JP6907855B2 - 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14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14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。
一方、コンデンサC1,C2の電圧が均等でない場合には、チョッパを流れる電流にリップル電流が多く含まれることになり、このチョッパにインバータ回路を介して連系される電力系統やその接続負荷に悪影響を与える等の問題があった。
前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのPWM指令値を生成するPWM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指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記3レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記3レベルチョッパの降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記PWM指令値と前記バランス指令調整値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、
を備えたことを特徴とする。
前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのPWM指令値を生成するPWM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指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記3レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記3レベルチョッパの昇圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記PWM指令値と前記バランス指令調整値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、
を備えたことを特徴とする。
前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのPWM指令値を生成するPWM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指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記3レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記3レベルチョッパの昇圧・降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率がそれぞれ最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記PWM指令値と前記バランス指令調整値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、
を備えたことを特徴とする。
前記バランス指令値調整部は、前記出力電圧と前記入出力電圧比との積と前記入力電圧との偏差を求め、この偏差と所定のゲインとの積に基づいて前記バランス指令値を調整することを特徴とする。
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。
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。
前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのPWM指令値を生成するPWM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指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記3レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記3レベルチョッパの降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記PWM指令値と前記バランス指令調整値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、
を備えたことを特徴とする。
前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのPWM指令値を生成するPWM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指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記3レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記3レベルチョッパの昇圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記PWM指令値と前記バランス指令調整値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、
を備えたことを特徴とする。
前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのPWM指令値を生成するPWM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指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記3レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記3レベルチョッパの昇圧・降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率がそれぞれ最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記PWM指令値と前記バランス指令調整値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、
を備えたことを特徴とする。
請求項7〜9の何れか1項に記載した3レベルチョッパの制御回路において、
前記バランス指令値調整部は、前記出力電圧と前記入出力電圧比との積と前記入力電圧との偏差を求め、この偏差と所定のゲインとの積に基づいて前記バランス指令値を調整することを特徴とする。
また、チョッパに流れる電流のリップル成分を抑制し、電力系統やその接続負荷に与える悪影響を防止することができる。
初めに、本発明の原理を説明する。本発明では、3レベルチョッパ(以下、単にチョッパともいう)の直流入力電流のリップル率が出力側のコンデンサC1,C2の電圧のアンバランスに応じて変化することに着目したものである。すなわち、チョッパの降圧動作、昇圧動作のそれぞれについて、チョッパの入出力電圧の関係に応じて、コンデンサC1,C2の電圧を均等化するためのバランス指令値(バランス指令率)を調整することにより、リップル電流を抑制してコンデンサC1,C2の電圧を均等化する。
なお、チョッパの降圧モードとは入力電圧Vin>(出力電圧Vo/2)となるモードを言い、チョッパの昇圧モードとは入力電圧Vin<(出力電圧Vo/2)となるモードを言う。
図1の降圧モード領域及び昇圧モード領域において、電流リップル率が最大になるときの入出力電圧の関係は、以下のようにして求めることができる(結論として、チョッパの降圧モードでは、入力電圧Vinが出力電圧Voの(√3+3)/6倍である時、チョッパの昇圧モードでは、入力電圧Vinが出力電圧Voの1/3倍である時に、それぞれ電流リップル率が最大となる)。
この第1実施形態は、チョッパを降圧モード領域(図1参照)で運転するときに、コンデンサC1,C2の電圧を均等化するためにスイッチング素子S1〜S4の駆動信号を生成するものである。
すなわち、降圧モードにおいて、Vin=Voである時にはバランス指令値(バランス指令率)を0とすることにより、スイッチング素子の熱の偏りを防いで装置の運転を継続させる。
また、Vin=Voの状態からVinの低下に応じてバランス指令値を徐々に増加させていき、電流リップル率が最大になるVin={(√3+3)/6}Voの時点でバランス指令値を最大(バランス指令率を100%)にすることにより、リップル電流を低減し、電力系統の接続機器を保護する。
更に、Vin={(√3+3)/6}Voの時点からVinの低下に応じてバランス指令値を徐々に減少させ、Vin=Vo/2の時点でバランス指令値を0(バランス指令率を0%)にすることにより、スイッチング素子の熱の偏りを防いで装置の運転を継続させる。
このPWM指令は、加減算器103,104により、後述するバランス指令値調整部200Aの上下限リミッタ211から出力されるバランス指令値とそれぞれ加減算され、PWM回路105,106(PWM1,PWM2)に入力される。PWM回路105,106では、入力された指令値とキャリア1,2とをそれぞれ比較することにより、図13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。
まず、チョッパの入力電圧Vinはローパスフィルタ201を介して加減算器204に入力される。また、チョッパの出力電圧Voはローパスフィルタ202を介して乗算器203に入力され、定数{(√3+3)/6}との乗算結果が加減算器204に入力される。
加減算器204の出力aは、その正負を判別するためのコンパレータ205に入力され、「0000hex(hexは16進数)」との比較結果が切替スイッチ206に加えられている。
前記コンパレータ205は、入力aが負である時に切替スイッチ206の入力端子T側を選択させる信号を出力する。
乗算器209,210は、偏差cと上限リミッタ値、下限リミッタ値とをそれぞれ乗算し、これらの乗算結果を上下限リミッタ211の上限リミッタ値、下限リミッタ値として出力する。上下限リミッタ211は、バランス指令値生成部102から入力されたバランス指令値を上下限処理し、その出力信号dを前記加減算器103,104に出力する。
図7における(2)の時点は電流リップル率が大きいため、コンデンサC1,C2の電圧不均等によるリップル電流が大きい。このため、バランス指令値調整部200Aから出力するバランス指令値を最大値(バランス指令率を100%)としてリップル電流を抑制し、電力系統の接続機器を保護する。
この第2実施形態は、チョッパを昇圧モード領域(図1参照)で運転するときに、コンデンサC1,C2の電圧を均等化するためにスイッチング素子S1〜S4の駆動信号を生成するものである。
すなわち、昇圧モードにおいて、Vin=Vo/2である時にはバランス指令値(バランス指令率)を0とすることにより、スイッチング素子の熱の偏りを防いで装置の運転を継続させる。
また、Vin=Vo/2の状態からVinの低下に応じてバランス指令値を徐々に増加させていき、電流リップル率が最大になるVin=Vo/3の時点でバランス指令値を最大(バランス指令率を100%)にすることにより、リップル電流を低減し、電力系統の接続機器を保護する。
更に、Vin=Vo/3の時点からVinの低下に応じてバランス指令値を徐々に減少させ、Vin=0の時点でバランス指令値を0(バランス指令率を0%)にすることにより、スイッチング素子の熱の偏りを防いで装置の運転を継続させる。
図10における(5)の時点は電流リップル率が大きいため、コンデンサC1,C2の電圧不均等によるリップル電流が大きい。このため、バランス指令値調整部200Bから出力するバランス指令値を最大値(バランス指令率を100%)としてリップル電流を抑制し、電力系統の接続機器を保護する。
この第3実施形態は、チョッパを昇・降圧チョッパとして運転する場合(図1の降圧モード領域、昇圧モード領域を使い分ける場合)に、コンデンサC1,C2の電圧を均等化するためにスイッチング素子S1〜S4の駆動信号を生成するものである。
バランス指令値調整部200Cでは、コンパレータ230によりVinとVo/2とを比較して降圧モード、昇圧モードを判別し、降圧モード(Vin>Vo/2)であれば切替スイッチ229を端子T側に、昇圧モード(Vin<Vo/2)であれば切替スイッチ229を端子F側に切り替える。
第1,第2実施形態と同様に、電流リップル率の最大値を20[%]、チョッパの出力電圧Voを1100[V]とすると、電流リップル率が最大になる時の入力電圧Vinは、降圧モードではVin≒868[V]、昇圧モードではVin≒367[V]となる。
図12の降圧モード領域における(2)の時点は電流リップル率が大きいため、コンデンサC1,C2の電圧不均等によるリップル電流が大きい。このため、バランス指令値調整部200Cから出力するバランス指令値を最大値(バランス指令率を100%)としてリップル電流を抑制し、電力系統の接続機器を保護する。
また、昇圧モード領域における(5)の時点については、電流リップル率に応じたバランス指令値とすれば良い。
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
Cin:平滑コンデンサ
LD:負荷
P:正側端子
N:負側端子
M:中性点
101:PWM指令生成部
102:バランス指令値生成部
103,104,204,208,224,228:加減算器
105,106:PWM回路
200A,200B,200C:バランス指令値調整部
201,202,221,222:ローパスフィルタ
203,209,210,223:乗算器
205,225,230:コンパレータ
206,226,229:切替スイッチ
207,227:絶対値演算器
211:上下限リミッタ
Claims (10)
- 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,第2のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのPWM指令値を生成するPWM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指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記3レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記3レベルチョッパの降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記PWM指令値と前記バランス指令調整値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、
を備えたことを特徴とする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,第2のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのPWM指令値を生成するPWM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指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記3レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記3レベルチョッパの昇圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記PWM指令値と前記バランス指令調整値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、
を備えたことを特徴とする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,第2のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのPWM指令値を生成するPWM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指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記3レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記3レベルチョッパの昇圧・降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率がそれぞれ最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記PWM指令値と前記バランス指令調整値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、
を備えたことを特徴とする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、
前記バランス指令値調整部は、
前記出力電圧と前記入出力電圧比との積と前記入力電圧との偏差を求め、この偏差と所定のゲインとの積に基づいて前記バランス指令値を調整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,第2のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのPWM指令値を生成するPWM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指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記3レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記3レベルチョッパの降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記PWM指令値と前記バランス指令調整値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、
を備えたことを特徴とする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,第2のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのPWM指令値を生成するPWM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指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記3レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記3レベルチョッパの昇圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記PWM指令値と前記バランス指令調整値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、
を備えたことを特徴とする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,第2のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのPWM指令値を生成するPWM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指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記3レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記3レベルチョッパの昇圧・降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率がそれぞれ最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記PWM指令値と前記バランス指令調整値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、
を備えたことを特徴とする3レベルチョッパの制御回路。 - 請求項7〜9の何れか1項に記載した3レベルチョッパの制御回路において、
前記バランス指令値調整部は、
前記出力電圧と前記入出力電圧比との積と前記入力電圧との偏差を求め、この偏差と所定のゲインとの積に基づいて前記バランス指令値を調整することを特徴とする3レベルチョッパの制御回路。
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