JP2010529821A - 3レベル中性点固定変換装置及びその制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
コモンモード電圧は、スイッチング電力変換装置の各電力線において生成され、グラウンド等のあるコモンポイントに関して測定される電圧の合計である。コモンモード電圧の生成は、電力変換装置における生来的な問題であり、例えば、強制転流スイッチ(force-commutated switch)、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(insulated-gate bipolar transistor:IGBT)又は酸化金属半導体電界効果トランジスタ(metal-oxide semiconductor field-effect transistor:MOSFET)によって、AC電圧をDC電圧から合成する手法を採用するインバータに副作用的に生じる問題である。インバータがモータに印加される電圧を生成する場合、このコモンモード電圧は、軸受損傷(bearing failure)を引き起こすメカニズムの原因となることがある。能動整流器が実現されている場合、又はインバータがACバス上の電圧を生成し又はこれに貢献している場合、コモンモード電圧は、送電グリッドに誘導されるEMIの主要な原因となる。
例示的な具体例では、インバータ400のためのZCM変調の実現例は、各インバータ極によって生成される瞬間的な電圧の合計がゼロになる状態のみを使用する。例えば、インバータ極電圧は、+Vdc/2、0又は−Vdc/2の何れかになる。位相「a」極に「+1」状態を選択し、位相「b」極に「0」状態を選択し、位相「c」極に「−1」状態を選択した場合、コモンモード電圧は、以下のようになる。
インバータでは、通常、デバイスのシュートスルーを回避するために、1つのインバータスイッチ状態から次のインバータスイッチ状態への遷移について、不感時間(td)を許容しなければならないため、ゼロコモンモード電圧出力を完全に達成することは、通常、不可能である。ある電圧レベルから他の電圧レベルへの遷移は、電流が逆バイアスされたダイオード(reverse diode)からIGBTに転流される場合にのみ、不感時間だけ遅延するが、導通しているダイオードから逆ダイオードへの遷移では、直ちに起こるため、これによって、非対称が生じ、図15に示すように、ゼロコモンモード状態が指示された場合であっても、コモンモード電圧が生成される。スイッチ転流の間におけるコモンモード電圧のこのレットスルー(let-through)が克服されなければ、負荷に印加される平均対地電圧ストレスが低減されても、大きなコモンモードフィルタリングが必要であり、パワーが大きいシステムであっても、ゼロコモンモード法のコスト、サイズ及び重量の利点が失われるので、ゼロコモンモード法の価値は疑わしい。
インバータ400は、上部のDCリンクバスのDC+と下部のDCリンクバスのDC−に亘る電圧を有益に平衡させる。これは、通常、図3における冗長な内側のスイッチ状態を利用することによって達成される。ZCM変調では、外側のスイッチ状態だけが利用され、したがって、冗長なスイッチ状態はない。DCリンク平衡の問題を解決するために、インバータ400は、更なる第4の極Xを備え、その出力は、インダクタLxを介して、DCリンク中点に戻されている。第4の極Xは、例示的な具体例に示すように、デバイス上の電圧ストレスを制御するための必要性に応じて、例えば、2レベルインバータの極又はNPCインバータ極によって実現してもよい。第4の極Xの制御は、上部DCリンク電圧と下部DCリンク電圧間の差分を測定し、平衡を維持するために、電荷を上側のDCリンクから引き出す必要があるか、下側のDCリンクから引き出す必要があるかに応じて、上側のデバイスの両方又は下側のデバイスの両方をオンにすることによって行われる。これを達成する1つの手法は、例えば、図17Bに示すようなデルタ変調器を介して、各スイッチング周波数期間における電圧誤差に応じて、上側のデバイス又は下側のデバイスの何れかをオンにすることである。図17A及び図17Bの制御例については、後により詳細に説明する。
インバータ400のための例示的な制御ブロック図を図17A及び図17Bに示す。例示的な具体例では、コントローラは、演算アルゴリズムのためのAD21160デジタルシグナルプロセッサ(Digital Signal Processor:DSP)及び論理的処理及びゲート統合のためのXilinx XC2V3000FPGAを含むハードウェアプラットホーム上で実現される。FPGAによる制御ブロックは、破線ブロックによって示されている。例示的な具体例に示す他のブロックは、DSPによって実現されている。例示的な具体例におけるソフトウェアは、2種類の制御を用いることができるようにプログラムされている。
本発明者らは、インバータ400の開発の間に一連の実験を行った。ハードウェアは、図4の例示的なインバータを実現する2つの並列のマルチユースH−ブリッジパワー電子モジュール(multi-use H-Bridge power electronic module)を含む。このシステムへの入力は、12パルス整流用変圧器を用いた。実験結果は、78kW出力電力条件において、使用可能な電源のみによって制限される。図19は、DC源からの入力DCラインとグラウンド間の電圧(一番下のトレース1)、入力DCライン間電圧(下から2番目のトレース)、1つの出力位相から中性点(すなわち、DCリンクの中点)について測定された出力電圧(一番上のトレース3)及び第4の極の電流(上から2番目のトレース4)を示している。図19に示すように、対地電圧及び入力電源の差動電圧リプルは、出力結果にあまり影響せず、第4の極の電流は、図18で予測した通りのものである。
本発明に基づく方法及びシステムは、様々なアプリケーションにおいて実現することができる。例示的なインバータ400については、上述した通りである。また、本発明に基づく方法及びシステムは、例えば、コモンモード電圧が低められた4極中性点固定3相整流器(four pole neutral-point clamped three phase rectifier)にも適用できる。このような整流器は、様々なアプリケーションにおいて使用でき、例えば、MIL−STD−1399船舶用サービスバス(ship service bus)等の船舶用サービスバス等にインタフェースさせて使用できる。以下では、この代替となる例示的な具体例について説明する。
上述した仕様を満たしながら、電力負荷を1399船舶用サービスバスにインタフェースするための2つの主な手法が知られている。これらの従来の手法は、以下のように要約される。
例えば、上述したトポロジのような4極3レベル変換装置を用いれば、コモンモード電源電圧を排除することによって、CE102測定電圧を低減させることができる。これは、ゼロコモンモード電圧を生成するように変調することができる標準の3相3レベル変換装置を用いて達成される。
Claims (16)
- 正のDCバスと負のDCバス間に直列に接続された第1のスイッチと、第2のスイッチと、第3のスイッチと、第4のスイッチとを有する第1の極と、
上記正のDCバスと上記負のDCバス間に直列に接続された第1のスイッチと、第2のスイッチと、第3のスイッチと、第4のスイッチとを有する第2の極と、
上記正のDCバスと上記負のDCバス間に直列に接続された第1のスイッチと、第2のスイッチと、第3のスイッチと、第4のスイッチとを有する第3の極と、
上記正のDCバスと上記負のDCバス間に直列に接続された第1のスイッチと、第2のスイッチとを有する第4の極と、
上記第1、第2及び第3の極の第2のスイッチと第3のスイッチ間に接続されたACバスと、
上記第1、第2及び第3の極の、上部を定義する第1のスイッチと第2のスイッチ間、並びに下部を定義する第3のスイッチと第4のスイッチ間に、ダイオードを介して接続された中性線と、
上記第1、第2、第3の極の第1、第2、第3及び第4のスイッチのそれぞれを切り換えて、ゼロコモンモード電圧を生成し、上記第4の極が、該第1、第2及び第3の極の全てのNPCスイッチ状態をゼロコモンモード電圧を生成するために使用されることを可能にし、該第4の極の第1及び第2のスイッチを調整して、上記正のDCバスと上記負のDCバスを平衡させるコントローラとを備える3レベル中性点固定変換装置。 - 当該3レベル中性点固定変換装置は、インバータであることを特徴とする請求項1記載の3レベル中性点固定変換装置。
- 当該3レベル中性点固定変換装置は、整流器であることを特徴とする請求項1記載の3レベル中性点固定変換装置。
- 上記コントローラは、上記第1、第2及び第3の極のそれぞれの1つの転流を遅延させることによって、不感時間効果を補償することを特徴とする請求項1記載の3レベル中性点固定変換装置。
- 上記コントローラは、2レベル変調方式を実行し、2レベル状態を3レベル状態にマッピングすることによって、ゼロコモンモード電圧の生成することを特徴とする請求項1記載の3レベル中性点固定変換装置。
- 上記2レベル変調方式は、空間ベクトル変調であることを特徴とする請求項5記載の3レベル中性点固定変換装置。
- 上記コントローラは、上記上部のDCリンク電圧と上記下部のDCリンク電圧間の差分を測定し、上記平衡を維持するために、電荷を該上部のDCリンクから引き出す必要があるか、該下部のDCリンクから引き出す必要があるかに応じて、各極の上部又は下部の何れかをオンにすることによって、上記正のDCバスと上記負のDCバスを平衡させることを特徴とする請求項1記載の3レベル中性点固定変換装置。
- 上記第4の極の第1のスイッチは、該第1のスイッチと、第3のスイッチとを含み、該第4の極の第2のスイッチは、該第2のスイッチと、第4のスイッチとを含み、上記中性線は、該第4の極の第3のスイッチと該第2のスイッチ間に、インダクタンスを介して接続されていることを特徴とする請求項1記載の3レベル中性点固定変換装置。
- 正のDCバスと負のDCバス間に直列に接続された第1のスイッチと、第2のスイッチと、第3のスイッチと、第4のスイッチとを有する第1の極と、上記正のDCバスと上記負のDCバス間に直列に接続された第1のスイッチと、第2のスイッチと、第3のスイッチと、第4のスイッチとを有する第2の極と、上記正のDCバスと上記負のDCバス間に直列に接続された第1のスイッチと、第2のスイッチと、第3のスイッチと、第4のスイッチとを有する第3の極と、上記正のDCバスと上記負のDCバス間に直列に接続された第1のスイッチと、第2のスイッチとを有する第4の極と、上記第1、第2及び第3の極の第2のスイッチと第3のスイッチ間に接続されたACバスと、上記第1、第2及び第3の極の、上部を定義する第1のスイッチと第2のスイッチの間、並びに下部を定義する第3のスイッチと第4のスイッチ間に、ダイオードを介して接続された中性線とを備える3レベル中性点固定変換装置を制御する制御方法において、
上記第1、第2、第3及び第4の極の第1、第2、第3及び第4のスイッチのそれぞれを切り換えて、ゼロコモンモード電圧を生成し、上記第4の極が、該第1、第2及び第3の全てのNPCスイッチ状態をゼロコモンモード電圧のために使用されることを可能にするステップと、
上記第4の極の第1及び第2のスイッチを調整して、上記正のDCバスと上記負のDCバスを平衡させるステップとを有する制御方法。 - 上記3レベル中性点固定変換装置は、インバータであることを特徴とする請求項9記載の制御方法。
- 上記3レベル中性点固定変換装置は、整流器であることを特徴とする請求項9記載の制御方法。
- 上記第1、第2及び第3の極のそれぞれの1つの転流を遅延させることによって、不感時間効果を補償するステップを更に有する請求項9記載の制御方法。
- 上記状態を切り換えて、ゼロコモンモード電圧を生成するステップは、2レベル変調方式を実行し、2レベル状態を3レベル状態にマッピングするステップを有することを特徴とする請求項9記載の制御方法。
- 上記2レベル変調方式は、空間ベクトル変調であることを特徴とする請求項13記載の制御方法。
- 上記第4の極の第1及び第2のスイッチを調整して、上記正のDCバスと上記負のDCバスを平衡させるステップは、上記上部のDCリンク電圧と上記下部のDCリンク電圧間の差分を測定し、上記平衡を維持するために、電荷を該上部のDCリンクから引き出す必要があるか、該下部のDCリンクから引き出す必要があるかに応じて、各極の上部又は下部の何れかをオンにするステップを有することを特徴とする請求項9記載の制御方法。
- 上記第4の極の第1のスイッチは、該第1のスイッチと、第3のスイッチを含み、該第4の極の第2のスイッチは、該第2のスイッチと、第4のスイッチを含み、上記中性線は、該3のスイッチと該第2のスイッチ間に、該第4の極のインダクタンスを介して接続されていることを特徴とする請求項9記載の制御方法。
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