(57)【要約】      （修正有）【課題】電力コンバータから高速、高出力の電動モータに供給すると、熱および全調波歪みが増大、スイッチング損失量が増大することがある。【解決手段】少なくとも第１の脚部と第２の脚部とを備える電気回路を備える電力コンバータ１００を設けるステップと、電力コンバータ１００に入力電力信号９２０を供給するステップと、第１の脚部に少なくとも第１のゲート制御信号９３０を供給するステップと、第２の脚部に少なくとも第２のゲート制御信号９４０を供給するステップと、供給された第１のゲート制御信号９３０と第２のゲート制御信号９４０とに少なくとも部分的に応答して、少なくとも１つの出力電力信号を負荷９５０に出力するステップとを含む。第１のゲート制御信号９３０および第２のゲート制御信号９４０は各々、第２のゲート制御信号９４０を第１のゲート制御信号９３０に対して移相させる。【選択図】図９
2009268351.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷に電力を供給する方法であって、
少なくとも第１の脚部と第２の脚部とを備える電気回路を備える電力コンバータ（１００）を設けるステップと、
前記電力コンバータ（１００）に入力電力信号（９２０）を供給するステップと、
前記第１の脚部に少なくとも第１のゲート制御信号（９３０）を供給するステップと、
前記第２の脚部に少なくとも第２のゲート制御信号（９４０）を供給するステップと、
供給された前記第１のゲート制御信号（９３０）と前記第２のゲート制御信号（９４０）とに少なくとも部分的に応答して、少なくとも１つの出力電力信号を前記負荷（９５０）に出力するステップとを含み、
前記第１のゲート制御信号（９３０）および前記第２のゲート制御信号（９４０）は各々、ノッチ（３５０）を含む波形（４１０）を備え、
前記第２のゲート制御信号（９４０）を前記第１のゲート制御信号（９３０）に対して移相させる、方法。
【請求項２】
前記第１のゲート制御信号（９３０）および前記第２のゲート制御信号（９４０）は各々、５°から２０°の間のノッチ（３５０）幅を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１のゲート制御信号（９３０）と前記第２のゲート制御信号（９４０）の各々のノッチ（３５０）が、約７°のノッチ（３５０）幅を備える、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１のゲート信号（９３０）と前記第２のゲート信号（９４０）との相対的移相が、５°から４０°の移相である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記第１のゲート信号（９３０）と前記第２のゲート信号（９４０）との相対的移相が、約３０°の移相である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記第１のゲート制御信号（９３０）および前記第２のゲート制御信号（９４０）の各々が、前記電力コンバータ（１００）の基本周波数の１倍から３倍の間の有効スイッチング周波数を含む、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記第１のゲート制御信号（９３０）および前記第２のゲート制御信号（９４０）の各々が、前記電力コンバータ（１００）の基本周波数の約１．５倍の有効スイッチング周波数を含む、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記負荷が少なくとも１つの高速電動モータからなる、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記出力電力信号（９５０）のスイッチング損失または調波歪みの少なくとも１つを改善するため、前記第１のゲート制御信号（９３０）または前記第２のゲート制御信号（９４０）の少なくとも１つのノッチ（３５０）の幅または相対的移相の少なくとも１つを調整するステップをさらに含む、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１０】
負荷の電力を供給するシステムであって、
電力信号（９２０）を供給するように動作可能な電圧源と、
少なくとも第１の脚部と第２の脚部とを備える電気回路を備える電力コンバータ（１００）と、
前記電力コンバータ（１００）の前記第１の脚部に少なくとも第１のゲート制御信号（９３０）を供給し、前記第２の脚部に少なくとも第２のゲート制御信号（９４０）を供給するように動作可能な少なくとも１つのゲートコントローラ（１７５）と、を備え、
前記第１のゲート信号（９３０）および前記第２のゲート信号（９４０）の各々がノッチ（３５０）を含む波形（４１０）を備え、
前記第１のゲート制御信号（９３０）を前記第２のゲート制御信号（９４０）に対して移相させ、
前記コンバータ（１００）は、前記電圧源からの電力信号を受け、供給された前記第１の信号（９３０）と前記第２の信号（９４０）とに少なくとも部分的に応答して、少なくとも１つの出力電力信号（９５０）を負荷に出力するように動作可能であるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に電力コンバータに関し、より具体的には負荷に電力を供給するコンバータを制御するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高速電気機械、または高速、高出力の電動モータは多くの異なる用途で使用される。例えば、高速、高出力の電動モータは、産業用途でパワーポンプ、ファン、送風機、またはコンプレッサに適用可能である。可変速度で動作する高速、高出力の電動モータは、工業、鉱業、および掘削作業の分野で需要が高まっている。さらに、作業には高度の信頼性が必要となることが多い。採油ステーションへのアクセスが困難であり時間のかかる地球規模で遠隔地からの原油を採油するなどの業務では、危険かつコストがかさむ長期の運転停止を防止するため、モータの動作の信頼性が必要である。
【０００３】
高速、高出力の電動モータは電源から電力を受けることができる。多くの用途では、電源から出力される信号は、電力コンバータを通ってから高速、高出力の電動モータへ入力される。例えば、直流電力信号は電源から出力されると、直流電流から交流電流（「ＡＣ」）へ変換するコンバータを通り、交流電動モータ用に適した信号を生成する。また、電力コンバータに電力を供給するのに適した信号を生成するため、選択的に作動する１つまたは複数のスイッチを電力コンバータに組み込んでもよい。これらのスイッチは、例えば（「ＳＣＲ」または「シリコン制御整流器」とも呼ばれる）サイリスタ、トライアック、パワートランジスタ、（「ＭＯＳＦＥＴ」と呼ばれる）金属酸化膜半導体電界効果型パワートランジスタ）、（「ＩＧＢＴ」と呼ばれる）絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、（「ＩＧＣＴ」と呼ばれる）集積ゲート整流サイリスタ、および（「ＭＣＴ」と呼ばれる）ＭＯＳ制御サイリスタなどの半導体デバイスであってよい。
【０００４】
簡便かつ頑丈で信頼できる電力コンバータは、このような高速、高出力の電動モータの動作に不可欠である。直列または並列の半導体スイッチなどの複数の個別構成部品を含むコンバータについては、個々のコンポーネントスイッチのいずれか１つが不規則に故障する可能性が高くなることがある。半導体スイッチ用のスナバ回路などの素子をコンバータに追加すると、故障の可能性がある構成部品の数がさらに増える。従って、電力コンバータを簡単な構造で構成し、構成部品の数を少なくする必要がある。しかし、簡略化されたコンバータ構造の故障を避けるため、電力コンバータの個別構成部品は十分な熱マージンおよびその他の機能的な限度内で動作される必要がある。
【０００５】
それに加え、多くの用途では、ある一定の電力出力を有する高速、高出力の電動モータが必要である。モータのサイズを縮小させた分、周波数またはモータの回転速度を高めることによって同じ電力出力を得ることができる。多くの場合、高速、高出力の電動モータの上昇した回転スピードまたは回転速度に適応させるため、電力コンバータ内でスイッチが作動する周波数が高くなる。言い換えると、より高い周波数の信号が電力コンバータからモータに印加される。
【０００６】
しかし、より高い周波数の入力信号を電力コンバータから高速、高出力の電動モータに供給すると、モータの構成部品の熱および全調波歪みが増大することがある。それに加え、電力コンバータのスイッチング周波数が高まると、電力コンバータ内のスイッチング損失量が増大することがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第１１／８０９，１２２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従って、負荷に電力を供給するコンバータを制御する、改良されたシステムおよび方法が求められている。
【０００９】
さらに、スイッチング損失および負荷の全調波歪みを低減する、負荷に電力を供給するコンバータを制御するシステムおよび方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の実施形態は、上記の必要性の幾つかまたは全てに対処することができる。本発明の実施形態は概して、負荷に電力を供給するコンバータを制御するシステムおよび方法に関する。
【００１１】
本発明は一実施形態において、負荷に電力を供給する方法を提供する。この方法は、少なくとも第１の脚部と第２の脚部とを備える電気回路を備える電力コンバータを設けるステップと、電力コンバータに入力電力信号を供給するステップと、第１の脚部に少なくとも第１のゲート制御信号を供給するステップと、第２の脚部に少なくとも第２のゲート制御信号を供給するステップと、供給された第１の信号と第２の信号とに少なくとも部分的に応答して、少なくとも１つの出力電力信号を負荷に出力するステップとを含み得る。この例示的実施形態によれば、第１のゲート信号および第２のゲート信号の各々は、ノッチを含む波形を含んでよく、第２のゲート制御信号を第１のゲート制御信号に対して移相させることができる。
【００１２】
本発明は別の例示的実施形態において、負荷に電力を供給するシステムを提供する。このシステムは、電力信号を供給するように動作可能な電圧源と、少なくとも第１の脚部と第２の脚部とを備える電気回路を備える電力コンバータと、電力コンバータの第１の脚部に少なくとも第１のゲート制御信号を供給し、第２の脚部に少なくとも第２のゲート制御信号を供給するように動作可能な少なくとも１つのゲートコントローラとを含み得る。この例示的実施形態によれば、第１のゲート信号および第２のゲート信号は各々、ノッチを含む波形を備えてよく、第１のゲート制御信号を第２のゲート制御信号に対して移相させることができる。コンバータは電圧源から電力信号を受け、供給された第１のゲート制御信号と第２のゲート制御信号とに少なくとも部分的に応答して、少なくとも１つの出力電力信号を出力することができる。
【００１３】
本発明はさらに別の例示的実施形態において、負荷に電力を供給する方法を提供する。この方法は、Ｈブリッジ電力コンバータの各々の位相が２つの脚部を備える３相Ｙ字接続Ｈブリッジ電力コンバータを設けるステップと、入力電力信号をＨブリッジ電力コンバータに供給するステップと、異なるゲート制御信号をＨブリッジ電力コンバータの各位相の各脚部に供給するステップと、供給されたゲート制御信号に少なくとも部分的に応答して、少なくとも１つの出力電力信号を負荷に出力するステップとを含み得る。各ゲート制御信号は、ノッチを含む波形を備えてよく、各ゲート制御信号を、同じ位相の他の脚部に供給された他のそれぞれのゲート制御信号に対して移相させることができる。
【００１４】
本発明のその他の実施形態および態様は、添付図面と関連付けた以下の説明から明らかとなる。
【００１５】
本発明の実施形態を一般的な用語を用いて説明してきたが、これより添付図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。なお、これらの図面は必ずしも縮尺通りではない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の例示的実施形態において使用可能な電力コンバータの一例を示す概略図である。
【図２Ａ】本発明の例示的実施形態による例示的コンバータのステップ状出力電圧を示す図である。
【図２Ｂ】本発明の例示的実施形態による例示的コンバータのステップ状出力電圧を示す図である。
【図３】本発明の例示的実施形態による例示的ゲート制御信号を示す図である。
【図４Ａ】本発明の例示的実施形態による例示的入力波形およびコンバータ出力を示す図である。
【図４Ｂ】本発明の例示的実施形態による例示的入力波形およびコンバータ出力を示す図である。
【図４Ｃ】本発明の例示的実施形態による例示的入力波形およびコンバータ出力を示す図である。
【図４Ｄ】本発明の例示的実施形態による例示的入力波形およびコンバータ出力を示す図である。
【図５Ａ】本発明の例示的実施形態による例示的入力波形およびコンバータ出力を示す図である。
【図５Ｂ】本発明の例示的実施形態による例示的入力波形およびコンバータ出力を示す図である。
【図５Ｃ】本発明の例示的実施形態による例示的入力波形およびコンバータ出力を示す図である。
【図５Ｄ】本発明の例示的実施形態による例示的入力波形およびコンバータ出力を示す図である。
【図６Ａ】本発明の例示的実施形態による例示的入力波形およびコンバータ出力を示す図である。
【図６Ｂ】本発明の例示的実施形態による例示的入力波形およびコンバータ出力を示す図である。
【図６Ｃ】本発明の例示的実施形態による例示的入力波形およびコンバータ出力を示す図である。
【図６Ｄ】本発明の例示的実施形態による例示的入力波形およびコンバータ出力を示す図である。
【図７Ａ】本発明の例示的実施形態による例示的入力波形およびコンバータ出力を示す図である。
【図７Ｂ】本発明の例示的実施形態による例示的入力波形およびコンバータ出力を示す図である。
【図７Ｃ】本発明の例示的実施形態による例示的入力波形およびコンバータ出力を示す図である。
【図７Ｄ】本発明の例示的実施形態による例示的入力波形およびコンバータ出力を示す図である。
【図８】本発明の例示的実施形態による例示的制御ユニットのブロック図である。
【図９】本発明の例示的実施形態によるコンバータを制御する例示的方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、本発明の例示的実施形態を示す添付図面を参照して本発明をより詳細に説明する。しかし、本発明は多くの異なる形態において実施可能であり、本明細書に記載の例示的実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が適用可能な法的要件を満たすように提示されるものである。同様の番号は全体を通して同様の要素を示す。
【００１８】
本発明の例示的実施形態において、例えば高速、高出力の電動モータ（本明細書では単に「モータ」とも呼ばれる）などの負荷に電力を供給するコンバータに改善されたゲート制御信号を供給するシステムおよび方法を開示する。一実施例では、コンバータは本明細書でさらに記載するように、少なくとも２つの脚部を含み、少なくとも２つのゲート制御信号が各脚部に１つずつコンバータに供給される。本明細書で用いる用語「ゲート制御信号」、「入力信号」、および「入力制御信号」と「制御信号」を、置換して用いることもできる。ゲート制御信号は波形パターンを有し、各々が少なくとも１つのノッチを含んでいる。コンバータから負荷に供給される電力信号を改善するために、ノッチの幅を調整できる。さらに、各ゲート制御信号を、電力信号をさらに改善するために他のゲート制御信号に対して移相させることができる。ノッチ幅の調整、およびゲート制御信号の移相の結果、コンバータ（１つまたは複数）は、高速、高出力の電動モータなどの負荷に改善された電力信号を供給する。改良された電力信号は、適宜の制御信号が供給される１つまたは複数のコンバータによって生成される。少なくとの１つのノッチを組み込み、移相されたゲート制御信号に応答して生成された電力信号は、モータの動作中に全調波歪みを低減する。それに加え、改善された電力信号はさらに、モータの動作中にスイッチング損失をも低減する。
【００１９】
本発明の実施例は、負荷内の全調波歪みおよびスイッチング損失を低減できる改善された出力信号を負荷に供給すること、負荷内の全調波歪みおよびスイッチング損失を低減できる改善された出力信号を負荷に供給する電力変換を行うこと、および／または負荷内の全調波歪みおよびスイッチング損失を低減できる改善された出力信号を負荷に供給するため、電力コンバータ内の１つまたは複数のスイッチの選択的な作動を制御する１つまたは複数のゲート制御信号を電力コンバータに供給することを含むが、これらに限定されないある特定の技術的効果を発揮し、またはその他の方法で促進することが可能である。
【００２０】
図１に、本発明の例示的実施形態による例示的電力コンバータ１００を示す。この実施例で示す電力コンバータは、図１に示す簡略な３相Ｙ字接続Ｈブリッジ電力コンバータ構造を含む。コンバータの各位相１０５、１０６、１０７は、コンデンサ１１０で表す直流電力成形回路を有する電力ソース／シンク１０２を含む。電力ソース／シンク１０２、およびコンデンサ１１０で表す直流電力成形回路は、ブリッジの半導体スイッチへの直流リンク電圧を確立する。例えば、内蔵ダイオード１１５を有する絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（「ＩＧＢＴ」）１１２がＨブリッジ１２０の各々の脚部を形成し得るが、集積ゲート整流サイリスタ（「ＩＧＣＴ」）または金属酸化膜半導体電界効果型パワートランジスタ（「ＭＯＳＦＥＴ」）などの他の電力半導体スイッチを代わりに使用することも可能であろう。電力半導体スイッチの種類は分析にとって重要ではない。各々のＨブリッジは、２つの脚部、すなわち出力脚部１２５とニュートラル脚部１３０とを含む。各々の位相出力、位相Ａ１３５、位相Ｂ１４０および位相Ｃ１４５は、それぞれの出力ブリッジ脚部１２０の中間点１５０に接続される。Ｙ字ポイント１５５への各々のニュートラル接続はそれぞれのニュートラル出力脚部１２５の中間点１６０に結合される。
【００２１】
ゲート制御部１７５は、所定のスイッチングパターンに従ってＨブリッジコンバータの各位相１０５、１０６、１０７の半導体スイッチ１１２をスイッチングするために制御信号１８０、１８５、１９０を供給する。ゲート制御部は同期的スイッチングパターンを供給できる。ゲート制御部は、Ｈブリッジの半導体スイッチ１１２の同期的なスイッチングを行うこともでき、または非同期的な（例えばパルス幅変調）スイッチングを行うこともできる。
【００２２】
大型モータの動作に関する３相Ｙ字接続Ｈブリッジコンバータには、幾つかの基本的な同期的スイッチング方式が考えられる。スイッチング方式によって、モータを駆動するための基本的な電圧出力周波数を確立する。（それぞれの脚部の中間点の間の）Ｈブリッジの１つの位相のスイッチング出力２１０によって、図２Ａに示すように、３レベル出力として知られる正のステップ状出力と、負のステップ状出力と、ゼロ値出力とを確立することができる。しかし、３相Ｙ字接続の構造では、出力線間電圧（例えば位相Ａから位相Ｂ）２２０は、図２Ｂに示すように、位相ＡのＨブリッジおよび位相ＢのＨブリッジからのステップの組み合わせにより５レベルの出力を供給する。レベルの数が大きくなるほど、正弦波がより忠実にシミュレートされ、モータへの調波歪みが低減される。
【００２３】
図１は３相Ｙ字接続Ｈブリッジコンバータを図示しているが、異なる構造を有する別の電力コンバータを本発明の実施形態で使用してもよいことが理解されよう。例えば、別の例示的実施形態では、単相電力コンバータを使用してもよい。あるいは、さらに別の例示的実施形態では、デルタ構造のコンバータを使用してもよい。これらの例示的電力コンバータは実施例を限定するものではなく、説明目的のために記載される。
【００２４】
同じ基本周波数を有する４つの固定パルスパターンを図３に示す。個々のＨブリッジコンバータの半導体スイッチに適用される固定パルスパターンは、１２０°の電気角だけ離れ、その結果、１２０°の電気角だけ離れた（例えば位相Ａから位相Ｂへの）位相間の線間出力を生ずる。調波歪みの性能を高めるため、パルルパターンの基本周波数パルス３６０の周囲にノッチを挿入することができる。ノッチ３５０を挿入することで、ブリッジ出力の有効スイッチング周波数が追加される。パルスパターン１（「ＰＰ１」）３００は基本周波数の１倍の有効スイッチング周波数を有する。パルスパターン２（「ＰＰ２」）３１０は基本周波数の２倍の有効スイッチング周波数を有する。パルスパターン３（「ＰＰ３」）３２０は基本周波数の３倍の有効スイッチング周波数を有する。ノッチが全ての他のサイクルに組み込まれたパルスパターン１．５（「ＰＰ１．５」）３３０は基本周波数の１．５倍の有効スイッチング周波数を有する。
【００２５】
１つまたは複数のノッチ３５０は、入力信号の状態を変化させた後、入力信号を変化前の状態に戻すことによって生成できる。例えば、入力信号が現在高い入力信号である場合は、入力信号を低い入力信号にシフトし、次いで入力信号を再び高い入力信号にシフトすることによってノッチ３５０を生成できる。別の例として、入力信号が現在低い入力信号である場合は、入力信号を高い入力信号にシフトし、次いで入力信号を再び低い入力信号にシフトすることによってノッチ３５０を生成できる。
【００２６】
１つまたは複数のノッチ３５０の各々は、入力信号の周期に対して（「ノッチ幅」とも呼ばれる）継続時間が比較的短いノッチであってよい。一実施例によれば、ノッチ３５０のノッチ幅は、入力信号の周期を３６０°とすると、約２０°以下であってよい。一実施例では、ノッチ幅は約５°から約２０°の間でよい。ノッチ幅を、少なくとも部分的に、入力信号が供給されるスイッチの仕様、パラメータおよび／または性能によって決定することができることが理解されよう。言い換えると、スイッチの作動に必要な時間を最短にすることができ、ノッチ幅は少なくとも部分的に、スイッチをオンからオフに、またはオフからオンに作動するための最短時間に基づくものでよい。それに加え、適切なノッチ幅を、構成部品の挙動の測定および監視によって決定することができ、少なくとも部分的に電力コンバータ回路および／または負荷特性に依存するものでよい。
【００２７】
ノッチの挿入によりスイッチング速度が高くなると、半導体スイッチでのスイッチング損失が大きくなり、半導体スイッチが熱マージンにさらに近くなり、動作の信頼性に影響を及ぼす可能性がある。実験中、ＰＰ１は最低の有効周波数を示し、従って半導体スイッチ内のスイッチング損失は最小になった。しかし、ＰＰ１．５は最小の調波歪みを示し、同時にＰＰ２およびＰＰ３よりもスイッチング損失が少なかった。
【００２８】
ブリッジの２つの脚部間の移相、ノッチ幅およびノッチ位置の影響を評価するため、ＰＰ１、ＰＰ２、ＰＰ３およびＰＰ１．５をさらに検討した。個々のＨブリッジの各々の脚部について制御波形間の移相がゼロであると、異なるＨブリッジへの制御波形の幾つかは特有のものではなくなることがあり、その結果、接続されたＨブリッジでの幾つかのスイッチング事象が同時に行われ、そのため出力に追加パルスを生成しない。ＰＰ２制御波形を使用する前述のコンバータでは、制御信号は特有のものとなるが、幾つかのスイッチング事象が同じＨブリッジ内で同時に、かつ同じ方向で発生する。出力波形内にスイッチング事象の利点が見られずに、スイッチング損失はＨブリッジの両方の脚部に同時に、かつ同じ方向で生ずる。従って、スイッチングエッジが出力波形上で電圧変化を生ずることができるように、個々のＨブリッジの２つの脚部間での制御信号の移相を生じさせることが望ましい。ブリッジの脚部間の移相によって、出力ステップの変化のタイミングをシフトし、より高レベルの出力を保ち、それによってより忠実にシミュレートされた正弦出力性能を維持し、歪みを抑制することができる。図４Ａ（５Ａ、６Ａ、７Ａ）は、ＰＰ１（ＰＰ２、ＰＰ３、ＰＰ１．５）入力波形を有する単相Ｈブリッジの１つの位相の波形４１０（５１０、６１０、７１０）を示す。図４Ｂ（５Ｂ、６Ｂ、７Ｂ）は、ＰＰ１（ＰＰ２、ＰＰ３、ＰＰ１．５）入力波形を有する単相Ｈブリッジの第２の位相の波形４２０（５２０、６２０、７２０）を示す。図４Ｃ（５Ｃ、６Ｃ、７Ｃ）は、ＰＰ１（ＰＰ２、ＰＰ３、ＰＰ１．５）入力波形を有する単相Ｈブリッジの出力電圧波形４３０（５３０、６３０、７３０）を示す。図４Ｄ（５Ｄ、６Ｄ、７Ｄ）は、ＰＰ１（ＰＰ２、ＰＰ３、ＰＰ１．５）入力波形を有する単相Ｈブリッジの（線間）電圧出力波形４４０（５４０、６４０、７４０）を示す。図５Ｄ（７Ｄ）は、コンバータ（線間）出力電圧５５０（７５０）と、位相Ａの線間電流５６０（７６０）とのシミュレート結果を示す。
【００２９】
全調波歪み（「ＴＨＤ」）を最小限にするための最適な組み合わせを決定するため、制御信号内での移相の組み合わせ、ノッチ幅の選択、およびノッチの配置を、ＰＰ１、ＰＰ２、ＰＰ３およびＰＰ１．５についてモデリングした。ＰＰ１の入力波形には、ノッチなしのブリッジ間での３０°の移相を組み込んだ。ＰＰ２の入力波形には、ブリッジ間の移相なしで１５°のノッチを組み込んだ。ＰＰ３の入力波形には、ブリッジ間の１０°の移相を含めた１０°のノッチを組み込んだ。ＰＰ１．５の入力波形には、ブリッジ間の３０°の移相を含めた７°のノッチを組み込んだ。表１は、モデリングした入力波形ＰＰ１、ＰＰ２、ＰＰ３およびＰＰ１．５での負荷電流の全調波歪みをまとめたものである。負荷電流での最小のＴＨＤはＰＰ１．５の制御波形で得られる。
【００３０】
【表１】
2009268351.tif 000003
実験において、実施例の負荷に対して実施例のコンバータを適用したとき、基本周波数の約１．５倍の有効周波数および約７°のノッチ幅を有し、約３０°の移相を加えたゲート制御信号は、最小の全調波歪みを生じた。これらの例示的入力および出力を図７Ａ〜７Ｄに示す。しかし、別の実施形態では、異なるノッチ幅、移相、および／または有効周波数を有する別の波形は、より小さい調波歪みおよび／またはより小さいスイッチング損失を生じ得ることが理解されよう。先述の入力および出力波形は例示的なものであり、本発明の別の実施形態によりコンバータに別の波形を付与してもよい。
【００３１】
本明細書に記載のゲート制御信号またはスイッチング信号を、マイクロプロセッサ、集積回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（「ＦＰＧＡ」とも呼ばれる）、またはその他の公知の電子回路によって制御してよい。図８は、コンバータのスイッチへのゲート制御信号を生成し、または生成を制御するため、本発明の様々な実施形態により使用できる、図１に示すゲートコントローラ１７５のような制御ユニット８００の一実施例のブロック図を示す。本明細書で用いる用語「制御ユニット」、「ゲートコントローラ」、および「コントローラ」について、置換して用いることができる。制御ユニット８００は、本発明によりプログラム化論理８１５（例えばソフトウエア）を格納するメモリ８０５を含んでよい。メモリ８０５は、本発明の動作で使用するデータ８２０およびオペレーティングシステム８２５を含んでよい。プロセッサ８１０は、プログラム化論理８１５を実行するためにオペレーティングシステム８２５を使用してよく、その際にデータ８２０を利用することもできる。データバス８３０は、メモリ８０５とプロセッサ８１０との通信を行う。ユーザーはキーボード、マウス、制御パネルまたはディジタルデータを制御ユニット８００に通信可能なその他のいずれかのデバイスなどの１つまたは複数のユーザーインターフェースデバイス（１つまたは複数）８３５を介して、制御ユニット８００とインターフェースすることができる。制御ユニット８００、およびこれによって実装されるプログラム化論理８１５は、ソフトウエア、ハードウエア、ファームウエア、またはそれらの任意の組む合わせを含み得る。さらに、適切な制御ユニットに含まれる構成部品は、図２に示した全ての構成部品よりも多くても少なくてもよいことが理解されよう。
【００３２】
制御ユニット８００は、図１に示すコンバータ１００などの電力コンバータのスイッチに供給される１つまたは複数の入力ゲート制御信号を生成すること、またはその生成を制御することができる。１つまたは複数のゲート制御信号は、図１に示すスイッチ１１２などのスイッチの作動を制御できる。ゲート制御信号を複数のスイッチそれぞれに供給してよいことが理解されよう。一方、ゲート制御信号を複数のスイッチに供給してもよいことも理解されよう。さらに、ある実施形態では、第１のゲート制御信号を第１のスイッチ（または第１組のスイッチ）に供給し、第２のゲート制御信号を変更または移相し、合成信号を第２のスイッチ（または第２組のスイッチ）に供給してもよい。次いで合成信号を変更または移相し、第３のスイッチ（または第３組のスイッチ）に供給することができ、以下同様である。図２〜７を参照してさらに例示的に記載するように、異なるパルスパターン、調整されたノッチ、または移相などの多くの異なる代替形態をゲート制御信号または複数のゲート制御信号に利用できることが理解されよう。
【００３３】
例えば、第１の入力信号をコンバータ１００の第１の位相１０５のスイッチに供給することができる。第１の入力信号を約１２０°などのいずれかの必要な量だけ移相させ、コンバータ１００の第２の位相１０６のスイッチに供給することができる。さらに、第１の入力信号を約２４０°などの別の量だけ移相させ、コンバータ１００の第３の位相１０７のスイッチに供給することができる。
【００３４】
図９に、本発明の実施形態として機能し得る例示的な方法を示す。高速電動モータなどの電力コンバータに使用できる、図１に関連して記載したような電力コンバータを制御する方法を示す例示的フローチャート９００を示す。電力コンバータを、例えば図２〜７に関連して記載したゲート制御信号によって制御することができる。
【００３５】
例示的方法をブロック９１０から開始することができる。ブロック９１０において、電力コンバータが備えられる。電力コンバータは、図１を参照した実施例に記載のように電気回路を含んでよい。一実施例では、電力コンバータは３相Ｙ字接続Ｈブリッジコンバータであってよい。しかし、例えば単相コンバータ、デルタコンバータなどのその他のコンバータを備えてもよい。電力コンバータは、図１に示した出力脚部１２５およびニュートラル脚部１３０などの少なくとも第１の脚部と第２の脚部とを含むことができる。
【００３６】
ブロック９１０の後に、入力電力信号がコンバータに供給されるブロック９２０が続く。入力電力信号は直流信号でよい。しかし、本発明の例示的実施形態により、いずれかの適宜の入力電力信号をコンバータに供給してもよいことが理解されよう。
【００３７】
ブロック９２０の後に、少なくとも第１のゲート制御信号がコンバータの第１の脚部に供給されるブロック９３０が続く。ゲート制御信号を、図１に示すゲートコントローラ１７５などのゲートコントローラによって供給することができる。以下にさらに記載するように、ゲートコントローラを使用して追加のゲート制御信号を生成し、供給することができる。しかし、代替として、複数のゲートコントローラを使用して、いずれかの追加のゲート制御信号の一部または全部を供給してもよい。本発明の態様によれば、第１のゲート制御信号は１つまたは複数のノッチを含むことができる。１つまたは複数のノッチによって、コンバータの出力に接続される負荷の全調波歪みを低減し易くなる。任意選択として、追加のゲート制御信号をコンバータの第１の脚部に供給してもよいことが理解されよう。
【００３８】
ブロック９３０の後に、少なくとも第２のゲート制御信号がコンバータの第２の脚部に供給されるブロック９４０が続く。第２のゲート制御信号は、ブロック９３０に関連して記載したノッチと同様のノッチを含んでよい。
【００３９】
ブロック９４０の後に、供給された第１および第２のゲート制御信号に少なくとも部分的に応答して少なくとも１つの出力電力信号が負荷に出力されるブロック９５０が続く。
【００４０】
供給される各々の制御信号は、例えば図２〜７に関連して記載した波形のような任意の形態の波形の信号でよい。しかし、より具体的には、各ゲート制御信号は、波形内に生成されるノッチに基づく、供給される波形の基本周波数の約１倍から約３倍の間の有効スイッチング周波数を有し得る。しかし、供給されるこれらの有効周波数は例示的なものであり、本発明の別の実施形態により、別の有効周波数を有する波形が生成されてもよいことが理解されよう。
【００４１】
それに加え、各ゲート制御信号は、波形内に生成されたノッチを含む。各ノッチは、ゲート制御信号の３６０°の周期に対して最大約２０°までの間のノッチ幅を有し得る。一実施形態では、ノッチ幅は約２０°と約５°の間でよい。別の例示的実施形態では、ノッチ幅は約７°でよい。それに加え、各ゲート制御入力信号を他のゲート制御信号に対して移相させてもよい。例えば、第２のゲート制御信号を第１のゲート制御信号に対して最大約４０°だけ移相させてもよい。
【００４２】
例示的な一実施形態では、図７に関連して前述したように、第１のゲート制御信号は基本周波数の１．５倍の有効スイッチング周波数を有していてもよい。これは、ノッチが約５４０°、すなわち３６０°の１．５倍で生成される図７Ｂによって最も明解に示すことができる。この例示的波形はさらに、約７°のノッチ幅を有するノッチを含んでもよく、これは波形が約７°の範囲内で高、低、高に切り換わる図７Ｂでも約５４０°で示すことができる。最後に、図７Ａの第１の波形を図７Ｂの第２の波形と比較すると、約４０度の移相を観察することができる。
【００４３】
繰り返しになるが、図２〜７に示したゲート制御信号の波形は例示的な波形であり、本発明の例示的実施形態として他の波形を生成してもよい。例えば、全調波歪みまたはスイッチング損失をより良好に低減できる他のゲート制御信号波形を決定するため、有効周波数、ノッチ幅、および／または移相およびこれらの組み合わせの様々な調整に応じた条件を観察できる。
【００４４】
本明細書では、本発明の例示的実施形態によるシステム、方法、装置およびコンピュータプログラム製品のブロック図を参照する。ブロック図の少なくとも幾つかのブロック、およびブロック図内のブロックの組み合わせを少なくとも部分的にコンピュータプログラム命令によってそれぞれ実装できることが理解されよう。これらのコンピュータプログラム命令を汎用コンピュータ、専用コンピュータ、専用ハードウエアベースのコンピュータ、またはその他のプログラム可能データ処理装置にロードして、コンピュータまたはその他のプログラム可能データ処理装置で実行する命令が、前述のブロック図のブロックの少なくとも幾つか、またはブロック図のブロックの組み合わせの機能性を実装する手段を作成するような機械を製造することができる。
【００４５】
コンピュータまたはその他のプログラム可能データ処理装置に対して特定の態様で機能するように指示することができるコンピュータ読み取り可能メモリにこれらのコンピュータプログラム命令を格納して、コンピュータ読み取り可能メモリに格納された命令が、ブロックまたは複数のブロックで指定される機能を実装する命令手段を含む製品を製造するようにしてもよい。一連の演算要素をコンピュータまたはその他のプログラム可能データ処理装置で実行させるようにコンピュータプログラム命令をコンピュータまたはその他のプログラム可能データ処理装置にロードして、コンピュータまたはその他のプログラム可能データ処理装置で実行する命令が、ブロックまたは複数のブロックで指定される機能を実装する要素を提供するようにしてもよい。
【００４６】
本明細書に記載のシステムの１つまたは複数の構成部品、および方法の１つまたは複数の要素を、コンバータのオペレーティングシステムで実行されるアプリケーションプログラムを介して実装してもよい。さらに、これらを携帯デバイス、マルチプロセッサシステム、マイクロプロセッサをベースにした、またはプログラム可能な家電製品、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータなどを含むその他のコンピュータシステム構成で実行してもよい。
【００４７】
本明細書に記載のシステムおよび方法の構成要素であるアプリケーションプログラムは、ある種の抽象データ型を実装し、ある種のタスクまたはアクションを実行するルーチン、プログラム、コンポーネント、データ構造などを含むことができる。分散型コンピューティング環境では、アプリケーションプログラム（の全部または一部）をローカルメモリ、またはその他の記憶装置に格納してもよい。それに加え、またはその代わりに、通信ネットワークを介してリンクされる遠隔処理装置によってタスクを実行できるように、アプリケーションプログラム（の全部または一部）を遠隔メモリまたは記憶装置に格納してもよい。
【００４８】
以上の説明が包含する本明細書に例示的に記載した実施形態から、以上の説明および添付図面において開示した教示内容による利点を有する様々な変形形態およびその他の実施形態が想起可能であろう。従って本発明に様々な変更を加えることが可能であり、本発明は、以上に説明した例示的実施形態に限られないことを理解されたい。さらに本発明は、本明細書に開示した特定の実施形態にとどまらず、添付の特許請求の範囲の範疇にある様々な変形形態およびその他の実施形態を包含するものとする。本明細書では特定の用語が用いられているが、これらは、あくまでも広義的かつ説明目的において利用されたものであり、限定目的におけるものではない。
【符号の説明】
【００４９】
１００  電力コンバータ
１０２  電力ソース／シンク
１０５  位相
１０６  位相
１０７  位相
１１０  コンデンサ
１１２  集積ゲートバイポーラトランジスタ
１１５  ダイオード
１２０  Ｈブリッジ
１２５  出力脚部
１３０  ニュートラル脚部
１３５  位相Ａ
１４０  位相Ｂ
１４５  位相Ｃ
１５０  中間点
１５５  Ｙ字ポイント
１６０  中間点
１７５  ゲート制御部
１８０  制御信号
１８５  制御信号
１９０  制御信号
２１０  スイッチング出力
２２０  出力線間電圧
３００  パルスパターン１
３１０  パルスパターン２
３２０  パルスパターン３
３３０  パルスパターン１．５
３５０  ノッチ
３６０  周波数パルス
４１０  波形
４２０  波形
４３０  出力電圧波形
４４０  電圧出力波形
５１０  波形
５２０  波形
５３０  出力電圧波形
５４０  電圧出力波形
５５０  コンバータの（線間）出力波形
５６０  位相Ａの線間電流
６１０  波形
６２０  波形
６３０  出力電圧波形
６４０  電圧出力波形
７１０  波形
７２０  波形
７３０  出力電圧波形
７４０  電圧出力波形
７５０  コンバータの（線間）出力電圧
７６０  位相Ａの線間電流
８００  制御ユニット
８０５  メモリ
８１０  プロセッサ
８１５  プログラム化論理
８２０  データ
８２５  オペレーティングシステム
８３０  データバス
８３５  インターフェースデバイス
９００  フローチャート
９１０  ブロック
９２０  ブロック
９３０  ブロック
９４０  ブロック
９５０  ブロック
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図８】
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【図９】
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