JPWO2019167244A1 - 電力変換装置および電動機システム - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施の形態1に係る電力変換装置および電動機システムについて図面を参照して説明する。図1は、実施の形態1に示す電力変換装置および電動機システムの全体構成を示すブロック図である。図2は、電力変換装置が有する制御部の内部ブロック図である。図3および図4は、電力変換装置の動作説明用タイムチャートである。図5は、電力変換装置の低損失スイッチング動作の説明図である。図6は、電力変換装置の低損失スイッチング動作の説明用模式図である。図7は、比較例の動作説明図である。図8は、電力変換装置のインバータ1相分の低損失スイッチング動作説明用タイムチャートである。
電源遮断回路10は、インバータ回路20と蓄電デバイス120とを遮断する役割を果たし、本実施の形態では正極母線17にスイッチング部11を設ける構成を示している。スイッチング部11は、スイッチング素子11aを備えており、スイッチング素子11aがオフとなることにより直流電源としての蓄電デバイス120とインバータ回路20とを遮断することができる。なお、電源遮断回路10として、スイッチング素子を用いた構成について示したが、これに限ったものではなく、インバータ回路20等の異常時の保護を目的として備えたリレー素子などを用いても良い。
インバータ回路20は、PWM(Pulse Width Modulation)制御が適用された3相インバータであり、スイッチング素子を有する2つのアームを直列接続してレグを構成し、3つのレグを互いに並列接続したものである。ここでは、直列接続された2つのアームのうち、正極母線17側のアームを上アーム、負極母線18側のアームを下アームと称することとする。図1において、インバータ回路20は第1〜第3上アーム21,23,25と第1〜第3下アーム22,24,26とを有している。第1上アーム21と第1下アーム22とが第1レグを構成し、第2上アーム23と第2下アーム24とが第2レグを構成し、第3上アーム25と第3下アーム26とにより第3レグを構成している。また、各アームは、スイッチング素子と逆並列ダイオードとを備えている。例えば、第1上アーム21は、スイッチング素子21aと逆並列ダイオード21bとを備えている。
制御部30は、基準信号生成回路40と、鋸波キャリア生成回路50と、制御信号生成回路60とゲート駆動回路部70とを備える。基準信号生成回路40は、正弦波信号発生源41と位相シフタ42a,42bとを備える。制御信号生成回路60は、比較器61a〜61eと、反転回路62a〜62cと、固定遅延回路63a〜63cと、加算回路64とを備える。ゲート駆動回路部70は、ゲート駆動回路70a〜70gを備える。
一般に、インバータのPWM制御は、キャリア信号と基準信号を用いて実現されることが知られている。本実施の形態に示す電力変換装置および電動機システムでは、キャリア信号として、鋸波キャリア生成回路50によって鋸波キャリア信号50aが生成される例を示す。また、基準信号として、基準信号生成回路40内の正弦波信号発生源41で正弦波が生成される例を示す。この基準信号に基づいて、位相シフタ42a,42bにより+2/3πおよび+4/3π位相をシフトした信号が生成される。本実施の形態では、正弦波基準信号40a,40b,40cは、それぞれ電動機130のU相、V相、W相のゲート制御信号を生成する場合に用いられる。
図3は、本実施の形態に示す電力変換装置における電源遮断回路の動作説明用のタイムチャートであり、信号波形を模式的に示している。なお、図3において、正弦波基準信号40a〜40cはU相、V相、W相に対応する正弦波基準信号を示す。ゲート制御信号30aは、スイッチング素子11aのゲート制御信号である。ゲート制御信号30b〜30gは、各レグの上アームおよび下アームのスイッチング素子21a〜26aのゲート制御信号を示す。また、Vbusは正極母線17の電圧である。さらに、Rは鋸波キャリア信号50aのリセットを表す。
図4は、図3に図示した電源遮断期間Prを中心に、一点斜線で示した範囲Aを分かり易く拡大したものである。また、図4に図示した電源遮断期間Prの前および後の期間におけるインバータ回路20の電流経路を図5(a)および図5(b)にそれぞれ示している。鋸波のようなリセット形状(信号の符号が即座に反転する形状)を有するキャリア信号を採用することにより、キャリア信号がリセットする際に下アーム還流モード(図5(a))から上アーム還流モード(図5(b))に遷移するように制御することができる。さらに、固定遅延回路63a〜63cにより、電源遮断期間Prにおいてインバータ回路20の上アームおよび下アームのスイッチング素子(例えば21aと22a)が同時オンする期間(以下、負デッドタイム)を設ける。この負デッドタイムを設けることで、正極母線17の電圧Vbusを零電圧に低下させ、低損失スイッチング動作を実現できる。
図7は、図5(a)から図5(b)に遷移する際に、一般的な正デッドタイム期間を設けた状態、すなわちインバータ回路のスイッチング素子21a〜26aの全てをオフした状態のインバータ回路の電流経路を示す図である。この場合は、負荷電流はインバータ回路20の逆並列ダイオードに流れることになる。その結果として、負荷電流はスイッチング部11の逆並列ダイオード11bを介して電源へ回生される。すなわち、スイッチング素子11aがオフ状態にあったとしても、図5(a)から図5(b)に遷移する際の正デッドタイム期間中に正極母線17の電圧Vbusが上昇し、従って零電圧スイッチング動作が実現できないこのため、一般的な正デッドタイム期間を設けた場合には、ソフトスイッチング動作を実現するために、正デッドタイム期間中の負荷電流を共振回路で流すために、大規模な共振回路を追加する必要がある。
図8において、ゲート制御信号30b,30cは、U相の上アームおよび下アームのスイッチング素子21a,22aのゲート制御信号である。ゲート制御信号30aは、スイッチング素子11aのゲート制御信号である。また、Vbusは正極母線17の電圧である。Ia(破線)は、U相上アーム(第1上アーム21)の逆並列ダイオード21bを流れる電流であり、Vka(実線)は、U相上アームの逆並列ダイオード21bの端子間電圧である。Id(破線)は、U相下アーム(第1下アーム22)のスイッチング素子22aを流れる電流であり、Vds(実線)は、U相下アームのスイッチング素子22aのソースードレイン間の電圧である。また、「HS」は通常スイッチングを示し、「SS」は低損失スイッチングを示す。
実施の形態2の電力変換装置および電動機システムは、実施の形態1の電力変換装置および電動機システムと比べ、インバータ回路の上アームと下アームのスイッチング素子のゲート制御信号の遅延時間および電源遮断回路が蓄電デバイスとインバータ回路とを遮断する期間を削減し、従ってインバータ出力の零電圧期間を短縮する構成としたものである。実施の形態2に係る電力変換装置および電動機システムの構成は図1に示す場合と同様であり、説明を省略する。
実施の形態2の制御部230と実施の形態1の制御部30との構成の違いは、制御信号生成回路260である。制御信号生成回路260において、実施の形態1の制御信号生成回路60の固定遅延回路63a〜63cを可変遅延回路263a〜263cとし、さらに電源電圧検出回路51と遮断期間調整回路を追加している。
実施の形態3に係る電力変換装置および電動機システムは、実施の形態2で示した電力変換装置および電動機システムと同様に、インバータ回路の上アームと下アームのスイッチング素子のゲート制御信号の遅延時間および電源遮断回路が蓄電デバイスとインバータ回路とを遮断する期間を削減し、インバータ出力の零電圧期間を短縮する構成としたものである。実施の形態3に係る電力変換装置および電動機システムの構成は図1に示す場合と同様であり、説明を省略する。
実施の形態4の電力変換装置および電動機システムは、実施の形態1の電力変換装置および電動機システムのインバータ回路および電動機をX群とY群の2群構成としたものである。
電動機システム4000は、蓄電デバイス120から供給される電力を、電力変換装置400で交流に変換し、変換された電力でモータである2台の電動機130X、130Yを駆動する。電力変換装置400は、負荷である2台の電動機130X、130Yにそれぞれ電力を供給するインバータ回路420X、420Yと、インバータ回路420X、420Yと蓄電デバイス120の間に接続された電源遮断回路10と、電源遮断回路10およびインバータ回路420X、420Yを制御する制御部430を備えている。以下、適宜、電動機130Xおよびインバータ回路420X、電動機130Yおよびインバータ回路420YをそれぞれX群、Y群と記載する。
制御部430は、基準信号生成回路440と、鋸波キャリア生成回路50と、制御信号生成回路460と図示しないゲート駆動回路部とを備える。基準信号生成回路440では、実施の形態1の基準信号生成回路40に対して、インバータ回路420Y用に位相シフタ443a〜443cが追加されている。インバータ回路420Y用の正弦波基準信号40aY、40bY、40cYはそれぞれインバータ回路420Y(すなわち、電動機130Y)のU相、V相、W相に対応する。正弦波信号発生源41で生成する基準信号に対して、位相シフタ443aで位相をθ分だけシフトさせている。このため、この正弦波基準信号40aY、40bY、40cYは、インバータ回路420X(すなわち、電動機130X)用の正弦波基準信号40aX、40bX、40cXに対して、位相がθシフトしている。
実施の形態5の電力変換装置および電動機システムは、実施の形態4の電力変換装置および電動機システムに対して、2群のインバータ回路の鋸波キャリア信号に位相差φを設ける構成としたものである。
実施の形態4の制御部430との違いは、制御信号生成回路560である。まず、構成の違いを説明する。制御信号生成回路560では、実施の形態4の制御信号生成回路460に対して、位相シフタ565と加算回路566が追加されている。位相シフタ565によって、鋸波キャリア生成回路50が生成する鋸波キャリア信号50aに対して、位相差φ分だけシフトさせて、X群用の鋸波キャリア信号(50aX)として用いている。また、加算回路566では、鋸波キャリア信号50a(50aY)と位相差φ分だけシフトさせたX群用の鋸波キャリア信号(50aX)を加算し、その出力を比較器61d、61eに入力している。
なお、図13では、鋸波キャリア信号50aと同じ信号であるが、鋸波キャリア信号50aXとの対応を明確にするため、鋸波キャリア信号50aYと記載している。
位相差φは、蓄電デバイス120に発生するリップル電流、およびノイズを分散化する目的で与えられる。この場合、インバータ回路のX群とY群の鋸波キャリア信号50aXおよび鋸波キャリア信号50aYのリセットタイミングがずれるため、両方のリセットタイミングで電源遮断回路を動作させる必要がある。そこで、本実施の形態5では、鋸波キャリア信号50aXと鋸波キャリア信号50aYを加算回路566で加算し、比較器61d,61eに入力する構成としている。このため、電源遮断回路10の動作周波数は実施の形態4に示す電力変換装置の2倍となり、電源遮断回路10の損失も2倍になる。
一方、本実施の形態5の電動機システムでは、共振回路を削除したことにより、異なるタイミングでスイッチングするインバータ回路X群とY群に同一の電源遮断回路を適用することができる。
Claims (11)
- 一端が直流電源に接続され前記直流電源からの入力を遮断する電源遮断回路と、
一端が前記電源遮断回路の他端に接続され、前記直流電源からの電力を交流電力に変換するインバータ回路と、
前記インバータ回路および前記電源遮断回路を制御する制御部と、
を備え、
前記インバータ回路は、スイッチング素子を有する上アームおよびスイッチング素子を有する下アームが直列接続された複数のレグであって、互いに並列接続された複数のレグを有しており、
前記制御部は、前記電源遮断回路が前記直流電源と前記インバータ回路とを遮断する期間において、
前記複数のレグのうち少なくとも1つのレグの下アームのスイッチング素子をオンとする第1動作モードと、
前記複数のレグのうち少なくとも1つのレグの上アームおよび下アームのスイッチング素子を同時にオンとする第2動作モードと、
前記複数のレグのうち少なくとも1つのレグの上アームのスイッチング素子をオンとする第3動作モードと、を用いて前記インバータ回路および前記電源遮断回路を制御すること、
を特徴とする電力変換装置。 - 前記制御部は、前記第1動作モードにおいて、前記下アームに電流を還流するよう前記下アームのスイッチング素子をオンとし、
前記第3動作モードにおいて、前記上アームに電流を還流するよう前記上アームのスイッチング素子をオンとすること、
を特徴とする請求項1記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、前記第1動作モードにおいて、前記複数のレグのうちすべてのレグの下アームをオンとし、
前記第2動作モードにおいて、前記複数のレグのうちすべてのレグの上アームおよび下アームのスイッチング素子を同時にオンとし、
前記第3動作モードにおいて、前記前記複数のレグのうちすべてのレグの上アームをオンとすること、
を特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、前記第1動作モードから前記第3動作モードへ、または、前記第3動作から前記第1動作モードへ遷移させる場合において、前記第1動作モードと前記第3動作モードとの間に前記第2動作モードを設けること、
を特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、鋸波キャリア信号および正弦波信号を用いたPWM制御によって、前記インバータ回路を制御し、
前記制御部は、前記第2動作モードにおいて、前記鋸波キャリア信号および正弦波信号を比較判定することにより生成された信号に対し、予め定められた遅延を付加する固定遅延回路をさらに備えること、
を特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、前記第2動作モードをあらかじめ決められた所定の時間になるように制御すること、
を特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、前記電源遮断回路が前記直流電源と前記インバータ回路とを遮断する期間があらかじめ決められた所定の時間になるように制御すること、
を特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、前記直流電源の電圧値に基づいて、前記電源遮断回路が前記直流電源と前記インバータ回路とを遮断する期間および前記上アームおよび前記下アームを同時にオンする期間を制御すること、
を特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、前記電源遮断回路の制御信号に基づいて、前記上アームおよび前記下アームを同時オンするタイミングを調整すること、
を特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、前記インバータ回路を制御する制御信号のうち少なくとも1つの制御信号に基づいて、前記電源遮断回路が前記直流電源と前記インバータ回路とを再接続するタイミングを制御すること、
を特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 請求項1〜10のいずれか1項に記載の電力変換装置と、
直流電源と、
前記電力変換装置に接続された電動機と、
を備えることを特徴とする電動機システム。
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