WO2019188069A1 - 電力変換装置及びインバータ回路 - Google Patents

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岳 桐淵
宮川　智
仁 福原
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オムロン株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a power converter and an inverter circuit.
  • DC power is converted to AC power by PWM (pulse width modulation) control of an inverter circuit having a plurality of legs, but switching elements (such as IGBTs) constituting each leg are switched.
  • PWM pulse width modulation
  • switching elements such as IGBTs
  • the output voltage will drop or dead zone will be generated for the length of dead time, but voltage or current feedback for matching the output voltage or current to the target value during PWM control of the inverter circuit Control is performed. Therefore, even if the dead time is provided, the output voltage or current can be finally set as the target value.
  • the PWM control with the conventional dead time can control the power converter and the inverter with high responsiveness at the time of low output. It was difficult.
  • the present invention has been made in view of the above-described present situation, and is capable of outputting low-power AC power with high responsiveness, and having high efficiency even at the time of large output, and the configuration of such a power conversion device.
  • An object of the present invention is to provide an inverter circuit that can be used as an element.
  • a power conversion device includes an inverter circuit including one or more legs in which two switching elements are connected in series, and ON / OFF of each switching element in the inverter circuit.
  • a control unit that performs OFF control.
  • the inverter circuit of the power converter is provided with one or more current limiting circuits that limit the current flowing through each leg.
  • the control unit of the power conversion device may limit the one or more current limits so that the current flowing through each leg is not limited.
  • the circuit is controlled, and the two switching elements of each leg of the inverter circuit are alternately turned ON / OFF with a dead time therebetween, and when the target voltage or the target current is within the predetermined range,
  • the one or more current limiting circuits are controlled so that the current flowing through the legs is limited, and the two switching elements of each leg of the inverter circuit are alternately controlled on / off without dead time.
  • the power conversion device is configured such that at the time of low output, the two switching elements of each leg of the inverter circuit are turned on / off without any dead time. An excessive current flowing through each leg is prevented by one or more current limiting circuits. Therefore, according to this power converter, low output AC power can be output with good responsiveness, and power can be converted efficiently even at high output.
  • the current limiting circuit adjusts the gate voltage or the base current of one switching element of the leg that is the current control target.
  • the current limiting circuit is controlled to be equal to or less than a predetermined current, and the target voltage or target current is outside the predetermined range, the current flowing through the one switching element when the one switching element is ON is A configuration in which the current limiting circuit is controlled so as not to be limited to a predetermined current or less may be employed.
  • the one switching element is a switching element with current sensing
  • the current limiting circuit limits the current flowing through the leg based on the current flowing through the current sensing terminal of the one switching element. It is also possible to adopt a “circuit” configuration.
  • An inverter circuit is an inverter circuit for converting DC power into AC power, and limits one or more legs in which two switching elements are connected in series and a current flowing through each leg.
  • One or more current limiting circuits are used, if this inverter circuit is used, it is possible to realize a power conversion device that can output low-power AC power with high responsiveness.
  • a power converter that can output low-power AC power with high responsiveness and that can efficiently convert power even at high output, and an inverter circuit that can be used as a component of such a power converter. Can be provided.
  • FIG. 1 is an explanatory diagram of a schematic configuration and usage pattern of the power conversion device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram of a circuit configuration of each leg of the inverter circuit included in the power conversion device according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a functional block diagram of a control unit included in the power conversion device according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of the forward characteristics of the IGBT.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining functions of the power conversion device according to the embodiment.
  • FIG. 6A is an explanatory diagram of a control example of the second control signal in the power conversion device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6B is an explanatory diagram of a control example of the second control signal in the power conversion device according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram of a modification of the power conversion device according to the embodiment.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram of a modification of the power conversion device according to the embodiment.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram of a modification of the power conversion device according to the embodiment.
  • FIG. 10 is an explanatory diagram of a circuit configuration example of a current limiting circuit that can be used in the power conversion device illustrated in FIGS. 8 and 9.
  • the power conversion device 20 is a device for driving a motor (three-phase motor) 40. As illustrated, the power conversion device 20 includes a power circuit 21 and a control unit 10.
  • the power circuit 21 is a circuit for generating a three-phase alternating current supplied to the motor 40.
  • the power circuit 21 includes a rectifier circuit 22 for rectifying a three-phase alternating current from the three-phase power supply 50 and a smoothing capacitor 23.
  • the power circuit 21 includes an inverter circuit 24 for converting the output voltage of the rectifier circuit 22 smoothed by the smoothing capacitor 23 into a three-phase AC voltage.
  • the inverter circuit 24 is a circuit in which a U-phase leg 25, a V-phase leg 25, and a W-phase leg 25 are connected in parallel between positive and negative buses. Although details will be described later, each leg 25 of the inverter circuit 24 includes two switching elements connected in series and a current limiting circuit (not shown) for limiting the magnitude of the current flowing through the own leg 25. It is configured. 1 shows an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) as each switching element, but each switching element constituting each leg 25 is a switching element other than the IGBT (MOS-FET, bipolar transistor, etc.). It may be.
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • the power converter 20 is provided with a current sensor 28 for measuring the output current of each leg 25 of the inverter circuit 24.
  • a current sensor 28 for measuring the output current of each leg 25 of the inverter circuit 24.
  • the measurement results of the U, V, and W phase output currents by the respective current sensors 28 are referred to as a U phase current measurement value, a V phase current measurement value, and a W phase current measurement value, respectively.
  • the control unit 10 is a unit that controls the inverter circuit 24 in accordance with an instruction from a host device 30 such as a PLC (Programmable logic controller).
  • the control unit 10 includes a processor and its peripheral circuits.
  • the control unit 10 includes a signal from each current sensor 28, a signal from an encoder 41 (an absolute encoder or an incremental encoder) attached to the motor 40, and the like. Is entered.
  • each leg 25 of the inverter circuit 24 will be described.
  • the switching element on the high side and the switching element on the low side of each leg 25 are referred to as a first switching element and a second switching element, respectively.
  • FIG. 2 shows a circuit configuration of each leg 25 of the inverter circuit 24 according to the present embodiment.
  • each leg 25 of the inverter circuit 24 is basically a unit (circuit) in which two switching elements are connected in series.
  • each leg 25 is provided with a current limiting circuit 26 configured by an operational amplifier, a resistor R1, and a resistor R2 for applying a voltage to the gate electrode of the second switching element.
  • the resistance value of the resistor R1 is also expressed as R1.
  • the current limiting circuit 26 applies the voltage applied to the second gate electrode so that the voltage Vin input as the second control signal matches the voltage across the resistor R1. Is a circuit that limits the value of the current flowing through the second switching element to Vin / R1 by adjusting.
  • the resistor R2 in the current limiting circuit 26 is a resistor for preventing an overcurrent from flowing. Therefore, the resistor R2 may be omitted.
  • FIG. 3 shows a functional block diagram of the control unit 10. As illustrated, the control unit 10 is configured to operate as a current control unit 33 and a control signal generation unit 35.
  • the current control unit 33 determines the U-phase voltage command value Vu, the V-phase voltage command value Vv, and This is a unit (functional block) that generates a voltage command value Vw for the W phase.
  • the current control unit 33 generates a current command value for each phase based on the current command value, and performs PI calculation of a deviation between each generated current command value and the current measurement value of each phase.
  • the voltage command value for each phase is generated. Note that the current command value input to the current control unit 33 is generated in the control unit 10 based on information and instructions input from the host device 30 even if it is a value itself input from the host device 30. It may be a value.
  • the control signal generator 35 generates a control signal for ON / OFF control of each switching element in the inverter circuit 24 based on the voltage command values (Vu, Vv, Vw) of each phase from the current controller 33. Is a unit.
  • the first control signal generated for the control signal generator 35 to control the first switching element of each leg 25 is a normal PWM signal supplied to the gate electrode of the first switching element of each leg 25.
  • the second control signal generated for the control signal generator 35 to control the second switching element of each leg 25 is a signal supplied to the operational amplifier in the current limiting circuit 26 of each leg 25 (see FIG. 2). It has become.
  • the control signal generation unit 35 is configured to change the generation algorithm of the first and second control signals based on the voltage command value V (Vu, Vv, or Vw).
  • the control signal generation unit 35 does not insert a dead time based on the voltage command value V (insertion). (Not) generate first and second control signals. Further, in this case, the control signal generator 35 sets the level (voltage value) of the second control signal when the second switching element is turned ON in advance by using the second switching element in the ON state as an allowable value of the short-circuit current. Control is performed to a level at which only a current of a predetermined current value (hereinafter referred to as a specified current value) flows. More specifically, the IGBT has forward characteristics as shown in FIG.
  • the control unit 10 uses the current limiting circuit 26 so that the active region of the IGBT (second switching element) is used and the collector current (I CE ) of the IGBT (second switching element) becomes equal to or less than a specified current value.
  • the gate voltage of the IGBT (second switching element) is controlled.
  • the control signal generator 35 when the voltage command value V is not equal to or greater than ⁇ V LMT and equal to or less than V LMT , the control signal generator 35 generates the first and second control signals having a dead time between them based on the voltage command value V. Is generated. Further, in this case, the control signal generator 35 controls the level of the second control signal when turning on the second switching element to a level at which the value of the current flowing through the second switching element is not limited by the current limiting circuit 26. That is, the control signal generator 35 uses the current limiting circuit 26 so that a sufficient current flows through the IGBT (second switching element) by using the saturation region (see FIG. 4) of the IGBT (second switching element). To control the gate voltage of the IGBT (second switching element).
  • each leg 25 of the inverter circuit 24 included in the power conversion device 20 according to the present embodiment is provided with a current limiting circuit 26 that can limit the current value flowing through each leg 25.
  • control unit 10 (control signal generation unit 35) included in the power conversion device 20 has a target output voltage (voltage command value for each phase) of each leg 25 within a predetermined voltage range ( ⁇ V LMT to V LMT range).
  • ON current value The first switching element and the second switching element across the dead time without any particular limitation on the current value flowing through the second switching element in the ON state (hereinafter referred to as ON current value) Are alternately turned ON / OFF.
  • the control unit 10 when the target output voltage is within the predetermined voltage range, the control unit 10 generates the second control signal having a level at which the ON current value is equal to or less than the specified current value, and performs the first switching without sandwiching the dead time.
  • the element and the second switching element are alternately turned ON / OFF.
  • FIG. 5 when the control signals of the two switching elements in a certain leg 25 are changed at the same time, if the current limiting circuit 26 is not provided in the leg 25, a large short-circuit current is generated. However, if the current limiting circuit 26 is provided in the leg 25, the magnitude of the short circuit current can be reduced to a level that does not cause a problem.
  • the second switching element when the second switching element is OFF ⁇ ON, the current flowing through the second switching element is directly limited by the current limiting circuit 26. Also, when the first switching element is OFF ⁇ ON (that is, when the second switching element is ON ⁇ OFF), even if a large current flows through the first switching element, the second switching element attempts to transition from ON ⁇ OFF. Therefore, no current exceeding the current limited by the current limiting circuit 26 flows.
  • the inverter circuit 24 can be controlled without causing a decrease in output due to the dead time.
  • the power conversion device 20 can output low-power AC power with good responsiveness and functions as an efficient device even at high output.
  • the power conversion device 20 according to the second embodiment of the present invention will be described using the same reference numerals as those used in the description of the power conversion device 20 of the first embodiment.
  • the second power converter 20 has improved the first power converter 20 so that even if the response speed of the current limiting circuit 26 of each leg 25 is slow, a short-circuit current exceeding a specified current value does not flow through each leg 25. Is.
  • the second power control device 20 (the power control device 20 according to the second embodiment) has the same hardware configuration as the first power control device 20. Further, the second control unit 10 (the control unit 10 of the second power control device 20), when the target output voltage of each leg 25 is not within the predetermined voltage range, similarly to the first control unit 10, The first switching element and the second switching element are alternately turned ON / OFF with a dead time between them without any particular limitation on the value (the current value flowing through the second switching element in the ON state).
  • the second control unit 10 is a level at which the ON current value is equal to or less than a specified current value (hereinafter, current limiter).
  • the second control signal (denoted as “use level”) is generated and the first switching element and the second switching element are alternately turned ON / OFF without interposing the dead time.
  • the second control unit 10 uses the rising pattern and the rising start timing corresponding to the response speed of the current limiting circuit 26 to perform the second control before the ON timing of the second switching element.
  • the current limiting circuit 26 is controlled so that the signal level (that is, the gate voltage of the second switching element) starts to rise.
  • the rising pattern and the rising start timing according to the response speed of the current limiting circuit 26 are that the current value flowing through the second switching element that is in the ON state is equal to or less than the specified current value even at the response speed of the current limiting circuit 26 being used.
  • the rising pattern and the rising start timing of the second control signal determined to be These parameters may be determined by simulation or experiment so that the ON current value is equal to or less than the specified current value even at the response speed of the current limiting circuit 26 being used.
  • the rising pattern of the second control signal increases at a constant rate from the rising start timing (ON timing of the second switching element- ⁇ t) to the ON timing of the second switching element. May be.
  • the rising pattern of the second control signal may be such that the second control signal reaches the current limiting level before the ON timing of the second switching element.
  • the rising pattern of the second control signal may be such that the rising rate changes with time.
  • the control unit 10 (second control unit 10) of the power control apparatus 20 according to the present embodiment responds to the response speed of the current limiting circuit 26 when turning on the second switching element.
  • the current limiting circuit 26 is controlled so that the level of the second control signal starts to rise before the ON timing of the second switching element with the rising pattern and the rising start timing. Therefore, the power control device 20 according to the present embodiment functions as a device in which a short-circuit current exceeding a specified current value does not flow through each leg 25 even when the response speed of the current limiting circuit 26 of each leg 25 is slow.
  • the inverter circuit 24 of the power conversion device 20 according to each embodiment may be modified to include the leg 25 having the circuit configuration shown in FIG. That is, the inverter circuit 24 is a leg 25 in which a switching element with current sensing is used as the second switching element, and the current flowing through the second switching element based on the current value flowing through the current sensing terminal 27 of the second switching element. It may be modified to have a leg 25 provided with a current limiting circuit 26 for limiting the current.
  • the control unit 10 of the power conversion device 20 may be modified to change the control content for each switching element based on the target output current instead of the target output voltage.
  • the current limiting circuit 26 detects the current flowing through the switching element with the resistors R1 and R3. However, the current limiting circuit 26 detects the current flowing through the switching element with another value that varies with the current. May be adopted. As other values, Vds can be exemplified when the switching element is an FET, and Vce can be exemplified when the switching element is an IGBT or a transistor.
  • the current limiting circuit 26 described above is a circuit that limits the current flowing through the legs by controlling the gate voltage of the second switching element (IGBT), but as shown schematically in FIG. 25, a current limiting circuit 42 may be provided separately from each switching element. Further, as schematically shown in FIG. 9, one current limiting circuit 43 may be provided on the bus of the inverter circuit 24.
  • IGBT gate voltage of the second switching element
  • the current limiting circuits 42 and 43 that can be used in the above-described form, a circuit having the circuit configuration shown in FIGS. 10A and 10B can be exemplified. Further, when the configuration shown in FIG. 8 or FIG. 9 is adopted, when the target voltage or target current to be output from the control circuit 10 to the inverter circuit 24 is out of the predetermined range, the current flowing through each leg 25 is Each current limiting circuit 42 or current limiting circuit 43 is controlled so as not to be restricted, and the two switching elements of each leg 25 are alternately turned ON / OFF with a dead time therebetween, so that the target voltage or current is within a predetermined range. The current limiting circuit 42 or the current limiting circuit 43 is controlled so that the current flowing through each leg 25 is limited, and the two switching elements of each leg 25 are connected with no dead time. A unit that performs ON / OFF control alternately may be used.
  • the power conversion device 20 may be modified into a device that supplies AC power to devices other than the motor 40 or a device in which the number of legs 25 in the inverter circuit 24 is not three.
  • the power conversion device 20 may be modified into a device having a specific processing procedure different from that described above (for example, a device that inserts dead time by changing the rising and falling positions of the PWM pulse). .
  • an inverter circuit (24) comprising one or more legs (25) in which two switching elements are connected in series;
  • a control unit (10) for performing ON / OFF control of each switching element in the inverter circuit (24),
  • the inverter circuit (24) is provided with one or more current limiting circuits (26; 42; 43) for limiting the current flowing through each leg.
  • the control unit (10) may prevent the current flowing through each leg (25) from being limited.
  • a plurality of current limiting circuits (26; 42; 43) are controlled, and two switching elements of each leg (25) of the inverter circuit (24) are alternately turned on / off with a dead time therebetween,
  • the one or more current limiting circuits (26; 42; 43) are controlled so that the current flowing through each leg (25) is limited.
  • the two switching elements of each leg (25) of the inverter circuit (24) are alternately turned ON / OFF without interposing a dead time.
  • An inverter circuit (24) comprising:

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Abstract

低電力の交流電力を応答性良く出力できる電力変換装置を提供する。電力変換装置は、各レグを流れる電流を制限する１つ又は複数の電流制限回路が設けられたインバータ回路と、インバータ回路の目標電圧又は目標電流が所定範囲外である場合には、各レグを流れる電流が制限されないように前記１つ又は複数の電流制限回路を制御すると共に、各レグの２つのスイッチング素子を、デッドタイムを挟んで交互にＯＮ／ＯＦＦ制御し、目標電圧又は目標電流が所定範囲内である場合には、各レグを流れる電流が制限されるように１つ又は複数の電流制限回路を制御すると共に、前記インバータ回路の各レグの２つのスイッチング素子を、デッドタイムを挾まずに交互にＯＮ／ＯＦＦ制御する制御部と、を備える。

Description

電力変換装置及びインバータ回路
　本発明は、電力変換装置とインバータ回路とに関する。
　複数のレグを備えたインバータ回路をＰＷＭ（pulse width modulation）制御することで直流電力を交流電力に変換することが行われているが、各レグを構成するスイッチング素子（ＩＧＢＴ等）には、スイッチング遅延時間がある。そのため、各レグの２スイッチング素子を同時にオン／オフすると、各レグが短絡する期間（２スイッチング素子が共にオンとなる期間）が生じてしまう。そのような期間があると各スイッチング素子に過大な電流が流れてしまうため、インバータ回路のＰＷＭ制御時には、各レグの２スイッチング素子の制御信号に、デッドタイムが挿入されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１６－１１１７７６号公報
　デッドタイムを挿入すると、デッドタイムの長さ分、出力電圧が低下したり、不感帯が生じたりするが、インバータ回路のＰＷＭ制御時には、出力電圧または電流を目標値と一致させるための電圧または電流フィードバック制御が行われる。そのため、デッドタイムを設けても、最終的には出力電圧または電流を目標値とすることができる。ただし、低出力時にフィードバックにおける偏差が小さいため出力が目標値となるには時間がかかるため、従来のデッドタイムを有したＰＷＭ制御では、低出力時において応答性良く電力変換装置やインバータを制御することが困難であった。一方で、デッドタイムをなくして応答性を上げようとすると、インバータ回路をスイッチングではなくリニア制御する必要があり、特に大電力を扱う場合には回路の損失が大きく非効率となったり、装置が大きくなり実用上困難であった。
　本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、低出力の交流電力を応答性良く出力でき、かつ、大出力時でも効率が良い電力変換装置、及び、そのような電力変換装置の構成要素として使用できるインバータ回路を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明の一観点による電力変換装置は、２つのスイッチング素子を直列接続した１つ以上のレグを備えたインバータ回路と、前記インバータ回路内の各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う制御部と、を備える。また、電力変換装置のインバータ回路には、各レグを流れる電流を制限する１つ又は複数の電流制限回路が設けられている。そして、電力変換装置の制御部は、前記インバータ回路に出力させるべき目標電圧又は目標電流が所定範囲外である場合には、各レグを流れる電流が制限されないように前記１つ又は複数の電流制限回路を制御すると共に、前記インバータ回路の各レグの２つのスイッチング素子をデッドタイムを挟んで交互にＯＮ／ＯＦＦ制御し、前記目標電圧又は前記目標電流が前記所定範囲内である場合には、各レグを流れる電流が制限されるように前記１つ又は複数の電流制限回路を制御すると共に、前記インバータ回路の各レグの２つのスイッチング素子をデッドタイムを挟まずに交互にＯＮ／ＯＦＦ制御する。
　すなわち、本発明の一観点による電力変換装置は、低出力時には、インバータ回路の各レグの２つのスイッチング素子が、デッドタイムを挟まずにＯＮ／ＯＦＦされる構成であって、そのような制御により各レグに過大な電流が流れることは１つ又は複数の電流制限回路によって抑止される構成を有する。従って、この電力変換装置によれば、低出力の交流電力を応答性良く出力できると共に、大出力時でも効率良く電力を変換できることになる。
　電力変換装置に、インバータ回路のバスに電流制限回路が設けられている構成を採用しても、インバータ回路のレグ毎に、そのレグを流れる電流を制限する前記電流制限回路が設けられている構成を採用しても良い。
　電力変換装置に、後者の構成を採用する場合には、さらに、『前記電流制限回路が、電流の制御対象となっているレグの一方のスイッチング素子のゲート電圧又はベース電流を調整することで当該レグを流れる電流を制限する回路であり、前記制御部は、前記目標電圧又は目標電流が前記所定範囲内である場合には、前記一方のスイッチング素子のＯＮ時に前記一方のスイッチング素子を流れる電流が所定電流以下となるように前記電流制限回路を制御し、前記目標電圧又は目標電流が前記所定範囲外である場合には、前記一方のスイッチング素子のＯＮ時に前記一方のスイッチング素子を流れる電流が前記所定電流以下に制限されないように前記電流制限回路を制御する』構成を採用しておいても良い。
　この構成を採用する場合には、電流制限回路の応答速度が遅くても貫通電流が流れないようにするために、『前記制御部は、前記目標電圧又は目標電流が前記所定範囲内である場合において、前記一方のスイッチング素子をＯＮする場合には、前記電流制限回路の応答速度に基づき定められた上昇パターン及び上昇開始タイミングで前記一方のスイッチング素子のＯＮタイミング以前に前記一方のスイッチング素子のゲート電圧又はベース電流が上昇し始めるように前記電流制限回路を制御する』構成を採用しても良い。
　電力変換装置に、『前記一方のスイッチング素子が、電流センス付きスイッチング素子であり、前記電流制限回路が、前記一方のスイッチング素子の電流センス端子を流れる電流に基づき、前記レグを流れる電流を制限する回路である』構成を採用しておいても良い。
　また、本発明の一観点によるインバータ回路は、直流電力を交流電力に変換するためのインバータ回路であって、２つのスイッチング素子を直列接続した１つ以上のレグと、各レグを流れる電流を制限する１つ又は複数の電流制限回路と、を備える。従って、このインバータ回路を用いておけば、低出力の交流電力を応答性良く出力できる電力変換装置を実現できる。
　本発明によれば、低出力の交流電力を応答性良く出力できると共に、大出力時でも効率良い電力を変換できる電力変換装置と、そのような電力変換装置の構成要素として使用できるインバータ回路とを提供することができる。
図１は、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の概略構成及び使用形態の説明図である。 図２は、第１実施形態に係る電力変換装置が備えるインバータ回路の各レグの回路構成の説明図である。 図３は、第１実施形態に係る電力変換装置が備える制御部の機能ブロック図である。 図４は、ＩＧＢＴの順方向特性の説明図である。 図５は、実施形態に係る電力変換装置の機能を説明するための図である。 図６Ａは、本発明の第２実施形態に係る電力変換装置における第２制御信号の制御例の説明図である。 図６Ｂは、第２実施形態に係る電力変換装置における第２制御信号の制御例の説明図である。 図７は、実施形態に係る電力変換装置の変形例の説明図である。 図８は、実施形態に係る電力変換装置の変形例の説明図である。 図９は、実施形態に係る電力変換装置の変形例の説明図である。 図１０は、図８、図９に示した電力変換装置に使用できる電流制限回路の回路構成例の説明図である。
  以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
　《第１実施形態》
　図１に、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置２０の概略構成及び使用形態を示す。本実施形態に係る電力変換装置２０は、モータ（三相モータ）４０を駆動するための装置である。図示してあるように、電力変換装置２０は、パワー回路２１と制御部１０とを備える。
　パワー回路２１は、モータ４０に供給する三相交流を生成するための回路である。図示してあるように、パワー回路２１は、三相電源５０からの三相交流を整流するための整流回路２２、及び、平滑コンデンサ２３を備える。さらに、パワー回路２１は、平滑コンデンサ２３により平滑化された整流回路２２の出力電圧を、三相交流電圧に変換するためのインバータ回路２４を備える。
　インバータ回路２４は、正負の母線間に、Ｕ相用のレグ２５、Ｖ相用のレグ２５及びＷ相用のレグ２５を並列接続した回路である。詳細については後述するが、このインバータ回路２４の各レグ２５は、直列接続された２つのスイッチング素子と、自レグ２５を流れる電流の大きさを制限するための電流制限回路（図示略）とにより構成されている。なお、図１には、各スイッチング素子として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を示してあるが、各レグ２５を構成する各スイッチング素子は、ＩＧＢＴ以外のスイッチング素子（ＭＯＳ－ＦＥＴ、バイポーラトランジスタ等）であっても良い。
　電力変換装置２０には、インバータ回路２４の各レグ２５の出力電流を測定するための電流センサ２８が設けられている。以下、各電流センサ２８によるＵ、Ｖ、Ｗ相の出力電流の測定結果のことを、それぞれ、Ｕ相電流測定値、Ｖ相電流測定値、Ｗ相電流測定値と表記する。
　制御部１０は、ＰＬＣ（Programmable logic controller）等の上位装置３０からの指示に従って、インバータ回路２４を制御するユニットである。制御部１０は、プロセッサとその周辺回路とから構成されており、制御部１０には、各電流センサ２８からの信号、モータ４０に取り付けられたエンコーダ４１（アブソリュートエンコーダやインクリメンタルエンコーダ）からの信号等が、入力されている。
　以下、電力変換装置２０の構成をさらに具体的に説明する。
　まず、インバータ回路２４の各レグ２５の回路構成について説明する。なお、以下では、説明の便宜上、各レグ２５のハイサイド側のスイッチング素子、ローサイド側のスイッチング素子のことを、それぞれ、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子と表記する。
　図２に、本実施形態に係るインバータ回路２４の各レグ２５の回路構成を示す。図示してあるように、インバータ回路２４の各レグ２５は、基本的には、２つのスイッチング素子を直列接続したユニット（回路）である。ただし、各レグ２５には、オペアンプと抵抗Ｒ１及び抵抗Ｒ２とにより構成された、第２スイッチング素子のゲート電極に電圧を印加するための電流制限回路２６が設けられている。以下、抵抗Ｒ１の抵抗値のこともＲ１と表記する。
　図示してある回路構成から明らかなように、電流制限回路２６は、第２制御信号として入力される電圧Ｖｉｎと抵抗Ｒ１の両端間の電圧とが一致するように第２ゲート電極への印加電圧を調整することで第２スイッチング素子を流れる電流値をＶｉｎ／Ｒ１に制限する回路である。なお、電流制限回路２６内の抵抗Ｒ２は、過電流が流れることを防止するための抵抗である。従って、抵抗Ｒ２は省略しても良い。
　次に、制御部１０（図１）によるインバータ回路２４の制御内容を説明する。
　図３に、制御部１０の機能ブロック図を示す。
　図示してあるように、制御部１０は、電流制御部３３及び制御信号生成部３５として動作するように構成されている。
　電流制御部３３は、電流指令値と、Ｕ相電流測定値、Ｖ相電流測定値及びＷ相電流測定値とに基づき、Ｕ相用の電圧指令値Ｖｕ、Ｖ相用の電圧指令値Ｖｖ及びＷ相用の電圧指令値Ｖｗを生成するユニット（機能ブロック）である。
　より具体的には、電流制御部３３は、電流指令値に基づき、各相用の電流指令値を生成し、生成した各相当の電流指令値と各相の電流測定値の偏差のＰＩ演算により、各相用の電圧指令値を生成する。なお、電流制御部３３に入力される電流指令値は、上位装置３０から入力される値自体であっても、上位装置３０から入力される情報や指示に基づき、制御部１０内で生成される値であっても良い。
　制御信号生成部３５は、電流制御部３３からの各相の電圧指令値（Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗ）に基づき、インバータ回路２４内の各スイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御するための制御信号を生成するユニットである。
　制御信号生成部３５が各レグ２５の第１スイッチング素子を制御するために生成する第１制御信号は、各レグ２５の第１スイッチング素子のゲート電極に供給される通常のＰＷＭ信号である。一方、制御信号生成部３５が各レグ２５の第２スイッチング素子を制御するために生成する第２制御信号は、各レグ２５の電流制限回路２６内のオペアンプに供給される信号（図２参照）となっている。そして、制御信号生成部３５は、第１及び第２制御信号の生成アルゴリズムを電圧指令値Ｖ（Ｖｕ、Ｖｖ又はＶｗ）に基づき変更するように構成されている。
　具体的には、制御信号生成部３５は、電圧指令値Ｖが、－ＶＬＭＴ以上且つＶＬＭＴ以下の値である場合には、当該電圧指令値Ｖに基づき、デッドタイムを挟んでいない（挿入していない）第１及び第２制御信号を生成する。また、この場合、制御信号生成部３５は、第２スイッチング素子をＯＮさせる際の第２制御信号のレベル（電圧値）を、ＯＮ状態にある第２スイッチング素子を、短絡電流の許容値として予め定められている電流値（以下、規定電流値と表記する）の電流しか流れないレベルに制御する。より具体的には、ＩＧＢＴは、図４に示したような順方向特性を有している。制御部１０は、ＩＧＢＴ（第２スイッチング素子）の活性領域が使用されてＩＧＢＴ（第２スイッチング素子）のコレクタ電流(ＩＣＥ)が規定電流値以下となるように、電流制限回路２６を介してＩＧＢＴ（第２スイッチング素子）のゲート電圧を制御する。
　一方、電圧指令値Ｖが－ＶＬＭＴ以上且つＶＬＭＴ以下の値ではない場合、制御信号生成部３５は、当該電圧指令値Ｖに基づき、デッドタイムを挟んだ形の第１及び第２制御信号を生成する。また、この場合、制御信号生成部３５は、第２スイッチング素子をＯＮさせる際の第２制御信号のレベルを、第２スイッチング素子を流れる電流値が電流制限回路２６によって制限されないレベルに制御する。すなわち、制御信号生成部３５は、ＩＧＢＴ（第２スイッチング素子）の飽和領域（図４参照）が使用されてＩＧＢＴ（第２スイッチング素子）に十分な電流が流れるように、電流制限回路２６を介してＩＧＢＴ（第２スイッチング素子）のゲート電圧を制御する。
　以下、説明したように、本実施形態に係る電力変換装置２０が備えるインバータ回路２４の各レグ２５には、各レグ２５を流れる電流値を制限可能な電流制限回路２６が設けられている。
　また、電力変換装置２０が備える制御部１０（制御信号生成部３５）は、各レグ２５の目標出力電圧（各相の電圧指令値）が所定電圧範囲内（－ＶＬＭＴ～ＶＬＭＴの範囲内）ではない場合には、ＯＮ状態にある第２スイッチング素子を流れる電流値（以下、ＯＮ電流値と表記する）に特に制限を課すことなくデッドタイムを挟んで第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子を交互にＯＮ／ＯＦＦする。
　さらに、制御部１０は、目標出力電圧が所定電圧範囲内である場合には、ＯＮ電流値が規定電流値以下となるレベルの第２制御信号を生成してデッドタイムを挟まずに第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とを交互にＯＮ／ＯＦＦする。図５に模式的に示してあるように、或るレグ２５内の２スイッチング素子の制御信号を同時に変化させた場合、当該レグ２５に電流制限回路２６が設けられていなければ、大きな短絡電流が流れてしまうが、当該レグ２５に電流制限回路２６が設けられていれば、短絡電流の大きさを問題が生じないレベルまで低減することが出来る。より具体的には、第２スイッチング素子のＯＦＦ⇒ＯＮ時には、電流制限回路２６により直接的に第２スイッチング素子を流れる電流が制限される。また、第１スイッチング素子のＯＦＦ⇒ＯＮ時（つまり、第２スイッチング素子のＯＮ⇒ＯＦＦ時）、第１スイッチング素子に大きな電流が流れようとしても、第２スイッチング素子がＯＮ⇒ＯＦＦに遷移しようとするため、電流制限回路２６により制限された電流以上の電流が流れないことになる。
　そして、各レグ２５の２スイッチング素子を、デッドタイムを挟まずにＯＮ／ＯＦＦすれば、デッドタイムに起因する出力低下がない形でインバータ回路２４を制御できる。
　従って、この電力変換装置２０は、低出力の交流電力を応答性良く出力でき、且つ、大出力時でも効率が良い装置として機能することになる。
　《第２実施形態》
　以下、第１実施形態の電力変換装置２０の説明時に用いたものと同じ符号を用いて、本発明の第２実施形態に係る電力変換装置２０について説明する。なお、以下では、第Ｎ（Ｎ＝１，２）実施形態に係る電力変換装置２０、当該電力変換装置２０の制御部１０のことを、それぞれ、第Ｎ電力制御装置２０、第Ｎ制御部１０とも表記する。
　上記した第１電力変換装置２０では、各レグ２５の電流制限回路２６の応答速度が十分に速くない場合には、第２スイッチング素子を流れる電流値を制限できずに、各レグ２５に規定電流値を超える短絡電流が流れる虞がある。第２電力変換装置２０は、各レグ２５の電流制限回路２６の応答速度が遅くても、各レグ２５に規定電流値を超える短絡電流が流れないように、第１電力変換装置２０を改良したものである。
　詳細には、第２電力制御装置２０（第２実施形態に係る電力制御装置２０）は、第１電力制御装置２０と同じハードウェア構成を有している。また、第２制御部１０（第２電力制御装置２０の制御部１０）は、各レグ２５の目標出力電圧が所定電圧範囲内ではない場合には、第１制御部１０と同様に、ＯＮ電流値（ＯＮ状態にある第２スイッチング素子を流れる電流値）に特に制限を課すことなくデッドタイムを挟んで第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子を交互にＯＮ／ＯＦＦする。
　第２制御部１０は、各レグ２５の目標出力電圧が所定電圧範囲内である場合にも、第１制御部１０と同様に、ＯＮ電流値が規定電流値以下となるレベル（以下、電流制限用レベルと表記する）の第２制御信号を生成してデッドタイムを挟まずに第１スイッチング素子と第２スイッチング素子とを交互にＯＮ／ＯＦＦする。ただし、第２制御部１０は、第２スイッチング素子をＯＮする場合には、電流制限回路２６の応答速度に応じた上昇パターン及び上昇開始タイミングで、第２スイッチング素子のＯＮタイミング以前に第２制御信号のレベル（すなわち、第２スイッチング素子のゲート電圧）が上昇し始めるように電流制限回路２６を制御する。
　なお、電流制限回路２６の応答速度に応じた上昇パターン及び上昇開始タイミングとは、使用されている電流制限回路２６の応答速度でもＯＮ状態にある第２スイッチング素子を流れる電流値が規定電流値以下となるように定められた第２制御信号の上昇パターン及び上昇開始タイミングのことである。これらのパラメータは、使用されている電流制限回路２６の応答速度でもＯＮ電流値が規定電流値以下となるように、シミュレーションや実験により定めておけば良い。また、第２制御信号の上昇パターンは、図６Ａに示したように、上昇開始タイミング（第２スイッチング素子のＯＮタイミング－Δｔ）から第２スイッチング素子のＯＮタイミングまで一定レートで増加するものであっても良い。第２制御信号の上昇パターンは、図６Ｂに示したように、第２スイッチング素子のＯＮタイミングとなる前に、第２制御信号が電流制限用レベルに到達するものであっても良い。さらに、第２制御信号の上昇パターンは、上昇レートが時間により変化するものであっても良い。
　以上、説明したように、本実施形態に係る電力制御装置２０の制御部１０（第２制御部１０）は、第２スイッチング素子をＯＮする場合には、電流制限回路２６の応答速度に応じた上昇パターン及び上昇開始タイミングで、第２スイッチング素子のＯＮタイミング以前に第２制御信号のレベルが上昇し始めるように電流制限回路２６を制御する。従って、本実施形態に係る電力制御装置２０は、各レグ２５の電流制限回路２６の応答速度が遅くても、各レグ２５に規定電流値を超える短絡電流が流れない装置として機能する。
　《変形例》
　上記した各実施形態に係る電力変換装置２０は、各種の変形を行えるものである。例えば、各実施形態に係る電力変換装置２０のインバータ回路２４を、図７に示した回路構成を有するレグ２５を備えたものに変形しても良い。すなわち、インバータ回路２４を、第２スイッチング素子として電流センス付きスイッチング素子が用いられたレグ２５であって、第２スイッチング素子の電流センス端子２７を流れる電流値に基づき、第２スイッチング素子を流れる電流を制限する電流制限回路２６が設けられたレグ２５を備えたものに変形しても良い。
　各実施形態に係る電力変換装置２０の制御部１０を、目標出力電圧ではなく目標出力電流に基づき、各スイッチング素子に対する制御内容を変更するものに変形しても良い。
　電流制限回路２６は、スイッチング素子を流れる電流を抵抗Ｒ１やＲ３で検出するものであったが、電流制限回路２６として、スイッチング素子を流れる電流を、当該電流と共に変化する他の値で検出するものを採用しても良い。なお、他の値としては、スイッチング素子がＦＥＴである場合には、Ｖｄｓを例示でき、スイッチング素子がＩＧＢＴやトランジスタである場合には、Ｖｃｅを例示できる。
　また、上記した電流制限回路２６は、第２スイッチング素子（ＩＧＢＴ）のゲート電圧の制御により、レグを流れる電流を制限する回路であったが、図８に模式的に示したように、各レグ２５に、各スイッチング素子とは別に電流制限回路４２を設けておいても良い。また、図９に模式的に示したように、インバータ回路２４のバスに、１つの電流制限回路４３を設けておいても良い。
　なお、上記のような形で使用可能な電流制限回路４２、４３としては、図１０（Ａ）、（Ｂ）に示した回路構成の回路を例示できる。また、図８又は図９に示した構成を採用する場合、制御部１０を、インバータ回路２４に出力させるべき目標電圧又は目標電流が所定範囲外である場合には、各レグ２５を流れる電流が制限されないように各電流制限回路４２又は電流制限回路４３を制御すると共に、各レグ２５の２つのスイッチング素子を、デッドタイムを挟んで交互にＯＮ／ＯＦＦ制御し、目標電圧又は目標電流が所定範囲内である場合には、各レグ２５を流れる電流が制限されるように各電流制限回路４２又は電流制限回路４３を制御すると共に、各レグ２５の２つのスイッチング素子を、デッドタイムを挟まずに交互にＯＮ／ＯＦＦ制御するユニットとしておけば良い。
　電力変換装置２０を、モータ４０以外の機器に交流電力を供給する装置や、インバータ回路２４内のレグ２５の数が３ではない装置に変形しても良い。また、電力変換装置２０を、具体的な処理手順が上記したものとは異なる装置（例えば、ＰＷＭパルスの立ち上がり、立ち下がり位置を変更することでデッドタイムを挿入する装置）に変形しても良い。
　《付記》
（１）２つのスイッチング素子を直列接続した１つ以上のレグ（２５）を備えたインバータ回路（２４）と、
　前記インバータ回路（２４）内の各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う制御部
（１０）と
を備え、
　前記インバータ回路（２４）に、各レグを流れる電流を制限する１つ又は複数の電流制限回路（２６；４２；４３）が設けられており、
　前記制御部（１０）は、前記インバータ回路（２４）に出力させるべき目標電圧又は目標電流が所定範囲外である場合には、各レグ（２５）を流れる電流が制限されないように前記１つ又は複数の電流制限回路（２６；４２；４３）を制御すると共に、前記インバータ回路（２４）の各レグ（２５）の２つのスイッチング素子を、デッドタイムを挟んで交互にＯＮ／ＯＦＦ制御し、前記目標電圧又は目標電流が前記所定範囲内である場合には、各レグ（２５）を流れる電流が制限されるように前記１つ又は複数の電流制限回路（２６；４２；４３）を制御すると共に、前記インバータ回路（２４）の各レグ（２５）の２つのスイッチング素子を、デッドタイムを挟まずに交互にＯＮ／ＯＦＦ制御する、
　ことを特徴とする電力変換装置。
（２）　直流電力を交流電力に変換するためのインバータ回路（２４）であって、
　２つのスイッチング素子を直列接続した１つ以上のレグ（２５）と、
　各レグ（２５）を流れる電流を制限する１つ又は複数の電流制限回路（２６；４２；４３）と、
　を備えることを特徴とするインバータ回路（２４）。
　１０　制御部
　２０　電力変換装置
　２１　パワー回路
　２２　整流回路
　２３　平滑コンデンサ
　２４　インバータ回路
　２５　レグ
　２６、４２、４３　電流制限回路
　２８　電流センサ
　３０　上位装置
　３３　電流制御部
　３５　ＰＷＭ信号生成部
　４０　モータ
　４１　エンコーダ
　５０　三相電源

Claims (7)

  1. 　２つのスイッチング素子を直列接続した１つ以上のレグを備えたインバータ回路と、
    　前記インバータ回路内の各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う制御部と
    を備え、
    　前記インバータ回路に、各レグを流れる電流を制限する１つ又は複数の電流制限回路が設けられており、
    　前記制御部は、前記インバータ回路に出力させるべき目標電圧又は目標電流が所定範囲外である場合には、各レグを流れる電流が制限されないように前記１つ又は複数の電流制限回路を制御すると共に、前記インバータ回路の各レグの２つのスイッチング素子を、デッドタイムを挟んで交互にＯＮ／ＯＦＦ制御し、前記目標電圧又は目標電流が前記所定範囲内である場合には、各レグを流れる電流が制限されるように前記１つ又は複数の電流制限回路を制御すると共に、前記インバータ回路の各レグの２つのスイッチング素子を、デッドタイムを挟まずに交互にＯＮ／ＯＦＦ制御する、
    　ことを特徴とする電力変換装置。
  2. 　前記インバータ回路のレグ毎に、そのレグを流れる電流を制限する前記電流制限回路が設けられている、
    　ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 　前記電流制限回路が、電流の制御対象となっているレグの一方のスイッチング素子のゲート電圧又はベース電流を調整することで当該レグを流れる電流を制限する回路であり、
    　前記制御部は、前記目標電圧又は目標電流が前記所定範囲内である場合には、前記一方のスイッチング素子のＯＮ時に前記一方のスイッチング素子を流れる電流が所定電流以下となるように前記電流制限回路を制御し、前記目標電圧又は目標電流が前記所定範囲外である場合には、前記一方のスイッチング素子のＯＮ時に前記一方のスイッチング素子を流れる電流が前記所定電流以下に制限されないように前記電流制限回路を制御する、
    　ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 　前記制御部は、前記目標電圧又は目標電流が前記所定範囲内である場合において、前記一方のスイッチング素子をＯＮする場合には、前記電流制限回路の応答速度に基づき定められた上昇パターン及び上昇開始タイミングで前記一方のスイッチング素子のＯＮタイミング以前に前記一方のスイッチング素子のゲート電圧又はベース電流が上昇し始めるように前記電流制限回路を制御する、
    　ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
  5. 　前記一方のスイッチング素子が、電流センス付きスイッチング素子であり、
    　前記電流制限回路が、前記一方のスイッチング素子の電流センス端子を流れる電流に基づき、前記レグを流れる電流を制限する回路である、
    　ことを特徴とする請求項３又は４に記載の電力変換装置。
  6. 　直流電力を交流電力に変換するためのインバータ回路であって、
    　２つのスイッチング素子を直列接続した１つ以上のレグと、
    　各レグを流れる電流を制限する１つ又は複数の電流制限回路と、
    　を備えることを特徴とするインバータ回路。
  7. 　前記電流制限回路が、レグ毎に設けられた、各レグの一方のスイッチング素子のゲート電圧又はベース電流を調整することで各レグを流れる電流を制限する回路である、
    　ことを特徴とする請求項６に記載のインバータ回路。
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