JP2014161148A - マルチレベル電力変換回路の制御方式 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】マルチレベル変換回路の制御において、3個以上直列接続されたスイッチ素子直列接続回路の中の1個の素子を先にオフさせ、所定の時間後、残りのスイッチ素子にオフ信号を与え、次に先にオフした素子を短時間オンさせ、複数の素子の各々の電圧状態を調整した後に、このスイッチ回路に高い電圧が印加されるようなモードに遷移するような遮断制御方法を用いる。この結果、例えば5レベル変換回路で、零電圧→Ed(単位電圧)→2Ed→3Edと電圧が遷移した時の素子への印加電圧を一括遮断していずれかが先に遮断する場合に比べて、小さく抑制できる。
【選択図】図1
Description
ACMが本システムの負荷例である交流電動機である。本回路構成とすることで,変換器の出力端子ACの電位は,P電位,N電位,M電位,及びIGBTのオンオフとコンデンサC1の電圧Edを利用してP−EdとN+Edの中間電位を出力することが可能となるため,5レベル出力のインバータとなる。図9に出力電圧(Vout)波形例を示す。
本方式は2レベルタイプのインバータに対して,低次の高調波成分が少ないことや,スイッチ素子(IGBT)のスイッチング損失が低減することから,高効率システムの構築が可能となる。
図7に示すように全てのIGBTの電圧を同一電圧定格とした場合,IGBTS1はIGBTS1a〜S1dの4個の直列接続回路に、IGBTS6はIGBTS6a〜S6dの4個の直列接続回路にする必要がある。
以上のように,IGBTS1a〜S1cには図10(b)以降,静的にEdから3Edまで電圧がステップ的に印加されていく。
以上の5レベルインバータの回路例,マルチレベル回路の基本回路、動作などについては,特許文献1、特許文献2に示されている。
その後,他のスイッチ素子(IGBT)のスイッチング状態が進み,IGBTS3,S4a〜S4cがオン状態で,IGBTS1a〜S1c,S2がオフの状態となった場合(交流出力にはN電位が出力されている状態)は,IGBTS1aのコレクタとS2のエミッタ間には4Edの電圧が印加される。すなわち,この状態になった場合はIGBTS1aのコレクタとS1cのエミッタ間には3Edの電圧が印加される。そのためIGBTを全て同一電圧定格とした場合,理想的にはS1として3個の直列数が必要となる。
S1a:Ed+2Ed/3=5Ed/3
S1b,S1c:2Ed/3
となる。
すなわち本ケースを想定すると,S1部に必要となるIGBTの電圧定格は,5Ed/3に対して余裕のあるものとする必要がある。
S1a: Ed+3Ed/4=7Ed/4
S1b〜S1d: 3Ed/4
となり,S1部に必要となるIGBTの電圧定格は,7Ed/4に対して余裕のあるものとする必要がある。
従来の直列接続IGBTの電圧均等化対策例は,特許文献3の図5,図9などに記載されている。
従って、本発明の課題は、マルチレベル電力変換回路において、同時にオン状態及びオフ状態を維持する機能を備えた少なくとも3個直列接続された半導体スイッチ素子群のオフ時に各半導体スイッチ素子に印加される電圧を主回路に部品を追加することなく極力均等化の方向に低減できる制御方式を提供することである。
この結果、主回路に部品を付加することなく直列接続された各半導体スイッチ素子に印加される電圧をより均等化させることが可能となる。
スタートブロックBL1後,ブロックBL3でS1(S1又はS4のターンオフ判断がなされた場合,ブロックBL4にてS1又はS4の中の所定の1素子のみをターンオフさせる。この時,IGBT側に電流が流れていた場合,電流の遮断動作が行われるので,この素子にはターンオフ損失が発生し,また電圧Edがコレクタ・エミッタ間に印加される。その後、所定時間後(タイマーブロックBL5による処理)に,ブロックBL6にてS1又はS4の直列接続されたその他のスイッチ素子をターンオフさせる。この時、電流の遮断動作はないため,ターンオフ損失は発生せず,また電圧も印加されない。その後、所定時間後(タイマーブロックBL7による処理)に,ブロックBL8にて最初にターンオフさせた素子を短時間オンさせる。この時,この素子には電圧印加がなくなると同時に,その他の素子にはEd/2ずつ電圧が印加される。その後ブロックBL9にてその他の通常のアルゴリズムが実行され,図8に示すように最終的にS1(S1a〜S1c)又はS4(S4a〜S4c)には最大で3Edが印加される。
また、IGBTS4a〜S4cについても同様の動作となるので、説明は省略する。
例えば、IGBTS1aからS1dを従来のように一括で遮断すると、IGBTS1aが最初に遮断された場合、IGBTS1aの電圧はEd+3Ed/4=7Ed/4に、IGBTS1b〜S1dの電圧は3Ed/4となり、IGBTとしては7Ed/4に耐える素子が必要となる。また、本発明の制御方式を適用すると、IGBTS1aの電圧は3Ed/4に、IGBTS1b〜S1dの電圧はEd/3+3Ed/4=13Ed/12となり、IGBTとしては13Ed/12に耐える素子が必要となる。
実施例1と同様に、従来方式と比べて最大印加電圧値が軽減され、耐圧の低いIGBTを適用することが可能となる。
また、IGBTS6a〜S6dについても同様の動作となるので、説明は省略する。
S1、S1a〜S1d、S2〜S5、S4a〜S4c、S6a〜S6d・・・IGBT
S7〜S12・・・IGBT C1〜C4・・・コンデンサ
ACS1、ACS2・・・双方向性スイッチ素子
Claims (4)
- 直流から交流,又は交流から直流に変換する電力変換回路であって,1相分の回路として,直流電源回路の正側端子と負側端子間に接続されたダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ素子を少なくとも8個直列に接続した第1の半導体スイッチ素子直列回路と、前記直流電源回路の中間電位点に一方の端子が接続された双方向性にスイッチングが可能な双方向性スイッチ素子と、前記第1の半導体スイッチ素子直列回路の半導体スイッチ素子同士の接続点の中の特定の二つの接続点間に接続されるダイオードが逆並列接続された半導体スイッチ素子を直列接続した第2の半導体スイッチ素子直列回路と、前記第2の半導体スイッチ素子直列回路と並列接続されたコンデンサと、を備え、前記第2の半導体スイッチ素子直列回路の中間接続点に前記双方向性スイッチ素子の他方の端子を接続したマルチレベル電力変換回路であって、前記直流電源回路の正側端子又は負側端子に接続された同時にオン状態及びオフ状態を維持する機能を備えた少なくとも3個直列接続された半導体スイッチ素子群のターンオフ動作において,前記少なくとも3個直列接続された直列スイッチ素子群の内,最初にいずれか1個の半導体スイッチ素子のみをターンオフさせ,残りの半導体スイッチ素子は前記最初にターンオフした半導体スイッチ素子のターンオフ完了時点より時間を遅らせてターンオフさせることを特徴とするマルチレベル電力変換回路の制御方式。
- 請求項1に記載のマルチレベル電力変換回路の制御方式において,前記直流の正側電位又は負側電位に接続された少なくとも3個直列接続された半導体スイッチ素子群が全てターンオフした後に,最初にターンオフさせた半導体スイッチ素子を所定時間ターンオンさせることを特徴とするマルチレベル電力変換回路の制御方式。
- 請求項1に記載のマルチレベル電力変換回路の制御方式において,前記直流の正側電位又は負側電位に接続された少なくとも3個直列接続された半導体スイッチ素子群の中で,最初にターンオフさせる半導体スイッチ素子を,順次切り換えることを特徴とするマルチレベル電力変換回路の制御方式。
- 請求項1から請求項3の何れか1項に記載のマルチレベル電力変換回路の制御方式を、7レベル以上の電位で構成した交流電圧を出力するマルチレベル電力変換回路に適用することを特徴とするマルチレベル電力変換回路の制御方式。
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