JP6895067B2 - 3レベルチョッパ及びその制御回路 - Google Patents
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Description
この直流電源システムは、半導体スイッチング素子(以下、単にスイッチング素子という)の動作により、直流電源電圧を昇圧して中性点を持つ直流電圧に変換するものであり、いわゆる3レベルチョッパによって構成されている。
なお、D1〜D4はスイッチング素子S1〜S4にそれぞれ逆並列に接続された還流ダイオード、Pは正側端子、Nは負側端子であり、Mはスイッチング素子S1,S2の直列接続点に接続されたコンデンサC1,C2の直列接続点(中性点)である。
まず、スイッチング素子S1,S2を共にオンするとリアクトルL1,L2にエネルギーが蓄積される。次に、スイッチング素子S1をオンしたままでスイッチング素子S2をオフすると、リアクトルL1,L2の蓄積エネルギーによりスイッチング素子S1と還流ダイオードD4とを介してコンデンサC2が充電される。次いで、スイッチング素子S1をオフしてスイッチング素子S2をオンすると、リアクトルL1,L2の蓄積エネルギーにより還流ダイオードD3とスイッチング素子S2とを介してコンデンサC1が充電される。
このため、特許文献1では、図5の制御回路を用いて電圧Vdcp,Vdcnを等しくする制御を行っている。
図5において、コンデンサC1,C2の電圧Vdcp,Vdcnが直流電圧指令値(出力電圧指令値)Vpn *の1/2とそれぞれ等しくなるように電圧調節器AVR1,AVR2が動作し、これらの出力が切替スイッチSW1,SW2を介して同一構成のPWM回路PWMA,PWMBに加えられている。
パルス出力判定回路PJは、電圧検出値Vdcp,Vdcnの大小関係に応じて、PWM回路PWMA,PWMBの出力信号S1’〜S4’をスイッチング素子S1〜S4の駆動信号(ゲート信号)として選択し、出力する。
なお、スイッチング素子S3,S4は、コンデンサC1,C2のエネルギーを直流電源側に回生して電圧Vdcp,Vdcnを所定値に維持するように機能するものである。
そこで、本発明の解決課題は、出力側の直列コンデンサの電圧を均等化しつつ、スイッチング素子の過熱を防止して安定的に運転を継続可能とした3レベルチョッパ及びその制御回路を提供することにある。
直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第1,第2のスイッチング素子が直列に接続され、前記第1,第2のスイッチング素子の直列回路の両端に、第1,第2のダイオードをそれぞれ介して第1,第2のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第1,第2のスイッチング素子の直列接続点と前記第1,第2のコンデンサの直列接続点とが接続され、前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される3レベルチョッパであって、
前記第1のコンデンサの電圧、前記第2のコンデンサの電圧を所定値に一致させるための電圧指令を生成する電圧指令生成部と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス補正量を生成するバランス補正量生成部と、
前記電圧指令と前記バランス補正量とに基づいて前記第1,第2のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧、前記第1,第2のスイッチング素子の温度及び温度閾値に応じて、前記バランス補正量を調整するバランス補正量調整部と、を備え、
前記バランス補正量調整部は、
前記第1,第2のスイッチング素子のうち一方のスイッチング素子の温度が温度閾値未満である期間は、両方のスイッチング素子に対するバランス補正量を所定値に保ち、前記一方のスイッチング素子の温度が温度閾値以上である期間は、当該スイッチング素子に対するバランス補正量を0にすると共に他方のスイッチング素子に対するバランス補正量を前記所定値に保つことを特徴とする。
直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第1,第2のスイッチング素子が直列に接続され、前記第1,第2のスイッチング素子の直列回路の両端に、第1,第2のダイオードをそれぞれ介して第1,第2のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第1,第2のスイッチング素子の直列接続点と前記第1,第2のコンデンサの直列接続点とが接続され、前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される3レベルチョッパであって、
前記第1のコンデンサの電圧、前記第2のコンデンサの電圧を所定値に一致させるための電圧指令を生成する電圧指令生成部と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧に応じて、前記第1,第2のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス補正量を生成するバランス補正量生成部と、
前記電圧指令と前記バランス補正量とに基づいて前記第1,第2のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧、前記第1,第2のスイッチング素子の温度及び温度閾値に応じて、前記バランス補正量を調整するバランス補正量調整部と、を備え、
前記バランス補正量調整部は、
前記第1,第2のスイッチング素子のうち一方のスイッチング素子の温度が温度閾値未満である期間は、両方のスイッチング素子に対するバランス補正量を所定値に保ち、前記一方のスイッチング素子の温度が温度閾値以上である期間は、当該スイッチング素子に対するバランス補正量を0に向けて徐々に変化させると共に他方のスイッチング素子に対するバランス補正量を前記所定値に保つことを特徴とする。
直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第1,第2のスイッチング素子が直列に接続され、前記第1,第2のスイッチング素子の直列回路の両端に、第1,第2のダイオードをそれぞれ介して第1,第2のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第1,第2のスイッチング素子の直列接続点と前記第1,第2のコンデンサの直列接続点とが接続されて前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される3レベルチョッパの制御回路であって、
前記第1のコンデンサの電圧、前記第2のコンデンサの電圧を所定値に一致させるための電圧指令を生成する電圧指令生成部と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧に応じて、前記第1,第2のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス補正量を生成するバランス補正量生成部と、
前記電圧指令と前記バランス補正量とに基づいて前記第1,第2のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧、前記第1,第2のスイッチング素子の温度及び温度閾値に応じて、前記バランス補正量を調整するバランス補正量調整部と、を備え、
前記バランス補正量調整部は、
前記第1,第2のスイッチング素子のうち一方のスイッチング素子の温度が温度閾値未満である期間は、両方のスイッチング素子に対するバランス補正量を所定値に保ち、前記一方のスイッチング素子の温度が温度閾値以上である期間は、当該スイッチング素子に対するバランス補正量を0にすると共に他方のスイッチング素子に対するバランス補正量を前記所定値に保つことを特徴とする。
直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第1,第2のスイッチング素子が直列に接続され、前記第1,第2のスイッチング素子の直列回路の両端に、第1,第2のダイオードをそれぞれ介して第1,第2のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第1,第2のスイッチング素子の直列接続点と前記第1,第2のコンデンサの直列接続点とが接続されて前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される3レベルチョッパの制御回路であって、
前記第1のコンデンサの電圧、前記第2のコンデンサの電圧を所定値に一致させるための電圧指令を生成する電圧指令生成部と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧に応じて、前記第1,第2のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス補正量を生成するバランス補正量生成部と、
前記電圧指令と前記バランス補正量とに基づいて前記第1,第2のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧、前記第1,第2のスイッチング素子の温度及び温度閾値に応じて、前記バランス補正量を調整するバランス補正量調整部と、を備え、
前記バランス補正量調整部は、
前記第1,第2のスイッチング素子のうち一方のスイッチング素子の温度が温度閾値未満である期間は、両方のスイッチング素子に対するバランス補正量を所定値に保ち、前記一方のスイッチング素子の温度が温度閾値以上である期間は、当該スイッチング素子に対するバランス補正量を0に向けて徐々に変化させると共に他方のスイッチング素子に対するバランス補正量を前記所定値に保つことを特徴とする。
図1は、本発明の第1実施形態に係る制御回路の構成図である。この制御回路は、前述した図4の3レベルチョッパを対象としてスイッチング素子S1〜S4の駆動信号を生成するものである。
このPWM指令は、加減算器101,102により、後述するローパスフィルタ211,213の出力であるバランス補正量とそれぞれ加減算され、PWM回路PWM1,PWM2に入力される。PWM回路PWM1,PWM2では、入力された各指令とキャリア1,2とをそれぞれ比較することにより、図4のスイッチング素子S1,S3用、及び、スイッチング素子S2,S4用の駆動信号を生成する。
バランス補正量生成部300は、コンデンサC1,C2の電圧検出値Vdcp,Vdcnを等しくするためのバランス補正量を生成し、バランス補正量調整部200Aに出力する。
このバランス補正量調整部200Aは、コンデンサC1,C2の電圧検出値Vdcp,Vdcn、スイッチング素子S1,S2の温度検出値T1,T2及び温度閾値T1t,T2tに基づいて、バランス補正量生成部300から出力されたバランス補正量または「0」を切り替えて出力する機能を備えている。
また、スイッチング素子S2の温度検出値T2と温度閾値T2tとがコンパレータ206により比較され、その出力はアンド回路209に入力されている。
切替スイッチ210,212の入力端子T(True)にはそれぞれ「0」が入力され、入力端子F(False)には、前記バランス補正量生成部300により生成されたバランス補正量がそれぞれ入力されている。
切替スイッチ210,212の出力は、それぞれ第1,第2のローパスフィルタ211,213を介して、加減算器101,102に図示の符号で入力されている。
この場合には、図4におけるコンデンサC1の電圧が加わるスイッチング素子S1を電圧Vdcpから保護する必要がある。
一方、コンデンサC1への充電量を少なくして電圧Vdcpの上昇を抑制するために、図3(a)に破線で示すごとく、スイッチング素子S2のオン時間を短くするためのバランス補正量は、スイッチング素子S1の温度に関わらず一定値とする。
この場合には、コンデンサC2の電圧が加わるスイッチング素子S2を電圧Vdcnから保護する必要がある。
一方、コンデンサC2への充電量を少なくして電圧Vdcnの上昇を抑制するために、図3(b)に実線で示すごとく、スイッチング素子S1のオン時間を短くするためのバランス補正量は、スイッチング素子S2の温度に関わらず一定値とする。
この場合には、過電圧状態にある側のコンデンサやスイッチング素子が耐圧を超える恐れがあるため、スイッチング素子の温度に関わらず、電圧Vdcp,Vdcnを均等化する必要がある。
図2は、第2実施形態に係る制御回路の構成図であり、図1と同一の部分については同一の符号を付して説明を省略し、以下では図1と異なる部分を中心に説明する。
なお、上記のゲインG1,G2は大きさが等しく、正負が逆になっている。
この場合には、コンデンサC1の電圧が加わるスイッチング素子S1を電圧Vdcpから保護する必要がある。
一方、コンデンサC1への充電量を少なくして電圧Vdcpの上昇を抑制するために、図3(c)に破線で示すごとく、スイッチング素子S2のオン時間を短くするためのバランス補正量は、スイッチング素子S1の温度に関わらず一定値とする。
よって、バランス補正量生成部300により生成されたバランス補正量は、調整されることなく加減算器101に入力される。
この場合には、コンデンサC2の電圧が加わるスイッチング素子S2を電圧Vdcnから保護する必要がある。
一方、コンデンサC2への充電量を少なくして電圧Vdcnの上昇を抑制するために、スイッチング素子S1のオン時間を短くするためのバランス補正量は、スイッチング素子S2の温度に関わらず一定値とする。
よって、バランス補正量生成部300により生成されたバランス補正量は、調整されることなく加減算器102に入力される。
この場合には、過電圧状態にある側のコンデンサやスイッチング素子が耐圧を超える恐れがあるため、スイッチング素子の温度に関わらず、電圧Vdcp,Vdcnを均等化する必要がある。
よって、バランス調整量はそのまま切替スイッチ210,212を介して加減算器101,102にそれぞれ入力されることにより、電圧Vdcp,Vdcnを均等化する制御が実行される。
S1〜S4:スイッチング素子
D1〜D4:還流ダイオード
L1,L2:リアクトル
C1,C2:コンデンサ
LD:負荷
P:正側端子
N:負側端子
M:中性点
PWM1,PWM2:PWM回路
100:PWM指令生成部
101,102:加減算器
200A,200B:バランス補正量調整部
201,216,220,221,225:加減算器
202:絶対値演算器
203〜206:コンパレータ
207:否定回路
208,209,214,215:アンド回路
208S,209S,214S,215S:切替信号
210,212,219,224:切替スイッチ
211,213:ローパスフィルタ
217,222:乗算器
218,223:リミッタ
300:バランス補正量生成部
Claims (8)
- 直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第1,第2のスイッチング素子が直列に接続され、前記第1,第2のスイッチング素子の直列回路の両端に、第1,第2のダイオードをそれぞれ介して第1,第2のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第1,第2のスイッチング素子の直列接続点と前記第1,第2のコンデンサの直列接続点とが接続され、前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される3レベルチョッパであって、
前記第1のコンデンサの電圧、前記第2のコンデンサの電圧を所定値に一致させるための電圧指令を生成する電圧指令生成部と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス補正量を生成するバランス補正量生成部と、
前記電圧指令と前記バランス補正量とに基づいて前記第1,第2のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧、前記第1,第2のスイッチング素子の温度及び温度閾値に応じて、前記バランス補正量を調整するバランス補正量調整部と、を備え、
前記バランス補正量調整部は、
前記第1,第2のスイッチング素子のうち一方のスイッチング素子の温度が温度閾値未満である期間は、両方のスイッチング素子に対するバランス補正量を所定値に保ち、前記一方のスイッチング素子の温度が温度閾値以上である期間は、当該スイッチング素子に対するバランス補正量を0にすると共に他方のスイッチング素子に対するバランス補正量を前記所定値に保つことを特徴とする3レベルチョッパ。 - 直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第1,第2のスイッチング素子が直列に接続され、前記第1,第2のスイッチング素子の直列回路の両端に、第1,第2のダイオードをそれぞれ介して第1,第2のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第1,第2のスイッチング素子の直列接続点と前記第1,第2のコンデンサの直列接続点とが接続され、前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される3レベルチョッパであって、
前記第1のコンデンサの電圧、前記第2のコンデンサの電圧を所定値に一致させるための電圧指令を生成する電圧指令生成部と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧に応じて、前記第1,第2のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス補正量を生成するバランス補正量生成部と、
前記電圧指令と前記バランス補正量とに基づいて前記第1,第2のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧、前記第1,第2のスイッチング素子の温度及び温度閾値に応じて、前記バランス補正量を調整するバランス補正量調整部と、を備え、
前記バランス補正量調整部は、
前記第1,第2のスイッチング素子のうち一方のスイッチング素子の温度が温度閾値未満である期間は、両方のスイッチング素子に対するバランス補正量を所定値に保ち、前記一方のスイッチング素子の温度が温度閾値以上である期間は、当該スイッチング素子に対するバランス補正量を0に向けて徐々に変化させると共に他方のスイッチング素子に対するバランス補正量を前記所定値に保つことを特徴とする3レベルチョッパ。 - 請求項1または2に記載した3レベルチョッパにおいて、
前記バランス補正量調整部は、
前記第1,第2のコンデンサの電圧の差分の絶対値が電圧差分閾値未満である時に前記第1,第2のスイッチング素子に対するバランス補正量を0にすることを特徴とする3レベルチョッパ。 - 請求項1〜3の何れか1項に記載した3レベルチョッパにおいて、
前記直流電源の電圧を昇圧して前記負荷に供給することを特徴とする3レベルチョッパ。 - 請求項1〜4の何れか1項に記載した3レベルチョッパにおいて、
前記第1のダイオードに第3のスイッチング素子を逆並列に接続し、かつ、前記第2のダイオードに第4のスイッチング素子を逆並列に接続したことを特徴とする3レベルチョッパ。 - 請求項5に記載した3レベルチョッパにおいて、
前記第3,第4のスイッチング素子をオンさせて前記第1,第2のコンデンサのエネルギーを前記直流電源に回生することを特徴とする3レベルチョッパ。 - 直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第1,第2のスイッチング素子が直列に接続され、前記第1,第2のスイッチング素子の直列回路の両端に、第1,第2のダイオードをそれぞれ介して第1,第2のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第1,第2のスイッチング素子の直列接続点と前記第1,第2のコンデンサの直列接続点とが接続されて前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される3レベルチョッパの制御回路であって、
前記第1のコンデンサの電圧、前記第2のコンデンサの電圧を所定値に一致させるための電圧指令を生成する電圧指令生成部と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧に応じて、前記第1,第2のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス補正量を生成するバランス補正量生成部と、
前記電圧指令と前記バランス補正量とに基づいて前記第1,第2のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧、前記第1,第2のスイッチング素子の温度及び温度閾値に応じて、前記バランス補正量を調整するバランス補正量調整部と、を備え、
前記バランス補正量調整部は、
前記第1,第2のスイッチング素子のうち一方のスイッチング素子の温度が温度閾値未満である期間は、両方のスイッチング素子に対するバランス補正量を所定値に保ち、前記一方のスイッチング素子の温度が温度閾値以上である期間は、当該スイッチング素子に対するバランス補正量を0にすると共に他方のスイッチング素子に対するバランス補正量を前記所定値に保つことを特徴とする、3レベルチョッパの制御回路。 - 直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第1,第2のスイッチング素子が直列に接続され、前記第1,第2のスイッチング素子の直列回路の両端に、第1,第2のダイオードをそれぞれ介して第1,第2のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第1,第2のスイッチング素子の直列接続点と前記第1,第2のコンデンサの直列接続点とが接続されて前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される3レベルチョッパの制御回路であって、
前記第1のコンデンサの電圧、前記第2のコンデンサの電圧を所定値に一致させるための電圧指令を生成する電圧指令生成部と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧に応じて、前記第1,第2のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス補正量を生成するバランス補正量生成部と、
前記電圧指令と前記バランス補正量とに基づいて前記第1,第2のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧、前記第1,第2のスイッチング素子の温度及び温度閾値に応じて、前記バランス補正量を調整するバランス補正量調整部と、を備え、
前記バランス補正量調整部は、
前記第1,第2のスイッチング素子のうち一方のスイッチング素子の温度が温度閾値未満である期間は、両方のスイッチング素子に対するバランス補正量を所定値に保ち、前記一方のスイッチング素子の温度が温度閾値以上である期間は、当該スイッチング素子に対するバランス補正量を0に向けて徐々に変化させると共に他方のスイッチング素子に対するバランス補正量を前記所定値に保つことを特徴とする、3レベルチョッパの制御回路。
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