JP4468933B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
図1は、この発明の実施の形態1による半導体電力変換装置の構成図である。図1に示すように、半導体電力変換装置は、DC/DCコンバータ10と三相インバータ20により構成される。DC/DCコンバータ10は、電圧端子VL−Vcom間に入力された直流電圧V1を、約3倍に昇圧された直流電圧V2にして電圧端子VH−Vcom間に出力する機能を有する。三相インバータ20は、VH−Vcom間に入力された直流電圧V2を、U端子、V端子、W端子にそれぞれ独立した交流電圧を出力する機能を有する。
DC/DCコンバータ10の主回路部は、電圧端子VL−Vcom間に入力される入力電圧V1および電圧端子VH−Vcom間に出力する出力電圧V2を平滑するための平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3と、複数の半導体スイッチング素子としてのMOS電界効果トランジスタ(以下、MOSFETと称す)とを備え、MOSFETは低圧側スイッチ、高圧側スイッチとしての2つのMOSFET(Mos1L、Mos1H)(Mos2L、Mos2H)(Mos3L、Mos3H)を直列接続して各平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3の両端子間に接続した回路A1、A2、A3を直列接続して構成される。そして、各回路A1、A2、A3内の2つのMOSFETの接続点を中間端子として、隣接する該各回路A1、A2、A3の中間端子間に、コンデンサCr12とインダクタLr12およびコンデンサCr23とインダクタLr23の直列体で構成され、エネルギー移行素子として機能するLC直列回路を接続する。
図2に、Mos1LとMos1Hを駆動するためのゲート信号G1L、G1Hと、各MOSFET(Mos1L〜Mos3L、Mos1H〜Mos3H)を流れる電流、平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3を流れる電流Ics1〜Ics3を示す。ここで、各MOSFETはゲート信号G1L、G1HがHighの時にONするものとし、また、電流の極性は、MOSFETはドレインからソースに流れる方向を正、平滑コンデンサCs1〜Cs3は電荷が充電される方向(平滑コンデンサに電荷が充電されエネルギー移行される方向)を正とした。
Cs1⇒Mos2L⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1L
次に、ゲート信号G1HがHighとなってMos1Hがオン状態となり、ゲート信号G1LがLowとなってMos1Lがオフ状態となると、コンデンサCr12に充電されたエネルギーが、以下に示す経路で平滑コンデンサCs2に移行する。
Cr12⇒Lr12⇒Mos2H⇒Cs2⇒Mos1H⇒Cr12
同時に平滑コンデンサCs1にも電圧端子VL−Vcomから供給される直流電圧によりエネルギーが蓄えられる。
Cs2⇒Mos3L⇒Lr23⇒Cr23⇒Lr12⇒Cr12⇒Mos1L⇒Cs1
次いで再び、ゲート信号G1HがHighとなってMos1Hがオン状態となると、コンデンサCr12に充電されたエネルギーの一部が、上記と同様な経路で平滑コンデンサCs2に移行すると共に、コンデンサCr23に充電されたエネルギーが、以下に示す経路で平滑コンデンサCs3に移行する。
Cr23⇒Lr23⇒Mos3H⇒Cs3⇒Cs2⇒Mos1H⇒Cr12⇒Lr12
三相インバータ20の主回路部は図1に示すように、DC/DCコンバータ10の出力端子である電圧端子VH−Vcom間に2つの半導体スイッチング素子(SuL、SuH)(SvL、SvH)(SwL、SwH)を直列接続して構成され、その2つの半導体スイッチング素子の接続点からそれぞれU相、V相、W相の交流電力を出力するようにされている。また各半導体スイッチング素子のゲート端子には、後述するようにキャリア信号とU相・V相・W相の基本波信号の比較演算に基づいて生成されるゲート信号GuH、GVH、GwH、GuL、GVL、GwLが印加される。
図3は、インバータ20の動作を説明するための図である。図3には、インバータのキャリア信号波形、U相、V相、W相それぞれの基本波信号波形(電圧指示値)、キャリア信号と基本波信号の比較演算に基づいて生成されるゲート信号GuH、GvH、GwH、U相、V相、W相のモータ相電流、およびインバータ20への入力電流Ipが示されている。
ゲート信号GuH、GvH、GwH、GuL、GvL、GwLが、それぞれ半導体スイッチング素子SuH、SvH、SwH、SuL、SvL、SwLのゲート端子に入力されることにより、U相、V相、W相の基本波信号と同様な振幅の、インバータ20の入力電圧(VH−Vcom端子間電圧)に依存した交流電圧が各相の端子に発生する。
なお、インバータ2のキャリア信号のゼロ−ピーク値と各相基本波信号の振幅値の比(基本波振幅値/インバータキャリアゼロ−ピーク値)を変調率と呼ぶ。また、相電流と基本波信号の位相をφとした場合のcosφを力率と呼ぶ。
平滑コンデンサCs1、Cs2、Cs3に流れる電流Ics1、Ics2、Ics3は、インバータ20が動作することによるインバータ20への入力電流Ipと、DC/DCコンバータ10が動作することにより流れるDC/DCコンバータ10の出力電流Io1、Io2、Io3の差分であり、式(1)で表すことができる。
Ics1=Io1−Ip
Ics2=Io2−Ip (1)
Ics3=Io3−Ip
なおここで、DC/DCコンバータ10の出力電流Io1、Io2、Io3は、図1において、次の式(2)で表されるものとする。
Io1=Ih1+Ih2+Ih3
Io2=Ih2+Ih3 (2)
Io3=Ih3
但し Ih1、Ih2、Ih3はMosxHから平滑コンデンサCsx側に流れる電流
以上のことから、インバータ20への入力電流IpとDC/DCコンバータ10の出力電流Io1〜Io3の基本周波数を一致させるためには、DC/DCコンバータ10のゲート信号周波数、即ちスイッチング素子G1L、G1Hのスイッチング周波数をインバータ20のキャリア信号周波数の2倍に設定すればよい。
モータ電流が1サイクルする区間で平均化すると、入力電流Ipの基本周波数成分は、インバータ20のキャリア信号が山または谷の時に振幅が最小となり、インバータ20のキャリア信号がゼロとなる時に振幅が最大となる。
図4および図5では、インバータ20のキャリア信号波形とDC/DCコンバータ10のスイッチング素子のゲート信号波形G1H、DC/DCコンバータ10の出力電流Io1〜Io3、インバータ20の入力電流Ip、平滑コンデンサCs1〜Cs3に流れる電流Ics1〜Ics3を示している。
図7にDC/DCコンバータ10のMOSFETのゲート信号およびインバータ20のスイッチング素子のゲート信号の信号生成回路の構成図を、図8に信号生成回路の動作説明図を示し、この実施の形態1では、三角波比較方式のPWM(パルス幅変調)制御による信号生成手段を示している。
なおこの実施の形態1では、図8に示すように、DC/DCコンバータ10のHigh側ゲート信号G1Hの比較演算器24として、指令値がキャリア信号2よりも大きいときはHigh、小さいときはLowとしている。Low側ゲート信号GxLは、GxHの反転信号となる。また図3に示すように、インバータ20のHigh側ゲート信号GuH〜GwHの比較演算器31〜33として、各基本波がキャリア信号1よりも大きいときはHigh、小さいときはLowとしている。
また、インバータ20のキャリア信号1が山および谷となるときに、DC/DCコンバータ10のキャリア信号2が谷となるように設定してもよい。この場合は指令値がキャリア信号よりも大きいときはLow、小さいときはHighとする必要がある。
次に、インバータ20のキャリア信号とDC/DCコンバータ10のスイッチング素子のゲート信号の周波数と位相を最適化するための他の実施形態の信号生成回路および生成手法について説明する。
図9に実施の形態2におけるDC/DCコンバータ10のMOSFETのゲート信号およびインバータ20のスイッチング素子のゲート信号の信号生成回路の構成図を、図10に信号生成回路の動作説明図を示し、この実施の形態2でも、三角波比較方式のPWM(パルス幅変調)制御による信号生成手段を示している。
ここで、キャリア信号の最大値が1、最小値が−1とすると、指令値1を0.5、指令値2を−0.5とすることで、デューティー50%のゲート信号G1Hを生成することが可能となる。
また、インバータ20とDC/DCコンバータ10のゲート信号生成手段として、共通のキャリア信号を使用しているため、インバータ20とDC/DCコンバータ10のゲート信号の同期を容易に実現することが可能となる。
Mos1L〜Mos3L、Mos1H〜Mos3H:MOSFET
SuH、SVH、SwH、SuL、SVL、SwL:半導体スイッチング素子
Cs1、Cs2、Cs3:平滑コンデンサ
Cr12、Cr23:コンデンサ Lr12、Lr23:インダクタ
21〜26:演算器 31〜36:反転器
41:AND回路
Claims (6)
- 制御電極によりオンオフ動作が制御される2つの半導体スイッチング素子を直列接続して平滑コンデンサの両端子間に接続した回路を複数直列接続して構成され、各回路内の上記2つの半導体スイッチング素子の接続点を中間端子として、隣接する各回路の中間端子間に、それぞれコンデンサとインダクタの直列体を配して接続し、上記コンデンサの充放電により直流/直流電力変換を行うDC/DCコンバータと、このDC/DCコンバータからの直流電圧を複数の半導体スイッチング素子のオンオフ制御により交流電圧に変換するインバータとを備えた電力変換装置において、上記DC/DCコンバータは、上記インバータへの入力電流がゼロとなる期間に、上記平滑コンデンサに充電された電荷を放電し、上記コンデンサと上記インダクタの直列体にエネルギー移行を行う期間を設けたことを特徴とする電力変換装置。
- 制御電極によりオンオフ動作が制御される2つの半導体スイッチング素子を直列接続して平滑コンデンサの両端子間に接続した回路を複数直列接続して構成され、各回路内の上記2つの半導体スイッチング素子の接続点を中間端子として、隣接する各回路の中間端子間に、それぞれコンデンサとインダクタの直列体を配して接続し、上記コンデンサの充放電により直流/直流電力変換を行うDC/DCコンバータと、このDC/DCコンバータからの直流電圧を複数の半導体スイッチング素子のオンオフ制御により交流電圧に変換するインバータとを備えた電力変換装置において、上記DC/DCコンバータの出力電流と、上記インバータへの入力電流のタイミングを一致させるようにしたことを特徴とする電力変換装置。
- DC/DCコンバータの半導体スイッチング素子のスイッチング周波数と、インバータのキャリア周波数を同期させたことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。
- DC/DCコンバータの半導体スイッチング素子のスイッチング周波数は、インバータのキャリア周波数の2倍であることを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。
- インバータとDC/DCコンバータの半導体スイッチング素子のオンオフ制御は、三角
波比較方式のPWM制御によるものであり、上記インバータのキャリア信号の山および谷のタイミングと、上記DC/DCコンバータのキャリア信号の山或いは谷のタイミングを一致させたことを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載の電力変換装置。 - インバータとDC/DCコンバータの半導体スイッチング素子のオンオフ制御は、同一のキャリア信号を元に比較演算を行う三角波比較方式のPWM制御によるものであり、上記DC/DCコンバータの半導体スイッチング素子の制御信号は、少なくとも2つ以上の指令値を元に比較演算を行うことで生成することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載の電力変換装置。
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