(57)【要約】【課題】本発明は、より高い精度でデッドタイム補正を行い、より整形された電圧波形を得ることができる電力供給装置を提供することを目的とする。【解決手段】電力供給装置１は、パルス幅変調を用いて入力される電圧信号に応じた矩形波電圧を出力する電力変換部１３と、電力変換部１３から出力される矩形波電圧を整形して正弦波電圧を出力するフィルタ１４と、フィルタ１４の出力端の電流値を検出する電流検出部１５と、検出された電流値と電圧指令値とを用いて、フィルタ１４内部の電流値ΔＩを算出する算出部１６と、電流値ΔＩと、検出された電流値Ｉとの加算結果を用いて補正電圧Ｖｄを算出し、補正電圧Ｖｄと電圧指令信号Ｖ１とを加算した電圧信号を電力変換部１３に入力するデッドタイム補正部１２とを備える。【選択図】図１
2017070106.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力される直流電圧信号に応じて、パルス幅変調制御により交流電圧を出力する電力変換部と、
前記電力変換部の出力端側に接続され、前記電力変換部から出力される前記交流電圧の波形を整形して正弦波の交流電圧を出力するフィルタと、
前記フィルタの出力端の電流値を検出する電流検出部と、
検出された前記電流値と、直流電圧指令値とを用いて、前記フィルタ内部の電流値を算出する算出部と、
前記算出部で算出された電流値と、前記電流検出部で検出された電流値との加算結果を用いて補正電圧を算出し、前記補正電圧と、前記直流電圧指令値とを加算した前記直流電圧信号を前記電力変換部に入力するデッドタイム補正部と、
を備える電力供給装置。
【請求項２】
前記デッドタイム補正部は、検出された前記電流値が所定の基準値より小さい場合、前記算出部で算出された電流値の位相を固定して前記補正電圧を算出する、請求項１に記載の電力供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）制御により負荷に交流電力を供給するインバータのスイッチング素子の短絡を防止するためにデッドタイムが設けられる。デッドタイムによって、インバータの出力電圧の波形に歪みが生じるため、デッドタイムによる出力電圧波形の歪みに対するデッドタイム補正方法として様々な技術が提案されている。
【０００３】
例えば、下記特許文献１には、電力変換器の出力端側に電流検出器を設置して電力変換器から出力される電流を検出し、検出した電流値に応じて生成したデッドタイム補正信号Ｖｄと、電圧指令信号とを加算して電力変換器に出力することにより、デッドタイムによる電圧波形の歪みを補正する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２８８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、インバータの出力電圧波形を所望の正弦波に整形するために、インバータの出力端側に波形整形用のフィルタが設けられる場合がある。この場合、一般に、フィルタの出力端に電流検出器を設け、フィルタの出力端における電流を検出し、検出された電流値に応じてデッドタイム補正が行われる。しかしながら、フィルタの出力端に設置された電流検出器ではフィルタ内を接地電位へ流れる無効電流を検出することができないため、フィルタの出力端の電流値のみを用いてデッドタイム補正を行うと、適切にデッドタイム補正を行うことができず、より整形された正弦波の電圧波形を得ることができない。
【０００６】
本発明は、より高い精度でデッドタイム補正を行い、より整形された電圧波形を得ることができる電力供給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】
【０００７】
本発明に係る電力供給装置は、入力される直流電圧信号に応じて、パルス幅変調制御により交流電圧を出力する電力変換部と、前記電力変換部の出力端側に接続され、前記電力変換部から出力される前記交流電圧の波形を整形して正弦波の交流電圧を出力するフィルタと、前記フィルタの出力端の電流値を検出する電流検出部と、検出された前記電流値と、直流電圧指令値とを用いて、前記フィルタ内部の電流値を算出する算出部と、前記算出部で算出された電流値と、前記電流検出部で検出された電流値との加算結果を用いて補正電圧を算出し、前記補正電圧と、前記直流電圧指令値とを加算した前記直流電圧信号を前記電力変換部に入力するデッドタイム補正部と、を備える。
【０００８】
この構成によれば、算出部において、フィルタ内部の電流値を算出し、デッドタイム補正部において、算出された電流値と電流検出部で検出された電流値との加算結果を用いて補正電圧が算出され、その補正電圧と直流電圧指令値とを加算した直流電圧信号が電力変換部に入力される。これにより、フィルタ内部を流れる電流値を考慮したデッドタイム補正を行うことができるので、より高い精度でデッドタイム補正がなされ、より整形された電圧波形を得ることができる。なお、上記構成において、前記算出部は、前記電流検出部で検出されない前記フィルタ内部の電流値を算出する。
【０００９】
また、上記構成において、前記フィルタは、コイル及びコンデンサを含むＬＣフィルタであり、前記算出部は、前記コンデンサに流れる電流値を算出することとしてもよい。
【００１０】
この構成によれば、ＬＣフィルタにおけるコンデンサを流れる電流値を算出するため、より正確にデッドタイム補正を行うことができる。
【００１１】
また、上記構成において、前記デッドタイム補正部は、検出された前記電流値が所定の基準値より小さい場合、前記算出部で算出された電流値の位相を固定して前記補正電圧を算出することとしてもよい。
【００１２】
この構成によれば、電流検出部で検出される電流値が基準値より小さい場合、略一定した電圧信号が電力変換部に入力される。電流検出部で検出される電流値が基準値より小さい場合、フィルタの出力端における電流極性の変化も小さくなるため、このように構成してもフィルタからの出力電圧波形に歪みが生じにくく、電力変換部に電圧信号を入力するための処理負荷を軽減することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の構成によれば、より高い精度でデッドタイム補正を行い、より整形された電圧波形を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、実施の形態に係る電力供給装置の構成例を示すブロック図である。
【図２】図２は、直流電源にＬＣフィルタと負荷とを接続した回路図である。
【図３】図３の（ａ）は、電圧形インバータの１相分の回路構成を示す図である。図３の（ｂ）は、図３の（ａ）に示す電圧形インバータのデッドタイムにおける出力電圧の増減を表す図である。
【図４】図４は、従来のデッドタイム補正と実施の形態におけるデッドタイム補正をそれぞれ無負荷状態において適用した場合の出力電圧のシミュレーション結果を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態に係る電力供給装置の構成例を示すブロック図である。図１に示すように、電力供給装置１は、直流電力を交流電力に変換して負荷２に供給する。電力供給装置１は、制御回路１１、デッドタイム補正部１２、電力変換部１３、ＬＣフィルタ１４、電流検出部１５、及びΔＩ算出部１６を含む。
【００１７】
制御回路１１は、所定の直流電圧を示す電圧指令信号Ｖ１をデッドタイム補正部１２に出力する。
【００１８】
デッドタイム補正部１２は、加算器１２１と補正電圧算出部１２２と加算器１２３とを含む。
【００１９】
加算器１２１は、電圧指令信号Ｖ１と、補正電圧算出部１２２から出力されるデッドタイム補正信号Ｖｄとを加算した修正電圧指令信号Ｖ２を電力変換部１３へ出力する。
【００２０】
加算器１２３は、後述のΔＩ算出部１６から出力された電流値ΔＩと、後述の電流検出部１５から出力された電流値Ｉとを加算して出力する。
【００２１】
補正電圧算出部１２２は、加算器１２３から出力された電流値（Ｉ＋ΔＩ）を用いてデッドタイム補正信号Ｖｄを算出して出力する。なお、デッドタイム補正信号Ｖｄの具体的な算出方法については後述する。
【００２２】
電力変換部１３は、複数のスイッチング素子を有する電圧形インバータ（図示略）を含む。スイッチング素子には、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等が用いられる。電力変換部１３は、デッドタイムＴｄ［ｓ］を設定してＰＷＭ制御を行い、電圧形インバータにおけるスイッチング素子のオンオフを切り替えることにより、パルス幅が動的に調整された矩形波の交流電圧を出力する。
【００２３】
ＬＣフィルタ１４は、コイル及びコンデンサ（いずれも図示略）を含む。ＬＣフィルタ１４は、電力変換部１３の出力端に接続され、電力変換部１３から出力される矩形波の交流電圧波形を整形して正弦波の電圧波形を出力する。
【００２４】
電流検出部１５は、ＬＣフィルタ１４の出力端において負荷２に供給される有効電力の電流値Ｉを検出する。
【００２５】
ΔＩ算出部１６は、検出された電流値Ｉと電圧指令信号Ｖ１とを用いて、電流検出部１５では検出されない、ＬＣフィルタ１４内部を接地電位へ流れる電流値を算出する。具体的には、ΔＩ算出部１６は、ＬＣフィルタ１４におけるコンデンサに流れる電流値を以下のようにして算出する。
【００２６】
図２は、直流電圧Ｖ１の電源にＬＣフィルタ１４と負荷２とを接続した回路図である。図２において、負荷２に流れる電流値をＩ［Ａ］、ＬＣフィルタ１４のコイル１４１（自己インダクタンス：Ｌ［Ｈ］）に流れる電流値をＩ’［Ａ］、コンデンサ１４２（コンデンサ容量：Ｃ［Ｆ］）に流れる電流をΔＩ［Ａ］とし、負荷２の両端の電圧を電圧Ｖ’とする。この場合、以下の式（１）〜（３）が成り立つ。
【００２７】
【数１】
2017070106.tif 000003
なお、ωは、角周波数である。
【００２８】
式（２）に式（３）を代入することにより、以下の式（２）’が得られる。
【数２】
2017070106.tif 000004
【００２９】
式（２）’と式（１）により、式（４）で示すようにΔＩが求められる。
【数３】
2017070106.tif 000005
【００３０】
ΔＩ算出部１６は、上記式（４）により、ＬＣフィルタ１４のコンデンサ１４２に流れる電流値ΔＩを算出し、電流値ΔＩを加算器１２３に出力する。
【００３１】
ここで、補正電圧算出部１２２によるデッドタイム補正信号Ｖｄの算出方法について具体的に説明する。補正電圧算出部１２２は、加算器１２３から出力された電流値（Ｉ＋ΔＩ）を用い、以下の式（５）によりデッドタイム補正信号Ｖｄを算出する。
【数４】
2017070106.tif 000006
（Ｅ：直流電圧［Ｖ］，Ｔｄ：デッドタイム［ｓ］，ｆ：スイッチング周波数［Ｈｚ］、ｓｉｇｎ（Ｉ＋ΔＩ）：符号関数）
【００３２】
図３の（ａ）に、電力変換部１３の電圧形インバータにおける主回路の１相分の回路構成を示す。また、図３の（ｂ）に、このインバータのデッドタイムにおける出力電圧の増減を示す。図３の（ａ）に示すように、電圧形インバータは、直流電源Ｅ［Ｖ］の両端に直列に接続されたスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２と、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２にそれぞれ並列に接続された還流ダイオードＤ１、Ｄ２とを有する。
【００３３】
図３の（ｂ）に示すように、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２は、デッドタイムＴｄ［ｓ］の期間を除いて、交互にオン又はオフとなるように制御される。デッドタイムＴｄの期間は、スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２は共にオフとなり、デッドタイムＴｄにおける出力電圧は、出力電流ｉの向き（極性）に依存する。図３の（ａ）において、出力電流ｉが正（ｉ＞０）の場合には、還流ダイオードＤ２が導通するため、出力電圧は０［Ｖ］となる。また、出力電流ｉが負（ｉ＜０）の場合には、還流ダイオードＤ１が導通し、出力電圧はＥ［Ｖ］となる。つまり、デッドタイムＴｄが設けられている場合、デッドタイムにおける出力電圧は、デッドタイムＴｄが設けられていない場合と比べ、出力電流ｉの極性が正の場合に減少し、出力電流ｉの極性が負の場合に増加する。
【００３４】
デッドタイムにおける出力電圧の増減を補正する方法として、補正用電圧ΔＶ＝Ｅ×Ｔｄ×ｆ×ｓｉｇｎ（ｉ）を求め、電圧指令値に補正用電圧ΔＶを加算する方法が従来から一般的に用いられている。なお、ｓｉｇｎ（ｉ）は符号関数であり、ｓｉｇｎ（ｉ）＝１（ｉ＞０），ｓｉｇｎ（ｉ）＝０（ｉ＝０），ｓｉｇｎ（ｉ）＜０（ｉ＜０）である。この補正方法では、出力電流ｉの極性が正の場合（ｉ＞０）、デッドタイムＴｄにおける出力電圧を増加させるように電圧指令値に対してプラス方向の補正を行い、出力電流ｉの極性が負の場合、デッドタイムＴｄにおける出力電圧を減少させるように電圧指令値に対してマイナス方向の補正を行う。
【００３５】
従来の補正方法では、ＬＣフィルタ１４を流れる無効電流、すなわち、コンデンサ１４２に流れる電流値が考慮されていないため、その電流値の分だけ、ＬＣフィルタ１４の入力端に流れる電流と検出電流との間で位相がずれる。そのため、検出された電流値のみを用いた従来のデッドタイム補正方法では、適切な位置でデッドタイム補正を行うことができず、出力電圧波形が歪む。特に、負荷２とＬＣフィルタ１４との間が導通していない無負荷状態の場合には、ＬＣフィルタ１４の出力端の電流値は０［Ａ］となるため、デッドタイム補正が行われず、出力電圧波形が歪みやすい。
【００３６】
この課題を解決するべく、本実施の形態では、上記式（５）を用い、デッドタイム補正信号Ｖｄを求めている。つまり、本実施の形態では、Ｖｄ＝Ｖ１×Ｔｄ×ｆ×ｓｉｇｎ（Ｉ＋ΔＩ）により、デッドタイム補正信号Ｖｄを求めることにより、検出された電流値Ｉと、算出された電流値ΔＩとを加算した電流値（Ｉ＋ΔＩ）の極性に応じてデッドタイム補正信号Ｖｄを求める。そして、電圧指令信号Ｖ１とデッドタイム補正信号Ｖｄとを加算した修正電圧指令信号Ｖ２を電力変換部１３に入力することにより、デッドタイム補正が行われる。
【００３７】
図４は、従来のデッドタイム補正と本実施の形態におけるデッドタイム補正をそれぞれ無負荷状態において適用した場合の出力電圧波形のシミュレーション結果を表す図である。図４において、破線は、従来のデッドタイム補正を適用した場合のシミュレーション結果であり、実線は、本実施の形態におけるデッドタイム補正を適用した場合のシミュレーション結果である。
【００３８】
図４の破線で示す従来のデッドタイム補正を適用した電圧波形は、実線で示す電圧波形よりも位相が遅れ、電圧波形が歪んでいる。これは、コンデンサ１４２に流れる電流値ΔＩだけ、ＬＣフィルタ１４の入力端における電流と位相がずれている検出電流の極性に応じてデッドタイム補正を行っているからである。これに対し、実線で示す、本実施の形態のデッドタイム補正を適用した電圧波形は、ＬＣフィルタ１４の出力端における電流の位相ずれが補償された電流値（Ｉ＋ΔＩ）の極性に応じたデッドタイム補正がなされているため、従来のデッドタイム補正を適用した場合よりも、より整形された正弦波の電圧波形となっている。
【００３９】
このように、本実施の形態では、コンデンサ１４２に流れる電流値ΔＩを考慮し、ＬＣフィルタ１４の出力端における電流の位相ずれが補償された電流値の極性に応じてデッドタイム補正信号Ｖｄが求められるため、無負荷状態においても、適切にデッドタイム補正を行うことができる。その結果、従来のデッドタイム補正を適用する場合と比べ、より高い精度でデッドタイム補正を行うことができ、より整形された電圧波形を出力することができる。
【００４０】
＜変形例＞
以上、本発明の実施の形態を説明したが、上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。以下、本発明の変形例について説明する。
【００４１】
（１）上述した実施の形態において、ＬＣフィルタ１４と負荷２との間が導通していない無負荷状態の場合や、電流検出部１５で検出される電流値Ｉが小さい場合には、ΔＩ算出部１６で算出される電流値ΔＩの位相を固定してデッドタイム補正を行うようにしてもよい。具体的には、電流検出部１５で検出される電流値Ｉが所定の基準値よりも小さい場合、デッドタイム補正部１２は、例えば、電流値ΔＩを所定の値に固定し、電流値Ｉに加算してデッドタイム補正信号Ｖｄを求めてもよい。これにより、電力変換部１３には、略一定した直流電圧を示す電圧信号が入力される。
【００４２】
無負荷状態や検出される電流値Ｉが小さい場合、ＬＣフィルタ１４の出力端における電流極性の変化も微小となるため、電流値ΔＩを固定しても出力電圧波形に歪みが生じにくい。そのため、上記のように構成することで、無負荷状態や検出される電流値Ｉが小さい場合において、電力変換部１３に電圧信号を供給する際の処理負荷を軽減することができる。
【００４３】
（２）上述した実施の形態では、ＬＣフィルタを用いる例を説明したが、ＬＣフィルタ以外のフィルタを用いてもよい。この場合であっても、ΔＩ算出部１６において、電圧指令信号と検出電流とを用いて、フィルタ内の接地電位へ流れる電流値を算出すればよい。
【符号の説明】
【００４４】
１・・・電力供給装置、２・・・負荷、１１・・・制御回路、１２・・・デッドタイム補正部、１３・・・電力変換部、１４・・・ＬＣフィルタ、１５・・・電流検出部、１６・・・ΔＩ算出部、１２１・・・加算器、１２２・・・補正電圧算出部、１４１・・・コイル、１４２・・・コンデンサ、１６１・・・加算器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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