JP6831924B2 - Ac−acコンバータ回路 - Google Patents
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Description
三相交流電力によって駆動されるモータを単相交流電源で駆動するためにAC−ACコンバータ回路を用いることが考えられる。AC−ACコンバータ回路は、交流電源からの電力を直流電力に変換する整流回路と、整流された直流電力を所望の仕様の交流電力に変換するDC−AC変換回路とを含んで構成することが考えられる。
このことから、本発明者らは、AC−ACコンバータ回路には回路全体を小型化し、電源電流の高調波を少なくする観点から改善すべき課題があることを認識した。
このような課題は、単相−三相のAC−ACコンバータ回路に限られず、他の種類のAC−ACコンバータ回路についても生じうる。
図1は、本発明の実施形態に係るAC−ACコンバータ回路100の一例を示す回路図である。AC−ACコンバータ回路100は、単相電源12からの電力に基づき三相電力を生成する電力変換装置として機能する。一例として、AC−ACコンバータ回路100は、ポンプ、コンプレッサ、船や飛行機の電動アクチュエータ、ロボットアームなど多様な装置を駆動するために使用することができる。AC−ACコンバータ回路100は、フィルタ14と、整流回路16と、降圧回路18と、Zソース回路20と、三相のインバータ回路22と、制御回路24と、を含んでいる。本明細書において、単相電源12から三相電力の出力に向かう電力の流れに沿って、上流側を前段または入力と、下流側を後段または出力と表記することがある。
スイッチング素子T7は公知の様々な素子であってもよい。この例では、スイッチング素子T7はn型MOSFETである。スイッチング素子T7のドレインは整流回路16のプラス側の出力端16pに接続され、スイッチング素子T7のソースは降圧回路18のプラス側の出力端18pに接続され、スイッチング素子T7のゲートは制御回路24に接続される。ダイオードD5のカソードは出力端18pに接続され、ダイオードD5のアノード18mは整流回路16の出力端16mに接続される。
実施の形態の説明では、交流電圧を整流する整流回路16と、別の交流電圧を生成するインバータ回路22との間にZソース回路20を設けたが、本発明はこれに限られない。例えば、Zソース回路の代替として、いかなるインピーダンスネットワーク回路を設けても良い。このようなインピーダンスネットワーク回路としては、一例として、Tソース回路とΓソース回路があげられる。本発明のAC−ACコンバータは、Zソース回路20に代えて、整流回路16とインバータ回路22との間にTソース回路20(B)またはΓソース回路20(C)が設けられてもよい。図13は、第1変形例に係るTソース回路20(B)とΓソース回路20(C)の一例を示す回路図である。図13(a)はTソース回路20(B)の一例を示し、図13(b)はΓソース回路20(C)の一例を示す。以下、図1も参照しながら、Tソース回路20(B)とΓソース回路20(C)の構成と動作を説明する。
実施の形態の説明では、ダイオードD1−D5が1方向に通電可能な半導体ダイオードである例について説明したが、これに限られない。ダイオードD1−D5の全部または一部は、MOSFETのように逆方向に通電可能なスイッチング素子に置き換えられてもよい。この変形例は、実施の形態に係るAC−ACコンバータ回路100と同様の作用効果を奏する。
実施の形態の説明では、スイッチング素子T1〜T7がn型MOSFETである例について説明したが、これに限られない。スイッチング素子T1〜T6、T7の種類は特に限定されず、バイポーラトランジスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、SiCデバイス、GaNデバイスなどの公知の各種スイッチング素子を適用することができる。この変形例は、実施の形態に係るAC−ACコンバータ回路100と同様の作用効果を奏する。
ダイオードD28では、アノードに正の入力電圧vGが印加される。従って、降圧回路用スイッチング素子T7には、正の入力電流iT7,1が流れる(下付き添字の左側の「T7」はスイッチング素子T7を示し、下付き添字の右側の「1」は第1の動作モード(アクティブモード)を示す。以下同様)。一方ダイオードD5は、カソードに正の入力電圧vGが印加されるため、電流が流れない。
iT7,1=iC,1+iL、1 ・・・(1)
インダクタL1を流れた電流iL,1は2つに分岐し、一方はコンデンサC2に入力する電流iC,1となり、他方は出力電流iQ,1となる。すなわち、
iQ=iL、1−iC,1 ・・・(2)
上記の2つの式から、インダクタ電流iL、1は以下のように算出される。
iL、1=iQ/2+iT7,1/2 ・・・(3)
iL、1≧IQ/2 ・・・(4)
であることが分かる。ここでIQは、出力ピーク電流である。
すなわち、インダクタ電流iL、1は、常に出力ピーク電流IQの1/2以上である。
|vG|=vC,1+vL,1 ・・・(5)
また出力電圧vPN,1は、コンデンサC2に印加される電圧(キャパシタ電圧)vC ,1と、インダクタL2に印加される電圧VL,1との和であるため、以下の式が成り立つ。
vPN,1=vC,1−vL,1 ・・・(6)
従って、
vC,1=|vG|/2+vPN,1/2 ・・・(7)
となる。
ここでダイオードD28があることにより、出力電圧vPN,1は常に正である。従って、
vC,1≧VG/2 ・・・(8)
であることが分かる。ここでVGは、入力ピーク電圧である。
すなわち、キャパシタ電圧vC,1は、入力ピーク電圧VGの1/2より常に大きい。
降圧回路用スイッチング素子T7がオフであるため、降圧回路用スイッチング素子T7には入力電流iT7,2が流れない。すなわち、
iT7,2=0 ・・・(9)
ダイオードD5には正の電流iD5,2が流れる。すなわち、
iD5,2>0 ・・・(10)
iD5,2=iC,2+iL,2 ・・・(11)
iQ=iL,2−iC,2 ・・・(12)
であることが分かる。
式(11)(12)から、インダクタ電流iL1,2は以下のように算出される。
iL,2=iQ/2+iD5,2/2 ・・・(13)
iL,2≧IQ/2 ・・・(14)
であることが分かる。
すなわち、インダクタ電流iL,2は、常に出力ピーク電流IQの1/2以上である。
vD5,2=vC,2+vL,2=0 ・・・(15)
すなわちvL,2=−vC,2となる。これは、キャパシタ電圧と大きさが同じであって逆符号の電圧が、インダクタに印加されることを意味する。
また出力電圧vPN,2は、
vPN,2=vC,2−vL,2=2・vC,2 ・・・(16)
となることが分かる。
インバータ回路用スイッチング素子T30がオンであるため、電流は双方向電源32の手前でインバータ回路用スイッチング素子T30をシュートスルーし、出力電圧vPN、 3はゼロとなる。従って、このときモータ等の負荷には電力が供給されない。すなわち、
vPN,3=vC,3−vL,3=0 ・・・(17)
となる。
式(17)よりvL,3=vC,3となることが分かる。これは、キャパシタ電圧と大きさが同じであって同符号の電圧が、インダクタに印加されることを意味する。
vD5,3=vC,3+vL,3=2・vC,3 ・・・(18)
また、「キャパシタ電圧vC,3が、入力ピーク電圧VGの1/2より常に大きい」という条件、すなわち、
vC,3>VG/2 ・・・(19)
が満たされている限り、vD5,3>|vG|が成立するため、たとえ降圧回路用スイッチング素子T7がオンになっていても、降圧回路用スイッチング素子T7には電流が流れない。
以上の説明から分かる通り、昇圧モードでは、電流路はZソース回路にのみ形成される。
降圧動作時は、インバータ回路用スイッチング素子T30がオフ状態に維持され、降圧回路用スイッチング素子T7がオンとオフを周期的に繰り返すスイッチング動作を行うように制御される。換言すれば、降圧動作時には、アクティブモードと降圧モードとが周期的に繰り返して使用されるように制御がされる。
一方昇圧動作時は、降圧回路用スイッチング素子T7がオン状態に維持され、インバータ回路用スイッチング素子T30がオンとオフを周期的に繰り返すスイッチング動作を行うように制御される。換言すれば、昇圧動作時には、アクティブモードと昇圧モードとが周期的に繰り返して使用されるように制御がされる。
降圧動作時は、アクティブモードが使用される時間tAはtA=dA・TSW、降圧モードが使用される時間t0はt0=d0・TSW、ただしdA+d0=1、dB=0である。
昇圧動作時は、アクティブモードが使用される時間tAはtA=dA・TSW、昇圧モードが使用される時間tBはtB=dB・TSW、ただしdA+dB=1、d0=0である。
これらの各モードのデューティdA、d0、dBの値を変えることにより、出力電圧vPNを制御することができる。
<vPN>=2・vC・(1−dB)−|vG|・dA ・・・(20)
<vL>=|vG|・dA−vC・(1−2・dB) ・・・(21)
<iQ>=PM/<vPN> ・・・(22)
<iT7>=|iG|=(2・iL−<iQ>)・dA ・・・(23)
dA=DA+d'A ・・・(24)
d0=D0+d'0 ・・・(25)
dB=DB+d'B ・・・(26)
である。
一般にAC−ACコンバータ装置では、インダクタで発生するジュール熱等によるエネルギー損失を回避するために、インダクタ電流iLがなるべく小さくなるように抑制することが望ましい。すなわち、インダクタ電流iLを最小化することにより、装置の効率を最大化することができる。そこで与えられた拘束条件を満たす範囲で、iLを最小化するようなデューティを定めることを目標とする。
<vPN>=<vC>=|vG|・DA/(1−2・DB) ・・・(27)
ただし、式(8)(19)から
<vPN>=<vC> > VG/2 ・・・(28)
を満たす必要がある。
m=|vG|/<vPN>=(1−2・DB)/DA ・・・(29)
ただし、|vG|>0および式(8)の条件から、
0≦m≦2 ・・・(30)
を満たす必要がある。
iL=(1/2)・(<iQ>+|iG|/DA) ・・・(31)
これより、アクティブモードのデューティDAが大きければ大きいほど、インダクタ電流iLの値が小さくなることが分かる。
DA、BU=1/m ・・・(32)
DB,BU=0 ・・・(33)
D0,BU=1−1/m=(m−1)/m ・・・(34)
となる(下付き添字の右側のBUは降圧(Buck)を示す)。
このとき、式(32)で表されるdA、BUが、1≦m≦2におけるDA、BUの最大値となる。
DA、BO=1/(2−m) ・・・(35)
DB,BO=1−1/(2−m)=(1−m)/(2−m)・・・(36)
D0,BO=0 ・・・(37)
となる(下付き添字の右側のBOは昇圧(Boost)を示す)。
このとき、式(35)で表されるDA、BOが、0≦m≦1におけるDA、BOの最大値となる。なお式(32)と式(35)は、まとめて以下の式で表すことができる。
DA、BU/BO=min(1/m、1/(2−m)) ・・・(37)
ただしmin()は()内の小さい方の値を取ることを示す。
以上で、本発明のAC−ACコンバータ装置の電圧制御に降圧動作と昇圧動作のみが含まれる実施形態における、最適なデューティの算出方法の説明を終える。
iL≧(1/2)・IQ ・・・(38)
である。
降圧動作と昇圧動作におけるデューティDA、BU、DB、BU、D0、BU、DA、 B0、DB,BO、D0、B0はそれぞれ、式(32)(33)(33)(34)(35)(36)により定めた。降圧動作と昇圧動作のみを用いて制御を行った場合、図17に示されるように、iG=0の近傍で、入力電流iGに正弦波形からの乱れが生じていることが分かる。すなわちこの場合、入力電流iGがゼロの近傍では、目的とする力率=1の制御が実現できない。本発明者らは、これが、降圧動作と昇圧動作のみによる制御では、入力電流iGがゼロの近傍で式(38)の条件が満たされないことに起因することを認識した。
DA、BU+DB,BU=1 ・・・(39)
D0,BU=0 ・・・(40)
である。
また昇圧動作時は、アクティブモードと昇圧モードのみが使用される。すなわち、
DA、BO+D0,BO=1 ・・・(41)
DB,BO=0 ・・・(42)
である。
これに対し、昇降圧動作では、アクティブモード、降圧モードおよび昇圧モードの3つのモードが使用される。すなわち、
DA、BB+DB,BB+D0,BB=1 ・・・(43)
である(下付き添字の右側のBBは昇降圧(Buck−Boost)を示す)。
前述のように、昇降圧動作は、入力電圧vGがゼロの近傍でも式(38)の条件が成立することを保証することにある。式(23)において、アクティブモードのデューティD Aを、昇降圧動作時のアクティブモードのデューティDA、BBで置き換えたものを、
|iG|=(2・iL−<iQ>)・DA、BB ・・・(44)
とおく。
これより、
DA、BB=|iG|/(2・iL−<iQ>) ・・・(45)
となる。
ここで式(38)が成立しているとして、iL=(1/2)・IQとおく(IQは出力ピーク電流)。従って、昇降圧動作時のアクティブモードのデューティDA、BBは、
DA、BB=|iG|/(IQ−<iQ>) ・・・(46)
となる。
iG=2・PM・vG/VG 2 ・・・(47)
<vPN>=<vC> ・・・(48)
m=|vG|/<vPN> ・・・(49)
PM=(3/2)・VQ・IQ・cosφ ・・・(50)
M=2・VM/vc ・・・(51)
とおくと、
DA、BB=(6M・cosφ/(4−3M・cosφ))・(vC/VG)2・m=k・m ・・・(52)
と表される。
ただし、
M<Mmax=2/√3 ・・・(53)
cosφ<1 ・・・(54)
が成り立つ。
ここで、PMは出力電力、Mはインバータ変調率である。
すなわち、
k=6M・cosφ/(4−3M・cosφ) ・・・(55)
と定義する。
DA=min(DA,BU/BO、DA,BB) ・・・(56)
DB=(1/2)・(1−m・DA) ・・・(57)
DA、BB≧(6M・cosφ/(4−3M・cosφ))・(vC/VG)2・m=k・m ・・・(58)
DA、BBを式(58)で定められる範囲で規定することにより、本技術分野における規格で定められる許容歪率を含む範囲をカバーすることができる。
動作モードの別の例として、図18(b)に、k=k2>1のときの動作モードを示す。
図18(a)に示される通り、k=k1では、昇降圧動作(BB)と降圧動作(BU)のみが用いられる。
また図18(b)に示される通り、k=k2では、昇降圧動作(BB)と降圧動作(BU)と昇圧動作(BO)とが用いられる。
整流された入力電圧|vG|と出力電圧<vPN>(=キャパシタ電圧<vC>)から、定常状態におけるアクティブモードのデューティDA,BU、DA,BO、DA,BU /BOを求めることにより、最適なDA、DBを得ることができる。その結果、図19に示されるように、完全に整流された入力電流<iTA>とインダクタ電流iLが、入力電力の1周期の間で得られることが分かる。
式(24)(25)を式(21)に代入し、定常状態からの変動分を取り出すと、以下の式が得られる。
vL'=|vG|・d'A+2・vC・d'B ・・・(59)
ただしvL'は、インダクタ電圧vLの定常状態からの変動を表す。
降圧動作時は、シュートスルーのため、d0,BU=0である。またD0,BU=0であることからd'0、BU=0であることが分かる。
昇圧動作時は、d0、BO=0、dA,BO+dB,BO=1から、d'A,BO=−d'B,BOとなる。
昇降圧動作時は、d0、BBはインダクタ電流iLを最小にする値として決定される。従ってdA,BBの定常状態からの変動d'A,BBは発生せず、dB,BBの定常状態からの変動d'B,BBのみが発生する。
(d'A、BU、d'B、BU)=(vL'、0) ・・・(60)
(d'A、BO、d'B、BO)=(vL'/(|vG|−2・vC)、−vL'/(|v G|−2・vC)) ・・・(61)
(d'A、BB、d'B、BB)=(0、vL'/2・vC) ・・・(62)
図20(a)に、比較例に係るコンバータのキャリア信号を示す。
図20(b)に、比較例に係るコンバータのU相電圧波形を示す。
図20(b)は、U相の相電圧波形を示すが、V相、W相についても同様である。
図20(b)に示されるように、キャリア波形がdXより小さいとき(ただし、X∈{U、V、W}、各相電圧vXNはDCリンク電圧VDCとなる。
すなわちこの場合、
vXN=VDC ・・・(63)
である。
それ以外の相出力は0となる。
換言すれば、平均X相電圧<vXN>は、vDC・dXとなる。
<vXN>=vDC・dX ・・・(64)
本発明に係るインバータにおいても、同じ平均相電圧の出力を得る必要がある。
これを実現するための手法として、以下の2つの方法が考えられる。
シュートスルーの時の出力電圧vPNはゼロである。このため,平均U相相電<vUN>は、アクティブモード(すなわち、vPN、1=2・vC−|vG|)と降圧モード(vPN、1=2・vC)との間に得る必要がある。
方法1は、PWMキャリア波形を非対称化することにより、これを実現するものである。具体的には、モードの状態に応じてキャリア波形を以下のように変更する。
アクティブモードの間(tA=dA・TSW):0から1に変化
降圧モードの間(t0=d0・TSW):0から1に変化
昇圧モード(シュートスルー)(tB=dB・TSW):0を維持
図21(b)に、方法1に係るコンバータのU相電圧波形を示す。
すなわち、
tU,A=dU・TA=dU・dA・TSW ・・・(65)
tU,0=dU・T0=dU・d0・TSW ・・・(66)
となる。
これにより、平均相電圧は以下のように算出される。
<vUN>=vPN,1・tU,A/TSW+vPN,2・tU,0/TSW
=(2・vC−|vG|)・dU・dA+2・vC・dU・d0
=<vPN>・dU ・・・(67)
方法2は、シュートスルー期間(tB=dB・TSW)のスイッチングを統合するものである。
従来のスイッチング手順では、一方のハーフブリッジがターンオンする前に、他方が必ずターンオフするデッドタイム期間が設けられている。
方法2では、両方のハーフブリッジがターンオンするシュートスルー期間tSHをデッドタイム期間に設ける。換言すれば、シュートスルー期間をスイッチング手順に統合する。従ってスイッチ回数が増加することはない。
dH=dL+dSH ・・・(68)
シュートスルー期間(tB=dB・TSW)を、以下のようにアクティブモードと降圧モードとに比例分配する。
tB,A=dB,A・TSW=dB・dA/(dA+d0)・TSW ・・・(69)
tB,0=dB,0・TSW=dB・d0/(dA+d0)・TSW ・・・(70)また、
tAN=dAN・TSW=(dA+dB,A)・TSW ・・・(71)
t0N=d0N・TSW=(dA+dB,0)・TSW ・・・(72)
tAN+t0N=1 ・・・(73)
が成り立つ。
これより、
dAN=dA+tB,A/TSW=dA/(1−dB) ・・・(74)
d0N=dA+tB,0/TSW=d0/(1−dB) ・・・(75)
が得られる。
すなわち、
tSH、A=(1/3)・tB、A ・・・(76)
tSH、0=(1/3)・tB、0 ・・・(77)
アクティブモードの間(tA、N=dAN・TSW):0から1に変化
降圧モードの間(t0、N=d0N・TSW):0から1に変化
昇圧モード(シュートスルー)(tB=dB・TSW):0を維持
dx、H=dx、Lと+(1/3)・dB,x ・・・(78)
ただしx∈{a、b、c}
da=min(dU、dV、dW) ・・・(79)
db=mid(dU、dV、dW) ・・・(80)
dc=max(dU、dV、dW) ・・・(81)
ただしmin()は()内の最小値を取ることを示し、mid()は()内の中間値を取ることを示し、max()は()内の最大値を取ることを示す。
シュートスルー期間中はDCリンク電圧が0(出力電圧が0)となる点に留意されたい。
dA,N=dA+tB、A/TSW=dA/dA,N=1−dB ・・・(82)
である点に留意すると、これは
dA/dA,N=1−dB ・・・(83)
の係数から求めることができる。
従って、
da,L=(1−dB)・da ・・・(84)
となる。
また、ハイサイドデューティda,Hは、
da,H=da,L+(1/3)・dB ・・・(85)
となる。
図22(b)に、方法2に係るコンバータのU相電圧波形を示す。
da,L=(1−dB)・da ・・・(86)
db,L=da,H+(1−dB)・(db−da) ・・・(87)
dc,L=db,H+(1−dB)・(dc−db) ・・・(88)
M<2/√3、
cosφ<1、
D3≧6M・cosφ/(4−3M・cosφ)・(vc/VG)2・m
D3=6M・cosφ/(4−3M・cosφ)・(vc/VG)2・m
Claims (6)
- 交流電圧を別の交流電圧に変換するAC−ACコンバータ回路であって、
前記交流電圧を整流する整流回路と、前記別の交流電圧を生成するインバータ回路と、の間にZソース回路が設けられており、
前記整流回路と、前記Zソース回路と、の間に降圧回路が設けられており、
前記降圧回路と前記インバータ回路とを制御する制御回路を含み、
前記降圧回路は、降圧回路用スイッチング素子を含み、
前記インバータ回路は、インバータ回路用スイッチング素子を含み、
前記制御回路は、
入力電圧をv G としたとき、
前記降圧回路用スイッチング素子がオンであり、前記インバータ回路用スイッチング素子がオフである第1の動作モードと、
前記降圧回路用スイッチング素子がオフであり、前記インバータ回路用スイッチング素子がオフである第2の動作モードと、
前記インバータ回路用スイッチング素子がオンである第3の動作モードと、を使用して制御を行い、
前記入力電圧v G がゼロの近傍で前記第1の動作モードと、前記第2の動作モードと、前記第3の動作モードとを使用して制御を行うことを特徴とするAC−ACコンバータ回路。 - 前記Zソース回路に代えて、Tソース回路またはΓソース回路が前記整流回路と前記インバータ回路との間に設けられていることを特徴とする請求項1に記載のAC−ACコンバータ回路。
- 前記インバータ回路は、互いに直列接続された第1スイッチング素子および第2スイッチング素子を含み、
前記別の交流電圧を生成するために前記第1スイッチング素子がオンしているとき、前記第2スイッチング素子がオンする期間が設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載のAC−ACコンバータ回路。 - 前記制御回路は、
キャパシタ電圧をvc、平均出力電圧をvPN、変調率をm=|vG|/vPN、としたとき、
昇降圧動作時の第1の動作モードのデューティDA、BB、第1のパラメータM、第2のパラメータcosφが以下の式を満足するように制御を行うことを特徴とする、請求項1から3のいずれかに記載のAC−ACコンバータ回路。
M<2/√3、
cosφ<1、
DA、BB≧6M・cosφ/(4−3M・cosφ)・(vc/VG)2・m - 前記制御回路は、
前記昇降圧動作時の第1の動作モードのデューティDA、BBが以下の式を満足するように制御を行うことを特徴とする、請求項4に記載のAC−ACコンバータ回路。
DA、BB=6M・cosφ/(4−3M・cosφ)・(vc/VG)2・m - スイッチング信号のPWMキャリア波形は時間軸に対して非対称である、請求項4または5に記載のAC−ACコンバータ回路。
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