JP2554328B2 - パルス幅補正pwm電力変換装置 - Google Patents

パルス幅補正pwm電力変換装置

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) この発明は、PWM波形のデッドタイムによるパルス幅
の減少(パルス幅の痩せ)分を補正することによりソー
ス信号波形に忠実な出力波形を得る三角波比較PWM方式
のインバータ、およびアクティブフィルタ等の電力変換
装置に関するものである。
(従来の技術) 従来、PWM電力変換装置において例えば三角波比較PWM
方式のインバータは、例えば主回路は第1図、PWMドラ
イブ制御回路は第7図、各部の動作波形は第3図で示す
ように構成される。
すなわち、第7図PWMドライブ制御回路において正弦
波発振器6でインバータの出力電圧波形の基準となるソ
ース信号(以下「信号波」という)を生成し、方形波発
生回路8で信号波のゼロクロス点を基準に方形波に変換
した後、論理を反転した信号と共にデッドタイムコント
ロール回路13を通すことにより第3図(3)、(4)の
信号を得る。デッドタイムコントロール回路13は入力信
号が論理0(スイッチング素子がOFFの状態)から論理
1(スイッチング素子がONの状態)に変化した時、時間
tdの動作遅延を与える回路であり、拡大波形を(9)に
示す。これらの信号(3)、(4)はドライブ回路14で
電力増幅とレベル変換を行い、信号A,Dでスイッチング
素子2−1、3−1を駆動する。
また、前記信号波6を両波整流回路9により両波整流
した信号と、三角波発振器7から得られる三角波のキャ
リア信号(以下「変調波」という)とを比較器11に入力
する。これらの入力波形を第3図(1)、第4図16、15
に示す。比較器11の出力波形は信号波の振幅に比例した
パルス幅のPWMパルス列となり、波形を第3図(2)、
第4図19に示す。このパルス列を切替回路12に入力し、
信号波の極性に応じてPWMパルス列を論理を反転させ、
さらにデッドタイムコントロール回路13を通すことによ
り第3図(5)、(6)、拡大図第3図(9)、第4図
20のように時間tdの動作遅延を与えた信号を得る。これ
らの信号(5)、(6)はドライブ回路14で電力増幅と
レベル変換を行い、信号C,Bでスイッチング素子2−
2、3−2を駆動する。
第1図の主回路においては、ブリッジ接続されたスイ
ッチング素子にインバータ直流電源入力端1から直流電
力を供給し、スイッチング素子2−1、3−1を信号波
の周波数で第3図(3)、(4)のようにON/OFFさせ、
また、スイッチング素子2−2、3−2は信号波でPWM
制御された変調波で第3図(5)、(6)のようにON/O
FFさせることにより、(7)に示す高周波スイッチング
波形を得、さらに変調波除去フィルタ4により変調波の
周波数成分を除去して(8)に示す正弦波状の交流出力
電力を交流出力端5に得る。
以上の如く動作させるPWM電力変換装置においてスイ
ッチング素子の動作をさらに詳細に説明すると、出力電
圧が正の半サイクルではスイッチング素子2−1がON
し、スイッチング素子3−2を正弦波PWM制御されたパ
ルス幅でONさせることにより正の正弦波状の出力波形を
得、また、出力電圧が負の半サイクルではスイッチング
素子3−1がONし、スイッチング素子2−2を正弦保PW
M制御されたパルス幅でONさせることにより負の正弦波
状の出力波形を得ている。また、直列接続されたスイッ
チング素子2−1と3−1、およびスイッチング素子2
−2と3−2は、それぞれ一方がON/OFFする時、他方が
OFF/ONするという反応の動作をしなければならない。
一般に半導体スイッチング素子には、ON動作時にはタ
ーンオン時間、OFF動作時にはストレージタイムやター
ンオフ時間の動作遅れがあるため、上記の如く直列接続
されたスイッチング素子を同時にON/OFFするときは、特
にOFFするスイッチング素子の動作遅れにより直流電源
0を短絡させてしまう危険性がある。したがって、直列
接続されたスイッチング素子は一方にOFF信号を印加し
てから動作遅延時間以上の待ち時かをおいて他方のスイ
ッチング素子にON信号を与える必要がある。この待ち時
間を付与する回路が前述のデッドタイムコントロール回
路13であり、待ち時間がデッドタイムtdに対応する。
従来、三角波比較PWM方式のインバータ、およびアク
ティブフィルタ等の電力変換装置には、スイッチング素
子としてバイポーラトランジスタ、GTOなどの比較的低
速の電力用自己消弧型素子が用いられており、その三角
波比較PWMの変調周波数は500〜2kHz、PWMパルス数も数
パルス〜十数パルスと比較的長いパルスの組み合わせか
らなっていた。
これらの長パルスのパルス列からなるPWM波形ではイ
ンバータなどの電力変換装置の出力波形を正弦波に保つ
ためには、大きなLC共振回路のフィルターを必要として
いた。
また、長パルスのパルス列からなる十数パルスのPWM
波形のアクティブフィルタにおいては、補償できる高調
波は低次高調波であり、より高い高次高調波まで補償で
きるアクティブフィルタが望まれていた。
ところで、静電誘導トランジスタ(SIT)など電力用
高速スイッチング素子の出現により三角波比較PWMの変
調周波数も数十kHz、PWMパルス数も数百パルスの短パル
スの組合わせが可能となり、PWMの変調周波数の高周波
化(以下高周波PWM)によるインバータなど電力変換装
置の出力波形は無歪みの正弦波が、アクティブフィルタ
は高次高調波までの補償が可能となった。
しかし、変調周波数を上げた短パルスのパルス列の高
周波PWMは、ブリッジ回路の上下素子のデッドタイムに
よるPWM波形のパルス幅の減少(パルス幅の痩せ)の割
合が長パルスのパルス列によるPWMより大きなウェイト
を占め、出力波形の信号波形に対する波形の忠実性が損
なわれる。
従来技術においてデッドタイムの影響を詳細に説明す
ると、三角波比較PWMのパルス列は、第4図に示す変調
波15と信号波16との比較器出力19として得られる。パル
ス波t1は、変調波15と信号波16の交点をT1、T2とすれば
t1=T2−T1となり、信号波16の振幅に比例する。
このパルスは、デッドタイムコントロール回路13を通
ることによりデッドタイムtdだけパルス幅が減少し(パ
ルス幅が痩せ)、t2=t1−tdなるパルス幅(第4図20)
でスイッチング素子2−2、3−2を駆動する。
このため、出力信号の波形は第5図23に示す通り振幅
が低下し、ゼロクロス域に振幅がゼロとなる領域が発生
し、大きな波形はずみを生ずる。
実証試験における変調周波数対出力波形ひずみの測定
結果を第6図25に示す。
信号波16の周波数を50Hzとした時、変調波15の周波数
がおよそ50kHz以上でパルス幅の減少(パルス幅の痩
せ)に伴う出力波形ひずみが顕著になっている。
(発明の目的) この発明は、デッドタイムの存在による高周波PWMの
出力波形の信号波形に対する波形の忠実性を考慮してな
されたもので、ゼロクロス域のゼロ電圧状態発生を除去
する効果も含めて波形全体のレベル補正を目的としてお
り、信号波形に忠実な出力波形を得る電力変換装置を提
供するものである。
(発明の概要) この発明に係る三角波比較方式の高周波PWMのパルス
幅補正は、電力変換装置のブリッジ回路の上下素子のデ
ッドタイムによるPWM波形のパルス幅の減少(パルス幅
の痩せ)分を、比較器の信号波または変調波に直流バイ
アス信号を与えることにより補正するようにしたもので
ある。
(発明の実施例) この発明の実施例の説明に先立ち、この発明の実証試
験に用いた高周波PWMインバータについて説明する。
高周波PWMインバータの主回路構成を第1図に、PWMド
ライブ制御回路を第2図に、各部の波形を第3図に示
す。
本発明による第2図のPWMドライブ制御回路は、従来
技術による第7図のPWMドライブ制御回路の両波整流回
路9と比較器11の間に加算回路10を付加し、両波整流し
た信号波に直流バイアス信号Vbを加算することを特徴と
している。
主回路のスイッチング素子2−1、2−2、3−1、
3−2はSITとした。実証試験に用いたSITは、その動作
原理上ストレージタイムが無く、代表的なスイッチング
時間のターンオン時間250nS、ターンオフ時間300nSのも
のを用いた。
上下素子のデッドタイムによるPWM波形の減少(パル
ス幅の痩せ)の発生を観測するための変調波を供給する
三角波発振器7は高い周波数を供給できるよう3〜500k
Hzの発振器を使用した。
第1図に示す主回路のブリッジの上部スイッチング素
子2−1、2−2と下部スイッチング素子3−1、3−
2のオン、オフの切替時に上下スイッチング素子の同時
導通による直流電源1の短絡を防ぐため、300nSのデッ
ドタイムtdを設けた。
以下、上記SITを用いPWMインバータを例に第4図の波
形図をもとにこの発明の実施例について説明する。
第4図において示すように、信号波16に直流バイアス
信号17を加算すると比較器11の出力パルス幅が直流バイ
アス信号17に比例して広がることに注目し、デッドタイ
ムtdと等しいパルスの広がりを与える直流バイアス信号
17信号波16に加算する。
直流バイアス信号を加算した信号波18と変調波15の交
点をT3、T4とすれば、パルス幅t3はt3=T4−T3となる。
また直流バイアス信号17により広がるパルス幅の増分を
Δtbとすればt3=t1+Δtbと表すことができる。このパ
ルスは、デッドタイムコントロール回路13を通ることに
よりtdだけパルス幅が減少し、(パルス幅が痩せ)、ス
イッチング素子2−2、3−2を駆動するパルス幅t4は
t4=t3−tdとなる。
ここで、t3=t1+Δtb、t4=t3−tdなる関係からt4=
t1+Δtb−tdを得る。
このΔtbがデッドタイムtdと等しくなるように直流バ
イアス信号17を加算することによりΔtb=tdから、t4=
t1なる関係が成立する。
このことは、スイッチング素子2−2、3−2を駆動
するパルス幅t4(第4図22)は信号波16の振幅に比例し
たパルス幅t1(第4図19)に等しいということであり、
出力波形はデッドタイムtdによるパルス幅の減少(パル
ス幅の痩せ)を補正したものとして得ることができる。
第5図24にパルス幅補正方式を適用した時の出力波形
を、第6図26に実証試験においてパルス幅補正方式を適
用した時の変調周波数対出力波形ひずみの観測結果を示
す。
信号波18の周波数を50Hzとした時、周波数15の周波数
はおよそ200kHzまで上げても出力波形ひずみの増加は認
められない。
実施例においては、直流バイアス信号17を信号波16に
加算したが、信号波16と変調波とにそれぞれ異なった値
の直流バイアス信号を加算または減算し、両者の間に相
対的な電位差を与えることにより、同様の結果を得る。
なお、この発明は、上記実施例のSIT高周波PWMインバ
ータをもとに説明したが、他の電力用半導体素子、例え
ば、SIサイリスタ、高速埋込型GTO、およびIGBT等を使
用したPWM方式による単相、多相の電力変換装置におい
ても適用可能であることは自明である。
(発明の効果) したがって、この発明によれば、直流バイアス信号を
信号波または変調波に与えることにより、三角波比較PW
M方式電力変換装置の変調波の高周波化に伴うデッドタ
イムによるパルス幅の減少(パルス幅の痩せ)に起因す
る出力波形ひずみを、ゼロクロス域ばかりでなく波形全
領域にわたって補正することが可能で、波形補正のため
のフィードバック制御などを行わなくても簡易にしかも
いかなるデッドタイムの値に対しても補正することが出
来る。
【図面の簡単な説明】 第1図は、高周波PWMインバータの主回路を示し、 第2図は、本発明によるインバータのPWMドライブ制御
回路を示し、 第3図は、第1図主回路と第2図本発明によるPWMドラ
イブ制御回路および第7図従来技術によるPWMドライブ
制御回路における各部の波形を示し、 第4図は、三角波比較PWMのデッドタイムと直流バイア
ス信号との関係を示し、 第5図は、従来技術および本発明によるPWMインバータ
の交流出力波形の比較図を示し、 第6図は、従来技術および本発明による実証試験を行っ
たPWMインバータの変調周波数対出力波形ひずみの比較
図を示し、 第7図は、従来技術によるインバータのPWMのドライブ
制御回路を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西澤 潤一 仙台市米ヶ袋1丁目6番16号 (72)発明者 玉蟲 尚茂 仙台市角五郎1丁目3番8号 (72)発明者 三田村 紘一 仙台市中山7丁目1番48号 (72)発明者 三井 潔夫 仙台市中山7丁目1番20号 (72)発明者 池原 満雄 泉市南光台6丁目6番32号 (72)発明者 丸山 真平 仙台市旭ヶ丘2丁目11番21号 (56)参考文献 特開 昭58−148673(JP,A)

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ブリッジ接続された複数の半導体スイッチ
    ング素子を有する主回路と、正弦波ソース信号と三角波
    キャリア信号の振幅を比較する比較器と、電源に直列に
    接続された半導体スイッチング素子が同時にターンオン
    することを防止するようにデッドタイムを前記直列接続
    された半導体スイッチング素子に与えるデッドタイムコ
    ントロール回路と、前記半導体スイッチング素子を駆動
    するドライブ回路とを有するPWM制御回路とを含み、前
    記正弦波ソース信号または三角波キャリア信号が印加さ
    れる前記比較器の入力側に直流バイアス電圧用の加算回
    路を接続して前記正弦波ソース信号または三角波キャリ
    ア信号に前記直流バイアス電圧を与え、前記デッドタイ
    ムによるPWM波形のパルス幅の減少を補正することを特
    徴とするパルス幅補正PWM電力変換装置。
  2. 【請求項2】前記直流バイアス電圧による前記PWM波形
    のパルス幅の増分が前記デッドタイムの等しいことを特
    徴とする請求項1に記載のパルス幅補正PWM電力変換装
    置。
  3. 【請求項3】前記半導体スイッチング素子は静電誘導ト
    ランジスタからなることを特徴とする請求項1に記載の
    パルス幅補正PWM電力変換装置。
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