JP4097998B2 - 共振形インバータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータ等の負荷を駆動するための共振形インバータに関し、特にソフトスイッチングを行うための共振回路を備えた共振形インバータに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、モータ等の負荷を駆動するためのインバータ回路にあっては、米国特許第5710698号公報、米国特許第5642273号公報、米国特許第5047913号公報等に記載の技術がある。これらによると、例えば、図7に示すように、従来例のソフトスイッチングインバータは、負荷として3相の誘導電動機や直流ブラシレスモータ等からなるモータ1が接続された、例えばIGBT( Insulated Gate Bipolar Transistor:絶縁ゲート型バイポーラ・トランジスタ)Q1〜Q6をスイッチング素子として用いたインバータ部から構成される。
【0003】
インバータ部は、例えば電圧Eiの直流電源3の両端に、IGBTQ1〜Q6をU相、V相、W相からなる3相ブリッジ構造に接続したものであって、各IGBTのコレクタ端子とエミッタ端子間には、モータ1等の誘導性の負荷が発生する回生エネルギーや誘導性の負荷に蓄えられた電流エネルギーを循環させる目的で、転流ダイオード(FWD:Free Wheeling Diode )D1〜D6が接続される。また、各IGBTのコレクタ端子とエミッタ端子間には、IGBTのターンON時やターンOFF時に、IGBTのコレクタ端子とエミッタ端子間に印加されるサージ電圧を吸収すると共に、後述するインダクタンスと共振回路を構成する共振用コンデンサC1〜C6も接続される。
【0004】
更に、インバータ部には、直流電源3に平滑コンデンサC9が接続され、この平滑コンデンサC9の両端に直列に接続された中点電圧保持のための中点電圧保持用コンデンサC7とC8の接続点に対して、U相の共振用コンデンサC1とC2の接続点、V相の共振用コンデンサC3とC4の接続点、W相の共振用コンデンサC5とC6の接続点のそれぞれから、共振用コンデンサC1、C2と共振するインダクタンスL1、共振用コンデンサC3、C4と共振するインダクタンスL2、共振用コンデンサC5、C6と共振するインダクタンスL3のそれぞれと、インダクタンスを介して共振電流を流すための双方向スイッチユニットSU1〜SU3が接続される。
【0005】
上述のような構成は一般に補助共振転流アームリンク式スナバインバータとも称されるものであり、このような構成のソフトスイッチングインバータでは、例えばIGBTQ1がターンOFFし、少し遅れてIGBTQ2をターンONしたい時の、共振用コンデンサC1の充電電流と共振用コンデンサC2の放電電流は、インダクタンスL1を通して中点電圧保持用コンデンサC7、C8へ流し、同時に、IGBTQ4とQ6がターンOFFし、少し遅れてIGBTQ3とQ5をターンONしたい時の、共振用コンデンサC4とC6の充電電流と共振用コンデンサC3とC5の放電電流は、インダクタンスL2、L3を通して中点電圧保持用コンデンサC7、C8から供給する。
【0006】
従って、このように共振用コンデンサとインダクタンスとの共振電流によって、共振用コンデンサを充放電することで、IGBTがターンOFFし、共振用コンデンサが充電する場合、共振用コンデンサが与える時定数によるIGBTに印加される電圧の上昇の遅れから、IGBTのZVS(Zero Voltage Switching:ゼロ電圧スイッチング)が実現し、逆にIGBTがターンONする前に、共振用コンデンサを放電する場合、転流ダイオードが導通することによりIGBTへ加えられる電圧、電流が”ゼロ”となることから、IGBTのZVS(Zero Voltage Switching:ゼロ電圧スイッチング)、及びZCS(Zero current Switching:ゼロ電流スイッチング)が実現するため、スイッチング素子のターンOFF、またはターンON時に発生する損失を少なくすることができる。
【0007】
また、図8も、従来例のソフトスイッチングインバータであって、補助共振ACリンク式スナバインバータとも称されるものであり、図7の補助共振転流アームリンク式スナバインバータと同様に、直流電源3の両端に、転流ダイオードD1〜D6と共振用コンデンサC1〜C6とが接続されたIGBTQ1〜Q6を、U相、V相、W相からなる3相ブリッジ構造に接続したインバータ部と、インバータ部のU相の共振用コンデンサC1とC2の接続点、V相の共振用コンデンサC3とC4の接続点、W相の共振用コンデンサC5とC6の接続点のそれぞれの間に、共振用コンデンサC1、C2と共振するインダクタンスL4、共振用コンデンサC3、C4と共振するインダクタンスL5、共振用コンデンサC5、C6と共振するインダクタンスL6のそれぞれと、インダクタンスを介して共振電流を流すための双方向スイッチユニットSU4〜SU6が接続された構成からなる。
図8の補助共振ACリンク式スナバインバータと図7の補助共振転流アームリンク式スナバインバータとの動作の違いは、共振用コンデンサを充放電させる電流の経路が違うだけで、各スイッチング素子であるIGBTがZVS、ZCSに至る原理は同じである。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような従来例のソフトスイッチングインバータにおいては、インバータ部を形成するスイッチング素子に並列に設けられた共振用コンデンサと、インバータ部のU相、V相、W相の各相に対応して設けられた3個のインダクタンスによる共振回路を形成することは、スイッチング素子に流れる電流を印加される電圧を制御できるため、スイッチング素子において発生するターンON、またはターンOFF時の損失を少なくするために有効である。
しかし、インダクタンスに要求されるコア容積が、導通ピーク電流により決定されるため、制御する負荷電流が増大するに伴い、インダクタンスの重量、及び容積が増大し、特に負荷電流と同等以上の電流を流すインダクタンスを3個必要とする従来例のソフトスイッチングインバータでは、インダクタンスによる重量と容積の増加により、軽量化、及び小型化ができないという問題があった。
また、3相ブリッジ構造に接続された6個の各スイッチング素子に対して、それぞれ並列に共振用コンデンサを設ける必要があるため、コンデンサによる容積の増加により、小型化ができないという問題があった。
【0009】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、重量、及び容積において軽量化、及び小型化が可能な共振形インバータを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1の発明に係る共振形インバータは、3相ブリッジ接続された6個の主スイッチング素子(例えば実施の形態のIGBTQ1〜Q6)と、スイッチング制御により導通または遮断される前記主スイッチング素子の2端子間にそれぞれ並列に接続された6個の転流ダイオード(例えば実施の形態の転流ダイオードD1〜D6)とを備え、3相ブリッジの各相を構成すると共に、電源の両端に2個ずつ直列に接続された3組の前記主スイッチング素子同士の各接続点を、負荷(例えば実施の形態のモータ1)を接続するための3相出力端子とするソフトスイッチングを行うための共振形インバータにおいて、単一方向に電流を通過させる6個の補助スイッチング素子(例えば実施の形態のIGBTQ7〜Q12)が3相ブリッジ接続されると共に、3組の前記補助スイッチング素子同士の各接続点が前記3相出力端子にそれぞれ接続されたブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の3組の補助スイッチング素子同士の接続点の反対側に接続された1個の共振用のインダクタンス(例えば実施の形態の共振用インダクタンスLr)と、前記3相出力端子の各端子間に接続された3個の共振用コンデンサ(例えば実施の形態の共振用コンデンサC1〜C3)とを設け、3個の前記共振用コンデンサと1個の前記インダクタンスとが共振回路を形成することを特徴とする。
【0011】
以上の構成を備えた共振形インバータは、3相出力端子に接続された3個の共振用コンデンサの充放電を、該共振用コンデンサと共振回路を形成する1個のインダクタンスに流れる共振電流と、インダクタンスに接続された6個の補助スイッチング回路によるブリッジ回路とで制御することにより、従来各スイッチング素子に並列に6個必要であった共振用コンデンサを3個に削減すると共に、各相に1個、全体で3個必要であったインダクタンスを1個に削減した状態で、6個の主スイッチング素子からなる共振形インバータのスイッチングにおける損失の発生を押さえたソフトスイッチングを行い、効率的に共振形インバータを動作させることを可能とする。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の一実施の形態の共振形インバータを示す回路図である。
図1において、本実施の形態の共振形インバータは、負荷として3相の誘導電動機や直流ブラシレスモータ等からなるモータ1が接続された、例えばIGBTQ1〜Q6を主スイッチング素子として用いたインバータ部を構成する主回路2Aと、例えばIGBTQ7〜Q12を単方向スイッチング素子として用いた補助スイッチング素子と共振用インダクタンスLrからなる共振部を構成する補助回路2Bとから構成される。なお、スイッチング素子としてQ1〜Q12に用いる素子は、IGBTに限らず、逆阻止サイリスタ、GTO(Gate Turn Off thyristor )、バイポーラトランジスタ、MOSFET等を用いても良い。
【0013】
また、主回路2Aは、直流電源3に並列接続された平滑コンデンサC9の両端に、IGBTQ1〜Q6をU相、V相、W相からなる3相ブリッジ構造に接続したものであって、各IGBTのコレクタ端子とエミッタ端子間には、モータ1等の誘導性の負荷が発生する回生エネルギーや誘導性の負荷に蓄えられた電流エネルギーを循環させる目的で、転流ダイオードD1〜D6が、IGBTのコレクタ端子と転流ダイオードのアノード端子、IGBTのエミッタ端子と転流ダイオードのカソード端子がそれぞれ接続される形で接続される。
【0014】
また、主回路2AにおけるIGBTQ1のエミッタ端子とIGBTQ2のコレクタ端子、IGBTQ3のエミッタ端子とIGBTQ4のコレクタ端子、IGBTQ5のエミッタ端子とIGBTQ6のコレクタ端子のそれぞれの接続点は、本実施の形態の共振形インバータのU相、V相、W相の3相出力端子であって、モータ1のU相、V相、W相の各端子がそれぞれ接続されると共に、3相出力端子の各端子間には、それぞれ共振用コンデンサC1〜C3が接続される。
【0015】
ここで、共振用コンデンサは、U相の出力端子(IGBTQ1のエミッタ端子とIGBTQ2のコレクタ端子との接続点)と、V相の出力端子(IGBTQ3のエミッタ端子とIGBTQ4のコレクタ端子との接続点)との間に共振用コンデンサC1が、V相の出力端子と、W相の出力端子(IGBTQ5のエミッタ端子とIGBTQ6のコレクタ端子との接続点)との間に共振用コンデンサC2が、U相の出力端子と、W相の出力端子との間に共振用コンデンサC3が、それぞれ接続される。
【0016】
更に、主回路2Aの3相出力端子には、補助回路2Bが接続される。補助回路2Bは、3相出力端子に接続された共振用コンデンサC1〜C3と共振回路を形成するための共振用インダクタンスLrの両端に、IGBTQ7〜Q12をU’相、V’相、W’相からなる3相ブリッジ構造に接続したものであって、IGBTQ7、Q9、Q11のコレクタ端子側には、保護ダイオードD7、D9、D11が、IGBTのコレクタ端子と保護ダイオードのアノード端子とが接続される形でそれぞれ直列に接続される。同様に、IGBTQ8、Q10、Q12のエミッタ端子側には、保護ダイオードD8、D10、D12がIGBTのエミッタ端子と保護ダイオードのカソード端子とが接続される形でそれぞれ直列に接続される。なお、ここでは、単方向スイッチング素子と保護ダイオードとの直列回路を補助スイッチング素子と定義する。
【0017】
また、IGBTQ7、Q9、Q11は保護ダイオードD7、D9、D11がコレクタ端子側に接続され、IGBTQ8、Q10、Q12は保護ダイオードD8、D10、D12がエミッタ端子側に接続されると説明したが、IGBTQ7、Q9、Q11が保護ダイオードD7、D9、D11をエミッタ端子側に接続し、IGBTQ8、Q10、Q12が保護ダイオードD8、D10、D12をコレクタ端子側に接続しても良い。また、IGBTQ7〜Q12の全てのIGBTがコレクタ端子側に保護ダイオードを接続しても良いし、逆に全てのIGBTがエミッタ端子側に保護ダイオードを接続しても良く、保護ダイオードによりIGBTを含む補助スイッチング素子にかかる電圧からIGBTが保護されれば良い。
【0018】
更に、IGBTの代わりにMOSFETを用いたような場合も同様で、MOSFETのドレイン端子に保護ダイオードのアノード端子、またはMOSFETのソース端子に保護ダイオードのカソード端子を接続するどちらかの直列接続により、保護ダイオードによりMOSFETを含む補助スイッチング素子にかかる電圧からMOSFETが保護されれば良い。また、単方向スイッチング素子に逆阻止サイリスタを用いた場合、補助スイッチング素子に保護ダイオードは必要ない。
【0019】
また、主回路2Aの3相出力端子と補助回路2Bとの接続は、3相出力端子のU相の端子と、補助回路2BのU’相の接続点となるIGBTQ7を含む補助スイッチング素子とIGBTQ8を含む補助スイッチング素子の接続点とを接続し、同様に、3相出力端子のV相の端子と、補助回路2BのV’相の接続点となるIGBTQ9を含む補助スイッチング素子とIGBTQ10を含む補助スイッチング素子の接続点、更に3相出力端子のW相の端子と、補助回路2BのW’相の接続点となるIGBTQ11を含む補助スイッチング素子とIGBTQ12を含む補助スイッチング素子の接続点とを、それぞれ接続する。
【0020】
具体的には、図1の回路構成では、3相出力端子のU相の端子と、IGBTQ7のエミッタ端子とIGBTQ8のコレクタ端子の接続点とを接続し、同様に、3相出力端子のV相の端子と、IGBTQ9のエミッタ端子とIGBTQ10のコレクタ端子の接続点、更に3相出力端子のW相の端子と、IGBTQ11のエミッタ端子とIGBTQ12のコレクタ端子の接続点とを、それぞれ接続する。
なお、前述のように補助スイッチング素子を構成するIGBTと保護ダイオードの接続が入れ替わる時には、適宜接続される端子名を読み替えるものとする。
また、図1の回路の動作説明を簡単化するために、直流電源3の負極端子は接地されているものとする。
【0021】
次に、図面を用いて本実施の形態の共振形インバータの動作を説明する。回路の動作を説明するにあたっては、図1の回路図における各部分の電圧や電流、各スイッチング素子のON/OFFの表記を先に定義する。まず、各部分の電圧や電流について、
(1)IGBTQ1、転流ダイオードD1の並列回路の両端に加わるQ1のコレクタ側を正方向とする電圧をV1、また、IGBTQ1、転流ダイオードD1の並列回路から負荷(モータ1)へ向かう方向を正方向とする電流をIs1
同様に、
(2)IGBTQ3、転流ダイオードD3の並列回路の両端に加わるIGBTQ3のコレクタ側を正方向とする電圧をV3、また、IGBTQ3、転流ダイオードD3の並列回路から負荷へ向かう方向を正方向とする電流をIs3
(3)IGBTQ5、転流ダイオードD5の並列回路の両端に加わるQ5のコレクタ側を正方向とする電圧をV5、また、IGBTQ5、転流ダイオードD5の並列回路から負荷へ向かう方向を正方向とする電流をIs5
と定義する。
【0022】
また、上記(1)〜(3)とは電流の正負の方向定義が逆となる各部分の電圧や電流について、
(4)IGBTQ2、転流ダイオードD2の並列回路の両端に加わるQ2のコレクタ側を正方向とする電圧をV2、また、負荷からIGBTQ2、転流ダイオードD2の並列回路へ向かう方向を正方向とする電流をIs2
同様に、
(5)IGBTQ4、転流ダイオードD4の並列回路の両端に加わるQ4のコレクタ側を正方向とする電圧をV4、また、負荷からIGBTQ4、転流ダイオードD4の並列回路へ向かう方向を正方向とする電流をIs4
(6)IGBTQ6、転流ダイオードD6の並列回路の両端に加わるQ6のコレクタ側を正方向とする電圧をV6、また、負荷からIGBTQ6、転流ダイオードD6の並列回路へ向かう方向を正方向とする電流をIs6
と定義する。
【0023】
更に、負荷のみに流れる3相の電流を、負荷へ流れ込む方向を正方向として、それぞれIu、Iv、Iwと定義する。
また、共振用コンデンサC1の両端に加わるU相の出力端子(説明の簡単化のため以降AA点とする)側を正方向とする電圧をVC1、共振用コンデンサC2の両端に加わるV相の出力端子(説明の簡単化のため以降BB点とする)側を正方向とする電圧をVC2、共振用コンデンサC3の両端に加わるW相の出力端子(説明の簡単化のため以降CC点とする)側を正方向とする電圧をVC3と定義する。
【0024】
また、IGBTQ1〜Q12のON/OFFの定義については、主回路2AのU相の上段側のIGBTQ1がONで下段側のIGBTQ2がOFFの状態を”1”、U相の上段側のIGBTQ1がOFFで下段側のIGBTQ2がONの状態を”0”と表し、同様にV相の上段側のIGBTQ3がONで下段側のIGBTQ4がOFFの状態を”1”、V相の上段側のIGBTQ3がOFFで下段側のIGBTQ4がONの状態を”0”とする。W相も上段側のIGBTQ5がONで下段側のIGBTQ6がOFFの状態を”1”、W相の上段側のIGBTQ5がOFFで下段側のIGBTQ6がONの状態を”0”とする。
【0025】
また、補助回路2BのU’相の上段側のIGBTQ7がONで下段側のIGBTQ8がOFFの状態を”1”、U’相の下段側のIGBTQ8がONで上段側のIGBTQ7がOFFの状態を”0”と表し、同様にV’相は上段側のIGBTQ9がONで下段側のIGBTQ10がOFFの状態を”1”、V’相の下段側のIGBTQ10がONで上段側のIGBTQ11がOFFの状態を”0”とする。W’相も上段側のIGBTQ11がONで下段側のIGBTQ12のOFFの状態を”1”、W’相の下段側のIGBTQ12がONで上段側のIGBTQ11がOFFの状態を”0”とする。
従って、例えば(U、V、W)=(1、0、0)と表した場合、IGBTQ1がON、IGBTQ2がOFF、IGBTQ3がOFF、IGBTQ4がON、IGBTQ5がOFF、IGBTQ6がONの状態を示す。
【0026】
なお、図1の部品配置において、上側に配置されるIGBTQ1、Q3、Q5、Q7、Q9、Q11を”H”側のスイッチング素子、下側に配置されるIGBTQ2、Q4、Q6、Q8、Q10、Q12を”L”側のスイッチング素子とする。
また、H側とL側の両方のIGBTがOFFしている状態は、”0”、”1”では表せないので、図6の波形図では、”0”と”1”の中点を記載し、注釈として”H、L同時OFF”と記載する。
【0027】
更に、図2から図5に示した(a)モード1から(k)モード11までの各モードの動作は、本実施の形態の共振形インバータの制御モードを説明する一例として、(U、V、W)を(1、0、0)−>(0、0、1)−>(1、1、0)と制御する場合を、それぞれ、
(a)モード1:(U、V、W)=(1、0、0)の定常モード
(b)モード2:(1、0、0)から(0、0、1)への過渡状態で共振初期電流蓄積モード
(c)モード3:(1、0、0)から(0、0、1)への過渡状態で共振モード
(d)モード4:(1、0、0)から(0、0、1)への過渡状態で回生モード
(e)モード5:(U、V、W)=(0、0、1)の定常モード
(f)モード6:(0、0、1)から(1、1、0)への過渡状態で共振初期電流蓄積モード(その1)
(g)モード7:(0、0、1)から(1、1、0)への過渡状態で共振初期電流蓄積モード(その2)
(h)モード8:(0、0、1)から(1、1、0)への過渡状態で共振モード
(i)モード9:(0、0、1)から(1、1、0)への過渡状態で回生モード(その1)
(j)モード10:(0、0、1)から(1、1、0)への過渡状態で回生モード(その2)
(k)モード11:(U、V、W)=(1、1、0)の定常モード
のように定義して説明する。
【0028】
なお、上記以外の制御の場合も、回路の動作は同様である。なお、図2から図5に示した(a)モード1から(k)モード11までの各モードの動作図は、図1に示す回路図に対応して、その動作が重要な素子のみを記述して説明している。
また、図6の波形図では、最下段に示したモード番号が上記モード1からモード11のモード番号に対応し、それぞれの波形は、上記の各モードに対応した信号波形を示す。
【0029】
次に、上記で定義した各部分の電圧と電流、各スイッチング素子のON/OFFの表記に基づいて、図2から図6の図面を参照して本実施の形態の共振形インバータの動作を説明する。
まず、(a)モード1では、(U、V、W)=(1、0、0)の定常状態であるから、直流電源3からIGBTQ1を経てモータ1のU相端子に向けて流れた電流は、モータ1のV相端子とW相端子から、それぞれIGBTQ4とQ6を流れて直流電源3へ戻る。また、モード1の定常状態では、補助回路2BのH側スイッチング素子のIGBTQ7、Q9、Q12がON状態で、L側スイッチング素子のIGBTQ8、Q10、Q11がOFF状態であるが、保護ダイオードD7、D10、D12により電流導通経路が阻止されるため、共振用インダクタンスLrには電流は流れない。
【0030】
次に、モード1の状態において、補助回路2BのIGBTQ7、Q12をターンOFF、IGBTQ8、Q11をターンONして、(b)モード2の共振初期電流蓄積モードへ移行すると、IGBTQ1からモータ1のU相端子へ流れる電流の一部が共振用インダクタンスLrを流れ、IGBTQ4とQ6を介して直流電源3へ戻り、共振用インダクタンスLrに電流ILrを初期電流とするエネルギーを蓄積するようになる。
【0031】
この時、共振用コンデンサC1には、IGBTQ1、Q4が導通しているため、電源電圧Ei(AA点が電位Ei[V]、BB点が電位0[V])が印加されている。また、共振用コンデンサC2には、IGBTQ4、Q6が導通しているため、電圧は印加されていない。また、共振用コンデンサC3には、IGBTQ1、Q4が導通しているため、電源電圧Eiが逆方向(AA点が電位Ei[V]、CC点が電位0[V])に印加されている。
【0032】
電流ILrが十分蓄積され、電流ILrが、モータ1に流れる負荷電流Iu、Iv、Iwのいずれかと同程度の電流量(電流は流れる方向により正負の区別があるので、絶対値で比較する)になったら、ここでIGBTQ1、Q6をターンOFFして、(c)モード3の共振モードへ移行する。
この時、共振用コンデンサC1では、IGBTQ1がターンOFFされて、AA点が直流電源3の正極端子と切り離されるので、共振用インダクタンスLrに蓄積されたエネルギーと共振用インダクタンスLrを流れる電流ILrとにより、IGBTQ8を介して正方向に充電されたコンデンサの放電が始まり、AA点が電位Ei[V]から電位0[V]へ変化する。
【0033】
また、共振用コンデンサC2では、IGBTQ6がターンOFFされて、CC点が接地点と切り離されるので、共振用インダクタンスLrに蓄積されたエネルギーと共振用インダクタンスLrを流れる電流ILrとにより、IGBTQ11を介してBB点が電位0[V]、CC点が電位Ei[V]の電圧が印加され、コンデンサの負方向の充電が始まる。
また、共振用コンデンサC3では、IGBTQ6がターンOFFされて、CC点が接地点と切り離されるので、共振用インダクタンスLrに蓄積されたエネルギーと共振用インダクタンスLrを流れる電流ILrとにより、IGBTQ8を介して負方向に充電されたコンデンサの放電が始まると共に、AA点が電位Ei[V]から変化して電位0[V]へ達すると、IGBTQ11を介してAA点が電位0[V]、CC点が電位Ei[V]の電圧が印加され、コンデンサの正方向の充電が始まる。
【0034】
しかし、IGBTQ1とQ6の両端電圧V1とV6は、コンデンサC1〜C3が与える時定数のため急速には上昇できず、IGBTQ1とQ6は、AA点が電位Ei[V]、BB点が電位0[V]、CC点が電位0[V]の状態、すなわちIGBTQ1とQ6の両端電圧V1とV6が”ゼロ”の状態でターンOFFされるZVSとなる。
図6の波形図では、負荷電流Iu、またはIvの絶対値が電流ILrと同程度になるあたりで、主回路のスイッチ状態が変化している(電流ILrの点線は、絶対値を負荷電流Iv、Iwと比較していることを表す)。また、IGBTQ1とQ6のZVSをA点とB点で示す。
【0035】
このように、モード3の共振モードでは、共振用コンデンサC1〜C3の充放電電流は、共振電流として共振用インダクタンスLrを流れて回路内を循環する。
更に、この共振モードを続けると、共振用インダクタンスLrに蓄積されたエネルギーにより更に共振電流が流れて、共振用コンデンサC1〜C3の両端電圧が、それぞれ共振開始前(モード1の定常状態)と正負の方向が逆方向で電圧の絶対値が同一の状態(AA点が電位0[V]、BB点が電位0[V]、CC点が電位Ei[V]の状態)になると、共振用インダクタンスLrに蓄積されたエネルギーは、転流ダイオードD2とD5を介して流れるようになる。
【0036】
ここで、転流ダイオードD2とD5に並列に接続されたIGBTQ2とQ5をターンONして(d)モード4の回生モードへ移行する。この時、IGBTQ2とQ5は、IGBTQ2とQ5の両端電圧V2とV5が”ゼロ”の状態でターンONされるZVSとなり、また転流ダイオードD2とD5へ全ての電流が流れていて、IGBTQ2とQ5には電流が流れていないため、電流”ゼロ”の状態でターンONされるZCSとなる。
図6の波形図では、IGBTQ2とQ5のZVS、ZCSをC点とD点で示す。
【0037】
また、モード4の回生モードでは、モータ1の回生エネルギーと共振用インダクタンスLrに蓄積されたエネルギーとで、モータ1のW相端子からIGBTQ5を介して直流電源3のプラス側へ流れる回生電流と、モータ1のV相端子からIGBTQ4を介して直流電源3のマイナス側へ流れる回生電流、IGBTQ2を流れてモータ1のU相端子へ流れる回生電流、更にはIGBTQ8、共振用インダクタンスLr、IGBTQ11と流れる電流が発生する。
しかし、共振用インダクタンスLrには直流電源3の電源電圧Eiが逆電圧として電流ILrを減少させる向きに印加されるため、電流ILrは次第に減少しゼロになる。電流ILrがゼロになると保護ダイオードD8、D11により直流電源3の電源電圧EiによるIGBTQ8とQ11へのエミッタ側に流れようとする電流は阻止され、(e)モード5の定常モードへ移行する。
【0038】
モード5は(U、V、W)=(0、0、1)の定常モードであって、次に、ここから(U、V、W)=(1、1、0)の定常モードへ移行する場合を説明する。
まず、モード5の定常モードにおいて、補助回路2BのIGBTQ8、Q10、Q11をターンOFF、IGBTQ7、Q9、Q12をターンONして、(f)モード6の共振初期電流蓄積モード(その1)の状態へ移行すると、モータ1のW相端子からIGBTQ5を流れていたモータ1の回生電流の一部が共振用インダクタンスLrを流れ、IGBTQ7とQ9を介してモータ1、あるいは直流電源3へ戻り、共振用インダクタンスLrに電流ILrを初期電流とするエネルギーを蓄積するようになる。
【0039】
この状態で、電流ILrが、負荷電流Iu、またはIwを越える電流量になると、(g)モード7の共振初期電流蓄積モード(その2)へ移行し、転流ダイオードD2、D5を流れていた電流がなくなり、IGBTQ2とQ5に正方向の電流が流れるようになる。ここで、IGBTQ2、Q4、Q5をターンOFFすると、(h)モード8の共振モードへ移行する。
この時、共振用コンデンサC1では、IGBTQ2がターンOFFされて、AA点が接地点と切り離されると共に、IGBTQ4がターンOFFされて、BB点が接地点と切り離されるので、共振用インダクタンスLrに蓄積されたエネルギーと共振用インダクタンスLrを流れる電流ILrとにより、IGBTQ7とQ9を介して、AA点もBB点も電位Ei[V]の電圧が印加され、コンデンサC1の充放電は発生しない。
【0040】
また、共振用コンデンサC2では、IGBTQ4がターンOFFされて、BB点が接地点と切り離されると共に、IGBTQ5がターンOFFされて、CC点が直流電源3の正極端子と切り離されるので、IGBTQ12を介して負方向に充電されたコンデンサの放電が始まると共に、CC点が電位Ei[V]から変化して電位0[V]へ達すると、IGBTQ9を介してBB点が電位Ei[V]、CC点が電位0[V]の電圧が印加され、コンデンサの正方向の充電が始まる。
また、共振用コンデンサC3では、IGBTQ5がターンOFFされて、CC点が直流電源3の正極端子と切り離されると共に、IGBTQ2がターンOFFされて、AA点が接地点と切り離されるので、共振用インダクタンスLrに蓄積されたエネルギーと共振用インダクタンスLrを流れる電流ILrとにより、IGBTQ8を介して正方向に充電されたコンデンサの放電が始まると共に、CC点が電位Ei[V]から変化して電位0[V]へ達すると、IGBTQ7を介してAA点が電位Ei[V]、CC点が電位0[V]の電圧が印加され、コンデンサの負方向の充電が始まる。
【0041】
しかし、IGBTQ2、Q4、Q5の両端電圧V2、V4、V5は、コンデンサC1〜C3が与える時定数のため急速には上昇できず、IGBTQ2、Q4、Q5は、AA点が電位0[V]、BB点が電位0[V]、CC点が電位Ei[V]の状態、すなわちIGBTQ2、Q4、Q5の両端電圧V2、V4、V5が”ゼロ”の状態でターンOFFされるZVSとなる。
図6の波形図では、負荷電流Iu、またはIvの絶対値が電流ILrと同程度になるあたりで、主回路のスイッチ状態が変化している。また、IGBTQ2、Q4、Q5のZVSをそれぞれE点とF点とG点で示す。
【0042】
このように、モード8の共振モードでも、モード3の共振モードと同様に、共振用コンデンサC1〜C3の充放電電流は、共振電流として共振用インダクタンスLrを流れて回路内を循環する。
更に、この共振モードを続けると、共振用インダクタンスLrに蓄積されたエネルギーにより更に共振電流が流れて、共振用コンデンサC1〜C3の両端電圧が、それぞれ共振開始前(モード5の定常状態)と正負の方向が逆方向で電圧の絶対値が同一の状態(AA点が電位Ei[V]、BB点が電位Ei[V]、CC点が電位0[V]の状態)になると、共振用インダクタンスLrに蓄積されたエネルギーは、転流ダイオードD1、D3、D6を介して流れるようになる。
【0043】
ここで、転流ダイオードD1、D3、D6に並列に接続されたIGBTQ1、Q3、Q6をターンONして(i)モード9の回生モード(その1)へ移行する。この時、IGBTQ1、Q3、Q6は、IGBTQ1、Q3、Q6の両端電圧V1、V3、V6が”ゼロ”の状態でターンONされるZVSとなり、また転流ダイオードD1、D3、D6へ全ての電流が流れていて、IGBTQ1、Q3、Q6には電流が流れていないため、電流”ゼロ”の状態でターンONされるZCSとなる。
図6の波形図では、IGBTQ1、Q3、Q6のZVS、ZCSをH点とI点とJ点で示す。
【0044】
また、この状態を続けると、共振用インダクタンスLrに蓄積されたエネルギーにより流れていた転流ダイオードD1とD6の電流が流れなくなり、IGBTQ1とQ6に正方向にモータ1の回生電流が流れる(j)モード10の回生モード(その2)へ移行する。
更に、共振用インダクタンスLrには直流電源3の電源電圧が逆電圧として電流ILrを減少させる向きに印加されるため、電流ILrは次第に減少しゼロになる。電流ILrがゼロになると、直流電源3の電源電圧によるIGBTQ7、Q9、Q12のエミッタ側へ流れようとする電流は保護ダイオードD7、D9、D12により阻止され、(k)モード11の定常モードへ移行する。
【0045】
以上、本実施の形態の共振形インバータにおいて、図2から図5に示した(a)モード1から(k)モード11までの、(U、V、W)を(1、0、0)−>(0、0、1)−>(1、1、0)と制御する場合を説明したが、共振形インバータに空間ベクトルPWM(Pulse Width Modulation)制御を行うにあたり、他の制御ベクトル間の遷移における共振形インバータの動作も、上述の(U、V、W)を(1、0、0)−>(0、0、1)−>(1、1、0)と制御する場合と同様であるので、ここでは説明を省略する。
なお、定常モードのように、補助回路2Bにおいて共振電流が流れていない場合の補助スイッチング素子IGBTQ7〜Q12はいずれもオフとしても動作可能である。
【0046】
【発明の効果】
以上の如く、請求項1に記載の共振形インバータによれば、3相出力端子に接続された3個の共振用コンデンサの充放電を、該共振用コンデンサと共振回路を形成する1個のインダクタンスに流れる共振電流と、インダクタンスに接続された6個の補助スイッチング回路によるブリッジ回路とで制御することにより、従来各スイッチング素子に並列に6個必要であった共振用コンデンサを3個に削減すると共に、各相に1個、全体で3個必要であったインダクタンスを1個に削減し、重量、及び容積における軽量化、及び小型化と、共振形インバータの損失の発生を押さえたソフトスイッチングが可能な共振形のインバータ回路を実現できるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態の共振形インバータを示す回路図である。
【図2】 同実施の形態の共振形インバータの各モード毎の動作を示す図である。
【図3】 同実施の形態の共振形インバータの各モード毎の動作を示す図である。
【図4】 同実施の形態の共振形インバータの各モード毎の動作を示す図である。
【図5】 同実施の形態の共振形インバータの各モード毎の動作を示す図である。
【図6】 同実施の形態の共振形インバータのモード毎に変化する各部分の波形を示す波形図である。
【図7】 従来例の共振形インバータを示す回路図である。
【図8】 従来例の共振形インバータを示す回路図である。
【符号の説明】
1 モータ
2A 主回路
2B 補助回路
3 直流電源(Ei)
Q1〜Q6 IGBT
D1〜D6 転流ダイオード
C1〜C3 共振用コンデンサ
C9 平滑コンデンサ
Q7〜Q12 IGBT
D7〜D12 保護ダイオード
Lr 共振用インダクタンス
Claims (1)
- 3相ブリッジ接続された6個の主スイッチング素子と、スイッチング制御により導通または遮断される前記主スイッチング素子の2端子間にそれぞれ並列に接続された6個の転流ダイオードとを備え、3相ブリッジの各相を構成すると共に、電源の両端に2個ずつ直列に接続された3組の前記主スイッチング素子同士の各接続点を、負荷を接続するための3相出力端子とするソフトスイッチングを行うための共振形インバータにおいて、
単一方向に電流を通過させる6個の補助スイッチング素子が3相ブリッジ接続されると共に、3組の前記補助スイッチング素子同士の各接続点が前記3相出力端子にそれぞれ接続されたブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路の3組の補助スイッチング素子同士の接続点の反対側に接続された1個の共振用のインダクタンスと、
前記3相出力端子の各端子間に接続された3個の共振用コンデンサとを設け、
3個の前記共振用コンデンサと1個の前記インダクタンスとが共振回路を形成することを特徴とする共振形インバータ。
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