JP3815035B2

JP3815035B2 - 共振形インバータ装置

Info

Publication number: JP3815035B2
Application number: JP07236198A
Authority: JP
Inventors: 龍介井ノ下
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1998-03-20
Filing date: 1998-03-20
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2018-03-20
Also published as: JPH11275874A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流回転機などの負荷を駆動する共振形インバータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、１組の共振用コンデンサと共振用リアクトルを用い、３相の主スイッチング素子をゼロ電圧スイッチングして一括転流を行う共振形インバータ装置を先に提案した（特願平９−３２８９９２号）。
この共振形インバータ装置の構成を図４に示す。直流電圧源１の直流電圧Ｖｓは、インバータ部２によって交流電圧に変換される。このインバータ部２は、正母線と負母線の間に、自己消弧型スイッチング素子として主スイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ）３ａ〜３ｆが３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）でブリッジ結線された構成となっている。また、主スイッチング素子３ａ〜３ｆには、逆並列ダイオード（フライホイールダイオード）４ａ〜４ｆがそれぞれ接続されている。そして、１つの主スイッチング素子とこれに逆並列接続された１つのフライホイールダイオードにより１つのインバータアームを構成しており、正母線に接続されている方が上アーム、負母線に接続されている方が下アームとなる。
【０００３】
このインバータ部２において、主スイッチング素子３ａ、３ｂ、主スイッチング素子３ｃ、３ｄ、主スイッチング素子３ｅ、３ｆは、それぞれ１２０°位相をずらしてオンオフ制御され、交流回転機５に交流電圧を出力するようになっている。
また、正母線と負母線の間には、共振用コンデンサ６および共振用リアクトル７が直列接続されている。共振用コンデンサ６および共振用リアクトル７は、共振回路８を構成しており、ゼロ電圧スイッチングを行うために、正母線と負母線間の上下アームのそれぞれの主スイッチング素子が共にオンしたとき、共振して共振電流が流れるようになっている。
【０００４】
さらに、各主スイッチング素子に過電流が流れないようにするためのリアクトル９が直流電圧源１に直列に接続され、さらに正母線と負母線の間の電圧を（１＋１／ｎ）Ｖｓにクランプする電圧クランプ回路１０が設けられている。この電圧クランプ回路１０は、リアクトル９と差動接続された電圧クランプ用リアクトル１１とダイオード１２から構成されている。電圧クランプ用リアクトル１１とダイオード１２は、直流電圧源１に並列接続されており、クランプ時に電圧クランプ用リアクトル１１に電流が流れたとき、直流電圧源１に電力を回生させるように構成されている。なお、電圧クランプ用リアクトル１１の巻き数とリアクトル９の巻き数の比は、ｎ（１＜ｎ）となっている。
【０００５】
また、上記した主スイッチング素子３ａ〜３ｆは、制御部１３によってスイッチング制御される。この制御部１３は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれについて上アーム、下アームのゲート信号（ＰＷＭ信号）を発生するゲート信号発生回路１４と、正母線と負母線間、すなわち上下アーム間の電圧Ｖ_PNを検出する電圧検出回路１５と、主スイッチング素子３ａ〜３ｆをスイッチング制御するための処理を行う制御回路１６と、この制御回路１６からの制御信号に基づいて主スイッチング素子３ａ〜３ｆを駆動するドライブ回路１７から構成されている。
【０００６】
上記構成において、インバータ部２のスイッチング動作を、主スイッチング素子３ａ、３ｂを例にとり、図５に示す信号波形図を参照して説明する。このスイッチングを行う前の状態としては、主スイッチング素子３ａがオン、主スイッチング素子３ｂがオフして、主スイッチング素子３ａから負荷側に電流が供給されているものとする。
【０００７】
そして、図５のｔ₁時点において、主スイッチング素子３ｂをオンすると、正母線と負母線の間、すなわち上下アームが短絡し、共振用コンデンサ６、共振用リアクトル７、主スイッチング素子３ａ、３ｂにより共振経路が形成されて共振電流が流れ始める。このとき、共振電流と負荷電流ｉ_Lとは同一方向に流れるため、主スイッチング素子３ａには負荷電流ｉ_Lと共振電流が重畳した電流が流れ、主スイッチング素子３ｂには共振電流が流れる。
【０００８】
この後、共振電流が逆極性となり、共振電流の絶対値が負荷電流ｉ_Lよりも大きくなって上下アーム間の電圧Ｖ_PNが負電圧になる（図５のｔ₂時点〜ｔ₃時点）と、フライホイールダイオード４ａ、４ｂを通って電流が流れる。このため、主スイッチング素子３ａ、３ｂの各コレクタエミッタ間電圧は負となる。このｔ₂からｔ₃の期間において、主スイッチング素子３ａのゲート端子にオフ信号を与えると、ゼロ電圧スイッチングを行うことができ、スイッチング損失が発生しない。
【０００９】
そして、共振電流が次第に減少し、フライホイールダイオード４ａがオフすると、負荷電流はフライホイールダイオード４ｂを流れ始める（図５のｔ₃時点）。このとき、リアクトル９を流れる一定電流は、共振用コンデンサ６、共振用リアクトル７、フライホイールダイオード４ｂを通して流れるため、共振用コンデンサ６が充電され、共振用コンデンサ６の正極の電位が上昇する。そして、共振用コンデンサ６および共振用リアクトル７の両端間の電圧Ｖ_PNが直流電圧源１の直流電圧Ｖｓの（１＋１／ｎ）倍になったとき、電圧Ｖ_PNはこの値にクランプされ、電圧クランプ用リアクトル１１と電圧クランプ用ダイオード１２からなる電圧クランプ回路１０に電流が流れ始め、直流電圧源１に電力が回生される。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した構成においては、スイッチングする相が回生状態（無効電力を供給している状態で、負荷電流がフライホイールダイオードを流れている状態）のとき、上下アームを短絡すると負荷電流が、オンした主スイッチング素子を流れるため、ハードスイッチング動作となり、スイッチング損失が発生するという問題があることが分かった。
【００１１】
本発明は上記問題を解決することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１、２に記載の発明においては、スイッチングする相の負荷状態が力行状態（有効電力を供給している状態）か回生状態（無効電力を供給している状態）かを判別し、力行状態のときと回生状態のときとでスイッチング制御を変えるようにしている。
【００１３】
すなわち、スイッチングする相の負荷状態が力行状態であるときには、スイッチングする相の上下アームを短絡させ、この後、スイッチングする相のオフすべき主スイッチング素子について、それに逆並列接続されたフライホイールダイオードに電流が流れている状態を検出してオフさせる。このとき、そのスイッチングはゼロ電圧スイッチングである。
【００１４】
また、スイッチングする相の負荷状態が回生状態であるときには、力行状態になっている他の相の上下アームを短絡させて、スイッチングする相のスイッチングを行う。このとき、そのスイッチングはゼロ電圧スイッチングである。また、他の相の主スイッチングのうち短絡のためにオンした主スイッチング素子についても、それに逆並列接続されたフライホイールダイオードに電流が流れている状態を検出してオフさせる。従って、そのスイッチングもゼロ電圧スイッチングである。
【００１５】
このようにスイッチングする相の負荷状態が力行状態でも回生状態でもゼロ電圧スイッチングを行うことができるため、スイッチング損失を大きく低減することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示す実施形態について説明する。
図１に、本発明の一実施形態にかかる共振形インバータ装置の構成を示す。
この実施形態においては、スイッチングする相の負荷状態が力行状態か回生状態かを判別し、スイッチングする相が力行状態のときには、図４に示すものと同様、スイッチングする相の上下アームを短絡させて、共振用コンデサ６と共振用リアクトル７により共振電流を発生させ、この後、上下アーム間電圧Ｖ_PNが負電圧になったときに、オフさせるべき主スイッチング素子をオフさせる。
【００１７】
また、スイッチングする相が回生状態のときには、力行状態になっている他の相の上下アームを短絡させて、スイッチングする相のスイッチングを行い、この後、力行状態になっている他の相のオンした主スイッチング素子をオフさせる。
このような制御を行うために、この実施形態においては、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの負荷状態を検出する負荷状態検出回路１８を設けている。この負荷状態検出回路は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの負荷電流を検出する手段を有し、この手段によって検出されたスイッチングする相の負過電流の極性と、スイッチングする相における２つの主スイッチング素子のオンオフ状態（制御回路１６からの信号によって得られたもの）から、スイッチングする相の負荷状態が力行状態か回生状態かを検出する。なお、負荷電流を検出する手段は、２相分のみでもよい。
【００１８】
例えば、スイッチングする相において上アームの主スイッチング素子がオン状態にある場合、負荷電流がその主スイッチング素子から交流回転機５へ流れているときには力行状態、逆方向に流れているときには回生状態であり、また下アームの主スイッチング素子がオン状態にある場合、負荷電流が交流回転機５からその主スイッチング素子の方に流れているときには力行状態、逆方向に流れているときには回生状態であるとする。
【００１９】
次に、制御回路１６によるスイッチング制御について、Ｕ相のスイッチング制御を例にとり、図２に示すフローチャートを参照して説明する。
Ｕ相のスイッチングを行うために、ゲート信号発生回路１４からＵ相のスイッチングを行う信号が出力されると、制御回路１６は、まず、上下アームが短絡状態にあるか否かを判定する（ステップ１０１）。この場合、具体的には、電圧検出回路１５によって検出された電圧Ｖ_PNが、２つの主スイッチング素子のオン電圧の和の電圧以下であるか否かを判定する。そして、上下アームが短絡状態にあるときには、Ｕ相のスイッチングを行う（ステップ１０２）。このとき、上下アームが短絡状態にあるため、Ｕ相のスイッチングは、ゼロ電圧スイッチングである。
【００２０】
また、上下アームが短絡状態にないときには、次にＵ相の負荷状態が力行状態か回生状態かを判定する（ステップ１０３）。この判定は、上述した負荷状態検出回路１８による検出に基づいて行う。
そして、Ｕ相が力行状態であることを判定すると、図４に示すものと同様、Ｕ相のオフしている主スイッチング素子をオンし上下アームを短絡させる（ステップ１０４）。この後、上下アーム間電圧Ｖ_PNが負電圧になったか否かを判定する（ステップ１０５）。そして、上下アーム間電圧Ｖ_PNが負電圧になったことを判定すると、オフすべき主スイッチング素子をオフさせる（ステップ１０６）。このときゼロ電圧スイッチングとなり、スイッチング損失は発生しない。
【００２１】
また、ステップ１０３においてＵ相が回生状態であることを判定すると、次に他相が力行状態にあるか否かを判定する（ステップ１０７）。Ｖ相とＷ相のいずれかにおいて力行状態にあることを判定すると、その相のオフしている主スイッチング素子をオンして上下アームを短絡させ（ステップ１０８）、この後、Ｕ相のスイッチングを行う（ステップ１０９）。このとき、上下アームが短絡状態にあるため、Ｕ相のスイッチングは、ゼロ電圧スイッチングである。
【００２２】
このスイッチングを行った後、次に上下アーム間電圧Ｖ_PNが負電圧になったか否かを判定する（ステップ１１０）。そして、上下アーム間電圧Ｖ_PNが負電圧になったことを判定すると、先にオンした主スイッチング素子をオフさせて元の状態に戻す（ステップ１１１）。このときゼロ電圧スイッチングとなり、スイッチング損失は発生しない。
【００２３】
なお、ステップ１０７において、いずれの相も力行状態にないときには、ステップ１０２の処理を行い、Ｕ相のスイッチングを行う。このとき、ハードスイッチング動作となるが、交流回転機５が電動機動作の場合、このようになる頻度は非常に低いため、トータル的に見れば、スイッチング損失を大きく低減することができる。
【００２４】
図３に、主スイッチング素子３ａがオン、主スイッチング素子３ｂがオフしている状態から、主スイッチング素子３ａをオフ、主スイッチング素子３ｂをオンさせ、その後、主スイッチング素子３ａをオン、主スイッチング素子３ｂをオフさせる場合の各部の波形図を示す。
ｔ₁時点において、主スイッチング素子３ｂをオンすると、上下のアームが短絡し、共振用コンデンサ６、共振用リアクトル７、主スイッチング素子３ａ、３ｂにより共振経路が形成されて共振電流が流れ始め、この後、上下アーム間の電圧Ｖ_PNが負電圧になるｔ₂〜ｔ₃の期間において、主スイッチング素子３ａをオフさせる。
【００２５】
次に、ｔ₄時点において、主スイッチング素子３ａ、３ｂをスイッチングさせるタイミングになったとき、Ｕ相が回生状態で、Ｖ相が力行状態の場合、Ｖ相における主スイッチング素子３ｃをオンする。そして、上下アームが短絡しているｔ₄〜ｔ₇期間において、Ｕ相のスイッチング素子３ａ、３ｂをスイッチングする。このときゼロ電圧スイッチングとなり、スイッチング損失は発生しない。また、電圧Ｖ_PNが負電圧になっている期間において、Ｖ相のスイッチング素子３ｃをオフする。このときゼロ電圧スイッチングとなり、スイッチング損失は発生しない。
【００２６】
以上、Ｕ相を例にとって説明したが、Ｖ相、Ｗ相についても、制御回路１６により、上記したのと同様のスイッチング制御が行われる。
なお、制御回路１６のスイッチング制御は、上述したようなソフトウェアによるものに限らず、ハードウェアによっても同様に行うことができる。
また、負荷状態検出回路１８としては、各相の負荷状態が検出できるものであればよく、例えばゲート信号発生回路１４の変調波信号を用いて各相の負荷状態を検出するようにしてもよい。さらに、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれの負荷電流を検出した情報を制御回路１６に与え、制御回路１６におけるソフトウェアにて負荷状態を検出するようにしてもよい。
【００２７】
また、上記した実施形態においては、交流回転機５を駆動するものを示したが、同期電動機などの交流回転機を駆動するようにしてもよい。また、インバータ部２としては、上記した構成のものに限らず、上アーム、下アームそれぞれを２つの主スイッチング素子で構成した３レベルインバータなどの多レベルインバータにも同様に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す共振形インバータ装置の回路構成を示す図である。
【図２】図１中の制御回路１６におけるＵ相のスイッチング制御を示すフローチャートである。
【図３】図１に示す共振形インバータ装置の作動説明に供する波形図である。
【図４】本出願人が先に提案した共振形インバータ装置の回路構成を示す図である。
【図５】図４に示す共振形インバータ装置の作動説明に供する波形図である。
【符号の説明】
１…直流電圧源、２…インバータ部、３ａ〜３ｆ…主スイッチング素子、
４ａ〜４ｆ…フライホイールダイオード、５…交流回転機、
６…共振用コンデンサ、７…共振用リアクトル、８…共振回路、
９…リアクトル、１０…電圧クランプ回路、
１１…電圧クランプ用リアクトル、１２…電圧クランプ用ダイオード。
１３…制御部、１４…ゲート信号発生回路、１５…電圧検出回路、
１６…制御回路、１７…ドライブ回路、１８…負荷状態検出回路。

Claims

各相の上下アームに設けられた主スイッチング素子（３ａ〜３ｆ）と、前記主スイッチング素子に逆並列接続されたフライホイールダイオード（４ａ〜４ｆ）を有して構成され、直流電圧源（１）の直流電圧を交流電圧に変換するインバータ部（２）と、
いずれかの相において前記上下アームが短絡したとき共振を行う共振手段（８）と、
前記各相の主スイッチング素子を所定のパターンでスイッチングさせて、前記インバータ部が出力する交流電圧を制御する制御手段（１３）とを備え、
前記制御手段は、
スイッチングする相の負荷状態が力行状態か回生状態かを判別する手段（１０３）を有し、
前記スイッチングする相の負荷状態が力行状態であることを判別したとき、前記スイッチングする相の上下アームを短絡させ、この後、前記スイッチングする相のオフすべき主スイッチング素子に逆並列接続されたフライホイールダイオードに電流が流れている状態を検出して、前記オフすべき主スイッチング素子をオフさせ、
前記スイッチングする相の負荷状態が回生状態であることを判別したとき、力行状態になっている他の相の上下アームを短絡させて、前記スイッチングする相のスイッチングを行い、この後、前記他の相の主スイッチング素子のうち前記短絡のためにオンした主スイッチング素子に逆並列接続されたフライホイールダイオードに電流が流れている状態を検出して、前記オンした主スイッチング素子をオフさせるものであることを特徴とする共振形インバータ装置。
前記制御手段は、前記上下アーム間の電圧を検出する電圧検出手段（１５）を有し、前記電圧検出手段によって検出された電圧が負の電圧になったとき、前記フライホイールダイオードに電流が流れている状態を検出するものであることを特徴とする請求項１に記載の共振形インバータ装置。