(57)【要約】【課題】負荷短絡等の異常時に瞬時にスイッチング周波数を下げて主回路半導体素子の過熱を防止するとともに、新たな回路を追加することなくこれを達成することができる電力変換装置を得る。【解決手段】電流指令Ｉｓに追従する瞬時値制御形のスイッチング方式を備えた自励式の半導体スイッチ２を使用したものにおいて、スイッチング周波数を決定するヒステリシス幅に対して電流指令の大きさに応じてヒステリシス幅を補正するヒステリシス幅補正手段１１を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流指令に追従する瞬時値制御形のスイッチング方式を備えた自励式の半導体スイッチを使用した電力変換装置において、スイッチング周波数を決定するヒステリシス幅に対して前記電流指令の大きさに応じてヒステリシス幅を補正するヒステリシス幅補正手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
ヒステリシス幅補正手段は、電流指令に絶対値回路を通し、これに対して補正開始電流基準を減算し、減算結果が負にならないように零の下限リミッターを設け、補正ゲインを積算しヒステリシス幅補正量とすることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
補正開始電流基準は、スイッチング周波数を下げる基準となる電流であり、ＩＧＢＴ素子の制約で決定されることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【請求項４】
電流指令は、電圧指令とコンデンサの電圧フィードバックの偏差を比例積分で構成される電圧制御器に通し、この値に対して電流リミッターを設けることにより生成することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば無停電電源装置、モータ駆動用インバータ等に適用される自励式の半導体スイッチを使用した電力変換装置に係わり、特に電流指令に追従する瞬時値制御形のスイッチング方式を備えた電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図６は、従来のヒステリシス幅補正手段を備えたヒステリシスコンパレータ方式を用いた交流−直流電力変換装置である（例えば、特許文献１参照）。
従来の電力変換装置は、交流電源２１の交流入力を整流器２２によって直流に変換し、この直流出力を昇圧チョッパ２３によって昇圧し直流出力を得る装置である。直流出力の電圧制御は直流電圧設定値Ｖｓの直流検出値Ｖｆとの偏差を電圧制御アンプ２４で比例制御演算する。この出力と交流電源２１の全波整流を掛算器２５で積算し電流指令Ｉｓを生成する。この電流指令Ｉｓとチョッパ２３の出力電流Ｉｄと偏差がヒステリシスコンパレータ２７に入力され、電流指令Ｉｓに対して出力電流Ｉｄがヒステリシス幅ΔＩを超えたときにコンパレータ２７に反転出力を得る。ヒステリシスコンパレータ２７のオン・オフ出力はゲート回路２８を介して昇圧チョッパ２３のスイッチＳＷのオン・オフ制御信号にされる。ここで、ヒステリシス幅ΔＩは入力電流に応じてヒステリシス幅を増減するヒステリシス幅補正手段２９を備えている。ヒステリシス補正回路２９ｃは、入力電流を絶対値回路２９ａに通した絶対値をローパスフィルタ２９ｂに通し、この出力に応じて装置の定格電流を境に図示した特性でヒステリシス幅を増減する回路であり、入力電流が定格電流以下の場合はヒステリシス幅ΔＩを小さくしてスイッチング周波数を高くし、過負荷等の高い電流状態ではヒステリシス幅ΔＩを大きくしてスイッチング周波数を低くするように動作する。これにより過負荷時などの電流が大きい場合はスイッチング損失を減らすように作用する。
また、このヒステリシス幅補正手段２９は直流を交流に変換するインバータ回路において出力電流に応じて補正しても同様に作用する。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−６９７８号公報(図１)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば、インバータ回路で出力回路が負荷側短絡を生じた場合、電流変化率が非常
に高くなるため主回路半導体素子のスイッチング周波数が過渡に上昇し、この結果ス
イッチング損失が大きくなり主回路半導体素子が最悪素子故障する恐れがあるため、
負荷短絡等では瞬時にスイッチング周波数を下げ半導体素子を過熱から防止する必要
がある。しかしながら、従来の電流追従形のヒステリシスコンパレータ方式における
ヒステリシス幅調整手段は入力電流あるいは出力電流の結果によって補正する回路の
ため、電流リップルにより補正量が過敏に動作しないように図６に示したようなロー
パスフィルタ回路２９ｂが必要になり、スイッチング周波数を下げる補正の応答が遅
れるという問題がある。また、図６に示した従来例の回路ではヒステリシス幅補正用
として専用の入力電流センサーが必要などコストアップするなどの問題がある。
【０００５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、負荷短絡等の異常時に瞬時にスイッチング周波数を下げて主回路半導体素子の過熱を防止するとともに、新たな回路を追加することなくこれを達成することができる電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る電力変換装置においては、電流指令に追従する瞬時値制御形のスイッチング方式を備えた自励式の半導体スイッチを使用したものにおいて、スイッチング周波数を決定するヒステリシス幅に対して電流指令の大きさに応じてヒステリシス幅を補正するヒステリシス幅補正手段を備えたものである。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、スイッチング周波数を増減する補正手段を電流指令より行うことにより、フィルタ回路の遅れ要素が不要となりスイッチング周波数の過上昇を高速に抑制することが可能となり、また誤差電流追従方式の瞬時電流制御には基準となる電流指令が必ずあるので新たな回路を設ける必要性が生じない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
実施の形態１.
以下、この発明の実施の形態１における電力変換装置を図１に基づいて説明する。
図１は、三相の無停電電源装置においてインバータ回路にこの発明を適用した場合の実施例である。図１において、１は直流電源、２はＩＧＢＴ素子、３はリアクトル、４はコンデンサ、５は負荷、６は電流センサー、７はＵ相の交流電流指令（Ｉｓｕ）、８はＵ相のヒステリシス幅（ΔＩｕ）、９はヒステリシスコンパレータ、１０はゲート回路、１１はヒステリシス幅補正手段、１２はＵ相のヒステリシス幅補正量（ΔＩｈｕ）である。リアクトル３とコンデンサ４でフィルタ回路を構成しており、負荷５に安定した交流電圧を供給する。ヒステリシスコンパレータ９は、電流指令Ｉｓと電流センサー６で検出される電流検出値の偏差とヒステリシス幅を比較するものであり、ＩＧＢＴ素子２を駆動するゲート回路１０にオン・オフ信号を与えることにより、ＩＧＢＴ素子２がオン・オフし電流指令に追従する電流を流すことが出来る。
【０００９】
次に、この発明の動作についてＵ相を例に説明するが、Ｖ相、Ｗ相についても同様である。７はＵ相の交流電流指令Ｉｓｕであり、コンデンサ４の交流電圧を一定に制御する電圧制御から生成され、電流センサー６で検出されるＵ相電流検出値との偏差をヒステリシスコンパレータ９に入力する。ここで、Ｕ相のヒステリシス幅８（ΔＩｕ）は定格状態でのスイッチング周波数等から決定された値であり、これにヒステリシス幅補正手段１１で計算されるＵ相のヒステリシス幅補正量１２（ΔＩｈｕ）を加算した結果を、ヒステリシスコンパレータ９に入力する。このヒステリシス幅補正手段１１の構成の例を図２に示す。図２において、電流指令Ｉｓに絶対値回路１１ａを通し、これに対して補正開始電流基準１１ｂ（Ｉｋ）を減算する。この補正開始電流基準Ｉｋはスイッチング周波数を下げる基準となる電流であり、ＩＧＢＴ素子２の制約等で決定される。次に、減算結果が負にならないように０の下限リミッタ１１ｃを設け、補正ゲイン１１ｄ（Ｇ）を積算し、ヒステリシス幅補正量１２（ΔＩｈ）とする。この補正ゲイン１１ｄの値は、回路定数とスイッチング周波数制限値などから決定される値である。
【００１０】
以上、実施の形態１に示したヒステリシス幅補正手段１１により、ヒステリシスコンパレータ９に入力されるヒステリシス幅は、図３に示すように、電流指令振幅が補正開始基準電流Ｉｋを境にして増加するように動作する。この様子を無停電電源装置において説明する。図４は、電流指令を生成する回路を示す概略のブロック図であり、図１に示したフィルタコンデンサ４の交流電圧が一定になるように電圧フィードバック制御が行われる。図４において、電圧指令とコンデンサ４の電圧フィードバックの偏差を比例積分等で構成される電圧制御器１３に通し、この値に対して電流リミッタ１４を設け、電流指令Ｉｓを生成する。また、電圧制御は交流波形の波形制御を行うため、高速に制御される。次に、図５に示した波形は負荷短絡が生じた時の各部波形の動きを示したものである。コンデンサ４の電圧、インバータの電流指令、電流が一定に出力されているときに負荷側で短絡が生じると、コンデンサ４の電圧は零近くまで急減し、この結果、電圧の落込みを回復させようと電圧制御器１３が動作するためインバータ電流指令は瞬時にリミッタまで到達する。次に、この電流指令の増加に伴い上述のヒステリシス幅補正手段が動作し、ヒステリシス幅が増加し、ＩＧＢＴ素子２のスイッチング周波数の過上昇を抑えるように動作する。
【００１１】
以上述べたように、この発明の実施の形態１によれば、電流指令量に応じてヒステリシス幅を増減するヒステリシス幅補正手段を備えたことから、主回路素子の過渡なスイッチング周波数上昇を高速に抑制でき主回路素子を過熱から防止することが可能となる。
【００１２】
なお、実施の形態１では、三相のＰＷＭインバータの場合を示したが、単相回路あるいは交流を直流に変換するコンバータ回路など誤差電流追従方式のスイッチング方式を用いた電力変換装置に適用しても同等の作用効果を得ることが出来る。また、図６の従来例で示した回路においては、電流指令であるＩｓによりヒステリシス幅を補正することにより、従来例のような交流入力電流の検出が不要で、なおかつ高速に補正することが可能となる。
【００１３】
なお、実施の形態１では、補正開始電流基準１１ｂ（Ｉｋ）を設け、これを境にヒステリシス幅を直線補正する場合を示したが、補正量は回路定数や主回路素子の耐量などで適宜設計される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施の形態１における電力変換装置を示すシステム構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１における電力変換装置のヒステリシス幅補正手段を示す構成図である。
【図３】この発明の実施の形態１における電力変換装置のヒステリシス幅特性を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１における電力変換装置の電圧制御回路を示す構成図である。
【図５】この発明の実施の形態１における電力変換装置の負荷短絡時の各部波形を示す図である。
【図６】従来の電力変換装置のヒステリシス幅補正手段を示す構成図である。
【符号の説明】
【００１５】
１  直流電源
２  ＩＧＢＴ素子
３  リアクトル
４  コンデンサ
５  負荷
６  電流センサー
７  電流指令
８  ヒステリシス幅
９  ヒステリシスコンパレータ
１０  ゲート回路
１１  ヒステリシス幅補正手段
１２  ヒステリシス幅補正量
１３  電圧制御器
１４  電流リミッター
【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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