JP4872498B2

JP4872498B2 - パルス幅変調方法

Info

Publication number: JP4872498B2
Application number: JP2006192458A
Authority: JP
Inventors: 康哉吉岡
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-07-13
Filing date: 2006-07-13
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2026-07-13
Also published as: JP2008022636A

Description

この発明は、交流−直流変換または直流−交流変換を行なう電力変換装置の損失低減が可能なパルス幅変調（ＰＷＭ）方法に関する。

図５に制御対象となる電力変換装置の構成例を、また、図６にパルス幅変調方法の例を示す。
図５において１および２は直流電源、３〜８は半導体スイッチ、９〜１１はリアクトル、１２〜１４はコンデンサである。また、１５はコモンモードチョークコイル、１６〜１８は接地コンデンサであり、１９は装置の対地寄生キャパシタンスである。

図６において、正弦波状の各相信号波と三角波の搬送波（キャリア）を比較し、比較結果に応じて図５の半導体スイッチ３〜８をオン・オフする。すなわち、
Ｕ相信号波＞キャリアでスイッチ３を、Ｕ相信号波＜キャリアでスイッチ４を、
Ｖ相信号波＞キャリアでスイッチ５を、Ｖ相信号波＜キャリアでスイッチ６を、
Ｗ相信号波＞キャリアでスイッチ７を、Ｗ相信号波＜キャリアでスイッチ８を、
それぞれオンする。

Ｕ，Ｖ，Ｗ各点の電位はスイッチ３，５，７がオンのときＰ点電位に等しく、スイッチ４，６，８がオンのときＮ点電位に等しい。
Ｕ，Ｖ，Ｗ各点間の電位は方形波状となるが、これをリアクトル９〜１１とコンデンサ１２〜１４からなるＬＣフィルタで平滑することにより、正弦波電圧をＵ，Ｖ，Ｗ各点間に得ることができる。

半導体スイッチはオン・オフ動作、すなわちスイッチングにともないスイッチング損失を発生する。スイッチング損失が大きいと装置効率の低下を招くが、スイッチング損失低減のためにスイッチング周波数を下げると、波形制御性能の低下を招くというトレードオフがある。なお、図６は図を見やすくするために、信号波とキャリアとを比較的近い周波数で描いているが、実際の信号波は数１０〜数１００Ｈｚ、キャリアは５ｋＨｚ〜５０ｋＨｚ程度とするのが一般的である。

制御性能の低下を最低限としつつスイッチング周波数を下げる方法として、図７に示すような２アーム変調方式がある。これは、各相信号波のいずれか１つがキャリアの振幅を超えるように操作を加えることで、その相のスイッチングを一定期間停止させるようにし、平均スイッチング周波数が低くなるようにするものである。例えば図６の変調方式において、Ｕ相信号波の正のピーク付近ではスイッチ３のオンデューティは１００％に近くなり、負のピーク付近ではスイッチ４のオンデューティが１００％に近くなる。

スイッチングの波形に対する影響は、デューティ５０％で最も大きく、これから外れるに従って小さくなる。このため、スイッチングを休止してしまっても、波形制御性能はそれほど低下しない。
以上の操作による電位の変化が各相間の電圧に現われないよう、すなわち各信号波間の差が正弦波になるように、他の相の信号波の値も同時に操作するので、出力線間電圧は正弦波に保たれる。２アーム変調方式は、例えば特許文献１に示されている。

特開平０１−２７４６６８号公報

図６の方式や図７の方式では、線間電圧は等しくなるが、各相の電位（例えば図５のＭ点に対する）の挙動は異なったものとなる。図５のＭ点に対するＵ，Ｖ，Ｗの電位は、スイッチングに伴い高周波で変動するが、２アーム変調方式では、さらに信号波のステップ状の変化によってステップ状の電位変動が重畳し、これはスイッチングによるものよりも低い周波数成分を含む。スイッチング周波数成分の電位変動は、コモンモードチョークコイル１５と接地コンデンサ１６〜１８からなるコモンモードフィルタで除去することができるが、ステップ状の電位変動を除去するには、低周波成分に対応したコモンモードフィルタ、または絶縁変圧器が必要となり、いずれの場合も大幅な外形，重量の増加を来たすことになる。

特に、電子機器のような負荷で大きな電位変動があると、大地との間に流れる漏洩電流により、誤動作を生じる危険が大きい。このような理由により、２アーム変調方式は電子機器を負荷とする装置には適用が困難であり、専ら電位変動が問題になり難い電動機等の負荷を対象とする装置に用いられている。
したがって、この発明の課題は、搬送波の周波数を変えることなく平均スイッチング周波数を低減し、スイッチング損失の抑制を図ることにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、半導体スイッチよりなり、信号波と搬送波との比較結果に基づくパルス幅変調制御により３相交流電圧を直流電圧に変換するか、または直流電圧を３相交流電圧に変換する電力変換装置において、
前記搬送波が極小となる頂点部分を搬送波１周期の開始地点とし、搬送波３半周期毎に相対位置補正方向を変更するに当たり、最初の搬送波３半周期のうち、搬送波半周期が正の傾きを持つ場合には、半周期の開始地点を３相交流電圧信号波の中で極小となる相の信号波に一致するように正方向にずらす補正を行ない、搬送波半周期が負の傾きを持つ場合には、半周期の終了地点を３相交流電圧信号波の中で極小となる相の信号波に一致するように正方向にずらす補正を行ない、続く第２の搬送波３半周期では、搬送波半周期が正の傾きを持つ場合には、半周期の終了地点を３相交流電圧信号波の中で極大となる相の信号波に一致するように負方向にずらす補正を行ない、搬送波半周期が負の傾きを持つ場合には、半周期の開始地点を３相交流電圧信号波の中で極大となる相の信号波に一致するように負方向にずらす補正を行ない、以下上記の操作を繰り返すことを特徴とする。

このような課題を解決するため、請求項２の発明では、半導体スイッチよりなり、信号波と搬送波との比較結果に基づくパルス幅変調制御により３相交流電圧を直流電圧に変換するか、または直流電圧を３相交流電圧に変換する電力変換装置において、
前記搬送波が極小となる頂点部分を搬送波１周期の開始地点とし、搬送波半周期毎に相対位置補正の方向変更、または相対位置補正の方向変更および振幅補正を行なうに当たり、最初の搬送波半周期と次の半周期で、搬送波半周期が正の傾きを持つ場合には、半周期の開始地点を３相交流電圧信号波の中で極小となる相の信号波に一致するように正方向にずらす補正を行ない、搬送波半周期が負の傾きを持つ場合には、半周期の終了地点を３相交流電圧信号波の中で極小となる相の信号波に一致するように正方向にずらす補正を行ない、続く３つ目の半周期では、その開始地点を３相交流電圧信号波の中で極小となる相の信号波に一致させ、かつ半周期の終了地点を３相交流電圧信号波の中で極大となる相の信号波に一致させるように負方向にずらす補正と振幅補正を行ない、続く４つ目と５つ目の半周期で、搬送波半周期が負の傾きを持つ場合には、半周期の開始地点を３相交流電圧信号波の中で極大となる相の信号波に一致するように負方向にずらす補正を行ない、搬送波半周期が正の傾きを持つ場合には、半周期の終了地点を３相交流電圧信号波の中で極大となる相の信号波に一致するように負方向にずらす補正を行ない、続く６つ目の半周期では、その開始地点を３相交流電圧信号波の中で極大となる相の信号波に一致させ、かつ半周期の終了地点を３相交流電圧信号波の中で極小となる相の信号波に一致させるように負方向にずらす補正と振幅補正を行ない、以下上記の操作を繰り返すことを特徴とする。

この発明によれば、２アーム変調方式と同様の平均スイッチング周波数の低減を、搬送波の周波数を変化させることなく実現でき、出力電位のステップ状の変化を伴わずに実現することができる利点が得られる。

図１はこの発明の実施の形態を説明する波形図である。
図１の太線は３相交流電圧信号波の各相信号波Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１であり、点線は３相交流電圧指令値に対し相対位置補正をしていない搬送波（キャリア）Ｃ１を示す。この搬送波は、図６，図７に示すような信号波振幅のゼロを基準に正負同振幅の波形である。実線は３相交流電圧信号波の各相信号波の振幅に応じ、搬送波の半周期毎に３相交流電圧信号波に対する相対位置に補正を加えた場合の搬送波Ｃ２を示す。

図１では、点線の搬送波Ｃ１が極小となる頂点部分を搬送波１周期の開始地点とし、搬送波３半周期毎に相対位置補正方向を変更している。
図２に図１の左から搬送波３半周期間を拡大して示す。図２の左から搬送波３半周期間のうち、搬送波半周期が正の傾きを持つ場合（図２のＡ，Ｃ区間）には、半周期の開始地点（１）を、３相交流電圧信号波の中で極小となる相（ここではＶ相）の信号波Ｖ１に一致するように、正方向の相対位置補正（図の上方向にずらすこと）を行ない、搬送波半周期が負の傾きを持つ場合（図２のＢ区間）には、半周期の終了地点（４）を、３相交流電圧信号波の中で極小となる相（ここではＶ相）の信号波Ｖ１に一致するように、正方向の相対位置補正を行なう。

続く搬送波３半周期間では、搬送波半周期が正の傾きを持つ場合には、半周期の終了地点を、３相交流電圧信号波の中で極大となる相の信号波（ここでは信号Ｕ１，Ｗ１）に一致するように、負方向の相対位置補正（図の下方向にずらすこと）を行ない、搬送波半周期が負の傾きを持つ場合には、半周期の開始地点を、３相交流電圧信号波の中で極大となる相の信号波（ここでは信号Ｕ１，Ｗ１）に一致するように、負方向の相対位置補正を行なう。なお、地点（２）は搬送波半周期が正の傾きを持つ場合の終了地点であるが、これは同時に搬送波半周期が負の傾きを持つ場合の開始地点ともなる。
これ以降は、上記２つのパターンを同じように繰り返す。

以上の相対位置補正により、３相交流電圧信号波の中で極小または極大となる相に対応するスイッチの、スイッチングを休止させることができる。また、スイッチング周波数成分に近い周波数の電位変動となることから、この電位変動は図５に示すような、コモンモードチョークコイル１５と接地コンデンサ１６〜１８からなるコモンモードフィルタにより、抑制することができる。
なお、相対位置の補正の方向を変更する周期は上記搬送波３半周期間に限らず、搬送波２半周期間または４半周期間、もしくはそれ以外でも、電位変動がコモンモードチョークコイルと接地コンデンサからなるコモンモードフィルタで抑制できる周波数に相当する範囲で任意に選択可能である。

図３はこの発明の他の実施の形態を説明する波形図である。図３の太線，点線および実線などの意味は図１と同じであるが、点線から実線の作り方が図１とは若干相違する。
実線は３相交流電圧信号波の各相信号波Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１の振幅に応じ、搬送波（キャリア）Ｃ１の半周期毎に３相交流電圧信号波に対する相対位置に補正を加える場合と、３相交流電圧信号波の各相信号波の振幅に応じ、搬送波の半周期毎に３相交流電圧信号波に対する相対位置に補正を加える場合を、搬送波の半周期毎に選択して得るようにしている。

すなわち、図３では点線の搬送波Ｃ１が極小となる頂点部分を搬送波１周期の開始地点とし、搬送波半周期毎に相対位置補正の方向変更、または相対位置補正の方向変更および振幅補正を行なっている。
図４に、図３の左側から搬送波６半周期間を拡大して示す。図４の左から最初の半周期（Ａの区間）と次の半周期（Ｂの区間）で、搬送波半周期が正の傾きを持つ場合は、半周期の開始地点（１）を３相交流電圧信号波の中で極小となる相（ここではＶ相）の信号波
Ｖ１に一致するように正方向の相対位置補正を行ない、搬送波半周期が負の傾きを持つ場
合（Ｂの区間）は、半周期の終了地点（４）を３相交流電圧信号波の中で極小となる相（ここではＶ相）の信号波Ｖ１に一致するように正方向の相対位置補正を行なっている。

続く３つ目の半周期（Ｃの区間）では、搬送波半周期の開始地点を３相交流電圧信号波の中で極小となる相の信号波（ここではＶ１）に一致させ、かつ、搬送波半周期の終了地
点を３相交流電圧信号波の中で極大となる相の信号波（ここでは信号Ｕ１，Ｗ１）に一致させるように、搬送波の負方向の相対位置補正を行なうとともに振幅補正も行なっている。
続く４つ目と５つ目の半周期間（ＤとＥの区間）で、搬送波半周期が負の傾きを持つ場合（Ｄの区間）は、半周期の開始地点を３相交流電圧信号波の中で極大となる相の信号波（ここでは信号Ｕ１，Ｗ１）に一致するように負方向の相対位置補正を行ない、搬送波半周期が正の傾きを持つ場合（Ｅの区間）は、半周期の終了地点を３相交流電圧信号波の中で極大となる相（ここではＵ相）の信号波Ｕ１に一致するように負方向の相対位置補正を行なっている。

続く６つ目の半周期間（Ｆの区間）では、搬送波半周期の開始地点を３相交流電圧信号波の中で極大となる相の信号波Ｕ１に一致させ、かつ、搬送波半周期の終了地点を３相交流電圧信号波の中で極小となる相（ここではＶ相）の信号波に一致させるように、搬送波の負方向の相対位置補正および振幅補正を行なっている。なお、地点（２），（３）の関係は、図１の場合と同様である。
以降は、上記のパターンを繰り返す。

以上のような補正により、相対位置補正のみ行なう場合は、３相交流電圧信号波の中で極小または極大となる相に対応する半導体スイッチのスイッチングを休止させることができる。また、相対位置補正と振幅補正の両方を行なう場合は、３相交流電圧信号波の中で極小と極大となる双方の相に対応する半導体スイッチのスイッチングを休止させることができる。また、この場合もスイッチング周波数成分に近い周波数の電位変動となることから、この電位変動は図５のコモンモードチョークコイル１５と、接地コンデンサ１６〜１８からなるコモンモードフィルタで抑制することが可能である。

相対位置補正のみ行なう場合と、相対位置補正と振幅補正の両方を行なう場合の組み合わせは、上記に限らず交互に行なうことも可能であり、電位変動をコモンモードチョークコイルと、接地コンデンサからなるコモンモードフィルタで抑制できる周波数に相当する範囲であれば、任意に選択可能である。

この発明の実施の形態を説明する波形図図１の部分拡大図この発明の別の実施の形態を説明する波形図図３の部分拡大図一般的な電力変換装置の例を示す構成図パルス幅変調方法の第１の従来例を示す波形図パルス幅変調方法の第２の従来例を示す波形図

符号の説明

Ｃ１，Ｃ２…搬送波（キャリア）、Ｕ１，Ｖ１，Ｗ１…各相信号波、１，２…直流電源、３〜８…半導体スイッチ、９〜１１…リアクトル、１２〜１４…コンデンサ、１５…コモンモードチョークコイル、１６〜１８…接地コンデンサ、１９…装置の対地寄生キャパシタンス。

Claims

半導体スイッチよりなり、信号波と搬送波との比較結果に基づくパルス幅変調制御により３相交流電圧を直流電圧に変換するか、または直流電圧を３相交流電圧に変換する電力変換装置において、
前記搬送波が極小となる頂点部分を搬送波１周期の開始地点とし、搬送波３半周期毎に相対位置補正方向を変更するに当たり、最初の搬送波３半周期のうち、搬送波半周期が正の傾きを持つ場合には、半周期の開始地点を３相交流電圧信号波の中で極小となる相の信号波に一致するように正方向にずらす補正を行ない、搬送波半周期が負の傾きを持つ場合には、半周期の終了地点を３相交流電圧信号波の中で極小となる相の信号波に一致するように正方向にずらす補正を行ない、続く第２の搬送波３半周期では、搬送波半周期が正の傾きを持つ場合には、半周期の終了地点を３相交流電圧信号波の中で極大となる相の信号波に一致するように負方向にずらす補正を行ない、搬送波半周期が負の傾きを持つ場合には、半周期の開始地点を３相交流電圧信号波の中で極大となる相の信号波に一致するように負方向にずらす補正を行ない、以下上記の操作を繰り返すことを特徴とするパルス幅変調方法。
半導体スイッチよりなり、信号波と搬送波との比較結果に基づくパルス幅変調制御により３相交流電圧を直流電圧に変換するか、または直流電圧を３相交流電圧に変換する電力変換装置において、
前記搬送波が極小となる頂点部分を搬送波１周期の開始地点とし、搬送波半周期毎に相対位置補正の方向変更、または相対位置補正の方向変更および振幅補正を行なうに当たり、最初の搬送波半周期と次の半周期で、搬送波半周期が正の傾きを持つ場合には、半周期の開始地点を３相交流電圧信号波の中で極小となる相の信号波に一致するように正方向にずらす補正を行ない、搬送波半周期が負の傾きを持つ場合には、半周期の終了地点を３相交流電圧信号波の中で極小となる相の信号波に一致するように正方向にずらす補正を行ない、続く３つ目の半周期では、その開始地点を３相交流電圧信号波の中で極小となる相の信号波に一致させ、かつ半周期の終了地点を３相交流電圧信号波の中で極大となる相の信号波に一致させるように負方向にずらす補正と振幅補正を行ない、続く４つ目と５つ目の半周期で、搬送波半周期が負の傾きを持つ場合には、半周期の開始地点を３相交流電圧信号波の中で極大となる相の信号波に一致するように負方向にずらす補正を行ない、搬送波半周期が正の傾きを持つ場合には、半周期の終了地点を３相交流電圧信号波の中で極大となる相の信号波に一致するように負方向にずらす補正を行ない、続く６つ目の半周期では、その開始地点を３相交流電圧信号波の中で極大となる相の信号波に一致させ、かつ半周期の終了地点を３相交流電圧信号波の中で極小となる相の信号波に一致させるように負方向にずらす補正と振幅補正を行ない、以下上記の操作を繰り返すことを特徴とするパルス幅変調方法。