010-02-01 | 2011-08-18 | Denso Corp | Device for control of simultaneous switching |
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