JP6009833B2 - Power converter - Google Patents

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Description

本発明は、半導体スイッチをPWM(pulse width modulation)スイッチングするPWMアームと、出力電圧指令の極性反転時にスイッチングする極性反転アームとを有する電力変換装置に関する。   The present invention relates to a power conversion device having a PWM arm that performs PWM (pulse width modulation) switching of a semiconductor switch and a polarity reversing arm that switches when the polarity of an output voltage command is reversed.

従来技術として、常時PWMスイッチングを行うPWMアームと、出力電圧極性が切り替わるときにスイッチングを行う1パルスアームを組み合わせることで、損失の低下、コストの低減を図ることができる単相インバータ(電力変換装置)が開示されている。また、2つ以上の単相インバータの交流出力側を直列接続した回路構成も一般に知られている。   As a conventional technique, a single-phase inverter (power conversion device) that can reduce loss and cost by combining a PWM arm that performs constant PWM switching and a one-pulse arm that performs switching when the output voltage polarity is switched. ) Is disclosed. A circuit configuration in which the AC output sides of two or more single-phase inverters are connected in series is also generally known.

特開2009−165222号公報JP 2009-165222 A

半導体スイッチをPWMするPWMアームと、出力電圧指令の極性反転時にスイッチングする極性反転アームとを有する単相インバータにおいて、極性反転アームと比べてPWMアームに多くのサージが発生し、損失の増加、素子の必要耐圧の増加が問題となる。また、出力電圧指令値がゼロ付近において、極性が複数回変化したとき、極性反転アームが複数回スイッチングし、損失の増加が問題となる。例えば負荷が電車のモータである場合、車輪の空転等が発生すると、出力指令の波形が、ノイズが混入したように乱れる。このとき、出力指令値がゼロボルト付近であると、極性反転アームが複数回スイッチングすなわち極性が切替わり、このときのスイッチング損失の増加が問題となる。   In a single-phase inverter having a PWM arm that PWMs a semiconductor switch and a polarity reversing arm that switches at the time of polarity reversal of an output voltage command, more surges are generated in the PWM arm than the polarity reversing arm, resulting in an increase in loss. An increase in the required breakdown voltage becomes a problem. In addition, when the polarity changes a plurality of times when the output voltage command value is near zero, the polarity reversing arm switches a plurality of times, which causes an increase in loss. For example, when the load is a train motor, when the wheel slips or the like occurs, the waveform of the output command is disturbed as if noise is mixed. At this time, if the output command value is near zero volts, the polarity reversing arm is switched a plurality of times, that is, the polarity is switched, and the increase in switching loss at this time becomes a problem.

実施形態は、電力変換装置において、単相インバータのサージの抑制及び損失の低減、素子の必要耐圧の低減を目的とする。   The embodiment aims at suppressing a surge and reducing a loss of a single-phase inverter and reducing a required breakdown voltage of an element in a power conversion device.

一実施形態に係る電力変換装置は、それぞれPWMスイッチングする直列に接続された半導体スイッチを具備するPWMアームと、出力電圧指令値の極性反転時にそれぞれスイッチングし、直列に接続された半導体スイッチを具備する極性反転アームと、前記PWMアーム及び前記極性反転アームに並列接続された直流コンデンサとを具備し、前記PWMアームと前記直流コンデンサ間の配線距離が、前記極性反転アームと前記直流コンデンサ間の配線距離より短い。   A power conversion apparatus according to an embodiment includes a PWM arm having serially connected semiconductor switches that perform PWM switching, and a semiconductor switch that is switched in series when the polarity of the output voltage command value is inverted and connected in series. A polarity reversing arm; and a PWM capacitor and a DC capacitor connected in parallel to the polarity reversing arm. A wiring distance between the PWM arm and the DC capacitor is a wiring distance between the polarity reversing arm and the DC capacitor. Shorter.

PWMアームと極性反転アームを有する単相インバータの構成を示す図。The figure which shows the structure of the single phase inverter which has a PWM arm and a polarity inversion arm. 図1の構成に対して、PWMアームをマルチレベル構成とした単相インバータの構成及び動作を示す図。The figure which shows the structure and operation | movement of a single phase inverter which made the PWM arm the multilevel structure with respect to the structure of FIG. 図1の構成に対して、極性反転アームをマルチレベル構成とした単相インバータの構成及び動作を示す図。The figure which shows the structure and operation | movement of a single phase inverter which made the polarity reversal arm multi-level structure with respect to the structure of FIG. 図1の単相インバータを2段直列接続した単相インバータの構成及び動作を示す図。The figure which shows the structure and operation | movement of a single phase inverter which connected the single phase inverter of FIG. 1 in two steps in series. 図4の当該単相インバータの他の動作を示す図。The figure which shows other operation | movement of the said single phase inverter of FIG. 2つのPWMアームを有する単相インバータと、PWMアームと極性反転アームを有する単相インバータとを、直列接続した単相インバータの構成を示す図。The figure which shows the structure of the single phase inverter which connected in series the single phase inverter which has two PWM arms, and the single phase inverter which has a PWM arm and a polarity inversion arm.

以下、電力変換装置の実施形態について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, an embodiment of a power converter will be described with reference to the drawings.

[実施形態1]
図1を参照して実施形態1を説明する。
図1は極性反転アーム100とPWMアーム101と直流コンデンサCからなる単相インバータである。極性反転アーム100は、半導体スイッチQとダイオードDを逆並列接続した回路と、半導体スイッチQとダイオードDを逆並列接続した回路とが直列接続されて構成される。PWMアーム101は、半導体スイッチQとダイオードDを並列接続した回路と、半導体スイッチQとダイオードDを並列接続した回路とが直列接続されて構成される。
[Embodiment 1]
The first embodiment will be described with reference to FIG.
Figure 1 is a single-phase inverter comprising a DC capacitor C 1 and the polarity inversion arm 100 and PWM arm 101. Polarity inversion arm 100 is composed of a circuit which is connected in anti-parallel with the semiconductor switch Q 1, a diode D 1, a circuit which is connected in anti-parallel with the semiconductor switch Q 2 and the diode D 2 are connected in series. PWM arm 101 includes a circuit connected in parallel with the semiconductor switch Q 3 and a diode D 3, a circuit connected in parallel with the semiconductor switch Q 4 and the diode D 4 are connected in series.

制御部10は出力電圧指令Vout*に基づいて、極性反転アーム100を極性反転駆動するためのゲート指令を半導体スイッチQ及びQに出力し、PWMアーム101をPWM駆動するためのゲート指令を半導体スイッチQ及びQに出力する。充電されるコンデンサCを直流電源として、PWMアーム101がPWM駆動され、極性反転アーム100が極性反転駆動されることで、出力端子T1、T2に交流電圧が発生される。極性反転アーム100の動作は、いわゆる1パルス動作である。 The control unit 10 based on the output voltage command V out *, the polarity inversion arm 100 outputs a gate command for polarity inversion driving semiconductor switches Q 1 and Q 2, gate command for PWM driving the PWM arm 101 and outputs to the semiconductor switches Q 3 and Q 4. The PWM arm 101 is PWM driven and the polarity inversion arm 100 is polarity inversion driven by using the capacitor C 1 to be charged as a DC power source, whereby an AC voltage is generated at the output terminals T1 and T2. The operation of the polarity inversion arm 100 is a so-called one-pulse operation.

インピーダンスZ、Zは直流コンデンサCとPWMアーム101を接続する配線または導体のインピーダンスを表し、インピーダンスZ、Zは直流コンデンサC1と極性反転アーム100を接続する配線または導体のインピーダンスを表している。極性反転アーム100を構成している半導体スイッチQ、QはIGBT、PWMアーム101を構成している半導体スイッチQ、QはFETが一例として用いられる。つまり、PWMアーム101の半導体スイッチには、極性反転アーム100より高速なスイッチング性能を持つ半導体素子が使用される。PWMアーム101の半導体スイッチには、SiC(炭化ケイ素)やGaN(窒化ガリウム)などの半導体素子を好適に使用できる。 Impedances Z 1 and Z 2 represent impedances of wirings or conductors connecting the DC capacitor C 1 and the PWM arm 101, and impedances Z 3 and Z 4 represent impedances of wirings or conductors connecting the DC capacitor C 1 and the polarity inversion arm 100. Represents. For example, the semiconductor switches Q 1 and Q 2 constituting the polarity reversing arm 100 are IGBTs, and the semiconductor switches Q 3 and Q 4 constituting the PWM arm 101 are FETs. That is, the semiconductor switch of the PWM arm 101 uses a semiconductor element having switching performance faster than that of the polarity reversing arm 100. For the semiconductor switch of the PWM arm 101, a semiconductor element such as SiC (silicon carbide) or GaN (gallium nitride) can be suitably used.

本実施形態に係るサージの抑制について説明する前に、サージの発生原理について説明する。サージは一般的に電流の変化とインダクタンス成分によって発生する(インダクタンス成分はインピーダンスを構成する1つの要素)。図1中のQがオン状態、Qがオフ状態にあるとき、電流はQを流れる。その状態から、Qがオフ状態、Qがオン状態に変化したとき、電流はQを通して流れ始め、Qの電流は減少し、Qの電流は増加する。そのとき、PWMアーム101と直流コンデンサ間のインピーダンスZ、Zのインダクタンス成分L、Lと流れる電流の変化分ΔIによって、以下の式で示されるサージVがswに印加される。 Before describing suppression of surge according to the present embodiment, the principle of surge generation will be described. A surge is generally generated by a change in current and an inductance component (inductance component is one element constituting impedance). When Q 3 in Figure 1 is the on-state, Q 4 is off, current flows Q 3. From that state, when Q 3 changes to the OFF state and Q 4 changes to the ON state, the current starts to flow through Q 4 , the current of Q 3 decreases, and the current of Q 4 increases. At that time, a surge V represented by the following equation is applied to sw 1 by the inductance components L 1 and L 2 of the impedances Z 1 and Z 2 between the PWM arm 101 and the DC capacitor and the change ΔI of the flowing current.

V=(L+L)×ΔI/t
tは時間を表しており、上記の式は短時間の間に大きな電流の変化があったとき、大きなサージが発生することを表している。Qはオン状態にあり低抵抗だが、Qはオフ状態にあり高抵抗であるため、Qに大きなサージが印加される。PWMアームはPWMスイッチング、すなわち頻度の高い高速スイッチングをするため、短時間で大きな電流変化が起きる。結果、PWMアームに多くの大きなサージが発生する。
V = (L 1 + L 2 ) × ΔI / t
t represents time, and the above formula represents that a large surge occurs when a large current change occurs in a short time. Q 4 are but located low resistance ON state, Q 3 is for a located high resistance OFF state, a large surge in Q 3 is applied. Since the PWM arm performs PWM switching, that is, high-speed switching with high frequency, a large current change occurs in a short time. As a result, many large surges occur in the PWM arm.

そこで、実装において、直流コンデンサCとPWMアーム101を最短距離で接続することで、インピーダンスZ、Zを低減することができる。すなわち本実施形態に係る電力変換装置は、PWMアームと直流コンデンサ間の配線距離は、少なくとも極性反転アーム100と直流コンデンサ間の配線距離より短い。 Therefore, in the mounting, the impedances Z 1 and Z 2 can be reduced by connecting the DC capacitor C 1 and the PWM arm 101 with the shortest distance. That is, in the power conversion device according to the present embodiment, the wiring distance between the PWM arm and the DC capacitor is at least shorter than the wiring distance between the polarity reversing arm 100 and the DC capacitor.

スイッチングの大部分はPWMアームで行われるため、インピーダンスZ、Zの低減によるサージの低減効果は、Z、Zを同様に低減するよりも大きい。結果、単相インバータ全体としてのサージを抑制することができ、スイッチング損失の低減も可能となる。 Since most of the switching is performed by the PWM arm, the effect of reducing the surge by reducing the impedances Z 1 and Z 2 is greater than reducing Z 3 and Z 4 in the same manner. As a result, it is possible to suppress a surge as the entire single-phase inverter and to reduce switching loss.

[実施形態2]
図2を用いて実施形態2を説明する。
図2(a)は図1の構成に対して、PWMアームを中性点クランプ型(NPC)のマルチレベル回路とした単相インバータの構成を示す図である。PWMアームは、半導体スイッチとダイオードの並列回路が、4回路直列に接続されて構成される。尚、半導体スイッチとダイオードの並列回路が直列に接続される段数(回路数)は、マルチレベル回路として4に限らず、2M(Mは2以上の整数)を適用できる。
[Embodiment 2]
A second embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 2A is a diagram showing a configuration of a single-phase inverter in which the PWM arm is a neutral point clamp type (NPC) multi-level circuit with respect to the configuration of FIG. The PWM arm is configured by connecting four parallel circuits of semiconductor switches and diodes in series. The number of stages (number of circuits) in which the parallel circuit of the semiconductor switch and the diode is connected in series is not limited to 4 as a multilevel circuit, and 2M (M is an integer of 2 or more) can be applied.

半導体スイッチQとQの直列回路両端にはダイオードの直列回路が並列に接続され、これらダイオードの相互接続点は中点Nに接続される。極性反転アームは図1の回路と同様に構成される。コンデンサCとCの直列回路が、PWMアームと極性反転アームに並列に接続され、これらコンデンサCとCの相互接続点は中性点Nである。出力端子T1、T2はそれぞれ、半導体スイッチQとQの接続点と半導体スイッチQとQの接続点に接続される。 A series circuit of diodes is connected in parallel to both ends of the series circuit of the semiconductor switches Q 4 and Q 5 , and an interconnection point of these diodes is connected to a midpoint N. The polarity reversing arm is configured in the same manner as the circuit of FIG. A series circuit of capacitors C 3 and C 4 is connected in parallel to the PWM arm and the polarity inversion arm, and the interconnection point of these capacitors C 3 and C 4 is a neutral point N. Output terminals T1, T2 is connected to the connection point of the semiconductor switches Q 4 and the connection point and the semiconductor switch to Q 1 Q 5 and Q 2.

インピーダンスZ〜ZはコンデンサC,Cの直列回路とPWMアームと極性反転アームを互いに並列に接続するための配線のインピーダンスを示す。本実施形態の場合も、インピーダンスZ、Z、Zのそれぞれは、インピーダンスZ、Zのいずれよりも小さい。すなわち、PWMアームとコンデンサ間の配線距離は、少なくとも極性反転アームとコンデンサ間の配線距離より短い。 Impedances Z 1 to Z 5 indicate impedances of wiring for connecting the series circuit of the capacitors C 3 and C 4 , the PWM arm, and the polarity inversion arm in parallel with each other. Also in the present embodiment, each of the impedances Z 1 , Z 2 , and Z 5 is smaller than any of the impedances Z 3 and Z 4 . That is, the wiring distance between the PWM arm and the capacitor is shorter than at least the wiring distance between the polarity reversing arm and the capacitor.

図2(b)は半導体スイッチQ〜Qのゲート指令に対応する出力電圧Voutを示す図である。図2(c)は半導体スイッチQ〜Qのスイッチングシーケンス、電圧V、電圧V、出力電圧Voutを示す波形である。制御部11は入力される出力電圧指令Vout*に基づいて、各半導体スイッチQ〜Qに対して図2(b)に示すゲート指令を出力し、電力変換装置を制御する。 Figure 2 (b) is a diagram showing an output voltage V out corresponding to the gate command semiconductor switches Q 1 to Q 6. FIG. 2C shows waveforms showing a switching sequence, voltage V 1 , voltage V 2 , and output voltage V out of the semiconductor switches Q 1 to Q 6 . Based on the input output voltage command V out *, the control unit 11 outputs a gate command shown in FIG. 2B to each of the semiconductor switches Q 1 to Q 6 to control the power converter.

コンデンサC、Cの電圧を共にVdcとする。電圧VはNPC構成としたPWMアームの出力電圧(中性点Nと端子T間電圧)、電圧Vは極性反転アームの出力電圧(中性点Nと端子T間電圧)である。電圧Vは図2(c)に示すように、Vdc、0、−Vdcの3レベルの出力が可能である。出力電圧Voutは図2(b)に示すように、半導体スイッチQ〜Qのオン・オフ制御により、2Vdc、Vdc、0、−Vdc、−2Vdcの5レベルとなる。また図2(b)のように、電圧Voutのゼロ電圧出力時のみ、半導体スイッチQ〜Qの制御方法として2パターンの制御方法がある。図2(c)に示すように、電圧Vの指令値V*はVoutの出力指令値Vout*からVの出力電圧を引いた波形となる。また図2(c)のように、出力電圧Voutは電圧Vと電圧V2の差電圧(V−V)である。 The voltages of the capacitors C 3 and C 4 are both set to Vdc. The voltage V 1 is the output voltage of the PWM arm having the NPC configuration (the voltage between the neutral point N and the terminal T 1 ), and the voltage V 2 is the output voltage of the polarity inversion arm (the voltage between the neutral point N and the terminal T 2 ). . Voltages V 1, as shown in FIG. 2 (c), Vdc, 0 , it is possible to three-level output of the -Vdc. As shown in FIG. 2B, the output voltage Vout becomes five levels of 2Vdc, Vdc, 0, −Vdc, and −2Vdc by the on / off control of the semiconductor switches Q 1 to Q 6 . Further, as shown in FIG. 2B, there are two patterns of control methods for controlling the semiconductor switches Q 1 to Q 6 only when the zero voltage of the voltage V out is output. As shown in FIG. 2 (c), the command value V 1 * voltages V 1 has a waveform obtained by subtracting the output voltage of V 2 from the output command value V out * of V out. Also as shown in FIG. 2 (c), the output voltage V out is the voltage V 1 and the voltage difference between the voltage of V2 (V 1 -V 2).

PWMアームのマルチレベル化によって、PWMインバータの出力電圧が多段化し、多段化前と同じスイッチング周波数を得るために必要な各半導体スイッチのスイッチング周波数は、多段化数に反比例する。その結果、PWMアームを構成する各半導体スイッチの損失が低減できる。   With the multi-level PWM arm, the output voltage of the PWM inverter becomes multi-stage, and the switching frequency of each semiconductor switch required to obtain the same switching frequency as before multi-stage is inversely proportional to the multi-stage number. As a result, loss of each semiconductor switch constituting the PWM arm can be reduced.

また、図2は中性点クランプ型のマルチレベル回路で表現しているが、フライングキャパシタ方式やモジュラーマルチレベル方式で構成することもできる。   Further, although FIG. 2 represents a neutral point clamp type multilevel circuit, it can also be configured by a flying capacitor system or a modular multilevel system.

[実施形態3]
図3を用いて実施形態3を説明する。
図3(a)は極性反転アームを中性点クランプ型マルチレベル回路とした単相インバータの構成を示す図である。極性反転アームは、半導体スイッチとダイオードの逆並列回路が、4回路直列に接続されて構成される。尚、半導体スイッチとダイオードの逆並列回路が直列に接続される段数(回路数)は、マルチレベル回路として4に限らず、2M(Mは2以上の整数)を適用できる。
[Embodiment 3]
A third embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 3A is a diagram showing a configuration of a single-phase inverter in which the polarity reversing arm is a neutral point clamp type multilevel circuit. The polarity inversion arm is configured by connecting an antiparallel circuit of a semiconductor switch and a diode in four circuits in series. Note that the number of stages (number of circuits) in which the antiparallel circuit of the semiconductor switch and the diode is connected in series is not limited to 4 as a multilevel circuit, and 2M (M is an integer of 2 or more) can be applied.

半導体スイッチQ12とQ13の直列回路両端にはダイオードの直列回路が並列に接続され、これらダイオードの相互接続点は中点Nに接続される。PWMアームは図1の回路と同様に構成される。コンデンサCとCの直列回路が、PWMアームと極性反転アームに並列に接続され、これらコンデンサCとCの接続点は中性点Nである。出力端子T1、T2はそれぞれ、半導体スイッチQ15とQ16の接続点と半導体スイッチQ12とQ13の接続点に接続される。 A series circuit of diodes is connected in parallel to both ends of the series circuit of the semiconductor switches Q 12 and Q 13 , and an interconnection point of these diodes is connected to a midpoint N. The PWM arm is configured similarly to the circuit of FIG. A series circuit of capacitors C 3 and C 4 is connected in parallel to the PWM arm and the polarity inversion arm, and the connection point of these capacitors C 3 and C 4 is a neutral point N. Output terminals T1, T2 is connected to the connection point of the semiconductor switches Q 15 and Q 16 at the connection point of the semiconductor switches Q 12 and Q 13.

インピーダンスZ〜Z、ZはコンデンサC,Cの直列回路とPWMアームと極性反転アームを互いに並列に接続するための配線のインピーダンスを示す。本実施形態の場合も、インピーダンスZ1、Z2のそれぞれは、インピーダンスZ、Z、Zのいずれよりも小さい。すなわち、PWMアームとコンデンサ間の配線距離は、少なくとも極性反転アームとコンデンサ間の配線距離より短い。 Impedances Z 1 to Z 4 and Z 6 indicate impedances of wirings for connecting the series circuit of the capacitors C 3 and C 4 , the PWM arm, and the polarity inversion arm in parallel with each other. Also in this embodiment, each of the impedances Z1, Z2, impedance Z 3, Z 4, smaller than either of Z 6. That is, the wiring distance between the PWM arm and the capacitor is shorter than at least the wiring distance between the polarity reversing arm and the capacitor.

図3(b)は半導体スイッチQ11〜Q16のゲート指令に対応する出力電圧Voutを示す図である。図3(c)は半導体スイッチQ11〜Q16のスイッチングシーケンス、電圧V、電圧V、出力電圧Voutを示す波形である。制御部12は入力される出力電圧指令Vout*に基づいて、各半導体スイッチQ11〜Q16に対して図3(b)に示すゲート指令を出力し、電力変換装置を制御する。 3 (b) is a diagram showing an output voltage V out corresponding to the gate command of the semiconductor switch Q 11 to Q 16. FIG. 3C shows waveforms showing the switching sequence, voltage V 3 , voltage V 4 , and output voltage V out of the semiconductor switches Q 11 to Q 16 . Based on the input output voltage command V out *, the control unit 12 outputs a gate command shown in FIG. 3B to each of the semiconductor switches Q 11 to Q 16 to control the power converter.

電圧VはNPC構成としたPWMアームの出力電圧(中性点Nと端子T1間電圧)、電圧Vは極性反転アームの出力電圧(中性点Nと端子T2間電圧)である。Vは図3(c)に示すように、Vdc、0、−Vdcの3レベルの出力が可能である。出力電圧Voutは図3(b)に示すように、半導体スイッチQ11〜Q16のオン・オフ制御により、2Vdc、Vdc、0、−Vdc、−2Vdcの5レベルとなる。また図3(b)のように、電圧Voutのゼロ電圧出力時のみ、半導体スイッチQ11〜Q16の制御方法として2パターンの制御方法がある。図3(c)に示すように、電圧Vの指令値V*はVoutの出力指令値Vout*からVの出力電圧を引いた波形となる。また図3(c)のように、出力電圧Voutは電圧Vと電圧Vの差電圧(V−V)である。 Voltage V 3 is the output voltage of the PWM arm and NPC configuration (voltage across neutral points N and the terminal T1), the voltage V 4 is the polarity inversion arm of the output voltage (voltage across neutral points N and the terminal T2). As shown in FIG. 3C, V 3 can output three levels of Vdc, 0, and −Vdc. The output voltage V out, as shown in FIG. 3 (b), the on-off control of the semiconductor switch Q 11 ~Q 16, 2Vdc, Vdc , 0, -Vdc, the five-level -2Vdc. As also FIG. 3 (b), the time of zero voltage output of the voltage V out only, there is a method of controlling the two patterns as a control method of the semiconductor switch Q 11 to Q 16. As shown in FIG. 3 (c), * command value V 3 of the voltage V 3 has a waveform obtained by subtracting the output voltage of V 4 from the output command value V out * of V out. Also as shown in FIG. 3 (c), the output voltage V out is the difference voltage of the voltage V 3 and the voltage V 4 (V 3 -V 4) .

本実施形態によれば、極性反転アームのマルチレベル化によって、極性反転アームに比較的低耐圧の半導体素子を使用することができ、より低損失な半導体素子を使用することが可能になる。その結果、極性反転アームの損失を低減することができる。   According to the present embodiment, by making the polarity reversing arm multi-level, it is possible to use a relatively low breakdown voltage semiconductor element for the polarity reversing arm, and it is possible to use a semiconductor element with lower loss. As a result, the loss of the polarity reversing arm can be reduced.

[実施形態4]
図4、5を用いて実施形態4を説明する。
図4(a)はPWMアームと極性反転アームをそれぞれ有する単相インバータ200、21の交流出力端子を直列接続した電力変換装置の構成を示す図である。
[Embodiment 4]
A fourth embodiment will be described with reference to FIGS.
4 (a) is a diagram showing a configuration of a power converter connected in series AC output terminals of the single-phase inverters 200,21 0 each having PWM arms and the polarity inversion arm.

単相インバータ200,210の構成は、それぞれ図1の単相インバータと同様である。出力端子T3は半導体スイッチQ25とQ26の接続点(PWMアーム202出力端)に接続され、出力端子T4は半導体スイッチQ23とQ24の接続点(極性反転アーム211出力端)に接続される。半導体スイッチQ21とQ22の接続点(極性反転アーム201出力端)は、半導体スイッチQ27とQ28の接続点(PWMアーム212出力端)に接続される。 The configuration of single-phase inverters 200 and 210 is the same as that of the single-phase inverter of FIG. The output terminal T3 is connected to a connection point of the semiconductor switches Q 25 and Q 26 (PWM arm 202 output), the output terminal T4 is connected to a connection point of the semiconductor switches Q 23 and Q 24 (inversion arm 211 output) The Connection point of the semiconductor switches Q 21 and Q 22 (inversion arm 201 output) is connected to a connection point of the semiconductor switches Q 27 and Q 28 (PWM arm 212 output).

図4(b)は図4(a)に示す電力変換装置の交流電圧指令値Vinv*に対する半導体スイッチQ21〜Q24のゲート指令、及び電圧V(インバータ200、210の接続点Eと出力端子T3間電圧)の波形、電圧V(インバータ200、210の接続点Eと出力端子T4間電圧)の波形を示す図である。制御部13は入力される出力電圧指令値Vinv*に基づいて、各半導体スイッチQ21〜Q28に対してゲート指令を出力し、電力変換装置を制御する。 4B shows the gate command of the semiconductor switches Q 21 to Q 24 and the voltage V 5 (the connection point E between the inverters 200 and 210 and the AC voltage command value V inv * of the power converter shown in FIG. waveform of the voltage) between the output terminal T3, a diagram showing the waveform of voltage V 6 (connecting point E to the voltage between the output terminal T4 of the inverter 200, 210). Based on the input output voltage command value V inv *, the control unit 13 outputs a gate command to each of the semiconductor switches Q 21 to Q 28 to control the power converter.

図4(b)のゲート指令は、単相インバータ210の極性反転アーム211(Q23、Q24)の切り替えを遅らせる場合を示している。半導体スイッチQ23、Q24からなる極性反転アーム211は、指令値Vinv*のゼロクロス点ではなく、所定の閾値点Vth、−Vthで極性を切り替えている。 Gate command of FIG. 4 (b) shows a case of delaying the switching of the polarity inversion arm 211 of the single-phase inverter 2 10 (Q 23, Q 24 ). The polarity reversing arm 211 composed of the semiconductor switches Q 23 and Q 24 switches the polarity at predetermined threshold points Vth and −Vth, not at the zero cross point of the command value V inv *.

電力変換装置の出力電圧Vinvは、インバータ200の出力電圧Vとインバータ210の出力電圧Vを加算した電圧である。インバータ200、210の極性反転アーム201、211の極性状態がそれぞれ異なる期間P1、P2では、インバータ210の出力電圧Vはゼロであって、インバータ200の出力電圧Vのみにより出力電圧Vinvが生成される。 The output voltage V inv of the power conversion device is a voltage obtained by adding the output voltage V 5 of the inverter 200 and the output voltage V 6 of the inverter 210. In polar state different periods P1, P2 of the polarity inversion arms 201, 211 of the inverter 200 and 210, the output voltage V 6 of the inverter 210 is a zero, the output voltage V inv only by the output voltage V 5 of the inverter 200 is Generated.

電力変換装置の指令値Vinvがゼロ付近において、外乱の影響で極性が複数回変化するような時、極性反転アーム211を切り替える指令を遅らせ、一度切り替えた極性反転アームの指令をラッチする。これにより、指令値Vinvがゼロ付近において、極性反転アームを複数回切り替えずに動作させることができる。 When the command value V inv of the power converter is near zero and the polarity changes a plurality of times due to the influence of disturbance, the command to switch the polarity reversing arm 211 is delayed and the command of the polarity reversing arm that has been switched once is latched. As a result, when the command value V inv is near zero, the polarity reversing arm can be operated without switching a plurality of times.

図5は図4(b)とは逆で、極性反転アームの切り替えを早くする例を示している。極性反転アームの切り替えを早くすることによっても図4(b)の構成と同様の効果が得られる。   FIG. 5 shows an example in which the switching of the polarity reversing arm is accelerated as opposed to FIG. The effect similar to that of the configuration of FIG. 4B can also be obtained by switching the polarity inversion arm earlier.

尚、単相インバータの極性反転アームの指令を遅らせるまたは早くする時間を、各単相インバータで個別に設定してもよい。例えば図4の構成では、インバータ200の極性反転アーム201の極性反転タイミングを早め、インバータ210の極性反転アーム211の極性反転タイミングを遅くしてもよい。   The time for delaying or speeding up the command of the polarity reversing arm of the single-phase inverter may be set individually for each single-phase inverter. For example, in the configuration of FIG. 4, the polarity inversion timing of the polarity inversion arm 201 of the inverter 200 may be advanced, and the polarity inversion timing of the polarity inversion arm 211 of the inverter 210 may be delayed.

また、出力電圧指令値の極性反転時から所定時間後、又は所定時間前に極性を反転させる極性反転アームを、複数の極性反転アームの中で一定の周期で入れ替えてもよい。これにより、各単相インバータ200、210の損失を均一化することができる。   In addition, the polarity reversing arm that reverses the polarity after a predetermined time or before the predetermined time from the polarity reversal of the output voltage command value may be replaced at a constant cycle among the plurality of polarity reversing arms. Thereby, the loss of each single phase inverter 200, 210 can be equalized.

更に、図4、5では単相インバータが2台直列に接続され、タイミングを遅らせるまたは早くする単相インバータが1台なので、電力変換装置の電圧指令Vinvの最大振幅の1/2が極性反転の閾値であった。他の構成として、単相インバータがn台直列(nは整数)で接続され、タイミングを遅らせるまたは早くする単相インバータがm台(mはn未満の整数)である場合、電圧指令Vinvの最大振幅の1/(m+1)毎に閾値を設定し、各閾値で単相インバータ1台の極性反転アームを切り替える。例えば単相インバータを3台直列に接続した場合は、極性反転の閾値を電圧指令Vinvの最大振幅の1/3の間隔で設定する。 4 and 5, since two single-phase inverters are connected in series and one single-phase inverter that delays or speeds up the timing, 1/2 of the maximum amplitude of the voltage command V inv of the power converter is polarity-inverted. Threshold. As another configuration, when n single-phase inverters are connected in series (n is an integer) and the number of single-phase inverters that delay or accelerate the timing is m (m is an integer less than n), the voltage command V inv A threshold is set for each 1 / (m + 1) of the maximum amplitude, and the polarity inversion arm of one single-phase inverter is switched at each threshold. For example, when three single-phase inverters are connected in series, the polarity reversal threshold is set at an interval of 1/3 of the maximum amplitude of the voltage command Vinv .

[実施形態5]
次に、図6を用いて実施形態5を説明する。
図6はPWMアームを2回路有した単相インバータ300と、PWMアームと極性反転アームを有した単相インバータ310の交流端子側を直列接続した電力変換装置である。
[Embodiment 5]
Next, Embodiment 5 will be described with reference to FIG.
FIG. 6 shows a power conversion device in which the AC terminal side of a single-phase inverter 300 having two PWM arm circuits and a single-phase inverter 310 having a PWM arm and a polarity inversion arm are connected in series.

PWMアームを2回路有した単相インバータ300は極性反転アームがないため、電力変換装置の出力指令値のゼロ付近で、極性反転アームを有した単相インバータとは異なり、損失の観点から問題を生じない。そのため、電力変換装置の出力電圧指令Vinvがゼロ付近で極性が複数回変化した場合においても、極性反転アームの切り替えを複数回する必要はなく、極性反転アームの損失低減が可能となる。 Since the single-phase inverter 300 having two PWM arms does not have a polarity reversing arm, it differs from a single-phase inverter having a polarity reversing arm in the vicinity of zero of the output command value of the power converter. Does not occur. Therefore, even when the polarity of the output voltage command V inv of the power conversion device changes near zero, the polarity reversing arm need not be switched multiple times, and the loss of the polarity reversing arm can be reduced.

尚、図6では、PWMアームを2回路有するインバータと、PWMアームと極性反転アームを有するインバータをそれぞれ1台備えているが、それぞれ複数台備えてもよい。   In FIG. 6, one inverter having two PWM arms and one inverter having a PWM arm and a polarity reversing arm are provided, but a plurality of inverters may be provided.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

〜Q、Q11〜Q16 21〜Q28…半導体スイッチ、D〜D…ダイオード、Z〜Z…インピーダンス。 Q 1 ~Q 6, Q 11 ~Q 16, Q 21 ~Q 28 ... semiconductor switches, D 1 ~D 4 ... diodes, Z 1 ~Z 6 ... impedance.

Claims (8)

それぞれPWMスイッチングする直列に接続された半導体スイッチを具備するPWMアームと、
出力電圧指令値の極性反転時にそれぞれスイッチングし、直列に接続された半導体スイッチを具備する極性反転アームと、
前記PWMアーム及び前記極性反転アームに並列接続された直流コンデンサとを具備し、
前記PWMアームと前記直流コンデンサ間の配線距離が、前記極性反転アームと前記直流コンデンサ間の配線距離より短いことを特徴とする電力変換装置。
A PWM arm comprising semiconductor switches connected in series each for PWM switching;
A polarity reversing arm comprising semiconductor switches connected in series, each switching at the time of polarity reversal of the output voltage command value,
A DC capacitor connected in parallel to the PWM arm and the polarity reversing arm;
The power converter according to claim 1, wherein a wiring distance between the PWM arm and the DC capacitor is shorter than a wiring distance between the polarity reversing arm and the DC capacitor.
前記PWMアームに使用される半導体素子として、前記極性反転アームに使用される半導体素子より高速スイッチングが可能な半導体素子が使用されていることを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。 Examples semiconductor element used in the PWM arm, the power converter according to claim 1, characterized in that the polarity reversal arm capable of high-speed switching from the semiconductor element used in a semiconductor element is used. それぞれPWMスイッチングする直列に接続された2M個(Mは2以上の整数)の半導体スイッチを具備するPWMアームと、
出力電圧指令値の極性反転時にそれぞれスイッチングし、直列に接続された半導体スイッチを具備する極性反転アームと、
コンデンサを直列に接続したコンデンサ直列回路とを具備し、
前記コンデンサ直列回路が前記PWMアーム及び前記極性反転アームに並列接続されており、
前記PWMアームと前記コンデンサ間の配線距離が、前記極性反転アームと前記コンデンサ間の配線距離より短いことを特徴とする電力変換装置。
PWM arms each having 2M (M is an integer of 2 or more) semiconductor switches connected in series for PWM switching;
A polarity reversing arm comprising semiconductor switches connected in series, each switching at the time of polarity reversal of the output voltage command value,
A capacitor series circuit in which capacitors are connected in series;
The capacitor series circuit is connected in parallel to the PWM arm and the polarity inversion arm ;
The power converter according to claim 1, wherein a wiring distance between the PWM arm and the capacitor is shorter than a wiring distance between the polarity reversing arm and the capacitor .
それぞれPWMスイッチングする直列に接続された半導体スイッチを具備するPWMアームと、
直列に接続された2M個(Mは2以上の整数)の半導体スイッチを具備し、出力電圧指令値の極性反転時にスイッチングする極性反転アームと、
コンデンサが直列に接続されたコンデンサ直列回路とを具備し、
前記コンデンサ直列回路が前記PWMアーム及び前記極性反転アームに並列接続されており、
前記PWMアームと前記コンデンサ間の配線距離が、前記極性反転アームと前記コンデンサ間の配線距離より短いことを特徴とする電力変換装置。
A PWM arm comprising semiconductor switches connected in series each for PWM switching;
A polarity reversing arm comprising 2M semiconductor switches (M is an integer of 2 or more) connected in series, and switching when the polarity of the output voltage command value is reversed;
A capacitor series circuit in which capacitors are connected in series;
The capacitor series circuit is connected in parallel to the PWM arm and the polarity inversion arm ;
The power converter according to claim 1, wherein a wiring distance between the PWM arm and the capacitor is shorter than a wiring distance between the polarity reversing arm and the capacitor .
出力端が直列接続された複数の単相インバータ、及び各単相インバータを制御する制御部から構成される電力変換装置であって、
各単相インバータは、
それぞれPWMスイッチングする直列に接続された半導体スイッチを具備するPWMアームと、
出力電圧指令値の極性反転にそれぞれ同期してスイッチングし、直列に接続された半導体スイッチを具備する極性反転アームと、
前記PWMアーム及び前記極性反転アームに並列接続された直流コンデンサとを具備し、
前記制御部は、前記出力電圧指令値の極性反転時から所定時間後、又は所定時間前に、少なくとも1つの前記極性反転アームの極性を反転させることを特徴とする電力変換装置。
A power converter comprising a plurality of single-phase inverters whose output ends are connected in series, and a control unit that controls each single-phase inverter,
Each single-phase inverter
A PWM arm comprising semiconductor switches connected in series each for PWM switching;
Switching in synchronization with the polarity reversal of the output voltage command value, respectively, and a polarity reversing arm comprising semiconductor switches connected in series,
A DC capacitor connected in parallel to the PWM arm and the polarity reversing arm;
The control unit reverses the polarity of at least one of the polarity reversing arms after a predetermined time or a predetermined time since the polarity reversal of the output voltage command value.
前記制御部は、2以上の単相インバータの極性反転アームについて、極性を反転させるタイミングを、前記2以上の単相インバータで個別に設定することを特徴とする請求項5記載の電力変換装置。 The control unit, the polarity inversion arms of two or more single-phase inverters, the timing of inverting the polarity, the power converter according to claim 5, wherein the set individually by the two or more single-phase inverter. 前記制御部は、前記出力電圧指令値の極性反転時から所定時間後、又は所定時間前に極性を反転させる極性反転アームを、複数の極性反転アームの中で一定の周期で入れ替えることを特徴とする請求項5記載の電力変換装置。   The control unit replaces the polarity inversion arm that reverses the polarity after a predetermined time or before the predetermined time from the polarity inversion of the output voltage command value in a plurality of polarity inversion arms at a constant period. The power conversion device according to claim 5. 前記PWMアームと前記直流コンデンサ間の配線距離が、前記極性反転アームと前記直流コンデンサ間の配線距離より短いことを特徴とする請求項乃至7の1項記載の電力変換装置。 The power converter according to claim 5 , wherein a wiring distance between the PWM arm and the DC capacitor is shorter than a wiring distance between the polarity reversing arm and the DC capacitor.
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