JP2014050143A

JP2014050143A - Ｚソースインバータ

Info

Publication number: JP2014050143A
Application number: JP2012188819A
Authority: JP
Inventors: Motoki Sato; 基佐藤
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2012-08-29
Filing date: 2012-08-29
Publication date: 2014-03-17

Abstract

【課題】
Ｚソースインバータをより安定に動作させることを目的とする。
【解決手段】
ＰＷＭ制御された任意の振幅かつ任意の周波数の三相交流電圧を出力するインバータ回路（４）と、インバータ回路（４）の出力に接続された３相負荷（５）からなるＺソースインバータにおいて、キャパシタ（３３）あるいはキャパシタ（３４）の電圧が一定となるように、前記Ｚソースインバータのキャリア周波数を連続で可変する可変キャリア発生器（７）を具備することを特徴とするＺソースインバータ。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電圧を入力としてダイオードと、二つのインダクタと二つのキャパシタがＸ型に接続されたインピーダンスソースからなるＺソース回路と、インバータ回路からなるＺソースインバータと言われる電力変換器に関わるものである。

図２を用いて従来技術を説明する。非特許文献１によれば、従来技術は図２のような構成となっている。すなわち、直流電源１があり、該直流電源１の陽極にダイオード２のアノードが接続され、該ダイオード２のカソードにインダクタ３１の一端が接続され、該インダクタ３１のもう一端にキャパシタ３３の一端が接続され、該キャパシタ３３のもう一端がインダクタ３２の一端と前記直流電源１の負極に接続され、前記ダイオードのカソードにキャパシタ３４の一端が接続され、該キャパシタ３４のもう一端にインダクタ３２のもう一端が接続され、インダクタ３１とキャパシタ３３が接続された点をＰ点とし、インダクタ３２とキャパシタ３４が接続された点をＮ点とし、前記Ｐ点と、前記Ｎ点が入力となって６つの三相フルブリッジ回路を組む半導体スイッチ群からなり、前記Ｐ点と前記Ｎ点間の直流電圧をＰＷＭ制御された任意の振幅かつ任意の周波数の三相交流電圧を出力するインバータ回路４と、該インバータ回路４の出力に接続された三相負荷５と、三相負荷５に出力されるPWM制御された三相交流電圧を出力するための指令値を出力する三相交流電圧指令発生器１１と、インバータ回路４の上下アームを短絡する時間を出力する短絡時間生成器１２と、短絡時間生成器１２の出力と三相交流電圧指令発生器１１の出力と三角波あるいは鋸波を出力するキャリア発生器１４の出力とを入力し、キャリア発生器１４の出力と三相交流電圧指令発生器１１の出力とを比較してＰＷＭ信号であり、同時に短絡時間生成器１２の出力に応じてインバータ回路４の上下アームを短絡する信号でもあるゲート駆動信号を生成する比較器６とからなるＺソースインバータと言われる半導体電力変換回路である。ここで、インバータ回路４は、三相フルブリッジ回路を組む半導体スイッチ群からなり、図４のような構成となっている。

上のような構成にすることで、インバータ回路４のスイッチング素子がそれぞれ指令値とキャリア（基準三角波）との比較によるＰＷＭ制御でオン、オフするインバータ動作からインバータ回路４の出力三相のうちの何れかの相の上下アームが共にオンする短絡動作になると、キャパシタ３３、３４がそれぞれ放電され、インダクタ３１、３２それぞれにエネルギーが蓄積される。次に、短絡していた相のどちらか一方のスイッチング素子がオフしてインバータ動作に戻ると、インダクタ３１、３２それぞれに蓄積されていたエネルギーが放出され、キャパシタ３３、３４がそれぞれ充電される。よって、直流電源１の電圧が昇圧され、インバータ回路４に出力される。上述の短絡動作は、例えばインバータ回路４の各スイッチング素子がオンからオフ、またはオフからオンにスイッチングするときに行っている。詳しくは非特許文献１参照のこと。

特許文献１では、キャパシタ３３、３４のいずれかの電圧を検出して、指令値との差分をとり、ＰＩ制御器に入力して短絡時間生成器１２を決定する手法が用いられている。これは、キャパシタ電圧が一定になるように短絡時間生成器１２を制御していることに等しく、Ｚソースインバータを安定動作させている。

また、特許文献１では、Ｚソースインバータのキャリア周波数が変更された場合においてインバータ回路４のスイッチング損失を減らすために、キャリア周期が長くなると１キャリア周期当たりにインバータ回路４を短絡する回数が増えるように、又は、キャリア周期が長くなっても１キャリア周期当たりの前記短絡回数を増やさずにキャリア周期が最も長くなるときの前記短絡回数が、キャリア周期が最も短くなるときの該短絡回数よりも多くなるように、１キャリア周期当たりの該短絡回数を設定し、その１キャリア周期当たりの短絡回数になるようにインバータ回路４のスイッチング素子のオン、オフを制御することについて言及されている。これは、キャリア周期を変更したときに付随して変更される前記短絡時間あるいは前記短絡回数に応じて生じるインバータ回路４のスイッチング損失を制御することが主目的であるが、同時にインダクタ３１、３２に流れる電流が不連続になることによって生じるＺソースインバータの不安定動作を回避することも目的としてあげられている。

特開２０１１−１６０６１７号公報

Fang Zhen Peng et.al.,"Z-source Inverter",IEEE Transactions onIndustry Applications, vol. 39, No. 2, March/April 2003,p 504-510

しかしながら、特許文献１には以下のような課題があった。キャパシタ３３、３４のいずれかの電圧を検出して、指令値との差分をとり、ＰＩ制御器に入力して短絡時間指令値１４を決定する手法が用いられている。これは、キャパシタ電圧が一定になるように短絡時間指令値１４を制御するだけでは、上述したようにインダクタ３１、３２に流れる電流が不連続になる事を回避するには不十分である場合があった。また、特許文献１記載のキャリアが変更した場合に短絡回数をｎ倍にすることでスイッチング損を減らすという手法は、同時にＺソースインバータの制御性の悪化を防ぐという狙いもあったが、どのようにしてキャリアを変えるのかについて詳細な言及はなされていなかった。

Ｚソースインバータにおいて、キャパシタ３３または３４のどちらかいずれの両端の電圧を検出する電圧検出器３６と、キャパシタ３３または３４の両端の電圧の指令値を出力するキャパシタ電圧指令値発生器１０と、キャパシタ電圧指令値発生器１０と電圧検出器３６の出力との差を出力する減算器９と、減算器９の出力を増幅するアンプ８と、アンプ８の出力が入力されキャリアを出力するキャリア発生器であってアンプ８の出力が正ならばキャリア周波数が高くなり負ならばキャリア周波数が低くなってキャパシタ３３または３４の両端の電圧がキャパシタ電圧指令値発生器１０の出力と一致するようにキャリア周波数を変化させ出力するキャリア発生器１４と、三相負荷５に出力されるＰＷＭ制御された三相交流電圧を出力するための指令値を出力する三相交流電圧指令値発生器１１と、インバータ回路４の上下アームを短絡する時間を出力する短絡時間生成器１２と、短絡時間生成器１２とキャリア発生器１４と三相交流電圧指令値発生器１１との出力を入力しインバータ回路４のスイッチング周期内に短絡時間生成器１２の出力時間分インバータ回路４の上下アームを短絡してさらにキャリア発生器１４と三相交流電圧指令値発生器１１の比較結果からＰＷＭ制御された任意の周波数と任意の振幅の三相交流電圧を出力するためのスイッチング信号を出力しインバータ回路４に入力する比較器６を具備することを特徴とする電力変換装置Ｚソースインバータを用いる。

上記のＺソースインバータを用いる事で、以下のような利点がある。特許文献１では言及されなかったキャリア周波数を、本発明ではキャパシタ電圧指令値発生器１０の出力によって可変制御させるようにする。この時、１キャリア周期における前記短絡時間は、キャリア周波数に比例して増減するものとする。これにより、キャリア周波数が増加した場合はキャパシタ３３、３４の両端の電圧が増加し、キャリア周波数が減少した場合はキャパシタ３３、３４の両端の電圧が減少することになり、キャパシタ電圧３３、３４を一定に制御することができる。これは同時に直流電源１の昇圧電圧を制御することに等しく、また、特許文献１記載のキャパシタ３３、３４のいずれかの電圧を検出して、指令値との差分をとり、ＰＩ制御器に入力して可変短絡時間生成器１３を決定する手法と併用することが可能であるため、よりＺソースインバータが安定に動作するものである。この際、特許文献１と比較して追加部品はほとんどなく、安価な改良で本発明の本懐を成すことが可能である。

本発明の構成の説明図である。（実施例１）非特許文献１記載の従来技術を説明した図である。特許文献１記載の従来技術を説明した図である。インバータの主回路を説明するための図である。

以下、実施例にて発明の構成の詳細な説明をする。

本発明の回路構成が従来の非特許文献１や特許文献１記載の回路と同じ部分の説明は省略する。Ｚソースインバータにおいて、キャパシタ３３または３４のどちらかいずれの両端の電圧を検出する電圧検出器３６があり、キャパシタ３３または３４の両端の電圧の指令値を出力するキャパシタ電圧指令値発生器１０と、キャパシタ電圧指令値発生器１０と電圧検出器３６の出力との差を出力する減算器９と、減算器９の出力を増幅するアンプ８
が搭載されている。例えばアンプ８はＰＩ制御器であってもよい。可変キャリア発生器７はアンプ８の出力が入力され、アンプ８の出力に応じてキャパシタ３３または３４の両端の電圧がキャパシタ電圧指令値発生器１０の出力と同じになるようにキャリア周波数が増減する。この時、１キャリア周期における前記短絡回数は変わらない。キャパシタ３３、３４のいずれかの電圧を検出して、キャパシタ電圧指令値発生器１０との差分をとり、ＰＩ制御器（アンプ８）に入力して、該アンプ８の出力を用いて前記短絡時間を決定してもよい。電圧検出器３６によって検出されたキャパシタ３３、３４のいずれかの電圧はＫ倍して出力して、直流電圧１を昇圧する電圧の比率を変更してもよい。

図1において、インダクタ３１とインダクタ３２がコア材によって磁気的に結合されたものを用いてもよい。インダクタ３１と３２をコア材で磁気的に結合することによって、インダクタ３１と３２を小型化することができる。

本発明は、昇圧機能を備えたインバータであるＺソースインバータに適用可能である。

１直流電源
２ダイオード
３Ｚソース回路
３１インダクタ
３２インダクタ
３３キャパシタ
３４キャパシタ
３６電圧検出器
４インバータ回路
４１インバータ回路主素子、例えばＩＧＢＴ
５三相交流負荷
６比較器
７可変キャリア発生器
８アンプ
９減算器
１０キャパシタ電圧指令発生器
１１三相交流電圧指令発生器
１２短絡時間生成器
１３可変短絡時間生成器
１４キャリア発生器

Claims

直流電源（１）の陽極にダイオード（２）のアノードが接続され、該ダイオード（２）のカソードにインダクタ（３１）の一端が接続され、該インダクタ（３１）のもう一端にキャパシタ（３３）の一端が接続され、キャパシタ（３３）のもう一端がインダクタ（３２）の一端と直流電源（１）の負極に接続され、ダイオード（２）のカソードにキャパシタ（３４）の一端が接続され、キャパシタ（３４）のもう一端に前記インダクタ（３２）のもう一端が接続され、インダクタ（３１）とキャパシタ（３３）が接続された点をＰ点とし、インダクタ（３２）とキャパシタ（３４）が接続された点をＮ点とし、前記Ｐ点と、前記Ｎ点が入力となって三相フルブリッジ回路を組む半導体スイッチ群からなり、ＰＷＭ制御された任意の振幅かつ任意の周波数の三相交流電圧を出力するインバータ回路（４）と、インバータ回路（４）の出力に接続された３相負荷（５）からなるＺソースインバータにおいて、
キャパシタ（３３）あるいはキャパシタ（３４）の電圧が一定となるように、前記Ｚソースインバータのキャリア周波数を連続で可変する可変キャリア発生器（７）を具備することを特徴とするＺソースインバータ。
請求項１記載のＺソースインバータにおいて、
キャパシタ（３３）またはキャパシタ（３４）のどちらかいずれの両端の電圧を検出する電圧検出器（３６）と、キャパシタ（３３）またはキャパシタ（３４）の両端の電圧の指令値を出力するキャパシタ電圧指令値発生器（１０）と、キャパシタ電圧指令値発生器（１０）と電圧検出器（３６）の出力との差を出力する減算器（９）と、減算器（９）の出力を増幅するアンプ（８）と、アンプ（８）の出力が入力されキャリアを出力するキャリア発生器であってアンプ（８）の出力が正ならばキャリア周波数が高くなり負ならばキャリア周波数が低くなってキャパシタ（３３）またはキャパシタ（３４）の両端の電圧がキャパシタ電圧指令値発生器（１０）の出力と一致するようにキャリア周波数を変化させ出力する可変キャリア発生器（７）と、三相負荷（５）に出力されるPWM制御された三相交流電圧を出力するための指令値を出力する三相交流電圧指令発生器（１１）と、インバータ回路（４）の上下アームを短絡する時間を出力する短絡時間生成器（１２）と、短絡時間生成器（１２）と可変キャリア発生器（７）と三相交流電圧指令発生器（１１）との出力を入力しインバータ回路（４）のスイッチング周期内に短絡時間生成器（１２）の出力時間分インバータ回路（４）の上下アームを短絡してさらに可変キャリア発生器（７）と三相交流電圧指令発生器（１１）の比較結果からPWM制御された任意の周波数と任意の振幅の三相交流電圧を出力するためのスイッチング信号を出力しインバータ回路（４）に入力する比較器（６）を具備することを特徴とするＺソースインバータ。
請求項１記載のＺソースインバータにおいて、
インダクタ（３１）とインダクタ（３２）がコア材によって磁気的に結合されたものを用いることを特徴とするＺソースインバータ。