(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性点を有し、直列に連結された一対のコンデンサーと、複数のスイッチ部を有する３レベルインバータの電圧変調方法において、
前記インバータの設定制御周期内で有効なオフセット電圧を求める段階と；
前記インバータに印加された前記各オフセット電圧による前記スイッチ部のスイッチング損失を算出する段階と；
前記オフセット電圧が印加された時、前記制御周期内で前記中性点に流れる電流を算出する段階と；
前記算出されたスイッチング損失と前記中性点に流れる電流を正規化する段階と；
前記正規化されたスイッチング損失と中性点に流れる電流との中で少なくともいずれか一つに所定の加重値を加えて、前記正規化されたスイッチング損失と前記中性点に流れる電流との和が最大となる前記オフセット電圧を選択する段階と；
を含むことを特徴とする電圧変調方法。
【請求項２】
前記スイッチング損失を計算する段階は、
前記スイッチング損失の中で最大スイッチング損失と最小スイッチング損失との差である第１差を求める段階と；
前記最大スイッチング損失と各スイッチング損失との差である第２差を求める段階と；
前記各第２差を前記第１差で割る段階と；
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の電圧変調方法。
【請求項３】
前記中性点に流れる電流を計算する段階は、
前記電流の中で最大電流大きさと最小電流大きさとの差である第３差を求める段階と；
前記最大電流大きさと、各電流大きさとの差である第４差を求める段階と；
前記第４差を前記第３差で割る段階と；
を含むことを特徴とする請求項１に記載の電圧変調方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３レベルインバータの電圧変調方法に係り、より詳細には、インバータの損失を減らすことができる３レベルインバータの電圧変調方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、３レベルインバータは中性点を有し直列に連結された一対のコンデンサーと、各コイルに連結されて各コイルをオン・オフすることによりスイッチング作用をする複数のスイッチ部と、を有しており、比較的に高容量に使用される。３レベルインバータで'レベル'というのは電圧状態を示すことで、３レベルは三つの電圧状態である。
【０００３】
３レベルインバータには、同じ出力電圧を有する多数の電圧ベクトル対が存在する。この電圧ベクトル対は同じ出力電圧を示すが、直流端電圧の変化においては反対の影響を及ぼす。電圧ベクトル対の中で一つのベクトルが一つのコンデンサーの電圧を上昇させれば、他の一つのベクトルは他の一つのコンデンサの電圧は下降される。そのため、直流端の均衡状況に従って、電圧ベクトル対を適切に利用することにより、直流端の均衡を維持しながら同じ出力電圧を得ることができる。
【０００４】
例えば、図２を参照すると、指令ベクトルがセクタ１に位置する場合に適用することができる出力ベクトルの順序は(0、0、0)⇒(1、0、0)⇒(1、1、0)⇒(1、1、1)と(0、0、0)⇒(0、0、-1)⇒(0、-1、-1)⇒(-1、-1、-1)の二つがある。直流端の電圧の均衡状況に従って、前記二つの出力ベクトルの順序の中でいずれか一つを選択する。指令ベクトルがセクタ３に位置する場合に(1、0、0)ベクトルと(0、-1、-1)ベクトルは、同じ出力電圧を示すが、直流端の電圧には反対に作用する。この特徴を利用して、直流端の電圧の状況に従って、二つのベクトルに電圧が供給される時間の比を適切に調節することにより、直流端の電圧の均衡を維持することができる。
【０００５】
ところが、このような従来の電圧変調法においては、指令ベクトルを合成する時に空間ベクトル電圧変調法を利用すると、計算が複雑になるのでCPUに負担になる。また、前述した方法では、全３相でスイッチングが行われる連続電圧変調法を利用しているので、不連続電圧変調法よりもスイッチング損失が大きい。一般に、三角波比較法とか空間ベクトル電圧変調法を利用して電圧を合成する場合には、一つの制御周期内の全３相でスイッチングが行われるので不連続電圧変調法を適用する場合よりもスイッチング損失が大きい。
【０００６】
３レベルインバータの直流端には二つのコンデンサーが直列に連結されているが、夫々のコンデンサーが一定の電圧源に連結されていないので、二つのコンデンサーの電圧は直流端の中性点に流れる電流により変わり易い。この場合、出力電圧に歪曲が生じ、電力素子の安定的な動作を保障し難い。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、直流端電圧の均衡を維持しながらスイチング損失を低減させることが出来、インバータの小型化及び軽量化を実現することができる電圧変調方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するため、中性点を有し、直列に連結された一対のコンデンサーと、複数のスイッチ部を有する３レベルインバータの電圧変調方法において、前記インバータの設定制御周期内で有効なオフセット電圧を求める段階と；前記インバータに印加された前記各オフセット電圧による前記スイッチ部のスイッチング損失を算出する段階と；前記オフセット電圧が印加された時、前記制御周期内で前記中性点に流れる電流を算出する段階と；前記算出されたスイッチング損失と前記中性点に流れる電流を正規化する段階と；前記正規化されたスイッチング損失と中性点に流れる電流との中で少なくともいずれか一つに所定の加重値を加えて、前記正規化されたスイッチング損失と前記中性点に流れる電流との合が最大である前記オフセット電圧を選択する段階と；を含むことを特徴とする電圧変調方法により達成される。
【０００９】
ここで、前記スイッチング損失を計算する段階は、前記スイッチング損失の中で最大スイッチング損失と最小スイッチング損失との差である第１差を求める段階と；前記最大スイッチング損失と各スイッチング損失との差である第２差を求める段階と；前記各第２差を前記第１差で割る段階と；をさらに含むことが好ましい。
【００１０】
前記中性点に流れる電流を計算する段階は、前記電流の中で最大電流大きさと最小電流大きさとの差である第３差を求める段階と；前記最大電流大きさと、各電流大きさとの差である第４差を求める段階と；前記第４差を前記第３差で割る段階と；を含むことが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して本発明の実施形態を詳しく説明する。
図１は３レベルインバータの回路の概略構成図である。この図面に示すように、本発明による３レベルインバータは、中性点３を有し直列に連結された一対のコンデンサー１、２と、各相（例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に連結されたコイルをオン・オフすることによりスイッチングを行うスイッチ部と、を有する。スイッチ部は、各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に設けられる四つのトランジスター５と、各トランジスター５の両端に連結されるダイオード７と、を有する。３レベルインバータには各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に二つのクランピングダイオード９が設けられており、各クランピングダイオード９は中性点３に連結されている。３レベルインバータで'３レベル'というのは各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に三つの電圧状態（例えば、 Vdc/2、0、-Vdc/2）を示すことであり、これによって、３レベルインバータを用いる時に、総計２７個のスイッチング状態が存在する。
【００１２】
図２は３レベルインバータの出力ベクトル図である。３レベルインバータは２７個のスイッチング状態を有する出力ベクトル部が存在する。出力ベクトル部は、電圧の変動がない、即ち、有効電圧を発生させないゼロベクトル部１１及び同じ出力電圧を発生させる電圧ベクトル対を有するスモールベクトル部１３とミドルベクトル部１５とラージベクトル部１７とを有する。ゼロベクトル部１１は示すように、(1、1、1)、(0、0、0)、(-1、-1、-1)等のように、有効電圧を発生させないベクトルを含む。
【００１３】
スモールベクトル部１３は、充電及び放電されるコンデンサー１、２により、上部小さいベクトル部と下部小さいベクトル部とから構成される。上部小さいベクトル部は、一対のコンデンサーの中で中性点３の上部に位置したコンデンサー１の電圧を出力することで(1、0、0)、 (1、1、0)、 (0、1、0)、 (0、1、1)、 (0、0、1)、(1、0、1)のベクトルを有する。下部小さいベクトル部は、中性点３の下部に位置したコンデンサー２の電圧を出力することであり、(0、0、-1)、（-1、0、-1）、(-1、0、0)、(-1、-1、0)、(0、-1、0)、(0、-1、-1)のベクトルを有する。ミドルベクトル部１５は(1、0、-1)、 (0、1、-1)、 (-1、1、0)、 (-1、0、1)、 (0、-1、1)、(1、-1、0)のベクトルを有し、ラージベクトル部１７は(1,1,-1)、(-1,1,-1)、(-1,1,1)、(-1,-1,1)、(1,-1,1)、(1,-1,-1)のベクトルを有する。
【００１４】
図３は本発明による３レベルインバータで有効なオフセット電圧の状態を示した表示図であり、図４は本発明による制御フローチャートである。これら図面に示すように、３レベルインバータでは設定された制御周期内で二つから五つまでの有効オフセット電圧を求めることができる（ステップ１）。本発明による実施形態を示した図３には五つの有効オフセット電圧(Vsn1、 Vsn2、 Vsn3、 Vsn4、Vsn5)が示されている。
【００１５】
各有効オフセット電圧で相電圧を調節することにより得た極電圧が,+Vdc、0、-Vdcの中でいずれか一つの電位に固定される相ではスイッチングが行わず、残りの二つの相だけでスイッチング損失が発生する。３レベルインバータでは、極電圧と相電流の極性関係によって夫々異なるスイッチング損失特性が存在する。即ち、極電圧と相電流の極性が同じ場合には、一つの制御周期内でスイッチング素子一つとダイオード一つでスイッチングが発生するが、極性が異なる場合には、スイッチング素子一つとダイオード三つでスイッチングが発生する。
【００１６】
このようなスイッチング損失特性を考慮して、夫々のオフセット電圧が印加される場合、発生するスイッチ部のスイッチング損失を算出する（ステップ２）。また、３レベルインバータでは中性点３に流れる電流によって直流端の電圧が変わるので各オフセット電圧が印加されると設定された制御周期内で中性点３に流れる電流を算出する（ステップ３）。スイッチ部で算出されたスイッチング損失及び中性点３に流れる電流に基づいて、各有効オフセット電圧により算出されたスイッチング損失及び中性点３に流れる電流を正規化する（ステップ４）。
【００１７】
ここで、スイッチング損失を正規化することは、スイッチング損失の中で、最大スイッチング損失と最小スイッチング損失との差である第１差を求め、最大スイッチング損失と各スイッチング損失との差である第２差を求めてから、夫々の第２差を第１差で割ることにより求めることができる。（式（１）参照）
【数１】
0003645179.tif 000002
【００１８】
式（１）は、各有効オフセット電圧に対して正規化された値が大きければ大きいほどスイッチング損失が小さいというのを意味する。
中性点に流れる電流の正規化は、中性点に流れる電流の指令値と直流端の不均衡を解消するための、最大電流大きさと最小電流大きさとの差である第３差を求め、最大電流大きさと各電流大きさとの差である第４差を求めた後、第４差を第３差で割ることによって求めることができる。（式（２）参照）
【数２】
0003645179.tif 000003
【００１９】
式（２）     で、▽Ｉnp1〜5は、ステップ３で求めた中性点電流と直流端の不均衡の解消のための中性点電流の指令値と、の差を意味する。 各有効オフセット電圧に対して正規化された値が大きければ大きいほど不均衡が減少されることを意味する。
ステップ４で算出された正規化値に所定の加重値を加えて最終結果が最大であるオフセット電圧を選択する（ステップ５）。各有効オフセット電圧に対してスイッチングエネルギー損失を正規化した値が大きければ大きいほどスイッチング損失が小さいということを意味し、中性点３に流れる電流を正規化した値が大きければ大きいほど直流端の両端のコンデンサー１、２の不均衡が減少することを意味する。二つの正規化された値の中でいずれかの値に加重値を加えるかに従って、インバータのスイッチング損失及び直流端の均衡の関係を調節することができる。従って、適切な加重値を設定した後、前述の如く適切なオフセット電圧を選択することによって直流端の電圧の均衡を維持しながらインバータのスイッチング損失を減らすことができる。
【００２０】
本発明による３レベルインバータの電圧変調方法は、インバータの損失を減らすために、ソフトウェア的な方法を利用するので、容量に関わらず適用することができ、別途のハードウェアが要らないので、既存の製品にも簡単に具現することができるので、CPUに負担を与えない。又、スイッチング損失を減らすことにより、放熱設計、インバータの小型化及び軽量化を容易に実現することができる。このような３レベルインバータの構造を有する集積化された電力半導体が開発されると、本発明の方法が広く適用されることができ、電動機の制御に適用される可能性が高い。
【００２１】
以上の如く、有効オフセット電圧を求め、各有効オフセット電圧に対するスイッチングエネルギーの損失と各有効オフセット電圧に対する制御周期内で中性点に流れる電流を計算する。これらスイッチングエネルギー損失と中性点電流を正規化した後、正規したスイッチングエネルギー損失と中性点電流の中でいずれかにさらに比重を置くかに従って、加重値を設定して適切なオフセット電圧を選択することにより、スイッチングエネルギーの損失を減らし、直流端の電圧の不均衡を最小化することができる。
【００２２】
【発明の効果】
前述したように、本発明によると、インバータのスイッチング損失を減らし、直流端の電圧の均衡を維持することができる電圧変調方法が提供される。又、本発明の電圧変調方法によると、３レベルインバータの構造を中/小容量にも広範に設置することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明による回路の概略構成図である。
【図２】  本発明による３レベルインバータの出力ベクトル図である。
【図３】  本発明による３レベルインバータで有効なオフセット電圧の状態を示した表示図である。
【図４】  本発明による制御フローチャートである。
【符号の説明】
１，２…コンデンサー
３…中性点
５…トランジスター
７…ダイオード
９…クランピングダイオード
１１…ゼロベクトル部
１３…スモールベクトル部
１５…ミドルベクトル部
１７…ラージベクトル部
【図１】
0003645179.tif 000004
【図２】
0003645179.tif 000005
【図３】
0003645179.tif 000006
【図４】
0003645179.tif 000007