(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の正極側にアノード側が接続されたダイオードと、前記ダイオードに逆並列接続されたスイッチング素子と、前記ダイオードのカソード側に接続された第１のリアクトルと、前記直流電源の負極側に接続された第２のリアクトルと、前記第１のリアクトルの入力側及び前記第２のリアクトルの出力側の間に接続された第１のコンデンサと、前記第１のリアクトルの出力側及び前記第２のリアクトルの入力側の間に接続された第２のコンデンサと、を有するＺソース昇圧回路と、
複数のスイッチング素子を有し、前記Ｚソース昇圧回路の出力に接続されたインバータ回路と、
前記第１のコンデンサ又は前記第２のコンデンサに印加されるコンデンサ印加電圧に基づき、前記インバータ回路の前記複数のスイッチング素子、及び前記Ｚソース昇圧回路の前記スイッチング素子を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
キャリア信号、前記インバータ回路に接続された負荷に印加する電圧の指令値、及び前記インバータ回路の直流リンク電圧に基づき、基本ゲート信号を生成する基本ゲート信号生成部と、
力行時コンデンサ電圧指令及び前記コンデンサ印加電圧の偏差に基づき短絡指令を演算する短絡指令演算部と、
前記短絡指令を制限して制限短絡指令を生成する短絡指令制限部と、
１から前記制限短絡指令を減算して最終短絡指令を生成する減算部と、
前記キャリア信号及び前記最終短絡指令に基づき短絡用ゲート信号を生成する短絡用ゲート信号生成部と、
前記基本ゲート信号及び前記短絡用ゲート信号を論理和したゲート信号を前記インバータ回路の前記複数のスイッチング素子に出力する論理和部と、
回生時コンデンサ電圧指令及び前記コンデンサ印加電圧の偏差に基づき回生指令を演算する回生指令演算部と、
前記回生指令を制限して制限回生指令を生成する回生指令制限部と、
前記制限回生指令の値を最終短絡指令の値以下に制限して最終回生指令を生成する最終回生指令生成部と、
前記キャリア信号及び前記最終回生指令に基づき回生用ゲート反転信号を生成し、該回生用ゲート反転信号を反転した回生用ゲート信号を前記Ｚソース昇圧回路の前記スイッチング素子に出力する回生用ゲート信号生成部と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記短絡指令制限部は、前記短絡指令を０以上且つ０．５以下に制限し、
前記回生指令制限部は、前記回生指令を０以上且つ１以下に制限することを特徴とする、請求項１に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、Ｚソース昇圧回路を有する電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、Ｚソース昇圧回路を有する電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。図６は、従来のＺソース昇圧回路を有する電力変換装置の構成例を示す図である。
【０００３】
図６に示す電力変換装置２は、直流電源１０と、Ｚソース昇圧回路２０と、インバータ回路３０と、制御部４０と、電圧センサ５１及び５２と、電流センサ５３及び５４とを備える。電力変換装置２は、モータ５０に電力を供給し、モータ５０には回転角度センサ５５が接続される。
【０００４】
Ｚソース昇圧回路２０は、ダイオード２５と、リアクトル２１及び２２と、コンデンサ２３及び２４とを有し、出力に直流リンク部を介してインバータ回路３０に接続される。
【０００５】
インバータ回路３０は、各相の位相が互いに１２０度ずつずれるようにスイッチング素子３１〜３６をオン・オフして制御することにより、インバータ回路３０の出力に接続されたモータ５０を駆動する。
【０００６】
Ｚソース昇圧回路２０は、インバータ回路３０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかの相の上下スイッチング素子が同時にオンし短絡動作になると、コンデンサ２３及び２４の放電と、リアクトル２１及び２２の充電とが行われる。次に同時にオンしたスイッチング素子の一方がオフすると、リアクトル２１及び２２の放電と、コンデンサ２３及び２４の充電とが行われる。この結果、直流電源１０の電圧が昇圧され、インバータ回路３０に出力される。
【０００７】
図７は、図６に示したような従来の電力変換装置２におる制御部４０として想定される構成例を示す図である。上述の短絡動作をさせるための短絡用ゲート信号Ｇzは、コンデンサ２３に印加される電圧Ｖcとコンデンサ電圧指令Ｖc*との偏差を元に、例えばＰＩＤ制御により短絡指令Ｎを生成し、キャリア信号ａとの比較をすることで生成される。
【０００８】
一方、ダイオード２５があるため、インバータ回路３０から直流電源１０へ電力を回生することができない。そこで、ダイオード２５と逆並列にスイッチング素子を接続し、スイッチングを行うことで、インバータ回路３０から直流電源１０へ電力を回生できることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１１−１６０６１７号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Haiping Xu, “Analysis and Design of Bi-directional Z-source Inverter for Electrical Vehicles", Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2008. APEC 2008.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、従来のＺソース昇圧回路を有する電力変換装置において、回生動作をする際のスイッチング素子の制御方法は明確にされていない。また、インバータ回路の同一レグ内の上下アームを同時にオンする短絡動作と、Ｚソース昇圧回路のスイッチング素子のオン動作とが同時に起こると、コンデンサの放電電流の一部が直流電源側に流れてしまい、指令どおりに昇圧できないという問題があった。
【００１２】
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、直流電源の出力電圧の昇圧、及び直流電源側への電力の回生を指令どおりに制御することが可能な電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明に係る電力変換装置は、直流電源の正極側にアノード側が接続されたダイオードと、前記ダイオードに逆並列接続されたスイッチング素子と、前記ダイオードのカソード側に接続された第１のリアクトルと、前記直流電源の負極側に接続された第２のリアクトルと、前記第１のリアクトルの入力側及び前記第２のリアクトルの出力側の間に接続された第１のコンデンサと、前記第１のリアクトルの出力側及び前記第２のリアクトルの入力側の間に接続された第２のコンデンサと、を有するＺソース昇圧回路と、複数のスイッチング素子を有し、前記Ｚソース昇圧回路の出力に接続されたインバータ回路と、前記第１のコンデンサ又は前記第２のコンデンサに印加されるコンデンサ印加電圧に基づき、前記インバータ回路の前記複数のスイッチング素子、及び前記Ｚソース昇圧回路の前記スイッチング素子を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、キャリア信号、前記インバータ回路に接続された負荷に印加する電圧の指令値、及び前記インバータ回路の直流リンク電圧に基づき、基本ゲート信号を生成する基本ゲート信号生成部と、力行時コンデンサ電圧指令及び前記コンデンサ印加電圧の偏差に基づき短絡指令を演算する短絡指令演算部と、前記短絡指令を制限して制限短絡指令を生成する短絡指令制限部と、１から前記制限短絡指令を減算して最終短絡指令を生成する減算部と、前記キャリア信号及び前記最終短絡指令に基づき短絡用ゲート信号を生成する短絡用ゲート信号生成部と、前記基本ゲート信号及び前記短絡用ゲート信号を論理和したゲート信号を前記インバータ回路の前記複数のスイッチング素子に出力する論理和部と、回生時コンデンサ電圧指令及び前記コンデンサ印加電圧の偏差に基づき回生指令を演算する回生指令演算部と、前記回生指令を制限して制限回生指令を生成する回生指令制限部と、前記制限回生指令の値を最終短絡指令の値以下に制限して最終回生指令を生成する最終回生指令生成部と、前記キャリア信号及び前記最終回生指令に基づき回生用ゲート反転信号を生成し、該回生用ゲート反転信号を反転した回生用ゲート信号を前記Ｚソース昇圧回路の前記スイッチング素子に出力する回生用ゲート信号生成部と、を備えることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る電力変換装置において、前記短絡指令制限部は、前記短絡指令を０以上且つ０．５以下に制限し、前記回生指令制限部は、前記回生指令を０以上且つ１以下に制限することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、インバータ回路の同一レグ内の上下アームを同時にオンする期間と回生スイッチのオン期間とが重複することを避け、直流電源の出力電圧の昇圧、及び直流電源側への電力の回生を指令どおりに制御することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の一実施形態に係る電力変換装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る電力変換装置における制御部の構成例を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る電力変換装置における制御部の主要な信号のタイムチャートを示す第１の図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る電力変換装置における制御部の主要な信号のタイムチャートを示す第２の図である。
【図５】図４において、１キャリア周期内で、短絡ゲート信号及び回生ゲート信号がともにオンしている時のタイムチャートを時間軸に拡大して示す図である。
【図６】従来のＺソース昇圧回路を有する電力変換装置の構成例を示す図である。
【図７】従来の電力変換装置におる制御部として想定される構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置の構成例を示す図である。図１に示す例では、電力変換装置１は、直流電源１０と、Ｚソース昇圧回路２０と、インバータ回路３０と、制御部６０と、電圧センサ５１及び５２と、電流センサ５３及び５４とを備える。電力変換装置１は、モータ（負荷）５０に電力を供給し、モータ５０には回転角度センサ５５が接続される。
【００１９】
Ｚソース昇圧回路２０は、直流電源１０の正極側にアノード側が接続されたダイオード２５と、ダイオード２５に逆並列接続されたスイッチング素子２６と、ダイオード２５のカソード側に接続されたリアクトル（第１のリアクトル）２１と、直流電源１０の負極側に接続されたリアクトル（第２のリアクトル）２２と、リアクトル２１の入力側及びリアクトル２２の出力側の間に接続されたコンデンサ（第１のコンデンサ）２３と、リアクトル２１の出力側及びリアクトル２２の入力側の間に接続されたコンデンサ（第２のコンデンサ）２４とを有する。
【００２０】
インバータ回路３０は、複数のスイッチング素子３１〜３６と、それぞれのスイッチング素子３１〜３６に逆並列接続されたフリーホイールダイオード４１〜４６とを備える。スイッチング素子３１及び３２は直列接続され、インバータ回路３０のＵ相アームを構成する。スイッチング素子３３及び３４は直列接続され、インバータ回路３０のＶ相アームを構成する。スイッチング素子３５及び３６は直列接続され、インバータ回路３０のＷ相アームを構成する。インバータ回路３０は、各相の位相が互いに１２０度ずつずれるように、制御部６０によりスイッチング素子３１〜３６がオン・オフ制御されることにより、出力に接続されたモータ５０を駆動する。
【００２１】
Ｚソース昇圧回路２０は、インバータ回路３０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれかの相の上下スイッチング素子が同時にオンし短絡動作になると、コンデンサ２３及び２４の放電と、リアクトル２１及び２２の充電とが行われる。次に同時にオンしたスイッチング素子の一方がオフすると、リアクトル２１及び２２の放電と、コンデンサ２３及び２４の充電とが行われる。この結果、直流電源１０の電圧が昇圧され、インバータ回路３０に出力される。
【００２２】
電圧センサ５１は、直流電源１０が出力する電圧（直流電源電圧）Ｅを検出し、制御部６０に出力する。
【００２３】
電圧センサ５２は、コンデンサ２３又は２４に印加されている電圧（コンデンサ印加電圧）Ｖcを検出し、制御部６０に出力する。図１に示す例では、コンデンサ２３のコンデンサ印加電圧Ｖcを検出する。
【００２４】
電流センサ５３は、モータ５０のＵ相に流れる電流Ｉuを検出し、制御部６０に出力する。また、電流センサ５４は、モータ５０のＷ相に流れる電流Ｉwを検出し、制御部６０に出力する。
【００２５】
回転角度センサ５５は、モータ５０の回転角度θを検出し、制御部６０に出力する。
【００２６】
制御部６０は、電圧センサ５１及び５２により検出される値と、電流センサ５３及び５４により検出される値と、回転角度センサ５５により検出される値とを入力する。そして、スイッチング素子３１にゲート信号Ｇup、スイッチング素子３２にゲート信号Ｇun、スイッチング素子３３にゲート信号Ｇvp、スイッチング素子３４にゲート信号Ｇvn、スイッチング素子３５にゲート信号Ｇwp、スイッチング素子３６にゲート信号Ｇwnを出力してスイッチング素子３１〜３６を制御する。また、スイッチング素子２６に回生用ゲート信号Ｇrを出力し、スイッチング素子２６を制御する。
【００２７】
図２は、制御部６０の構成例を示す図である。図２に示す例では、制御部６０は、３相電圧指令演算部６１と、直流リンク電圧演算部６２と、基本ゲート信号生成部６３と、減算部６４，６７及び７０と、短絡指令演算部６５と、短絡指令制限部６６と、短絡用ゲート信号生成部６８と、論理和部６９と、回生指令演算部７１と、回生指令制限部７２と、最終回生指令生成部７３と、回生用ゲート反転信号生成部７４と、論理反転部７５とを備える。
【００２８】
３相電圧指令演算部６１は、電流センサ５３により検出されたモータ電流Ｉuと、電流センサ５４により検出されたモータ電流Ｉwと、回転角度センサ５５により検出されたモータ回転角度θと、外部から入力されるモータトルク指令とに基づき、モータ５０に印加する３相電圧の指令値である３相電圧指令Ｖu*，Ｖv*及びＶw*を演算し、基本ゲート信号生成部６３に出力する。
【００２９】
直流リンク電圧演算部６２は、電圧センサ５２により検出されたコンデンサ印加電圧Ｖcと、電圧センサ５１により検出された直流電源電圧Ｅとに基づき、式（１）に従って、インバータ回路３０に印加される直流リンク電圧Ｖdcを演算し、基本ゲート信号生成部６３に出力する。
【００３０】
【数１】
0006478867.tif 000002
【００３１】
基本ゲート信号生成部６３は、キャリア信号ａと、直流リンク電圧演算部６２により演算された３相電圧指令Ｖu*，Ｖv*及びＶw*と、直流リンク電圧演算部６２により演算された直流リンク電圧Ｖdcとに基づき、基本ゲート信号Ｇup0，Ｇun0，Ｇvp0，Ｇvn0，Ｇwp0及びＧwn0を生成し、論理和部６９に出力する。例えば、キャリア信号ａを三角波とし、キャリア信号ａと３相電圧指令Ｖu*，Ｖv*及びＶw*とを比較する三角波比較方式を使用する。
【００３２】
減算部６４は、力行時コンデンサ電圧指令Ｖcp*及びコンデンサ印加電圧Ｖc偏差である力行時偏差電圧ΔＶcpを算出し、短絡指令演算部６５に出力する。
【００３３】
短絡指令演算部６５は、力行時偏差電圧ΔＶcpが０になるようにフィードバック制御（例えばＰＩ制御）して短絡指令Ｎを演算し、短絡指令制限部６６に出力する。
【００３４】
短絡指令制限部６６は、短絡指令演算部６５により演算された短絡指令Ｎを式（２）に従って制限し、その結果の制限短絡指令Ｎ’を減算部６７に出力する。
【００３５】
【数２】
0006478867.tif 000003
【００３６】
減算部６７は、数値１から、短絡指令制限部６６により制限された制限短絡指令Ｎ’を減算して最終短絡指令Ｎ’’を算出し、短絡用ゲート信号生成部６８及び最終回生指令生成部７３に出力する。
【００３７】
短絡用ゲート信号生成部６８は、キャリア信号ａ及び最終短絡指令Ｎ’’に基づき、短絡用ゲート信号Ｇzを生成し、論理和部６９に出力する。例えば、キャリア信号ａを三角波とし、キャリア信号ａと最終短絡指令Ｎ’’とを比較する三角波比較方式を使用する。
【００３８】
論理和部６９は、基本ゲート信号生成部６３により生成された基本ゲート信号Ｇup0，Ｇun0，Ｇvp0，Ｇvn0，Ｇwp0及びＧwn0と、短絡用ゲート信号生成部６８により生成された短絡用ゲート信号Ｇzとをそれぞれ論理和してゲート信号Ｇup，Ｇun，Ｇvp，Ｇvn，Ｇwp及びＧwnを生成し、スイッチング素子３１〜３６に出力する。これらのゲート信号Ｇup，Ｇun，Ｇvp，Ｇvn，Ｇwp及びＧwnは、それぞれインバータ回路３０のスイッチング素子３１〜３６をオン・オフする。
【００３９】
力行時コンデンサ電圧指令Ｖcp*と回生時コンデンサ電圧指令Ｖcb*は、式（３）の関係を有する。
【００４０】
【数３】
0006478867.tif 000004
【００４１】
減算部７０は、コンデンサ印加電圧Ｖc及び回生時コンデンサ電圧指令Ｖcb*の偏差である回生時偏差電圧ΔＶcbを算出し、回生指令演算部７１に出力する。
【００４２】
回生指令演算部７１は、回生時偏差電圧ΔＶcbが０になるようにフィードバック制御（例えばＰＩ制御）して回生指令Ｒを演算し、回生指令制限部７２に出力する。
【００４３】
回生指令制限部７２は、回生指令演算部７１により演算された回生指令Ｒを式（４）に従って制限し、その結果の制限回生指令Ｒ’を最終回生指令生成部７３に出力する。
【００４４】
【数４】
0006478867.tif 000005
【００４５】
最終回生指令生成部７３は、回生指令制限部７２により生成された制限回生指令Ｒ’と減算部６７により算出された最終短絡指令Ｎ’’とに基づき、式（５）に従って、最終回生指令Ｒ’’を回生用ゲート反転信号生成部７４に出力する。
【００４６】
【数５】
0006478867.tif 000006
【００４７】
回生用ゲート反転信号生成部７４は、キャリア信号ａ及び回生指令Ｒ’’に基づき、回生用ゲート反転信号Ｇr0を生成し、論理反転部７５に出力する。例えば、キャリア信号ａを三角波とし、キャリア信号ａと回生指令Ｒ’’とを比較する三角波比較方式を使用する。
【００４８】
論理反転部７５は、回生用ゲート反転信号Ｇr0を論理反転した回生用ゲート信号Ｇrをスイッチング素子２６に出力する。この回生用ゲート信号Ｇrは、Ｚソース昇圧回路２０のスイッチング素子２６をオン・オフする。
【００４９】
図３は、制御部６０の主要な信号であるモータトルク指令、コンデンサ印加電圧Ｖc、最終短絡指令Ｎ''、最終回生指令Ｒ’’、短絡用ゲート信号Ｇz、及び回生用ゲート信号Ｇrのタイムチャートを示す図である。
【００５０】
図３に示すように、コンデンサ印加電圧Ｖcが力行時コンデンサ電圧指令Ｖcp*より低い場合は、指令に追随させるためにインバータ回路３０のスイッチング素子３１〜３６の短絡動作を行い、コンデンサ印加電圧Ｖcを上昇させて、直流電源電圧Ｅよりも昇圧させることができる。短絡指令制限部６６の動作により、コンデンサ印加電圧Ｖcが、力行時コンデンサ電圧指令Ｖcp*より高い場合は、短絡動作は行わない。
【００５１】
また、コンデンサ印加電圧Ｖcが回生時コンデンサ電圧指令Ｖcb*より高い場合は、指令に追随させるためにＺソース昇圧回路２０のスイッチング素子２６をオンして回生動作を行い、コンデンサ印加電圧Ｖcを下降させて、直流電源１０に電力を回生することができる。回生指令制限部７２の動作により、コンデンサ印加電圧Ｖcが、回生時コンデンサ電圧指令Ｖcb*より低い場合は、回生動作は行わない。
【００５２】
図４は、力行時コンデンサ電圧指令Ｖcp*と回生時コンデンサ電圧指令Ｖcb*とが等しい場合のモータトルク指令、コンデンサ印加電圧Ｖc、最終短絡指令Ｎ''、最終回生指令Ｒ’’、短絡用ゲート信号Ｇz、及び回生用ゲート信号Ｇrのタイムチャートを示す図である。図５は、図４において、１キャリア周期内で、短絡ゲート信号及び回生ゲート信号がともにオンしている時のタイムチャートを時間軸に拡大して示す図である。
【００５３】
図４に示すように、Ｖcp*＝Ｖcb*とした場合であっても、最終回生指令Ｒ’’を最終短絡指令Ｎ’’以下にすることで、インバータ回路３０のスイッチング素子３１〜３６、及びＺソース昇圧回路２０のスイッチング素子２６が同時にオンすることを回避することができる。
【００５４】
上述したように、電力変換装置１は、コンデンサ印加電圧Ｖcが力行時コンデンサ電圧指令Ｖcp*より低い場合は、インバータ回路３０のスイッチング素子３１〜３６の短絡動作を行い、コンデンサ印加電圧Ｖcが回生時コンデンサ電圧指令Ｖcb*より高い場合はＺソース昇圧回路２０のスイッチング素子２６をオンさせて回生動作を行う。そのため、本発明によれば、短絡スイッチングと回生スイッチングが同時に動作せずに、昇圧用の短絡動作にも影響を与えることなく、インバータ回路３０から直流電源１０へ電力を回生することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、電力変換及び電力回生を行う用途に有用である。例えば電気自動車などのモータ駆動システムに利用することが可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１    電力変換装置
１０  直流電源
２０  Ｚソース昇圧回路
２１，２２  リアクトル
２３，２４  コンデンサ
２５  ダイオード
２６  スイッチング素子
３０  インバータ回路
３１〜３６  スイッチング素子
４１〜４６  フリーホイールダイオード
５１，５２  電圧センサ
５３，５４  電流センサ
５５  回転角度センサ
６０  制御部
６１  ３相電圧指令演算部
６２  直流リンク電圧演算部
６３  基本ゲート信号生成部
６４，６７，７０  減算部
６５  短絡指令演算部
６６  短絡指令制限部
６８  短絡用ゲート信号生成部
６９  論理和部
７１  回生指令演算部
７２  回生指令制限部
７３  最終回生指令生成部
７４  回生用ゲート反転信号生成部
７５  論理反転部
【図１】
0006478867.tif 000007
【図２】
0006478867.tif 000008
【図３】
0006478867.tif 000009
【図４】
0006478867.tif 000010
【図５】
0006478867.tif 000011
【図６】
0006478867.tif 000012
【図７】
0006478867.tif 000013