JP2015070703A

JP2015070703A - 電力変換装置および制御方法

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Publication number: JP2015070703A
Application number: JP2013203006A
Authority: JP
Inventors: 祐介荒尾; Yusuke Arao; 啓輔田邉; Keisuke Tanabe
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2013-09-30
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2015-04-13
Anticipated expiration: 2033-09-30
Also published as: CN105594113A; JP6169459B2; CN105594113B; WO2015045565A1

Abstract

【課題】電力変換装置に流れる電流あるいは電力変換装置の直流電圧が成長した場合にキャリア周波数を下げ、かつ、過電流レベルあるいは過電圧レベルを上げることでスイッチング素子の破壊を防ぎつつ、電力変換装置の使用範囲を広げることができる方法を提供する。また、安価なスイッチング素子を最大限利用することができ原価を抑えた製品を提供する。【解決手段】直流電圧を平滑化する直流平滑部101と、直流電圧を所望の交流電圧に変換する電力変換部102と、前記電力変換部からの出力される電流を検出する電流検出器104と、前記直流平滑部の電圧を検出する電圧検出器107と、前記電力変換部のスイッチング素子のオンオフを制御する制御回路105とを備え、前記制御回路は、前記電流検出器にて検出された電流に基づきキャリア周波数を制御し、キャリア周波数および前記電圧検出器にて検出された電圧に基づき過電流レベルを設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置および制御方法に関する。

本技術分野の背景技術として、特開平９−８４３５１号公報（特許文献１）がある。この公報には、「前記半導体素子の故障並列数を判別する素子故障判別回路６と、該素子故障判別回路６に応答し前記半導体素子の故障並列数に応じて前記電力変換装置の電流基準値を下げる電流基準変更回路１３と、前記素子故障判別回路６に応答し前記電力変換装置を過電流から保護する過電流保護回路の保護レベルを前記半導体素子の故障並列数に応じて下げる過電流レベル変更回路１１ー３を具備し、前記半導体素子の故障並列数に応じて前記電力変換装置の出力電流を低下させると共に過電流保護レベルも低下させることを特徴とした電力変換装置。」と記載されている（要約参照）。

また、特開２０１２−１２５０９２号公報（特許文献２）がある。この公報には、「インバータ１の主回路を構成する各半導体スイッチ素子（ＩＧＢＴ）のオンオフ制御で負荷２に制御された電力・電流を供給し、電流検出器６でＩＧＢＴに流れる電流の検出値がＩＧＢＴの過電流判定レベルを超えたときにＩＧＢＴを過電流から保護する過電流保護装置であって、過電流判定レベル可変回路３Ａは、主回路の直流電圧Ｅｄが低いほど、過電流判定レベルＩｊを高い値に設定・調節する。比較器３Ｂは設定・調節した過電流判定レベルＩｊを検出電流Ｉｄｅｔが超えたことを判定しときに、駆動回路４のゲート電圧出力のオフ制御等によって負荷やＩＧＢＴの電流を遮断する。」と記載されている（要約参照）。

また、特開平６−１０５５６２号公報（特許文献３）がある。この公報には、「演算装置は、初期状態において周波数ｆ1モードを設定する（Ｓ１）。適当な演算周期をもって、電流検出値ＩPとしきい値Ｋ1と比較する（Ｓ４）。定常時は、周波数ｆ1モードを維持する（Ｓ４：Ｎ）。過電流時は、周波数ｆ1モードから周波数ｆ2モードに切り替える（Ｓ５）。スイッチング損失が低下する。スイッチング素子の発熱が抑えられる。演算装置は、周波数ｆ2モードに切り替えた後、ＩPの定常範囲への復帰を監視する（Ｓ６）。定常状態となると（Ｓ６：Ｙ）、周波数ｆ1モードに切り替えて定常運転に戻る（Ｓ７）」と記載されている（要約参照）。

また、特開平１１−６９８３０号公報（特許文献４）がある。この公報には、「制御装置１０は発振器１，発振器１の出力周波数を１／Ｎ１又は１／Ｎ２に分周する分周装置２，キャリア波生成回路３，過負荷検出器４等とから構成されている。負荷が定格以内では過負荷検出器４は分周装置２にオフの信号ｂを送出し、分周装置２は発振器１の信号ａを１／Ｎ１に分周して信号ｄを出力し、キャリア波生成回路３は三角波のスイッチング周波数を生成して信号ｅを出力する。過負荷の場合には過負荷検出器４は、分周装置２にオンの信号ｂを送出し、分周装置２は発振器１の信号ａを１／Ｎ２に分周して信号ｄを出力し、キャリア波生成回路３は信号ｅを出力する。Ｎ１＜Ｎ２であり、スイッチング周波数を下げることによりスイッチング損失を低減させている。」と記載されている（要約参照）。

特開平９−８４３５１号公報特開２０１２−１２５０９２号公報特開平６−１０５５６２号公報特開平１１−６９８３０号公報

前記特許文献１には、各アームが少なくとも複数個の並列接続された半導体素子から成る電力変換装置において、前記半導体素子の故障並列数を判別する素子故障判別回路と、該素子故障判別回路に応答し前記半導体素子の故障並列数に応じて前記電力変換装置の電流基準値を下げる電流基準変更回路と、前記素子故障判別回路に応答し前記電力変換装置を過電流から保護する過電流保護回路の保護レベルを前記半導体素子の故障並列数に応じて下げる過電流レベル変更回路を具備し、前記半導体素子の故障並列数に応じて前記電力変換装置の出力電流を低下させると共に過電流保護レベルも低下させる仕組みが記載されている。

前記特許文献１の仕組みは、素子故障が発生すると整流器の故障アームの並列数が減少しているので、素子故障の発生しているアームの健全な半導体素子の電流分担値が大きくなり、健全素子だけでは整流器の定格出力を出力するのは困難である為、１並列数の素子故障時でも定格出力が継続できるように冗長（通常１個の冗長数）を持たせることを目的としている。しかし、特許文献１の方法では、素子が正常である場合に素子を保護しようとすると、運転中に前記電流基準値および過電流レベルを下げるような制御を行う必要があり、モータ駆動の電流特性を制限するため、モータトルクの特性不足やトリップしやすくなる場合がある。このため、特許文献１記載の目的とは異なる場合、すなわち正常状態の電力変換装置の素子を対象とする場合には、別の方法が必要となる。

前記特許文献２には、主回路を構成する各半導体スイッチ素子のオンオフ制御で負荷に制御された電力・電流を供給し、前記半導体スイッチ素子に流れる電流を直接または間接的に検出し、この電流値が前記半導体スイッチ素子の過電流判定レベルを超えたときに前記半導体スイッチ素子を過電流から保護する電力変換装置の過電流保護装置であって、前記主回路の直流電圧が低いほど、前記過電流判定レベルを高い値に設定・調節する過電流判定レベル設定・調節手段を備えたことを特徴とした仕組みが記載されている。

前記特許文献２の仕組みは、電力変換装置の主回路の直流電圧が低いほど過電流判定レベルを高い値に設定・調節するため、電力変換装置の電力変換性能を最大限まで活用しながら、誤った過電流判定と保護動作を防止できるとしている。しかし、特許文献２の方法では、素子の温度変化を考慮しておらず、素子破壊を防ぐためには、取り得る環境温度に対して安全な水準での過電流レベルを決定する必要がある。このため、過電流レベルを温度の取り得る安全なレベルになるよう低く設定する必要がある場合があり、モータ駆動の電流特性を制限するため、モータトルクの特性不足やトリップしやすくなる場合がある。

前記特許文献３には、過電流状態が認識された後にキャリア周波数を低減させることで素子の発熱を防ぐというものである。しかし、特許文献３の仕組みでは、キャリア周波数を下げることにより素子の損失を低減させる方法は記載されているが、素子破壊を防ぐための過電流レベルについては記載がない。電力変換装置が電動機を駆動する場合、キャリア周波数を下げたとしても、スイッチング素子が破壊しないレベルの電流までしか電流を流すことができず、その電流以下で駆動することが前提となる。このため、電力変換装置に流れる電流が急峻に成長した場合には、スイッチング素子の破壊に至る可能性がある。このため、キャリア周波数が下がった場合でも、戻る可能性があるのならば最大キャリア周波数が高ければ余分に耐久力のあるスイッチング素子を使用するため、製品原価が上がってしまう場合がある。

前記特許文献４には、パルス幅変調（ＰＷＭ）を制御する制御装置を備えたインバータ装置において、前記制御装置は発振器と、発振器の出力を分周する分周装置と、スイッチング素子のスイッチング周波数を生成するキャリア波生成回路と、インバータ装置の過電流を検出する過負荷検出装置とで構成されており、過負荷検出器からの出力がない通常時には分周装置は予め定められた所定の周波数を出力し、過負荷検出器からの出力がある過負荷時には分周装置は前記所定の周波数よりも低い周波数を出力するものである。しかし、特許文献４の仕組みでは、キャリア周波数を下げることにより素子の損失を低減させる方法は記載されているが、素子破壊を防ぐための過電流レベルについては記載がない。電力変換装置が電動機を駆動する場合、キャリア周波数を下げたとしても、スイッチング素子が破壊しないレベルの電流までしか電流を流すことができず、その電流以下で駆動することが前提となる。このため、電力変換装置に流れる電流が急峻に成長した場合には、スイッチング素子の破壊に至る可能性がある。このため、キャリア周波数が下がった場合でも、戻る可能性があるのならば最大キャリア周波数が高ければ余分に耐久力のあるスイッチング素子を使用するため、製品原価が上がってしまう場合がある。

本発明は、通常運転中のモータの電磁音を抑えながらも、安価なスイッチング素子を利用する場合には、素子の破壊を防ぎかつトリップレスで駆動する仕組み、あるいは、余裕のあるスイッチング素子を利用するのであれば、素子の破壊を防ぎかつ電力変換装置の電力変換性能を最大限まで活用しながらトリップレスで駆動させる仕組みを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。

本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、直流電圧を所望の交流電圧に変換する電力変換部と、前記電力変換部からの出力される電流を検出する電流検出器と、前記電力変換部のスイッチング素子のオンオフを制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記電流検出器にて検出された電流に基づきキャリア周波数を制御し、キャリア周波数に基づき過電流レベルを設定することを特徴とする。

本発明によれば、スイッチング素子の破壊を防ぎつつ電力変換装置の使用範囲を広げることを可能とした電力変換装置および制御方法を提供する。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

実施例１、２における電力変換装置の構成図の例である。スイッチング素子の電流、電圧および損失特性を示した例である。損失Pを一定にした場合のキャリア周波数fswとコレクタ電流Icの関係およびコレクタ・エミッタ間電圧Vceの変化を示した図である。実施例１における過電流判定、キャリア周波数変更、過電流レベル変更を判断するフローチャートである。実施例１におけるキャリア周波数変更のフローチャートである。実施例１におけるキャリア周波数fcと電流Iと、過電流レベル、低減レベルの関係を示した例である。実施例２における過電流判定、キャリア周波数変更、過電流レベル変更を判断するフローチャートである。実施例２におけるキャリア周波数変更のフローチャートである。実施例２におけるキャリア周波数fcと電流Iと、過電流レベル、低減レベルの関係を示した例である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

本実施例では、電力変換装置が検出した電流が増大した場合にキャリア低減を行い素子の発熱を抑えると同時に過電流レベル設定を変更していくことで素子の使用範囲を最大限発揮させるとともに、瞬時的に過電流が起きた場合には、素子の破壊を防ぐために遮断を行う例を説明する。

図１は、本実施例の電力変換装置に交流電動機１０３を接続した構成図の例である。

本実施例では、直流平滑部１０１、電力変換部１０２、交流電動機１０３、電流検出器１０４、制御回路部１０５、電流検出部１０６、電圧検出部１０７、制御指令部１０８、電圧検出器１０９を有する。

直流平滑部１０１は、例えば平滑コンデンサで構成され、例えば電力会社から供給される３相交流電圧に変換器を通した直流電圧や発電機から供給される直流電圧を平滑化し、直流電圧を電力変換部１０２に供給する。また、直流平滑部１０１は、直流電圧値を制御回路１０５の電圧検出部１０７に出力する。

電力変換部１０２は、例えばIGBT、MOSFET、GTO等のスイッチング素子で構成され、直流平滑部１０１の直流電圧を入力とし、直流電圧を交流電圧に変換し、交流電動機１０３に出力する。交流電動機１０３は、誘導電動機でも同期電動機でもよく、交流電源につないでもよい。

電流検出器１０４は、例えばホールCTやシャント抵抗で構成され、電力変換装置の出力部に配置されることにより交流電動機１０３に流れる電流を検出し、制御回路部１０５の電流検出部１０６に電流検出値として出力する。電流検出器１０４は、スイッチング素子に流れるコレクタ電流Icを推定、又は直接検出できる箇所に配置されているならば、どこに配置されていてもよい。図１では、交流電動機１０３に流れる電流を検出する例が示されている。

制御回路部１０５は、例えばMCUに実装されたソフトウェアおよびハードウェア回路で構成される。制御回路部１０５は、ハードウェアのみで構成されていてもよく、記憶素子やその他のIC素子で構成されていても良い。

電流検出部１０６は、電流検出器１０４から入力された電流検出値を、出力電流データとして、制御指令部１０８に出力する。電流検出部１０４が出力するデータは、三相電流であっても、１次電流として直流電流換算されたものであってもよい。

電圧検出器１０９は、例えば抵抗を用いて直流電圧を分圧しMCUに入力するような電圧検出回路であって、直流平滑部を直流平滑部１０１から入力された電圧検出値を、直流電圧データとして、電圧検出部１０７に出力する。電圧検出器１０９は、直接スイッチング素子のコレクタ−エミッタ間電圧Vceを検出しても良い。

電圧検出部１０７は、電圧検出器１０９から入力された電圧検出値を、直流電圧データとして、制御指令部１０８に出力する。

制御指令部１０８は、電流検出部１０６から電流データを、電圧検出部１０７から直流電圧データを入力とし、電流情報に基づきキャリア周波数を決定し、素子のオンオフ情報を電力変換部１０２に出力する。また、制御指令部１０８は、キャリア周波数および直流電圧データから過電流レベルを決定し、電流データと過電流レベルを比較し、電流データが過電流レベルを超えた場合には素子の出力遮断を行う。

図２は、スイッチング素子のトランジスタに流れるコレクタ電流Icとコレクタ−エミッタ間電圧Vce、およびその時の素子の損失Pの関係を示している。例えば、トランジスタに流れるコレクタ電流Icは、検出した電流データを用いる。また、例えば、トランジスタに流れるコレクタ−エミッタ間電圧Vceは、直流電圧データを半分にしたデータを用いる。損失Pは、スイッチング損失Pswと定常損失Psatを用いて以下の式で表される。

また、スイッチング損失Pswは、キャリア周波数fsw、キャリア１周期T、ターンオン電流ion(t)、ターンオン電圧von(t)、ターンオフ電流ioff(t)、ターンオフ電圧voff(t)、を用いて以下の式で表される。

また、定常損失Psatは、キャリア１周期T、オン電流i(t)、オン電圧v(t)、オンデューティDを用いて以下の式で表される。

定常損失の計算において、スイッチング素子がオフでも、漏れ電流等の影響で損失が発生しているが、微小なためここでは考えていない。

図３は、前記式を元に損失Pを一定にした場合のキャリア周波数fswとコレクタ電流Icの関係を示した図である。電力変換装置のスイッチング素子であるIGBT、MOSFET、GTO等は、損失Pが増大すると、素子の温度が上昇し、素子の絶対定格である最大ジャンクション温度を超えて熱破壊に至る、あるいは、熱破壊に至らないまでも素子の温度勾配の発生により寿命が縮み、パワーサイクル寿命に至る。定常損失Psatは、キャリア周波数fswに対して、キャリア周波数fswに依らないため、コレクタ電流Ic,satとコレクタ−エミッタ電圧Vce,satにより一定値となる。スイッチング損失Pswは、キャリア周波数fswおよび、スイッチング素子のターンオン時のコレクタ電流Ic,onとコレクタ−エミッタ電圧Vce,on、スイッチング素子のターンオフ時のコレクタ電流Ic,offとコレクタ−エミッタ電圧Vce,offにより、キャリア周波数fswが低下するほど、許容できるコレクタ電流Icは上昇する。また、コレクタ−エミッタ電圧Vceが増大した場合は、図で示すように、それに応じてコレクタ電流Icの許容レベルは低下し、コレクタ−エミッタ電圧Vceが低下した場合は、図で示すように、それに応じてコレクタ電流Icの許容レベルは増加する。これら素子の寿命・耐量にかかわる条件は、スイッチング素子メーカから得られる素子情報から計算しても良いし、実測したものを用いてもかまわない。

本実施例では、電流が増大した場合に、素子のスイッチング損失が増えるのをキャリア低減により抑え、キャリア低減に従い過電流レベルを変更することで、電流を流す必要のある場合、例えば交流電動機のトルク等が必要の場合には、素子の耐えられる寿命・破壊に関わる損失曲線に応じて過電流レベルが上がるため、素子の使用範囲を最大限発揮させるとともに、瞬時的に過電流が起きた場合には、素子の熱破壊を防ぐために遮断を行う方法を説明する。

図４は、制御指令部１０９が、キャリア周波数を変更し、過電流判断を行う方法を表している。制御指令部１０９は、まず電流検出部１０６から電流データを取得し（Ｓ２０１）、キャリア周波数の変更が必要かどうかを判断する（Ｓ２０２）。キャリア周波数変更が必要だと判断された場合、電流データに応じてキャリア周波数を変更し（Ｓ２０３）、電流変換部１０２のスイッチング素子に指令として出力すると共に、変更されたキャリア周波数および取得した直流電圧データに応じて過電流レベルを変更する（Ｓ２０４）。これにより、スイッチング素子の損失を低減し、すなわち素子の温度上昇を抑制しつつ、電流の制御範囲を最大にする。電流データに応じてキャリア周波数を変更、および、キャリア周波数に応じて過電流レベルを変更する方法としては、例えばＲＯＭ等の記憶素子を用意し、予め素子の寿命・破壊に関わる損失曲線を変換テーブルとして記憶しておき、変更の際にテーブルを参照して変更しても良いし、素子の寿命・破壊に関わる損失曲線をＭＣＵ等に演算させて変更しても良い。次に、制御指令部１０９は、瞬間的に電流が跳ね上がりからスイッチング素子を保護するとともに、急激に損失が増えることによる温度上昇を防ぐために、出力電流データと変更された過電流レベルを比較し（Ｓ２０５）、出力電流データが過電流レベルを超えていれば、電力変換部に指令として遮断を行う（Ｓ２０６）。

図５では、制御指令部１０９が、図４（Ｓ２０２）で判断する方法を表している。制御指令部１０９は、まず電流検出部１０６から電流データを取得する（Ｓ３０１）。制御指令部１０９は、取得した電流データをキャリア周波数fc判定レベルaと比較し（Ｓ３０２）、取得した電流データがキャリア周波数fc判定レベルaを超えていれば、キャリア周波数を下げていく（Ｓ３０３）。次に、取得した電流データをキャリア周波数fc判定レベルbと比較し（Ｓ３０４）、取得した電流データがキャリア周波数fc判定レベルbを下回っていれば、キャリア周波数を上げていく（Ｓ３０５）。電流データと比較するキャリア周波数fc判定レベルa、bは、予め素子の寿命・破壊に関わる損失曲線を変換テーブルとして記憶しておき、変更の際にテーブルを参照して変更しても良いし、素子の寿命・破壊に関わる損失曲線をＭＣＵ等に演算させて変更しても良い。また、キャリア周波数fc判定レベルa、bを分けている意図は、出力電流が変動したことによりキャリア周波数が変動した場合の影響を考慮したもので、キャリア周波数fc判定レベルはa>bとなるようにヒステリシスを設けている。キャリア周波数fc判定レベルの関係をa=bとしてもよい。

図６は、直流電圧データがほぼ一定とし、電流検出部１０６が取得する電流データI（ここでは例えば1次電流とする）が上昇した場合の動作を示している。制御指令部１０９は、予め演算しておいた素子の寿命・破壊に関わる損失曲線から瞬時的な電流増加（（１））及び定常的な電流増加（（２））に必要な寿命を確保することのできる曲線データに従い、電流データIを監視しながらキャリア周波数fcを下げていく様子を示している（点線）。これら素子の寿命・破壊に関わる損失曲線は、スイッチング素子メーカから得られる素子情報から計算しても良いし、実測したものを用いてもかまわない。制御指令部１０９は、電力変換装置として流すことのできる最大電流が10Aである場合、キャリア周波数設定が20kHzの状態から電流が上昇していくと、点線に沿うようにキャリア周波数を下げていくことで最大電流まで使用することが可能となる（図６中の（３）まで到達する）。また、制御指令部１０９は、例えばMCUの演算能力が低い場合等、電流成長に対してキャリアの低減速度が遅い場合は、素子を保護する目的で、その時のキャリア周波数に応じた過電流レベルに到達した時点で過電流と判断し、電力変換部１０２に遮断指令を送る（図６中の（４））。また、制御指令部１０９は、電流データが過電流レベルに達する前に減少に向かえば、それに応じてキャリア周波数を元に戻し、す。

以上のようにして、電流が増大した場合にキャリア低減を行い素子の発熱を抑えると同時に過電流レベル設定を変更していくことで素子の使用範囲を最大限発揮させるとともに、瞬時的に過電流が起きた場合には素子の破壊を防ぐために遮断を行う。

以上説明したとおり、本実施例に係る電力変換装置においては、電力変換装置の検出した電流あるいは直流電圧が低い状態では、キャリア周波数を高く保つことで、モータ電磁音を低く抑え、モータ制御の電圧更新周期を速くすることでモータ制御を安定化し、電流あるいは直流電圧が高い状態では、キャリア周波数を下げ、かつ、過電流レベルあるいは過電圧レベルを上げることで、スイッチング素子の破壊を防ぎつつ電力変換装置の使用範囲を広げることを可能とすることができるという効果を奏する。また、安価なスイッチング素子を最大限利用することができ原価を抑えることができるという効果を奏する。

本実施例では、電力変換装置が検出した電流または直流電圧あるいは電流および直流電圧の両者が増大した場合にキャリア低減を行い素子の発熱を抑えると同時に素子にかかる損失を判断して遮断するレベルを変更していくことで素子の使用範囲を最大限発揮させるとともに、瞬時的に損失が増えた場合、例えば過電流または過電圧が起きた場合には、素子の破壊を防ぐために遮断を行う例を説明する。尚、本実施例では、実施例１の図面と同一の符号の付いた構成についての説明は省略し、実施例１とは異なる作用を備える構成についてのみ説明する。

実施例２は実施例１同様、例えば図１の構成をとる。

本実施例では、実施例１の図面と同一の符号の付いた構成についての説明は省略し、実施例１とは異なる作用を備える構成についてのみ説明する。

制御指令部１０８は、電流検出部１０６から電流データ、および、電圧検出部１０７から直流電圧データを入力とし、電流情報および電圧情報に基づきキャリア周波数を決定し、素子のオンオフ情報を電力変換部１０２に出力する。また、制御指令部１０８は、キャリア周波数あるいは電流データあるいは直流電圧データを選択的に採用した結果から、過電流レベルあるいは過電圧レベルを決定し、電流データと過電流レベルおよび直流電圧データと過電圧レベルを比較し、電流データが過電流レベルを超えた場合または直流電圧データが過電圧レベルを超えた場合には素子の出力遮断を行う。

本実施例では、電流あるいは直流電圧が増大した場合に、素子のスイッチング損失が増えるのをキャリア低減により抑え、キャリア低減および参照したデータに従い過電流レベルあるいは過電圧レベルを変更することで、電流を流す必要のある場合、例えば交流電動機のトルク等が必要の場合、あるいは直流電圧が上昇する場合、例えば交流電動機から回生電力が戻ってきた場合には、素子の耐えられる寿命・破壊に関わる損失曲線に応じて過電流レベルあるいは過電圧レベルが上がるため、素子の使用範囲を最大限発揮させるとともに、瞬時的に過電流あるいは瞬時的な過電圧が起きた場合には、素子の熱破壊を防ぐために遮断を行う方法を説明する。

図７は、制御指令部１０９が、キャリア周波数を変更し、過電流および過電圧判断を行う方法を表している。制御指令部１０９は、まず電流検出部１０６から電流データを、電圧検出部１０７から直流電圧データを取得し（Ｓ４０１）、キャリア周波数の変更が必要かどうかを判断する（Ｓ４０２）。キャリア周波数の変更が必要になった要因が、電流データなのか直流電圧データなのか、あるいは両者なのかを、例えばRAM等の記憶素子に、記憶しておく。次に制御指令部１０９は、キャリア周波数を変更し（Ｓ４０３）、キャリア周波数の変更が必要になった要因から、例えば電流データによりキャリア周波数が変更になった場合は過電圧レベルを、直流電圧データによりキャリア周波数が変更になった場合は過電流レベルを、あるいは直流電流データと電流データの積を負荷電力データとし、損失胸腺から演算した遮断レベルを決定する（Ｓ４０４）。あるいは、制御指令部１０９は、キャリア周波数に応じて、損失が増大した場合に遮断できるよう各遮断レベルを決定しても良い。制御指令部１０９は、変更された過電流レベルと電流データ、あるいは変更された過電圧レベルと直流電圧レベル、あるいは負荷電力と遮断レベルを比較し（Ｓ４０５）、電流データが過電流レベルを超えた、あるいは直流電圧データが過電圧レベルを超えた、あるいは負荷電力が遮断レベルを超えた場合に電力変換部１０２の出力を遮断する（Ｓ４０６）。

図８では、制御指令部１０９が、図７（Ｓ４０２）で判断する方法として損失データからキャリア周波数判断をする例を表している。制御指令部１０９は、まず電流検出部１０６から電流データを、電圧検出部１０７から直流電圧データを取得し、負荷電力データとして電流データおよび直流電圧データの積を計算する（Ｓ５０１）。制御指令部１０９は、計算した負荷電力データをキャリア周波数fc判定レベルcと比較し（Ｓ５０２）、計算した負荷電力データがキャリア周波数fc判定レベルcを超えていれば、キャリア周波数を下げていく（Ｓ５０３）。次に、計算した負荷電力データをキャリア周波数fc判定レベルdと比較し（Ｓ５０４）、計算した負荷電力データがキャリア周波数fc判定レベルdを下回っていれば、キャリア周波数を上げていく（Ｓ５０５）。負荷電力データと比較するキャリア周波数fc判定レベルc、dは、予め素子の寿命・破壊に関わる損失曲線を変換テーブルとして記憶しておき、変更の際にテーブルを参照して変更しても良いし、素子の寿命・破壊に関わる損失曲線をＭＣＵ等に演算させて変更しても良い。また、キャリア周波数fc判定レベルc、dを分けている意図は、計算した負荷電力データが変動したことによりキャリア周波数が変動した場合の影響を考慮したもので、キャリア周波数fc判定レベルはc>dとなるようにヒステリシスを設けている。キャリア周波数fc判定レベルの関係をc=dとしてもよい。図７（Ｓ４０２）で判断する方法は、実施例１の図５のように電流データのみを判断し、図５の電流・過電流部分を直流電圧・過電圧レベルに相当する値に置き換えて、同様に直流電圧データのみを判断するようにしてもかまわないし、それぞれの判定を同時に判断してもかまわない。

図９は、電流検出部１０６が取得する電流データI（ここでは例えば1次電流とする）と電圧検出部１０７が取得する直流電圧データの積である電力損失Wが上昇した場合の動作を示している。制御指令部１０９は、予め演算しておいた素子の寿命・破壊に関わる損失曲線から瞬時的な損失増加（（１））及び定常的な損失増加（（２））に必要な寿命を確保することのできる曲線データに従い、電力損失Wを監視しながらキャリア周波数fcを下げていく様子を示している（点線）。これら素子の寿命・破壊に関わる損失曲線は、スイッチング素子メーカから得られる素子情報から計算しても良いし、実測したものを用いてもかまわない。制御指令部１０９は、電力変換装置として流すことのできる最大損失が2kWである場合、キャリア周波数設定が20kHzの状態から電力損失Wが上昇していくと、点線に沿うようにキャリア周波数を下げていくことで最大電流まで使用することが可能となる（図９中の（３）まで到達する）。また、制御指令部１０９は、例えばMCUの演算能力が低い場合等、電流成長あるいは直流電圧成長に対してキャリアの低減速度が遅い場合は、素子を保護する目的で、その時のキャリア周波数に応じ、損失電力が損失遮断レベルを超えた時点で、電力変換部１０２に遮断指令を送る（図９中の（４））。なお、制御指令部１０９は、例えば図６のように、キャリア周波数と直流電圧データから出した過電流レベルと電流データとを比較判断し、電力変換部１０２に遮断指令を送ってもよく、直流電圧と電流の関係を入れかえ、キャリア周波数と電流データから出した過電圧レベルと直流電圧データとを比較判断し、電力変換部１０２に遮断指令を送ってもよい。

以上のようにして、電流あるいは直流電圧が増大した場合にキャリア低減を行い素子の発熱を抑えると同時に、損失レベル、過電流レベル、過電圧レベル設定を変更していくことで素子の使用範囲を最大限発揮させるとともに、瞬時的に異常が起きた場合には、素子の破壊を防ぐために遮断を行う。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。

１０１・・・直流平滑部、１０２・・・電力変換部、１０３・・・交流電動機、１０４・・・電流検出器、１０５・・・制御回路部、１０６・・・電流検出部、１０７・・・電圧検出部、１０８・・・制御指令部、１０９・・・電圧検出器

Claims

直流電圧を所望の交流電圧に変換する電力変換部と、
前記電力変換部からの出力される電流を検出する電流検出器と、
前記電力変換部のスイッチング素子のオンオフを制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記電流検出器にて検出された電流に基づきキャリア周波数を制御し、キャリア周波数に基づき過電流レベルを設定することを特徴とする電力変換装置。
直流電圧を平滑化する直流平滑部と、
直流電圧を所望の交流電圧に変換する電力変換部と、
前記電力変換部からの出力される電流を検出する電流検出器と、
前記直流平滑部の直流電圧を検出する電圧検出器と、
前記電力変換部のスイッチング素子のオンオフを制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記電流検出器にて検出された電流に基づきキャリア周波数を制御し、キャリア周波数および前記電圧検出器にて検出された電圧に基づき過電流レベルを設定することを特徴とする電力変換装置。
直流電圧を平滑化する直流平滑部と、
直流電圧を所望の交流電圧に変換する電力変換部と、
前記電力変換部からの出力される電流を検出する電流検出器と、
前記直流平滑部の電圧を検出する電圧検出器と、
前記電力変換部のスイッチング素子のオンオフを制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記電流検出器にて検出された電流または前記電圧検出器にて検出された電圧あるいは前記検出された電流および検出された電圧の両者に基づきキャリア周波数を制御し、キャリア周波数あるいは前記検出された電流あるいは前記検出された電圧を選択的に採用した結果に基づき、過電圧レベルあるいは過電流レベルを設定することを特徴とする電力変換装置。
請求項１乃至３のいずれかに記載の電力変換装置であって、
前記制御回路は、前記電流検出器にて検出した電流値が所定の値以上になった場合にキャリア周波数を下げることを特徴とする電力変換装置。
請求項２乃至４のいずれかに記載の電力変換装置であって、
前記制御回路は、前記電圧検出器にて検出した電圧値が所定の値以上になった場合にキャリア周波数を下げることを特徴とする電力変換装置。
請求項１乃至５のいずれかに記載の電力変換装置であって、
前記制御回路は、前記キャリア周波数が下がった場合、それに応じて過電流レベルを上昇させることを特徴とする電力変換装置。
請求項１乃至６のいずれかに記載の電力変換装置であって、前記制御回路は、前記検出された電流、前記検出された電圧、前記キャリア周波数、前記過電流レベルおよび前記過電圧レベルの各々の関係を予め記憶することを特徴とする電力変換装置。
直流電圧を所望の交流電圧に変換する電力変換部と、
前記電力変換部からの出力される電流を検出する電流検出器と、
前記電力変換部のスイッチング素子のオンオフを制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記電流検出器にて検出された電流に基づきキャリア周波数を制御し、キャリア周波数に基づき過電流レベルを設定することを特徴とする制御方法。
直流電圧を平滑化する直流平滑部と、
直流電圧を所望の交流電圧に変換する電力変換部と、
前記電力変換部からの出力される電流を検出する電流検出器と、
前記直流平滑部の電圧を検出する電圧検出器と、
前記電力変換部のスイッチング素子のオンオフを制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記電流検出器にて検出された電流に基づきキャリア周波数を制御し、キャリア周波数および前記電圧検出器にて検出された電圧に基づき過電流レベルを設定することを特徴とする制御方法。
直流電圧を平滑化する直流平滑部と、
直流電圧を所望の交流電圧に変換する電力変換部と、
前記電力変換部からの出力される電流を検出する電流検出器と、
前記直流平滑部の電圧を検出する電圧検出器と、
前記電力変換部のスイッチング素子のオンオフを制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記電流検出器にて検出された電流または前記電圧検出器にて検出された電圧あるいは前記検出された電流および検出された電圧の両者に基づきキャリア周波数を制御し、キャリア周波数あるいは前記検出された電流あるいは前記検出された電圧を選択的に採用した結果に基づき、過電圧レベルあるいは過電流レベルを設定することを特徴とする制御方法。
請求項８乃至１０のいずれかに記載の電力変換装置であって、
前記制御回路は、前記電流検出器にて検出した電流値が所定の値以上になった場合にキャリア周波数を下げることを特徴とする制御方法。
請求項９乃至１１のいずれかに記載の電力変換装置であって、
前記制御回路は、前記電圧検出器にて検出した電圧値が所定の値以上になった場合にキャリア周波数を下げることを特徴とする制御方法。
請求項８乃至１２のいずれかに記載の電力変換装置であって、
前記制御回路は、前記キャリア周波数が下がった場合、それに応じて過電流レベルを上昇させることを特徴とする電力変換装置。
請求項８乃至１３のいずれかに記載の電力変換装置であって、
前記制御回路は、前記検出された電流、前記検出された電圧、前記キャリア周波数、前記過電流レベルおよび前記過電圧レベルの各々の関係を予め記憶することを特徴とする制御方法。