JP6491349B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置、例えばインバータに代表される電力用半導体素子のスイッチング動作に基づいて電力変換を行う際に発生するコモンモード電圧を相殺する方式に関する。
近年、例えばモータを負荷として運転制御する電圧形ＰＷＭインバータなどの電力変換装置においては、適用範囲の拡大と電力用半導体素子の特性向上に伴って電圧形ＰＷＭインバータのキャリア周波数の高周波化が進められている。
しかし、かかる電圧形ＰＷＭインバータの高周波化が進むにつれて、電圧形ＰＷＭインバータが発生する電磁妨害（ＥＭＩ：electromagnetic interference）が大きな問題となっている。
電圧形ＰＷＭインバータが発生する電磁妨害の原因は、主として接地線を流れる電流にある。
この点で、特開平１０−９４２４４号公報においては、能動素子を用いてインバータの出力コモンモード電圧を抑制し、漏れ電流を低減する方式が提案されている。
特開平１０−９４２４４号公報
しかしながら、上記公報に記載される技術は、インバータの出力コモンモード電圧を０とするように抑制する方式であるため非常に大きなコモンモードトランスが必要となる。そのため回路規模が大きくなり小型化が困難であるという課題がある。
本発明は、上記のような問題を解消するためなされたもので、回路規模を縮小して小型化が可能な電力変換装置を提供することを目的とする。
本発明のある局面に従う電力用半導体素子をスイッチング動作させて電力変換を行う電力変換装置であって、電力用半導体素子のスイッチング動作時に発生するコモンモード電圧を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段により検出されたコモンモード電圧を電力増幅する回路によりコモンモード電圧と同じ大きさで逆極性の電圧を発生する電圧制御電源と、電圧制御電源より発生した電圧を電力変換装置の出力に重畳させて電力用半導体素子をスイッチング動作させる際に発生するスイッチング周波数以上のコモンモード電圧を相殺する電圧重畳手段とを備える。
好ましくは、電圧重畳手段は、多巻線を有するコモンモードトランスと、コンデンサとを含む。電圧重畳手段のコモンモードトランスとコンデンサとに基づく共振周波数は、電力用半導体素子の零相電圧周波数とスイッチング周波数との間に設定される。
好ましくは、電力変換装置は、電圧重畳手段により重畳された電力変換装置および電圧制御電源のコモンモード電圧を検出する残留電圧検出手段をさらに備える。電圧重畳手段は、残留電圧検出手段により検出されたコモンモード電圧を加算して電力変換装置の出力に重畳する。
好ましくは、残留電圧検出手段で検出されたコモンモード電圧と、コモンモード電圧の零相電圧との比較に基づいて反転増幅し、加算する電圧を調整する演算増幅器をさらに備える。
本発明の電力変換装置は、回路規模を縮小して小型化が可能である。
実施形態１に基づくモータ制御システム１の構成を説明する図である。 実施形態１に基づくコモンモード抑制回路７のコモンモードに対する等価回路を説明する図である。 実施形態２に基づくモータ制御システム１＃の構成を説明する図である。 実施形態２に基づくコモンモード抑制回路７＃の電圧制御電源A#周辺の回路構成図である。 実施形態２に基づくコモンモード抑制回路７＃の電圧制御電源A#周辺の等価回路を説明する図である。 実施形態２に基づくコモンモード抑制回路７＃のコモンモードに対する等価回路を説明する図である。 電圧制御電源A#周辺の別の回路構成図である。 コモンモード電圧波形について説明する図である。 コモンモード電圧のＦＦＴ解析結果を説明する図である。 コモンモード電圧の減衰量を説明する図である。
本実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
［実施形態１］
図１は、実施形態１に基づくモータ制御システム１の構成を説明する図である。
図１を参照して、モータ制御システム１は、誘導電動機６と、本発明の電力変換装置２とを含む。
電力変換装置２は、電圧形ＰＷＭインバータ４と、コモンモード電圧を抑制するコモンモード抑制回路７とを含む。
電圧形ＰＷＭインバータ４（単にインバータとも称する）は、直流電源３と接続され、この直流電圧を電力用半導体素子（ＩＧＢＴ、ＳｉＣ等）のスイッチング動作により三相の交流電圧に変換する。
インバータ４により変換された交流電圧は、三相ケーブル５を介して誘導電動機（モータ）６に接続され、この誘導電動機６のフレームは接地線を介して接地電圧ＧＮＤと接続されている。
インバータ４と誘導電動機（モータ）６との間にコモンモード抑制回路７が設けられる。
コモンモード抑制回路７は、インバータ４の三相交流出力端にスター結線されてコモンモード電圧を検出するコンデンサ群８と、その中性点より得られるコモンモード電圧を電力増幅するコンプリメンタリのトランジスタを用いたプッシュプル形のエミッタフォロワ回路９と、このエミッタフォロワ回路９の出力を一次側コイルに入力し、その二次側コイルを三相ケーブル５に設けたコモンモードトランス１１と、コモンモードトランス１１の一次側コイルと直列に接続されたコンデンサ１０とを含む。
コモンモード抑制回路７は、駆動電源としてはインバータ４の入力側である直流電源３と接続される。
エミッタフォロワ回路９は、直流電源３と直列に接続され、そのゲートがそれぞれコンデンサ群８と接続されるバイポーラトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２を含む。
エミッタフォロワ回路９は、インバータ４のコモンモード電圧を忠実に出力可能な高速応答性と低い出力インピーダンス特性を有することが望ましい。
なお、エミッタフォロワ回路９は、検出されたコモンモード電圧を電力増幅し、コモンモード電圧と同じ大きさで逆極性の電圧を発生する電圧制御電源を実現する。
なお、コンデンサ群８のコンデンサは、インバータ４の電力用半導体素子の出力容量と同程度のコンデンサを使用することが望ましい。
エミッタフォロワ回路９は入力インピーダンスが十分高いため、小さな容量のコンデンサを用いてもインバータ４のコモンモード電圧を十分な精度で検出することが可能である。
また、エミッタフォロワ回路９の出力インピーダンスは十分に低いため、コモンモードトランス１１の励磁電流Imはエミッタフォロワ回路９からのみ供給される。
さらに、コモンモード抑制回路７の駆動電源としてインバータ４の入力側より大きな電源電圧を得ているため、コモンモードトランス１１の一次側及び二次側の巻線の巻数比が１：１のものが使用される。
次に、コモンモード電圧の抑制の方式について説明する。
図２は、実施形態１に基づくコモンモード抑制回路７のコモンモードに対する等価回路を説明する図である。
図２に示されるように、容量Cはモータの巻線とフレーム間の浮遊容量、インダクタンスLは経路全体の配線のインダクタンス、抵抗Ｒは経路全体の配線の抵抗成分を表している。励磁インダクタンスLm、巻線比１:１のトランスは、漏れインダクタンスを無視したコモンモードトランス１１である。エミッタフォロワ回路９は、コモンモード電圧Vinvを入力し、それと同じ大きさの電圧Vcを出力する電圧制御電源Aで表すことができる。
電圧Vinvはインバータ出力のコモンモード電圧である。電流Imは、コモンモードトランスの励磁電流である。電流Icは、モータに流れるコモンモード電流である。電圧Voは、コモンモード電圧を抑制した後のコモンモード電圧である。
インバータ４の一相がスイッチングした場合には、インバータ４が出力するコモンモード電圧Vinvはステップ状に変化する。
また、エミッタフォロワ回路９の出力端に接続されたコモンモードトランス１１は漏れインダクタンスを無視して励磁インダクタンスLmのみで表している。また、コンデンサ１０の容量C4が示されている。
インバータ４がスイッチングされる毎に、インバータ４の出力零相電圧、すなわちコモンモード電圧がステップ状に変化する。これにより、コモンモード電流ICは誘導電動機（モータ）６の巻線とフレーム間の浮遊容量を通して接地線に流れる。
コモンモード電圧Vinvには、零相電圧成分Vlowとスイッチング周波数以上の成分の電圧Vhiが含まれる。
励磁インダクタンスLmと容量C4との共振周波数を、零相電圧周波数とスイッチング周波数との間となるようにコンデンサ１０の容量C4の値を設定する。
この場合、励磁インダクタンスLmに従ってコモンモード電圧に重畳する電圧Vtは、次式１で示される。
Vt=Vhi・・・（式１）
また、コンデンサ１０に生じる電圧Vcapは、零相電圧成分Vlowに基づいて次式２で示される。
Vcap=Vlow・・・（式２）
また、インバータ出力のコモンモード電圧Vinvは、次式３で示される。
Vinv=Vc・・・（式３）
また、電圧Vcapは、次式４の関係を満たす。
Vcap=Vc-Vt・・・（式４）
さらに、コモンモード電圧は、次式５の関係を満たす。
Vo=Vinv-Vt・・・（式５）
式２、式４、式５に基づいて以下の関係となる。
Vo=Vcap=Vlow
当該式により、コモンモード電圧Voは、スイッチング周波数以上の成分が打ち消され零相電圧成分が残留する。
したがって、実施形態１に従う方式により、インバータ出力のコモンモード電圧には低周波数の零相電圧成分が含まれる。低周波数の零相電圧成分は、ほとんど電磁妨害に影響を与えない。
従来の方式では、このような低周波数の零相電圧成分も０とするように抑制するためには非常に大きなコモンモードトランスが必要となる。
本実施形態１に基づく構成によれば、コモンモードトランス１１にスイッチング周波数以上の成分のみを印加してスイッチング周波数以上のコモンモード電圧を相殺する。したがって、高周波帯域における電圧形ＰＷＭインバータが発生する電磁妨害を抑制することができる。
そして、本実施形態１に基づく構成は、コモンモードトランス１１にスイッチング周波数以上の成分のみを印加する構成であるためコモンモードトランス自体を小型化することが可能である。当該構成により、回路規模を縮小して電圧変換装置の小型化を図ることが可能である。
［実施形態２］
上記の実施形態１においては、理想的な電圧制御電源Aで、コモンモードトランスは漏れインダクタンスのない理想的な場合を例として説明した。
一方で、実際には電圧制御電源Aは歪を発生し、コモンモードトランスには漏れインダクタンスや浮遊容量やコア材に起因する非線形性などが存在する。
したがって、スイッチング周波数以上の成分のコモンモード電圧を完全に抑制することは難しい場合がある。
本実施形態２においては、さらに精度の高いコモンモード電圧の低減を図る方式について説明する。
具体的には、スイッチング周波数成分以上の残留コモンモード電圧を検出し、増幅してコモンモードトランス負側で加算する、フィードバック制御方式を採用する。これによりコモンモード電圧の低減をさらに図ることが可能である。
図３は、実施形態２に基づくモータ制御システム１＃の構成を説明する図である。
図３を参照して、モータ制御システム１＃は、誘導電動機６と、電力変換装置２＃とを含む。
電力変換装置２＃は、電力変換装置２と比較してコモンモード抑制回路７をコモンモード抑制回路７＃に置換した点が異なる。その他の構成については同様であるのでその詳細な説明については繰り返さない。
コモンモード抑制回路７＃は、コモンモード抑制回路７と比較して、コモンモードトランス１１と誘導電動機６との間の三相ケーブル５にスター結線されて残留しているコモンモード電圧を検出するコンデンサ群８＃と、演算増幅器ＯＰと、抵抗Ｒ０，Ｒ１と、電力増幅するコンプリメンタリのトランジスタを用いたプッシュプル形のエミッタフォロワ回路９＃と、コンデンサ１０Ａ，１０Ｂと、直流電源３Ａ，３Ｂとをさらに含む。
エミッタフォロワ回路９＃は、直流電源３と直列に接続され、そのゲートが演算増幅器ＯＰの出力と接続されるバイポーラトランジスタＴｒ３，Ｔｒ４を含む。
バイポーラトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２の接続ノードと、バイポーラトランジスタＴｒ３，Ｔｒ４の接続ノードとの間にコモンモードトランス１１の一次側コイルが設けられる。
コンデンサ１０Ａ，１０Ｂは、直流電源３と直列に接続され、その接続ノードＮＡは、演算増幅器ＯＰの一方側（＋側）の入力と接続される。また、接続ノードＮＡは、直流電源３Ａ，３Ｂとの間の接続ノードとも接続される。
演算増幅器ＯＰの他方側（−側）の入力は、抵抗Ｒ１を介してコンデンサ群８＃と接続される。また、演算増幅器ＯＰの他方側（−側）の入力と、エミッタフォロワ回路９＃の出力との間には抵抗Ｒ０が設けられる。
図４は、実施形態２に基づくコモンモード抑制回路７＃の電圧制御電源A#周辺の回路構成図である。
図４を用いて、電圧制御電源A#周辺の回路に流れる電流について説明する。
抵抗R0は、高抵抗であるため電流I4はImより十分に小さい。
したがって、コモンモードトランスの励磁電流Imは、エミッタフォロワ回路９＃に流れる。
エミッタフォロワ回路９＃に流れる電流I5は、次式６を満たす。
I5=Im/hfe・・・（式６）
電流I4,I2は、電流I5より十分に小さいため、キルヒホッフの電流則より次式７が満たされる。
I3=I5=Im/hfe・・・（式７）
図５は、実施形態２に基づくコモンモード抑制回路７＃の電圧制御電源A#周辺の等価回路を説明する図である。
図５には、電圧制御電源A#は、演算増幅器ＯＰとフローティング電源とエミッタフォロワ回路９＃で構成される。演算増幅器ＯＰは、零相電圧成分を基準電位とする反転アンプとして動作している。
図６は、実施形態２に基づくコモンモード抑制回路７＃のコモンモードに対する等価回路を説明する図である。
図６に示されるように、コモンモードトランス１１の励磁電流の１／hfe（電流増幅率）であるトランジスタＴｒ３，Ｔｒ４のベース電流がコンデンサ１０Ａ，１０Ｂを充放電し、励磁インダクタンスLmと、コンデンサ１０Ａ，１０Ｂの合成容量C4とで共振回路が形成される。
図２で説明した回路はフィードフォワード制御のみでコモンモード電圧を打ち消す方式について説明したが、実施形態２に基づく方式ではフィードフォワード制御のみでは打ち消しきれなかった残留コモンモード電圧をフィードバック制御によって打ち消す方式とする。
また、図２の等価回路に対して、ゲインGの電圧制御電源A#が追加されている。
上記の図２で説明した式４を変形すると次式８が満たされる。
Vt=Vc-Vcap・・・（式８）
電圧制御電源A#の出力Vceに従って、等価回路においては、次式９の関係を満たす。
Vt=Vc+Vce-Vcap・・・（式９）
電圧制御電源A#の出力Vceがフィードワード制御のみでは打ち消しきれなかった誤差電圧を補償する電圧となる。
コモンモード電圧の大半は電圧Vcによって補償されるため、電圧Vceの振幅は電圧Vcの振幅に比べると十分小さい。よって電圧Vceの影響は無視でき、励磁電流Imは主に電圧Vcによって規定される。
このため励磁インダクタンスLmと容量C4の共振周波数を、零相電圧周波数とスイッチング周波数の間になるように容量C4を設定すると、図２で説明したのと同様に次式１０が満たされる。なお、容量C4は、コンデンサ１０Ａ，１０Ｂの合成容量として示されている。
Vcap=Vlow・・・（式１０）
電圧制御電源A#の入力Veは、次式１１で表わされる。
Ve=Vo-Vcap・・・（式１１）
つまり、式１０に従えば、コモンモード電圧Voから零相電圧成分を除いたものとなる。
電圧制御電源A#では、次式１２で表わされる。
Vce=GVe・・・（式１２）
ゲインGが十分大きい場合には、イマジナリーショートによりVeは０となる。
従って、次式１３が満たされる。
Vo=Vcap=Vlow・・・（式１３）
この時Vceは誤差電圧と等しくなる。
コモンモード電圧Voには零相電圧成分のみが残留する。
電圧制御電源A#は、零相電圧成分を基準電位として動作し、振幅の小さい残留成分のみを入出力する。
この共振回路により、電源中点と演算増幅器の増幅基準点であるノードＮＡの電位は、インバータの零相電圧と等しくなる。
コンデンサ群８＃（Ｃ６〜Ｃ８）で検出された残留しているコモンモード電圧は、演算増幅器ＯＰで反転増幅され、コモンモードトランス１１に加算される。
これらの動作により、インバータ負荷に印加されるコモンモード電圧が、インバータの零相電圧と等しくなるようにフィードバック制御が行なわれ、インバータ出力のコモンモード電圧のうちスイッチング周波数以上の成分のみがキャンセルされる。
また、フィードバック制御に使用する演算増幅器の動作基準点(グラウンド)をインバータの出力コモンモード電圧の零相電圧とすることで、低耐圧、高速、安価な演算増幅器を使用することができる。
図７は、電圧制御電源A#周辺の別の回路構成図である。
図７に示されるように、エミッタフォロワ回路９＃が演算増幅器ＯＰと同様に、フローティング電源に接続されている構成である。
当該構成においても、電圧制御電源A#の入力端子には電流が流れないため、コンデンサ１０Ａ，１０Ｂに対してコモンモードトランスの励磁電流Imが流れる。
抵抗R1を数kΩ以上にすれば電流I2は電流Imより十分に小さいため、キルヒホッフの電流則より次式が満たされる。
I3=Im・・・（式１４）
図４の回路構成と比較すると、図４の回路構成の方がフローティング電源を流れる電流が小さいためフローティング電源の容量を小さくすることができる。また、コンデンサ１０Ａ，１０Ｂを充放電する電流が小さいため、容量を小さくすることが可能である。当該構成により回路規模をさらに縮小することが可能である。
［実施例］
上記の実施形態１および２のインバータのコモンモード電圧の減衰特性を評価した場合について説明する。
インバータの電源電圧を２００Ｖ、スイッチング周波数を１００ｋＨｚとした。変調率０．６の５０Ｈｚの正弦波をインバータの出力とした。
なお、誘導電動機（モータ）６は接続せずに無負荷状態とした。
図８は、コモンモード電圧波形について説明する図である。
図８（Ａ）は、コモンモード電圧を抑制しない場合のインバータ出力である。
図８（Ｂ），（Ｃ）は、実施形態１および２に基づくコモンモード抑制回路７，７＃により抑制したコモンモード電圧である。
なお、基準電位は、インバータ電源の中性点としている。
当該構成に示されるように、図８（Ａ）で示される２００Ｖの振幅が、図８（Ｂ）では、スパイク電圧を無視すれば約８Ｖ程度に低減することが可能である。さらに、図８（Ｃ）では、約２Ｖ程度に低減することが可能である。
図９は、コモンモード電圧のＦＦＴ解析結果を説明する図である。
図９（Ａ）は、コモンモード電圧を抑制しない場合のＦＦＴ解析結果である。また、図９（Ｂ），（Ｃ）は、実施形態１および２に基づくコモンモード抑制回路７，７＃により抑制したコモンモード電圧のＦＦＴ解析結果である。
スイッチング周波数１００ｋＨｚの整数倍成分が表れている。
図１０は、コモンモード電圧の減衰量を説明する図である。
図１０に示されるように、実施形態１の構成では、１００ｋＨｚでの減衰量は、３０ｄＢ、８ＭＨｚまでは１０ｄＢに減衰している。
また、実施形態２の構成では、１００ｋＨｚでの減衰量は、５３ｄＢ減衰している。また、８Ｍｈｚまでは５ｄＢに減衰している。
したがって、実施形態２の構成の方が減衰量が大きい場合が示されている。
当該図より明らかなように本実施形態１および２に基づくコモンモード抑制回路を用いた場合には、コモンモード電圧を抑制しコモンモード電流の低減に非常に効果的であることが分かる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明による電圧形ＰＷＭインバータを含む電力変換装置を誘導電動機を運転するモータ制御システムに適用する場合について述べたが、適用機器としては電力用半導体素子のスイッチング時にコモンモード電圧を発生する他の電力変換装置、例えばＤＣ−ＤＣコンバータに対しても同様に適用することが可能である。
１，１＃ モータ制御システム、２，２＃ 電力変換装置、３，３Ａ，３Ｂ 直流電源、４ インバータ、５ 三相ケーブル、６ 誘導電動機、７，７＃ コモンモード抑制回路、８，８＃ コンデンサ群、９，９＃ エミッタフォロワ回路、１０，１０Ａ，１０Ｂ コンデンサ、１１ コモンモードトランス。

Claims (3)

  1. 電力用半導体素子をスイッチング動作させて電力変換を行う電力変換装置であって、
    前記電力用半導体素子のスイッチング動作時に発生するコモンモード電圧を検出する電圧検出手段と、
    前記電圧検出手段により検出されたコモンモード電圧を電力増幅する回路により前記コモンモード電圧と同じ大きさで逆極性の電圧を発生する電圧制御電源と、
    前記電圧制御電源より発生した電圧を前記電力変換装置の出力に重畳させて前記電力用半導体素子をスイッチング動作させる際に発生するスイッチング周波数以上のコモンモード電圧を相殺する電圧重畳手段と、
    前記電圧重畳手段により重畳された前記電力変換装置および前記電圧制御電源のコモンモード電圧を検出する残留電圧検出手段とを備え、
    前記電圧重畳手段は、前記残留電圧検出手段により検出されたコモンモード電圧を加算して前記電力変換装置の出力に重畳する、電力変換装置。
  2. 前記電圧重畳手段は、多巻線を有するコモンモードトランスと、コンデンサとを含み、
    前記電圧重畳手段の前記コモンモードトランスと前記コンデンサとに基づく共振周波数は、前記電力用半導体素子の零相電圧周波数と前記スイッチング周波数との間に設定される、請求項１記載の電力変換装置。
  3. 前記残留電圧検出手段で検出されたコモンモード電圧と、前記コモンモード電圧の零相電圧との比較に基づいて反転増幅し、前記加算する電圧を調整する演算増幅器をさらに備える、請求項１記載の電力変換装置。
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