JP2023008084A - Power conversion device and power conversion method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、入出力間で電力を変換する電力変換装置及び電力変換方法に関する。 The present invention relates to a power conversion device and a power conversion method for converting power between input and output.
世界のエネルギー使用量を削減するため、モータを駆動するインバータや、インバータに電力を供給するコンバータ、電気自動車の充放電装置など、半導体のスイッチング素子を用いた電力変換装置に高効率化が求められている。これらの電力変換装置では、スイッチング素子を備えた複数の電力変換ユニットが並列に接続して構成されることがある。 In order to reduce the world's energy consumption, there is a demand for higher efficiency in power converters that use semiconductor switching elements, such as inverters that drive motors, converters that supply power to inverters, and charging/discharging devices for electric vehicles. ing. These power converters are sometimes configured by connecting in parallel a plurality of power conversion units each having a switching element.
例えば、特許文献1には、「IGBTモジュールを並列接続する場合、特性や構造的なばらつきにより、IGBTチップに温度ばらつきが生じ、絶対最高温度に抑えると装置が大型で、コストアップとなる。温度検出用センサを埋め込んだモジュール各々に温度検出器を設け、これらの温度差の大小をコンパレータで求めて、温度の高いモジュールのターンオンタイミングを抵抗とコンデンサの積分回路で遅延させることにより、温度を下げる。」と記載されている。
For example,
一般に、電力変換ユニットは、上アーム及び下アームと呼ばれるスイッチング素子を備える。特許文献1に記載の技術は、並列したスイッチング素子間の温度アンバランスを抑制することは可能である。しかし、並列接続した電力変換ユニット間では交流電流出力時の温度アンバランスが少ないため、電力変換ユニット間の温度差の検出精度が低いという課題がある。
Generally, a power conversion unit includes switching elements called upper and lower arms. The technique described in
上記の状況から、並列接続した電力変換ユニット間の温度差を高精度に検出できる手法が要望されていた。 In view of the above situation, there has been a demand for a technique capable of detecting the temperature difference between power conversion units connected in parallel with high accuracy.
上記課題を解決するために、本発明の一態様の電力変換装置は、直列接続した第1スイッチング素子と第2スイッチング素子を電力変換ユニットごとに有する、並列接続された複数の電力変換ユニットと、電力変換ユニットごとに内部の温度を検出する温度センサと、温度センサの検出結果に応じて、電力変換ユニットごとに第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子の制御電極のオン/オフ指令信号を生成する信号生成部と、を備えた電力変換装置であって、上記信号生成部は、温度センサを用いて、電力変換装置が直流電流を出力時における各電力変換ユニットの温度を検出する。 In order to solve the above problems, a power conversion device according to one aspect of the present invention includes a plurality of power conversion units connected in parallel, each power conversion unit including a first switching element and a second switching element connected in series; A temperature sensor for detecting the internal temperature of each power conversion unit, and generating an on/off command signal for the control electrodes of the first switching element and the second switching element for each power conversion unit according to the detection result of the temperature sensor. and a signal generator, wherein the signal generator uses a temperature sensor to detect the temperature of each power conversion unit when the power converter outputs direct current.
本発明の少なくとも一態様によれば、電力変換装置が直流電流を出力時に並列接続した電力変換ユニットの温度を検出することにより、電力変換ユニット間の温度差を高精度に検出できる。
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。
According to at least one aspect of the present invention, the temperature difference between the power conversion units can be detected with high accuracy by detecting the temperature of the power conversion units connected in parallel when the power conversion device outputs direct current.
Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of the embodiments.
以下、本発明を実施するための形態の例について、添付図面を参照して説明する。本明細書及び添付図面において実質的に同一の機能又は構成を有する構成要素については、同一の符号を付して重複する説明を省略する。 Hereinafter, examples of embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In this specification and the accompanying drawings, constituent elements having substantially the same function or configuration are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted.
電力変換装置は半導体素子のスイッチング動作によって直流電力を交流電力もしくはその逆方向に電力変換でき、エレベーター、鉄道、自動車など多分野に適用されている。電力変換装置の一例としてのインバータ装置の高出力密度化が求められ、電力変換装置の小型化及び軽量化が進んでいる。パワー半導体素子を搭載したパワー半導体モジュール、コンデンサ、バスバーなどの部品を一体化した電力変換ユニット(電力変換装置の一部)の小型化が進むにつれて、パワー半導体素子を駆動するための駆動回路の小型化及び低コスト化のニーズが高まっている。 2. Description of the Related Art A power conversion device can convert DC power into AC power or vice versa by switching operation of a semiconductor device, and is applied in many fields such as elevators, railways, and automobiles. 2. Description of the Related Art Inverter devices, which are an example of a power conversion device, are required to have a higher output density, and power conversion devices are becoming smaller and lighter. As power semiconductor modules equipped with power semiconductor elements, power conversion units (parts of power converters) that integrate parts such as capacitors and bus bars become smaller, the size of drive circuits for driving power semiconductor elements is becoming smaller. There is an increasing need for more compact and low-cost products.
また、パワー半導体モジュール、コンデンサ、バスバー、ゲート回路などの部品を一体化した電力変換ユニットを複数搭載して、部品の共通化及び出力容量の向上を図ることで、電力変換装置の低コスト化を実現している。電力変換ユニットの並列数を増やすことにより電力変換装置の大容量化を実現することが可能である。 In addition, by installing multiple power conversion units that integrate parts such as power semiconductor modules, capacitors, busbars, and gate circuits, and by working to standardize parts and improve output capacity, the cost of power conversion equipment can be reduced. Realized. By increasing the number of parallel power conversion units, it is possible to increase the capacity of the power converter.
パワー半導体モジュールを並列接続する際に、パワー半導体素子のターンオン遅延時間、ターンオフ遅延時間などのパワー半導体素子に固有の特性ばらつきを有するため、それぞれのパワー半導体素子に流れる電流値がアンバランスになる。そのため、一部のパワー半導体素子に電流が集中してスイッチング損失及び導通損失が大きくなり、温度のアンバランスが発生する。 When power semiconductor modules are connected in parallel, the power semiconductor elements have characteristic variations such as the turn-on delay time and turn-off delay time of the power semiconductor elements. As a result, current concentrates in some power semiconductor elements, increasing switching loss and conduction loss, and causing temperature imbalance.
従来は電流アンバランスを考慮して、パワー半導体素子すなわち電力変換ユニットを並列接続する際は、各々のパワー半導体素子の定格電流よりも小さい電流値で設計する必要があった。それゆえ、パワー半導体素子の性能を最大限に利用することができなかった。 Conventionally, in consideration of current imbalance, when connecting power semiconductor elements, ie, power conversion units, in parallel, it was necessary to design a current value smaller than the rated current of each power semiconductor element. Therefore, it has not been possible to maximize the performance of the power semiconductor device.
電流アンバランスを検出する方法として、各パワー半導体素子の電流を電流センサによって測定する方法があるが、パワー半導体素子の数と同等数の電流センサが必要となる。このため、電流センサを追加した数の分だけコストが増加する。ここで、パワー半導体素子の電流がアンバランス状態になると温度のアンバランスが発生することを利用し、電流センサの代わりに電流センサに比べて低コストの温度センサを用いる方法が知られている。しかし、エレベーターシステムでは運行状態によって直流電流出力と交流電流出力が切替わるため、温度検出のタイミングによって検出結果が変化する。そのため、温度を検出する方法が課題である。以下、電力変換ユニット内に温度センサを設けた本発明の一実施形態に係る電力変換装置について説明する。 As a method of detecting the current imbalance, there is a method of measuring the current of each power semiconductor element with a current sensor, but the same number of current sensors as the number of power semiconductor elements is required. Therefore, the cost increases by the number of added current sensors. Here, there is known a method of using a temperature sensor, which is less expensive than the current sensor, instead of the current sensor by utilizing the fact that temperature imbalance occurs when the current of the power semiconductor element becomes unbalanced. However, in the elevator system, the direct current output and the alternating current output are switched depending on the operation state, so the detection result changes depending on the temperature detection timing. Therefore, the problem is how to detect the temperature. A power converter according to an embodiment of the present invention in which a temperature sensor is provided in the power converter unit will be described below.
<一実施形態>
図1は、本発明の一実施形態に係るエレベーターシステムの全体構成の一例を示す図である。図示するエレベーターシステム1では、系統2から供給される交流電力はフィルタ回路3を介して、複数個の電力変換ユニット12,13を並列接続した三相のコンバータシステム10に入力される。コンバータシステム10に入力された交流電力は、コンバータシステム10において電力変換ユニット12,13を介して交流から直流へ変換される。そして、電力変換ユニット14,15を複数並列接続した三相のインバータシステム11がフィルタ回路4を介して、モータ5を駆動する。フィルタ回路3,4は、入力される正弦波(方形波)から高調波成分を除去する。
<One embodiment>
FIG. 1 is a diagram showing an example of the overall configuration of an elevator system according to one embodiment of the present invention. In the illustrated
モータ5の負荷としては、ロープ6につながれたエレベーターのかご7と、かご7と釣り合いをとるためのおもり8がある。モータ5に供給される電力は、ロープ6を巻き上げてエレベーターのかご6を上下させるために消費される。
The load of the
コンバータシステム10とインバータシステム11は制御回路部9により制御される。制御回路部9は、電力変換ユニット14,15が備えるスイッチング素子のオン/オフを制御して負荷側へ出力する電流を制御する。
The
[従来の電力変換装置の構成]
図2は、従来の電力変換装置及びその駆動回路の一例を示す構成図である。図が煩雑になることを防ぐため母線の一相のみを記載し、他の相は省略している。図2に示すように、電力変換装置であるインバータシステム100において、電力変換ユニット14,15は並列接続されている。電力変換ユニット14,15の入力側は直流電源102(コンバータシステム10に相当)に並列接続され、出力側はインバータシステム100の抵抗負荷104及び誘導性負荷105に接続されている。抵抗負荷104及び誘導性負荷105は出力負荷として設けられている。インバータシステム100の出力端と負荷との間の配線には、電流センサ106が取り付けられている。
[Configuration of conventional power converter]
FIG. 2 is a configuration diagram showing an example of a conventional power converter and its drive circuit. In order to avoid complication of the drawing, only one phase of the bus is shown and the other phases are omitted. As shown in FIG. 2, in an
電力変換ユニット14は、コンデンサ21、上アームゲート回路22、下アームゲート回路23、上アームスイッチング素子24、下アームスイッチング素子25、上アームスイッチング還流ダイオード26、及び下アームスイッチング還流ダイオード27を備える。上アームスイッチング素子24及び下アームスイッチング素子25にはそれぞれ、上アームスイッチング還流ダイオード26と下アームスイッチング還流ダイオード27が逆並列接続されている。直列接続した上アームスイッチング素子24と下アームスイッチング素子25からなるスイッチングレッグは、コンデンサ21と並列に接続されている。
The
上アームスイッチング素子24と下アームスイッチング素子25の接続中点は、直列接続した抵抗負荷28と誘導性負荷29を介して、出力端子T1に接続されている。上アームスイッチング素子24及び下アームスイッチング素子25のゲート端子(制御電極)には、上アームゲート回路22及び下アームゲート回路23の出力端がそれぞれ接続されている。
A connection midpoint between the upper
電力変換ユニット15は、コンデンサ31、上アームゲート回路32、下アームゲート回路33、上アームスイッチング素子34、下アームスイッチング素子35、上アームスイッチング還流ダイオード36、及び下アームスイッチング還流ダイオード37を備える。上アームスイッチング素子34及び下アームスイッチング素子35にはそれぞれ、上アームスイッチング還流ダイオード36と下アームスイッチング還流ダイオード37が逆並列接続されている。直列接続した上アームスイッチング素子34と下アームスイッチング素子35からなるスイッチングレッグは、コンデンサ31と並列に接続されている。
The
上アームスイッチング素子34と下アームスイッチング素子35の接続中点は、直列接続した抵抗負荷38と誘導性負荷39を介して、出力端子T2に接続されている。上アームスイッチング素子34及び下アームスイッチング素子35のゲート端子(制御電極)には、上アームゲート回路32及び下アームゲート回路33の出力端がそれぞれ接続されている。
A connection midpoint of the upper
なお、以下の説明では、上アームスイッチング素子24、下アームスイッチング素子25、上アームスイッチング素子34、及び下アームスイッチング素子35について、「スイッチング素子」と略称することがある。また、上アームゲート回路22、下アームゲート回路23、上アームゲート回路32、及び下アームゲート回路33について、「ゲート回路」と略称することがある。
In the following description, the upper
電力変換ユニット14,15を構成するスイッチング素子は、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)やMOSFET(Metal Oxide Semiconductor)などである。電力変換ユニット12,13のスイッチング素子についても同様である。
The switching elements forming the
電力変換ユニット14のコンデンサ21の一端は直流電源102の一方の電極(例えば正極)に接続され、コンデンサ21の他端は直流電源102の他方の電極(例えば負極)に接続されている。直流電源102の他方の電極は、グラウンド103に接続されている。電力変換ユニット15のコンデンサ31についても同様である。出力端子T1と出力端子T2は、抵抗負荷104及び誘導性負荷105を介して出力端子T3(負荷側)と接続している。抵抗負荷104及び誘導性負荷105を出力端子T3に接続する配線には、出力電流を検出する電流センサ106が接続されている。
One end of the
なお、インバータシステム100の誘導性負荷105のインダクタンスを、配線のインダクタンスで代用できる場合は、誘導性負荷105を省略してもよい。また、出力端子T3に接続された負荷が、モータ5など十分な大きさのインダクタンスを有する場合や、電流源とみなせる特性の場合、誘導性負荷105を省略してもよい。
Note that if the inductance of the
図1に示す制御回路部9は、電力変換ユニット14,15が備えるスイッチング素子24,25,34,35のオン/オフを制御し、電流センサ106で検出する出力電流Itotalを制御する。出力電流Itotalは、電力変換ユニット14の出力電流I1と電力変換ユニット15の出力電流I2の合計である。そして、制御回路部9は、電流センサ106を用いて検出した出力電流Itotalに基づいて、各スイッチング素子24,25,34,35のオン/オフを制御する。電力変換ユニット14,15は、スイッチング素子24,25,34,35ごとに、ゲート信号を供給するゲート回路22,23,32,33を備える。制御回路部9は、スイッチング素子24,25,34,35ごとに対応するゲート回路に制御指令を出力し、スイッチング素子24,25,34,35のスイッチング動作(オン/オフ)を制御する。
The
制御回路部9は、例えばマイクロコンピュータ等から構成されるコントローラである。制御回路部9は、電流センサ106が検出した出力電流Itotalをデジタル信号に変換するアナログ/デジタル(A/D)変換回路9a、プロセッサ9b、及びメモリ9c等を備える。プロセッサ9bは、例えばCPU(Central Processing Unit)等の処理装置である。処理装置として、CPUの代わりに、MPU(Micro-Processing Unit)を用いてもよい。メモリ9cは、本実施形態に係る各機能を実現するソフトウェアのプログラムコード(制御プログラム)が格納された半導体メモリ等の記憶装置である。制御回路部9は、図示しないネットワークインターフェースを備え、例えば制御対象システムのECU(Electronic Control Unit)から出力電流(負荷電流)の目標値を受信する。プロセッサ9bは、メモリ9cから制御プログラムを読み出して実行し、A/D変換回路9aから入力される電流センサ106の電流検出値と上記目標値に基づいて、各スイッチング素子24,25,34,35に対応するゲート回路に制御指令(入力信号101)を出力する。
The
制御回路部9から制御指令として入力信号101が出力され、入力信号101がゲート回路22,23,32,33に入力される。ゲート回路22,23,32,33はそれぞれ、入力信号101に基づいてスイッチング素子24、25,34,35を駆動するためのゲート信号(ゲート電圧パルス)を生成し、そのゲート信号を上アームスイッチング素子24,34と下アームスイッチング素子25,35のゲート端子に入力する。ゲート信号は、スイッチング素子に対してオン/オフを指令する信号(オン/オフ指令信号)である。
An
上アームスイッチング素子24,34と下アームスイッチング素子25,35は、ゲート信号がハイレベルからローレベルに切替わる(ターンオンする)とソース端子とドレイン端子間が導通してオン状態となり電流が流れる。逆に、上アームスイッチング素子24,34と下アームスイッチング素子25,35は、ゲート信号がローレベルからハイレベルに切替わる(ターンオフする)とソース端子とドレイン端子間が導通せずオフ状態となり電流が流れない。
When the gate signal of the upper
[ターン動作遅延時間ばらつきがない場合の動作波形]
図3は、並列接続した電力変換ユニット14、15間のスイッチング素子にターン動作遅延時間ばらつきがない場合に、各部で測定される信号の波形の一例を示すタイミングチャートである。図3の横軸は時間[s]を示す。図3の縦軸は上から順に、電力変換ユニット14のゲート信号、電力変換ユニット15のゲート信号、電力変換ユニット14の出力電圧、電力変換ユニット15の出力電圧、電力変換ユニット14の出力電流、電力変換ユニット15の出力電流、電力変換ユニット14の温度、電力変換ユニット15の温度である。なお、本明細書では、誘導性負荷105や負荷側のインダクタンスが十分大きく、誘導性負荷105の電流Itotalが一定と見なせる場合を想定して説明する。また、コンデンサ21とコンデンサ31にかかる電圧は直流電源102の電圧と等しくなる
[Operating waveform when there is no turn operation delay time variation]
FIG. 3 is a timing chart showing an example of waveforms of signals measured at each part when switching elements between the
電力変換ユニット14,15のスイッチング素子24,25,34,35に同じパルス波形のゲート信号を入力したとき、これらのスイッチング素子に遅延時間ばらつきがない場合、電力変換ユニット14,15の出力電圧のターンオン遅延時間Ton1,Ton2は等しい。同様に、ターンオフ遅延時間Toff1,Toff2も等しい。その結果、電力変換ユニット14,15の出力電流は等しくなる。また、電力変換ユニット14,15の温度も等しくなる。
When gate signals with the same pulse waveform are input to the
[ターンオン遅延時間ばらつきがある場合の動作波形]
図4は、並列接続した電力変換ユニット14,15間のスイッチング素子にターンオン遅延時間ばらつきがある場合に、各部で測定される信号の波形の一例を示すタイミングチャートである。図4の横軸と縦軸の関係は、図3と同じである。
[Operating waveform when turn-on delay time varies]
FIG. 4 is a timing chart showing an example of waveforms of signals measured at each part when switching elements between the
電力変換ユニット14,15のスイッチング素子24,25,34,35に同じパルス波形のゲート信号を入力したとき、これらのスイッチング素子のターンオン遅延時間Ton1,Ton2にばらつき(Ton1<Ton2)があるため、電力変換ユニット15の出力電圧のパルス幅が電力変換ユニット14に比べて狭くなる。その結果、電力変換ユニット15の出力電流が小さくなり、電力変換ユニット14の出力電流は電力変換ユニット15に比べて大きくなる。それにより、電力変換ユニット14の温度は電力変換ユニット15に比べて高くなる。
When gate signals having the same pulse waveform are input to the
[ターンオフ遅延時間ばらつきがある場合の動作波形]
図5は、並列接続した電力変換ユニット14,15間のスイッチング素子にターンオフ遅延時間ばらつきがある場合に、各部で測定される信号の波形の一例を示すタイミングチャートである。図5の横軸と縦軸の関係は、図3と同じである。
[Operating waveform when turn-off delay time varies]
FIG. 5 is a timing chart showing an example of waveforms of signals measured at each part when switching elements between the
電力変換ユニット14,15のスイッチング素子24,25,34,35に同じパルス波形のゲート信号を入力したとき、これらのスイッチング素子のターンオフ遅延時間Toff1,Toff2にばらつき(Toff1<Toff2)があるため、電力変換ユニット15の出力電圧のパルス幅が電力変換ユニット14に比べて広くなる。その結果、電力変換ユニット15の出力電流が大きくなり、電力変換ユニット14の出力電流は電力変換ユニット15に比べて小さくなる。それにより、電力変換ユニット14の温度は電力変換ユニット15に比べて低くなる。
When gate signals having the same pulse waveform are input to the
並列接続した電力変換ユニット14,15間の出力電流がアンバランスすると、一部のスイッチング素子に電流が集中しスイッチング損失及び導通損失が大きくなり、スイッチング素子(電力変換ユニット14,15間)の温度のアンバランスが発生する。
If the output current between the
そのため、電力変換ユニット14,15間の出力電流にアンバランスが発生したことを、電流センサ106を使った方法よりも安価かつ、温度センサを用いた場合でも精度よく検出する方法が課題である。
Therefore, the problem is how to detect the occurrence of an imbalance in the output currents between the
[エレベーターシステムの速度特性]
図6は、エレベーターシステム1の一運転期間当たりの時間に対する速度特性の一例を示す図である。図6の横軸は時間[s]、縦軸は速度[m/s]を表す。図示するように、エレベーターシステム1は、一運転期間に起動補償期間150、加速期間151、一定速度期間152、及び減速期間153を含む。
[Speed characteristics of elevator system]
FIG. 6 is a diagram showing an example of velocity characteristics with respect to time per operation period of the
起動補償期間150では、エレベーターシステム1はモータ5を固定し、直流電流を流すことでモータ5にトルクを発生させる。この段階では、まだモータ5が停止しておりかご7は移動しない。加速期間151では、エレベーターシステム1は電力変換装置から交流電流を出力しており、出力電流の周波数を高めることでモータ5の回転速度を上げて、かご6を加速させる。一定速度期間152では、エレベーターシステム1は出力電流の周波数を一定にして、モータ5の回転速度を一定にしている。減速期間153では、エレベーターシステム1は出力電流の周波数を低下させることで、モータ5の回転速度を遅くし、かご6を減速する。
In the starting
並列接続した電力変換ユニット14,15間には抵抗成分を持つ抵抗負荷28,38とインダクタンス成分を持つ誘導性負荷29,39が存在する。直流電流出力時の負荷はインダクタンス成分がなくなり、抵抗成分のみとなるため、並列接続した電力変換ユニット14,15間に流れる横流電流が増加し、電力変換ユニット14,15の出力電流のアンバランスが最大になる。ここで、電力変換ユニット14,15の出力電流のアンバランスが大きいほど、電力変換ユニット14,15間の温度差(温度アンバランス)も大きくなり、温度差が顕著となる。
Resistive loads 28, 38 having resistance components and
そのため、直流電流を出力している起動補償期間150が、それ以外の交流電流を出力している加速期間151、一定速度期間152、及び減速期間153と比較して電力変換ユニット14,15間で顕著な温度差が発生している。このため、起動補償期間150では、電力変換ユニット14,15間の温度差の検出を精度よく行うことができる。したがって、横流電流を出力している起動補償期間150において、電力変換ユニット14,15間の温度差を検出することで、電力変換ユニット14,15間の出力電流のアンバランスを精度よく検知することができる。
Therefore, the start-up
[一実施形態の電力変換装置の構成]
つぎに、本発明の一実施形態に係る電力変換装置及びその駆動回路について図7を参照して説明する。
[Configuration of power converter according to one embodiment]
Next, a power converter and its drive circuit according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図7は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置及びその駆動回路の一例を示す構成図である。電力変換装置であるインバータシステム11は、従来のインバータシステム100(図2)と比較して、電力変換ユニット14,15を備える点は同じであるが、ゲート回路22~33のゲート端子に供給する制御信号(ゲート電圧パルス幅)が異なる。
FIG. 7 is a configuration diagram showing an example of a power converter and its drive circuit according to one embodiment of the present invention. The
図7に示すように、電力変換ユニット14,15の入力側は直流電源102に並列接続されており、出力側はインバータシステム11の抵抗負荷104、誘導性負荷105に並列接続されている。インバータシステム11の出力側の配線には電流センサ106が取り付けられている。電力変換ユニット14,15の内部の構成は図2に示した構成と同じであるため異なる点に着目して説明する。
As shown in FIG. 7 , the input sides of
電力変換ユニット14は、上アームスイッチング素子24及び下アームスイッチング素子25の近くに温度センサ41が配置されている。上アームスイッチング素子24及び下アームスイッチング素子25と温度センサ41との距離は、実験等によりスイッチング素子24,25の温度を測定するための適切な距離に設計されている。また、電力変換ユニット15は、上アームスイッチング素子34及び下アームスイッチング素子35の近くに温度センサ42が配置されている。温度センサ41は、電力変換ユニット14のスイッチング素子24,25すなわち電力変換ユニット14内の温度を検出し、温度センサ41は、電力変換ユニット15のスイッチング素子34,35すなわち電力変換ユニット15内の温度を検出する。検出した温度情報は、温度蓄積部121に入力される。
The
制御回路部9は、ゲート回路22,23,32,33に供給する制御信号を生成する信号生成部120を備える。信号生成部120は、温度蓄積部121とオン/オフ時間調整部122を有する。温度蓄積部121は、プロセッサ9b及びメモリ9cから構成され、温度センサ41,42で測定された温度情報を蓄積する。温度蓄積部121に蓄積された温度情報と入力信号101が、オン/オフ時間調整部122に入力される。オン/オフ時間調整部122は、温度情報と入力信号101に基づいて入力信号101(ゲート電圧パルス)のパルス幅を調整し、調整後の入力信号101をオン/オフ指令信号として各ゲート回路22,23,32,33に供給する。なお、入力信号101は、温度蓄積部121を介してオン/オフ時間調整部122に入力されてもよい。
The
図8に、起動補償期間150における三相のインバータシステム11がモータ5へ出力する直流電流の一例を示す。各相の基準軸に対する位相差はモータ5の位置(回転軸の位置)により決まる。起動補償時のモータ位置はそれ以前の運転モードにおいてモータ5が停止した時のモータ位置であり、モータ位置は不規則である。そのため、起動補償期間150において電力変換ユニット14,15の出力電流は不規則になる。
FIG. 8 shows an example of the DC current that the three-
[出力電流に対する温度特性]
図9は、インバータシステム11の出力電流に対する検出した温度の特性(変化率)を示すグラフである。図9において、横軸は電力変換装置(インバータシステム11)の出力電流Itotalの大きさ(絶対値)[A]、縦軸は並列接続した電力変換ユニット14,15間の温度差ΔT[℃]を表している。
[Temperature characteristics against output current]
FIG. 9 is a graph showing the characteristics (rate of change) of the detected temperature with respect to the output current of the
以下、本明細書においては、インバータシステム11の出力電流に対する温度特性を変化率と呼ぶ。エレベーター運転時は、起動補償期間150のみ直流電流が出力される。直流電流の出力時が最も出力電流のアンバランスが大きくなるため、温度差を精度よく検出できる。そのため、直流電流を出力する起動補償時に検出するのが望ましい。しかし、図8において説明したように、直流電流出力時はモータ位置(回転軸の位置)によって検出の都度異なる直流出力電流が得られる。
Hereinafter, in this specification, the temperature characteristic with respect to the output current of the
電力変換ユニット14,15間の温度差を比較するとき同じ直流出力電流で比較する必要があるが、直流出力電流がモータ位置によって不規則であるため、同じ直流出力電流による温度差の比較が困難である。そこで、電力変換ユニット14,15の温度を複数回検出し直流電流に対する温度情報を蓄積する。蓄積した情報により、直流出力電流に対する電力変換ユニット14,15間の温度差の変化率が計算できる。温度差の変化率を用いることにより、並列接続した電力変換ユニット14,15間で発生している温度アンバランスを検知することができる。
When comparing the temperature difference between the
インバータシステム11では、直流電流出力時に電力変換ユニット14と電力変換ユニット15の温度を検出する。検出した温度から並列接続した電力変換ユニット14,15間の温度差を計算し、出力電流と温度差の情報を蓄積する。少なくとも2回以上の複数回、出力電流と温度差の情報を蓄積し、検出結果から出力電流に対する温度差の変化率200を計算する。
The
変化率200が大きいときは、温度アンバランスが大きく一部のスイッチング素子に損失が集中するため、アンバランスの解消が必要である。したがって、次に温度差の変化率に応じたアンバランス解消の制御について説明する。
When the rate of
電力変換ユニット14,15の出力電流や温度のアンバランスは、スイッチング素子のターン動作の遅延時間ばらつきによって生じる電力変換ユニット14,15の出力電圧のパルス幅ばらつきに依存している。このため、出力電流のアンバランスを解消するためには、温度差の変化率と閾値との関係に応じて各ゲート回路に供給するゲート信号を調整する必要がある。
The output current and temperature imbalance of the
また、温度差の変化率に応じたアンバランス解消の制御の方法として、例えば、変化率200が閾値を上回る場合に、オン/オフ時間調整部122が高温側の電力変換ユニットのターンオン時間を遅延させることでパルス幅を狭くし、アンバランスを低減する制御を行う。当該制御の後、再度電力変換ユニット14,15の温度の検出と蓄積を行い、電力変換ユニット14,15間の温度差の変化率を計算することで変化率201が求まる。
Further, as a method of controlling imbalance elimination according to the rate of change of the temperature difference, for example, when the rate of
制御後の変化率201は、変化率200よりも変化率が低減しており、インバータシステム11の出力電流に対して温度差の変化が少ないため、電力変換ユニット14,15の温度が均一化する。これにより、電力変換ユニット14,15の温度アンバランスが低減するため、一部のスイッチング素子のスイッチング損失及び導通損失の増加を抑えることができる。温度差の変化率が閾値以下となる場合は、温度アンバランスがないと判断し調整を行わない。
The rate of
なお、変化率200が閾値を上回る場合に低温側の電力変換ユニットのターンオフ時間を遅延させることでパルス幅を広くし、変化率200を低減する。このようにすることで、電力変換ユニット14,15間の温度を均一化する方法でも構わない。
When the rate of
このように、信号生成部120は、検出した電力変換ユニット14,15間の温度アンバランスに応じて、オン/オフ指令信号のターンオン時間又はターンオフ時間の少なくとも一方を補正する機能を有する。
Thus, the
[温度差低減処理の手順例]
次に、本発明の一実施形態に係る並列接続した電力変換ユニット14,15間の温度差を低減する処理の手順例について図10を参照して説明する。
[Procedure example of temperature difference reduction processing]
Next, a procedure example of processing for reducing the temperature difference between the
図10は、並列接続した電力変換ユニット14,15間の温度差を低減する処理の手順例を示すフローチャートである。信号生成部120は、次のステップS2~S4の処理を検出回数のカウント値が所定回数(複数回数)になるまで繰り返す(S1)。まず、信号生成部120は、現在、起動補償期間150かどうかを判定し(S2)、起動補償期間150である場合(S2のYes判定)はステップS3へ進み、起動補償期間150ではない場合(S2のNo判定)にはステップS2の判定処理を再度実行する。
FIG. 10 is a flow chart showing an example of the procedure for reducing the temperature difference between the
次いで、信号生成部120は、起動補償期間150において、温度センサ41,42と電流センサ106を用いて、電力変換ユニット14,15の温度とインバータシステム11の出力電流を検出し、検出した温度と出力電流の情報を温度蓄積部121に蓄積する(S3)。次いで、信号生成部120は、上記温度と出力電流の検出回数のカウント値を「1」増やす(S4)。
Next,
次いで、信号生成部120は、蓄積した温度と出力電流の情報から、出力電流に対する電力変換ユニット14,15間の温度差の変化率α(例えば図9の変化率200)を計算する(S5)。信号生成部120は、変化率αが閾値より大きい場合(S6のYes判定)、ゲート電圧パルス幅を調整する(S7)。例えば、信号生成部120は、オン/オフ時間調整部122を用いて、高温側の電力変換ユニットが備えるスイッチング素子のターンオン時間を遅延させ、電力変換ユニット14,15間の温度差の変化率αを小さくする。変化率αを小さくすることにより、電力変換ユニット14,15の温度が均一化する方向に制御することができる。
Next, the
一方、変化率αが閾値以下の場合(S6のNo判定)、電力変換ユニット14,15の温度アンバランスがない又は微差であると判断し、ゲート電圧パルス幅の調整を行わない。ステップS7の処理後、又はステップS6においてNo判定の場合、本フローチャートの処理を終了する。
On the other hand, when the rate of change α is equal to or less than the threshold (No determination in S6), it is determined that there is no temperature imbalance between the
上述した本発明の一実施形態に係る電力変換装置によれば、インバータシステム11が直流電流を出力時に並列接続した電力変換ユニット14,15の温度を複数回検出して温度蓄積部121に蓄積する。そして、インバータシステム11は、出力電流に対する電力変換ユニット14,15間の温度差の変化率αが閾値を超える場合に、各スイッチング素子のゲート信号のパルス幅を調整する。これにより、本実施形態に係るインバータシステム11は、従来技術と比べて高精度に電力変換ユニット14,15間の温度差を検出することができる。
According to the power conversion apparatus according to the embodiment of the present invention described above, when the
[出力電流に応じた上下アームの調整]
また、インバータシステム11の出力電流の向きによって上アームスイッチング素子24,34と下アームスイッチング素子25,35を切替えて、ゲート信号をそれぞれ調整する必要がある。したがって、次に、インバータシステム11の出力電流に応じた上下アームの調整方法について説明する。
[Adjustment of upper and lower arms according to output current]
Further, it is necessary to switch the upper
インバータシステム11から電流出力時は上アームスイッチング素子24,34に電流が流れ、インバータシステム11に電流が引き込まれているときは下アームスイッチング素子25,35に電流が流れるため、出力電流の方向に応じてゲート信号を調整するアームを変更する方法が課題である。
Current flows through the upper
そこで、電流センサ106を用いてインバータシステム11から電流が出力されているか、引き込まれているかを検出し、ゲート信号を調整するアームを切替える。これにより、上下アーム別々にゲート電圧のパルス幅ばらつきを抑えることができる。インバータシステム11から電流が出力されているか引き込まれているかは、電流センサ106の検出電流により判断する。
Therefore, the
このように、信号生成部120は、オン/オフ時間調整部122により、インバータシステム11の出力電流Itotalに応じて、上アームスイッチング素子24,25と下アームスイッチング素子25,35を切替えてオン/オフ指令信号のターンオン時間又はターンオフ時間の少なくとも一方を補正する機能を有する。
In this way, the
すなわち、信号生成部120は、インバータシステム11から電流出力時には、上アームスイッチング素子24,34と下アームスイッチング素子25,35のうち上アームに相当するスイッチング素子24,34のターンオン時間又はターンオフ時間の少なくとも一方を補正する。また、信号生成部120は、インバータシステム11に電流引き込み時には、上アームスイッチング素子24,34と下アームスイッチング素子25,35のうち下アームに相当するスイッチング素子25,35のターンオン時間又はターンオフ時間の少なくとも一方を補正する。
That is, when current is output from the
信号生成部120がこのような補正機能を有することで、インバータシステム11の電流出力時と電流引き込み時で下アーム及び上アームからを適切なアームを選択し、ターン動作の遅延時間を調整することができる。
Since the
以上のとおり、本実施形態に係る電力変換装置(インバータシステム11)は、直列接続した第1スイッチング素子(上アームスイッチング素子24,34)と第2スイッチング素子(上アームスイッチング素子25,35)を電力変換ユニット(電力変換ユニット14,15)ごとに有する、並列接続された複数の電力変換ユニットと、電力変換ユニットごとに内部の温度を検出する温度センサ(温度センサ41,42)と、温度センサの検出結果に応じて、電力変換ユニットごとに第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子の制御電極のオン/オフ指令信号(ゲート信号)を生成する信号生成部(信号生成部120)と、を備えた電力変換装置ある。そして、信号生成部は、温度センサを用いて、電力変換装置が直流電流を出力時における各電力変換ユニットの温度を検出する。
As described above, the power converter (inverter system 11) according to the present embodiment includes the first switching elements (upper
また、本実施形態に係る電力変換装置(インバータシステム11)において、上記直流電流の出力時とは、電力変換装置に接続されたモータの起動補償期間である。 In addition, in the power conversion device (inverter system 11) according to the present embodiment, the DC current output time is the startup compensation period of the motor connected to the power conversion device.
また、本実施形態に係る電力変換装置(インバータシステム11)では、信号生成部は、検出した各電力変換ユニットの温度情報を蓄積する記憶装置(温度蓄積部121)を備えている。そして、電力変換装置は、当該電力変換装置の出力電流と、温度センサで検出した各電力変換ユニットの温度情報とを蓄積し、複数回の検出結果から出力電流に対する電力変換ユニット間の温度差の変化率を計算し、当該温度差の変化率と閾値を比較することで電力変換ユニット間の温度アンバランスを検出するように構成されている。 In addition, in the power conversion device (inverter system 11) according to the present embodiment, the signal generation section includes a storage device (temperature accumulation section 121) that accumulates the detected temperature information of each power conversion unit. Then, the power conversion device accumulates the output current of the power conversion device and the temperature information of each power conversion unit detected by the temperature sensor. The temperature imbalance between the power conversion units is detected by calculating the rate of change and comparing the rate of change of the temperature difference with the threshold.
上述した本実施形態に係る電力変換装置によれば、電力変換装置が直流電流を出力時に並列接続した電力変換ユニットの温度を複数回検出し蓄積することより、従来技術と比べて高精度に電力変換ユニット間の温度差を検出することができる。 According to the power conversion device according to the present embodiment described above, the temperature of the power conversion units connected in parallel when the power conversion device outputs a direct current is detected and stored multiple times. A temperature difference between the conversion units can be detected.
[変形例]
なお、上述した一実施形態では、インバータシステム11の直流電流出力時として、モータ5の起動補償期間150を利用したが他の方法でもよい。例えば、エレベーターシステム1等のシステムにおいて、電力変換装置(インバーターシステム11)に直流電流出力モードを用意し、直流電流出力モードを選択時に、電力変換装置が直流電流を出力時における各電力変換ユニットの温度を検出するようにしてもよい。
[Modification]
In the above-described embodiment, the
また、本明細書では、2つの電力変換ユニットを並列接続した電力変換装置(インバータシステム11)の構成について説明したが、並列接続する電力変換ユニットの数は3つ以上でもよい。その場合、例えば、複数通りの電力変換ユニットの組み合わせに対し全ての組み合わせについて電力変換ユニット間の温度差の変化率を求めてもよいし、予め指定した1以上の電力変換ユニットの組み合わせについてのみ温度差の変化率を求めてもよい。 Also, in this specification, the configuration of the power conversion device (inverter system 11) in which two power conversion units are connected in parallel has been described, but the number of power conversion units connected in parallel may be three or more. In that case, for example, the change rate of the temperature difference between the power conversion units may be obtained for all combinations of a plurality of combinations of power conversion units, or the temperature difference may be calculated for only one or more combinations of power conversion units specified in advance. A rate of change of the difference may be determined.
また、本発明の電力変換装置を三相インバータシステムに適用した例を説明したが、本発明の電力変換装置は、並列接続した電力変換ユニットを備える三相コンバータシステムにも適用できることは勿論である。また、本発明の電力変換装置は、並列接続した電力変換ユニットを備える単相インバータシステムや単相コンバータシステム、昇圧コンバータシステムや降圧コンバータシステムなどにも適用することができる。 Also, an example in which the power conversion device of the present invention is applied to a three-phase inverter system has been described, but the power conversion device of the present invention can of course also be applied to a three-phase converter system having parallel-connected power conversion units. . In addition, the power conversion device of the present invention can also be applied to a single-phase inverter system, a single-phase converter system, a boost converter system, a buck converter system, etc., which include power conversion units connected in parallel.
さらに、本発明は上述した一実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。例えば、上述した一実施形態は本発明を分かりやすく説明するために電力変換装置としてインバータシステムの構成を詳細かつ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成要素を備えるものに限定されない。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成要素の追加又は置換、削除をすることも可能である。 Furthermore, the present invention is not limited to the one embodiment described above, and it goes without saying that various other application examples and modifications can be made without departing from the gist of the present invention described in the claims. . For example, the above-described embodiment is a detailed and specific description of the configuration of an inverter system as a power conversion device in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to one having all the components described. . Moreover, it is also possible to add, replace, or delete other components for a part of the configuration of each embodiment.
また、上記の各構成、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。ハードウェアとして、FPGA(Field Programmable Gate Array)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)などの広義のプロセッサデバイスを用いてもよい。 Further, each of the configurations, functions, processing units, etc. described above may be realized by hardware, for example, by designing a part or all of them using an integrated circuit. As hardware, a broadly defined processor device such as FPGA (Field Programmable Gate Array) or ASIC (Application Specific Integrated Circuit) may be used.
また、上述した実施形態において、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要素が相互に接続されていると考えてもよい。 Further, in the above-described embodiments, the control lines and information lines are those considered necessary for explanation, and not all the control lines and information lines are necessarily shown on the product. In practice, it may be considered that almost all components are interconnected.
1…エレベーターシステム、2…系統、3,4…フィルタ回路、5…モータ(負荷)、6…ロープ、7…かご、8…おもり、9…制御回路部、9a…A/D変換回路、9b…プロセッサ、9c…メモリ、10…コンバータシステム、11…インバータシステム、12~15…電力変換ユニット、21,31…コンデンサ、22,23,32,33…ゲート回路、24,34…上アームスイッチング素子、25,35…下アームスイッチング素子、26,36…上アームスイッチング還流ダイオード、27,37…下アームスイッチング還流ダイオード、14,15…電力変換ユニット、28,38…抵抗負荷、29,39…誘導性負荷、101…入力信号、102…直流電源、103…GND、104…抵抗負荷(出力負荷)、105…誘導性負荷(出力負荷)、106…電流センサ、120…信号生成部(制御回路部)、121…温度蓄積部、122…オン/オフ時間調整部、150…起動補償期間、151…加速期間、152…一定速度期間、153…減速期間、200,201…変化率
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記信号生成部は、前記温度センサを用いて、前記電力変換装置が直流電流を出力時における各電力変換ユニットの温度を検出する
電力変換装置。 a plurality of power conversion units connected in parallel, each power conversion unit having a first switching element and a second switching element connected in series; a temperature sensor for detecting an internal temperature of each power conversion unit; and a signal generation unit that generates an ON/OFF command signal for the control electrodes of the first switching element and the second switching element for each of the power conversion units according to a detection result of a sensor. hand,
The power conversion device, wherein the signal generation unit uses the temperature sensor to detect the temperature of each power conversion unit when the power conversion device outputs a direct current.
請求項1に記載の電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1, wherein the output time is a start-up compensation period of a motor connected to the power conversion device.
前記電力変換装置の出力電流と、前記温度センサで検出した各電力変換ユニットの温度情報とを蓄積し、複数回の検出結果から前記出力電流に対する前記電力変換ユニット間の温度差の変化率を計算し、当該温度差の変化率と閾値を比較することで前記電力変換ユニット間の温度アンバランスを検出する
請求項2に記載の電力変換装置。 The signal generation unit includes a storage device that accumulates detected temperature information of each power conversion unit,
accumulating the output current of the power conversion device and the temperature information of each power conversion unit detected by the temperature sensor, and calculating the change rate of the temperature difference between the power conversion units with respect to the output current from the detection results of a plurality of times; 3. The power converter according to claim 2, wherein the temperature imbalance between the power conversion units is detected by comparing the rate of change of the temperature difference with a threshold value.
検出した前記電力変換ユニット間の温度アンバランスに応じて、前記オン/オフ指令信号のターンオン時間又はターンオフ時間の少なくとも一方を補正する機能を有する
請求項3に記載の電力変換装置。 The signal generator is
4. The power converter according to claim 3, having a function of correcting at least one of turn-on time and turn-off time of said on/off command signal according to the detected temperature imbalance between said power conversion units.
前記電力変換装置の出力電流に応じて、前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子を切替えて前記オン/オフ指令信号のターンオン時間又はターンオフ時間の少なくとも一方を補正する機能を有する
請求項4に記載の電力変換装置。 The signal generator is
5. A function of correcting at least one of the turn-on time and the turn-off time of the on/off command signal by switching between the first switching element and the second switching element according to the output current of the power conversion device. A power converter as described.
前記電力変換装置から電流出力時には、前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子のうち上アームに相当するスイッチング素子のターンオン時間又はターンオフ時間の少なくとも一方を補正し、前記電力変換装置に電流引き込み時には、前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子のうち下アームに相当するスイッチング素子のターンオン時間又はターンオフ時間の少なくとも一方を補正する機能を有する
請求項5に記載の電力変換装置。 The signal generator is
At least one of the turn-on time and the turn-off time of the switching element corresponding to the upper arm among the first switching element and the second switching element is corrected when current is output from the power converter, and when current is drawn into the power converter. 6. The power converter according to claim 5, having a function of correcting at least one of turn-on time and turn-off time of a switching element corresponding to a lower arm among said first switching element and said second switching element.
前記出力時は、前記巻上用モータが停止中である
請求項2に記載の電力変換装置。 The motor is a hoisting motor that hoists an elevator car using the output of the power conversion device,
The power converter according to claim 2, wherein the hoisting motor is stopped during the output.
前記信号生成部は、前記温度センサを用いて、前記電力変換装置が直流電流を出力時における各電力変換ユニットの温度を検出する
電力変換方法。 a plurality of power conversion units connected in parallel, each power conversion unit having a first switching element and a second switching element connected in series; a temperature sensor for detecting an internal temperature of each power conversion unit; and a signal generation unit that generates an ON/OFF command signal for the control electrodes of the first switching element and the second switching element for each power conversion unit according to a detection result of a sensor. A conversion method comprising:
The power conversion method, wherein the signal generator uses the temperature sensor to detect the temperature of each power conversion unit when the power conversion device outputs a direct current.
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