JPH0832185B2 - パルス幅変調方式インバータの制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、GTOなどの、自己遮断能力を有する半導体
スイツチング素子を主回路のスイツチング素子として用
いたパルス幅変調方式のインバータの制御装置に係り、
特に、電気車用可変電圧可変周波数インバータに好適な
パルス幅変調方式インバータの制御装置に関する。

［従来の技術］ 近年、走行駆動用モータとして、誘導電動機などの交
流電動機を用い、これをGTOなどの自己遮断能力をもつ
た半導体スイツチング素子を主回路スイツチング素子と
したVVVF（可変電圧可変周波数）インバータで駆動制御
する方式の電気車が注目されているが、このような主回
路にGTO素子を用いて誘導電動機を駆動するVVVFインバ
ータ装置においては、出力電圧の基本波成分である変調
波信号と三角波等の帆走波との比較でパルス信号を作成
する、いわゆるパルス幅変調方式が従来から採用されて
いる。

このうち、回路構成を簡単にしてデイジタル化を図つ
たパルス幅変調方式の制御装置に関連するものとして
は、例えば特開昭60−70978号，特開昭60−134772号等
により開示されている。

［発明が解決しようとする課題］ 上記従来技術は、インバータ装置のスイツチング動作
スタート時、いわゆるゲートスタート時における主回路
での電圧分布モードについて特に配慮がされておらず、
たまたま特定の電圧分布モードになつていたときに相短
絡をひき起すという問題点があつた。すなわち、上記従
来技術では、パルス幅変調信号を作成する制御装置であ
り、ゲート信号のスタートタイミングについては明示さ
れていない。

しかして、ゲートスタート時にパルス幅変調信号で決
まる点弧順で点弧させる場合、主回路の上下アームに印
加されている電圧はバランスがとれているとは限らず、
オン信号の与えられていないアームのフリーホイールダ
イオードにフリーホイール電流の流れるモードが存在し
得るが、このときには、フリーホイールダイオードの順
方向電圧降下でGTO素子のゲートからアノードへ向かつ
て電流が流れ、GTO素子の耐圧が著しく低下する現象を
生じる。このとき、対をなしている上下のアームにオン
信号を与えると、耐圧の低下しているアームの素子の方
も点弧してしまい、相短絡となつてGTO素子を破壊して
しまう問題を生じてしまうのである。

本発明の目的は上記のようなモードの発生をなくし、
常に正常なゲートスタートを行う制御装置を提供するこ
とにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的は、インバータをゲートスタートさせるとき
には、それに先立つて、主回路のアームの上か下の一方
の全てのスイツチング素子にオン信号が、所定時間、与
えられるようにして達成される。

［作用］ インバータ主回路の上下アームのうちの一方のアーム
に存在する全相のスイツチング素子に、同時にオン信号
を与えたあとでゲートスタートさせれば、その素子を消
弧するとき、上記オン信号が与えられたことにより、そ
のゲード，カソード間には逆バイアスが印加されるの
で、フリーホイールダイオードの順方向電圧降下による
カソードからゲート，アノードに電流が流れる状態での
電圧分布モードの発生がなく、GTOなどのスイツチング
素子の耐圧の低下を防ぐことができる。

［実施例］ 以下、本発明によるパルス幅変調方式インバータの制
御装置について、図示の実施例により詳細に説明する。

第２図は本発明の一実施例が適用された、VVVFインバ
ータ制御による電気車の一例を示したもので、架線から
パンタグラフ,LCフイルタ回路を介して電源から供給さ
れた直流電力を、主回路TM,PWM信号制御部PC,ゲート信
号発生部GGなどからなるVVVFインバータ装置で可変電圧
可変周波数の３相交流電力に変換し、電気車推進用の誘
導電動機Ｍに供給して電気車を走行させるようになつて
いるものである。

このとき、誘導電動機Ｍによつて得られるトルクは、
大略、この電動機Ｍのすべり周波数F_sで決められるの
で、電流検出器CDで検出した電動機電流I_Mと、トルク指
令値I_pとを電動機電流制御部CCで比較し、この比較結果
に基づいてすべり周波数F_sを得ると共に、パルスジエネ
レータPGとロータ周波数検出部RCでロータ周波数F_Rを
得、これらを加算器ADで加算することによりインバータ
周波数F_INVを求め、これをPWM信号制御部PCに入力し、
所定の出力電圧と出力周波数の交流電力が主回路IMから
得られるように、パルス幅変調を行うのである。

また、このとき、主回路IMの入力直流電圧が変動する
と出力交流電圧が影響を受けるため、この入力直流電圧
V_sを電圧制御部VDで検出し、制御信号P_vをPWM信号制御
部PCが取込んで補正するようになつている。

第１図は本発明によるパルス幅変調方式インバータの
制御装置の一実施例で、第２図のシステムにおけるPWM
信号制御部PCとゲート信号発生部GGに対応するものであ
り、以下、本発明の一実施例について、この第１図によ
り説明する。第１図において、１はマイクロコンピユー
タで、種々のパラメータからパルス幅変調信号作成のた
めの変調率信号やゲートのオン／オフタイミングを出力
するもの、２は変調率信号と搬送波信号とを比較してパ
ルス幅変調信号を作成し、また基本クロツク信号IMCKを
発生する変調回路、３はパルス幅変調信号のラツチ回
路、４はゲートスタート時にオン信号を三相同時にスタ
ートさせるためのタイミングを作成する同期回路、５は
同期回路４の出力で制御され、ROM22に格納されている
オフ信号に関するデータを読み出すクロツクを設定する
オフ信号のカウンタ回路、６はオフ信号のカウンタ回路
５のクロツクで読み出されるROM22のデータの中のオン
開始信号ONSTによつて動作を開始し、ROM22に格納され
ているオン信号に関するデータを読み出すクロツクを設
定するオン信号のカウンタ回路、７はパルス幅変調信号
の時間幅が最小オフ時間よりも短い場合にラツチ回路２
のクロツクを制御し、少なくとも最小オフ時間幅を確保
するラツチ制御回路、８はラツチ回路２の出力の変化状
態から上下アームの切替えタイミングを作成するタイミ
ング回路、９はこの切替えタイミングから上下各アーム
の点弧及び消弧のタイミングを決定するセレクタ回路、
10はセレクタ回路９のデータとROM22のオン時間データO
Nとから上下アームのオン信号を作成する出力信号論理
回路、11は出力信号論理のタイミングとオフ時間データ
OFFとから上下アームのオフ信号を作成するオフ信号論
理回路、12は短絡検知信号MASKからMASK信号を作成する
MASK信号回路、13は出力信号論理のタイミングから２相
で反転させた上下アームのオン信号を作成するオン信号
の論理回路、14は一斉オン及び一斉オフ信号を発生する
ハード側の検知回路、15は一斉オン及び一斉オフ信号と
マイクロコンピユータ１から出力されるゲートのオン／
オフタイミングをラツチするラツチ回路、16はラツチし
た一斉オン信号のパルス幅を確保するオン信号回路、17
はオフタイミングのパルス幅を確保するオフ信号回路、
18はオンとオフ信号の優先順位を決定し、またオンとオ
フのモードを設定するオン／オフ信号順位回路、19は一
斉オフモードのラツチ回路、20は一斉オンモードと出力
論理タイミングとから一斉オン時のアームの点弧状況を
判定し、消弧しているアームの点弧タイミングをセレク
タ９に出力するオンアーム判定回路、21は一斉オン時に
オン信号のカウンタをクリアするタイミングを作成する
リセツト回路、22はパルス幅変調信号のラツチを制御す
るためのCHG信号，オン信号と同期する短絡検知信号MAS
K、最小オフ時間データOFF,オン時間データON,オフ信号
のカウンタの終了信号OFSP,オン信号のカウンタの開示
指示信号ONSTと終了信号ONSTの各時間管理データを格納
したROM、23は一斉オフ信号とゲートのオン／オフタイ
ミングを合成するゲート回路、24はオン信号のカクンタ
回路のゲート回路である。

次に、第３図，第４図を用いて動作の説明を行う。

まず、第３図は主回路Ｖ相の上下アームを示し、ゲー
トスタート時にＵ相,W相の下アームとＶ相の上アームを
点弧するという動作パターンになつた場合を説明するた
めのもので、GGは第１図の実施例を総括したゲート信号
発生部、VPはＶ相上アームのGTO素子、VNは下アームのG
TO素子、D_FVPは上アームのフライホイールダイオード、
D_FVNは下アームのフライホイールダイオード、R_VP，R_VN
はGTO素子のゲート、カソード間に接続される抵抗、I_F
はフリーホイール電流、I_KGはフリーホイールダイオー
ドD_FVNの順方向電圧降下によつてGTO素子VNのカソード
側から抵抗R_VNを介してゲートへ、更にアノードへと流
れる電流、I_Vは上アームのGTO素子VPを点弧した時の電
流、40は誘導電動機の交流側巻線に接続される端子、50
は直流電源、51はGNDである。次に、第四図はゲートス
タート時に三相の下アームを同時に点弧させた後、第３
図の点弧パターンで動作させる場合で、第３図と同一部
分には同一符号を付してあり、I_OFFはGTO素子VNを消弧
させる場合にカソード，ゲート間に印加される逆バイア
スによつて流れる電流である。

ここでゲートスタート時を考えると、アームの点弧順
はパルス幅変調信号の状態で決まるが、必ずしも各アー
ム三相同時に点弧するタイミングであるとは限らない。
例えば、第３図のように、U,W相の下アームを点弧し、
その後Ｖ相の上アームが点弧する動作パターンでは、Ｖ
相の下アームにフリーホイール電流I_Fが流れるモードが
生じ、ダイオードD_FVNの順方向電圧降下で点線で示すよ
うに電流I_KGが流れ、このためGTO素子VNの耐圧が著しく
低下する現象が生じる。この時にGTO素子VPを点弧させ
るとGTO素子VNの方も点弧してしまい、相短絡となり素
子を破壊してしまう。

ここで、上記のモードの発生について、詳しく説明す
る。

以上の説明では省略されたいたが、インバータの主回
路スイツチング素子には、第７図に示すように、フリー
ホイールダイオードD_FVP，D_FVNの外にもスナバ回路用の
コンデンサC_SVP，C_SVNと、ダイオードD_FVP，D_FVNが設け
られている。なお、この第７図では、Ｖ相アームについ
てだけ示されているが、他のＵ相,W相のアームについて
も、全く同じようにして設けられていることは、言うま
でもない。

そして、このスナバ回路、特に、そのスナバコンデン
サの存在が、上記したモードの現出に大きな意味をもつ
ているのである。

第５図はPWM変調波と搬送波、それにPWM信号PWU,PWV,
PWWの関係を表わす図であるが、ここで、いま、ゲート
スタートのタイミングが、例えば図示のＡ点であつたと
すると、このＡ点で、まず第６図に示すように、オンゲ
ート信号GUN,GWNがGTO素子UN,WNに印加され、第７図に
示すように、これらのGTO素子UN,WNがオンする。なお、
オンしたGTO素子は、ハツチングで塗りつぶして示して
ある。そして、これにより、直流電源からスナバコンデ
ンサC_SVPと誘導電動機Ｍの巻線L_Vを経て他の巻線L_U，L_W
に分流して流れる充電々流I_Cを生じる。なお、この電流
I_Cは、スナバコンデンサC_SVPのキヤパシタンスと、巻線
L_U，L_V，L_Wのインダクタンスによる振動電流となる。

ところで、この充電々流I_Cは、スナバコンデンサC_SVP
が直流電源の電圧に等しい電圧V_Sにまで充電されるまで
流れるが、電圧がV_Sにまで達すると流れなくなり、今度
は第８図に示すように、誘導電動機Ｍの巻線L_U，L_V，L_W
のインダクタンス分に蓄えられた磁束により、フリーホ
イールダイオードD_FVNを通る電流I_Fを発生するモードと
なる。そして、このモードでは、この電流I_Fによりフリ
ーホイールダイオードD_FVNの順方向電圧V_FVNが現われ
る。

このときでの順方向電圧V_FVNは3V程度であるが、この
電圧V_FVNにより、今度は第９図に破線の矢印で示すよう
に、Ｇ−Ｋ間抵抗R_VNを介してGTO素子VNのゲートからア
ノードに向う電流I_KGが流れるモードを生じ、上記した
ように、GTO素子VNのdV/dt耐量が劣化してしまうのであ
る。

そして、この後、第６図に示すように、ゲートスター
ト時点Ａから所定の遅れ時間tdが経過すると、ここでＵ
相上アームのGTO素子VPに対するオンゲート信号GVPも立
上り、この結果、第10図に示すように、この上アームの
GTO素子VPがオンするが、このとき、上記したように、
下アムのGTO素子VNは、そのdV/dt耐量が低下させられて
いるため、上アームのGTO素子VPがオンしたことにより
下アームのGTO素子VNも点弧してしまい、アーム短絡電
流I_vが流れてしまうアーム短絡モードとなつてしまうの
である。

以上の第八図ないし第10図の各時点での各部の電圧，
電流をタイムチヤートで示すと第11図のようになる。

この第11図において、 時点Ａ（第６図，第７図） オンゲート信号GUN,GWNが立上り、GTO素子UN,WNがオ
ンされる。

時点Ａ−Ｂ（第７図） この期間、Ｖ相上アームのスナバコンデンサC_SVPのキ
ヤパシタンスと誘導電動機Ｍの巻線のインダクタンスと
による振動電流I_Cが流れ、スナバコンデンサC_SVPは電源
電圧V_sにまで充電される。

時点Ｂ→Ｃ（第８図，第９図） 時点Ｂ以降、それまで流れていた電流I_Cは、今度はＶ
相下アームのフリーホイールダイオードD_FVNを順方向に
流れる電流I_Fに変り、順方向電圧降下による電圧V_FVNを
生じ、これによりGTO素子VNのゲートからアノードに向
う電流I_KGを発生させる。そして、この結果、このGTO素
子VNのdV/dt耐量を劣化させている。

時点Ｃ（第６図，第10図） 時点Ａから時間td遅れてオンゲート信号GVPが立上
り、Ｕ相上アームのGTO素子VPがオンされる。

時点Ｄ（第10図） 上アームのGTO素子VPがオンされたことにより下アー
ムのGTO素子VNのアノードカソード間に電圧が現われる
が、dV/dt耐量が劣化しているため、このGTO素子VNも点
弧してしまい、アーム短絡電流I_Vが流れてしまう。この
ため、巻線L_Vを流れていた電流はゼロになる。

そこで、この発明では、上記したように、ゲートスタ
ート時には、まず、とにかく、一旦は、必ず３相の全ア
ームの上アーム又は下アームの全てを同時にオンさせ、
その後、通常の動作に移行させるようにするのであり、
実施例により具体的にいえば、第５図のようなタイミン
グでは、第12図に示すように、時点Ａで下アームの全て
をオンさせるように、３相のオンゲート信号GUN,GVN,GW
Nを同時に発生させるのである。

そうすると、その後、第10図のように、Ｕ相下アーム
のGTO素子UNとＷ相下アームのGTO素子WNがオンした状態
で、さらにＶ相上アームのGTO素子VPをオンさせても、
このときには、その前に、当然のこととしてＶ相下アー
ムのGTO素子VNが消弧動作を行う。そして、このため、
第４図に示すように、このGTO素子VNのゲートには逆バ
イアスが印加され電流I_OFFが流される。従つて、ここで
ダイオードD_FVNにフリーホイール電流I_F（第３図）が流
れても、その順方向電圧降下のパワーでは電流I_OFFを上
回ることができず、ゲートからアノード側へ電流が流れ
ることはない。従つてGTO素子VNの耐圧も低下せず、GTO
素子VPを点弧させても相短絡となるようなことはない。

第１図で示したように、この実施例では、オン信号と
オフ信号の関係は、パルス幅変調信号が変化するタイミ
ングでオフ信号のカウンタを動作させ、その結果、出力
されるデータONSTでオン信号のカウンタを動作させるこ
とにより与えられるようになつているので、オン信号を
３相同時にスタートさせるためには、オフ信号のカウン
タを同時に動作させてやればよい。そこで、この実施例
では、同期回路４にラツチ回路３の出力であるパルス幅
変調信号を取り込むだけでなく、ゲートのオン／オフの
タイミングと一斉オフのモードとを取り込むことで、ゲ
ートスタート時及び一斉オフ時にも３相同時に信号を与
えるようにしたものである。

第13図は、この実施例における同期回路４を詳細に示
したもので、第１図と同一部分には同一符号を付してあ
る。ラツチ60,61は第１図のラツチ回路３に相当する。
またオン／オフ信号順位回路18を含むタイミング発生部
はオン／オフ信号発生部62で表わしている。63はEORゲ
ート、64はANDゲート、65はNANDゲートである。

ここで、まず、パルス幅変調信号の変化時をみると、
EORゲート63からは、パルス幅変調信号が変化する毎に
１クロツク間の“L"出力が得られるが、他方、ゲートオ
ン／オフ信号、一斉オフ信号とも動作しないので“H"レ
ベルのままであり、ANDゲート65からは“H"出力が得ら
れ、オフ信号のカウンタ回路５を動作させている。一
方、ゲートスタート時の場合には、オン／オフ信号発生
部62から一定幅“L"のオン／オフ信号が出力されるの
で、上記と同様ANDゲート65には“H"出力が得られ、オ
フ信号のカウンタ回路５を動作させることができる。

従つて、このゲートのオン／オフ信号をANDゲート65
に相当する他の相のゲートに並列に入力することによ
り、ゲートスタート時、まず第12図に示すように、３相
同時にオンゲート信号を発生させ、第４図で説明したよ
うにしてdV/dt耐量の劣化をなくし、アーム短絡の虞れ
なく、正しいゲートスタートを与えることができる。

［発明の効果］ 本発明によれば、ゲートスタート時、インバータ主回
路のスイツチング素子の耐圧を低下させるような動作モ
ードが現われるのを充分に抑えることができるから、電
気車などでひんぱんにゲートスタートを繰り返しても常
に確実な動作を与えることができ、信頼性の高いインバ
ータ装置を容易に提供することができる。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明によるパルス幅変調方式インバータの制
御装置の一実施例を示すブロツク図、第２図は本発明の
一実施例が適用されたインバータシステムの一例を示す
ブロツク図、第３図及び第４図は動作モードの説明図、
第５図はパルス幅変調動作の説明図、第６図はゲートス
タート時でのオンゲート信号の説明図、第７図，第８
図，第９図それに第10図はゲートスタート時での耐圧劣
化の説明図、第11図は同じく耐圧劣化を説明するタイム
チヤート、第12図は３相同時オンゲートパルスの説明
図、第13図は本発明の一実施例における同期回路を示す
回路図である。 IM……インバータの主回路、UP,VP,WP……上アームの各
相のGTO素子、UN,VN,WN……下アームの各相のGTO素子、
D_FVP，D_FVN……フリーホイールダイオード、C_SVP，C_SVN
……スナバコンデンサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 豊田 瑛一 茨城県勝田市市毛1070番地 株式会社日立 製作所水戸工場内 (72)発明者 川上 哲也 茨城県勝田市市毛1070番地 株式会社日立 製作所水戸工場内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】自己遮断能力を有する半導体スイッチング
   素子を多相インバータ主回路のスイッチング素子として
   用い、フリーホイールダイオードと、コンデンサとダイ
   オードの直列回路からなるスナバ回路とを備えたパルス
   幅変調方式インバータの制御装置において、 上記多相インバータ主回路の上下アームの一方のアーム
   の全ての相のスイッチング素子に同時にオン制御信号を
   供給する一斉オンパルス発生手段を設け、 上記多相インバータ主回路のゲートスタート時での上記
   スイッチング素子に対するインバータ動作用のオン・オ
   フパルスの供給開始に先立って、上記一斉オンパルス発
   生手段を所定時間、動作させるように構成したことを特
   徴とするパルス幅変調方式インバータの制御装置。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項において、上記パル
   ス幅変調方式インバータが、 制御信号を作成するマイクロコンピュータと、 この制御信号に基づいてパルス幅変調信号を作成する変
   調手段と、 時間管理データを保持する記憶手段と、 上記パルス幅変調信号の変化タイミングに基づいて上記
   記憶手段から所定のオフ信号に関するデータを読出スイ
   ッチングためのクロック信号を設定するクロック信号設
   定手段と、 上記マイクロコンピュータから発生される制御信号をラ
   ッチしてゲートのオン・オフタイミングを決定する演算
   手段とを設け、 上記記憶手段から読出した時間管理データと、上記オン
   ・オフタイミングとに基づいて上記ゲート制御用のオン
   ・オフ信号を作成するように構成されていることを特徴
   とするパルス幅変調方式インバータの制御装置。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第１項又は第２項におい
   て、上記パルス幅変調方式インバータが、電気車推進用
   の交流電動機を駆動制御するための可変電圧可変周波数
   インバータであることを特徴とするパルス幅変調方式イ
   ンバータの制御装置。