(57)【要約】      （修正有）【課題】電圧増大回路を有し、構成素子点数を最小限に抑えたパワーコンバータ回路のための動作制御方法を提供する【解決手段】Ｎ個のそれぞれがその中間接続点を利用して、Ｎ相ジェネレータの位相に接続できるようになっている端部側で二つのキャパシタの直列回路に並列に接続されている半ブリッジを備えており、またその際それぞれの半ブリッジがトップスイッチとボトムスイッチとを有している電圧増大回路を備えるパワーコンバータ回路の動作方法であって、周期を固定したＰＷＭ法において、周期の開始時にすべてのトップスイッチ（１０ａ，１２ａ）を同時に、トップスイッチオンインタバルの間中オンにし、半周期後にすべてのボトムスイッチ（１０ｂ，１２ｂ）を同時に、ボトムスイッチオンインタバルの間中オンにし、トップスイッチオンインタバルおよびボトムスイッチオンインタバルが最大で半周期である方法。【選択図】図３
2010094015.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ個の、それぞれがその中間接続点（９，５１２ａ〜ｃ）を利用して、Ｎ相ジェネレータ（４，５０２）の位相（Ｐ１〜５）に接続できるようになっていて且つ端部側で二つのキャパシタ（１９，５２４ａ，ｂ）の直列回路に並列に接続されている半ブリッジ（８，５１０ａ〜ｃ）を有しており、それぞれの半ブリッジ（８，５１０ａ〜ｃ）が、トップスイッチ（１２ａ，５１６ａ〜ｃ）とボトムスイッチ（１２ｂ，５１８ａ〜ｃ）とを有していて、電圧増大回路（２，５００）を備えたパワーコンバータ回路の動作方法であって、
周期（Ｔ）を固定したＰＷＭ法において、
‐前記周期（Ｔ）の開始時に、すべてのトップスイッチ（１２ａ，１５６ａ〜ｃ）を同時に、トップスイッチオンインタバル（Ｔｅｉｎ，ａ）の間中、オンにする工程、
‐半周期（Ｔ／２）後に、すべてのボトムスイッチ（１２ｂ，１５８ａ〜ｃ）を同時に、ボトムスイッチオンインタバル（Ｔｅｉｎ，ｂ）の間中、オンにする工程から成り、
‐その際、トップスイッチオンインタバル（Ｔｅｉｎ，ａ）およびボトムスイッチオンインタバル（Ｔｅｉｎ，ｂ）が、最大で半周期（Ｔ／２）である、
方法。
【請求項２】
トップスイッチオンインタバル（Ｔｅｉｎ，ａ）およびボトムスイッチオンインタバル（Ｔｅｉｎ，ｂ）を、異なる長さに選定する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ジェネレータ（４，５０２）が動作周波数（ｆＢ）を有しており、周期（Ｔ）として、前記動作周波数（ｆＢ）の逆数の数十倍の値を概ね選択する、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
Ｋ個のパワーコンバータ回路（２，５００）が、それぞれのキャパシタ（１９，５２４ａ，ｂ）のところで並列に接続されており、各パワーコンバータ回路（２，５００）の前記トップスイッチ（１２ａ，５１６ａ〜ｃ）および前記ボトムスイッチ（１２ｂ，５１８ａ〜ｃ）を、前記周期（Ｔ）の１／２Ｋ倍分、時間をずらしてオンにする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記キャパシタ（１９，５２４ａ，ｂ）各々をいずれも、前記ジェネレータ（４，５０２）のピーク電圧（ＵＳ）の二分の一以上の電圧値に充電する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧増大回路を備えたパワーコンバータ回路の動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力供給網に供給される電気エネルギを発生するためには通例、交流ジェネレータが利用される。たとえば風の瞬間状況に依存した風力発電所内のジェネレータなど、特定のジェネレータについては、出力回転数、出力電力、または出力電圧が変動して、予測も制御も不可能であることがある。それにより、供給先電力網の電圧に、ジェネレータから送られてくる電圧では満たなくなることがあるために、ジェネレータと電力網の間には、ステップアップコンバータ（ブーストコンバータ）回路が接続されている。特に中間接続点を持つジェネレータに対しては、いわゆるパワーコンバータ回路が導入されるが、これは、シリーズ接続された二つのコンデンサないしはキャパシタを有する一つの直流電圧中間回路に、中間電位に関してプラスおよびマイナスの電圧を発生させるものであって、またその際には、それぞれのコンデンサの電圧を、互いから独立して調整ないしはフィードバック制御できるようになっている。それにより電力供給網またはジェネレータの非対称性を補償できるようにしている。そのためにそれぞれのコンデンサは、これと組み合わされるステップアップコンバータ回路を一つずつ有している。
【０００３】
本発明が前提技術とする回路配列５００の一例は、たとえば特許文献１から知られているが、これは図４に示されている（破線で示す接続ライン１１ａ、ｂは、これには含まれていない）。ジェネレータ５０２の三つの位相Ｐ１からＰ３は、チョークブロック５０４ないしはそれぞれ一つのチョークコイルＬ１からＬ３を介して、インバータ５０６に接続されている。そこではピーク電圧ＵＳを持つ三つの位相Ｐ１からＰ３のそれぞれが、このインバータ５０６の三つの半ブリッジ５１０ａ〜ｃの中間接続点５１２ａ〜ｃに取り廻されている。それぞれの中間接続点からは、トップスイッチ（Top switch）５１６ａ〜ｃが一つずつ、共通のトップ接続点５１４に取り廻されるほか、ボトムスイッチ（Bot switch）５１８ａ〜ｃが一つずつ、共通のボトム接続点５１５に取り廻されている。そこではこれらのスイッチがいずれも、ダイオード５２２が逆並列接続されたＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）５２０から成っている。
【０００４】
トップ接続点５１４とボトム接続点５１５との間には、一つの中間回路５０８が接続されるが、これには直列に接続された二つのコンデンサ５２４ａ、ｂが含まれており、その中間接続点５２６はジェネレータ５０２の中間接続点Ｍに接続されている。
【０００５】
具体例として特許文献２から、ダイオード整流器と中間回路５０８との間に、トップおよびボトムの接続点５１４、５１５に位置しているパワーコンバータダイオードを介して、これらのコンデンサ５２４ａ、ｂに並列に接続されている、直列に接続されるトップとボトムの二つのＩＧＢＴを、フリーホイールダイオードとともに挿入することが知られている。それにより、インバータのブースト目的で、別のブースト分岐線へのジェネレータの短絡が行われるようにしている。
【０００６】
特許文献３からは、図５に示されるさらにもう一つの回路配列が知られている。位相Ｐ１からＰ３は、ここではチョークブロック５０４を介して、ダイオード整流器５５０に導かれるようになっている。そこで整流された電圧は、続いてＤＣ‐ＤＣコンバータ５５２に送られ、ＤＣ‐ＤＣコンバータ５５２はキャパシタ５２４ａ、ｂを充電する。このＤＣ‐ＤＣコンバータ５２２には、シリーズ接続されているコンデンサ５２４ａ、ｂ一つにつき一つずつ、計二つのアップコンバータ５５４ａ、ｂが含まれている。
【０００７】
これらの公知であるステップアップコンバータは、既に整流された電圧に作用し、ジェネレータの位相との同期化がもはや不要となるために、その動作制御を比較的簡単に実行することができる。しかしいずれにせよ、三つのダイオード半ブリッジの上の三つのスイッチ半ブリッジと、四つのスイッチ半ブリッジとで、半導体モジュールの必要数はかなりに及んでいる。
【０００８】
すなわち実地においては、一つのスイッチとこれに付属するパワーコンバータダイオードの直列回路のために、複数のフリーホイールダイオードを有している、いずれも完全実装の複数のＩＧＢＴ半ブリッジが利用されるようになっているが、そこではパワーコンバータダイオードに並列に接続されたＩＧＢＴが利用されずじまいとなっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】欧州特許発明第１３１３２０６号明細書
【特許文献２】米国再審査特許第６，５６７，２８３号証明書
【特許文献３】米国特許第６，８７９，０５３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、電圧増大回路を有する、構成素子点数を最小限に抑えたパワーコンバータ回路のための動作制御方法を提示することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この課題は、請求項１に記載される、Ｎ個の半ブリッジを自由に使用できるようになっている、電圧増大回路を有するパワーコンバータ回路の動作方法により解決される。これらの半ブリッジはいずれも、それぞれの中間接続点を利用して、Ｎ相ジェネレータの位相に接続できるようになっている。それぞれの半ブリッジは、端部側を二つのキャパシタの直列回路に並列に接続されている。適用例によっては、それに加えてさらに、ジェネレータの中間接続点が、両方のキャパシタの間の中間接続点に接続されるようにするとよい。それぞれの半ブリッジには、トップスイッチとボトムスイッチとが含まれている。
【００１２】
本発明にしたがった方法においては、周期を固定したパルス幅変調（ＰＷＭ）方案が実行されるようになっている。この周期の開始時には、すべてのトップスイッチが同時に、トップスイッチオンインタバルの間中オンにされるようになっている。半周期後にはすべてのボトムスイッチが同時に、ボトムスイッチオンインタバルの間中オンにされる。そこではこのスイッチオンインタバルが、トップ、ボトムともに、周期の二分の一以下となっている。
【００１３】
本発明にしたがったこのＰＷＭ法は、ジェネレータの出力電圧の位相位置に対応したものとはなっていない。このＰＷＭ法のクロック周期が、ジェネレータの出力周波数に結合されるのは、ＰＷＭ周波数が、最大出力周波数を大幅に上回る場合、たとえばその数十倍、たとえば６０倍の範囲にある場合に限られている。
【００１４】
トップスイッチ、ボトムスイッチともに、それぞれその全数が同時にオンオフされるために、これについても、特段の同期化対策やその他の対策を講じる必要は皆無である。このため、図５に示される公知である回路を、本発明にしたがって、破線で示されている、それぞれがすべてのトップスイッチおよびボトムスイッチの入力を接続するようになっている共通の制御ライン１１ａ、ｂを追加することにより、拡充することもできる。
【００１５】
半導体構成素子として必要となるのがＮ個の標準パワー半導体モジュールだけであるために、パワーコンバータ回路のトポロジは、シンプルでしかも低コストのままとなる。対応するそれぞれの半ブリッジには、必要な構成素子だけが実装されるのが通例であることから、これらの素子が完全に利用されることになる。そこでは、図５のチョークブロックの各コイルの機能が、ジェネレータの巻き線が引き受けるようになっている。
【００１６】
スイッチオンインタバルは通例、トップ、ボトムともに同じ長さとなっている。この場合はそれぞれのコンデンサに充電される電圧もまた、トップ、ボトムともに同じ大きさとなり、各コンデンサの中間接続点の電圧は、それぞれの終点電圧の間で対称となっている。
【００１７】
本発明の好ましい実施形態の一例においては、トップスイッチおよびボトムスイッチのスイッチオンインタバルが異なる長さに選定されている。これもまた非常に簡単に成し遂げることができるが、なぜならそこでは、個々の位相のトップスイッチとボトムスイッチ間のいつもの同期化が一切不要であるからである。それにより、両方のコンデンサが、異なる電圧値に充電されることが達成される、すなわち換言すれば、この直流電圧中間回路のそれぞれのコンデンサに印加される中間電圧の位相をずらすことが可能となる。
【００１８】
本方法のさらに別の好ましい実施形態においては、ジェネレータが、定常の動作周波数ｆＢ、または変動するケースにおいては最大動作周波数ｆＢを有している。その場合、周期は、動作周波数の周期のほんのごく一部、たとえばその１０分の１以下の範囲、たとえば約６０分の１、すなわち１／６０ｆＢに選定されるようになっている。換言すればそれぞれのスイッチは、ジェネレータの最大動作周波数の１０倍以上、たとえば６０倍の周波数で動作されることになる。それにより、それぞれのコンデンサにおいて発生される直流電圧の、非常に低い残留リップルを達成することができるが、なぜなら、トップとボトムのスイッチオンインタバルが半周期で重なり合うことにより、その結果として生じる周波数が再度倍増されることになるからである。
【００１９】
これらの公知であるパワーコンバータ回路は、Ｋ個のそのような回路を、それぞれの中間回路の接続点に、すなわちそれぞれのコンデンサ直列回路の終点に、並列に接続することによって、カスケード接続されるようにしてもよい。その場合は、好ましい実施形態の一例において、それぞれのパワーコンバータ回路のそれぞれのトップスイッチおよびボトムスイッチが、周期の１／２Ｋ倍分、時間をずらしてスイッチオンされることになる。
【００２０】
換言すれば、たとえば四つのパワーコンバータ回路の並列回路である場合は、ＰＷＭ法の周期の最初の半分で、周期の八分の一という同じ時間間隔で、四つの回路の四つのトップスイッチがすべて、順番にスイッチオンインタバルの間中オンにされるようになっている。続いてこの周期の残り半分で、四つのブースト回路の四つのボトムスイッチもみな、同様に周期の八分の一ずつ時間をずらして順番にスイッチオンされるようになっている。したがって、発生される直流電圧の残留リップルの周波数は、係数Ｋ分、再度増大することになる。
【００２１】
さらにもう一つの有利な構成形態においては、キャパシタがすべて、ジェネレータのピーク電圧の二分の一以上の電圧値に充電されるようになっている。それにより、ジェネレータに対して電圧を上昇させるための回路の動作を可能にしている。
【００２２】
本発明にしたがった方法により、パワーコンバータ回路の動作制御が非常に簡単なものとなる。三相以上の、たとえば五相のジェネレータシステムである場合は、多相系のおなじみの基本的長所、たとえば出力電圧の微小な残留リップルがもたらされることになる。しかしながら、パワーコンバータ回路のこれまでの動作制御方法は複雑なものであったために、かなりのコストをかけない限り、これまでは多相系を利用することは不可能であった。本発明にしたがった方法により、パワーコンバータは多相系にとり利用し易い実用的なものとなる。多相系の位相数は、パワーコンバータ回路の制御コストの増大を不要として、任意に選択することができる。
【００２３】
本発明をさらに詳しく説明するために、図に示される実施例を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図５に示される公知であるパワーコンダクタ回路の対称な動作制御時の、ＰＷＭ制御信号の経時特性を示す概略図である。
【図２】非対称な動作制御時のＰＷＭ制御信号の経時特性を示す概略図である。
【図３】本発明にしたがった方法により動作される五相パワーコンバータ回路の概略図である。
【図４】従来技術にしたがった三相パワーコンバータ回路の概略図である。
【図５】従来技術にしたがった三相パワーコンバータ回路の代替例の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１には、図４に示されるトップスイッチ５１６ａ〜ｃおよびボトムスイッチ５１８ａ〜ｃの制御入力１０ａ、ｂに供給されるＰＭＷ信号２２ａ、ｂが、時間ｔ（単位ｍｓ）との関係で示されている。そこでは、これらの信号を発生するＰＷＭ発生器１６（図４には示されていない）が、動作周波数ｆＢを大幅に上回る定常のクロック周波数ｆＴで、すなわちｆＴ＝Ｘ・ｆＢないしは周期Ｔで、動作されるようになっている。トップスイッチ５１６ａ〜ｃおよびボトムスイッチ５１８ａ〜ｃの、本発明にしたがった制御ライン１０ａ、１１ｂに基づく並列接続により、これらのスイッチはそれぞれ同時にオンオフ制御されるようになっている。本発明においては、ＰＷＭ信号２２ａおよび２２ｂのスイッチオン時期が、半周期Ｔ／２分、ずらされている。それぞれのトップスイッチおよびボトムスイッチのスイッチオン時間Ｔｅｉｎ，ａおよびＴｅｉｎ，ｂは、同じ大きさに選定されている。周期Ｔが３６０°の角度範囲に相当すると想定すると、トップスイッチのスイッチオン時間Ｔｅｉｎ，ａは０°から４０°までの範囲内にあり、ボトムスイッチのスイッチオン時間Ｔｅｉｎ，ｂは１８０°から２２０°までの範囲内にある。したがって中間回路２０ならびに５０８の両コンデンサを通る電圧Ｕ１およびＵ２は、逆向きで、絶対値に関して同じ大きさとなっている。
【００２６】
図１に示されるスイッチオン時間の位相ずれにより、出力電圧Ｕａのリップル周波数は、中間接続点５２６に印加される中間電位に対して、個々の電圧Ｕ１およびＵ２のリップル周波数よりも大きくなっている。
【００２７】
図２には、パワーコンバータ回路５００の動作制御方法の代替例におけるＰＷＭ信号２２ａ、ｂが示されているが、そこでは―上の３６０°の観察では―トップスイッチのスイッチオンインタバルＴｅｉｎ，ａは０°から６０°までと、ボトムスイッチの１８０°から２２０°までのスイッチオンインタバルＴｅｉｎ，ｂよりも大きくなっている。トップスイッチにはＰＭＷパルスがより長い時間印加されるために、これらはより長い時間導電状態にあり、その結果生じるブースト率が上昇して、そのため電圧Ｕ１の絶対値は電圧Ｕ２よりも大きくなる。したがって中間接続点５２６に印加される中間電圧は、対称ではなく、出力電圧ＵＡの半分となっている。
【００２８】
図３には、図４に示される従来技術にしたがった公知であるパワーコンバータ回路に相当するパワーコンバータ回路２が示されているが、そこではこれが、五つの位相Ｐ１からＰ５を有するジェネレータ４に対して適合化されている。
【００２９】
それぞれのトップスイッチ１２ａの制御入力１０ａおよびそれぞれのボトムスイッチ１２ｂの制御入力１０ｂは、ここでも再びそれぞれ一本の制御ライン１１ａ、ｂを介して、並列に接続されるとともに、それぞれＰＷＭ回路１６の共通の制御出力１４ａ、ｂに取り廻されている。
【００３０】
因みにこのジェネレータ４は、中間回路２０の中間接続点に接続されるような中間接続点を利用できるようにはなっておらず、このためそれぞれのコンデンサ１９は、ジェネレータには接続されていない一つの中間接続点１８だけに接続されている。
【００３１】
この五相ブースト回路２の動作制御は、上記で説明した三相回路の動作制御と同じ方法で行われて、同じ効果をあげるようになっている。このため本発明にしたがった方法により、位相数のスケーリングが容易に実現されるようになる。したがって、三以上の任意の位相数を有する多相系を、簡単に利用できるようになる。
【符号の説明】
【００３２】
２  パワーコンバータ回路／五相ブースト回路
４  ジェネレータ
６  インバータ
８  半ブリッジ
９  中間接続点
１０ａ  制御入力
１０ｂ  制御入力
１１ａ  制御ライン
１１ｂ  制御ライン
１２ａ  トップスイッチ
１２ｂ  ボトムスイッチ
１４ａ  制御出力
１４ｂ  制御出力
１６  ＰＷＭ回路
１８  中間接続点
１９  コンデンサ／キャパシタ
２０  中間回路
２２ａ  ＰＷＭ信号
２２ｂ  ＰＷＭ信号
５００  回路配列
５０２  ジェネレータ
５０４  チョークブロック
５０６  インバータ
５０８  中間回路
５１０ａ  半ブリッジ
５１０ｂ  半ブリッジ
５１０ｃ  半ブリッジ
５１２ａ  中間接続点
５１２ｂ  中間接続点
５１２ｃ  中間接続点
５１４ トップ接続点
５１５  ボトム接続点
５１６ａ  トップスイッチ
５１６ｂ  トップスイッチ
５１６ｃ  トップスイッチ
５１８ａ  ボトムスイッチ
５１８ｂ  ボトムスイッチ
５１９ｃ  ボトムスイッチ
５２０  ＩＧＢＴ
５２２  ダイオード
５２４ａ  コンデンサ／キャパシタ
５２４ｂ  コンデンサ／キャパシタ
５２６  中間接続点
５５０  ダイオード整流器
５５２  ＤＣ‐ＤＣコンバータ
５５４ａ  アップコンバータ
５５４ｂ  アップコンバータ
Ｌ１  チョークコイル
Ｌ２  チョークコイル
Ｌ３  チョークコイル
Ｍ  中間接続点
Ｐ１  位相
Ｐ２  位相
Ｐ３  位相
Ｐ４  位相
Ｐ５  位相
ｔ  時間
Ｔｅｉｎ，ａ  トップスイッチ・スイッチオン時間  
Ｔｅｉｎ，ｂ  ボトムスイッチ・スイッチオン時間
Ｕ１  電圧
Ｕ２  電圧
Ｕａ  出力電圧
ＵＳ  ピーク電圧
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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