JP7457240B2 - 電力変換装置及びそれを備えたモータ模擬装置 - Google Patents

Description

本発明は、入力電圧を所定の出力電圧に変換する電力変換装置及びそれを備えたモータ模擬装置に関する。

入力電圧を所定の出力電圧に変換する電力変換装置として、３レベルの電位を生成する３レベルインバータを備えた構成が知られている。例えば特許文献１には、三相交流電力を出力する３レベルインバータ回路を備えているインバータ装置が開示されている。

上述のような３レベルインバータは、複数のスイッチング素子のスイッチング動作によって、直流電源の負極の電位、正極の電位、または、それらの中間の電位のうちいずれかの電位を出力する。前記３レベルインバータのスイッチング素子に印加される電圧は、２レベルインバータのスイッチング素子に印加される電圧の半分である。

特開２０１９－１７６６４７号公報

上述のように、前記特許文献１に開示されている３レベルインバータのスイッチング素子に印加される電圧は、２レベルインバータのスイッチング素子に印加される電圧の半分である。そのため、２レベルインバータのスイッチング素子と同等の耐圧を有するスイッチング素子を３レベルインバータに用いた場合、３レベルインバータの出力電圧を、２レベルインバータの出力電圧に比べて２倍にすることができる。

また、３レベルインバータは３レベルの電圧を出力できるため、３レベルインバータから出力される電圧の波形は、２レベルインバータから出力される電圧の波形に比べて、正弦波に近い。

ところで、上述のように３レベルインバータの出力電圧を２レベルインバータの出力電圧に対して２倍にすると、１段階の電圧の上昇幅は同じになるため、前記３レベルインバータから出力される電圧の波形の精度は、２レベルインバータから出力される電圧の波形の精度と同程度である。このように、３レベルインバータの出力電圧を高電圧化できる効果と、該３レベルインバータから出力される電圧の波形が正弦波により近い波形である効果とは、両立できない。

これに対し、３レベルインバータで得られる上述の２つの効果を最大限、得られるような構成が望まれている。

本発明の目的は、入力電圧を出力電圧に変換する電力変換装置において、３段階以上の出力電圧を生成可能なマルチレベルインバータの効果を最大限、得られるような構成を得ることにある。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置は、複数段階の入力電圧を生成可能な直流電源部と、前記入力電圧から３段階以上の出力電圧を生成するマルチレベルインバータと、を備える（第１の構成）。

これにより、直流電源部で生成する入力電圧を変えることにより、マルチレベルインバータから、必要とされる出力を容易に得ることができる。すなわち、前記入力電圧を、例えば２レベルインバータと同程度の入力電圧にすることで、前記マルチレベルインバータから出力される電圧波形を、２レベルインバータが出力する電圧波形よりも、正弦波に近い波形にすることができる。一方、前記入力電圧を、例えば２レベルインバータの入力電圧に対して２倍にすることで、前記マルチレベルインバータの出力電圧を２倍にすることができる。

このように直流電源部で生成する入力電圧を複数段階で切り替えることにより、マルチレベルインバータの異なる効果を容易に得ることができる。したがって、３段階以上の出力電圧を生成可能なマルチレベルインバータの効果を最大限、得られるような構成を実現できる。

前記第１の構成において、前記直流電源部は、複数の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータを含む（第２の構成）。これにより、電力変換装置内で回り込み電流が流れるのを、絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータによって防止できる。また、直流電源部が絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータを含むことで、トランス及びコンバータを別に設ける必要がないため、電力変換装置の小型化を図れる。

前記第１または第２の構成において、前記直流電源部は、前記複数の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータを電気的に直列に接続する直列回路と前記複数の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータを電気的に並列に接続する並列回路とに切り替え可能な接続回路と、前記複数の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータの駆動を制御する電源駆動制御部と、を有する（第３の構成）。

これにより、複数の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータの回路構成を、直列回路と並列回路とに容易に切り替えることができる。よって、直流電源部で生成される入力電圧を容易に切り替えることができる。したがって、複数段階の入力電圧を生成可能な直流電源部を実現できる。

前記第３の構成において、前記電源駆動制御部は、前記接続回路によって前記複数の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータが電気的に並列に接続されている場合、前記複数の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータのうち一つの絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータを電圧制御する一方、前記複数の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータのうち残りの絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータを電流制御する（第４の構成）。

このように複数の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータが電気的に並列に接続されている場合、並列に接続された複数の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータをそれぞれ電圧制御すると、各絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータの制御が不安定になる。これに対して、上述のように一つ以外の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータに対して電流制御を行うことにより、各絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータの制御が不安定になるのを防止できる。よって、各絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータを精度良く制御することができる。

しかも、上述の構成により、各絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータに流れる電流のアンバランスが抑制されるため、より多くの電流を各絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータに流すことができる。よって、電力変換装置の出力をより大きくすることができる。

本発明の一実施形態に係るモータ模擬装置によれば、モータ模擬装置は、請求項１から４のいずれか一つに記載の電力変換装置を備え、供試インバータによって駆動されるモータを模擬するように動作する（第５の構成）。

これにより、モータ模擬装置として、異なる効果を容易に実現することができる。すなわち、モータ模擬装置において、出力電圧の高電圧化または出力電圧波形の高精度化を容易に実現できる。

本発明の一実施形態に係る電力変換装置は、複数段階の入力電圧を生成可能な直流電源部と、前記入力電圧から３段階以上の出力電圧を生成するマルチレベルインバータと、を備える。これにより、入力電圧を出力電圧に変換する電力変換装置において、３段階以上の出力電圧を生成可能なマルチレベルインバータの効果を最大限、得られるような構成を実現できる。

図１は、実施形態に係る電力変換装置の概略構成を示すブロック図である。 図２は、接続回路によって、２つの絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータが電気的に直列に接続された状態を示すブロック図である。 図３は、接続回路によって、２つの絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータが電気的に並列に接続された状態を示すブロック図である。 図４は、３レベルインバータの概略構成を示す回路図である。 図５は、３レベルインバータの概略構成を示す回路図である。 図６は、電力変換装置を備えたモータ模擬装置を含むインバータ試験装置の概略構成を示すブロック図である。 図７は、従来のインバータ試験装置の概略構成を示すブロック図である。 図８は、その他の実施形態に係る電力変換装置の概略構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中の同一または相当部分については同一の符号を付してその説明は繰り返さない。

図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置１の概略構成を示す図である。この電力変換装置１は、直流電源部で生成される入力電圧から、３レベルインバータによって３段階の出力電圧を生成する。電力変換装置１は、例えば、供試インバータ３によって駆動されるモータを模擬するモータ模擬装置２に用いられる。

電力変換装置１は、直流電源部１０と、３レベルインバータ２０とを有する。

直流電源部１０は、複数段階の入力電圧を生成可能である。すなわち、直流電源部１０は、電圧が異なる複数種類の入力電圧を生成可能である。具体的には、本実施形態では、直流電源部１０は、２つの絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１，１２と、２つの電源駆動制御部１３，１４と、接続回路３０とを有する。しかしながら、直流電源部は、３つ以上の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータを有していてもよいし、非絶縁型コンバータを有していてもよいし、他の直流電源装置を有していてもよい。

複数の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１，１２は、第１絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１と、第２絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１２とを含む。ここで、絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータとは、ＤＣ－ＤＣコンバータの入力側と出力側とが電気的に絶縁分離されているＤＣ－ＤＣコンバータであり、例えばトランスを有する。

なお、特に図示しないが、第１絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１及び第２絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１２には、それぞれ、バッテリ装置やキャパシタなどの直流電源が電気的に接続されている。

第１絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１は、第１電源駆動制御部１３によって駆動制御される。第２絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１２は、第２電源駆動制御部１４によって駆動制御される。本実施形態では、第１電源駆動制御部１３は、第１絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１を電圧制御する。第２電源駆動制御部１４は、第２絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１２を電圧制御する。

第１絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１及び第２絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１２は、接続回路３０によって、互いに電気的に直列または並列に接続される。すなわち、接続回路３０は、複数の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータを電気的に直列に接続する直列回路と、複数の絶縁型ＤＣ－Ｃコンバータを電気的に並列に接続する並列回路とを切り替え可能に構成されている。

詳しくは、接続回路３０は、第１絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１と３レベルインバータ２０とを電気的に接続する第１母線３１及び第２母線３２と、第１母線３１と第２絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１２とを電気的に接続する第１分岐線３３と、第２母線３２と第２絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１２とを電気的に接続する第２分岐線３４と、第２母線３２と第１分岐線３３とを電気的に接続するバイパス線３５とを有する。

第１母線３１及び第２母線３２によって、第１絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１と３レベルインバータ２０とを電気的に接続することができる。よって、第１絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１から３レベルインバータ２０に直流電力を供給することができる。

第１分岐線３３、第２分岐線３４及びバイパス線３５のうち少なくとも２つの配線によって、第２絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１２と３レベルインバータ２０とを電気的に接続することができる。よって、第２絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１２から３レベルインバータ２０に直流電力を供給することができる。

また、接続回路３０は、第２母線３２において、第２分岐線３４との接続部と、バイパス線３５との接続部との間に位置する第１スイッチ３６と、第１分岐線３３において、第１母線３１との接続部と、バイパス線３５との接続部との間に位置する第２スイッチ３７と、バイパス線３５に位置する第３スイッチ３８とを有する。

これらのスイッチのオン及びオフを切り替えることにより、第２絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１２が第１絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１に対して電気的に直列または並列に接続される。

詳しくは、図２に示すように、第３スイッチ３８をオンにする一方、第１スイッチ３６及び第２スイッチ３７をオフにすることにより、第１絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１と第２絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１２とが電気的に直列に接続される。図２に示す回路の状態が、第１絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１と第２絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１２とが電気的に直列に接続された直列回路である。

図３に示すように、第１スイッチ３６及び第２スイッチ３７をオンにする一方、第３スイッチ３８をオフにすることにより、第１絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１と第２絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１２とが電気的に並列に接続される。図３に示す回路の状態が、第１絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１と第２絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１２とが電気的に並列に接続された並列回路である。

このように、接続回路３０によって、第１絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１と第２絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１２とが電気的に直列に接続された直列回路と、第１絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１と第２絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１２とが電気的に並列に接続された並列回路とを容易に切り替えることができる。

これにより、直流電源部１０は、前記直列回路の場合の入力電圧と、前記並列回路の場合の入力電圧とを生成することができる。なお、直流電源部は、複数段階の入力電圧を生成可能な構成であれば、他の構成を有していてもよい。

図４は、３レベルインバータ２０の概略構成を示す回路図である。なお、図４では、説明簡略化のために、１相分のみを図示している。符号Ｖ１は直流電源であり、符号Ｃ１，Ｃ２はキャパシタである。キャパシタＣ１，Ｃ２は、電気的に直列に接続されている。

３レベルインバータ２０は、第１スイッチング素子２１と、第２スイッチング素子２２と、第３スイッチング素子２３と、第４スイッチング素子２４と、第１ダイオード２５と、第２ダイオード２６とを有する。

第１スイッチング素子２１、第２スイッチング素子２２、第３スイッチング素子２３及び第４スイッチング素子２４は、電気的に直列に接続されている。第１ダイオード２５及び第２ダイオード２６は、電気的に直列に接続されている。電気的に直列に接続された第１ダイオード２５及び第２ダイオード２６は、電気的に直列に接続された第２スイッチング素子２２及び第３スイッチング素子２３に対して、電気的に並列に接続されている。電気的に直列に接続された第１ダイオード２５及び第２ダイオード２６の中点は、電気的に直列に接続されたキャパシタＣ１，Ｃ２の中点に電気的に接続されている。

上述の構成を有する３レベルインバータ２０において、例えば第２スイッチング素子２２及び第３スイッチング素子２３をＯＮにして、他のスイッチング素子をＯＦＦにすることで、第１ダイオード２５及び第２スイッチング素子２２に電流が流れる（図４の実線矢印参照）。このとき、第４スイッチング素子２４には、Ｖｄｃ／２の電圧が印加される。よって、出力電圧は、Ｖｄｃ／２である。

また、３レベルインバータ２０において、第１スイッチング素子２１及び第２スイッチング素子２２をオンにして、他のスイッチング素子をＯＦＦにすることで、第１スイッチング素子２１及び第２スイッチング素子２２に電流が流れる（図５の実線矢印参照）。このとき、出力電圧は、Ｖｄｃである。

また、３レベルインバータ２０において、第３スイッチング素子２３及び第４スイッチング素子２４をオンにして、他のスイッチング素子をＯＦＦにすることで、出力電圧はゼロになる。

このように、３レベルインバータ２０は、０、Ｖｄｃ／２、Ｖｄｃの３段階の出力電圧を生成することができる。

３レベルインバータ２０では、上述のように３段階の出力電圧を生成できるため、ＰＷＭ駆動信号を生成する際に、２レベルインバータに比べて正弦波に近い波形を生成できる。よって、３レベルインバータ２０は、より高精度な出力電圧波形を生成して出力することができる。

また、３レベルインバータ２０では、１つのスイッチング素子に印加される電圧が２レベルインバータのスイッチング素子に印加される電圧の半分である。よって、３レベルインバータ２０に、２レベルインバータと同じ耐圧のスイッチング素子を用いても、該２レベルインバータに対して２倍の出力電圧を生成することができる。したがって、３レベルインバータ２０は、出力電圧を高電圧化することができる。

ところで、上述のように３レベルインバータの出力電圧を２倍にした場合、１段階の電圧の上昇幅は同じになるため、２レベルインバータと同程度の精度を有する出力電圧波形が生成される。このように、従来の電力変換装置では、３レベルインバータが有する上述のような２つの効果を両立することは難しかった。

これに対し、本実施形態のように、直流電源部１０を構成する第１絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１及び第２絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１２を用いて、３レベルインバータ２０の入力電圧を可変にすることで、３レベルインバータ２０で要求される効果を前記入力電圧に応じて容易に得ることができる。

すなわち、本実施形態では、電力変換装置１は、複数段階の入力電圧を生成可能な直流電源部１０と、前記入力電圧から３段階の出力電圧を生成する３レベルインバータ２０と、を備える。これにより、直流電源部１０で生成する入力電圧を変えることにより、３レベルインバータ２０から、必要とされる出力を容易に得ることができる。すなわち、前記入力電圧を、例えば２レベルインバータと同程度の入力電圧にすることで、３レベルインバータ２０から出力される電圧波形を、２レベルインバータが出力する電圧波形よりも、正弦波に近い波形にすることができる。一方、前記入力電圧を、例えば２レベルインバータの入力電圧に対して２倍にすることで、３レベルインバータ２０の出力電圧を２倍にすることができる。

このように直流電源部１０で生成する入力電圧を複数段階で切り替えることにより、３レベルインバータ２０の異なる効果を得ることができる。したがって、３段階の出力電圧を生成可能な３レベルインバータ２０の効果を最大限、得られるような構成を実現できる。

図６は、電力変換装置１を備えたモータ模擬装置２を含むインバータ試験装置Ｔの概略構成を示すブロック図である。図６において、符号３は供試インバータであり、符号４はバッテリ模擬装置であり、符号５はコンバータであり、符号６は出力リアクトルである。

図６に示すように絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１，１２を用いることにより、モータ模擬装置２と供試インバータ３とを電気的に絶縁することが可能になる。

インバータ試験装置の従来の構成例を図７に示す。この図７に示すように、インバータ試験装置Ｔ０は、回り込み電流を防止するために、交流電流をトランス５で電気的に絶縁し、モータ模擬装置２側のコンバータ５１及び供試インバータ３側のコンバータ５２でそれぞれ交流電力から直流電力への電力変換を行う。

図６に示す構成では、交流電流を電気的に絶縁する図７の構成に比べて、用いるトランスの小型化を図れる。しかも、図６の構成では、モータ模擬装置２側及び供試インバータ３側にそれぞれＡＣ－ＤＣコンバータを設ける必要がないため、図７の構成に比べてコンバータの容量を低減できる。よって、インバータ試験装置Ｔの小型化を図れる。

（その他の実施形態）
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

前記実施形態では、電力変換装置１は、３レベルインバータ２０を有する。しかしながら、電力変換装置は、３段階以上の出力電圧を生成可能なマルチレベルインバータを有していてもよい。

前記実施形態では、第１電源駆動制御部１３及び第２電源駆動制御部１４は、３レベルインバータ２０の電流に応じて、第１絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１及び第２絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１２を電圧制御する。しかしながら、１つの電源駆動制御部が絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータを電圧制御し、他の電源駆動制御部が絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータを電流制御してもよい。

図８は、第１電源駆動制御部１３が第１絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１を電圧制御し、第２電源駆動制御部１４が第２絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１２を電流制御する様子を、模式的に示す図である。第１絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１及び第２絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１２が電気的に並列に接続されている場合、第１電源駆動制御部１３が第１絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１を電圧制御する一方、第２電源駆動制御部１４が第２絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１２を電流制御する。これにより、電流検出部４０で検出された電流に応じて第１絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１及び第２絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１２から３レベルインバータ２０にバランス良く電流を流すことができる。これにより、３レベルインバータ２０の入力電圧を精度良く制御することができる。

電力変換装置が複数の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータと複数の電源駆動制御部とを有する場合、前記複数の電源駆動制御部は、前記複数の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータのうち一つの絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータを電圧制御する一方、前記複数の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータのうち残りの絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータを電流制御する。

なお、第１電源駆動制御部１３及び第２電源駆動制御部１４は、３レベルインバータの電圧を検出し、該検出した電圧に応じて、第１絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１１及び第２絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ１２を電流制御してもよい。

前記実施形態では、３レベルインバータ２０は、図４及び図５に示すような回路構成を有する。しかしながら、３レベルインバータは、入力電圧から３段階の出力電圧を生成可能な回路構成であれば、他の回路構成を有していてもよい。

本発明は、入力電圧から３段階以上の出力電圧を生成するマルチレベルインバータを備えた電力変換装置に利用可能である。

１ 電力変換装置
２ モータ模擬装置
３ 供試インバータ
４ バッテリ模擬装置
５ トランス
６ 出力リアクトル
１０ 直流電源部
１１ 第１絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ
１２ 第２絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ
１３ 第１電源駆動制御部
１４ 第２電源駆動制御部
２０ ３レベルインバータ
２１ 第１スイッチング素子
２２ 第２スイッチング素子
２３ 第３スイッチング素子
２４ 第４スイッチング素子
２５ 第１ダイオード
２６ 第２ダイオード
３０ 接続回路
３１ 第１母線
３２ 第２母線
３３ 第１分岐線
３４ 第２分岐線
３５ バイパス線
３６ 第１スイッチ
３７ 第２スイッチ
３８ 第３スイッチ
５０ トランス
５１、５２ コンバータ
Ｔ、Ｔ０ インバータ試験装置
Ｃ１、Ｃ２ キャパシタ
Ｖ１ 直流電源

Claims (2)

1. 複数段階の入力電圧を生成可能な直流電源部と、
   前記入力電圧から３段階以上の出力電圧を生成するマルチレベルインバータと、
   を備え、
   前記直流電源部は、複数の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータを含み、
   前記直流電源部は、
   前記複数の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータの出力側を電気的に直列に接続する直列回路と前記複数の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータの出力側を電気的に並列に接続する並列回路とに切り替え可能な接続回路と、
   前記複数の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータの駆動を制御する電源駆動制御部と、
   を有し、
   前記電源駆動制御部は、前記接続回路によって前記複数の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータが電気的に並列に接続されている場合、前記複数の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータのうち一つの絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータを電圧制御する一方、前記複数の絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータのうち残りの絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータを電流制御する、
   電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置を備え、供試インバータによって駆動されるモータを模擬するように動作する、モータ模擬装置。

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