JPWO2018139565A1 - インバータの起動時の制御方法および制御装置 - Google Patents

Abstract

電圧サージまたは電流サージを発生しない、ソフトスイッチングを用いたソフトスタートが可能となるインバータの制御方法および制御装置を提供する。インバータ（２）のソフトスイッチングを用いたソフトスタートのための制御方法であって、前記インバータ（２）は少なくとも２つの上下アームを備えたブリッジ回路である、制御方法において、電流通電に関し対となる上アームのスイッチング素子（Ｑ１）と下アームのスイッチング素子（Ｑ４）とに対するゲートパルス（Ｇ１，Ｇ４）の位相を相互にシフトさせることによって両ゲートパルスの重なり期間を形成し、前記シフトの大きさを変化させて、通電期間を特定する前記重なり期間を徐々に広げることによって、ソフトスイッチングを用いたソフトスタートを実現することを特徴とする制御方法によって解決される。

Description

本発明は、インバータの起動時の制御方法および制御装置に関する。

インバータの起動方法として、インバータ出力に接続された負荷が内蔵する電源コンデンサへの大きな突入電流や過電圧充電を避けるためにソフトスタート（ソフト起動）による起動方法が知られている。また、インバータが電磁ノイズを発生することを防止し、あるいは、インバータを構成する半導体スイッチング素子のスイッチング損失の低減策としてソフトスイッチングによるインバータの制御も知られている。したがって、ソフトスイッチングを用いたソフトスタートによるインバータの起動方法も、特許文献１や特許文献２などに記載されているように公知である。

しかし、従来のソフトスイッチングを用いたソフトスタートによるインバータの起動方法の場合には、下記のような不具合がある。図５は、車両に搭載される、一例としてＤＣ１２ＶをＡＣ１００Ｖに変換するＤＣ／ＡＣ変換器の簡易的な回路図を示す。その動作の概略は、ＤＣ１２Ｖのバッテリー電源１の直流電圧をインバータ主回路２で一度交流に変換し、変圧器３を用いて交流の状態で電圧を昇圧し、整流器４は昇圧された交流電圧を直流電圧に変換し、コンデンサ６を充電する。そして、コンデンサ６に充電された直流電圧Ｖｄｃをインバータ主回路５によって交流に変換してＡＣ１００Ｖを出力する。なお、直流を一度交流に変換し再び直流に戻す理由は、ＤＣ１２ＶはＡＣ１００Ｖを出力するための直流電圧としては低電圧すぎるので、ＡＣ１００Ｖを出力できる程度の高い直流電圧を形成する必要がある。なお、低圧直流から高圧直流へと直接変換せずに、直流を一度交流に変換し再び直流に戻す理由は、昇圧動作を直流で行うよりも、変圧器を使用して交流で行った方が容易であり、装置も小型化するからである。このような構成のＤＣ／ＡＣ変換器の従来のソフトスイッチングを用いたソフトスタートは、まず、インバータ主回路２がソフトスタート動作でスタートし、コンデンサ６を所定の目標電圧へと充電する。次にコンデンサ６の電圧が目標電圧に達すると、インバータ主回路５がソフトスタートをしながら交流電圧の電圧を徐々に上げて出力する。しかし、従来のこの方式では以下のような不具合があった。

図６は、従来のソフトスイッチングを用いたソフトスタートによるインバータの起動方法を用いた場合のインバータ主回路２の素子電流Ｉｑ１，Ｉｑ４の波形を示している。図６から明らかなように、ソフトスタートの初めの時期、言い換えれば、パルス幅が狭い領域では、ソフトスイッチングが正しく機能せず、電流サージまたは電圧サージが発生している。このような電流サージまたは電圧サージが発生すると、インバータ自身に対し又はインバータ付近の電気装置に対し誤動作などの悪影響を生じさせる。また、電流サージまたは電圧サージが発生するスイッチングでは、インバータのスイッチング素子の損失も増加し、インバータの効率が低下し、かつ、増加した損失によって発熱したスイッチング素子を熱破壊から防止するためにスイッチング素子の冷却を強化する必要が生じる。

また、従来のソフトスイッチングを用いたソフトスタートによるインバータの起動方法を用いた場合は、ＤＣリンク電圧であるコンデンサ６の直流電圧Ｖｄｃが、目標電圧Ｖｄｃｒｅｆより過電圧になってしまう傾向にあった。そのような場合、特許文献３のように、インバータの上下アームのスイッチング素子を同時に導通させ、言い換えると、上下アームによる短絡路を構成し、コンデンサ６を強制的に放電させることによって、過電圧を目標電圧へ修正することも可能であるが、上下アームの短絡路動作はスイッチング素子にとってダメージが大きく好ましい制御ではない。

特開２０１０−２３６７１１号公報 特開２０１２−０２９４３６号公報 特許第５６９６５８９号公報

本発明は、ソフトスイッチングを用いたソフトスタートによるインバータの制御方法および制御装置において、電圧サージまたは電流サージを発生しない、ソフトスイッチングを用いたソフトスタートによるインバータの制御方法および制御装置を提供することにある。

上記課題は、インバータのソフトスイッチングを用いたソフトスタートのための制御方法であって、前記インバータは少なくとも２つの上下アームを備えたブリッジ回路である、制御方法において、電流通電に関し対となる上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子とに対するゲートパルスの位相を相互にシフトさせることによって両ゲートパルスの重なり期間を形成し、前記シフトの大きさを変化させて、通電期間を特定する前記重なり期間を徐々に広げることによって、ソフトスイッチングを用いたソフトスタートを実現する、ことを特徴とする、制御方法によって解決される。

本発明を用いれば、電圧サージまたは電流サージを発生しない、ソフトスイッチングを用いたソフトスタートが可能となるインバータが実現できる。

本発明を説明するためのインバータ主回路の図 本発明を説明するためのインバータ制御ブロック図 本発明および従来方式用いた制御方法によるゲートパルスの比較図 本発明および従来方式用いた制御方法による直流リンク電圧の比較図 車載搭載のＤＣ／ＡＣ変換器の図 従来方式のゲートパルスを用いた場合のインバータ素子電流の図

本発明は、インバータを構成する各スイッチング素子に対する各ゲートパルス同士の位相関係およびゲートパルス幅に関し工夫を施したものである。図１は、図５のインバータ主回路２の部分を抽出して示したものであり、インバータ構成は一例としての、ＦＥＴを用いた単相Ｈ型インバータである。インバータ主回路２の動作としては、図５のコンデンサ６を充電するために、スイッチング素子Ｑ２とＱ３とがＯＦＦ（非導通）状態の下で、スイッチング素子Ｑ１とＱ４とをＯＮ（導通）させることで、スイッチング素子Ｑ１、負荷（コンデンサ６）、スイッチング素子Ｑ４の電流ループＬ１が形成されて正の半波電流が流れ、次に、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ４をＯＦＦさせ、代わりに、スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ２とをＯＮさせることで、スイッチング素子Ｑ３、負荷（コンデンサ６）、スイッチング素子Ｑ２の電流ループＬ２が形成されて負の半波電流が流れ、インバータ主回路２は交流を出力する。すなわち、通電に関し、上アームのスイッチング素子Ｑ１と下アームのスイッチング素子Ｑ４とは対の関係にあり、同じようにスイッチング素子Ｑ２とスイッチング素子Ｑ３とは対の関係にある。ここで、コンデンサ６を大きな突入電流で充電することを避けるためにソフトスタートによってコンデンサ６を徐々に充電する必要がある。

図２は、インバータ主回路２の制御の一例を示した制御ブロック図である。この制御ブロック図は、インバータ主回路２が、コンデンサ６の直流電圧Ｖｄｃを目標電圧Ｖｄｃｒｅｆに維持するように制御する。ただし、起動時は、コンデンサ６に突入電流が流入されないように、ソフトスタートでコンデンサ６を徐々に充電することで、突入電流が発生しないような制御をする。以下、図２の制御ブロック図について起動時の動作を説明する。まず、コンデンサの直流電圧Ｖｄｃを電圧検出器で測定し、その測定された直流電圧Ｖｄｃと、目標直流電圧Ｖｄｃｒｅｆ（１０２）との差電圧ΔＶｄｃを減算器１０１で算出する。差電圧ΔＶｄｃが零になるように積分器１０３がインバータ主回路２の出力指令値Ｉｏｕｔを算出する。この指令値Ｉｏｕｔは電流リミッタ１０４を介してＰＷＭ発生器１０５に伝達され、ＰＷＭ発生器１０５はインバータ主回路２が指令値Ｉｏｕｔを出力できるように、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４のゲートパルスＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４を出力する。

ここで、電流リミッタ１０４は定常時はリミッタ値が一定に維持されているが、起動時は、電流リミッタ１０４はリミッタ値を徐々に広げてコンデンサ６の充電電流を徐々に大きくすることによって突入電流が発生しないソフトスタートを実現している。ＰＷＭ発生器１０５は電流リミッタ１０４を通過した指令値に基づきソフトスタートを実現するゲートパルスＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４を発生する。しかし、従来のＰＷＭ発生器１０５が形成するゲートパルスは、既に説明したようにソフトスタート時に、ソフトスイッチングが実現できずに電圧サージまたは電流サージを発生し、コンデンサ６の直流電圧が目標電圧より大きな過電圧を発生するという問題を生じていた。

図３（ａ）は従来のソフトスイッチングを用いたソフトスタート方式の場合のスイッチング素子Ｑ１へのゲートパルスＧ１とスイッチング素子Ｑ４へのゲートパルスＧ４を示したものである。まず、ゲートパルスＧ１とＧ４とは位相ずれが無く同期しており、更には、ソフトスタートのために、すなわち供給電流を徐々に増加させるために、ゲートパルスＧ１とＧ４のパルス幅が徐々に広がっていく。しかし、この従来のゲートパルス方式では、パルス幅が比較的短い最初の段階ではスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４の電流Ｉｑ１，Ｉｑ４にサージ電流が発生してソフトスイッチングが実現できない。サージ電流が発生すると、電磁ノイズによって自身を含めた周辺の電気機器に電磁障害を引き起こすだけでなく、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４のスイッチング損失を増加させ、装置の効率の低下あるいはスイッチング素子の冷却不足によるスイッチング素子の破壊に至るという不具合をもたらすこととなる。

一方、図３（ｂ）は、本発明のゲートパルス方式を示したものである。本発明では、各ゲートパルスの位相を相互に、例えばα度ずらすことによって、各ゲートパルスの重なりを形成する。例えば、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ４へのゲートパルスＧ１，Ｇ４について参照すると、ゲートパルスＧ１とＧ４とが重なっている期間（ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４）のみが、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ４とが両方ともＯＮしている期間であり、コンデンサ６に電流が充電される期間である。ここで本発明のゲートパルスは、従来の方式のゲートパルスと異なり、最初からゲートパルス幅が広い、すなわちサージ電流の発生しにくい所定の幅を有する矩形波としている。一例として、ソフトスタート期間の全ゲートパルスＧ１とＧ４のパルス幅を等しくしている。更に、ソフトスタートにするためには、コンデンサ６への充電電流Ｉｑ１，Ｉｑ４を徐々に大きくする必要があるので、位相αの大きさを徐々に小さくすることにより、スイッチング素子に電流が流れる期間である重なり期間を徐々に広げ（ｔ１＜ｔ２＜ｔ３＜ｔ４）、その結果、充電電流Ｉｑ１，Ｉｑ４は徐々に幅広の電流となる。このようなゲートパルスを採用した場合、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４の電流Ｉｑ１，Ｉｑ４にはソフトスタートの最初の段階においても、サージ電流が発生しにくい。つまり、本発明を用いれば、インバータを、ソフトスイッチングを用いたソフトスタートさせても、サージ電流やサージ電圧は抑制され、インバータ自身あるいはインバータ周辺の電気機器に電気ノイズの悪影響を及ぼしにくい。また、インバータのスイッチング素子のスイッチング損失も抑制される。

なお、上記では、同じ幅のゲートパルスの位相をずらすことで、重なり期間を徐々に広げる態様を説明したが、本発明はこれに限らず、一方のゲートパルス幅を変化させる（広げる）ことで重なり期間を徐々に広げるようにしても良い。

図４（ａ）は、従来のゲートパルス方式でのソフトスイッチングを用いたソフトスタート方式によるコンデンサ６の電圧Ｖｄｃの時間経過を示したものである。コンデンサ電圧Ｖｄｃは、最初目標電圧Ｖｄｃｒｅｆを越えて大きく過電圧の状態となっている。一方、図４（ｂ）は、本発明のゲートパルス方式でのソフトスイッチングを用いたソフトスタート方式によるコンデンサ６の電圧Ｖｄｃの時間経過を示したものである。コンデンサ電圧Ｖｄｃは、目標電圧Ｖｄｃｒｅｆに維持されて過電圧にはなっていない。本発明を用いれば、サージ電流、サージ電圧の抑制だけではなく、ＤＣリンク電圧の過電圧も防止できる効果がある。

なお、上記インバータの起動時の制御方法および制御装置は、インバータ主回路２だけでなくインバータ主回路５にも適用できる。したがって、インバータ主回路２をソフトスタートさせて、コンデンサ６が定格電圧または目標電圧に達した後、あるいは、所定時間後に、インバータ主回路５をソフトスタートさせてインバータ主回路５の負荷に電力を供給すれば、インバータ主回路２だけでなくインバータ主回路５においても、サージ電圧やサージ電流が発生しないソフトスタートが可能となる。

本発明のインバータの起動時の制御方法は、基本的に、スイッチング素子の種類に依存することなく適用可能であるが、この新しい制御方法に特に適しているスイッチング素子の一例としてＧａＮ素子（ＧａＮ系ＦＥＴ）がある。ＧａＮ素子は、Ｓｉ素子と比較して、ターンオフ時間あるいはターンオン時間が短く、言い換えれば、電流を急峻に遮断する、あるいは、電流を急峻に立ち上げるように通電する特性を有する。したがって、従来の制御方法では、ＧａＮ素子は、Ｓｉ素子と比較して、スイッチング損失が少ないという長所がある一方、ターンオン時、あるいは、ターンオフ時のサージ電圧が大きくなる短所があるというのが当分野の常識であった。

しかし、本発明のインバータの起動時の制御方法では、スイッチング素子にＧａＮ素子を使用しても、スイッチング素子のターンオン時、あるいは、ターンオフ時のサージ電圧が大きくなることなく、かつ、スイッチング損失も少なくできるという従来の常識とは異なる優れた効果が得られた。また、スイッチング素子に、ターンオフ時間あるいはターンオン時間が長い、言い換えれば、電流を徐々に遮断する、あるいは、電流を徐々に立ち上げるように通電する特性を有する、Ｓｉ素子のようなスイッチング素子を使用すると、本発明の通電期間を規定する重なり部分の矩形波のエッジがなだらかになり、パルス波形が歪んだ波形となってしまう。特に、重なり期間が短い場合、なだらかなエッジ部分が相対的に大きな比率を有することにより、波形の歪んだ部分が相対的に大きくなり、重なり期間がつぶれたパルス波形となる欠点が顕著に表れる。しかし、スイッチング素子に、ターンオフ時間あるいはターンオン時間が短いＧａＮ素子を使用すれば、エッジがシャープな矩形波が得られ、重なり期間が短い場合でも、定量的に精確な制御を実現できる。

なお、以上の実施例の説明では、例えば、単相インバータを例にとって説明したが、本発明は３相インバータの場合も適用できる。本発明は、請求項に記載された範囲内であれば、実施例で説明した例に限定されることがないことは言うまでもない。

１・・・バッテリー電源
２・・・インバータ主回路
３・・・変圧器
４・・・整流器
５・・・インバータ主回路
６・・・コンデンサ
１０１・・・減算器
１０２・・・目標直流電圧（Ｖｄｃｒｅｆ）
１０３・・・積分器
１０４・・・電流リミッタ
１０５・・・ＰＷＭ発生器
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４・・・スイッチング素子
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４・・・ゲートパルス
α・・・位相ずれ（度）
ｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ４・・・重なり期間
Ｉｑ１、Ｉｑ２、Ｉｑ３、Ｉｑ４・・・スイッチング素子電流
Ｖｄｃ・・・コンデンサ直流電圧
Ｉｏｕｔ・・・出力指令値

Claims (8)

1. インバータのソフトスイッチングを用いたソフトスタートのための制御方法であって、前記インバータは少なくとも２つの上下アームを備えたブリッジ回路である、制御方法において、
   電流通電に関し対となる上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子とに対するゲートパルスの位相を相互にシフトさせることによって両ゲートパルスの重なり期間を形成し、
   前記シフトの大きさを変化させて、通電期間を特定する前記重なり期間を経時的に広げることによって、ソフトスイッチングを用いたソフトスタートを実現する、ことを特徴とする、制御方法。
2. 前記各パルスは、同じパルス幅である、請求項１に記載の制御方法。
3. 前記スイッチング素子が、ＧａＮ系素子である、請求項１または２記載の制御方法。
4. ＤＣ／ＡＣ変換器の制御方法であって、
   前記ＤＣ／ＡＣ変換器は少なくとも２つのインバータを備え、第１のインバータはバッテリーの直流電源を交流電圧に変換し、変換した交流電圧を変圧器で昇圧し、昇圧した交流電圧を整流して直流電圧を形成し、整流した直流電圧を第２のインバータによって交流電圧に変換して出力する、ＤＣ／ＡＣ変換器の制御方法において、
   請求項１から３いずれか１項に記載のインバータのソフトスイッチングを用いたソフトスタートのための制御方法を用いて、第１のインバータをソフトスタートさせ、所定時間後に第２のインバータをソフトスタートさせることを特徴とする、ＤＣ／ＡＣ変換器の制御方法。
5. インバータのソフトスイッチングを用いたソフトスタートのための制御装置であって、前記ＡＣ変換器は少なくとも２つの上下アームを備えたブリッジ回路である、制御装置において、
   前記上下アームの、電流通電に関し対となる上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子とに対する両ゲートパルスの位相を相互にシフトさせることによって形成される両ゲートパルスの重なり期間を経時的に広げることによって、ソフトスイッチングを用いたソフトスタートを実現する、ことを特徴とする、制御装置。
6. 前記各パルスは、同じパルス幅である、請求項５に記載の制御装置。
7. 前記スイッチング素子が、ＧａＮ系素子である、請求項５または６記載の制御装置。
8. ＤＣ／ＡＣ変換器の制御装置であって、
   前記ＤＣ／ＡＣ変換器は少なくとも２つのインバータを備え、第１のインバータはバッテリーの直流電源を交流電圧に変換し、変換した交流電圧を変圧器で昇圧し、昇圧した交流電圧を整流して直流電圧を形成し、整流した直流電圧を第２のインバータによって交流電圧に変換して出力する、ＤＣ／ＡＣ変換器の制御装置において、
   請求項５から７までのいずれか１項に記載のインバータのソフトスイッチングを用いたソフトスタートのための制御装置を用いて、第１のインバータをソフトスタートさせ、所定時間後に第２のインバータをソフトスタートさせることを特徴とする、ＤＣ／ＡＣ変換器の制御装置。

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