JP7162569B2

JP7162569B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP7162569B2
Application number: JP2019110273A
Authority: JP
Inventors: 大輔吉沢; 和則松本
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2019-06-13
Filing date: 2019-06-13
Publication date: 2022-10-28
Anticipated expiration: 2039-06-13
Also published as: JP2020202719A

Description

この発明は、電力変換装置に関する。

電力変換装置は、電力変換装置から電力を電動機に供給して、電動機を動力源として駆動する。回転中の電動機を制動させるときに回生エネルギーが生じて、回生エネルギーが電力変換装置に流入する。電力変換装置は、その回生エネルギーによる過電圧が生じないように処理することが必要であるが、その回生エネルギーを容易に処理できない場合があった。

特開平０９－２５５２４６号公報

本発明が解決しようとする課題は、回生エネルギーによる過電圧が生じないように処理することが可能な電力変換装置を提供することである。

実施形態の一態様の電力変換装置は、第１コンデンサと、半導体スイッチング素子と、閾値調整部と、回生量制御部とを備える。第１コンデンサは、直流電力から交流電力を生成するインバータの直流側に設けられ、前記直流側の電圧を平滑化させる。半導体スイッチング素子は、前記第１コンデンサの並列回路に設けられ、前記並列回路において第１抵抗に直列に接続される半導体スイッチング素子であって、前記並列回路に流れる放電電流を遮断する。閾値調整部は、前記半導体スイッチング素子の通電時間を規定するための閾値を調整する。回生量制御部は、前記インバータの直流側の電圧と前記閾値とに基づいて、前記半導体スイッチング素子の前記通電時間を決定し、決定された前記通電時間に基づいて前記半導体スイッチング素子の導通を制御する。前記回生量制御部は、回生エネルギーが前記インバータに供給される回生状態にあるか否かを示す情報と、前記インバータの直流側の電圧と前記閾値とに基づいて、前記半導体スイッチング素子の通電を制御する。前記閾値は、前記インバータの直流側の電圧に関わる第１閾値ＶＴＨ１と、前記第１閾値ＶＴＨ１よりも大きい値の第２閾値ＶＴＨ２とを含む。前記回生量制御部は、前記インバータの直流側の電圧の値が前記第１閾値ＶＴＨ１を超えて大きくなるほど、前記第１コンデンサからの放電電流を流す時間の単位時間当たりの比率が大きくなるように前記通電時間を調整する。

実施形態の電力変換装置の構成図。実施形態の回生量制御部の構成図。実施形態の正極電圧指令の調整について説明するための図。実施形態の回生制御の一例について説明するための図。変形例における正極電圧指令調整部２６３Ｐの変換特性の調整について説明するための図。

以下、実施形態の電力変換装置を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同一又は類似の機能を有する構成に同一の符号を付す。そして、それらの構成の重複する説明は省略する場合がある。なお、電気的に接続されることを、単に「接続される」ということがある。

図１は、実施形態の電力変換装置の構成図である。
図１に示す電力変換装置１は、整流器１１０と、リアクタンス１２０と、第１コンデンサ１３０と、インバータ１５０と、インバータ制御部１６０と、電圧検出部１７０Ｐ、１７０Ｎと、回生量調整部２１０と、回生量制御部２６０と、閾値調整部２７０とを備える。上記の整流器１１０と、インバータ１５０は、電力変換装置１の主回路１９０を形成する。

整流器１１０は、交流電力を整流する。整流器１１０の入力端子は、変圧器Ｔを経て交流電力系統ＰＳに接続され、整流器１１０の出力端子は、直流リンク１８０を介してインバータ１５０に接続されている。例えば、整流器１１０は、３レベル型で形成される。この場合、整流器１１０は、正極側ブリッジ回路１１０Ｐと負極側ブリッジ回路１１０Ｎを備える。直流リンク１８０は、正極母線ＰＢＬと、中性線Ｎと、負極母線ＮＢＬとを備える。正極側ブリッジ回路１１０Ｐと負極側ブリッジ回路１１０Ｎは、交流電力系統ＰＳから変圧器Ｔを経て供給される電力を全波整流し、正極母線ＰＢＬと負極母線ＮＢＬとに供給する。なお、整流器１１０は、回生用回路を有していないコンバータ（ダイオードコンバータ）の一例である。整流器１１０と変圧器Ｔとを繋ぐ給電線には、ヒューズと変成器が設けられていることがある。

第１コンデンサ１３０は、直流リンク１８０の電圧を平滑化するためのコンデンサである。例えば、第１コンデンサ１３０は、正極側第１コンデンサ１３０Ｐと、負極側第１コンデンサ１３０Ｎとを備える。正極側第１コンデンサ１３０Ｐは、直流リンク１８０の正極母線ＰＢＬと中性線Ｎとに接続される。負極側第１コンデンサ１３０Ｎは、直流リンク１８０の負極母線ＮＢＬと中性線Ｎとに接続される。上記の整流器１１０と第１コンデンサ１３０の組は、後述するインバータ１５０に電力を供給する電源の一例である。なお、正極側第１コンデンサ１３０Ｐには、放電用の並列回路ＰＣＰが設けられ、負極側回生量調整部２１０Ｎには、放電用の並列回路ＰＣＮが設けられている。

インバータ１５０は、例えば、同じく３レベル型で形成される。インバータ１５０は、整流器１１０から直流リンク１８０を経て供給される電力を、インバータ制御部１６０による制御に基づいて変換して、交流電力を生成する。インバータ１５０の出力端子には電動機２０が接続されている。インバータ１５０は、変換した交流電力を電動機２０に供給する。インバータ１５０と電動機２０は、例えばＵ相Ｖ相Ｗ相を有する３相交流型であるが、これに制限されず、単相交流型であってもよく、他の相数の多相交流であってもよい。電動機２０は、例えば誘導電動機であるが、これに制限されない。なお、電動機２０は、負荷の一例である。

例えば、インバータ１５０は、複数の半導体スイッチを備え、フルブリッジ型に形成されている。上記の複数の半導体スイッチには、それぞれフライホイールダイオードが設けられている。このようなインバータ１５０の場合には、電動機２０を制動することによる回生エネルギーが生じると、インバータ１５０の直流側等に過電圧が生じることがある。なお、インバータ１５０が生成する３相交流電力の周波数（基本周波数）は、電動機２０の回転速度の指令値（以下、速度指令という。）に合わせて調整されている。

インバータ制御部１６０は、インバータ１５０に設けられた変成器などの検出結果に基づいて、インバータ１５０を制御する。インバータ１５０の制御方法は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御、ベクトル制御などを適宜選択してよい。なお、インバータ制御部１６０は、電動機２０の角速度ωの検出結果、又は推定結果に基づいた角速度変化量Δωを算出する。

電圧検出部１７０Ｐは、中性線Ｎと正極母線ＰＢＬ間の電圧を検出する。電圧検出部１７０Ｎは、中性線Ｎと負極母線ＮＢＬ間の電圧を検出する。電圧検出部１７０Ｐと電圧検出部１７０Ｎとを纏めて電圧検出部１７０と呼ぶことがある。

回生量調整部２１０は、電圧検出部１７０の検出結果から、インバータ１５０の直流側等に過電圧が生じる状況になったことを検出し、電動機２０からインバータ１５０に流入する回生エネルギーを消費して、インバータ１５０の直流側の電圧を低減させる。

例えば、回生量調整部２１０は、正極側回生量調整部２１０Ｐと、負極側回生量調整部２１０Ｎとを備える。正極側回生量調整部２１０Ｐは、正極側第１コンデンサ１３０Ｐの並列回路ＰＣＰに設けられる。負極側回生量調整部２１０Ｎは、負極側第１コンデンサ１３０Ｎの並列回路ＰＣＮに設けられる。

まず、正極側回路の正極側回生量調整部２１０Ｐについて説明する。
正極側回生量調整部２１０Ｐは、半導体スイッチング素子２１１Ｐと、半導体スイッチング素子２１２Ｐと、フリーホイールダイオード２１３Ｐと、フリーホイールダイオード２１４Ｐと、並列ダイオード２１５Ｐと、第２コンデンサ２１６Ｐと、抵抗２１７Ｐと、ヒューズ２１８Ｐと、を備える。なお、半導体スイッチング素子２１１Ｐと半導体スイッチング素子２１２Ｐとの組を、正極側アーム２１９Ｐと呼ぶ。半導体スイッチング素子２１１Ｐと半導体スイッチング素子２１２Ｐは、例えばIGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、カスケード接続されている。

例えば、半導体スイッチング素子２１１Ｐを正極側に割りあて、半導体スイッチング素子２１２Ｐを中性点（中性線Ｎ）側に割りあてる。半導体スイッチング素子２１１Ｐのコレクタが、ヒューズ２１８Ｐを介して、直流リンク１８０の正極母線ＰＢＬに接続される。半導体スイッチング素子２１２Ｐのエミッタが、中性線Ｎに接続される。なお、ヒューズ２１８Ｐは、正極側アーム２１９Ｐに過電流が流れた場合に遮断する。

半導体スイッチング素子２１１Ｐのコレクタ－エミッタ間には、フリーホイールダイオード２１３Ｐが設けられている。フリーホイールダイオード２１３Ｐは、半導体スイッチング素子２１１Ｐのコレクタ電流の方向に対して逆方向に向けられて、半導体スイッチング素子２１１Ｐに並列に接続されている。フリーホイールダイオード２１３Ｐは、半導体スイッチング素子２１１Ｐと一体で形成されていてもよい。以下同様である。

半導体スイッチング素子２１２Ｐのコレクタ－エミッタ間には、フリーホイールダイオード２１４Ｐと並列ダイオード２１５Ｐとが設けられている。フリーホイールダイオード２１４Ｐと並列ダイオード２１５Ｐは、半導体スイッチング素子２１２Ｐのコレクタ電流の方向に対して逆方向に向けられて、半導体スイッチング素子２１２Ｐに並列に接続されている。並列ダイオード２１５Ｐは、フリーホイールダイオード２１４Ｐに流れる電流を分流して、熱損失を分散させている。この並列ダイオード２１５Ｐは、フリーホイールダイオード２１４Ｐとともに経路を冗長化して信頼度を高めている。

第２コンデンサ２１６Ｐは、正極側アーム２１９Ｐに並列に接続されている。つまり、第２コンデンサ２１６Ｐの端子は、半導体スイッチング素子２１１Ｐのコレクタと半導体スイッチング素子２１２Ｐのエミッタとにそれぞれ接続される。

抵抗２１７Ｐは、半導体スイッチング素子２１２Ｐと、フリーホイールダイオード２１４Ｐと、並列ダイオード２１５Ｐとに並列に接続されている。

上記の正極側の構成では、半導体スイッチング素子２１２Ｐを遮断状態にして、半導体スイッチング素子２１１Ｐを導通させることにより、正極側アーム２１９Ｐの順方向電流、つまり半導体スイッチング素子２１１Ｐのコレクタ電流が抵抗２１７Ｐに流れる。抵抗２１７Ｐに半導体スイッチング素子２１１Ｐのコレクタ電流が流れると、それを熱エネルギーに変換して、コレクタ電流による電力を消費させる。

なお、半導体スイッチング素子２１２Ｐは、遮断状態にするような負電圧がそのゲートに常時印加されていて、遮断状態に維持される。なお、正極側アーム２１９Ｐは、少なくとも１つの半導体スイッチング素子２１１Ｐを備えるものであってもよい。

次に、負極側回路の負極側回生量調整部２１０Ｎについて説明する。
負極側回生量調整部２１０Ｎは、半導体スイッチング素子２１１Ｎと、半導体スイッチング素子２１２Ｎと、フリーホイールダイオード２１３Ｎと、フリーホイールダイオード２１４Ｎと、並列ダイオード２１５Ｎと、第２コンデンサ２１６Ｎと、抵抗２１７Ｎと、ヒューズ２１８Ｎと、を備える。なお、半導体スイッチング素子２１１Ｎと半導体スイッチング素子２１２Ｎとの組を、負極側アーム２１９Ｎと呼ぶ。半導体スイッチング素子２１１Ｎと半導体スイッチング素子２１２Ｎは、上記と同様に例えばIGBTであり、カスケード接続されている。

なお、上記の半導体スイッチング素子２１１Ｎと、半導体スイッチング素子２１２Ｎと、フリーホイールダイオード２１３Ｎと、フリーホイールダイオード２１４Ｎと、並列ダイオード２１５Ｎと、第２コンデンサ２１６Ｎと、抵抗２１７Ｎと、ヒューズ２１８Ｎとは、正極側回生量調整部２１０Ｐの半導体スイッチング素子２１１Ｐと、半導体スイッチング素子２１２Ｐと、フリーホイールダイオード２１３Ｐと、フリーホイールダイオード２１４Ｐと、並列ダイオード２１５Ｐと、第２コンデンサ２１６Ｐと、抵抗２１７Ｐと、ヒューズ２１８Ｐとに対応する。

負極側回生量調整部２１０Ｎの説明として正極側回生量調整部２１０Ｐを参照する際には、正極側回生量調整部２１０Ｐにおける「正極」の説明を「負極」に置き換える。例えば、半導体スイッチング素子２１１Ｐを正極側に割りあて、半導体スイッチング素子２１２Ｐを中性点（中性線Ｎ）側に割りあてる。半導体スイッチング素子２１１Ｎのコレクタが、ヒューズ２１８Ｎを介して、直流リンク１８０の負極母線ＮＢＬに接続される。
また、上記の他、半導体スイッチング素子の「コレクタ」と「エミッタ」の説明を、互いに入れ替える。

なお、半導体スイッチング素子２１２Ｎは、常に遮断状態に維持されている。上記の負極側の構成では、半導体スイッチング素子２１１Ｎを導通させることにより、負極側アーム２１９Ｎの順方向電流、つまり半導体スイッチング素子２１１Ｎのコレクタ電流が抵抗２１７Ｎに流れる。

回生量制御部２６０と閾値調整部２７０については後述する。

次に、図２を参照して、実施形態の回生量制御部について説明する。図２は、実施形態の回生量制御部の構成図である。

回生量制御部２６０は、例えば、レベル検出部２６１と、レベル検出部２６２Ｐと、正極電圧指令調整部２６３Ｐと、論理積回路２６４Ｐと、スイッチ２６５Ｐと、スイッチ２６６Ｐと、ＰＷＭ制御部２６７Ｐとを備える。レベル検出部２６２Ｐと、正極電圧指令調整部２６３Ｐと、論理積回路２６４Ｐと、スイッチ２６５Ｐと、スイッチ２６６Ｐと、ＰＷＭ制御部２６７Ｐは、正極直流電圧の調整に利用される。

さらに、回生量制御部２６０は、レベル検出部２６２Ｎと、負極電圧指令調整部２６３Ｎと、論理積回路２６４Ｎと、スイッチ２６５Ｎと、スイッチ２６６Ｎと、ＰＷＭ制御部２６７Ｎと、絶対値回路２６８Ｎを備える。レベル検出部２６２Ｎと、負極電圧指令調整部２６３Ｎと、論理積回路２６４Ｎと、スイッチ２６５Ｎと、スイッチ２６６Ｎと、ＰＷＭ制御部２６７Ｎと、絶対値回路２６８Ｎは、負極直流電圧の調整に利用される。レベル検出部２６２Ｎと、負極電圧指令調整部２６３Ｎと、論理積回路２６４Ｎと、スイッチ２６５Ｎと、スイッチ２６６Ｎと、ＰＷＭ制御部２６７Ｎは、レベル検出部２６２Ｐと、正極電圧指令調整部２６３Ｐと、論理積回路２６４Ｐと、スイッチ２６５Ｐと、スイッチ２６６Ｐと、ＰＷＭ制御部２６７Ｐにそれぞれ対応する。

正極直流電圧の調整に係る構成について説明する。
レベル検出部２６１は、信号MOT_POWERの信号レベルを検出する。例えば、信号MOT_POWERの電圧が正であるときが、インバータ１５０が電動機２０に電力（有効電力）を供給する力行状態であることを示し、負であるときが回生状態であることを示す。レベル検出部２６１は、信号MOT_POWERの信号レベルが正である場合に「０」を出力し、負である場合に「１」を出力する。

レベル検出部２６２Ｐは、正極直流電圧が、第１閾値ＶＴＨ１を超えるか否かを検出する。例えば、レベル検出部２６２Ｐは、正極直流電圧が、第１閾値ＶＴＨ１を超えない場合に「０」を出力し、第１閾値ＶＴＨ１を超える場合に「１」を出力する。第１閾値ＶＴＨ１については後述する。

正極電圧指令調整部２６３Ｐは、予め定められた所定の規則に従い、正極直流電圧に基づいて、正極電圧指令値を調整する。これについては後述する。

スイッチ２６５Ｐの第１入力には、所定の電圧のバイアスレベル（-BIAS）が供給されていて、第２入力には、正極電圧指令調整部２６３Ｐから正極電圧指令値が供給されていて、制御端子には、後述の論理積回路２６４Ｐの出力信号が供給されている。例えば、スイッチ２６５Ｐは、論理積回路２６４Ｐの出力信号が「０」であれば、第１入力に供給されているバイアスレベル（-BIAS）を選択して出力し、同じく「１」であれば、正極電圧指令調整部２６３Ｐから正極電圧指令値を選択して出力する。

論理積回路２６４Ｐは、レベル検出部２６１による信号MOT_POWERの信号レベルの検出結果と、レベル検出部２６２Ｐによる正極直流電圧の検出結果の論理積をとり、ともに「１」である場合に、「１」を出力し、他の場合には「０」を出力する。

スイッチ２６６Ｐの第１入力には、所定の正極バイアス電圧が供給されていて、第２入力には、スイッチ２６５Ｐにより選択された信号が供給されていて、制御端子には、上位装置（不図示）から、回生量制御部２６０の有効化信号が供給される。有効化信号が無効「０」を示す場合に、スイッチ２６６Ｐは、第１入力に供給される所定の正極バイアス電圧を選択して出力する。有効化信号が有効「１」を示す場合に、スイッチ２６６Ｐは、第２入力に供給されるスイッチ２６５Ｐにより選択された信号を選択して出力する。スイッチ２６６Ｐが出力する信号を正極電圧指令と呼ぶ。

ＰＷＭ制御部２６７Ｐは、例えば所定の周期で繰り返す三角波を用いて、上記の正極電圧指令をＰＷＭ制御により変調したゲートパルスを、半導体スイッチング素子２１１Ｐのゲート駆動回路に供給する。これにより、半導体スイッチング素子２１１Ｐは、ＰＷＭ制御部２６７Ｐから供給されたゲートパルスに応じて、導通状態になり、ゲートパルスが供給されない期間は遮断状態になる。なお、ＰＷＭ制御部２６７Ｐは、バイアスレベル（-BIAS）と正極バイアス電圧に対しては、ゲートパルスを出力しない。

以上が、正極直流電圧の調整の説明である。

次に、負極直流電圧の調整について説明する。
負極直流電圧の調整は、基本的には前述の正極直流電圧の調整と同様であるが、電力変換装置１には絶対値回路２６８Ｎがあり、Ｎ側直流電圧の符号を反転する。電力変換装置１は、その符号が反転されたＮ側直流電圧に対して、上記の正極直流電圧の場合と同様に処理をする。上記の正極直流電圧の調整の説明における、「正極直流電圧」を、「Ｎ側直流電圧の絶対値」に置き換えるとよい。なお、スイッチ２６６Ｎが出力する信号を負極電圧指令と呼ぶ。

ＰＷＭ制御部２６７Ｎは、例えば所定の周期で繰り返す三角波を用いて、上記の負極電圧指令をＰＷＭ制御により変調したゲートパルスを、半導体スイッチング素子２１１Ｎのゲート駆動回路に供給する。これにより、半導体スイッチング素子２１１Ｎは、ＰＷＭ制御部２６７Ｎから供給されたゲートパルスに応じて導通状態になることにより、正極直流電圧を下げるように作用する。半導体スイッチング素子２１１Ｎは、ゲートパルスが供給されない期間は遮断状態になることにより、正極直流電圧に影響を与えない。

次に、閾値調整部２７０について説明する。
閾値調整部２７０は、正極電圧指令調整部２６３Ｐにおける予め定められた所定の規則の制限値、例えば、正極電圧指令調整部２６３Ｐで用いられる第１閾値ＶＴＨ１と第２閾値ＶＴＨ２とを調整する。閾値調整部２７０は、レベル検出部２６２Ｐで用いられる第１閾値ＶＴＨ１と、上記の正極電圧指令調整部２６３Ｐで用いられる第１閾値ＶＴＨ１とが互いに同じ値になるように予め調整する。実施形態における閾値調整部２７０は、第２閾値ＶＴＨ２を、予め定められた所定の値に調整する。

図３を参照して、実施形態の正極電圧指令の調整について説明する。図３は、実施形態の正極電圧指令の調整について説明するための図である。図３に示すグラフの横軸は、正極直流電圧を示し、縦軸がＰＷＭ制御の変調率を示す。
正極電圧指令調整部２６３Ｐは、図３に示すような変調率を、正極直流電圧に基づいて導出して、それを出力する。

例えば、正極電圧指令調整部２６３Ｐは、正極直流電圧が第１閾値ＶＴＨ１未満の場合に、変調率の下限値（LLDUTY）を示す信号を出力して、パルス幅を調整可能な範囲内で、最小のパルス幅のゲートパルスを、ＰＷＭ制御部２６７Ｎに出力させる。正極電圧指令調整部２６３Ｐは、正極直流電圧が第１閾値ＶＴＨ１よりも大きな第２閾値ＶＴＨ２を超える場合に、変調率の上限値（ULDUTY）を示す信号を出力して、パルス幅を調整可能な範囲内で最大のパルス幅のゲートパルスを、ＰＷＭ制御部２６７Ｎに出力させる。

上記の正極直流電圧における第１閾値ＶＴＨ１は、変調率を下限値（LLDUTY）から下限値（LLDUTY）を超える値に代える変曲点を規定する。同じく第２閾値ＶＴＨ２は、変調率を上限値（ULDUTY）未満の値から上限値（ULDUTY）に代える変曲点を規定する。

正極電圧指令調整部２６３Ｐは、正極直流電圧が第１閾値ＶＴＨ１から第２閾値ＶＴＨ２までの大きさにある場合、変調率を、下限値（ULDUTY）から上限値（ULDUTY）までの間の値を出力する。例えば、正極電圧指令調整部２６３Ｐは、正極直流電圧が第１閾値ＶＴＨ１から第２閾値ＶＴＨ２まで大きくなるほど、変調率を大きくして、パルス幅を大きくしてもよい。上記のパルス幅を大きくする際には、単調に増加するようにするとよい。さらに、正極直流電圧の変化量と、これに対応する変調率の変化量の比が一定になるように、変調率の変換特性が規定されてもよい。

例えば、回生量制御部２６０は、回生エネルギーがインバータ１５０に供給される回生状態にあるか否かを示す情報と、上記のインバータ１５０の直流側の電圧と上記の閾値とに基づいて、半導体スイッチング素子（２１１Ｐ，２１１Ｎ）の通電を制御してもよい。

上記は、正極電圧指令調整部２６３Ｐの説明であるが、負極電圧指令調整部２６３Ｎについても同様である。例えば、上記の閾値は、インバータ１５０の直流側の電圧に関わる第１閾値ＶＴＨ１と第２閾値ＶＴＨ２とを含み、第２閾値ＶＴＨ２は第１閾値ＶＴＨ１よりも大きな値（絶対値）にする。

正極電圧指令調整部２６３Ｐと負極電圧指令調整部２６３Ｎは、インバータ１５０に流入する回生エネルギーに起因する過電圧状態が生じないように制御する。

図４は、実施形態の回生制御の一例について説明するための図である。
実施形態の回生制御では、例えば、下記の情報を利用する。
第１の情報は、電動機２０が回生中の状態（回生状態）か否か識別するための情報（例えば、信号MOT_POWER。）である。
第２の情報は、直流リンクの直流電圧の検出値又は同検出値に基づいた情報である。例えば、第２情報は、直流電圧の検出値であってもよく、直流電圧の検出値から加工された情報であってもよい。
第３の情報は、電動機２０の角速度ωの変化率に基づく情報角速度変化量Δωである。

例えば、回生量制御部２６０は、第１の情報と第２の情報とに基づいて、場合分けして、回生制御による第１コンデンサ１３０からの放電を実施（単に「放電を実施」という。）するか否かを決定する。

第１の場合は、第１情報（例えば、「回生状態」が０。）によって電動機２０が回生中でないことが示され、つまり電動機２０が稼働中か休止中にあることが示された場合である。この場合には、回生量制御部２６０は、第２情報（直流リンクの電圧）によらず、放電を実施させない。放電を実施させない場合には、回生量制御部２６０は、４つの半導体スイッチング素子（２１１Ｐ、２１２Ｐ、２１２Ｎ，２１１Ｎ）を遮断状態に保つような電圧の電圧指令VCOMPと電圧指令VCOMNを利用してＰＷＭ制御を実施するため、ゲートパルスが生成されない。

第２の場合は、第１情報（例えば、「回生状態」が１。）によって電動機２０が回生中であることが示され、かつ第２情報によって直流電圧の検出値が閾値電圧ＶＴＨ１を超えないこと（例えば、過電圧が非検出であること。）が示された場合である。この場合にも、回生量制御部２６０は、４つの半導体スイッチング素子を遮断状態に保って、放電を実施させない。

第３の場合は、第１情報によって電動機２０が回生中であることが示され、かつ第２情報によって直流電圧の検出値が閾値電圧ＶＴＨ１を超えたことが示された場合である。この場合は、回生量制御部２６０は、放電を実施させる。放電を実施させる場合には、回生量制御部２６０は、放電を実施させる極の半導体スイッチング素子を、所望の時間導通させるような電圧の電圧指令VCOMPと電圧指令VCOMNを生成する。例えば、正極側で過電圧が検出された場合には、半導体スイッチング素子２１１Ｐを導通させることで、放電を実施する。負極側で過電圧が検出された場合には、上記に代えて半導体スイッチング素子２１１Ｎを導通させる。正極側と負極側の両方で過電圧が検出された場合には、半導体スイッチング素子２１１Ｐと２１１Ｎの両方を導通させることで、放電を実施する。

ＰＷＭ制御部２６７ＰとＰＷＭ制御部２６７Ｎは、各半導体スイッチング素子を、所望の時間導通させるような電圧の電圧指令を受けると、この所望の時間に対応するパルス幅のゲート信号を半導体スイッチング素子２１１Ｐと２１１Ｎに供給する。なお、ＰＷＭ制御部２６７ＰとＰＷＭ制御部２６７Ｎは、電圧指令VCOMPと電圧指令VCOMNにより指定される電圧に基づいて、半導体スイッチング素子２１１Ｐと２１１Ｎを導通させる時間を調整する。

上記の場合分けに基づいて、回生量制御部２６０は、回生エネルギーがインバータ１５０に供給される回生状態にあるか否かを示す情報と、直流電圧の検出値とに基づいて、半導体スイッチング素子の通電を制御する。その際に、回生量制御部２６０は、回生エネルギーがインバータ１５０に供給される回生状態にあるか否かを示す情報を、直流電圧の検出値よりも優先させて、半導体スイッチング素子に通電するか否かを決定するとよい。

上記の信号MOT_POWERは、インバータ１５０が回生状態にあるか否かを示す情報の一例であるがこれに代えて、インバータ１５０の出力側の電力の１周期中の平均値が正であれば力行、負であれば回生を示す情報であってもよく、連続値でなく量子化された結果であってもよく、上記を示すフラグ（１ビット）の情報でもよい。

実施形態によれば、電力変換装置１の閾値調整部２７０は、半導体スイッチング素子（２１１Ｐ，２１１Ｎ）の前記通電時間を規定するための閾値を調整する。回生量制御部２６０は、インバータ１５０の直流側の電圧と、半導体スイッチング素子（２１１Ｐ，２１１Ｎ）の通電時間を規定するための閾値とに基づいて、半導体スイッチング素子（２１１Ｐ，２１１Ｎ）の通電時間を決定し、決定された通電時間に基づいて半導体スイッチング素子（２１１Ｐ，２１１Ｎ）の導通を制御する。なお、上記の正極直流電圧と負極直流電圧は、上記のインバータ１５０の直流側の電圧の一例である。これにより、電力変換装置１は、回生エネルギーによる過電圧が生じないように処理することができる。

なお、回生量制御部２６０は、上記の物理量の値が閾値ＶＴＨ１を超えて大きくなるほど、第１コンデンサからの放電電流を流す時間の単位時間当たりの比率が大きくなるように通電時間を調整するとよい。回生量制御部２６０は、上記の物理量の値が閾値ＶＴＨ１を超えて大きくなるほど放電時間を長くすることで、直流リンクの電圧ＴＤＣの電圧の過度な上昇を抑制できる。

（変形例）
図５を参照して実施形態の変形例について説明する。上記の実施形態では、正極電圧指令調整部２６３Ｐの変換特性が、予め規定されている事例について説明した。本変形例では、これに代えて、正極電圧指令調整部２６３Ｐの変換特性を、電動機２０の動作状態又はインバータ１５０の制御状態に適応するように、稼働中に調整してもよい。図５は、変形例における正極電圧指令調整部２６３Ｐの変換特性の調整について説明するための図である。以下、これについて説明する。

ところで、電動機２０を強く制動させる場合には、電動機２０の回転に係る角速度ωの変化量（角速度変化量Δω）も大きくなる。このような場合には、回生エネルギーが大きくなるため、上記の回生制御が実施される可能性が高くなる。

これに対し、変形例の閾値調整部２７０は、角速度変化量Δωに基づいて、正極電圧指令調整部２６３Ｐにおける予め定められた所定の規則の制限値を調整するとよい。ここでいう「予め定められた所定の規則の制限値」とは、例えば、上限値（ULDUTY）のことである。上記の角速度変化量Δω（絶対値）が大きくなるほど、上限値（ULDUTY）を連続的に大きくしてもよく、段階的に大きくしてもよい。

例えば、図５に示す手順に従い上記の制御を実施する。閾値調整部２７０は、角速度変化量Δωが予め定められた基準値を超えたか否かを判定する（ステップＳＡ１１）。角速度変化量Δωがその基準値を超えた場合には、閾値調整部２７０は、第２閾値ＶＴＨ２をより大きな値に変更して（ステップＳ１２）、一連の処理を終える。

角速度変化量Δωがその基準値を超えていない場合には、閾値調整部２７０は、角速度変化量Δωがその基準値を超えていない状態が所定時間以上継続しているか否かを判定する（ステップＳ１３）。角速度変化量Δωがその基準値を超えていない状態が所定時間以上継続した場合には、閾値調整部２７０は、第２閾値ＶＴＨ２をより小さな値に変更して（ステップＳ１４）、一連の処理を終える。

閾値調整部２７０は、角速度変化量Δωがその基準値を超えていない状態が所定時間以上継続しない場合には、一連の処理を終える。

上記のように、閾値調整部２７０は、第２閾値ＶＴＨ２として２つの値を用いて、角速度変化量Δωの大きさに応じて選択することで、上限値（ULDUTY）を調整してもよい。

或いは、これに制限されることなく、単調に大きくなるように上限値（ULDUTY）を規定するとよい。正極電圧指令調整部２６３Ｐは、これに応じた上限値（ULDUTY）まで、ゲートパルスの幅を広めることができる。

なお、閾値調整部２７０は、角速度変化量Δωが所定値未満の状態が所定時間継続した場合に、上限値（ULDUTY）を初期値に戻してもよい。上記の所定時間は、予め定められていてもよい。

このように、閾値調整部２７０は、インバータ１５０に回生エネルギーが供給されるときに変化する物理量の大きさに基づいて、上限値（ULDUTY）に係る第２閾値ＶＴＨ２を調整してもよい。例えば、上記の物理量は、電動機２０の角速度の減速レート、換言すれば角速度変化量Δωに基づき規定される。これによれば、第２閾値ＶＴＨ２を物理量の値に基づいて調整することが可能になる。なお、上限値（ULDUTY）値は、閾値のうちでより大きい方の第２閾値ＶＴＨ２に対応する。

その場合、閾値調整部２７０は、上記の物理量の値が大きくなるほど、第２閾値ＶＴＨ２の値を大きくしてよい。例えば、回生エネルギーが大きくなると、それに伴って物理量の値が大きくなる。そこで、検出された物理量が大きくなるほど第２閾値ＶＴＨ２の値を大きくすることにより、第２閾値ＶＴＨ２による規制を緩和することで、インバータ１５０に流入する回生エネルギーによる過電圧が生じないように処理することができる。

上記の変形例によれば、角速度変化量Δωに基づいて、正極電圧指令調整部２６３Ｐにおける制限値を調整することができ、より回生エネルギーが大きいと角速度変化量Δωに基づいて推定されるときに、直流電圧の過電圧が生じにくくすることができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、電力変換装置１は、第１コンデンサ１３０と、半導体スイッチング素子（２１１Ｐ、２１１Ｎ）と、閾値調整部２７０と、回生量制御部２６０とを備える。第１コンデンサ１３０は、直流電力から交流電力を生成するインバータ１５０の直流側に設けられ、直流側の電圧を平滑化させる。半導体スイッチング素子（２１１Ｐ、２１１Ｎ）は、第１コンデンサ１３０に並列になる並列回路（ＰＣＮ、ＰＣＰ）に設けられ、並列回路（ＰＣＮ、ＰＣＰ）において抵抗（２１７Ｐ，２１７Ｎ：第１抵抗）に直列に接続される半導体スイッチング素子（２１１Ｐ、２１１Ｎ）であって、並列回路（ＰＣＮ、ＰＣＰ）に流れる放電電流を遮断する。閾値調整部２７０は、半導体スイッチング素子（２１１Ｐ、２１１Ｎ）の通電時間を規定するための閾値を調整する。回生量制御部２６０は、インバータ１５０の直流側の電圧と上記の前記閾値とに基づいて、半導体スイッチング素子（２１１Ｐ、２１１Ｎ）の通電時間を決定し、決定された通電時間に基づいて半導体スイッチング素子（２１１Ｐ、２１１Ｎ）の導通を制御する。これにより、電力変換装置１は、回生エネルギーによる過電圧が生じないように処理することができる。

上記の制御装置は、その少なくとも一部を、ＣＰＵなどのプロセッサがプログラムを実行することにより機能するソフトウェア機能部で実現してもよく、全てをＬＳＩ等のハードウェア機能部で実現してもよい。

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同様に、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ものである。

１…電力変換装置、１１０…整流器、１２０…リアクタンス、１３０…第１コンデンサ、１５０…インバータ、１６０…インバータ制御部、１７０…電圧検出部、２１０…回生量調整部、２１０Ｐ…正極側回生量調整部、２１１Ｐ、２１２Ｐ…半導体スイッチング素子、２１３Ｐ、２１４Ｐ…フリーホイールダイオード、２１７Ｐ…抵抗、２６０…回生量制御部、２６２Ｐ…レベル検出部、２６３Ｐ…正極電圧指令調整部、２６４Ｐ…論理積回路、２６５Ｐ、２６６Ｐ…スイッチ、２６７Ｐ…ＰＷＭ制御部、２６８Ｐ…絶対値回路

Claims

直流電力から交流電力を生成するインバータの直流側に設けられ、前記直流側の電圧を平滑化させる第１コンデンサと、
前記第１コンデンサの並列回路に設けられ、前記並列回路において第１抵抗に直列に接続される半導体スイッチング素子であって、前記並列回路に流れる放電電流を遮断する半導体スイッチング素子と、
前記半導体スイッチング素子の通電時間を規定するための閾値を調整する閾値調整部と、
前記インバータの直流側の電圧と前記閾値とに基づいて、前記半導体スイッチング素子の前記通電時間を決定し、決定された前記通電時間に基づいて前記半導体スイッチング素子の導通を制御する回生量制御部と、
を備え、
前記回生量制御部は、
回生エネルギーが前記インバータに供給される回生状態にあるか否かを示す情報と、前記インバータの直流側の電圧と前記閾値とに基づいて、前記半導体スイッチング素子の通電を制御して、
前記閾値は、前記インバータの直流側の電圧に関わる第１閾値ＶＴＨ１と、前記第１閾値ＶＴＨ１よりも大きい値の第２閾値ＶＴＨ２とを含み、
前記回生量制御部は、
前記インバータの直流側の電圧の値が前記第１閾値ＶＴＨ１を超えて大きくなるほど、前記第１コンデンサからの放電電流を流す時間の単位時間当たりの比率が大きくなるように前記通電時間を調整する、
電力変換装置。
直流電力から交流電力を生成するインバータの直流側に設けられ、前記直流側の電圧を平滑化させる第１コンデンサと、
前記第１コンデンサの並列回路に設けられ、前記並列回路において第１抵抗に直列に接続される半導体スイッチング素子であって、前記並列回路に流れる放電電流を遮断する半導体スイッチング素子と、
前記半導体スイッチング素子の通電時間を規定するための閾値を調整する閾値調整部と、
前記インバータの直流側の電圧と前記閾値とに基づいて、前記半導体スイッチング素子の前記通電時間を決定し、決定された前記通電時間に基づいて前記半導体スイッチング素子の導通を制御する回生量制御部と、
を備え、
前記回生量制御部は、
回生エネルギーが前記インバータに供給される回生状態にあるか否かを示す情報と、前記インバータの直流側の電圧と前記閾値とに基づいて、前記半導体スイッチング素子の通電を制御して、
前記閾値は、前記インバータの直流側の電圧に関わる第１閾値ＶＴＨ１と、前記第１閾値ＶＴＨ１よりも大きい値の第２閾値ＶＴＨ２とを含み、
前記インバータの負荷は、電動機であり、
前記閾値調整部は、
前記インバータに前記回生エネルギーが供給されるときに変化する前記電動機の角速度の減速レートの大きさに基づいて、前記第２閾値ＶＴＨ２を調整する、
電力変換装置。
前記閾値調整部は、
前記電動機の角速度の減速レートの値が大きくなるほど、前記第２閾値ＶＴＨ２の値を大きくする、
請求項２に記載の電力変換装置。
ダイオードコンバータをさらに備える、
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の電力変換装置。