JPH04275058A - 中性点クランプ式電力変換器の制御装置 - Google Patents

中性点クランプ式電力変換器の制御装置

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JPH04275058A
JPH04275058A JP3033911A JP3391191A JPH04275058A JP H04275058 A JPH04275058 A JP H04275058A JP 3033911 A JP3033911 A JP 3033911A JP 3391191 A JP3391191 A JP 3391191A JP H04275058 A JPH04275058 A JP H04275058A
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茂 田中
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
[発明の目的]
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、交流電力を直流電力に
変換するパルス幅変調制御(PWM制御)コンバ―タや
、直流電力を交流電力に変換するPWM制御インバ―タ
等に適用される3レベルの出力電圧を発生する中性点ク
ランプ式電力変換器の制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図4は、中性点クランプ式インバ―タの
主回路構成図を示す。図は1相分(U相分)を示し、3
相出力インバ―タの場合、V,W相も同様に構成される
【0003】図中、Vd1,Vd2は直流電源、S1 
〜S4 は自己消弧素子、D1 〜D4 はフリ―ホイ
リングダイオ―ド、D5 ,D6 はクランプ用ダイオ
―ド、LOADば負荷である。
【0004】このインバ―タの出力電圧VU は、4つ
の素子S1〜S4 をオン、オフさせることによって、
次のように変化する。ただし、全体の直流電圧をVd 
とし、Vd1=Vd2=Vd /2とする。即ち、S1
 とS2 がオンのとき、VU =+Vd /2S2 
とS3 がオンのとき、VU =0S3 とS4 がオ
ンのとき、VU =−Vd /2となる。この時、素子
は2個ずつオンさせなければならない。3個同時にオン
になると、直流電源を短絡し、過電流によって素子を破
壊してしまう。
【0005】例えば、素子S1 〜S3 にオン信号が
入ると、直流電圧Vd1を素子S1 ―S2―S3 ―
ダイオ―ドD6 で短絡し、過大な短絡電流が素子に流
れ、素子を壊してしまう。
【0006】このような直流短絡を防止するため、素子
S1 とS3 を逆動作させ、素子S2S4 を逆動作
させている。即ち、素子S1 がオンのときは素子S3
 をオフさせ、素子S3 がオンのときは素子S1 を
オフさせている。同様に、素子S2 がオンのときは素
子S4 をオフさせ、素子S4 がオンのときは、素子
S2 をオフさせている。図5は、中性点クランプ式イ
ンバ―タの従来のパルス幅変調制御法を説明するための
タイムチャ―ト図である。
【0007】図中、X,YはPWM制御の搬送波信号で
、Xは+EMAX 〜0の間を変化する三角波、Yは−
EMAX 〜0の間を変化する三角波である。また、e
i はPWM制御入力信号である。入力信号ei と三
角波X,Yとを比較し、素子S1 〜S4 のゲ―ト信
号g1 ,g2 を作る。即ち、 ei >Xのとき、g1 =1で、S1 はオン、S3
 はオフei ≦Xのとき、g1 =0で、S1 はオ
フ、S3 はオンei ≧Yのとき、g2 =0で、S
4 はオフ、S2 はオンei <Yのとき、g2 =
1で、S4 はオン、S2 はオフとする。
【0008】この結果、出力電圧VU は、図の最下段
のようになり、その平均値(破線で示す)は入力信号e
i に比例した値となる。このように、中性点クランプ
式インバ―タでは、出力電圧VU として、3レベル(
+Vd /2,0,−Vd /2)の電圧が得られ、高
調波成分の少ない電圧波形となる。電動機負荷の場合は
、電流の脈動は小さくなり、トルクリップルも低減でき
る利点がある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の中性点
クランプ式インバ―タの制御装置には、次のような問題
点がある。図6は、図5と同様に従来のPWM制御方法
を説明するためのタイムチャ―ト図を示すもので、入力
信号ei が急激に変化した場合の動作を表す。
【0010】ei がa点で、正から負に急変すると、
ゲ―ト信号g1 は「1」から「0」に、ゲ―ト信号g
2 は「0」から「1」に変化する。このゲ―ト信号に
従って、素子S1 〜S4 が瞬時にオン、オフできれ
ば、出力電圧VU は図示のようになり、何の問題も発
生しない。
【0011】しかし、大容量のインバ―タでは、自己消
弧素子としてGTO(ゲ―トタ―ンオフサイリスタ)な
どが使われ、タ―ンオフ時の過電圧を抑制するためスナ
バ回路が設置される。
【0012】このスナバ回路のコンデンサの電圧を初期
化する(放電させる)ため、GTOをオンさせた時、一
定時間(最小オン時間:例えば100マイクロ秒程度)
オン状態を維持しなければならない。
【0013】図7は、図6のa点付近のゲ―ト信号の動
作を拡大したものでゲ―ト信号g1=1の幅が最小オン
時間ΔtONより狭くなった場合を示す。素子S1 の
最小オン時間ΔtONを確保するため、ゲ―ト信号g1
 はg1 ´のように1の期間が広げられる。この結果
、g1 ´とg2 とが期間δだけ重なり、素子S1 
がオン、S2 がオフ、S3 がオフ、S4がオンとな
る。
【0014】図4の主回路において、出力電流IU が
図の矢印の向に流れている場合、ダイオ―ドD3 ,D
4 が導通し、かつ素子S1 にオン信号が来ているの
で、素子S2に直流全電圧Vd =Vd1+Vd2が印
加される。逆に、出力電流IU が図の矢印と反対方向
にながれている場合は、ダイオ―ドD1 ,D2 が導
通し、S4 にオン信号が入っているので、素子S3 
に全電圧Vd が印加される。中性点クランプ式インバ
―タでは、各素子(各ア―ム)の耐圧は直流電圧Vd 
の半分が印加されるものとして設計されており、全電圧
が印加された場合、過電圧により素子破壊に至ってしま
う。
【0015】このように従来の中性点クランプ式インバ
―タのPWM制御装置では、入力信号ei が急変した
場合、素子S2 或いはS3 のいずれかに直流全電圧
が印加される危険があり、最悪の場合、素子破壊に至り
、装置の運転を停止せざるを得なくなる。
【0016】本発明は、以上の問題点に鑑みてなされた
もので、PWM制御の入力信号eiが急激に変化しても
1つの素子に直流全電圧が印加されることのないような
中性点クランプ式電力変換器の制御装置を提供すること
を目的とする。 [発明の構成]
【0017】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に本発明は、直列接続された4個の自己消弧素子S1,
S2 ,S3 ,S4 と、これらの各素子に逆並列接
続されるフリ―ホイリングダイオ―ドD1 ,D2 ,
D3 ,D4 と、クランプ用ダイオ―ドD5 ,D6
 とで構成される中性点クランプ式電力変換器において
、パルス幅変調制御用搬送波として、1つは零とプラス
側で変化する三角波X、もう1つは零とマイナス側で変
化する三角波Yを発生する手段と、この2つの三角波X
,YとPWM制御入力信号ei とを比較し、 ei >Xのとき、g1 =1 ei ≦Xのとき、g1 =0 ei ≧Yのとき、g2 =0 ei <Yのとき、g2 =1 となる第1及び第2のゲ―ト信号g1 ,g2 を作る
手段と、前記第1のゲ―ト信号g1 が「1」から「0
」に変化するとき一定時間Δtだけ前記第2のゲ―ト信
号g2 を「0」の状態に固定させた新たなゲ―ト信号
g22を作る手段と、前記第2のゲ―ト信号g2が「1
」から「0」に変化するとき一定時間Δtだけ前記第1
のゲ―ト信号g1 を「0」の状態に固定させた新たな
ゲ―ト信号g11を作る手段を設け、 前記ゲ―ト信号g11=1のとき、前記素子S1 をオ
ン(素子S3 をオフ) g11=0のとき、前記素子S3 をオン(素子S1 
をオフ) g22=0のとき、前記素子S2 をオン(素子S4 
をオフ) g22=1のとき、前記素子S4 をオン(素子S2 
をオフ) となるようにしてパルス幅変調制御する。
【0018】
【作用】前述のように構成することにより、PWM制御
の入力信号ei が急変し、ゲ―ト信号g1 が「1」
から「0」に、g2 が「0」から「1」に、それぞれ
変化した場合、当該信号g1 の立下がり、(1から0
)から一定時間Δtだけg22=0とし、その後、g2
2=g2 となるような新たなゲ―ト信号g22を作り
、素子S2及びS4 をオン、オフさせる。
【0019】又、ゲ―ト信号g2 が「1」から「0」
にゲ―ト信号g1 が「0」から「1」にそれぞれ変化
した場合、当該信号g2 立下がり(1から0)から一
定時間Δtだけg11=0とし、その後、g11=g1
 となるような新たなゲ―ト信号g11を作り、素子S
1 ,S3 をオン、オフさせる。前記時間Δtは素子
の最小オン時間などを考慮して定める。
【0020】この結果、新たなゲ―ト信号は、g11=
1からg22=1に移るとき、及びg22=1からg1
1=1に移る時、その間に必ずg11=0、g22=0
のモ―ドを介在するようになる。言い代えると、素子S
1 とS2 がオンの状態から、素子S3 とS4 が
オンになる状態に直接移ることはなくなり、必ず素子S
2 とS3 がオン(S1 とS4 はオフ)になるモ
―ドを介してゲ―ト信号が与えられる。従って、素子の
最小オン時間などによりパルス幅が広げられてゲ―ト信
号が与えられても、S1 がオンで、S2 がオフとな
るモ―ド(或いはS4 がオンで、S3 がオフとなる
モ―ド)はなくなり、素子S2 或いはS3 に直流全
電圧Vd が印加されることはなくなり、従来の問題点
を解決することができる。
【0021】
【実施例】図1は、本発明の中性点クランプ式インバ―
タの制御装置を説明するための主回路構成図および制御
装置のブロック図の一実施例を示す。
【0022】図中、Vd1,Vd2は直流電源、S1 
,S2 ,S3 ,S4 は自己消弧素子、D1D2 
,D3 ,D4 はフリ―ホイリングダイオ―ド、D5
 ,D6 はクランプ用ダイオ―ド、LOADは負荷、
CTU は電流検出器である。又、制御回路として、比
較器CU ,C1 ,C2 、電流制御補償回路GU 
(s) 、三角波発生器TRG、シュミット回路SH1
 ,SH2 、モノマルチ回路MM1 ,MM2 、論
理積回路AND1 ,AND2 が設けられている。こ
の図は1相分(U相分)のみを示しているが、3相負荷
の場合、他の2相(V相,W相)も同様に構成される。
【0023】U相の負荷電流IU を電流検出器CTU
 により検出し、電流制御回路の比較器CU に入力す
る。比較器CU は電流指令値IU * と電流検出値
IU とを比較し、偏差εU =IU * −IU を
求める。当該偏差εU を次の制御補償回路GU (s
) で増幅し、PWM制御の入力信号ei とする。
【0024】三角波発生器TRGは2つの三角波X,Y
を発生し、比較器C1 ,C2 に入力する。比較器C
1 は三角波Xと前記入力信号ei を比較しシュミッ
ト回路SH1を介してゲ―ト信号g1 を作る。又、比
較器C2 は三角波Yと前記入力信号eiを比較し、シ
ュミット回路SH2 を介してゲ―ト信号g2 を作る
【0025】ゲ―ト信号g1 の立下がりをトリガとし
てモノマルチ回路MM1 を動作させる。MM1 の出
力は時間Δtの間「0」となる。同様に、ゲ―ト信号g
2 の立下がりをトリガとしてモノマルチ回路MM2 
を動作させる。MM2 の出力は時間Δtの間「0」と
なる。
【0026】論理積回路AND1 により、ゲ―ト信号
g1 とMM2 の出力信号の論理積をとり、新たなゲ
―ト信号g11作る。即ち、当該ゲ―ト信号g11はモ
ノマルチ回路MM2 が「0」の間、g11=0となり
、他はg11=g1 となる。
【0027】又、論理積回路AND2 により、ゲ―ト
信号g2 とMM1 の出力信号の論理積をとり、新た
なゲ―ト信号g22を作る。即ち、当該ゲ―ト信号g2
2モノマルチ回路MM1 が「0」の間、g22=0と
なり、他はg22=g2 となる。図2は、本発明の動
作を説明するためのタイムチャ―ト図である。
【0028】PWM制御の搬送波Xは0〜+EMAX 
の間で変化する一定周波数の三角波である。又、搬送波
Yは0〜−EMAX の間で変化する一定周波数の三角
波で、搬送波Xと同相になっている。PWM制御入力信
号ei がa点でステップ状に変化した場合を考える。 PWM制御入力信号ei と上記三角波X,Yとを比較
し、ゲ―ト信号g1 g2を作る。即ち、 ei >Xのとき、g1 =1 ei ≦Xのとき、g1 =0 ei ≧Yのとき、g2 =0 ei <Yのとき、g2 =1 とする。モノマルチ回路MM1 はゲ―ト信号g1 の
立下がりによって動作し、Δtの時間「0」を出力する
。同様に、モノマルチ回路MM2 はゲ―ト信号g2 
の立下がりによって動作し、Δtの時間「0」を出力す
る。
【0029】論理積回路AND1 により、ゲ―ト信号
g1 とモノマルチ回路MM2 の出力信号  m2 
との論理積をとり、新たなゲ―ト信号g11を得る。又
、論理積回路AND2 により、ゲ―ト信号g2 とモ
ノマルチ回路MM1 の出力信号m1 との論理積をと
り、新たなゲ―ト信号g22を得る。即ち、 g11=g1 ・m2   ,g22=g2 ・m1と
なる。インバ―タを構成する素子S1 ,S2 ,S3
,S4 は新しいゲ―ト信号g11およびg22によっ
て次のようにオン、オフ制御される。即ち、 g11=1のとき、素子S1 をオン(素子S3 をオ
フ)g11=0のとき、素子S3 をオン(素子S1 
をオフ)g22=0のとき、素子S2 をオン(素子S
4 をオフ)g22=1のとき、素子S4 をオン(素
子S2 をオフ)となる。
【0030】又、インバ―タの出力電圧VU は、素子
S1 ,S2 ,S3 ,S4 のオン、オフにより、
次のように変化する。但し、全体の直流電圧をVd と
し、Vd1=Vd2=Vd /2とする。即ち、 素子S1 とS2 がオンのとき、VU =+Vd /
2素子S2 とS3 がオンのとき、VU =0素子S
3 とS4 がオンのとき、VU =−Vd /2とな
り、3レベルの出力電圧となる。その平均値VU は上
記入力信号ei に比例位した値となる。
【0031】今、a点で入力信号ei が急変した場合
を考える。ゲ―ト信号g1 の幅が素子S1 の最小オ
ン時間ΔtONより短くなるが、新しいゲ―ト信号g1
1は当該最小オン時間ΔtONを確保するように破線で
示す信号となる。
【0032】一方、ゲ―ト信号g2 はaの時点で「1
」に変化するがモノマルチ回路MM1の出力m1 が「
0」になるため、新しいゲ―ト信号g22はモノマルチ
回路MM1の設定時間Δtだけ「0」の状態を保つ。
【0033】図3は、図2のa点付近を拡大したもので
ある。a点でモノマルチ回路MM1が動作し、Δtの時
間だけm1 =0となり、前のゲ―ト信号g2 がa点
で「0」から「1」に変っても、新しいゲ―ト信号g2
2は「0」の状態を保っていることを示す。もう一方の
新しいゲ―ト信号g11は素子最小オン時間ΔtONだ
けパルス幅が広げられるが、Δt>ΔtONに選ぶこと
により、従来問題となっていたモ―ドの発生はなくなる
【0034】即ち、g11=1のとき、素子S1 はオ
ンになるが、図3からも解るようにg11=1のときは
必ずg22=0となり、素子S1 がオンのときS2 
も必ずオンとなり直流全電圧が素子S2 に印加される
ことはなくなる。同様に、g22=1となるとときは必
ずg11=0となり、素子S3 がオンのときS4 も
必ずオンとなって、直流全電圧が素子S3 に印加され
ることはなくなる。
【0035】これを言い代えると、素子S2 がオフの
とき素子S1 もオフとなっており、図1の出力電流I
U が矢印の向きに流れている場合、ダイオ―ドD3 
,D4 が導通し、全電圧Vd が素子S1 とS2 
の直列回路に印加されるが、両者ともオフなので、各素
子にはVd /2の電圧が印加される。同様に、素子S
3 がオフのときは素子S4 もオフとなっており、や
はり各素子にはVd /2以上の電圧は印加されない。
【0036】即ち、従来のPWM制御装置によると、入
力信号ei が急激に変化すると、4つの素子S1 ,
S2 ,S3 ,S4 のうち、内側の素子S2 かS
3 のいずれかに直流全電圧がVd が印加される危険
があったが、本発明によれば、その危険をなくすること
ができるよになる。
【0037】以上はU相分のインバ―タについて説明し
たが、V相、W相も同様に制御され、従来の問題点は解
決される。又、3相3線式の負荷にも同様に適用できる
ことは言うまでもない。
【0038】又、図1の制御回路は説明を分り易くする
ため、ハ―ドウェアの制御ブロック図として表したが、
マイクロコンピュ―タ等を用いて本発明をソフトウェア
による演算で行なうことができることは言うまでもない
【0039】以上は直流電力を交流電力に変換するイン
バ―タについて説明したが、交流電力を直流電力に変換
するコンバ―タについても同様に適用することができる
ことは言うまでもない。
【0040】
【発明の効果】以上説明のように、本発明の中性点クラ
ンプ式電力変換器の制御装置によれば、PWM制御の入
力信号が急変しても、1つの素子に直流全電圧が印加さ
れるようなモ―ドを避けることができ、素子破壊の危険
をなくすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の中性点クランプ式電力変換器の制御装
置の一実施例を示す主回路構成図と制御装置のブロック
図。
【図2】本発明の動作を説明するためのタイムチャ―ト
図。
【図3】本発明の動作を説明するための[図2]のタイ
ムチャ―ト図の一部拡大図。
【図4】本発明が適用される中性点クランプ式電力変換
器の主回路構成図。
【図5】従来の中性点クランプ式電力変換器の制御装置
の動作を説明するためのタイムチャ―ト図。
【図6】従来の中性点クランプ式電力変換器の制御装置
において、PWM制御入力信号を急変させた場合のタイ
ムチャ―ト図。
【図7】従来の中性点クランプ式電力変換器の制御装置
の動作を説明するための[図6]のタイムチャ―ト図の
一部拡大図。
【符号の説明】
Vd1,Vd2…直流電源、S1 ,S2 ,S3 ,
S4 …自己消弧素子、D1 ,D2,D3 ,D4 
…フリ―ホイリングダイオ―ド、D5 ,D6 …クラ
ンプ用ダイオ―ド、LOAD…負荷、CTU …電流検
出器、CU ,C1 ,C2 …比較器、GU (s)
…電流制御補償回路、TRG…三角波発生器、SH1 
,SH2 …シュミット回路、MM1 ,MM2 …モ
ノマルチ回路、AND1 ,AND2 …論理積回路。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  直列接続された4個の自己消弧素子S
    1 ,S2 ,S3 ,S4 と、これらの各素子に逆
    並列接続されるフリ―ホイリングダイオ―ドD1 ,D
    2 ,D3 ,D4 と、クランプ用ダイオ―ドD5 
    ,D6 とで構成される中性点クランプ式電力変換器に
    おいて、パルス幅変調制御用搬送波として、1つは零と
    プラス側で変化する三角波X、もう1つは零とマイナス
    側で変化する三角波Yを発生する手段と、この2つの三
    角波X,YとPWM制御入力信号ei とを比較し、 ei >Xのとき、g1 =1 ei ≦Xのとき、g1 =0 ei ≧Yのとき、g2 =0 ei <Yのとき、g2 =1 となる第1及び第2のゲ―ト信号g1 ,g2 を作る
    手段と、前記第1のゲ―ト信号g1 が「1」から「0
    」に変化するとき一定時間Δtだけ前記第2のゲ―ト信
    号g2 を「0」の状態に固定させた新たなゲ―ト信号
    g22を作る手段と、前記第2のゲ―ト信号g2が「1
    」から「0」に変化するとき一定時間Δtだけ前記第1
    のゲ―ト信号g1 を「0」の状態に固定させた新たな
    ゲ―ト信号g11を作る手段を設け、 前記ゲ―ト信号g11=1のとき、前記素子S1 をオ
    ン(素子S3 をオフ) g11=0のとき、前記素子S3 をオン(素子S1 
    をオフ) g22=0のとき、前記素子S2 をオン(素子S4 
    をオフ) g22=1のとき、前記素子S4 をオン(素子S2 
    をオフ) となるようにパルス幅変調制御するようにしたことを特
    徴とする中性点クランプ式電力変換器の制御装置。
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