JP2017093073A

JP2017093073A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2017093073A
Application number: JP2015217864A
Authority: JP
Inventors: 真二窪田; Shinji Kubota; 善久北条; Yoshihisa Hojo
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2015-11-05
Filing date: 2015-11-05
Publication date: 2017-05-25

Abstract

【課題】スイッチング素子のゲート電圧を検出する電圧センサを設けることなく、デッドタイムによる出力電圧誤差を低減する。【解決手段】電力変換装置１は、電圧指令値から仮ゲート信号を生成するゲート信号生成部１１と、仮ゲート信号にデッドタイムを挿入してゲート信号を生成するデッドタイム挿入部１２と、ゲート信号によりオン状態とオフ状態に切り替えられるスイッチング素子を直列に接続した１以上のスイッチング素子群を直流電源と並列に接続し、直流電源が出力する直流電力を交流電力に変換するブリッジ回路１５と、ブリッジ回路１５の出力電流を検出する電流検出部１６と、スイッチング素子に流れる電流値に対するターンオン遅延時間及びターンオフ遅延時間の特性を参照して、電流検出部１６により検出された電流値に応じてデッドタイムを算出する可変デッドタイム生成部１７と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置に関するものである。

電圧型インバータに代表される電力変換装置で、直列に接続した２つのスイッチング素子をＰＷＭで駆動する際に、一方のスイッチング素子をオフさせるゲートオフ信号と、もう一方をオンさせるゲートオン信号の間にはデッドタイムが設けられる。このデットタイムは従来、固定値とするか、あるいは特許文献１に記載のようにスイッチング素子のゲート電圧に基づいて決定するものであった。

図６を参照して、デッドタイム補償を行う従来の電力変換装置について説明する。図６は従来の電力変換装置３の構成の一例を示すブロック図であり、特許文献１に同様の電力変換装置が記載されている。デッドタイム生成部２５は、下アームスイッチング素子２９がオフしてから上アームスイッチング素子２８がオンするまでの第１デッドタイムと、上アームスイッチング素子２８がオフしてから下アームスイッチング素子２９がオンするまでの第２デッドタイムを、下アームスイッチング素子２９のゲート電圧の変化から生成する。

デッドタイム挿入部２７は、ゲート信号生成部２６により生成されたゲート信号に、デッドタイム生成部２５により生成された第１デッドタイム及び第２デッドタイムをそれぞれ挿入したゲート信号Ｇ１及びゲート信号Ｇ２を出力する。ゲート信号Ｇ１は、上アームゲート抵抗２１を介して上アームスイッチング素子２８のゲートに入力され、上アームスイッチング素子２８をオン／オフする。また、ゲート信号Ｇ２は、下アームゲート抵抗２２を介して下アームスイッチング素子２９のゲートに入力され、下アームスイッチング素子２９をオン／オフする。このようにして、電力変換装置３はデッドタイム補償を行う。

特開２０１０−１６９３７号公報

図３は、電圧型インバータの一相分回路の上下アームスイッチング素子のゲート信号及びスイッチ状態の一例を示すタイミングチャートである。上アームスイッチング素子にゲートオフ信号を入力してからオフ状態に切り替わるまでにはターンオフ遅延時間Ｔ_offが生じる。上アームスイッチング素子をオフした後、下アームスイッチング素子をオンするが、前記ターンオフ遅延時間Ｔ_offにより上下アームスイッチング素子が同時にオン状態となり、直流電圧間短絡が起こることを防ぐため、下アームゲート信号を理想スイッチングよりデッドタイムＴ_deadだけ遅らせる。しかし、デッドタイムＴ_deadを設けることにより、上下アームスイッチング素子が同時にオフ状態となる時間Ｔ_dが発生する。この期間の出力電圧は、電圧指令値との間に電圧誤差Δｖが生じてしまう。

また、ゲート電圧に基づきデッドタイムを決定する方法では、このためだけにスイッチング素子のゲート電圧を検出する電圧センサが必要となる。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、スイッチング素子のゲート電圧を検出する電圧センサを設けることなく、デッドタイムによる出力電圧誤差を低減することが可能な電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る電力変換装置は、電圧指令値に基づき直流電源が出力する直流電力を交流電力に変換し負荷に供給する電力変換装置であって、電圧指令値から仮ゲート信号を生成するゲート信号生成部と、前記仮ゲート信号に直流電源の短絡を防止するためのデッドタイムを挿入してゲート信号を生成するデッドタイム挿入部と、前記ゲート信号によりオン状態とオフ状態に切り替えられるスイッチング素子を直列に接続した１以上のスイッチング素子群を直流電源と並列に接続し、前記直流電源が出力する直流電力を交流電力に変換するブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の出力電流を検出する電流検出部と、前記スイッチング素子のターンオン遅延時間及びターンオフ遅延時間の電流特性を参照して、前記電流検出部により検出された電流値に応じて前記デッドタイムを算出する可変デッドタイム生成部と、を備えることを特徴とする。

さらに、本発明に係る電力変換装置において、前記可変デッドタイム生成部は、前記ターンオフ遅延時間及び前記ターンオン遅延時間の差を前記デッドタイムとすることを特徴とする。

さらに、本発明に係る電力変換装置において、前記負荷は電動機であり、前記電圧指令値、及び前記電流検出部により検出された電流値から、前記電動機の回転速度を推定する速度推定部を更に備え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ゲート電圧を検出する電圧センサを設けることなくデッドタイムを決定することができる。また、電圧型インバータの各スイッチング素子に対して独立にその瞬間の各相の電流値に応じたデッドタイムを挿入することで、デッドタイムによる電圧指令値と出力電圧の誤差を低減することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置における三相ブリッジ回路を示す回路図である。三相ブリッジ回路の一相分回路の上下アームスイッチング素子のゲート信号及びスイッチ状態の一例を示すタイミングチャートである。スイッチング素子のターンオン遅延時間及びターンオフ遅延時間の電流特性の一例を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。従来の電力変換装置の構成の一例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の一実施形態に係る電力変換装置１を示すブロック図である。なお、図１に示す実施形態では電力変換装置１は三相交流を生成するが、本発明に係る電力変換装置が生成する電力は単相交流であってもよい。

電力変換装置１は、ゲート信号生成部１１と、デッドタイム挿入部１２と、上アームゲート駆動部１３と、下アームゲート駆動部１４と、三相ブリッジ回路１５と、電流検出部１６と、可変デッドタイム生成部１７とを備える。電力変換装置１は、電圧指令値に基づき直流電源が出力する直流電力を交流電力に変換し、負荷１０に供給する。

ゲート信号生成部１１は、固定子座標系上の電圧指令値Ｖ_U ^*，Ｖ_V ^*，Ｖ_W ^*から三角波比較などの方法で仮ゲート信号を生成し、デッドタイム挿入部１２に出力する。ここで、仮ゲート信号とは、デッドタイムを挿入していないゲート信号のことをいう。

デッドタイム挿入部１２は、ゲート信号生成部１１から入力される仮ゲート信号に、三相ブリッジ回路１５の直流電源の正極及び負極がスイッチング素子群により短絡することを防止するためのデッドタイムを挿入してゲート信号を生成し、上アームゲート駆動部１３及び下アームゲート駆動部１４に出力する。このデッドタイムは、後述するように可変デッドタイム生成部１７により算出される。

上アームゲート駆動部１３は、デッドタイム挿入部１２から入力されるゲート信号を増幅し、三相ブリッジ回路１５の上アームを構成するスイッチング素子のゲートに出力する。下アームゲート駆動部１４は、デッドタイム挿入部１２から入力されるゲート信号を増幅し、三相ブリッジ回路１５の下アームを構成するスイッチング素子のゲートに出力する。

三相ブリッジ回路１５は、上アームゲート駆動部１３及び下アームゲート駆動部１４から入力されるゲート信号によりオン状態とオフ状態に切り替えられるスイッチング素子を直列に接続した１以上のスイッチング素子群を直流電源と並列に接続し、直流電源が出力する直流電力を交流電力に変換する。そして、交流電力を負荷１０に出力する。

図２は、三相ブリッジ回路１５の構成を示す回路図である。三相ブリッジ回路１５は、ゲート信号によりオン状態とオフ状態が切り替わるスイッチング素子を２つ直列に接続した回路であるＵ相回路、Ｖ相回路、及びＷ相回路が直流電源１５０とすべて並列に接続され、Ｕ相回路、Ｖ相回路、及びＷ相回路の各中点を出力とする。Ｕ相回路ではＵ相上アームスイッチング素子１５１及びＵ相下アームスイッチング素子１５２の接続点をＵ相出力として、Ｕ相上アームスイッチング素子１５１及びＵ相下アームスイッチング素子１５２の一方のみをオン状態にすることで電圧を取り出す。Ｕ相出力はＵ相上アームスイッチング素子１５１がオン状態のときは直流電源１５０の電圧を出力し、Ｕ相下アームスイッチング素子１５２がオン状態のときは０Ｖを出力する。

Ｖ相回路はＵ相回路と同様に、Ｖ相上アームスイッチング素子１５３及びＶ相下アームスイッチング素子１５４の直列回路で構成され、一方のスイッチング素子をオン状態にすることで、Ｖ相出力は直流電源１５０の電圧又は０Ｖを出力する。Ｗ相回路もＵ相回路及びＶ相回路と同様に、Ｗ相上アームスイッチング素子１５５及びＷ相下アームスイッチング素子１５６の直列回路で構成され、一方のスイッチング素子をオン状態にすることで、Ｗ相出力は直流電源１５０の電圧又は０Ｖを出力する。

電流検出部１６は、三相ブリッジ回路１５から負荷１０に流れる三相の電流Ｉ_U，Ｉ_V，Ｉ_Wを検出し、可変デッドタイム生成部１７に出力する。電流Ｉ_U，Ｉ_V，Ｉ_Wの検出値は電流制御系でも利用されるため、電流検出部１６は可変デッドタイム生成部１７のために新たに設けられるものではなく、電力変換装置が一般的に備えるものである。

可変デッドタイム生成部１７は、スイッチング素子のターンオン遅延時間及びターンオフ遅延時間の電流特性を参照して、電流検出部１６により検出された電流値に応じてデッドタイムを算出し、デッドタイム挿入部１２に出力する。

図３に示すように、スイッチング素子はオフ状態からオン状態に切り替わるときにはターンオン遅延時間Ｔ_onを有し、オン状態に切り替えるゲート信号（ゲートオン信号）を入力した後、ターンオン遅延時間Ｔ_on経過後にオン状態に切り替わる。逆にスイッチング素子がオン状態からオフ状態に切り替わるときにはターンオフ遅延時間Ｔ_offを有し、オフ状態に切り替えるゲート信号(ゲートオフ信号)を入力した後、ターンオフ遅延時間Ｔ_off経過後にオフ状態に切り替わる。

ゲート信号に挿入したデッドタイムＴ_deadにより、上下アームのスイッチング素子が同時にオフ状態となる時間Ｔ_dが発生する。時間Ｔ_dは、Ｔ_d＝Ｔ_dead−Ｔ_off＋Ｔ_onと計算でき、このときのＵ相出力は出力電流の向きによって次のように２つの値をとる。出力電流が三相ブリッジ回路１５から負荷１０に流れ込む向き（正の向き）のときは、Ｕ相下アームスイッチング素子１５２の逆並列ダイオードが導通し、Ｕ相出力は０Ｖとなる。出力電流が負荷１０から三相ブリッジ回路１５へ流れる向き（負の向き）のときは、Ｕ相上アームスイッチング素子１５１の逆並列ダイオードが導通し、Ｕ相出力は直流電源１５０の電圧Ｖ_dcとなる。

Ｖ相及びＷ相についてもＵ相と同様に、上下アームのスイッチング素子が同時にオフ状態となる時間Ｔ_dが発生する。

各相の電圧指令値と出力電圧とのスイッチングごとの電圧誤差Δｖは、直流電源１５０の電圧Ｖ_dc、上下アームのスイッチング素子が同時にオフ状態となる時間Ｔ_d、及び電流の符号ｓｉｇｎ（ｉ）を用いて、式（１）で表現できる。ここで、ｓｉｇｎ（ｉ）は電流が正の向きのとき１、負の向きのとき−１、電流が流れないとき０をとる。したがって、時間Ｔ_dを小さくすることにより電圧誤差Δｖを低減することができる。

図４は、スイッチング素子がＩＧＢＴである場合のターンオン遅延時間及びターンオフ遅延時間の電流特性の一例を示す図である。ＩＧＢＴなどに代表されるスイッチング素子のターンオン遅延時間及びターンオフ遅延時間は、それぞれスイッチング素子に流れる電流Ｉの関数Ｔ_on（Ｉ），Ｔ_off（Ｉ）となる。そのため、可変デッドタイム生成部１７は、図２で示す三相ブリッジ回路１５で使用されるＵ相上下アームスイッチング素子１５１，１５２を流れる電流に対するターンオン遅延時間及びターンオフ遅延時間の特性値を用いて、現在の運転条件に合わせた各相のデッドタイムを算出する。

そして、デッドタイム挿入部１２は、Ｕ相の仮ゲート信号にデッドタイムＴ_duを挿入した信号をＵ相上下アームスイッチング素子１５１，１５２に対して出力し、Ｖ相の仮ゲート信号にデッドタイムＴ_dvを挿入した信号をＶ相上下アームスイッチング素子１５３，１５４に対して出力し、Ｗ相の仮ゲート信号にデッドタイムＴ_dwを挿入した信号をＷ相上下アームスイッチング素子１５５，１５６に対して出力する。

電圧指令値と出力電圧の電圧誤差Δｖをできるだけ小さくするためには、ゲート信号に挿入するＵ相、Ｖ相、Ｗ相のデッドタイムを、式（２）で算出されるＴ_dumin，Ｔ_dvmin，Ｔ_dwminとするのが好適である。

このように、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置１は、可変デッドタイム生成部１７を備えることにより、三相ブリッジ回路１５の各相の出力電流に基づいて可変のデッドタイムを設定することができる。図３から理解できるように、上下アームのスイッチング素子が同時にオフ状態となる時間Ｔ_dを短くすることによりスイッチ状態が理想のスイッチングに近づき、電圧指令値と出力電圧の差である電圧誤差を小さくすることができる。

（第２の実施形態）
つぎに、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置について説明する。

図５は、第２の実施形態に係る電力変換装置２の構成例を示すブロック図である。図５に示す例では、電力変換装置２は、ゲート信号生成部１１と、デッドタイム挿入部１２と、上アームゲート駆動部１３と、下アームゲート駆動部１４と、三相ブリッジ回路１５と、電流検出部１６と、可変デッドタイム生成部１７と、速度推定部１８とを備える。第２の実施形態の電力変換装置２は、第１の実施形態の電力変換装置１と比較して速度推定部１８を更に備える点が相違する。その他の構成については第１の実施形態と同一であるため、同一の参照番号を付して説明を省略する。

本実施形態では、電力変換装置２に接続される負荷１０は電動機であり、図５では三相交流電動機とする。電力変換装置２は、三相交流電動機１０の速度制御やトルク制御に用いる回転速度を、速度検出器を用いて測定するのではなく、電圧指令値Ｖ_U ^*，Ｖ_V ^*，Ｖ_W ^*と、三相交流電動機１０に流れる電流値とを用いて推定する。

速度推定部１８は、電圧指令値、及び電流検出部１６により検出された電流値から、三相交流電動機１０の回転速度ω_mを推定する。回転速度ω_mは三相交流電動機１０の電圧ベクトルｖ₁、電流ベクトルｉ₁、及びパラメータから推定でき、例えば式（３）により推定が可能である。ここで、φ₂は電圧系磁束ベクトル、Ｌ₁は一次自己インダクタンス、Ｌ₂は二次自己インダクタンス、Ｍは相互インダクタンス、Ｒ₁は一次抵抗、Ｔはトルク、ωはφ₂の回転角速度であり、×は外積を表す。

ここで、三相交流電動機１０の電圧ベクトルｖ₁には一般に電圧センサの検出値が用いられるが、電力変換装置２では電圧センサの検出値に代わり電圧指令値を用いて、ｖ₁＝（Ｖ_U ^*，Ｖ_V ^*，Ｖ_W ^*）とする。上述したように可変デッドタイム生成部１７によりデッドタイムによる電圧指令値と出力電圧の誤差が低減されていることにより、電圧指令値を用いた場合でも回転速度の推定誤差が小さくなる。そのため、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置２は、三相交流電動機１０を速度センサレス制御する場合に三相交流電動機１０に電圧センサを取り付けることなく、高精度に三相交流電動機１０の回転速度を推定することができる。

１，２電力変換装置
１０負荷
１１ゲート信号生成部
１２デッドタイム挿入部
１３上アームゲート駆動部
１４下アームゲート駆動部
１５三相ブリッジ回路
１６電流検出部
１７可変デッドタイム生成部
１８速度推定部
１５０直流電源
１５１Ｕ相上アームスイッチング素子
１５２Ｕ相下アームスイッチング素子
１５３Ｖ相上アームスイッチング素子
１５４Ｖ相下アームスイッチング素子
１５５Ｗ相上アームスイッチング素子
１５６Ｗ相下アームスイッチング素子

Claims

電圧指令値に基づき直流電源が出力する直流電力を交流電力に変換し負荷に供給する電力変換装置であって、
電圧指令値から仮ゲート信号を生成するゲート信号生成部と、
前記仮ゲート信号に直流電源の短絡を防止するためのデッドタイムを挿入してゲート信号を生成するデッドタイム挿入部と、
前記ゲート信号によりオン状態とオフ状態に切り替えられるスイッチング素子を直列に接続した１以上のスイッチング素子群を前記直流電源と並列に接続し、前記直流電源が出力する直流電力を交流電力に変換するブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路の出力電流を検出する電流検出部と、
前記スイッチング素子のターンオン遅延時間及びターンオフ遅延時間の電流特性を参照して、前記電流検出部により検出された電流値に応じて前記デッドタイムを算出する可変デッドタイム生成部と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
前記可変デッドタイム生成部は、前記ターンオフ遅延時間及び前記ターンオン遅延時間の差を前記デッドタイムとすることを特徴とする、請求項１記載の電力変換装置。
前記負荷は電動機であり、
前記電圧指令値、及び前記電流検出部により検出された電流値から、前記電動機の回転速度を推定する速度推定部を更に備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載の電力変換装置。