JP4556512B2 - Active converter and control method thereof - Google Patents
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Description
この発明はアクティブコンバータ及びその制御方法に関し、特にブートストラップコンデンサの充放電に関する。 The present invention relates to an active converter and a control method therefor, and more particularly to charging / discharging a bootstrap capacitor.
アクティブコンバータのスイッチング素子のゲートをオフすることにより、アクティブコンバータをダイオード整流モードとして機能させる技術が、例えば特許文献1に開示されている。
For example,
多相インバータのハイアーム側スイッチング素子を駆動するドライバのために、ブートストラップコンデンサを設け、これを充電する技術が、例えば特許文献2に開示されている。これにはローアーム側スイッチング素子を全ての相においてオンにして、ブートストラップコンデンサを初期充電する技術が示されている。
For example,
インバータと同様、アクティブコンバータにおいてもブートストラップコンデンサを採用すればアクティブコンバータを小型化できる。しかしながら、アクティブコンバータの入力には多相電源が接続されるので、ローアーム側スイッチング素子を全ての相においてオンにして、ブートストラップコンデンサを初期充電することになれば、多相電源を短絡してしまうことになる。 Like an inverter, an active converter can be downsized by adopting a bootstrap capacitor. However, since the multiphase power supply is connected to the input of the active converter, if the low arm side switching element is turned on in all phases and the bootstrap capacitor is initially charged, the multiphase power supply is short-circuited. It will be.
そこで本発明では、アクティブコンバータにおいてブートストラップコンデンサを採用しつつも、電源を短絡することなくブートストラップコンデンサを充電する技術を提供することを目的とする。またブートストラップコンデンサの静電容量を小さくすることも目的の一つである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a technique for charging a bootstrap capacitor without using a short circuit of a power supply while employing a bootstrap capacitor in an active converter. Another purpose is to reduce the capacitance of the bootstrap capacitor.
この発明にかかるアクティブコンバータ(4)の第1の態様は、正側電源出力端(P)及び負側電源出力端(H)と、前記正側電源出力端及び前記負側電源出力端の間に設けられ、多相電源(1)に対し、その各相(1R,1S,1T)に対応する複数の入力線(8R,8S,8T)を介して接続され、各相毎に対応して設けられた複数のスイッチング回路(40R,40S,40T)と、前記スイッチング回路の動作を制御するスイッチング信号(Sr,Ss,St,Sx,Sy,Sz)を各相毎に出力するスイッチング信号生成回路(43)と、前記正側電源出力端及び前記負側電源出力端の間に設けられた平滑コンデンサ(44)とを備える。前記スイッチング回路の各々は、対応する相の前記入力線(8R;8S;8T)へと前記正側電源出力端から電流を流すか否かを制御するハイアーム側スイッチング素子(41r;41s;41t)と、前記ハイアーム側スイッチング素子と並列に接続され、対応する相の前記入力線に接続されたアノードと、前記正側電源出力端に接続されたカソードとを有するハイアーム側ダイオード(Dr;Ds;Dt)と、対応する相の前記入力線(8R;8S;8T)から前記負側電源出力端へと電流を流すか否かを制御するローアーム側スイッチング素子(41x;41y;41z)と、前記ローアーム側スイッチング素子と並列に接続され、対応する相の前記入力線に接続されたカソードと、前記負側電源出力端に接続されたアノードとを有するローアーム側ダイオード(Dx;Dy;Dz)と、前記スイッチング信号に基づいて前記ハイアーム側スイッチング素子及び前記ローアーム側スイッチング素子を駆動させるスイッチング制御回路(42R;42S;42T)とを有する。前記スイッチング制御回路の各々は、対応する相の第1の前記スイッチング信号(Sx;Sy;Sz)に基づいて前記ローアーム側スイッチング素子を駆動するローアーム側ドライバ素子(422)と、対応する相の第2の前記スイッチング信号(Sr;Ss;St)に基づいて前記ハイアーム側スイッチング素子を駆動するハイアーム側ドライバ素子(421)と、対応する相の前記入力線(8R;8S;8T)に接続された一端と、他端とを有し、前記ハイアーム側ドライバ素子に電源を供給するブートストラップコンデンサ(426)と、前記ブートストラップコンデンサの前記他端に接続されたカソードと、アノードとを有するブートストラップ用ダイオード(424)と、前記ブートストラップ用ダイオードの前記アノードに接続された正極と、前記負側電源出力端に接続された負極とを有し、前記ローアーム側ドライバ素子に電源を供給する直流電源(423)とを備える。 A first aspect of the active converter (4) according to the present invention is between the positive power supply output terminal (P) and the negative power supply output terminal (H), and between the positive power supply output terminal and the negative power supply output terminal. Connected to the multi-phase power source (1) via a plurality of input lines (8R, 8S, 8T) corresponding to the respective phases (1R, 1S, 1T). A plurality of switching circuits (40R, 40S, 40T) provided and a switching signal generation circuit for outputting a switching signal (Sr, Ss, St, Sx, Sy, Sz) for controlling the operation of the switching circuit for each phase (43) and a smoothing capacitor (44) provided between the positive power output terminal and the negative power output terminal. Each of the switching circuits includes a high arm side switching element (41r; 41s; 41t) that controls whether or not a current flows from the positive power supply output terminal to the input line (8R; 8S; 8T) of the corresponding phase. A high-arm side diode (Dr; Ds; Dt) connected in parallel to the high-arm side switching element and connected to the input line of the corresponding phase and a cathode connected to the positive-side power supply output terminal ), A low-arm side switching element (41x; 41y; 41z) for controlling whether or not a current flows from the input line (8R; 8S; 8T) of the corresponding phase to the negative power supply output terminal, and the low arm A cathode connected in parallel with the side switching element and connected to the input line of the corresponding phase, and an anode connected to the negative power supply output terminal And (Dz Dx;; Dy), the switching control circuit for driving the high-arm side switching elements and said low-arm side switching element based on the switching signal low-arm side diode and a (42R; 42T; 42S). Each of the switching control circuits includes a low arm side driver element (422) that drives the low arm side switching element based on the first switching signal (Sx; Sy; Sz) of the corresponding phase, The high arm side driver element (421) that drives the high arm side switching element based on the two switching signals (Sr; Ss; St) and the input line (8R; 8S; 8T) of the corresponding phase A bootstrap capacitor having one end and the other end, and having a bootstrap capacitor (426) for supplying power to the high arm side driver element, a cathode connected to the other end of the bootstrap capacitor, and an anode Connected to a diode (424) and the anode of the bootstrap diode A positive electrode which has a negative electrode connected to the negative power output terminal, and a DC power source (423) supplies power to the low-arm side driver element.
そして最大値を採る相及び最小値を採る相についてのみ、前記ローアーム側スイッチング素子及び前記ハイアーム側スイッチング素子の少なくともいずれか一方がオフし、他の相の前記ローアーム側スイッチング素子及び前記ハイアーム側スイッチング素子のいずれもがオフして前記ブートストラップコンデンサ(426)を充電する。 And only for the phase taking the maximum value and the phase taking the minimum value, at least one of the low arm side switching element and the high arm side switching element is turned off, and the low arm side switching element and the high arm side switching element of the other phase are turned off. Are turned off to charge the bootstrap capacitor (426).
この発明にかかるアクティブコンバータ(4)の第2の態様は、第1の態様にかかるアクティブコンバータであって、全ての相(R,S,T)において前記ハイアーム側スイッチング素子(41r;41s;41t)及び前記ローアーム側スイッチング素子(41x;41y;41z)が共にオフした状態で各相の前記ブートストラップコンデンサ(426)を充電する。 A second aspect of the active converter (4) according to the present invention is the active converter according to the first aspect, wherein the high-arm side switching element (41r; 41s; 41t) in all phases (R, S, T). ) And the low arm side switching element (41x; 41y; 41z) are both turned off, and the bootstrap capacitor (426) of each phase is charged.
この発明にかかるアクティブコンバータ(4)の第3の態様は、第1の態様にかかるアクティブコンバータであって、前記多相電源(1)は三相電源(1R,1S,1T)であって、前記ハイアーム側スイッチング素子(41r;41s;41t)及び前記ローアーム側スイッチング素子(41x;41y;41z)がオン期間が120度以下でスイッチングすることにより、各相の前記ブートストラップコンデンサ(426)を充電する。 A third aspect of the active converter (4) according to the present invention is the active converter according to the first aspect, wherein the multiphase power source (1) is a three-phase power source (1R, 1S, 1T), The high-arm side switching elements (41r; 41s; 41t) and the low-arm side switching elements (41x; 41y; 41z) are switched at an ON period of 120 degrees or less to charge the bootstrap capacitor (426) of each phase. To do.
この発明にかかるアクティブコンバータ(4)の第4の態様は、第3の態様にかかるアクティブコンバータであって、全ての相の前記ハイアーム側スイッチング素子(41r;41s;41t)がオフした状態で各相の前記ブートストラップコンデンサ(426)を充電する。 A fourth aspect of the active converter according to the present invention (4), an active converter according to the third aspect, the high-arm side switching elements of all phases each (41r; 41t; 41s) is in the OFF state of Charge the bootstrap capacitor (426) of the phase.
この発明にかかるアクティブコンバータ(4)の第5の態様は、第3及び第4の態様のいずれか一つにかかるアクティブコンバータであって、前記スイッチングのオン期間はパルス幅変調される。 A fifth aspect of the active converter (4) according to the present invention is the active converter according to any one of the third and fourth aspects, wherein the switching ON period is pulse width modulated.
この発明にかかるアクティブコンバータ(4)の第6の態様は、第1乃至第4の態様のいずれか一つにかかるアクティブコンバータであって、前記複数の入力線(8R,8S,8T)の少なくとも一つには限流回路(2R,2S,2T)が設けられ、二つ以上メインスイッチ(5R,5S,5T)を更に備える。 A sixth aspect of the active converter (4) according to the present invention is the active converter according to any one of the first to fourth aspects, wherein at least one of the plurality of input lines (8R, 8S, 8T). One is provided with a current limiting circuit (2R, 2S, 2T), and further includes two or more main switches (5R, 5S, 5T).
この発明にかかるアクティブコンバータの制御方法の第1の態様は、アクティブコンバータ(4)を制御する方法であり、当該アクティブコンバータは、正側電源出力端(P)及び負側電源出力端(H)と、前記正側電源出力端及び前記負側電源出力端の間に設けられ、多相電源(1)に対し、その各相(1R,1S,1T)に対応する複数の入力線(8R,8S,8T)を介して接続され、各相毎に対応して設けられた複数のスイッチング回路(40R,40S,40T)と、前記スイッチング回路の動作を制御するスイッチング信号(Sr,Ss,St,Sx,Sy,Sz)を各相毎に出力するスイッチング信号生成回路(43)と、前記正側電源出力端及び前記負側電源出力端の間に設けられた平滑コンデンサ(44)とを備える。前記スイッチング回路の各々は、対応する相の前記入力線(8R;8S;8T)へと前記正側電源出力端から電流を流すか否かを制御するハイアーム側スイッチング素子(41r;41s;41t)と、前記ハイアーム側スイッチング素子と並列に接続され、対応する相の前記入力線に接続されたアノードと、前記正側電源出力端に接続されたカソードとを有するハイアーム側ダイオード(Dr;Ds;Dt)と、対応する相の前記入力線(8R;8S;8T)から前記負側電源出力端へと電流を流すか否かを制御するローアーム側スイッチング素子(41x;41y;41z)と、前記ローアーム側スイッチング素子と並列に接続され、対応する相の前記入力線に接続されたカソードと、前記負側電源出力端に接続されたアノードとを有するローアーム側ダイオード(Dx;Dy;Dz)と、前記スイッチング信号に基づいて前記ハイアーム側スイッチング素子及び前記ローアーム側スイッチング素子を駆動させるスイッチング制御回路(42R;42S;42T)とを有する。前記スイッチング制御回路の各々は、対応する相の第1の前記スイッチング信号(Sr;Ss;St)に基づいて前記ハイアーム側スイッチング素子を駆動するハイアーム側ドライバ素子(421)と、対応する相の前記入力線(8R;8S;8T)に接続された一端と、他端とを有し、前記ハイアーム側ドライバ素子に電源を供給するブートストラップコンデンサ(426)と、前記ブートストラップコンデンサの前記他端に接続されたカソードと、アノードとを有するブートストラップ用ダイオード(424)と、前記ブートストラップ用ダイオードの前記アノードに接続された正極と、前記負側電源出力端に接続された負極とを有する直流電源(423)とを備える。前記複数の入力線(8R,8S,8T)の少なくとも一つには、主スイッチ(5R,5S,5T)と限流回路(2R,2S,2T)との並列接続が介挿される。そして当該制御方法は、(a)前記主スイッチをオフにし、前記限流回路を介して前記アクティブコンバータと前記多相電源との間に電流を流し、前記平滑コンデンサを充電するステップと、(b)前記ステップ(a)の後、前記主スイッチをオンにするステップとを備える。上記ステップ(a),(b)のいずれにおいても、最大値を採る相及び最小値を採る相についてのみ、前記ローアーム側スイッチング素子及び前記ハイアーム側スイッチング素子の少なくともいずれか一方がオフし、他の相の前記ローアーム側スイッチング素子及び前記ハイアーム側スイッチング素子のいずれもがオフする。 A first aspect of an active converter control method according to the present invention is a method of controlling an active converter (4), and the active converter includes a positive power supply output terminal (P) and a negative power supply output terminal (H). And a plurality of input lines (8R, 1T, 1T) corresponding to the respective phases (1R, 1S, 1T) to the multiphase power supply (1). 8S, 8T) and a plurality of switching circuits (40R, 40S, 40T) provided corresponding to each phase, and switching signals (Sr, Ss, St, A switching signal generation circuit (43) that outputs Sx, Sy, Sz) for each phase, and a smoothing capacitor (44) provided between the positive power output terminal and the negative power output terminal. Each of the switching circuits includes a high arm side switching element (41r; 41s; 41t) that controls whether or not a current flows from the positive power supply output terminal to the input line (8R; 8S; 8T) of the corresponding phase. A high-arm side diode (Dr; Ds; Dt) connected in parallel to the high-arm side switching element and connected to the input line of the corresponding phase and a cathode connected to the positive-side power supply output terminal ), A low-arm side switching element (41x; 41y; 41z) for controlling whether or not a current flows from the input line (8R; 8S; 8T) of the corresponding phase to the negative power supply output terminal, and the low arm A cathode connected in parallel with the side switching element and connected to the input line of the corresponding phase, and an anode connected to the negative power supply output terminal And (Dz Dx;; Dy), the switching control circuit for driving the high-arm side switching elements and said low-arm side switching element based on the switching signal low-arm side diode and a (42R; 42T; 42S). Each of the switching control circuits includes a high arm side driver element (421) for driving the high arm side switching element based on the first switching signal (Sr; Ss; St) of the corresponding phase, and the corresponding phase of the switching control circuit (Sr; Ss; St). A bootstrap capacitor (426) having one end connected to the input line (8R; 8S; 8T) and the other end and supplying power to the high arm side driver element; and the other end of the bootstrap capacitor A DC power supply having a bootstrap diode (424) having a connected cathode and an anode, a positive electrode connected to the anode of the bootstrap diode, and a negative electrode connected to the negative power supply output terminal (423). A parallel connection of the main switch (5R, 5S, 5T) and the current limiting circuit (2R, 2S, 2T) is inserted into at least one of the plurality of input lines (8R, 8S, 8T). The control method includes (a) turning off the main switch, passing a current between the active converter and the multiphase power source via the current limiting circuit, and charging the smoothing capacitor; ) After the step (a), turning on the main switch. In either of the steps (a) and (b), at least one of the low arm side switching element and the high arm side switching element is turned off only for the phase that takes the maximum value and the phase that takes the minimum value. Both the low arm side switching element and the high arm side switching element of the phase are turned off.
この発明にかかるアクティブコンバータの制御方法の第2の態様は、第1の態様にかかるアクティブコンバータの制御方法であって、前記ステップ(b)においては、全ての相(R,S,T)において前記ハイアーム側スイッチング素子(41r;41s;41t)及び前記ローアーム側スイッチング素子(41x;41y;41z)が共にオフした状態で各相の前記ブートストラップコンデンサ(426)を充電する。 A second aspect of the active converter control method according to the present invention is the active converter control method according to the first aspect, wherein, in the step (b), in all phases (R, S, T). The bootstrap capacitor (426) of each phase is charged with both the high arm side switching elements (41r; 41s; 41t) and the low arm side switching elements (41x; 41y; 41z) turned off.
この発明にかかるアクティブコンバータの制御方法の第3の態様は、第1の態様にかかるアクティブコンバータの制御方法であって、前記多相電源(1)は三相電源(1R,1S,1T)であって、前記ステップ(b)においては、前記ハイアーム側スイッチング素子(41r;41s;41t)及び前記ローアーム側スイッチング素子(41x;41y;41z)をオン期間が120度以下でスイッチングさせることにより、各相の前記ブートストラップコンデンサ(426)を充電する。 A third aspect of the active converter control method according to the present invention is the active converter control method according to the first aspect, wherein the multiphase power supply (1) is a three-phase power supply (1R, 1S, 1T). In the step (b), each of the high arm side switching elements (41r; 41s; 41t) and the low arm side switching elements (41x; 41y; 41z) is switched at an ON period of 120 degrees or less. Charge the bootstrap capacitor (426) of the phase.
この発明にかかるアクティブコンバータの制御方法の第4の態様は、第3の態様にかかるアクティブコンバータの制御方法であって、前記ステップ(b)においては、全ての相の前記ハイアーム側スイッチング素子(41r;41s;41t)がオフした状態で各相の前記ブートストラップコンデンサ(426)を充電する。 A fourth aspect of the active converter control method according to the present invention is the active converter control method according to the third aspect, wherein in the step (b), the high arm side switching elements (41r) of all phases are provided. 41s; 41t) is turned off, and the bootstrap capacitor (426) of each phase is charged.
この発明にかかるアクティブコンバータの制御方法の第5の態様は、第3の態様及び第4の態様のいずれか一つにかかるアクティブコンバータの制御方法であって、前記スイッチングのオン期間はパルス幅変調される。 A fifth aspect of the active converter control method according to the present invention is the active converter control method according to any one of the third aspect and the fourth aspect, wherein the on-period of the switching is pulse width modulation. Is done.
この発明に係るアクティブコンバータ(4)の第1の態様では、多相電源(1)との間で複数の入力線(8R,8S,8T)を介して電流が流れることにより平滑コンデンサ(44)を充電し、以て正側電源出力端(P)及び負側電源出力端(H)の間で直流電圧(Ed)を出力する。ハイアーム側ドライバ素子(421)に電源を供給するブートストラップコンデンサ(426)は直流電源(423)によってブートストラップ用ダイオード(424)を介して充電される。よって直流電源(423)はローアーム側ドライバ素子(422)に直接に電源を供給する機能と、ハイアーム側ドライバ素子(421)にブートストラップコンデンサ(426)を介して間接に電源を供給する機能とを兼用することができる。 In the first aspect of the active converter (4) according to the present invention, a smoothing capacitor (44) is obtained by current flowing through the plurality of input lines (8R, 8S, 8T) with the multiphase power supply (1). Thus, a DC voltage (Ed) is output between the positive power supply output terminal (P) and the negative power supply output terminal (H). The bootstrap capacitor (426) that supplies power to the high arm side driver element (421) is charged by the DC power supply (423) via the bootstrap diode (424). Therefore, the DC power supply (423) has a function of directly supplying power to the low arm side driver element (422) and a function of supplying power indirectly to the high arm side driver element (421) via the bootstrap capacitor (426). Can also be used.
そしてブートストラップコンデンサ(426)を充電する経路は平滑コンデンサ(44)を含む。よって各相電源(1R,1S,1T)同士の短絡を回避しつつブートストラップコンデンサを充電できる。 The path for charging the bootstrap capacitor (426) includes the smoothing capacitor (44). Therefore, the bootstrap capacitor can be charged while avoiding a short circuit between the phase power supplies (1R, 1S, 1T).
この発明に係るアクティブコンバータ(4)の第2の態様では、ハイアーム側ダイオード(Dr;Ds;Dt)とローアーム側ダイオード(Dx;Dy;Dz)とを介してブートストラップコンデンサ(426)を充電することにより、各相電源(1R,1S,1T)同士の短絡を回避しつつブートストラップコンデンサ(426)を充電できる。 In the second aspect of the active converter (4) according to the present invention, the bootstrap capacitor (426) is charged via the high arm side diode (Dr; Ds; Dt) and the low arm side diode (Dx; Dy; Dz). Thus, the bootstrap capacitor (426) can be charged while avoiding a short circuit between the phase power supplies (1R, 1S, 1T).
この発明に係るアクティブコンバータ(4)の第3の態様では、電源電圧の不平衡、直流側負荷が極めて小さい場合、コンバータ再起動時など、平滑コンデンサ(44)によって保持される直流電圧(Ed)が整流電圧より大きい場合において、多相電源(1)や平滑コンデンサ(44)の短絡を回避しつつブートストラップコンデンサ(426)を充電できる。特に120°以下の幅の方形波とすることで、電源電圧との位相精度が悪い場合にも対応できる。 In the third aspect of the active converter (4) according to the present invention, the DC voltage (Ed) held by the smoothing capacitor (44) such as when the power supply voltage is unbalanced, the DC side load is extremely small, or when the converter is restarted. Is larger than the rectified voltage, the bootstrap capacitor (426) can be charged while avoiding a short circuit of the multiphase power supply (1) or the smoothing capacitor (44). In particular, by using a square wave with a width of 120 ° or less, it is possible to cope with a case where the phase accuracy with the power supply voltage is poor.
この発明に係るアクティブコンバータ(4)の第4の態様では、ハイアーム側スイッチング素子(41r;41s;41t)がオフした状態で各相のブートストラップコンデンサ(426)を充電するので、ブートストラップコンデンサの放電電流を低減でき、必要な静電容量は小さくて済む。 In the fourth aspect of the active converter (4) according to the present invention, the bootstrap capacitor (426) of each phase is charged with the high arm side switching elements (41r; 41s; 41t) turned off. The discharge current can be reduced and the required capacitance is small.
この発明に係るアクティブコンバータ(4)の第5の態様では、パルス変調によってデューティを可変にできるので、ブートストラップコンデンサ(426)を充電した後のパルス変調と対応させることができる。従って、スイッチング制御回路(42R、42S、42T)の回路定数を高い自由度を以て設計することができる。
In the fifth aspect of the active converter (4) according to the present invention, since the duty can be varied by pulse modulation, it is possible to correspond to the pulse modulation after charging the bootstrap capacitor (426). Therefore, the circuit constants of the switching control circuits (42R, 42S, 42T) can be designed with a high degree of freedom.
この発明に係るアクティブコンバータ(4)の第7の態様では、メインスイッチ(5R,5S,5T)をオフにして限流回路(2R,2S,2T)によって平滑コンデンサ(44)を充電完了させ、次いでメインスイッチをオンにすることにより、ブートストラップコンデンサ(426)を充電することができる。よって平滑コンデンサの充電中にブートストラップコンデンサが保持する電圧が減少するという事態を回避でき、ブートストラップコンデンサの静電容量を小さくすることができる。また平滑コンデンサの充電の際、限流回路(2R,2S,2T)によって突入電流を抑制することができる。 In the seventh aspect of the active converter (4) according to the present invention, the main switch (5R, 5S, 5T) is turned off to complete the charging of the smoothing capacitor (44) by the current limiting circuit (2R, 2S, 2T), The bootstrap capacitor (426) can then be charged by turning on the main switch. Therefore, it is possible to avoid a situation in which the voltage held by the bootstrap capacitor decreases during charging of the smoothing capacitor, and to reduce the capacitance of the bootstrap capacitor. Further, when charging the smoothing capacitor, the inrush current can be suppressed by the current limiting circuit (2R, 2S, 2T).
この発明に係るアクティブコンバータの制御方法の第1の態様では、限流回路を介した各相電源(1R,1S,1T)同士の短絡を回避しつつブートストラップコンデンサ(426)を充電できる。これにより、当該限流回路に要求される電力容量は小さくできる。またステップ(a)において平滑コンデンサを充電している間にブートストラップコンデンサを充電することも可能であり、平滑コンデンサの充電中にブートストラップコンデンサが保持する電圧が減少するという事態を回避できる。よってブートストラップコンデンサの静電容量を小さくし、その充電時間を短くしてアクティブコンバータの起動時間を短縮することができる。 In the first aspect of the active converter control method according to the present invention, the bootstrap capacitor (426) can be charged while avoiding a short circuit between the respective phase power supplies (1R, 1S, 1T) via the current limiting circuit. Thereby, the power capacity required for the current limiting circuit can be reduced. In addition, it is possible to charge the bootstrap capacitor while charging the smoothing capacitor in step (a), and it is possible to avoid a situation in which the voltage held by the bootstrap capacitor decreases during the charging of the smoothing capacitor. Therefore, it is possible to reduce the capacitance of the bootstrap capacitor, shorten the charging time, and shorten the activation time of the active converter.
この発明に係るアクティブコンバータの制御方法の第2の態様では、ハイアーム側ダイオード(Dr;Ds;Dt)とローアーム側ダイオード(Dx;Dy;Dz)とを介してブートストラップコンデンサ(426)を充電することにより、各相電源(1R,1S,1T)同士の短絡を回避しつつブートストラップコンデンサ(426)を充電できる。 In the second aspect of the control method of the active converter according to the present invention, the bootstrap capacitor (426) is charged via the high arm side diode (Dr; Ds; Dt) and the low arm side diode (Dx; Dy; Dz). Thus, the bootstrap capacitor (426) can be charged while avoiding a short circuit between the phase power supplies (1R, 1S, 1T).
この発明に係るアクティブコンバータの制御方法の第3の態様では、電源電圧の不平衡、直流側負荷が極めて小さい場合、コンバータ再起動時など、平滑コンデンサ(44)によって保持される直流電圧(Ed)が整流電圧より大きい場合において、多相電源(1)や平滑コンデンサ(44)の短絡を回避しつつブートストラップコンデンサ(426)を充電できる。特に120°以下の幅の方形波とすることで、電源電圧との位相精度が悪い場合にも対応できる。 In the third aspect of the control method of the active converter according to the present invention, the DC voltage (Ed) held by the smoothing capacitor (44), such as when the power supply voltage is unbalanced, the DC side load is extremely small, the converter is restarted, etc. Is larger than the rectified voltage, the bootstrap capacitor (426) can be charged while avoiding a short circuit of the multiphase power supply (1) or the smoothing capacitor (44). In particular, by using a square wave with a width of 120 ° or less, it is possible to cope with a case where the phase accuracy with the power supply voltage is poor.
この発明に係るアクティブコンバータの制御方法の第4の態様では、ハイアーム側スイッチング素子(41r;41s;41t)がオフした状態で各相のブートストラップコンデンサ(426)を充電するので、ブートストラップコンデンサの放電電流を低減でき、必要な静電容量は小さくて済む。 In the fourth aspect of the control method of the active converter according to the present invention, the bootstrap capacitor (426) of each phase is charged with the high arm side switching elements (41r; 41s; 41t) turned off. The discharge current can be reduced and the required capacitance is small.
この発明に係るアクティブコンバータの制御方法の第5の態様では、パルス変調によってデューティを可変にできるので、ブートストラップコンデンサ(426)を充電した後のパルス変調と対応させることができる。従って、スイッチング制御回路(42R、42S、42T)の回路定数を高い自由度を以て設計することができる。 In the fifth aspect of the control method of the active converter according to the present invention, since the duty can be varied by pulse modulation, it is possible to correspond to the pulse modulation after charging the bootstrap capacitor (426). Therefore, the circuit constants of the switching control circuits (42R, 42S, 42T) can be designed with a high degree of freedom.
第1の実施の形態.
図1は本発明にかかる第1の実施の形態を説明する回路図である。多相(ここでは三相)電源1は各相電源1R,1S,1Tを有しており、これらは中性点Nにおいてスター結線されている。そして中性点Nとは反対側でそれぞれ入力線8R,8S,8Tに接続されている。入力線8R,8S,8Tにはそれぞれリアクタ3R,3S,3Tが設けられており、多相電源1はリアクタ3R,3S,3Tが構成するリアクタ群3を介してアクティブコンバータ4と接続されている。
First embodiment.
FIG. 1 is a circuit diagram for explaining a first embodiment of the present invention. The multi-phase (here, three-phase)
但し、入力線8R,8Tにはそれぞれ主スイッチ5R,5Tが介挿されており、これらは主スイッチ群5を構成している。各相電源1R,1Tはそれぞれそれぞれ主スイッチ5R,5Tを介してリアクタ3R,3Tと接続されている。限流回路2Rは主スイッチ5Rと並列に接続されている。つまり入力線8Rにおいて、主スイッチ5Rと限流回路2Rとの並列接続が介挿されていることになる。限流回路2Rは突入電流を防止する機能を有する。
However,
アクティブコンバータ4は、直流電圧Edを出力する正側電源出力端P及び負側電源出力端Hを備えており、これらの間には平滑コンデンサ44が備えられている。
The active converter 4 includes a positive power supply output terminal P that outputs a DC voltage Ed and a negative power supply output terminal H, and a smoothing
アクティブコンバータ4は、多相電源1の各相に対応して設けられているスイッチング回路40R,40S,40T、スイッチング信号生成回路43をも備えている。スイッチング信号生成回路43は、スイッチング回路40Rの動作を制御するスイッチング信号Sr,Sx、スイッチング回路40Sの動作を制御するスイッチング信号Ss,Sy、スイッチング回路40Tの動作を制御するスイッチング信号St,Szを生成して出力する。
The active converter 4 also includes switching
スイッチング回路40R,40S,40Tはいずれも正側電源出力端Pと負側電源出力端Hとの間に設けられており、各相電源1R,1S,1Tに対し、それぞれ入力線8R,8S,8Tを介して接続されている。
The switching
スイッチング回路40Rは、ハイアーム側スイッチング素子41r、ローアーム側スイッチング素子41x、ハイアーム側ダイオードDr、ローアーム側ダイオードDx、スイッチング制御回路42Rを備えている。
The
ハイアーム側スイッチング素子41rは、入力線8Rへと正側電源出力端Pから電流を流すか否かを制御する。ローアーム側スイッチング素子41xは、入力線8Rから負側電源出力端Hへと電流を流すか否かを制御する。ハイアーム側ダイオードDrは、ハイアーム側スイッチング素子41rと並列に接続され、入力線8Rに接続されたアノードと、正側電源出力端Pに接続されたカソードとを有する。ローアーム側スイッチング素子Dxは、ローアーム側スイッチング素子41xと並列に接続され、入力線8Rに接続されたカソードと、負側電源出力端Hに接続されたアノードとを有する。スイッチング制御回路42Rはスイッチング信号Srに基づいてハイアーム側スイッチング素子41rを、スイッチング信号Sxに基づいてローアーム側スイッチング素子41xを、それぞれ駆動させる。
The high arm
スイッチング回路40Sは、ハイアーム側スイッチング素子41s、ローアーム側スイッチング素子41y、ハイアーム側ダイオードDs、ローアーム側ダイオードDy、スイッチング制御回路42Sを備えている。
The
ハイアーム側スイッチング素子41sは、入力線8Sへと正側電源出力端Pから電流を流すか否かを制御する。ローアーム側スイッチング素子41yは、入力線8Sから負側電源出力端Hへと電流を流すか否かを制御する。ハイアーム側ダイオードDsは、ハイアーム側スイッチング素子41sと並列に接続され、入力線8Sに接続されたアノードと、正側電源出力端Pに接続されたカソードとを有する。ローアーム側スイッチング素子Dyは、ローアーム側スイッチング素子41yと並列に接続され、入力線8Sに接続されたカソードと、負側電源出力端Hに接続されたアノードとを有する。スイッチング制御回路42Sはスイッチング信号Ssに基づいてハイアーム側スイッチング素子41sを、スイッチング信号Syに基づいてローアーム側スイッチング素子41yを、それぞれ駆動させる。
The high arm
スイッチング回路40Tは、ハイアーム側スイッチング素子41t、ローアーム側スイッチング素子41z、ハイアーム側ダイオードDt、ローアーム側ダイオードDz、スイッチング制御回路42Tを備えている。
The
ハイアーム側スイッチング素子41tは、入力線8Tへと正側電源出力端Pから電流を流すか否かを制御する。ローアーム側スイッチング素子41zは、入力線8Tから負側電源出力端Hへと電流を流すか否かを制御する。ハイアーム側ダイオードDtは、ハイアーム側スイッチング素子41tと並列に接続され、入力線8Tに接続されたアノードと、正側電源出力端Pに接続されたカソードとを有する。ローアーム側スイッチング素子Dzは、ローアーム側スイッチング素子41zと並列に接続され、入力線8Tに接続されたカソードと、負側電源出力端Hに接続されたアノードとを有する。スイッチング制御回路42Tはスイッチング信号Stに基づいてハイアーム側スイッチング素子41tを、スイッチング信号Szに基づいてローアーム側スイッチング素子41zを、それぞれ駆動させる。
The high arm
ハイアーム側スイッチング素子41r,41s,41tやローアーム側スイッチング素子41x,41y,41zは例えばIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)素子を採用することができる。
As the high arm
スイッチング制御回路42R,42S,42Tはいずれも同じ構成を有しており、図1ではスイッチング制御回路42Rの内部構成回路を代表的に示している。スイッチング制御回路42Rは、ハイアーム側ドライバ素子421と、ローアーム側ドライバ素子422と、直流電源423と、ブートストラップ用ダイオード424と、ブートストラップ用抵抗425と、ブートストラップコンデンサ426とを有している。
The switching
ハイアーム側ドライバ素子421はスイッチング信号Srに基づいてハイアーム側スイッチング素子41rを駆動し、ローアーム側ドライバ素子422はスイッチング信号Sxに基づいてローアーム側スイッチング素子41xを駆動する。ブートストラップコンデンサ426は入力線8Rと抵抗425とに接続され、両者の間に挟まれて充電される。ブートストラップコンデンサ426の両端電圧によってハイアーム側ドライバ素子421に電源が供給される。
The high arm
より具体的には入力線8R、ブートストラップコンデンサ426、ブートストラップ用抵抗425、ブートストラップ用ダイオード424、直流電源423、負側電源出力端Hがこの順に接続されている。但し、ブートストラップ用抵抗425とブートストラップ用ダイオード424との順序は入れ替わってもよい。
More specifically, the
ブートストラップコンデンサ426を、入力線8R側の電位よりもブートストラップ用抵抗425側の電位を高くして充電すべく、直流電源423の負極は負側電源出力端Hに、正極はブートストラップ用ダイオード424のアノードに、ブートストラップ用ダイオード424のカソードは入力線8Rとは反対側でブートストラップコンデンサ426に、それぞれ接続されている。
In order to charge the
なお、直流電源423はローアーム側ドライバ素子422への電源を供給する機能をも有している。これにより直流電源423はローアーム側ドライバ素子422に直接に電源を供給する機能と、ハイアーム側ドライバ素子421にブートストラップコンデンサ426を介して間接に電源を供給する機能とを兼用する。
Note that the
直流電源423は、たとえば多相電源1の線間電圧を降圧、整流することによって得ることができる。
The
主スイッチ群5をオフし、電源1をアクティブコンバータ4から切り離した状態で、特許文献2に開示された技術と類似して、ローアーム側スイッチング素子41x,41y,41zを全てオンさせれば、ブートストラップコンデンサ426を初期充電できる。
In a state where the
但し、電源1をアクティブコンバータ4から主スイッチ群5によって切り離せば、平滑コンデンサ44への充電ができない。そこで平滑コンデンサ44への充電では電源1をアクティブコンバータ4に接続する必要がある。
However, if the
ところで一般に、平滑コンデンサへの充電において突入電流を回避するために限流回路が設けられる。そして限流回路に通常設けられる限流抵抗の電力容量を小さくするには、これを流れる電流を小さくすることが望ましい。しかしこれは平滑コンデンサを充電する時間を長くしてしまう。もし平滑コンデンサ44の充電が行われている間にブートストラップコンデンサ426の充電ができなければ、平滑コンデンサ44の充電中にブートストラップコンデンサ426が所望の電圧を維持すべく、ブートストラップコンデンサ426の静電容量を大きくしなければならない。
In general, a current limiting circuit is provided to avoid an inrush current in charging the smoothing capacitor. In order to reduce the power capacity of the current limiting resistor normally provided in the current limiting circuit, it is desirable to reduce the current flowing therethrough. However, this increases the time for charging the smoothing capacitor. If the
これでは元々、数kHz以上のキャリア周波数においてスイッチング素子を駆動させるスイッチング制御回路42Rを小型化するためのブートストラップ方式であるにも拘わらず、却ってブートストラップコンデンサ426の大型化を招来する。
Although this is originally a bootstrap system for reducing the size of the switching
例えば、限流回路2Rが備える限流抵抗が180Ω/10Wの定格を有しており、平滑コンデンサ44の静電容量が2200μF、電源電圧200Vとして、直流電圧Edが整流電圧に達する時間は8秒程度となる。そしてハイアーム側スイッチング素子41rを駆動するドライバ素子421の回路電流500μA、駆動電源電圧を15Vとし、上記8秒程度の間に低下するブートストラップコンデンサ426の電圧を12Vまで許した場合(これはハイアーム側スイッチング素子41rにIGBT素子を用いた場合に飽和電圧が増加し始める電圧である)、ブートストラップコンデンサ426に必要な静電容量は1300μFにも達する。
For example, the current limiting resistance provided in the current limiting
しかし平滑コンデンサ44を充電してからブートストラップコンデンサ426を充電すれば、ブートストラップコンデンサ426に必要な静電容量は小さくて済む。
However, if the
よって、まず主スイッチ群5をオフにし、限流回路2Rを介して平滑コンデンサ44の充電する。その後、主スイッチ群5を介してアクティブコンバータ4と多相電源1とを接続する。このとき、通常、平滑コンデンサの電荷を放電するために負荷される抵抗がある場合、または直流負荷が発生する場合には、アクティブコンバータ4と多相電源1間に電流が流れる。
Therefore, first, the
通常のコンバータ動作では、異なるスイッチング態様間でのいわゆるガードバンド(デッドタイム)を除き、ハイアーム側スイッチング素子とローアーム側スイッチング素子とは相補的にオン/オフする。今、ハイアーム側スイッチング素子がオンすることに値“1”を、ローアーム側スイッチング素子がオンすることに値“0”を、それぞれ対応させ、R,S,T各相について上記値への重み付けをそれぞれ4,2,1とする。例えばハイアーム側スイッチング素子41r,41s,41tがそれぞれオン、オフ、オンしている場合には、ローアーム側スイッチング素子41x,41y,41zはそれぞれオフ、オン、オフすることになり、ハイアーム側スイッチング素子についてのオン/オフを示す値に上記重み付けを乗じて全ての相に亘って加算した結果は4・1+2・0+1・1=5となる。この値をスイッチング態様の番号として採用する。
In a normal converter operation, the high arm side switching element and the low arm side switching element are turned on / off in a complementary manner except for a so-called guard band (dead time) between different switching modes. Now, the value “1” is associated with turning on the high arm side switching element, the value “0” is associated with turning on the low arm side switching element, and the above values are weighted for each of the R, S, and T phases. They are 4, 2, and 1, respectively. For example, when the high arm
スイッチング態様S0は全ての相においてローアーム側スイッチング素子がオンする場合を、スイッチング態様S7は全ての相においてハイアーム側スイッチング素子がオンする場合を、それぞれ示す。これらのスイッチング態様は避けられなければならない。各相電源1R,1S,1Tが入力線8R,8S,8Tを介して短絡するからである。
Switching mode S0 shows a case where the low arm side switching element is turned on in all phases, and switching mode S7 shows a case where the high arm side switching element is turned on in all phases. These switching aspects must be avoided. This is because the
しかし更に、いわゆる中間相においてハイアーム側スイッチング素子及びローアーム側スイッチング素子のいずれもがオフされるスイッチング態様が望まれる。中間相とは、ある時点で最大値を採る相及び最小値を採る相のいずれでもない相であり、位相が60度経過する毎に相の間で入れ替わる相である。 However, a switching mode in which both the high arm side switching element and the low arm side switching element are turned off in a so-called intermediate phase is desired. An intermediate phase is a phase that is neither a phase that takes a maximum value or a phase that takes a minimum value at a certain point in time, and is a phase that switches between phases every 60 degrees.
例えば、S相、T相、R相の順に相電圧が低くなる場合、中間相はT相である。そしてハイアーム側スイッチング素子41tがオンすると、入力線8Sからリアクタ3S、ハイアーム側ダイオードDs、ハイアーム側スイッチング素子41tを介して入力線8Tへと電流が流れる。またローアーム側スイッチング素子41zがオンすると、入力線8Tからリアクタ3T、ローアーム側スイッチング素子41z、ローアーム側ダイオードDx、を介して入力線8Rへと電流が流れる。これらの電流は相間を短絡することになるので、望ましくない。
For example, when the phase voltage decreases in the order of S phase, T phase, and R phase, the intermediate phase is the T phase. When the high arm
スイッチング態様S0,S7以外にも上述の通り、中間相でのスイッチングは排除される。よって結局は、最大値を採る相及び最小値を採る相についてのみ、ローアーム側スイッチング素子及びハイアーム側スイッチング素子の少なくともいずれか一方がオフし、他の相はローアーム側スイッチング素子及びハイアーム側スイッチング素子のいずれもがオフすることになる。そしてかかるスイッチング態様では、各相電源1R,1S,1Tを接続する経路に必ず平滑コンデンサ44が介在する。よって各相電源1R,1S,1T同士の短絡を回避することができる。
Besides the switching modes S0 and S7, as described above, switching in the intermediate phase is excluded. Therefore, after all, at least one of the low arm side switching element and the high arm side switching element is turned off only for the phase that takes the maximum value and the phase that takes the minimum value, and the other phase is the low arm side switching element and the high arm side switching element. Both will be turned off. In such a switching mode, the smoothing
上述のように位相が60度経過する毎に中間相が入れ替わるので、ローアーム側スイッチング素子及びハイアーム側スイッチング素子のオン期間は120度以下となる。かかるスイッチング態様として例えば、最大値を採る相と最小値を採る相との間で電圧の高低に応じて電流が流れる、いわゆる自然転流によるダイオード整流モードがある。 As described above, since the intermediate phase is switched every time the phase is 60 degrees, the ON period of the low arm side switching element and the high arm side switching element is 120 degrees or less. As such a switching mode, for example, there is a diode rectification mode by so-called natural commutation in which a current flows in accordance with a voltage level between a phase having a maximum value and a phase having a minimum value.
図2はこのようなスイッチング態様における電流の流れを説明する回路図である。スイッチ群5はオフしているので、R相とS相に着目して示している。
FIG. 2 is a circuit diagram illustrating the flow of current in such a switching mode. Since the
R相電源1RからみたS相電源1Sの電圧(線間電圧)が正の場合、破線で示されたように電流が流れ、限流回路2Rを介して平滑コンデンサ44が充電される。この際、R相のブートストラップコンデンサ426も充電される期間がある。図3はブートストラップコンデンサ426の充電を説明する等価回路図であり、上記線間電圧が正の場合であって、これを直流電源Eとして示している。
When the voltage (line voltage) of the S-
ブートストラップコンデンサ426の充電量が小さい場合、R相のローアーム側ダイオードDxは逆バイアスされており、平滑コンデンサ44の充電電流は鎖線矢印のように直流電源423、ブートストラップ用ダイオード424、ブートストラップ用抵抗425、ブートストラップコンデンサ426を介して流れる。ローアーム側ダイオードDxとブートストラップ用ダイオード423の順方向電圧降下はほぼ等しいので、ブートストラップコンデンサ426の充電量が大きくなり、直流電源423の電圧と同程度の電圧を保持すると、ローアーム側ダイオードDxの両端には順バイアスが印加される。その結果、平滑コンデンサ44の充電電流は破線矢印のように流れる。
When the charge amount of the
第2の実施の形態.
図4は、スイッチ群5を導通させた状態において、ダイオード整流モードでR相のブートストラップコンデンサ426を充電可能な期間を説明するグラフである。電圧VR0,VS0,VT0,VN0は、いずれも平滑コンデンサ44の両端電圧、即ち正側電源出力端Pと負側電源出力端Hとの電位の中点を基準としており、それぞれ入力線8R,8S,8T,中性点Nにおいて平滑コンデンサ44によって印加される直流電位を示す。また電圧VRNは、中性点Nを基準とした場合に、入力線8Rにおいて平滑コンデンサ44によって与えられる直流電圧である。以後同様にして、電圧の標記において文字Vの添え字が大文字であれば、平滑コンデンサ44によって与えられる直流電圧であることを示す。多相電源1によって与えられる電圧の周期的変動によってハイアーム側ダイオードDr,Ds,Dtとローアーム側ダイオードDx,Dy,Dzが周期的に導通/非導通するため、これらの電圧も電源周波数に基づいて変動する。
Second embodiment.
FIG. 4 is a graph for explaining a period during which the R-
電圧VR0,VS0,VT0は、それぞれR相、S相、T相が中間相である場合、中間相には電流が流れないので、相電圧VRN,VSN,VTNと同様にほぼ直線的に変化する。一方、これらが中間相でない場合には、正側電源出力端Pの電位Ed/2又は負側電源出力端Hの電位(−Ed/2)を採る。 The voltages V R0 , V S0 , and V T0 are the same as the phase voltages V RN , V SN , and V TN because no current flows through the intermediate phase when the R phase, S phase, and T phase are the intermediate phases, respectively. It changes almost linearly. On the other hand, when these are not intermediate phases, the potential Ed / 2 of the positive power supply output terminal P or the potential (-Ed / 2) of the negative power supply output terminal H is taken.
平滑コンデンサ44から与えられる直流電圧によって入力線8Sを基準として入力線8Rに現れる電圧VRSが負となるのは図中の電圧VR0,VS0の関係から、時刻t0〜t5である。正側電源出力端Pと負側電源出力端Hとの電位の中点と中性点Nの電位とは電圧VN0のドリフトがある。VRN=VR0−VN0、VSN=VS0−VN0、VTN=VT0−VN0、VRN+VSN+VTN=0の関係があるので、VN0=(VR0+VS0+VT0)/3となり、当該ドリフト量は電圧−Ed/6〜Ed/6の間を変動することになる。
The voltage V RS appearing on the
多相電源1によって与えられる相電圧VrN(破線の波形)が電圧VRNを下回る位置においてブートストラップコンデンサ426の充電が可能となり、しかもS相が中間相となる時刻t3〜t5にはS相には電流が流されないので、時刻t0〜t5のうち、時刻t1〜t3(時刻t1,t3において電圧VRNと相電圧VrNとが一致する)においてのみR相とS相とによってブートストラップコンデンサ426の充電が可能となる。
The
同様にして、R相からみたT相の直流電圧VTRが正となるのは時刻t1〜t6であるが、電圧VRNと相電圧VrNとが一致する時刻t3,t5の間でR相とT相とによるブートストラップコンデンサ426の充電が可能となる。
Similarly, although the a DC voltage V TR positive T-phase as seen from the R-phase is the time t1 to t6, R phase between times t3, t5 in which the voltage V RN and phase voltage V rN matches And the T-phase can be used to charge the
以上のことから、ダイオード整流モードにおいてR相のブートストラップコンデンサ426の充電が可能となるのは時刻t1〜t5の間であり、位相に換算すると120度となる。換言すれば、ブートストラップコンデンサ426が放電する期間は位相にして240度で足りる。
From the above, the R-
以上のように平滑コンデンサ44の充電中にブートストラップコンデンサ426が充電され、また平滑コンデンサ44の充電完了後に放電する期間を短くできるので、ブートストラップコンデンサ426に要求される静電容量は小さくて済む。上述と同条件でブートストラップコンデンサ426に要求される静電容量を計算すれば、2.2μFとなり、上述の静電容量1300μFと比較して大幅に低減できる。よってブートストラップコンデンサ426の充電時間を短くし、アクティブコンバータ4の起動時間を短くすることができる。
As described above, the
図5はブートストラップコンデンサ426の両端電圧Vbootの、主スイッチ群5をオンした後の振る舞いを、電圧VrNと共に示したグラフである。但し、縦軸のオフセットは任意としており、電圧VrNのレンジは両端電圧Vbootのレンジの10倍である。電圧VrNの10サイクル分程度が経過すれば、両端電圧Vbootが安定することが示されている。
FIG. 5 is a graph showing the behavior of the voltage V boot across the
第3の実施の形態.
第2の実施の形態における電圧VR0,VS0,VT0をみれば、中間相を除いてハイアーム側又はローアーム側が導通する事から、ダイオード整流モードに限らず、オン期間が120°幅の方形波となるように、ハイアーム側スイッチング素子41r,41s,41t及びローアーム側スイッチング素子41x,41y,41zをスイッチングさせてもよい。この際にはスイッチング態様S0,S7以外のスイッチング態様が採用される。
Third embodiment.
When the voltages V R0 , V S0 , and V T0 in the second embodiment are seen, the high arm side or the low arm side is conducted except for the intermediate phase, so that the on-period is a square having a 120 ° width, not limited to the diode rectification mode. The high arm
図6は中間相でスイッチング素子のオン期間が120度以下となるスイッチング態様を繰り返して採用する場合のスイッチング信号Sr,Ss,St,Sx,Sy,Szの値と、各種の電圧を例示するグラフである。波形値が高い方/低い方が、それぞれ対応するスイッチング素子のオン/オフを示す。このようなスイッチング態様により、線間電圧VRS,VST,VTRは60°幅で通電するため、各相のオン期間は120度となる。 FIG. 6 is a graph illustrating values of the switching signals Sr, Ss, St, Sx, Sy, Sz and various voltages when the switching mode in which the ON period of the switching element is 120 degrees or less in the intermediate phase is repeatedly adopted. It is. The higher / lower waveform value indicates ON / OFF of the corresponding switching element. With such a switching mode, the line voltages V RS , V ST , and V TR are energized with a width of 60 °, so the on period of each phase is 120 degrees.
例えば電圧VRSが負となるスイッチング態様は自然転流の場合の時刻t1〜t3の期間であり、電圧VTRが正となるスイッチング態様は時刻t3〜t5であるから、その両方の期間でブートストラップコンデンサ426の充電が可能である。
For example switching mode in which the voltage V RS is negative is a period of time t1~t3 when the natural commutation, since switching mode as the voltage V TR positive is the time t3 to t5, the boot for a period of both The
第4の実施の形態.
ハイアーム側スイッチング素子のオンは通電角の拡大には寄与しない。よってハイアーム側スイッチング素子をオフにしてブートストラップコンデンサ426を充電することができる。図7は本実施の形態にかかるスイッチング態様を示すグラフであり、第3の実施の形態に対し、スイッチング信号Sr,Ss,Stを全てローにして、ハイアーム側スイッチング素子41r,41s,41tをオフさせている。
Fourth embodiment.
The turning on of the high arm side switching element does not contribute to the enlargement of the conduction angle. Therefore, the
このようなスイッチング態様を採用することにより、ブートストラップコンデンサ426の放電電流を低減でき、必要な静電容量は小さくて済む。
By adopting such a switching mode, the discharge current of the
図8は本実施の形態の第1の変形を示すグラフである。図6との対応をわかりやすくするために、対応する電圧ベクトルを併記しているものの、併記された電圧ベクトルが出力されるとは限らない。ここではローアーム側スイッチング素子41x,41y,41zをオンする期間(通電期間)を更に短くしている。より具体的には通電期間の中央を中心として前後対象に60°の期間で通電している。このように、方形波の幅を120°以下とすることにより、スイッチング動作が電源電圧に対して位相精度が悪い場合にも対応できる。
FIG. 8 is a graph showing a first modification of the present embodiment. In order to make the correspondence with FIG. 6 easier to understand, although the corresponding voltage vectors are shown together, the written voltage vectors are not always output. Here, the period during which the low arm
図9及び図10はいずれも本実施の形態の第2の変形を示すグラフであり、それぞれ図7及び図8に対応している。当該変形では、方形波に対してパルス変調が施されている。パルス変調によってデューティを可変にできるので、ブートストラップコンデンサ426を充電した後のパルス変調と対応させることができる。従って、スイッチング制御回路42R、42S、42Tの回路定数を高い自由度を以て設計することができる。
9 and 10 are both graphs showing a second modification of the present embodiment, and correspond to FIGS. 7 and 8, respectively. In this modification, pulse modulation is applied to a square wave. Since the duty can be varied by pulse modulation, it is possible to correspond to the pulse modulation after the
第5の実施の形態.
上記の動作は限流回路を複数の入力線、例えば全ての入力線に設けても行うことができる。図11は図1の回路のうち、リアクタ群3よりも多相電源1側での変形を示す回路図である。全ての入力線8R,8S,8Tについてそれぞれ限流回路2R,2S,2Tが設けられており、また限流回路2R,2S,2Tにはそれぞれ並列に主スイッチ5R,5S,5Tが設けられている。
Fifth embodiment.
The above operation can also be performed by providing a current limiting circuit on a plurality of input lines, for example, all input lines. FIG. 11 is a circuit diagram showing a modification on the
主スイッチ5R,5S,5Tを全てオフし、限流回路2R,2S,2Tを介して多相電源1をアクティブコンバータ4に接続することにより、突入電流を回避しつつ平滑コンデンサ44を充電することができる。より詳細には平滑コンデンサ44の充電初期においてはローアーム側ダイオードDx,Dy,Dzが直流電源423によって逆バイアスされており、直流電源423、ブートストラップ用ダイオード424、ブートストラップ用抵抗425、ブートストラップコンデンサ426を介して流れる。
All the
ブートストラップコンデンサ426の充電量が大きくなり、直流電源423の電圧と同程度の電圧を保持すると、ローアーム側ダイオードDx,Dy,Dzの両端には順バイアスが印加される。
When the amount of charge of the
このようにして、限流回路2R,2S,2Tを介して各相電源1R,1S,1T同士の短絡を回避しつつ各相のブートストラップコンデンサ426を充電できるので、限流回路2Rを動作させている期間においてブートストラップコンデンサ426を充電でき、当該限流回路に要求される電力容量は小さくできる。そして限流回路2Rの動作中(平滑コンデンサ44の充電中)にブートストラップコンデンサ426の充電を行うことができるので、平滑コンデンサ44の充電中にブートストラップコンデンサ426が保持する電圧が減少するという事態を回避できる。よってブートストラップコンデンサ426に要求される静電容量は小さくすることができ、その充電時間を短くすることもできる。
In this manner, the
1 多相電源
1R,1S,1T 各相電源
4 アクティブコンバータ
40R,40S,40T スイッチング回路
41r,41s,41t ハイアーム側スイッチング素子
41x,41y,41z ローアーム側スイッチング素子
42R,42S,42T スイッチング制御回路
421 ハイアーム側ドライバ素子
422 ローアーム側ドライバ素子
423 直流電源
424 ブートストラップ用ダイオード
426 ブートストラップコンデンサ
43 スイッチング信号生成回路
44 平滑コンデンサ
8R,8S,8T 入力線
Dr,Ds,Dt ハイアーム側ダイオード
Dx,Dy,Dz ローアーム側ダイオード
P 正側電源出力端
H 負側電源出力端
Sr,Ss,St,Sx,Sy,Sz スイッチング信号
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記正側電源出力端及び前記負側電源出力端の間に設けられ、多相電源(1)に対し、その各相(1R,1S,1T)に対応する複数の入力線(8R,8S,8T)を介して接続され、各相毎に対応して設けられた複数のスイッチング回路(40R,40S,40T)と、
前記スイッチング回路の動作を制御するスイッチング信号(Sr,Ss,St,Sx,Sy,Sz)を各相毎に出力するスイッチング信号生成回路(43)と、
前記正側電源出力端及び前記負側電源出力端の間に設けられた平滑コンデンサ(44)と
を備え、
前記スイッチング回路の各々は、
対応する相の前記入力線(8R;8S;8T)へと前記正側電源出力端から電流を流すか否かを制御するハイアーム側スイッチング素子(41r;41s;41t)と、
前記ハイアーム側スイッチング素子と並列に接続され、対応する相の前記入力線に接続されたアノードと、前記正側電源出力端に接続されたカソードとを有するハイアーム側ダイオード(Dr;Ds;Dt)と、
対応する相の前記入力線(8R;8S;8T)から前記負側電源出力端へと電流を流すか否かを制御するローアーム側スイッチング素子(41x;41y;41z)と、
前記ローアーム側スイッチング素子と並列に接続され、対応する相の前記入力線に接続されたカソードと、前記負側電源出力端に接続されたアノードとを有するローアーム側ダイオード(Dx;Dy;Dz)と、
前記スイッチング信号に基づいて前記ハイアーム側スイッチング素子及び前記ローアーム側スイッチング素子を駆動させるスイッチング制御回路(42R;42S;42T)と
を有し、
前記スイッチング制御回路の各々は、
対応する相の第1の前記スイッチング信号(Sx;Sy;Sz)に基づいて前記ローアーム側スイッチング素子を駆動するローアーム側ドライバ素子(422)と、
対応する相の第2の前記スイッチング信号(Sr;Ss;St)に基づいて前記ハイアーム側スイッチング素子を駆動するハイアーム側ドライバ素子(421)と、
対応する相の前記入力線(8R;8S;8T)に接続された一端と、他端とを有し、前記ハイアーム側ドライバ素子に電源を供給するブートストラップコンデンサ(426)と、
前記ブートストラップコンデンサの前記他端に接続されたカソードと、アノードとを有するブートストラップ用ダイオード(424)と、
前記ブートストラップ用ダイオードの前記アノードに接続された正極と、前記負側電源出力端に接続された負極とを有し、前記ローアーム側ドライバ素子に電源を供給する直流電源(423)と
を備え、最大値を採る相及び最小値を採る相についてのみ、前記ローアーム側スイッチング素子及び前記ハイアーム側スイッチング素子の少なくとも一方がオフし、他の相の前記ローアーム側スイッチング素子及び前記ハイアーム側スイッチング素子のいずれもがオフして前記ブートストラップコンデンサ(426)を充電する、アクティブコンバータ(4)。 A positive power output terminal (P) and a negative power output terminal (H);
A plurality of input lines (8R, 8S, 1T) corresponding to each phase (1R, 1S, 1T) are provided between the positive power supply output terminal and the negative power supply output terminal to the multiphase power supply (1). 8T), a plurality of switching circuits (40R, 40S, 40T) provided corresponding to each phase,
A switching signal generation circuit (43) for outputting a switching signal (Sr, Ss, St, Sx, Sy, Sz) for controlling the operation of the switching circuit for each phase;
A smoothing capacitor (44) provided between the positive power output terminal and the negative power output terminal,
Each of the switching circuits
A high arm side switching element (41r; 41s; 41t) for controlling whether or not current flows from the positive power supply output terminal to the input line (8R; 8S; 8T) of the corresponding phase;
A high-arm side diode (Dr; Ds; Dt) connected in parallel to the high-arm side switching element and having an anode connected to the input line of the corresponding phase and a cathode connected to the positive-side power supply output terminal; ,
A low arm side switching element (41x; 41y; 41z) for controlling whether or not a current flows from the input line (8R; 8S; 8T) of the corresponding phase to the negative power source output terminal;
A low arm side diode (Dx; Dy; Dz) connected in parallel with the low arm side switching element and having a cathode connected to the input line of the corresponding phase and an anode connected to the negative power supply output terminal; ,
A switching control circuit (42R; 42S; 42T) for driving the high arm side switching element and the low arm side switching element based on the switching signal;
Each of the switching control circuits includes:
A low arm side driver element (422) for driving the low arm side switching element based on the first switching signal (Sx; Sy; Sz) of the corresponding phase;
A high arm side driver element (421) for driving the high arm side switching element based on the second switching signal (Sr; Ss; St) of the corresponding phase;
A bootstrap capacitor (426) having one end connected to the input line (8R; 8S; 8T) of the corresponding phase and the other end and supplying power to the high arm side driver element;
A bootstrap diode (424) having a cathode and an anode connected to the other end of the bootstrap capacitor;
A DC power supply (423) having a positive electrode connected to the anode of the bootstrap diode and a negative electrode connected to the negative power supply output terminal, and supplying power to the low arm driver element ; Only for the phase taking the maximum value and the phase taking the minimum value, at least one of the low arm side switching element and the high arm side switching element is turned off, and both the low arm side switching element and the high arm side switching element of the other phase There you charge the bootstrap capacitor is turned off (426), active converter (4).
前記ハイアーム側スイッチング素子(41r;41s;41t)及び前記ローアーム側スイッチング素子(41x;41y;41z)をオン期間が120度以下でスイッチングさせることにより、各相の前記ブートストラップコンデンサ(426)を充電する、請求項1記載のアクティブコンバータ(4)。 The multi-phase power source (1) is a three-phase power source (1R, 1S, 1T),
The bootstrap capacitor (426) of each phase is charged by switching the high arm side switching element (41r; 41s; 41t) and the low arm side switching element (41x; 41y; 41z) with an on period of 120 degrees or less. The active converter (4) according to claim 1, wherein:
正側電源出力端(P)及び負側電源出力端(H)と、
前記正側電源出力端及び前記負側電源出力端の間に設けられ、多相電源(1)に対し、その各相(1R,1S,1T)に対応する複数の入力線(8R,8S,8T)を介して接続され、各相毎に対応して設けられた複数のスイッチング回路(40R,40S,40T)と、
前記スイッチング回路の動作を制御するスイッチング信号(Sr,Ss,St,Sx,Sy,Sz)を各相毎に出力するスイッチング信号生成回路(43)と、
前記正側電源出力端及び前記負側電源出力端の間に設けられた平滑コンデンサ(44)と
を備え、
前記スイッチング回路の各々は、
対応する相の前記入力線(8R;8S;8T)へと前記正側電源出力端から電流を流すか否かを制御するハイアーム側スイッチング素子(41r;41s;41t)と、
前記ハイアーム側スイッチング素子と並列に接続され、対応する相の前記入力線に接続されたアノードと、前記正側電源出力端に接続されたカソードとを有するハイアーム側ダイオード(Dr;Ds;Dt)と、
対応する相の前記入力線(8R;8S;8T)から前記負側電源出力端へと電流を流すか否かを制御するローアーム側スイッチング素子(41x;41y;41z)と、
前記ローアーム側スイッチング素子と並列に接続され、対応する相の前記入力線に接続されたカソードと、前記負側電源出力端に接続されたアノードとを有するローアーム側ダイオード(Dx;Dy;Dz)と、
前記スイッチング信号に基づいて前記ハイアーム側スイッチング素子及び前記ローアーム側スイッチング素子を駆動させるスイッチング制御回路(42R;42S;42T)と
を有し、
前記スイッチング制御回路の各々は、
対応する相の第1の前記スイッチング信号(Sr;Ss;St)に基づいて前記ハイアーム側スイッチング素子を駆動するハイアーム側ドライバ素子(421)と、
対応する相の前記入力線(8R;8S;8T)に接続された一端と、他端とを有し、前記ハイアーム側ドライバ素子に電源を供給するブートストラップコンデンサ(426)と、
前記ブートストラップコンデンサの前記他端に接続されたカソードと、アノードとを有するブートストラップ用ダイオード(424)と、
前記ブートストラップ用ダイオードの前記アノードに接続された正極と、前記負側電源出力端に接続された負極とを有する直流電源(423)と
を備え、
前記複数の入力線(8R,8S,8T)の少なくとも一つには、主スイッチ(5R,5S,5T)と限流回路(2R,2S,2T)との並列接続が介挿され、
(a)前記主スイッチをオフにし、前記限流回路を介して前記アクティブコンバータと前記多相電源との間に電流を流し、前記平滑コンデンサを充電するステップと、
(b)前記ステップ(a)の後、前記主スイッチをオンにするステップと
を備え、
上記ステップ(a),(b)のいずれにおいても、最大値を採る相及び最小値を採る相についてのみ、前記ローアーム側スイッチング素子及び前記ハイアーム側スイッチング素子の少なくとも一方がオフし、他の相の前記ローアーム側スイッチング素子及び前記ハイアーム側スイッチング素子のいずれもがオフする、アクティブコンバータの制御方法。 The active converter (4)
A positive power output terminal (P) and a negative power output terminal (H);
A plurality of input lines (8R, 8S, 1T) corresponding to each phase (1R, 1S, 1T) are provided between the positive power supply output terminal and the negative power supply output terminal to the multiphase power supply (1). 8T), a plurality of switching circuits (40R, 40S, 40T) provided corresponding to each phase,
A switching signal generation circuit (43) for outputting a switching signal (Sr, Ss, St, Sx, Sy, Sz) for controlling the operation of the switching circuit for each phase;
A smoothing capacitor (44) provided between the positive power output terminal and the negative power output terminal,
Each of the switching circuits
A high arm side switching element (41r; 41s; 41t) for controlling whether or not current flows from the positive power supply output terminal to the input line (8R; 8S; 8T) of the corresponding phase;
A high-arm side diode (Dr; Ds; Dt) connected in parallel to the high-arm side switching element and having an anode connected to the input line of the corresponding phase and a cathode connected to the positive-side power supply output terminal; ,
A low arm side switching element (41x; 41y; 41z) for controlling whether or not a current flows from the input line (8R; 8S; 8T) of the corresponding phase to the negative power source output terminal;
A low arm side diode (Dx; Dy; Dz) connected in parallel with the low arm side switching element and having a cathode connected to the input line of the corresponding phase and an anode connected to the negative power supply output terminal; ,
A switching control circuit (42R; 42S; 42T) for driving the high arm side switching element and the low arm side switching element based on the switching signal;
Each of the switching control circuits includes:
A high arm side driver element (421) for driving the high arm side switching element based on the first switching signal (Sr; Ss; St) of the corresponding phase;
A bootstrap capacitor (426) having one end connected to the input line (8R; 8S; 8T) of the corresponding phase and the other end and supplying power to the high arm side driver element;
A bootstrap diode (424) having a cathode and an anode connected to the other end of the bootstrap capacitor;
A DC power supply (423) having a positive electrode connected to the anode of the bootstrap diode and a negative electrode connected to the negative power supply output end;
At least one of the plurality of input lines (8R, 8S, 8T) includes a parallel connection of a main switch (5R, 5S, 5T) and a current limiting circuit (2R, 2S, 2T),
(A) turning off the main switch, passing a current between the active converter and the multiphase power source via the current limiting circuit, and charging the smoothing capacitor;
(B) after the step (a), turning on the main switch,
In either of the steps (a) and (b), at least one of the low arm side switching element and the high arm side switching element is turned off only for the phase that takes the maximum value and the phase that takes the minimum value. An active converter control method in which both the low arm side switching element and the high arm side switching element are turned off.
請求項7記載のアクティブコンバータの制御方法。 In the step (b), the high arm side switching elements (41r; 41s; 41t) and the low arm side switching elements (41x; 41y; 41z) are both turned off in all phases (R, S, T). Charging the bootstrap capacitor (426) of each phase;
The method of controlling an active converter according to claim 7.
前記ステップ(b)においては、前記ハイアーム側スイッチング素子(41r;41s;41t)及び前記ローアーム側スイッチング素子(41x;41y;41z)をオン期間が120度以下でスイッチングさせることにより、各相の前記ブートストラップコンデンサ(426)を充電する、請求項7記載のアクティブコンバータの制御方法。 The multi-phase power source (1) is a three-phase power source (1R, 1S, 1T),
In the step (b), the high-arm side switching elements (41r; 41s; 41t) and the low-arm side switching elements (41x; 41y; 41z) are switched at an ON period of 120 degrees or less, so The method of controlling an active converter according to claim 7, wherein the bootstrap capacitor (426) is charged.
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