特許 6743952 固定パルスパターンによる電力変換器の制御システムおよび制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6743952

(24)【登録日】2020年8月3日

(45)【発行日】2020年8月19日

(54)【発明の名称】固定パルスパターンによる電力変換器の制御システムおよび制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20200806BHJP

   H02M 7/497 20070101ALI20200806BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/48 E

   H02M7/497

【請求項の数】10

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2019-134958(P2019-134958)

(22)【出願日】2019年7月23日

【審査請求日】2020年4月7日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006105

【氏名又は名称】株式会社明電舎

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(74)【代理人】

【識別番号】100104938

【弁理士】

【氏名又は名称】鵜澤 英久

(74)【代理人】

【識別番号】100210240

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 友幸

(72)【発明者】

【氏名】小川 隆一

(72)【発明者】

【氏名】滝口 昌司

【審査官】 山崎 雄司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−２１５０４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１４３８３１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／１０４３７０（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／１２

Ｈ０２Ｍ ７／４２−７／９８

Ｈ０２Ｐ ２７／０６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

目標変調率および位相に応じた出力電圧レベルを定めたパルスパターンがテーブル化されたパルスパターンテーブルを有し、入力された目標変調率および位相指令に対応する前記パルスパターンテーブルの出力電圧レベルに基いてゲート信号を生成し、該生成されたゲート信号によって電力変換器の半導体素子を制御するシステムであって、
前記目標変調率を出力するための必要最小レベル数を定め、
前記電力変換器の電圧基本波と高調波のうち、制御したい電圧次数の総数を定め、
前記定めた必要最小レベルと制御したい電圧次数の総数を比較し、いずれか大きい方を目標変調率における四半周期のスイッチング回数Ｎに決定し、
前記決定された目標変調率および四半周期のスイッチング回数Ｎをもとに、式（４）による電圧基本波を前記目標変調率にあわせて、式（５）又は式（６）による高調波について、所望の次数の高調波が低減できるようにしたＮ回分のスイッチング位相を求め、

【数4】

【数5】

【数6】

（ただし、ｄ＿ｒｅｆは目標変調率、Ｖｎは電圧ｎ次高調波振幅、Ｉｎは電流ｎ次高調波振幅、Ｌ＿ｈｉｇｈは電力変換器の最大出力レベル数、Ｎは四半周期のスイッチング回数、θＡ…θＮは各スイッチング位相であり、ｃｏｓ関数の前の符号はスイッチングによるレベル変化の方向が正なら＋、負なら−になる。）
前記目標変調率と前記求められたＮ回分のスイッチング位相に基いて、目標変調率および位相に応じた出力電圧レベルを定めた１周期分の前記パルスパターンを導出するパルスパターン導出部を備えたことを特徴とする固定パルスパターンによる電力変換器の制御システム。

【請求項2】

前記目標変調率を出力するための必要最小レベル数は、次の式（２）を満たすように定めたことを特徴とする請求項１に記載の固定パルスパターンによる電力変換器の制御システム。

【数2】

（ただし、ｄ＿ｒｅｆは目標変調率、Ｌ＿ｄｕｔｙは必要最小レベル数、Ｌ＿ｈｉｇｈは電力変換器の最大出力レベル数）

【請求項3】

前記電力変換器の出力電圧の基本波に三次高調波を重畳した場合の目標変調率を出力するための必要最小レベル数を、次の式（８）又は式（９）を満たすように定めたことを特徴とする請求項１に記載の固定パルスパターンによる電力変換器の制御システム。

【数8】

【数9】

（ただし、ｄ＿ｒｅｆは目標変調率、Ｌ＿ｄｕｔｙは必要最小レベル数、Ｌ＿ｈｉｇｈは電力変換器の最大出力レベル数、Ｋは高調波の基本波に対する振幅の倍数であり０≦Ｋ）

【請求項4】

前記制御したい電圧次数の総数は、抑制したい高調波の数＋１に定めたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の固定パルスパターンによる電力変換器の制御システム。

【請求項5】

前記制御したい電圧次数の総数は、前記目標変調率に応じて定めたことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の固定パルスパターンによる電力変換器の制御システム。

【請求項6】

前記制御したい電圧次数の総数が目標変調率における四半周期のスイッチング回数に決定された場合は、前記必要最小レベル数と前記決定された四半周期のスイッチング回数で定まる電力変換器の出力電圧の形のいずれかを選択することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の固定パルスパターンによる電力変換器の制御システム。

【請求項7】

前記制御したい電圧次数の総数が目標変調率における四半周期のスイッチング回数に決定された場合は、前記必要最小レベル数と前記決定された四半周期のスイッチング回数で定まる全ての出力電圧の形について前記パルスパターン導出部によるパルスパターンの導出を行い、より高調波抑制することができた電力変換器の出力電圧の形を採用することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の固定パルスパターンによる電力変換器の制御システム。

【請求項8】

前記電力変換器は、４レベル以上の電力変換器であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の固定パルスパターンによる電力変換器の制御システム。

【請求項9】

前記電力変換器は、５レベル以上の直列多重インバータであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の固定パルスパターンによる電力変換器の制御システム。

【請求項10】

目標変調率および位相に応じた出力電圧レベルを定めたパルスパターンによって電力変換器の半導体素子を制御する制御方法であって、
前記目標変調率を出力するための必要最小レベル数を定めるステップと、
前記電力変換器の電圧基本波と高調波のうち、制御したい電圧次数の総数を定めるステップと、
前記定めた必要最小レベルと制御したい電圧次数の総数を比較し、いずれか大きい方を目標変調率における四半周期のスイッチング回数Ｎに決定するステップと、
前記決定された目標変調率および四半周期のスイッチング回数Ｎをもとに、式（４）による電圧基本波を前記目標変調率にあわせて、式（５）又は式（６）による高調波について、所望の次数の高調波が低減できるようにしたＮ回分のスイッチング位相を求めるステップと、

【数4】

【数5】

【数6】

（ただし、ｄ＿ｒｅｆは目標変調率、Ｖｎは電圧ｎ次高調波振幅、Ｉｎは電流ｎ次高調波振幅、Ｌ＿ｈｉｇｈは電力変換器の最大出力レベル数、Ｎは四半周期のスイッチング回数、θＡ…θＮは各スイッチング位相であり、ｃｏｓ関数の前の符号はスイッチングによるレベル変化の方向が正なら＋、負なら−になる。）
前記目標変調率と前記求められたＮ回分のスイッチング位相に基いて、目標変調率および位相に応じた出力電圧レベルを定めた１周期分の前記パルスパターンを導出するステップと、
前記導出されたパルスパターンをテーブル化するステップと、
入力された目標変調率および位相指令に対応する、前記パルスパターンをテーブル化するステップによりテーブル化されたパルスパターンテーブルの出力電圧レベルに基いてゲート信号を生成するステップと、
前記生成されたゲート信号によって前記電力変換器の半導体素子を制御するステップと、
を備えたことを特徴とする固定パルスパターンによる電力変換器の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、インバータを用いて電圧を出力するシステムにおける、パルス変調法に関する。

【背景技術】

【0002】

入力された三相交流電圧をレクティファイア（ダイオード整流器、ＰＷＭコンバータ、１２０°通流コンバータなど）で直流電圧に変換し、直流電圧をインバータによって所望の周波数、振幅の交流電圧として出力するシステムを考える。

【0003】

このようなシステムでは、電力変換器の出力について目標電圧をキャリア１周期で平均的に表現する三角波比較ＰＷＭが用いられることが多い。しかし、電圧出力の最適化を目標として三角波比較ＰＷＭ以外の変調法を用いる場合があり、固定パルスパターン方式がその一例である。この方式では、評価指標に対して最適なパルスパターンを事前導出してテーブル化し、そのテーブル通りにスイッチングを行う。

【0004】

評価指標には、スイッチング回数、電圧基本波、電圧高調波などがある。このような評価指標のうち、スイッチング回数、あるいはパルス数について注目する。例えば、非特許文献１では、電圧基本波と電流高調波を考慮したパルスパターンの導出法が述べられている。ここでは、電源周期の９倍のキャリア周波数での三角波比較ＰＷＭが最低のパルス数であるとし、出力電圧半周期のパルス数を５に設定している。

【0005】

また、特許文献１では、３レベルコンバータあるいは３レベルインバータについて、低変調率の表現時にパルス幅が狭くなることへの対策として、パルス数を５から３に減らしたパルスパターンを低変調率で使うことにし、その切替法を議論している。

【0006】

固定パルスパターンでは、スイッチング回数、パルス形、目標変調率の情報を前提に、電圧基本波、電圧（ｏｒ電流）高調波の２つを考慮してスイッチング位相を決める。

【0007】

前提とするスイッチング回数やパルス形が電圧基本波の精度や電圧高調波の大きさに影響を与えるため、特にマルチレベルでは、変調率に応じて設定を適切に変更する必要がある。高変調率の表現の際には最大レベルを必ず出力しなければならない点も重要である。

【0008】

固定パルスパターンの導出がよく検討されている２レベル、３レベルのインバータでは、＋１もしくは−１レベルを出力するだけで最大レベルとなるため、パルス数を固定して導出するのが基本である。

【0009】

しかし、マルチレベルインバータでは、高調波抑制のために設けたいスイッチング回数よりも、最大レベルを出力するために必要なスイッチング回数の方が多いこともある。その場合、高変調率ではレベル数の制約によってスイッチング回数が決まることになる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特許第６２７０６９６号公報

【非特許文献】

【0011】

【非特許文献1】塚越昌彦、松瀬貢規、「大容量ＰＷＭ整流器用の高調波規制に適合する最適な固定パルスパターンの導出」、電学論Ｄ，１３１巻３号，２０１１年

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

非特許文献１と特許文献１では、３レベルの電力変換器を主たる適用対象としているため、スイッチング回数（パルス数）決定におけるマルチレベルインバータの特有の問題を解決できない。

【0013】

マルチレベルインバータにおいては、最大変調率を出力するためには、出力１周期内で最大電圧レベルを必ず出力しなければならない。つまり、設定したスイッチング回数が少なすぎる場合、最大電圧レベルを出力できず、高変調率を表現できなくなってしまう。逆に、スイッチング回数をむやみに増加するとスイッチング損失が増加し、装置の大型化を招く。

【0014】

本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、変調率によって最適なスイッチング回数での固定パルスパターン方式の制御を行うことができる固定パルスパターンによる電力変換器の制御システムおよび制御方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0015】

上記課題を解決するための請求項１に記載の固定パルスパターンによる電力変換器の制御システムは、目標変調率および位相に応じた出力電圧レベルを定めたパルスパターンがテーブル化されたパルスパターンテーブルを有し、入力された目標変調率および位相指令に対応する前記パルスパターンテーブルの出力電圧レベルに基いてゲート信号を生成し、該生成されたゲート信号によって電力変換器の半導体素子を制御するシステムであって、
前記目標変調率を出力するための必要最小レベル数を定め、
前記電力変換器の電圧基本波と高調波のうち、制御したい電圧次数の総数を定め、
前記定めた必要最小レベルと制御したい電圧次数の総数を比較し、いずれか大きい方を目標変調率における四半周期のスイッチング回数Ｎに決定し、
前記決定された目標変調率および四半周期のスイッチング回数Ｎをもとに、式（４）による電圧基本波を前記目標変調率にあわせて、式（５）又は式（６）による高調波について、所望の次数の高調波が低減できるようにしたＮ回分のスイッチング位相を求め、

【0016】

【数4】

【0017】

【数5】

【0018】

【数6】

【0019】

（ただし、ｄ＿ｒｅｆは目標変調率、Ｖｎは電圧ｎ次高調波振幅、Ｉｎは電流ｎ次高調波振幅、Ｌ＿ｈｉｇｈは電力変換器の最大出力レベル数、Ｎは四半周期のスイッチング回数、θＡ…θＮは各スイッチング位相であり、ｃｏｓ関数の前の符号はスイッチングによるレベル変化の方向が正なら＋、負なら−になる。）
前記目標変調率と前記求められたＮ回分のスイッチング位相に基いて、目標変調率および位相に応じた出力電圧レベルを定めた１周期分の前記パルスパターンを導出するパルスパターン導出部を備えたことを特徴としている。

【0020】

請求項２に記載の固定パルスパターンによる電力変換器の制御システムは、請求項１において、
前記目標変調率を出力するための必要最小レベル数は、次の式（２）を満たすように定めた

【0021】

【数2】

【0022】

（ただし、ｄ＿ｒｅｆは目標変調率、Ｌ＿ｄｕｔｙは必要最小レベル数、Ｌ＿ｈｉｇｈは電力変換器の最大出力レベル数）
ことを特徴とする。

【0023】

請求項３に記載の固定パルスパターンによる電力変換器の制御システムは、請求項１において、
前記電力変換器の出力電圧の基本波に三次高調波を重畳した場合の目標変調率を出力するための必要最小レベル数を、次の式（８）又は式（９）を満たすように定めた

【0024】

【数8】

【0025】

【数9】

【0026】

（ただし、ｄ＿ｒｅｆは目標変調率、Ｌ＿ｄｕｔｙは必要最小レベル数、Ｌ＿ｈｉｇｈは電力変換器の最大出力レベル数、Ｋは高調波の基本波に対する振幅の倍数であり０≦Ｋ）
ことを特徴とする。

【0027】

請求項４に記載の固定パルスパターンによる電力変換器の制御システムは、請求項１から３のいずれか１項において、
前記制御したい電圧次数の総数は、抑制したい高調波の数＋１に定めたことを特徴とする。

【0032】

請求項５に記載の固定パルスパターンによる電力変換器の制御システムは、請求項１から３のいずれか１項において、
前記制御したい電圧次数の総数は、前記目標変調率に応じて定めたことを特徴とする。

【0033】

請求項６に記載の固定パルスパターンによる電力変換器の制御システムは、請求項１から５のいずれか１項において、
前記制御したい電圧次数の総数が目標変調率における四半周期のスイッチング回数に決定された場合は、前記必要最小レベル数と前記決定された四半周期のスイッチング回数で定まる電力変換器の出力電圧の形のいずれかを選択することを特徴としている。

【0034】

請求項７に記載の固定パルスパターンによる電力変換器の制御システムは、請求項１から５のいずれか１項において、
前記制御したい電圧次数の総数が目標変調率における四半周期のスイッチング回数に決定された場合は、前記必要最小レベル数と前記決定された四半周期のスイッチング回数で定まる全ての出力電圧の形について前記パルスパターン導出部によるパルスパターンの導出を行い、より高調波抑制することができた電力変換器の出力電圧の形を採用することを特徴とする。

【0035】

請求項８に記載の固定パルスパターンによる電力変換器の制御システムは、請求項１から７のいずれか１項において、
前記電力変換器は、４レベル以上の電力変換器であることを特徴とする。

【0036】

請求項９に記載の固定パルスパターンによる電力変換器の制御システムは、請求項１から７のいずれか１項において、
前記電力変換器は、５レベル以上の直列多重インバータであることを特徴とする。

【0037】

請求項１０に記載の固定パルスパターンによる電力変換器の制御方法は、
目標変調率および位相に応じた出力電圧レベルを定めたパルスパターンによって電力変換器の半導体素子を制御する制御方法であって、
前記目標変調率を出力するための必要最小レベル数を定めるステップと、
前記電力変換器の電圧基本波と高調波のうち、制御したい電圧次数の総数を定めるステップと、
前記定めた必要最小レベルと制御したい電圧次数の総数を比較し、いずれか大きい方を目標変調率における四半周期のスイッチング回数Ｎに決定するステップと、
前記決定された目標変調率および四半周期のスイッチング回数Ｎをもとに、式（４）による電圧基本波を前記目標変調率にあわせて、式（５）又は式（６）による高調波について、所望の次数の高調波が低減できるようにしたＮ回分のスイッチング位相を求めるステップと、

【0038】

【数4】

【0039】

【数5】

【0040】

【数6】

【0041】

（ただし、ｄ＿ｒｅｆは目標変調率、Ｖｎは電圧ｎ次高調波振幅、Ｉｎは電流ｎ次高調波振幅、Ｌ＿ｈｉｇｈは電力変換器の最大出力レベル数、Ｎは四半周期のスイッチング回数、θＡ…θＮは各スイッチング位相であり、ｃｏｓ関数の前の符号はスイッチングによるレベル変化の方向が正なら＋、負なら−になる。）
前記目標変調率と前記求められたＮ回分のスイッチング位相に基いて、目標変調率および位相に応じた出力電圧レベルを定めた１周期分の前記パルスパターンを導出するステップと、
前記導出されたパルスパターンをテーブル化するステップと、
入力された目標変調率および位相指令に対応する、前記パルスパターンをテーブル化するステップによりテーブル化されたパルスパターンテーブルの出力電圧レベルに基いてゲート信号を生成するステップと、
前記生成されたゲート信号によって前記電力変換器の半導体素子を制御するステップと、
を備えたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0042】

（１）請求項１〜１０に記載の発明によれば、変調率によって最適なスイッチング回数としたパルスパターンを導出することができ、その最適なスイッチング回数での固定パルスパターン方式の制御が可能となる。

【0043】

このため、高変調率では確実な基本波表現を達成した制御を行い、中〜低変調率では高調波抑制を達成した制御を行うことができる。

【0044】

また、先行技術文献（特許文献１、非特許文献１）の方式では解決できなかった、最大変調率を出力するためには出力１周期内で最大電圧レベルを必ず出力しなければならないという、マルチレベルインバータ特有の問題を解決することができる。
（２）請求項３に記載の発明によれば、電圧利用率の改善や高調波低減が可能となる。すなわち、電力変換器の出力電圧の基本波に三次高調波を重畳した場合は、高変調率を、より小さい必要最小レベル数で表すことができる。また、電力変換器の出力電圧の基本波に三次高調波の逆位相を重畳した場合は、低変調率でも高レベルを使える領域が広くなり、より優れた高調波抑制効果が期待できる。

【図面の簡単な説明】

【0045】

【図1】本発明の実施形態におけるスイッチング回数に関する定義を示す説明図。

【図2】本発明の実施例１のシステム構成図。

【図3】本発明の実施形態におけるパルスパターン導出のフローチャート。

【図4】７レベルインバータの出力電圧と変調率の関係（１）を表す説明図。

【図5】７レベルインバータの出力電圧と変調率の関係（２）を表す説明図。

【図6】本発明の実施例１における出力電圧の形の例を示す波形図。

【図7】本発明の実施例２における三次高調波の重畳による電圧利用領域の拡大を説明する波形図。

【図8】本発明の実施例２における三次高調波の逆位相での重畳のようすを説明する波形図。

【発明を実施するための形態】

【0046】

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。本発明では、固定パルスパターンにおける高変調率と最大レベルの制約が今まであまり検討されてこなかった事情を考えて、変調率によってスイッチング回数を変える制御を行う。すなわち、例えば高変調率では最大レベルを出力する最低スイッチング回数に設定し、中・低変調率では高調波を十分に抑制できる最低のスイッチング回数に設定するように構成した。

【0047】

パルスパターン導出時に変調率によってスイッチング回数の違うパターンでパルスパターンテーブルを導出しておく。スイッチング回数は高調波抑制次数、使用電圧レベルをもとに定める。

【0048】

以下では、マルチレベルにて電圧パルスの解釈が複雑になることを踏まえ、パルス数で考えることはせず、出力電圧を１回ずつのレベル変化に分けて考える。このとき、電圧レベルが１段変化することを１回のスイッチングとして扱う。特に断らず「（パルスパターンの）スイッチング回数」というときは、出力電圧位相の１周期のスイッチング回数を示し、「四半周期のスイッチング回数」ならば位相θが０［ｒａｄ］＜θ＜π／２［ｒａｄ］におけるスイッチング回数を示す。

【0049】

図１にこれらの概念図を示す。図１の波形の場合では四半周期のスイッチング回数は５回であり、１周期のスイッチング回数、つまりパルスパターンのスイッチング回数は２０回である。

【実施例1】

【0050】

図２に実施例１におけるシステム構成図を示す。図２において、１０は上位制御部、２０はパルス生成部、３０はインバータ、４０は負荷を示している。上位制御１０とはパルス生成より上流に存在する制御を示しており、例えばシステムに操作盤操作量に基づく速度指令、及びインバータ３０の検出三相電流が入力され、速度制御、電流制御を経て変調率と位相の指令を生成するような制御を指す。

【0051】

上位制御部１０から変調率、位相が出力された後は、それらの情報をもとにパルス生成部２０が、内部のパルスパターンテーブルを参照してパルス生成を行う。パルスパターンテーブルには、図示省略のパルスパターン導出部により事前に作成したパルスパターンの情報が格納されており、変調率、位相の情報に応じた出力電圧レベルが定められている。

【0052】

パルス生成部２０からは前記出力電圧レベルに基いたゲート信号が出力され、それによりインバータ３０が駆動される。インバータ３０はモータ等の負荷４０につながっており、負荷４０にはゲート信号に応じた電圧が印加される。

【0053】

図２は固定パルスパターン方式による電力変換の代表的なシステム構成例であり、本発明の適用対象はこれに限らない。例えば、電源に回生を行うコンバータ制御において、事前に導出したパルスパターンテーブルに基づいてスイッチングを行うような構成でもよい。重要なのは、事前に作成したパルスパターンに関するテーブルを用いて、電力変換器を駆動することである。

【0054】

図３に、パルスパターン導出部が行うパルスパターン導出処理のフローチャートを示す。図３のステップＳ１では、目標変調率ｄ＿ｒｅｆ（変調率指令）を入力する（図２のシステム駆動時は、上位制御部１０からの指令変調率に一番近いテーブルを採用）。

【0055】

ステップＳ２では、目標変調率ｄ＿ｒｅｆを出力するために必要な最小レベル数Ｌ＿ｄｕｔｙを求める。

【0056】

このステップＳ２は、目標変調率ｄ＿ｒｅｆを出力するために最低限必要なスイッチング回数を定める処理である。最低限必要なスイッチング回数とは、必要な最小レベル数Ｌ＿ｄｕｔｙによって定まる。目標変調率ｄ＿ｒｅｆを出力するのに必要な最小レベルまで達しないパルスパターンを導出しようとしても、出力電圧基本波に関する後述の条件式（２）を満たすことができない。

【0057】

目標変調率ｄ＿ｒｅｆについては所望の定義で定めてよいが、本実施例１においては、１レベル分の直流電圧ｖｄｃ、電力変換器の最大出力レベルＬ＿ｈｉｇｈ、目標出力電圧の基本波振幅Ｖ＿ｒｅｆに対して式（１）で定義する。

【0058】

【数1】

【0059】

ここでの「レベル」とは中性点電位からのレベルである。また、本実施例１において必要な最小レベル数Ｌ＿ｄｕｔｙは電圧振幅で算出し、電圧の正負の頂点（ピークトゥピーク）では算出しない。例えば図４のように、７レベルインバータにおいては、中央のレベルが中性点電位であり、−３、−２、−１、０、１、２、３レベルの出力ができるものと考える。また、このインバータの最大変調率付近の基本波を出力するのに必要な最小レベルＬ＿ｄｕｔｙは３レベルであるととらえるものとする。

【0060】

次に、ステップＳ２における、目標変調率を出力するための必要最小レベル数Ｌ＿ｄｕｔｙの求め方について検討する。

【0061】

図４のように最大変調率付近においては、明らかに全レベルを使わなければ目標変調率の電圧基本波を出力できない。しかし、それよりも低い変調率のときには少ないレベル数を使って波形を表現可能であると考えられる。

【0062】

そこで、一般的な目標変調率ｄ＿ｒｅｆの表現に必要なレベル数Ｌ＿ｄｕｔｙを考える。前記式（１）に則る場合、ｄ＿ｒｅｆ＝１．０の電圧基本波の頂点が電力変換器の最大出力レベルと一致する。逆に考えると、１レベルの出力と基本波頂点が一致するのは、電力変換器の最大出力レベルＬ＿ｈｉｇｈを用いてｄ＿ｒｅｆ＝１／Ｌ＿ｈｉｇｈのときだとわかる。このことから１レベルにつき変調率１／Ｌ＿ｈｉｇｈだけの表現力があると考えられる。つまりステップＳ２におけるＬ＿ｄｕｔｙは式（２）を満たすように定めればよい。

【0063】

【数2】

【0064】

これは図５のように電圧基本波の頂点がＬ＿ｄｕｔｙレベル（＝２）とＬ＿ｄｕｔｙ−１レベル（＝１）の間を通るように定めることと同義である。図５より、ｄ＿ｒｅｆ＝０．５に対してＬ＿ｈｉｇｈ＝３、Ｌ＿ｄｕｔｙ＝２として式（２）を解くと式（３）の形になり、条件式を満たしている。

【0065】

【数3】

【0066】

次に、最小レベル数Ｌ＿ｄｕｔｙレベルを用いる電圧波形とスイッチング回数の関係について考える。Ｌ＿ｄｕｔｙレベルに到達するためには四半周期に最低Ｌ＿ｄｕｔｙ回のスイッチングが必要であり、それ以下のスイッチング回数ではＬ＿ｄｕｔｙレベルまで到達できない。そして、四半周期のスイッチング回数がＬ＿ｄｕｔｙ回のとき、四半周期のレベル変化の方向は必ず正になる。一回でも負方向のレベル変化があればＬ＿ｄｕｔｙ回のスイッチングでＬ＿ｄｕｔｙレベルまで到達できない。パルスパターンの正弦波状の対称性を前提にすると、このときの電圧波形は、図４、図５のように目標の正弦波の傾きとレベル変化の方向が常に一致した波形になる。

【0067】

次にステップＳ３では、目標変調率において基本波、高調波のうち、管理したい（制御したい）電圧次数の総数（総計）を求める。このステップＳ３は、所望の品質の電圧を出力するために必要なスイッチング回数を定める処理である。非特許文献１では、電圧基本波と電流高調波を考慮したパルスパターンの導出法が述べられている。この非特許文献１に記載の内容を３レベルからマルチレベルへ拡張し、本発明の変数設定を用いて表現すると式（４）、式（５）の条件式になる。式（４）、式（５）は電圧波形の正弦波状の対称性を前提として、フーリエ級数展開を行った結果であり、式（４）が電圧基本波、式（５）がｎ次電圧高調波についての条件式である。

【0068】

【数4】

【0069】

【数5】

【0070】

ここで、ｄ＿ｒｅｆは目標変調率、Ｖｎは電圧ｎ次高調波振幅、Ｌ＿ｈｉｇｈは電力変換器の最大出力レベル数、Ｎは四半周期のスイッチング回数、θＡ、θＢはパルスパターンの各スイッチング位相を示す。なお、ｃｏｓ関数の前の符号はスイッチングによるレベル変化の方向が正なら＋、負なら−になる。

【0071】

目標変調率の高調波を低減したいならば、式（４）の関係を保ちつつＶｎを所望の次数について低減するように四半周期のスイッチング位相（θＡ，θＢ，…，θＮ）を決めればよい。四半周期のスイッチング位相が確定すれば、残りのスイッチング位相は正弦波状の対称性から一意に定めることが可能である。

【0072】

また、非特許文献１で述べられているように高調波については誘導性負荷を考慮し、式（５）を式（６）の電流高調波の条件式で考えてもよい。

【0073】

【数6】

【0074】

さらに、高調波次数については、電圧波形の対称性と三相の平衡を考慮すると、偶数次高調波と３の倍数の高調波は電流に表れないため、６の倍数±１の次数（ｎ＝５，７，１１，１３，１７，１９，…）について考慮すればよい。

【0075】

以上のようにパルスパターンの基本波と高調波を管理することが可能だが、これは必ずしも所望の基本波で高調波を自由な値に制御できることを意味しない。例えば、四半周期に３回のスイッチングで、式（４）を保ちつつ、式（５）にて５、７、１１、１３、１７、１９次高調波の振幅を０にすることは、一般にはできない。なぜなら、７つの方程式（基本波と６つの高調波）に対して３つの変数で解を求めようとしているのと同義だからである。所望の高調波の振幅を確実に０にするためには、抑制したい高調波の数＋１（基本波の分）個の変数が必要である。

【0076】

抑制したい全ての高調波次数と１次（基本波）のことを総じて、図３では制御したい電圧次数と称している。制御したい電圧次数の総計Ｎ＿ｖｏｌｔ個の四半周期のスイッチング回数を設定すれば、基本波振幅をｄ＿ｒｅｆに、抑制したい高調波の振幅を０にしたパルスパターンを導出できる。

【0077】

本発明では、電圧品質の確保のために、四半周期に最低Ｎ＿ｖｏｌｔ回のスイッチングを行うものとした。

【0078】

ただし、Ｎ＿ｖｏｌｔは変調率によって可変でもよい。例えば、特許文献１では低変調率においてパルス幅が狭くなることを考慮して、パルス数（スイッチング回数）を減らしている。他にも、モータの用途によっては、高変調率の電圧は高周波数でのみ用いることがあり、フィルタやモータのＬ成分によっては、ある周波数以上の電圧高調波は考慮しなくてよい場合がある。

【0079】

この場合、低周波数で用いる低変調率については高次の高調波まで考慮する必要がある一方、高周波数で用いる高変調率については高次を特別抑制する必要が無くなり、低次高調波のみ考慮すればよくなる。つまり、高変調率では低変調率のときよりもＮ＿ｖｏｌｔを小さく設定することができる。Ｎ＿ｖｏｌｔを減少した場合、スイッチング回数が減少し、スイッチング損失の減少から効率改善が期待できる。

【0080】

次にステップＳ４〜Ｓ６において、スイッチング回数の決定処理を行う。前記ステップＳ２、Ｓ３では変調率の表現、高調波の抑制という２つの観点から最低限必要なスイッチング回数Ｌ＿ｄｕｔｙと制御したい電圧次数の総計Ｎ＿ｖｏｌｔを求めた。ステップＳ４〜Ｓ６ではこの２つを比べて、より大きい方を目標変調率ｄ＿ｒｅｆにおける四半周期のスイッチング回数Ｎに設定する。

【0081】

すなわち、ステップＳ４では、前記Ｌ＿ｄｕｔｙとＮ＿ｖｏｌｔを比較判定し、Ｌ＿ｄｕｔｙの方が大きい場合はステップＳ５にて四半周期のスイッチング回数ＮをＬ＿ｄｕｔｙに決定し、Ｎ＿ｖｏｌｔの方が大きい場合はステップＳ６にて四半周期のスイッチング回数ＮをＮ＿ｖｏｌｔに決定する。

【0082】

ここで、ステップＳ４の判定結果が、ステップＳ６にてＮ＿ｖｏｌｔを採用する方へ分岐した場合には、ステップＳ７において電圧の形を決定する処理が必要となる。必要なレベル数Ｌ＿ｄｕｔｙと四半周期のスイッチング回数Ｎが定まっていても、電圧の形には複数種類存在する場合がある。図６はその例である。図６のように、Ｌ＿ｄｕｔｙ＝２、Ｎ＝４の場合、Ａ、Ｂの２種類が考えられる。

【0083】

ここでは、一旦負の出力になるなど明らかに望ましくないものは除外した。ステップＳ６にてＮ＝Ｎ＿ｖｏｌｔと決定された場合は、これらの電圧パルスから所望の形を選びパルスパターン導出に用いることになる。所望の形は、例えば三角波比較ＰＷＭを行った場合の波形を参考に決めれば、三角波比較ＰＷＭ方式と固定パルスパターン方式の切替性能の向上が期待できる。また、あえて特定の形を選ぶことはせず、全ての出力電圧の形について後述のステップＳ８にてパルスパターン導出を行い、より高調波を抑制できた方を採用するようにしてもよい。

【0084】

尚、ステップＳ５にてＮをＬ＿ｄｕｔｙに決定した場合は、前記ステップＳ２で説明したように四半周期のレベル変化の方向は必ず正になるため出力電圧の形は一意に決まるので、電圧の形を定める処理は必要ない。

【0085】

次に、ステップＳ８においてパルスパターンの導出処理を行う。このステップＳ８では、目標変調率ｄ＿ｒｅｆ、四半周期のスイッチング回数Ｎ、および出力電圧の形をもとに式（４）で電圧基本波と、式（５）あるいは式（６）で高調波についての連立方程式を解き、Ｎ回分のスイッチング位相を求める。このとき、前記ステップＳ３の説明では高調波振幅を０にすることを目標と置いていたが、必ずしもそうである必要はない。高調波振幅を０にする議論はＮ＿ｖｏｌｔ決定のための目安であり、多数の高調波を平均的に抑制できるよう多数のｎについての式（５）や式（６）の総和を低減する導出でも構わない。

【0086】

ステップＳ８で導出したスイッチング位相と電圧の形から、１周期分のパルスパターンが確定し、ステップＳ９において出力され、図２のパルス生成部２０が、目標変調率および位相に応じた出力電圧レベルを定めたパルスパターンをテーブル化する。

【0087】

このようにしてテーブル化されたパルスパターンを用いれば、固定パルスパターンの最適なスイッチング回数による制御が可能となる。

【0088】

尚、図３のパルスパターン導出フローチャートの重要な点は、目標変調率を出力するために必要な最小レベルＬ＿ｄｕｔｙを考慮して四半周期のスイッチング回数Ｎを定めており、ＮはＬ＿ｄｕｔｙ未満にならないという点である。この点が守られていれば、分岐点（ステップＳ４）におけるＬ＿ｄｕｔｙとの比較対象が、制御したい電圧次数の総計Ｎ＿ｖｏｌｔである必要はなく、パルスパターン導出に別の条件式からなる１つ以上の別の分岐（比較判定処理）が設けられていてもよい。

【0089】

別の分岐の例としては、所定内のスイッチング損失に収まるようなＮの上限Ｎ＿ｌｏｓｓについて、Ｎ＿ｌｏｓｓとＬ＿ｄｕｔｙを比較する分岐などがある。

【0090】

以上のように本実施例１によれば、変調率によって最適なスイッチング回数としたパルスパターンを導出することができ、その最適なスイッチング回数での固定パルスパターン方式の制御が可能となる。

【0091】

このため、高変調率では確実な基本波表現を達成した制御を行い、中〜低変調率では高調波抑制を達成した制御を行うことができる。

【0092】

また、先行技術文献（特許文献１、非特許文献１）の方式では解決できなかった、最大変調率を出力するためには出力１周期内で最大電圧レベルを必ず出力しなければならないという、マルチレベルインバータ特有の問題を解決することができる。

【実施例2】

【0093】

本実施例２では、実施例１の図３のフローチャートの、目標変調率ｄ＿ｒｅｆを出力するための最小レベル数Ｌ＿ｄｕｔｙを決定するステップＳ２の処理について以下の変更を加える。

【0094】

三角波比較ＰＷＭでは、目標電圧について三次高調波を重畳したものが用いられることがある。適度な三次高調波の重畳により直流電圧の利用領域を拡大できることが知られている。式（７）のように基本波の１／６の振幅の三次高調波を重畳した場合の目標変調率ｄ＿ｒｅｆの最大値は２／√３であり、これが全出力位相で電圧飽和をしない最大の変調率となる。

【0095】

【数7】

【0096】

言い換えれば、三次高調波の重畳を考慮することで、基本波振幅を目標出力電圧最大値の２／√３倍とすることができる。この概念図を図７に示す。図７において、重畳した目標出力電圧の最大値が基本波の最大値より低くなっている。

【0097】

これをふまえると、式（８）に示すように、高変調率を式（２）で定められる値よりも小さいＬ＿ｄｕｔｙで表すことができ、ｄ＿ｒｅｆが１．０以上の場合でもＬ＿ｄｕｔｙを決定できる。

【0098】

【数8】

【0099】

また、三次高調波を逆位相に重畳すれば、図８の概念図に示すように、逆に目標出力電圧最大値を基本波振幅より高くすることができる。例えば１０レベル以上のマルチレベルインバータにおいて、正弦波に近い出力電圧波形から高調波の低減が期待されるが、低変調率では低レベルまでの利用となり３レベルインバータや５レベルインバータと変わらない出力レベル数になってしまう。

【0100】

このとき三次高調波の逆位相重畳を考慮すると、低変調率でも高レベルを使える領域が広くなり、高調波低減効果が期待できる。基本波のＫ倍の振幅の三次高調波を逆位相で重畳すると仮定すると、出力電圧の最大値は基本波に対して１＋Ｋ倍になるため、式（２）は式（９）の形になる。式（４）にてｎ＝３とした場合の最大値を考えると、Ｋの範囲は式（１０）で定められる。Ｋが０以上なのは、０未満だと逆位相の重畳とならないためである。

【0101】

【数9】

【0102】

【数10】

【0103】

以上より、式（２）を式（８）や式（９）、あるいは式（８）と式（９）の組み合わせに適宜修正して用いてもよい（基本波に三次高調波を重畳した場合の目標変調率を出力するための必要最小レベル数Ｌ＿ｄｕｔｙを、式（８）、式（９）を満たすように定めてもよい）。これを行うことで電圧利用率の改善や高調波低減が可能となる。

【0104】

以上のように本実施例２によれば、電圧利用率の改善や高調波低減が可能となる。すなわち、電力変換器の出力電圧の基本波に三次高調波を重畳した場合は、高変調率を、実施例１の場合よりも小さい必要最小レベル数で表すことができる。また、電力変換器の出力電圧の基本波に三次高調波の逆位相を重畳した場合は、低変調率でも高レベルを使える領域が広くなり、実施例１の場合よりも優れた高調波抑制効果が期待できる。

【0105】

尚、本発明は、４レベル以上の電力変換器に適用されてもよい。また本発明は、５レベル以上の直列多重インバータに適用されてもよい。

【符号の説明】

【0106】

１０…上位制御部
２０…パルス生成部
３０…インバータ
４０…負荷

【要約】

【課題】変調率によって最適なスイッチング回数での固定パルスパターン方式の制御を行うことができるようにする。
【解決手段】目標変調率ｄ＿ｒｅｆを出力するための必要最小レベル数Ｌ＿ｄｕｔｙを定め（Ｓ２）、電力変換器の電圧基本波と高調波のうち、制御したい電圧次数の総数Ｎ＿ｖｏｌｔを定め（Ｓ３）、前記定めた必要最小レベルＬ＿ｄｕｔｙと制御したい電圧次数の総数Ｎ＿ｖｏｌｔを比較し、いずれか大きい方を目標変調率における四半周期のスイッチング回数Ｎに決定し（Ｓ４〜Ｓ６）、Ｎ＿ｖｏｌｔに決定した場合は出力電圧の形を定め（Ｓ７）、前記決定された目標変調率ｄ＿ｒｅｆおよび四半周期のスイッチング回数Ｎをもとに、Ｎ回分のスイッチング位相を求め、それら目標変調率、出力電圧の形、位相に応じた出力電圧レベルを定めた１周期分のパルスパターンを導出する（Ｓ８，Ｓ９）。
【選択図】 図３

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】