KR100983143B1

KR100983143B1 - 전력 변환 장치

Info

Publication number: KR100983143B1
Application number: KR1020087020771A
Authority: KR
Inventors: 유타카 히구치
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2007-07-26
Filing date: 2007-07-26
Publication date: 2010-09-20
Also published as: US8030874B2; HK1133492A1; KR20090086899A; WO2009013835A1; US20100164418A1; CN101496277B; JPWO2009013835A1; JP4707740B2; CN101496277A

Abstract

전기차용의 전력 변환 장치에 있어서, 인버터 주파수의 6차 주파수에 상당하는 토크 리플 성분에 기인하여 발생하는 6차 고조파 소음을 감소시키는 것이다. 전기차를 추진시키는 모터를 3 펄스 모드로 구동할 때에, 모터를 구동하는 인버터부의 스위칭 소자를 제어하기 위한 PWM 파형에 있어서 인버터 주파수의 1/2 주기내에 포함되는 3개 펄스를 그 생성 순서대로 각각 제1 펄스, 제2 펄스, 제3 펄스라 하고, 제1 펄스의 펄스 폭을 Tp, 제2 펄스의 펄스 폭의 1/2(펄스 반치폭)을 Tq, 제3 펄스의 펄스 폭을 Tr, 인버터 주파수의 주기를 T로 할 때, 제1 펄스의 펄스 폭 Tp와, 제2 펄스의 펄스 반치폭 Tq와, 제3 펄스의 펄스 폭 Tr과, 인버터 주파수의 주기 T 사이에 Tq

T/8, 및 Tp

Tq/2, 및 Tr

Tq/2의 관계를 만족하도록 설정한다.

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERTING APPARATUS}

본 발명은 전기차용의 전력 변환 장치(인버터 장치)에 관한 것으로, 특히 전기차를 인버터 변조 방식으로 구동하는 경우의 고조파 전류에 기인하는 6차 고조파 소음(이하 「6차 고조파 소음」이라 함)을 효과적으로 감소시킬 수 있는 전력 변환 장치에 관한 것이다.

종래 전기차를 구동하기 위한 전형적인 인버터 변조 방식을 개시한 문헌으로, 예를 들어 하기 비특허 문헌 1 등이 있다. 이 비특허 문헌 1에 개시된 인버터 변조 방식에서는 인버터 주파수가 작을 때 다(多) 펄스의 비동기 변조를 이용하고, 인버터 주파수가 커지면 3 펄스의 동기 변조를 이용하고, 또한 출력 전압이 종단 전압(정격 출력: 100%)에 도달한 이후는 1 펄스의 동기 변조를 이용하도록 한 제어 방식이 개시되고 있다.

비특허 문헌 1: 「인버터 제어 전차 개론」 이다 히데키, 가가 아츠시 저, 전기차 연구회

여기서 상술한 종래의 인버터 변조 방식에서는, 특히 출력 전압이 종단 전압의 전후에 있을 때에 이용되는 3 펄스 및 1 펄스에 의한 동기 변조시에, 전류 파형에 포함되는 5차 및 7차 고조파 전류에 기인하여 발생하는 6차 주파수에 상당하는 토크 리플 성분(torque ripple component)이 차체의 구조물과 공진하는 경우가 있어, 이 공진에 의해서 큰 소음이 발생하는 경우가 있다고 하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로, 인버터 주파수의 6차 주파수에 상당하는 토크 리플 성분을 억제하는 것에 의해, 이 토크 리플 성분에 기인하여 발생하는 6차 고조파 소음을 감소시킬 수 있는 전력 변환 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하고 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 관한 전력 변환 장치는, 입력된 직류 전압 또는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 입력 회로부와, 상기 입력 회로부로부터의 직류 전압을 임의 주파수의 교류 전압으로 변환하여 교류 전동기를 구동하는 인버터부와, 상기 인버터부에 구비되는 스위칭 소자를 스위치 제어하기 위한 PWM 파형을 생성 출력하는 PWM 파형 생성부를 구비한 전력 변환 장치로서, 상기 교류 전동기를 3 펄스 모드로 구동할 때에, 상기 PWM 파형 생성부가 출력하는 PWM 파형에 있어서 인버터 주파수의 1/2 주기내에 포함되는 3개 펄스를 그 생성 순서대로 각각 제1 펄스, 제2 펄스, 제3 펄스라 하고, 이 제1 펄스의 펄스 폭을 Tp, 이 제2 펄스의 펄스 폭의 1/2(펄스 반치폭(半値幅))을 Tq, 이 제3 펄스의 펄스 폭을 Tr, 상기 인버터 주파수의 주기를 T로 할 때, 상기 제1 펄스의 펄스 폭 Tp와, 상기 제2 펄스의 펄스 반치폭 Tq와, 상기 제3 펄스의 펄스 폭 Tr과, 상기 인버터 주파수의 주기 T 사이에, Tq

T/8, 및 Tp

Tq/2, 및 Tr

Tq/2의 관계를 만족하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 관한 전력 변환 장치에 의하면, 교류 전동기를 3 펄스 모드로 구동할 때에, 교류 전동기를 구동하는 인버터부를 제어하기 위한 PWM 파형에 있어서 인버터 주파수의 1/2 주기내에 포함되는 3개 펄스를 그 생성 순서대로 각각 제1 펄스, 제2 펄스, 제3 펄스라 하고, 제1 펄스의 펄스 폭을 Tp, 제2 펄스의 펄스 폭의 1/2(펄스 반치폭)을 Tq, 제3 펄스의 펄스 폭을 Tr, 인버터 주파수의 주기를 T로 할 때에, 제1 펄스의 펄스 폭 Tp와, 제2 펄스의 펄스 반치폭 Tq와, 제3 펄스의 펄스 폭 Tr과, 인버터 주파수의 주기 T 사이에, Tq

T/8, 및 Tp

Tq/2, 및 Tr

Tq/2의 관계를 만족하도록 설정했기 때문에, 인버터 주파수의 6차 주파수에 상당하는 토크 리플 성분을 억제할 수 있고, 이 토크 리플 성분에 기인하여 발생하는 6차 고조파 소음을 감소시킬 수 있다고 하는 효과를 달성한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 도면이다.

도 2는 종래형 3 펄스 모드시에 생성되는 스위칭 파형(선간(線間) 전압 파형)을 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 형태에 관한 전력 변환 장치에 적용되는 개선형 3 펄스 모드시에 생성되는 스위칭 파형(선간 전압 파형)을 나타내는 도면이다.

도 4는 종래형 3 펄스 모드와 비교한 개선형 3 펄스 모드에 의한 고조파 전류의 감소 효과를 나타내는 도면이다.

도 5는 종래형 3 펄스 모드와 비교한 개선형 3 펄스 모드에 의한 고조파 토크 성분의 감소 효과를 나타내는 도면이다.

도 6은 1 펄스 모드와 비교한 개선형 3 펄스 모드에 의한 고조파 전류의 감소 효과를 나타내는 도면이다.

도 7은 1 펄스 모드와 비교한 개선형 3 펄스 모드에 의한 고조파 토크 성분의 감소 효과를 나타내는 도면이다.

<부호의 설명>

1 전력 변환 장치

2 입력 회로

3 인버터부

4a, 5a, 6a, 4b, 5b, 6b 스위칭 소자

7 PWM 파형 생성부

8 모터

10 가선

11 집전 장치

12 레일

13 차륜

이하에, 본 발명의 바람직한 실시에 관한 전력 변환 장치를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이하의 실시 형태에 의해 본 발명은 한정되지 않는다.

(전력 변환 장치의 구성)

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 구성예를 나타내는 도면이다. 동일 도면에 있어서, 본 실시 형태에 관한 전력 변환 장치(1)는 적어도 스위치, 필터 콘덴서, 필터 리액터를 포함하는 입력 회로(2), 스위칭 소자(4a, 5a, 6a, 4b, 5b, 6b)를 구비하고, 전기차를 구동하기 위한 적어도 1대 이상의 모터(8)를 접속하여 이루어진 인버터부(3), 및 인버터부(3)를 스위치 제어하기 위한 PWM 파형을 생성하여 출력하는 PWM 파형 생성부(7)를 구비하여 구성된다. 또한, 인버터부(3)에 접속되는 모터(8)로는 유도 전동기나 동기 전동기가 바람직하다.

또, 도 1에 있어서, 입력 회로(2)의 일단(一端)은 집전 장치(11)를 통하여 가선(10)에 접속되고, 타단(他端)은 차륜(13)을 통하여 대지 전위인 레일(12)에 접속되어 있다. 가선(10)으로부터 공급되는 직류 전력 또는 교류 전력은 집전 장치(11)를 통하여 입력 회로(2)의 일단에 입력되는 동시에, 입력 회로(2)의 출력단에 발생한 전력이 인버터부(3)에 입력된다.

인버터부(3)는 스위칭 소자(4a, 5a, 6a)로 구성되는 정측 암(positive-side arm; 예를 들어 U상에서는 4a)과, 스위칭 소자(4b, 5b, 6b)로 구성되는 부측 암(negative-side arm; 예를 들어 U상에서는 4b)이 각각 직렬로 접속된 레그(leg)를 갖고 있다. 즉, 인버터부(3)에는 3쌍(U상분, V상분, W상분)의 레그를 갖는 3상 브릿지 회로가 구성되어 있다. 또한, 스위칭 소자(4a, 5a, 6a, 4b, 5b, 6b)로서는 역병렬 다이오드가 내장된 IGBT 소자나 IPM 소자가 바람직하다.

인버터부(3)는 PWM 파형 생성부(7)로부터 출력되는 스위칭 신호(PWM 파형)에 기초하여 스위칭 소자(4a, 5a, 6a, 4b, 5b, 6b)를 PWM 제어하는 것에 의해, 입력 회로(2)로부터 입력된 직류 전압을 원하는 교류 전압으로 변환하여 출력한다. 또한, 도 1의 예에서는 레그 수가 3(3상)인 경우의 구성예를 나타내고 있으나, 이 레그 수로 한정되지 않는다.

(종래 기술에 의한 스위칭 파형)

도 2는 종래 기술에 관한 3 펄스 모드(이하 「종래형 3 펄스 모드」라고 함)시에 생성되는 스위칭 파형(선간 전압 파형)을 나타내는 도면이다. 즉, 동일 도면에 나타내는 전압 파형은 인버터부(3)의 U상-V상간, V상-W상간, 또는 W상-U상간 중 어느 하나의 선간 전압 파형을 대표로 나타낸 것이다.

도 2에 있어서, 종래형 3 펄스 모드에 있어서 선간 전압 파형에서는 인버터 주파수의 1/2 주기(T/2) 구간내에 펄스 폭 T1, T2, T3의 3개 펄스(이하, 편의상 「제1 펄스」, 「제2 펄스」 및 「제3 펄스」라고 칭함)가 생성되어 있고, 이들 펄스 간에는 T1<T2, T3<T2의 관계가 있다. 또, 제1 펄스와 제3 펄스 사이에서는 파형 대칭성의 관점에서 T1=T3으로 설정하는 것이 일반적이다. 또한, 종래형 3 펄스 모드에 있어서 전류 특성 및 토크 특성에 대해서는 후술한다.

(본 실시 형태에 따른 스위칭 파형)

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 형태에 관한 전력 변환 장치에 적용되는 개선된 3 펄스 모드(이하 「개선형 3 펄스 모드」라고 함)시에 생성되는 스위칭 파형(선간 전압 파형)을 나타내는 도면이다. 또한, 도 3에 나타내는 파형도에서는 인 버터 주파수의 1/2 주기(T/2) 구간을 2분하는 1/4 주기(T/4) 구간으로 구분하여 나타내고 있다.

도 3에 나타내는 개선형 3 펄스 모드에 의한 스위칭 파형(선간 전압 파형)에서는 어느 인버터 주파수의 1/4 주기 구간에 있어서, 펄스 휴지 기간 Ta, Tc를 전후에 끼는 펄스 폭 Tb의 펄스와, 펄스 휴지 기간 Tc 후의 펄스 폭 Td의 펄스가 출력되는 동시에, 이들 펄스 그룹이 다음 1/4 주기의 구간에서 좌우 대칭 형상으로 반복되도록 형성되고, 그 다음 1/2 주기의 구간에서 직전에 출력된 1/2 주기의 펄스 그룹이 점대칭 형상으로 반복되도록 형성되어 있다. 즉, 본 실시 형태에 관한 개선형 3 펄스 모드에서는 펄스 폭 Tb의 제1 펄스, 펄스 폭 2Td의 제2 펄스, 및 펄스 폭 Tb의 제3 펄스에 의한 3개 펄스에 따른 스위칭 파형(선간 전압 파형)이 출력된다.

또한, 개선형 3 펄스 모드에 있어서도, 파형 대칭성의 관점에서 도 3에 나타내는 바와 같이, 제1 펄스와 제3 펄스의 각 펄스 폭을 동일하게 설정하고 있으나, 후술하는 관계식을 만족하는 범위내이면, 이들 펄스 폭끼리가 다른 값으로 설정되어 있어도 상관없다.

다음에, 도 3에 나타낸 개선형 3 펄스 모드를 특징짓는 펄스 휴지 기간 Ta, Tc 및 펄스 폭 Tb, Td간의 관계에 대하여 설명한다.

우선, 펄스 폭 Td, 펄스 폭 Tb 및 인버터 주파수의 주기 T 사이에는 이하의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

Td

T/8 ㆍㆍㆍ(1)

Tb

Td/2 ㆍㆍㆍ(2)

또, 펄스 폭 Td는 개선형 3 펄스 모드를 형성하는 조건으로, 다음의 부등식을 만족할 필요가 있다.

Td<T/4-Tb ㆍㆍㆍ(3)

상기 (1) ~ (3) 식에 의해서, 이하의 관계식이 도출된다.

T/8

Td<T/4-Tb ㆍㆍㆍ(4)

이하에 몇 가지 전형적인 예를 나타낸다. 예를 들어 상기 (2) 식을 만족하는 Tb로서 Tb=T/12로 설정하면, 상기 (4) 식은 다음 식과 같이 변환된다.

T/8

Td<T/6 ㆍㆍㆍ(5)

따라서, (5) 식을 만족하는 Td로서, 예를 들어 Td=T/8, 또는 Td=T/7 등의 값을 선택할 수 있다.

또, 예를 들어 상기 (2) 식을 만족하는 Tb로서 Tb=T/20으로 설정하면, 상기 (4) 식은 다음 식과 같이 변환된다.

T/8

Td<T/5 ㆍㆍㆍ(6)

이런 경우이면, 예를 들어 Td=T/6 등의 값도 선택하는 것이 가능하게 된다.

(전력 변환 장치의 동작)

다음에, 본 실시 형태에 관한 전력 변환 장치의 동작에 대해 도 1 및 도 3을 참조하여 설명한다. 도 1에 있어서, 가선(1)으로부터 공급되는 직류 전력 또는 교류 전력은 집전 장치(11)를 통하여 입력 회로(2)에 입력되는 동시에, 입력 회로(2) 의 출력단에 발생한 직류 전력이 인버터부(3)에 입력된다. 이 때, 인버터부(3)를 구성하는 각 스위칭 소자(4a, 5a, 6a, 4b, 5b, 6b)에는 PWM 파형 생성부(7)가 생성한 소정의 스위칭 신호가 입력되고, 인버터부(3)의 출력단인 각 상간(U상-V상간, V상-W상간, W상-U상간)에는 선간 전압이 나타나서 모터(8)에 인가된다.

여기서, 종래의 인버터 제어에서는 인버터 주파수가 작을 때에 다 펄스의 비동기 변조를 행하고, 인버터 주파수가 커지면 3 펄스의 동기 변조를 행하고, 또한 출력 전압이 종단 전압에 도달하면 1 펄스의 동기 변조를 행하도록 하고 있었다.

한편, 본 실시 형태에 의한 인버터 제어에서는 인버터 주파수가 작을 때에 다 펄스의 비동기 변조를 이용하지만, 인버터 주파수가 커지면 상기 도 3에 나타내는 바와 같은 개선형 3 펄스 모드에 의해서 생성된 PWM 파형을 이용하도록 한다. 또한, 이 개선형 3 펄스 모드에 의한 PWM 파형은 PWM 파형 생성부(7)에 의해서 생성된다. 또한, 본 실시 형태에 의한 인버터 제어에서, 종래에 이용된 1 펄스 모드는 이용하지 않는다. 즉, 본 실시 형태에 의한 인버터 제어에서는 출력 전압이 종단 전압에 도달한 이후에도, 개선형 3 펄스 모드에 의한 PWM 파형을 이용한 제어를 행한다.

또한, 본 실시 형태에 의한 인버터 제어에서는 1 펄스 모드를 이용하지 않는 것으로 하고 있기 때문에, 예를 들어 3 펄스 모드와 1 펄스 모드의 전환시에 발생하는 토크 변동을 고려할 필요가 없어진다고 하는 이점을 얻을 수 있다.

또, 종래의 인버터 제어에서는 출력 전압이 종단 전압(정격 출력)에 도달한 이후에 1 펄스 모드에 의한 제어를 행했기 때문에, PWM 파형의 변경을 행할 수 없 어, 유연한 운전 제어를 행하는 것이 불가능했다. 한편, 본 실시 형태에 의한 인버터 제어에서는 PWM 파형의 변경을 행할 수 있는 개선형 3 펄스 모드를 계속적으로 이용할 수 있기 때문에, 출력 전압이 종단 전압에 도달한 이후에 있어서도 유연한 운전 제어를 행할 수 있다고 하는 이점을 얻을 수 있다.

다음에, 본 실시 형태의 전력 변환 장치에 의한 효과에 대해 도 4 ~ 도 7의 각 도면을 참조하여 설명한다. 도 4는 종래형 3 펄스 모드와 비교한 개선형 3 펄스 모드에 의한 고조파 전류의 감소 효과를 나타내는 도면이고, 도 5는 종래형 3 펄스 모드와 비교한 개선형 3 펄스 모드에 의한 고조파 토크 성분의 감소 효과를 나타내는 도면이고, 도 6은 1 펄스 모드와 비교한 개선형 3 펄스 모드에 의한 고조파 전류의 감소 효과를 나타내는 도면이고, 도 7은 1 펄스 모드와 비교한 개선형 3 펄스 모드에 의한 고조파 토크 성분의 감소 효과를 나타내는 도면이다.

상술한 바와 같이, 또는 공지된 사실로도 알려져 있는 바와 같이, 3 펄스 및 1 펄스의 동기 변조시에 있어서 이용되는 PWM 파형에는 인버터 주파수를 기본 주파수(1차)로 할 때의 5차 및 7차 고조파 전류가 포함되어 있다. 또, 이들 5차 및 7차 고조파 전류에 기인하여 기본 주파수의 6차에 상당하는 토크 리플 성분이 발생한다.

예를 들어 도 4의 왼쪽부 도면에 나타내는 바와 같이, 종래형 3 펄스 모드에서는 기본파를 100%로 할 때에 30% 이상의 5차 고조파 전류와, 약 20%의 7차 고조파 전류가 발생하고, 또, 도 5의 왼쪽부 도면에 나타내는 바와 같이, 기본파를 0dB로 할 때에 -12dB 전후의 6차 토크 리플 성분이 발생하고 있다.

한편, 본 실시 형태에 의한 개선형 3 펄스 모드에서는 도 4의 오른쪽부 도면에 나타내는 바와 같이, 5차 고조파 전류 및 7차 고조파 전류는 각각 15% 이하 및 10% 이하로 감소되어 있다. 그 결과, 도 5의 오른쪽부 도면에 나타내는 바와 같이, 6차 토크 리플 성분은 약 -25dB로 감소되어 있어, 종래와 비교해서 약 -13dB(약 1/20)의 크기로 감소되어 있다.

또, 도 6의 왼쪽부 도면에 나타내는 바와 같이, 1 펄스 모드에서는 기본파를 100%로 할 때에 40% 이상의 5차 고조파 전류와 20% 이상의 7차 고조파 전류가 발생하고, 또, 도 7의 왼쪽부 도면에 나타내는 바와 같이, 기본파를 OdB로 할 때에 -12dB 전후의 6차 토크 리플 성분이 발생하고 있다. 즉, 본 실시 형태에 의한 개선형 3 펄스 모드를 1 펄 모드와 비교한 경우도, 6차 토크 리플 성분은 약 -13dB(약 1/20)의 크기로 감소되게 된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태의 전력 변환 장치에서는 인버터 주파수가 작을 때 다 펄스의 비동기 변조를 행하고, 인버터 주파수가 커짐에 따라, 종래형 3 펄스 모드에 의한 PWM 파형의 시간 배분을 변경한 개선형 3 펄스 모드에 의한 PWM 파형을 적용하도록 하고 있기 때문에, 인버터 주파수의 6차 주파수에 상당하는 토크 리플 성분을 억제할 수 있어, 이 토크 리플 성분에 기인하여 발생하는 6차 고조파 소음을 감소하는 것이 가능하게 된다.

또, 본 실시 형태의 전력 변환 장치에서는 1 펄스 모드를 이용하고 있지 않기 때문에, 3 펄스 모드와 1 펄스 모드의 전환시에 발생하는 토크 변동을 고려한 제어를 실시할 필요가 없어져서 제어 구성 또는 제어 상태를 간소화할 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.

이상과 같이, 본 발명에 관한 전력 변환 장치는 인버터 주파수의 6차 주파수에 상당하는 토크 리플 성분에 기인하여 발생하는 6차 고조파 소음을 감소시킬 수 있는 발명으로서 유용하다.

Claims

입력된 직류 전압 또는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하는 입력 회로부와, 상기 입력 회로부로부터의 직류 전압을 임의 주파수의 교류 전압으로 변환하여 교류 전동기를 구동하는 인버터부와, 상기 인버터부에 구비되는 스위칭 소자를 스위치 제어하기 위한 PWM 파형을 생성 출력하는 PWM 파형 생성부를 구비한 전력 변환 장치로서,

상기 교류 전동기를 3 펄스 모드로 구동할 때에, 상기 PWM 파형 생성부가 출력하는 PWM 파형에 있어서 인버터 주파수의 1/2 주기내에 포함되는 3개 펄스를 그 생성 순서대로 각각 제1 펄스, 제2 펄스, 제3 펄스라 하고, 이 제1 펄스의 펄스 폭을 Tp, 이 제2 펄스의 펄스 폭의 1/2(펄스 반치폭(半値幅))을 Tq, 이 제3 펄스의 펄스 폭을 Tr, 상기 인버터 주파수의 주기를 T로 할 때, 상기 제1 펄스의 펄스 폭 Tp와, 상기 제2 펄스의 펄스 반치폭 Tq와, 상기 제3 펄스의 펄스 폭 Tr과, 상기 인버터 주파수의 주기 T 사이에,

Tq
T/8, 및 Tp
Tq/2, 및 Tr
Tq/2

의 관계를 만족하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 제1 펄스의 펄스 폭 Tp와, 상기 제3 펄스의 펄스 폭 Tr이,

Tp=Tr

로 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

상기 인버터부의 출력 전압이 종단 전압에 도달한 이후에 있어서도, 상기 교류 전동기를 3 펄스 모드로 구동하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.