(57)【要約】【課題】半導体スイッチ直列回路とコンデンサとの並列回路で構成した単位チョッパセルを複数個直列接続してアームを構成するモジュラーマルチレベルコンバータの各単位チョッパセルのコンデンサ電圧を均等化する従来の制御方式では、有効電力を演算するため、演算量が多く、制御装置が高価格となる。【解決手段】アームを構成する各単位チョッパセルのコンデンサの直流電圧に不平衡が生じた場合、直流電圧が低くなった単位チョッパセルを構成する半導体スイッチ素子の短絡防止のためのオンディレー時間をそれまでのオンディレー時間より長くする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチ素子とダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ回路を直列接続して構成した半導体スイッチ直列回路と、前記半導体スイッチ直列回路と並列接続したコンデンサとからなる単位チョッパセルを複数個直列接続したアームと、前記アームを直列接続した１相分の上下アームと、から構成され、前記上下アームの直列接続点を交流端子とするモジュラーマルチレベルコンバータにおいて、
前記アームを構成する各単位チョッパセルのコンデンサの直流電圧に不平衡が生じた場合、前記直流電圧が低くなった前記単位チョッパセルの前記半導体スイッチ素子の短絡防止のためのオンディレー時間をそれまでのオンディレー時間より長くすることを特徴とするモジュラーマルチレベルコンバータ。
【請求項２】
請求項１に記載のモジュラーマルチレベルコンバータにおいて、
上下アーム各々のコンデンサ直流電圧の和の直流電圧分担に不平衡が生じた場合、直流電圧が低くなったアームを構成する各単位チョッパセルの前記半導体スイッチ素子の短絡防止のためのオンディレー時間をそれまでのオンディレー時間より長くすることを特徴とするモジュラーマルチレベルコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体スイッチ直列回路とコンデンサとの並列回路で構成した単位チョッパセルを複数個直列接続してアームを構成するモジュラーマルチレベルコンバータに関し、特に単位チョッパセルのコンデンサ電圧を均等化する制御方式に関する。
【背景技術】
【０００２】
図５に、特許文献１に示されたモジュラーマルチレベルコンバータの回路図を示す。半導体スイッチ直列回路とコンデンサとの並列回路で構成した単位チョッパセルを８個直列接続してアームを構成し、さらにこのアームをリアクトルを介して直列接続した１相分の上下アームを３個直流電源Ｃｄと並列接続した３相直流−交流変換回路の構成である。通常直流電源は整流回路と大容量のコンデンサで構成される。また交流端子には高圧電動機が接続される。
【０００３】
Ｕ相の上アームは単位チョッパセルＵ１〜Ｕ８の直列接続回路で、下アームは単位チョッパセルＵ９〜Ｕ１６の直列接続回路で構成され、上アームと下アームはリアクトルＬ１を介して直列接続される。Ｖ相の上アームは単位チョッパセルＶ１〜Ｖ８の直列接続回路で、下アームは単位チョッパセルＶ９〜Ｖ１６の直列接続回路で構成され、上アームと下アームはリアクトルＬ２を介して直列接続される。Ｗ相の上アームは単位チョッパセルＷ１〜Ｗ８の直列接続回路で、下アームは単位チョッパセルＷ９〜Ｗ１６の直列接続回路で構成され、上アームと下アームはリアクトルＬ３を介して直列接続される。
【０００４】
図６（ａ）に単位チョッパセルの詳細回路を示す。単位チョッパセルは、ダイオードを逆並列接続したＩＧＢＴである半導体スイッチＳＷ１とＳＷ２との直列回路と並列にコンデンサＣｊを接続した構成である。半導体スイッチＳＷ１とＳＷ２との直列接続点をＡｉ端子、半導体スイッチＳＷ２のエミッタをＮ端子とする。Ａｉ端子に電流が流れ込む場合、半導体スイッチＳＷ２がオンしている時は端子Ａｉと端子Ｎとの間は短絡状態となり、端子間電圧Ｖｕｊはほぼ零となる。また半導体スイッチＳＷ２がオフの時は端子ＡｉとＮ間の電圧ＶｕｊはコンデンサＣｊの電圧Ｖｃｕｊと等しくなり、この時コンデンサＣｊは充電される。リアクトルは図６（ｂ）に示すように、中間タップ付で、中間タップｃと端子ａとの間のインダクタンスｌａｃと中間タップｃと端子ｂとの間のインダクタンスｌｂｃとは等しくする。
【０００５】
この様な構成において、各アームを構成するコンデンサの電圧及び各アームのコンデンサ電圧の総和は等しくする必要がある。特許文献１に示されたコンデンサ電圧を等しくするための制御ブロック図を図７に示す。各相とも同じであるので、U相について説明する。
コンデンサ電圧指令値Ｖｃ*と実際値Ｖｃｕｊ（ｊ＝１〜１６）の差を求め、ゲイン（Ｋ４）倍して、この値と相電流ｉｕとを掛算器ＭＬで掛算して有効電力を求め、バランス制御のための電圧指令値ＶＢＩｕｊ*を求める方式である。ここで、ＳＥＬは符号選択回路で、＋１を選択すると下アームの単位チョッパセル用の電圧指令値ＶＢＩｕｊ*が、−１を選択すると上アームの単位チョッパセル用の電圧指令値ＶＢＩｕｊ*が出力される。
この制御方式は、コンデンサ電圧指令値Ｖｃ*に、各直流コンデンサの電圧値Ｖｃｕｊ（ｊ＝１〜１６）をそれぞれ追従させる制御である。
【０００６】
例えば、上アーム内の各チョッパセルＵ１〜Ｕ８において、直流コンデンサＣＵ１の電圧Ｖcu1が直流コンデンサ電圧指令値Ｖｃ*よりも小さい場合、直流コンデンサＣＵ１の電圧値Ｖcu1を増加させるために上アーム内のチョッパセルＣＵ１に正の有効電流を流入させる。このために、個別バランス制御の電圧指令値ＶＢＩｕｊ*（ただし、ｊ＝１〜８）を用いる。同様に、下アームの各チョッパセルについては、個別バランス制御の電圧指令値ＶＢＩｕｊ*（ただし、ｊ＝９〜１６）を用いる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−１８２５１７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述のように、従来の技術では、直流電圧検出と直流電圧指令値との偏差にアーム電流を乗ずる必要があるため、セル数が増えた場合には、直流電圧分担制御のための演算量が増え、それに対応可能な高機能な制御装置が必要となる。その結果、制御装置が高価格化する。また、各アームの電流検出も必要となる。
従って、本発明の課題は、電圧指令値と電圧検出値との偏差にアーム電流を乗算するなどの処理が不要で、演算量を削減できるチョッパセルのコンデンサ電圧バランス制御方式を提供し、制御装置の低価格化を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述の課題を解決するために、第1の発明においては、半導体スイッチ素子とダイオードを逆並列接続した半導体スイッチ回路を直列接続して構成した半導体スイッチ直列回路と、前記半導体スイッチ直列回路と並列接続したコンデンサとからなる単位チョッパセルを複数個直列接続したアームと、前記アームを直列接続した１相分の上下アームと、から構成され、前記上下アームの直列接続点を交流端子とするモジュラーマルチレベルコンバータにおいて、前記アームを構成する各単位チョッパセルのコンデンサの直流電圧に不平衡が生じた場合、前記直流電圧が低くなった前記単位チョッパセルの前記半導体スイッチ素子の短絡防止のためのオンディレー時間をそれまでのオンディレー時間より長くする。
【００１０】
第２の発明では、第１の発明において、上アームの各々のコンデンサ直流電圧の和と下アームの各々のコンデンサ直流電圧の和との電圧分担に不平衡が生じた場合、直流電圧が低くなったアームを構成する各単位チョッパセルの前記半導体スイッチ素子の短絡防止のためのオンディレー時間をそれまでのオンディレー時間より長くする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、各単位チョッパセルのコンデンサの電圧バランス方式として、各単位チョッパセルのコンデンサの直流電圧を検出し、直流電圧が他の各単位チョッパセルの電圧より低いチョッパセルの半導体スイッチ素子の短絡防止のためのオンディレー時間を長くするようにした。また、上下アーム間で直流電圧の和にアンバランスが生じた場合に電圧の低い側のアームを構成する各単位チョッパセルの前記半導体スイッチ素子の短絡防止のためのオンディレー時間をそれまでのオンディレー時間より長くするようにした。
【００１２】
この結果、従来のように電圧指令値と電圧検出値との偏差にアーム電流を乗算するなどの処理が不要で、演算量が削減でき、制御装置の低価格化を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例を示す回路図である。
【図２】図1の制御部の詳細回路ブロック図例である。
【図３】本発明の動作を説明する動作説明図である。
【図４】本発明の動作原理を説明するための原理説明図である。
【図５】モジュラーマルチレベルコンバータの回路図例である。
【図６】図５の単位チョッパセルの詳細回路図とリアクトルの詳細図である。
【図７】図５のチョッパセルの電圧をバランスさせるための制御ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の要点は、半導体スイッチ素子を直列接続した半導体スイッチ直列回路と、前記半導体スイッチ直列回路と並列接続したコンデンサとからなる単位チョッパセルを複数個直列接続したアームと、前記アームを直列接続した１相分の上下アームと、から構成され、前記上下アームの直列接続点を交流端子とするモジュラーマルチレベルコンバータにおいて、前記アームを構成する各単位チョッパセルのコンデンサの直流電圧に不平衡が生じた場合、前記直流電圧が低くなった前記単位チョッパセルの前記半導体スイッチ素子の短絡防止のためのオンディレー時間をそれまでのオンディレー時間より長くする点である。
【実施例１】
【００１５】
図１に、本発明の第1の実施例を示す。半導体スイッチ素子Ｕ１とＸ１とを直列接続した半導体スイッチ直列回路とコンデンサＣ１との並列接続回路で構成された第１の単位チョッパセルＣＣ１と、半導体スイッチ素子Ｕ２とＸ２とを直列接続した半導体スイッチ直列回路とコンデンサＣ２との並列接続回路で構成された第２の単位チョッパセルＣＣ２とを直列接続した回路での実施例である。
【００１６】
第１の単位チョッパセルＣＣ１のコンデンサＣ１の電圧ＶＣ１を検出する電圧検出器ＶＤ１の出力と、第２の単位チョッパセルＣＣ２のコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２を検出する電圧検出器ＶＤ２の出力とは、オンディレー時間演算回路ＤＴＣに入力される。オンディレー時間演算回路ＤＴＣでは、第１の単位チョッパセルＣＣ１のコンデンサＣ１の電圧ＶＣ１と第２の単位チョッパセルＣＣ２のコンデンサＣ２の電圧ＶＣ２との偏差に応じたオンディレー時間Ｔ＋ΔＴを演算し、オンディレー時間設定回路ＯＤＣに送出する。
【００１７】
図２にオンディレー時間演算回路ＤＴＣの詳細制御ブロック図を示す。単位チョッパセルが２直列の場合の構成例である。図２（ａ）がコンデンサ電圧の平均値演算回路、図２（ｂ）が第１のチョッパセルＣＣ１のオンディレイー時間演算回路、図２（ｃ）が第２のチョッパセルＣＣ２のオンディレイー時間演算回路である。
まず、図２（ａ）に示すコンデンサ電圧の平均値演算回路で、単位チョッパセルＣＣ１のコンデンサ電圧ＶＣ１と、単位チョッパセルＣＣ２のコンデンサ電圧ＶＣ２を加算器ＡＤ１で加算し、その加算値から平均値演算器ＡＶＥによりコンデンサ電圧平均値ＶＣａｖｅを演算する。
【００１８】
次に、図２（ｂ）に示す単位チョッパセルＣＣ１のオンディレー時間演算回路ＤＴＣ１での動作を説明する。コンデンサ電圧の平均値ＶＣａｖｅから単位チョッパセルＣＣ１のコンデンサ電圧ＶＣ１を加算器ＡＤ２で減算し、その偏差を調節器ＲＥＧ１に入力する。調節器ＲＥＧ１では、偏差が正（すなわち、ＶＣ１＜ＶＣａｖｅ）であれば、その出力ΔT（オンディレー時間増加設定）は正となり、オンディレー時間初期設定値Ｔに加算され、オンディレー時間設定値はＴ＋ΔＴとなる。オンディレー時間Ｔ＋ΔＴは、オンディレー時間設定回路ＯＤＣ１により、半導体スイッチ素子Ｕ１、Ｘ１のゲート信号にオンディレー時間Ｔ＋ΔＴが付加される。なお、調節器ＲＥＧ１は、PI調節器等で構成される。
前記の調節器ＲＥＧ１の入力偏差が負の場合（すなわち、ＶＣ１＞ＶＣａｖｅ）の場合、調節器ＲＥＧ１の出力は、制限器（リミッタ）ＬＩＭ１で制限され零(ΔT＝0)となり、オンディレー時間は延長されない。
このように、単位チョッパセルＣＣ１のコンデンサ電圧ＶＣ１が、直列接続された単位チョッパセルのコンデンサ電圧の平均値よりも低くなった場合にのみ、オンディレー時間を延長する。
【００１９】
次に、図２（ｂ）に示す単位チョッパセルＣＣ２のオンディレー時間演算回路ＤＴＣ２での動作を説明する。コンデンサ電圧の平均値ＶＣａｖｅから単位チョッパセルＣＣ２のコンデンサ電圧ＶＣ２を加算器ＡＤ４で減算し、その偏差を調節器ＲＥＧ２に入力する。調節器ＲＥＧ２では、偏差が正（すなわち、ＶＣ２＜ＶＣａｖｅ）であれば、その出力ΔT（オンディレー時間増加設定）は正となり、オンディレー時間初期設定値Ｔに加算され、オンディレー時間設定値はＴ＋ΔＴとなる。オンディレー時間Ｔ＋ΔＴは、オンディレー時間設定回路ＯＤＣ２により、半導体スイッチ素子Ｕ２、Ｘ２のゲート信号にオンディレー時間Ｔ＋ΔＴが付加される。なお、調節器ＲＥＧ２は、PI調節器等で構成される。
前記の調節器ＲＥＧ２の入力偏差が負の場合（すなわち、ＶＣ２＞ＶＣａｖｅ）の場合、調節器ＲＥＧ２の出力は、制限器（リミッタ）ＬＩＭ２で制限され零(ΔT＝0)となり、オンディレー時間は延長されない。このように、単位チョッパセルＣＣ２のコンデンサ電圧ＶＣ２が、直列接続された単位チョッパセルのコンデンサ電圧の平均値よりも低くなった場合にのみ、オンディレー時間を延長する。
【００２０】
以上の動作例のように、オンディレー時間を調整するオンディレー時間演算回路ＤＴＣでは、偏差量に応じて電圧の低い方の単位チョッパセルの短絡防止用のオンディレー時間を長くした信号をオンディレー時間設定回路を介してゲート信号生成回路ＧＰＣに送出する。ゲート信号生成回路ＧＰＣでは、各単位チョッパセルを構成する半導体スイッチ用のオンオフ信号を生成し、各単位チョッパセルに送出する。コンデンサ電圧の低い方の単位チョッパセルの半導体スイッチ素子用のオンオフ信号のオンディレー時間を長くするとコンデンサを充電する時間が長くなるとともにコンデンサからの放電時間が短くなり、コンデンサ電圧を上昇させることができる。
【００２１】
各単位チョッパセルＣＣ１とＣＣ２は、直列に接続されているため出力電流(アーム電流)Iは同じであるが、装置損失の違い等により、各単位チョッパセルのコンデンサ直流電圧ＶＣ１とＶＣ２に不平衡を生ずる。図３にオンオフ信号とオンディレー時間との関係を、図４に単位チョッパセルの半導体スイッチ素子のオンオフと直流コンデンサＣ１の充放電の関係を示す。単位チョッパセルＣＣ１とＣＣ２の回路構成と動作は同じであるので、単位チョッパセルＣＣ１の回路を用いて説明する。
【００２２】
先ず、出力電流Iが、出力端子Ｎから流入し、出力端子ＡＣから流出している場合について説明する。半導体スイッチ素子Ｕ１がオンしているモード1では、出力端子Ｎ→直流コンデンサＣ１→半導体スイッチ素子Ｕ１→出力端子ＡＣ１の経路で電流Iが流れる。このモードでは、直流コンデンサＣ１は放電される。半導体スイッチ素子Ｕ１とＸ１の両方がオフしているモード２では、出力端子Ｎ→半導体スイッチ素子Ｘ１のフリーホイールダイオード(以下ＦＷＤ)→出力端子ＡＣ１の経路で電流Iが流れる。このモードでは、直流コンデンサC1の充放電はない。半導体スイッチ素子Ｘ１がオンしているモード３では、出力端子Ｎ→半導体スイッチ素子Ｘ１のＦＷＤ→出力端子ＡＣ１の経路で電流Iが流れる。このモードでは、直流コンデンサＣ１の充放電はない。
【００２３】
次に、出力電流Iが、出力端子ＡＣ１から流入し、出力端子Ｎから流出している場合について説明する。半導体スイッチ素子Ｕ１がオンしているモード４では、出力端子ＡＣ１→半導体スイッチ素子Ｕ１のＦＷＤ→直流コンデンサＣ１→出力端子Ｎの経路で電流Iが流れる。このモードでは、直流コンデンサＣ１は充電される。半導体スイッチ素子Ｕ１とＸ１の両方がオフしているモード５では、出力端子ＡＣ１→半導体スイッチ素子Ｕ１のＦＷＤ→直流コンデンサＣ１→出力端子Ｎの経路で電流Iが流れる。このモードでは、直流コンデンサＣ１は充電される。半導体スイッチ素子Ｘ１がオンしているモード６では、出力端子ＡＣ１→半導体スイッチ素子Ｘ１→出力端子Ｎの経路で電流Iが流れる。このモードでは、直流コンデンサＣ１の充放電はない。
【００２４】
次に、直列接続された半導体スイッチ素子の短絡を防止するためのオンディレー時間とコンデンサの充電の関係を説明する。通常単位チョッパセルでは、半導体スイッチ素子直列回路と並列にコンデンサが接続されているため、半導体スイッチ素子の短絡防止のために、図３に示すようなオンディレー時間を設けている。図３（ａ）が通常の動作で半導体スイッチ素子のスイッチング時間から決められる最低限のオンディレー時間時間Ｔを備えた場合の動作図である。ここで、単位チョッパセルＣＣ１の直流電圧ＶＣ１が、単位チョッパセルＣＣ２の直流電圧ＶＣ２より低くなった場合に、図３(b)に示すように、単位チョッパセルＣＣ１のオンディレー時間をＴ＋ΔＴに増加させる。オンディレー時間が増加した分、単位チョッパセルＣＣ１の半導体スイッチ素子Ｕ１とＸ１のオン期間は減少する。
【００２５】
オンディレー期間が増加し、オン期間が減少したことにより、以下の動作となる。
第１の動作は、モード1の期間が減少し、モード２の期間が増加する動作である。この時モード1の期間の減少は、直流コンデンサＣ１の放電期間が減少することになり、コンデンサＣ１の直流電圧ＶＣ１を上昇させることが出来る。第２の動作は、モード３の期間が減少し、モード２の期間が増加する動作である。この時は、両モードとも、直流コンデンサＣ１の充放電を行なわないモードであるため、直流電圧の上昇はない。第３の動作は、モード４の期間が減少し、モード５の期間が増加する動作である。この時は、両モードとも、直流コンデンサＣ１を充電するモードであるため、直流電圧の上昇はない。第４の動作は、モード６の期間が減少し、モード５の期間が増加する動作である。モード５の期間の増加は、直流コンデンサＣ１の充電期間が増加することになり、直流電圧ＶＣ１を上昇させることができる。
【００２６】
上述のように、オンディレー時間を増加させることにより、直流コンデンサＣ１の充電期間を増加させ、かつ、放電期間を減少させることが出来る。その結果、直流電圧ＶＣ１を上昇させることができる。なお、この動作はセルの出力電流Iの極性に無関係に動作するので、電流極性により増加させるオンディレー時間の値を切替える必要はない。また、出力電流(アーム電流)Iの検出を行う必要もない。
【実施例２】
【００２７】
本発明の第２の実施例を説明する。モジュラーマルチレベルコンバータを構成する上下アームの上側アーム（Ｕアーム)の直列接続された全単位チョッパセルのコンデンサの直流電圧の加算値と、下側アーム（Ｘアーム)の直列接続された全単位チョッパセルのコンデンサ直流電圧の加算値とを比較し、直流電圧が低いアームのオンディレー時間を増加させることにより、そのアームを構成する全てのセルの直流電圧を上昇させる方式である。その結果、直流電圧が低いアームの直流電圧を上昇させることができる。詳細な動作は、実施例１と同様であるため、省略する。
【００２８】
尚、上記実施例には単位チョッパセルを２個直列接続した場合の例を示したが、直列接続数が３個以上の場合には、コンデンサ電圧の平均値と実際値との偏差からオンディレー時間をＴ＋ΔＴを求め、ゲート信号を生成する制御回路は直列接続数と同じ数の回路が必要となる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、単位チョッパセルを直列接続してアームを構成するモジュラーマルチレベルコンバータにおいて、アーム電流検出を必要とせず、コンデンサの直流電圧検出だけの簡単な方法で、アームを構成する直列接続された単位チョッパセル間の直流電圧不平衡と、上下アーム間の直流電圧分担不平衡を解消する制御方式であり、高電圧の電動機駆動装置、系統連系用電力変換装置などに適用可能である。
【符号の説明】
【００３０】
ＣＣ１、ＣＣ２、Ｕ１〜Ｕ１６、Ｖ１〜Ｖ１６、Ｗ１〜Ｗ１６・・・単位チョッパセル
Ｃ１、Ｃ２、CU1〜CU16、CV1〜CV16、CW1〜CW16、Ｃｊ・・・コンデンサ
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３・・・リアクトル          Ｃｄ：コンデンサ
ＳＷ１、ＳＷ２、Ｕ１、Ｕ２、Ｘ１、Ｘ２・・・半導体スイッチ素子
ＤＴＣ、ＤＴＣ１、ＤＴＣ２・・・オンディレー時間演算回路
ＯＤＣ、ＯＤＣ１、ＯＤＣ２・・・オンディレー時間設定回路
ＧＰＣ、ＧＰＣ１、ＧＰＣ２・・・ゲート信号生成回路
ＡＤ、ＡＤ１〜ＡＤ５・・・加算器
Ｋ４・・・ゲイン          ＭＬ・・・乗算器          ＳＥＬ・・・符号選択回路
ＡＶＥ・・・平均値演算器          ＲＥＧ１、ＲＥＧ２・・・調節器
ＬＩＭ１、ＬＩＭ２・・・制限器（リミッタ）
【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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【図６】
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【図７】
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