特許 6907855 ３レベルチョッパ及びその制御回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6907855

(24)【登録日】2021年7月5日

(45)【発行日】2021年7月21日

(54)【発明の名称】３レベルチョッパ及びその制御回路

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/155 20060101AFI20210708BHJP

【ＦＩ】

   H02M3/155 H

   H02M3/155 U

【請求項の数】10

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2017-182110(P2017-182110)

(22)【出願日】2017年9月22日

(65)【公開番号】特開2019-58021(P2019-58021A)

(43)【公開日】2019年4月11日

【審査請求日】2020年8月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100091281

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 雄一

(72)【発明者】

【氏名】佐賀 翔直

【審査官】 遠藤 尊志

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−５６４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１０／２１０５２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１５／６８５３３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−１３９５９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−８５７８７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ３／００−３／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第１，第２のスイッチング素子が直列に接続され、前記第１，第２のスイッチング素子の直列回路の両端に、第１，第２のダイオードをそれぞれ介して第１，第２のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第１，第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第１，第２のコンデンサの直列接続点とが接続され、前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される３レベルチョッパであって、
前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのＰＷＭ指令値を生成するＰＷＭ指令生成部と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧に応じて、前記第１，第２のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記３レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記３レベルチョッパの降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記ＰＷＭ指令値と前記バランス指令調整値とに基づいて前記第１，第２のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする３レベルチョッパ。

【請求項2】

直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第１，第２のスイッチング素子が直列に接続され、前記第１，第２のスイッチング素子の直列回路の両端に、第１，第２のダイオードをそれぞれ介して第１，第２のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第１，第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第１，第２のコンデンサの直列接続点とが接続され、前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される３レベルチョッパであって、
前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのＰＷＭ指令値を生成するＰＷＭ指令生成部と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧に応じて、前記第１，第２のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記３レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記３レベルチョッパの昇圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記ＰＷＭ指令値と前記バランス指令調整値とに基づいて前記第１，第２のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする３レベルチョッパ。

【請求項3】

直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第１，第２のスイッチング素子が直列に接続され、前記第１，第２のスイッチング素子の直列回路の両端に、第１，第２のダイオードをそれぞれ介して第１，第２のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第１，第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第１，第２のコンデンサの直列接続点とが接続され、前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される３レベルチョッパであって、
前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのＰＷＭ指令値を生成するＰＷＭ指令生成部と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧に応じて、前記第１，第２のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記３レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記３レベルチョッパの昇圧・降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率がそれぞれ最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記ＰＷＭ指令値と前記バランス指令調整値とに基づいて前記第１，第２のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする３レベルチョッパ。

【請求項4】

請求項１〜３の何れか１項に記載した３レベルチョッパにおいて、
前記バランス指令値調整部は、
前記出力電圧と前記入出力電圧比との積と前記入力電圧との偏差を求め、この偏差と所定のゲインとの積に基づいて前記バランス指令値を調整することを特徴とする３レベルチョッパ。

【請求項5】

請求項１〜４の何れか１項に記載した３レベルチョッパにおいて、
前記第１のダイオードに第３のスイッチング素子を逆並列に接続し、かつ、前記第２のダイオードに第４のスイッチング素子を逆並列に接続したことを特徴とする３レベルチョッパ。

【請求項6】

請求項５に記載した３レベルチョッパにおいて、
前記第３，第４のスイッチング素子をオンさせて前記第１，第２のコンデンサのエネルギーを前記直流電源に回生することを特徴とする３レベルチョッパ。

【請求項7】

直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第１，第２のスイッチング素子が直列に接続され、前記第１，第２のスイッチング素子の直列回路の両端に、第１，第２のダイオードをそれぞれ介して第１，第２のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第１，第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第１，第２のコンデンサの直列接続点とが接続されて前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される３レベルチョッパの制御回路であって、
前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのＰＷＭ指令値を生成するＰＷＭ指令生成部と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧に応じて、前記第１，第２のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記３レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記３レベルチョッパの降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記ＰＷＭ指令値と前記バランス指令調整値とに基づいて前記第１，第２のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする３レベルチョッパの制御回路。

【請求項8】

直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第１，第２のスイッチング素子が直列に接続され、前記第１，第２のスイッチング素子の直列回路の両端に、第１，第２のダイオードをそれぞれ介して第１，第２のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第１，第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第１，第２のコンデンサの直列接続点とが接続されて前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される３レベルチョッパの制御回路であって、
前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのＰＷＭ指令値を生成するＰＷＭ指令生成部と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧に応じて、前記第１，第２のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記３レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記３レベルチョッパの昇圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記ＰＷＭ指令値と前記バランス指令調整値とに基づいて前記第１，第２のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする３レベルチョッパの制御回路。

【請求項9】

直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第１，第２のスイッチング素子が直列に接続され、前記第１，第２のスイッチング素子の直列回路の両端に、第１，第２のダイオードをそれぞれ介して第１，第２のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第１，第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第１，第２のコンデンサの直列接続点とが接続されて前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される３レベルチョッパの制御回路であって、
前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのＰＷＭ指令値を生成するＰＷＭ指令生成部と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧に応じて、前記第１，第２のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記３レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記３レベルチョッパの昇圧・降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率がそれぞれ最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記ＰＷＭ指令値と前記バランス指令調整値とに基づいて前記第１，第２のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする３レベルチョッパの制御回路。

【請求項10】

請求項７〜９の何れか１項に記載した３レベルチョッパの制御回路において、
前記バランス指令値調整部は、
前記出力電圧と前記入出力電圧比との積と前記入力電圧との偏差を求め、この偏差と所定のゲインとの積に基づいて前記バランス指令値を調整することを特徴とする３レベルチョッパの制御回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、３レベルチョッパの出力電圧を分担する二個のコンデンサの電圧を均等化する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

図１３は、特許文献１に記載された直流電源システムの主回路構成図である。
この直流電源システムは、半導体スイッチング素子（以下、単にスイッチング素子という）の動作により、直流電源電圧を昇圧して中性点を持つ直流電圧に変換するものであり、いわゆる３レベルチョッパによって構成されている。

【0003】

この３レベルチョッパは、直流電源ＢＡＴと、その正負極間にリアクトルＬ_１，Ｌ_２を介して接続されたスイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２の直列回路と、この直列回路の両端にスイッチング素子Ｓ_３，Ｓ_４をそれぞれ介して直列に接続されたコンデンサＣ_１，Ｃ_２とを備え、コンデンサＣ_１，Ｃ_２の直列回路の両端に負荷ＬＤが接続されている。
なお、Ｄ_１〜Ｄ_４はスイッチング素子Ｓ_１〜Ｓ_４にそれぞれ逆並列に接続された還流ダイオード、Ｐは正側端子、Ｎは負側端子であり、Ｍはスイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２の直列接続点に接続されたコンデンサＣ_１，Ｃ_２の直列接続点（中性点）である。

【0004】

以下、この回路の動作を簡単に説明する。
まず、スイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２を共にオンするとリアクトルＬ_１，Ｌ_２にエネルギーが蓄積される。次に、スイッチング素子Ｓ_１をオンしたままでスイッチング素子Ｓ_２をオフすると、リアクトルＬ_１，Ｌ_２の蓄積エネルギーによりスイッチング素子Ｓ_１と還流ダイオードＤ_４とを介してコンデンサＣ_２が充電される。次いで、スイッチング素子Ｓ_１をオフしてスイッチング素子Ｓ_２をオンすると、リアクトルＬ_１，Ｌ_２の蓄積エネルギーにより還流ダイオードＤ_３とスイッチング素子Ｓ_２とを介してコンデンサＣ_１が充電される。

【0005】

上記の動作を繰り返すことにより、端子Ｐ，Ｎ間の出力電圧Ｖ_ｐｎは直流電源電圧Ｖ_ｂａｔよりも高い電圧に昇圧される。ここで、出力電圧Ｖ_ｐｎは３つのレベル（Ｖ_ｄｃｐ、Ｖ_ｄｃｎ、及び、Ｖ_ｄｃｐ＋Ｖ_ｄｃｎ）をとり得るため、３レベルチョッパと呼ばれている。

【0006】

この種の３レベルチョッパにおいて、スイッチング素子の故障や回路定数のばらつき等に起因して、出力側のコンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎに偏りが生じると、スイッチング素子やコンデンサが過電圧によって破壊されることがある。
このため、特許文献１では、図１４の制御回路を用いて電圧Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎを等しくする制御を行っている。

【0007】

図１４は、スイッチング素子Ｓ_１〜Ｓ_４を駆動するための制御回路を示している。
図１４において、コンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎが直流電圧指令値（出力電圧指令値）Ｖ_ｐｎ^＊の１／２とそれぞれ等しくなるように電圧調節器ＡＶＲ_１，ＡＶＲ_２が動作し、これらの出力が切替スイッチＳＷ_１，ＳＷ_２を介して同一構成のＰＷＭ回路ＰＷＭ_Ａ，ＰＷＭ_Ｂに加えられている。

【0008】

ＰＷＭ回路ＰＷＭ_Ａ，ＰＷＭ_Ｂは、コンパレータＣｍｐ、タイマＴＭ_１，ＴＭ_２、論理回路１１〜１５、立下り検出回路１６，１７、ＤＱフリップフロップ１８を備え、ＤＱフリップフロップ１８の出力が、それぞれの入力側の切替スイッチＳＷ_１，ＳＷ_２に対する切替信号１，２となる。
パルス出力判定回路ＰＪは、電圧検出値Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎの大小関係に応じて、ＰＷＭ回路ＰＷＭ_Ａ，ＰＷＭ_Ｂの出力信号Ｓ_１’〜Ｓ_４’をスイッチング素子Ｓ_１〜Ｓ_４の駆動信号（ゲート信号）として選択し、出力する。

【0009】

上記制御回路では、図１５（ａ），（ｂ）に示すように、電圧検出値Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎの大小関係に応じてスイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２のオン時間を調節している。具体的には、電圧が低い方のコンデンサの充電量を多くするように、当該コンデンサに直列接続されたスイッチング素子のオン時間を長くして図１３の電流Ｉ_ｃｈを増減させ、電圧Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎを均等化する制御を行っている。
なお、スイッチング素子Ｓ_３，Ｓ_４は、コンデンサＣ_１，Ｃ_２のエネルギーを直流電源側に回生して電圧Ｖ_ｄｃｐ，Ｖ_ｄｃｎを所定値に維持するように機能するものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２０１３−５６４９号公報（段落［００１５］〜［００２３］、図１，図３〜図５）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

特許文献１に記載された技術において、電圧を均等化するためにスイッチング素子Ｓ_１またはＳ_２のオン時間が長くなり過ぎると、素子の温度が設計値以上になり、結果的に、スイッチング素子の破壊を防止するための保護動作が働いて装置の運転が停止してしまう場合がある。
一方、コンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧が均等でない場合には、チョッパを流れる電流にリップル電流が多く含まれることになり、このチョッパにインバータ回路を介して連系される電力系統やその接続負荷に悪影響を与える等の問題があった。

【0012】

そこで、本発明の解決課題は、出力側の直列コンデンサの電圧を均等化しつつ、スイッチング素子の過熱を防止して安定的に運転を継続させると共に、リップル電流を抑制することができる３レベルチョッパ及びその制御回路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、請求項１に係る３レベルチョッパは、直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第１，第２のスイッチング素子が直列に接続され、前記第１，第２のスイッチング素子の直列回路の両端に、第１，第２のダイオードをそれぞれ介して第１，第２のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第１，第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第１，第２のコンデンサの直列接続点とが接続され、前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される３レベルチョッパであって、
前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのＰＷＭ指令値を生成するＰＷＭ指令生成部と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧に応じて、前記第１，第２のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記３レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記３レベルチョッパの降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記ＰＷＭ指令値と前記バランス指令調整値とに基づいて前記第１，第２のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする。

【0014】

請求項２に係る３レベルチョッパは、直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第１，第２のスイッチング素子が直列に接続され、前記第１，第２のスイッチング素子の直列回路の両端に、第１，第２のダイオードをそれぞれ介して第１，第２のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第１，第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第１，第２のコンデンサの直列接続点とが接続され、前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される３レベルチョッパであって、
前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのＰＷＭ指令値を生成するＰＷＭ指令生成部と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧に応じて、前記第１，第２のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記３レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記３レベルチョッパの昇圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記ＰＷＭ指令値と前記バランス指令調整値とに基づいて前記第１，第２のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする。

【0015】

請求項３に係る３レベルチョッパは、直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第１，第２のスイッチング素子が直列に接続され、前記第１，第２のスイッチング素子の直列回路の両端に、第１，第２のダイオードをそれぞれ介して第１，第２のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第１，第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第１，第２のコンデンサの直列接続点とが接続され、前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される３レベルチョッパであって、
前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのＰＷＭ指令値を生成するＰＷＭ指令生成部と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧に応じて、前記第１，第２のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記３レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記３レベルチョッパの昇圧・降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率がそれぞれ最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記ＰＷＭ指令値と前記バランス指令調整値とに基づいて前記第１，第２のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする。

【0016】

請求項４に係る３レベルチョッパは、請求項１〜３の何れか１項に記載した３レベルチョッパにおいて、
前記バランス指令値調整部は、前記出力電圧と前記入出力電圧比との積と前記入力電圧との偏差を求め、この偏差と所定のゲインとの積に基づいて前記バランス指令値を調整することを特徴とする。

【0017】

請求項５に係る３レベルチョッパは、請求項１〜４の何れか１項に記載した３レベルチョッパにおいて、
前記第１のダイオードに第３のスイッチング素子を逆並列に接続し、かつ、前記第２のダイオードに第４のスイッチング素子を逆並列に接続したことを特徴とする。

【0018】

請求項６に係る３レベルチョッパは、請求項５に記載した３レベルチョッパにおいて、
前記第３，第４のスイッチング素子をオンさせて前記第１，第２のコンデンサのエネルギーを前記直流電源に回生することを特徴とする。

【0019】

請求項７に係る３レベルチョッパの制御回路は、直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第１，第２のスイッチング素子が直列に接続され、前記第１，第２のスイッチング素子の直列回路の両端に、第１，第２のダイオードをそれぞれ介して第１，第２のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第１，第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第１，第２のコンデンサの直列接続点とが接続されて前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される３レベルチョッパの制御回路であって、
前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのＰＷＭ指令値を生成するＰＷＭ指令生成部と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧に応じて、前記第１，第２のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記３レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記３レベルチョッパの降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記ＰＷＭ指令値と前記バランス指令調整値とに基づいて前記第１，第２のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする。

【0020】

請求項８に係る３レベルチョッパの制御回路は、直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第１，第２のスイッチング素子が直列に接続され、前記第１，第２のスイッチング素子の直列回路の両端に、第１，第２のダイオードをそれぞれ介して第１，第２のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第１，第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第１，第２のコンデンサの直列接続点とが接続されて前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される３レベルチョッパの制御回路であって、
前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのＰＷＭ指令値を生成するＰＷＭ指令生成部と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧に応じて、前記第１，第２のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記３レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記３レベルチョッパの昇圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記ＰＷＭ指令値と前記バランス指令調整値とに基づいて前記第１，第２のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする。

【0021】

請求項９に係る３レベルチョッパの制御回路は、直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第１，第２のスイッチング素子が直列に接続され、前記第１，第２のスイッチング素子の直列回路の両端に、第１，第２のダイオードをそれぞれ介して第１，第２のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第１，第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第１，第２のコンデンサの直列接続点とが接続されて前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される３レベルチョッパの制御回路であって、
前記第１，第２のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのＰＷＭ指令値を生成するＰＷＭ指令生成部と、
前記第１，第２のコンデンサの電圧に応じて、前記第１，第２のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記３レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記３レベルチョッパの昇圧・降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率がそれぞれ最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記ＰＷＭ指令値と前記バランス指令調整値とに基づいて前記第１，第２のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする。

【0022】

請求項１０に係る３レベルチョッパの制御回路は、
請求項７〜９の何れか１項に記載した３レベルチョッパの制御回路において、
前記バランス指令値調整部は、前記出力電圧と前記入出力電圧比との積と前記入力電圧との偏差を求め、この偏差と所定のゲインとの積に基づいて前記バランス指令値を調整することを特徴とする。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、３レベルチョッパの降圧モード領域、昇圧モード領域のそれぞれについて、出力側の直列コンデンサの電圧を均等化するためにスイッチング素子のオン時間を必要以上に長くする必要がない。このため、スイッチング素子の過熱を防止することができ、保護動作を働かせずに装置の安定した運転を継続させることが可能である。
また、チョッパに流れる電流のリップル成分を抑制し、電力系統やその接続負荷に与える悪影響を防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】チョッパの入力電圧と電流リップル率との関係を示す図である。

【図2】チョッパの降圧モードにおける電流経路、及びスイッチング素子の動作を説明する図である。

【図3】チョッパの昇圧モードにおける電流経路、及びスイッチング素子の動作を説明する図である。

【図4】チョッパの出力側コンデンサの電圧の均等時、不均等時におけるリップル電流を示す図である。

【図5】本発明の第１実施形態に係る制御回路の構成図である。

【図6】第１実施形態における、チョッパの入力電圧と図５の各信号との関係を示す図である。

【図7】第１実施形態における入力電圧と電流リップル率及びバランス指令率との関係を示す図である。

【図8】本発明の第２実施形態に係る制御回路の構成図である。

【図9】第２実施形態における、チョッパの入力電圧と図８の各信号との関係を示す図である。

【図10】第２実施形態における入力電圧と電流リップル率及びバランス指令率との関係を示す図である。

【図11】本発明の第３実施形態に係る制御回路の構成図である。

【図12】第３実施形態における入力電圧と電流リップル率との関係を示す図である。

【図13】特許文献１に記載された直流電源システムの主回路構成図である。

【図14】特許文献１に記載された制御回路の構成図である。

【図15】図１４の動作を示す波形図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
初めに、本発明の原理を説明する。本発明では、３レベルチョッパ（以下、単にチョッパともいう）の直流入力電流のリップル率が出力側のコンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧のアンバランスに応じて変化することに着目したものである。すなわち、チョッパの降圧動作、昇圧動作のそれぞれについて、チョッパの入出力電圧の関係に応じて、コンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧を均等化するためのバランス指令値（バランス指令率）を調整することにより、リップル電流を抑制してコンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧を均等化する。

【0026】

まず、図１は、チョッパの降圧モード領域及び昇圧モード領域における、入力電圧と電流リップル率（ΔＩ／Ｉ_ｄｃ）との関係を示している。ここで、チョッパの直流入力電流Ｉ_ｄｃは、図１３におけるＩ_ｃｈと同じものであり、出力電圧Ｖ_ｏは図１３におけるＶ_ｐｎと同じものである。
なお、チョッパの降圧モードとは入力電圧Ｖ_ｉｎ＞（出力電圧Ｖ_ｏ／２）となるモードを言い、チョッパの昇圧モードとは入力電圧Ｖ_ｉｎ＜（出力電圧Ｖ_ｏ／２）となるモードを言う。
図１の降圧モード領域及び昇圧モード領域において、電流リップル率が最大になるときの入出力電圧の関係は、以下のようにして求めることができる（結論として、チョッパの降圧モードでは、入力電圧Ｖ_ｉｎが出力電圧Ｖ_ｏの（√３＋３）／６倍である時、チョッパの昇圧モードでは、入力電圧Ｖ_ｉｎが出力電圧Ｖ_ｏの１／３倍である時に、それぞれ電流リップル率が最大となる）。

【0027】

図２は、チョッパの降圧モードにおいて、電流リップル率が最大になるときの入出力電圧の関係を説明するための図である。図２（ａ）は、スイッチング素子Ｓ_１をオンしてスイッチング素子Ｓ_２をオフした時、図２（ｂ）は、スイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２をオフした時の入力電流Ｉ_ｄｃの経路（矢印）を示している。なお、Ｃ_ｉｎは平滑コンデンサ、Ｖ_ｉｎはチョッパの入力電圧である。

【0028】

図２（ｃ）に示すように、スイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２が周期Ｔ＝１／ｆ_ｓｗ（ｆ_ｓｗ：スイッチング周波数）にて交互にスイッチングする場合、スイッチング素子Ｓ_１のオン時間は数式１によって表される。

【数1】

また、電流リップル率（ΔＩ／Ｉ_ｄｃ）は数式２となる。この数式２において、ＬはリアクトルＬ_１，Ｌ_２のインダクタンス、Ｐは入力電力である。

【数2】

【0029】

電流リップル率（ΔＩ／Ｉ_ｄｃ）が最大になる時の入力電圧Ｖ_ｉｎは、数式２をＶ_ｉｎにより微分した値が０になる時の値であり、数式３により表すことができる。

【数3】

【0030】

また、図３は、チョッパの昇圧モードにおいて、電流リップル率が最大になるときの入出力電圧の関係を説明するための図であり、図３（ａ）はスイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２をオンした時、図３（ｂ）はスイッチング素子Ｓ_１をオンしたままスイッチング素子Ｓ_２をオフした時の入力電流Ｉ_ｄｃの経路（矢印）を示している。なお、図３（ｃ）において、ｔ_{ｏｎＳ１２}はスイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２の両方をオンする時間である。

【0031】

ここで、スイッチング素子Ｓ_１のオン時間は数式４によって表される。

【数4】

また、電流リップル率（ΔＩ／Ｉ_ｄｃ）は数式５となる。

【数5】

【0032】

電流リップル率（ΔＩ／Ｉ_ｄｃ）が最大になる時の入力電圧Ｖ_ｉｎは、数式５をＶ_ｉｎにより微分した値が０になる時の値であり、数式６により表すことができる。

【数6】

【0033】

図４（ａ）は、コンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧が均等である時の入力電流Ｉ_ｄｃに含まれるリップル電流ΔＩを示し、図４（ｂ）は、コンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧が均等でない時のリップル電流ΔＩを示す。これらの図４（ａ），（ｂ）から、コンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧がアンバランスである時には、リップル電流ΔＩひいては電流リップル率（ΔＩ／Ｉ_ｄｃ）が大きくなることがわかる。

【0034】

次に、図５は本発明の第１実施形態に係る制御回路の構成図である。
この第１実施形態は、チョッパを降圧モード領域（図１参照）で運転するときに、コンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧を均等化するためにスイッチング素子Ｓ_１〜Ｓ_４の駆動信号を生成するものである。

【0035】

第１実施形態の動作の概要は、以下の通りである。
すなわち、降圧モードにおいて、Ｖ_ｉｎ＝Ｖ_ｏである時にはバランス指令値（バランス指令率）を０とすることにより、スイッチング素子の熱の偏りを防いで装置の運転を継続させる。
また、Ｖ_ｉｎ＝Ｖ_ｏの状態からＶ_ｉｎの低下に応じてバランス指令値を徐々に増加させていき、電流リップル率が最大になるＶ_ｉｎ＝｛（√３＋３）／６｝Ｖ_ｏの時点でバランス指令値を最大（バランス指令率を１００％）にすることにより、リップル電流を低減し、電力系統の接続機器を保護する。
更に、Ｖ_ｉｎ＝｛（√３＋３）／６｝Ｖ_ｏの時点からＶ_ｉｎの低下に応じてバランス指令値を徐々に減少させ、Ｖ_ｉｎ＝Ｖ_ｏ／２の時点でバランス指令値を０（バランス指令率を０％）にすることにより、スイッチング素子の熱の偏りを防いで装置の運転を継続させる。

【0036】

第１実施形態に係る図５の制御回路において、ＰＷＭ指令生成部１０１は、チョッパの直流電圧指令値Ｖ_ｏ^＊及び直流電圧検出値Ｖ_ｏと直流電流検出値Ｉ_ｄｃとに基づいて、上記Ｖ_ｏをＶ_ｏ^＊に制御するためのＰＷＭ指令（電圧指令）を生成する。
このＰＷＭ指令は、加減算器１０３，１０４により、後述するバランス指令値調整部２００Ａの上下限リミッタ２１１から出力されるバランス指令値とそれぞれ加減算され、ＰＷＭ回路１０５，１０６（ＰＷＭ１，ＰＷＭ２）に入力される。ＰＷＭ回路１０５，１０６では、入力された指令値とキャリア１，２とをそれぞれ比較することにより、図１３のスイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_３用、及び、スイッチング素子Ｓ_２，Ｓ_４用の駆動信号を生成する。

【0037】

バランス指令値生成部１０２は、直流電圧上側検出値（図１３のコンデンサＣ_１の電圧検出値）Ｖ_Ｃ１と直流電圧下側検出値（コンデンサＣ_２の電圧検出値）Ｖ_Ｃ２とからバランス指令値を生成し、このバランス指令値はバランス指令値調整部２００Ａに入力される。

【0038】

次に、バランス指令値調整部２００Ａの構成について説明する。
まず、チョッパの入力電圧Ｖ_ｉｎはローパスフィルタ２０１を介して加減算器２０４に入力される。また、チョッパの出力電圧Ｖ_ｏはローパスフィルタ２０２を介して乗算器２０３に入力され、定数{（√３＋３）／６}との乗算結果が加減算器２０４に入力される。
加減算器２０４の出力ａは、その正負を判別するためのコンパレータ２０５に入力され、「００００ｈｅｘ（ｈｅｘは１６進数）」との比較結果が切替スイッチ２０６に加えられている。

【0039】

また、加減算器２０４の出力ａはゲイン１，２を介して切替スイッチ２０６の入力端子Ｔ，Ｆにそれぞれ入力されている。ここで、ゲイン１は、Ｖ_ｉｎ＝Ｖ_ｏ／２であるときに「１０００ｈｅｘ」となる係数であり、ゲイン２は、Ｖ_ｉｎ＝Ｖ_ｏであるときに「１０００ｈｅｘ」となる係数である。なお、切替スイッチ２０６の入力端子Ｔは「Ｔｒｕｅ」を示し、Ｆは「Ｆａｌｓｅ」を示す。
前記コンパレータ２０５は、入力ａが負である時に切替スイッチ２０６の入力端子Ｔ側を選択させる信号を出力する。

【0040】

切替スイッチ２０６の出力は、絶対値演算回路２０７により絶対値信号ｂとなって加減算器２０８に入力される。加減算器２０８では、「１０００ｈｅｘ」と絶対値信号ｂとの偏差ｃを検出し、この偏差ｃは乗算器２０９，２１０に入力される。
乗算器２０９，２１０は、偏差ｃと上限リミッタ値、下限リミッタ値とをそれぞれ乗算し、これらの乗算結果を上下限リミッタ２１１の上限リミッタ値、下限リミッタ値として出力する。上下限リミッタ２１１は、バランス指令値生成部１０２から入力されたバランス指令値を上下限処理し、その出力信号ｄを前記加減算器１０３，１０４に出力する。

【0041】

図６は、チョッパの入力電圧Ｖ_ｉｎと図５における各信号ａ〜ｄとの関係を示す図である。図５の制御回路の動作により、バランス指令値調整部２００Ａから最終的に出力されるバランス指令値ｄは、Ｖ_ｉｎ＝Ｖ_ｏ／２，Ｖ_ｉｎ＝Ｖ_ｏの時に０となり、Ｖ_ｉｎ＝｛（√３＋３）／６｝Ｖ_ｏの時に最大値（バランス指令率が１００％）となる。

【0042】

次に、図７は、第１実施形態に基づく設計例における、入力電圧と電流リップル率及びバランス指令率との関係を示す図である。ここでは、電流リップル率の最大値を２０［％］、チョッパの出力電圧Ｖ_ｏを１１００［Ｖ］とする。このため、電流リップル率が最大になる時の入力電圧Ｖ_ｉｎは、Ｖ_ｉｎ＝｛（√３＋３）／６｝Ｖ_ｏ≒８６８［Ｖ］となる。

【0043】

前述した動作の概要から明らかなように、図７における（１），（３）の時点では、電流リップル率が小さいため、コンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧不均等によるリップル電流はほとんど問題にならない。従って、図５のバランス指令値調整部２００Ａから出力するバランス指令値を０（バランス指令率を０％）としてスイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２のオン時間に偏りが生じないようにし、素子の熱バランスを保つ。
図７における（２）の時点は電流リップル率が大きいため、コンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧不均等によるリップル電流が大きい。このため、バランス指令値調整部２００Ａから出力するバランス指令値を最大値（バランス指令率を１００％）としてリップル電流を抑制し、電力系統の接続機器を保護する。

【0044】

上記のように、電流リップル率に応じて図７の（１）〜（２）〜（３）の範囲でバランス指令値を徐々に変化させることにより、チョッパの降圧モードにおけるスイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２の過熱保護、及びリップル電流の抑制が可能になる。

【0045】

次いで、図８は本発明の第２実施形態に係る制御回路の構成図である。
この第２実施形態は、チョッパを昇圧モード領域（図１参照）で運転するときに、コンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧を均等化するためにスイッチング素子Ｓ_１〜Ｓ_４の駆動信号を生成するものである。

【0046】

第２実施形態の動作の概要は、以下の通りである。
すなわち、昇圧モードにおいて、Ｖ_ｉｎ＝Ｖ_ｏ／２である時にはバランス指令値（バランス指令率）を０とすることにより、スイッチング素子の熱の偏りを防いで装置の運転を継続させる。
また、Ｖ_ｉｎ＝Ｖ_ｏ／２の状態からＶ_ｉｎの低下に応じてバランス指令値を徐々に増加させていき、電流リップル率が最大になるＶ_ｉｎ＝Ｖ_ｏ／３の時点でバランス指令値を最大（バランス指令率を１００％）にすることにより、リップル電流を低減し、電力系統の接続機器を保護する。
更に、Ｖ_ｉｎ＝Ｖ_ｏ／３の時点からＶ_ｉｎの低下に応じてバランス指令値を徐々に減少させ、Ｖ_ｉｎ＝０の時点でバランス指令値を０（バランス指令率を０％）にすることにより、スイッチング素子の熱の偏りを防いで装置の運転を継続させる。

【0047】

なお、降圧モード、昇圧モードを問わず、コンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧の一方が過電圧、他方が不足電圧となる場合は、入力電圧の大きさに関係なくバランス指令値を最大にすることで、装置の運転を継続させることができる。

【0048】

第２実施形態に係る図８の制御回路が図５と異なる点は、バランス指令値調整部２００Ｂ内の乗算器２０３に入力される定数が図５の（√３＋３）／６に代えて１／３となっている点、及び、切替スイッチ２０６の入力側のゲインが、ゲイン３，４となっている点である。ここで、ゲイン３は、Ｖ_ｉｎ＝０であるときに「１０００ｈｅｘ」となる係数であり、ゲイン４は、Ｖ_ｉｎ＝Ｖ_ｏ／２であるときに「１０００ｈｅｘ」となる係数である。

【0049】

図９は、チョッパの入力電圧Ｖ_ｉｎと図８における各信号ａ〜ｄとの関係を示す図である。図８の制御回路の動作により、バランス指令値調整部２００Ｂから最終的に出力されるバランス指令値ｄは、Ｖ_ｉｎ＝０，Ｖ_ｉｎ＝Ｖ_ｏ／２の時に０となり、Ｖ_ｉｎ＝Ｖ_ｏ／３の時に最大値（バランス指令率が１００％）となる。

【0050】

次に、図１０は、第２実施形態に基づく設計例における、入力電圧と電流リップル率及びバランス指令率との関係を示す図である。第１実施形態と同様に、電流リップル率の最大値を２０［％］、チョッパの出力電圧Ｖ_ｏを１１００［Ｖ］とする。このため、電流リップル率が最大になる時の入力電圧Ｖ_ｉｎは、Ｖ_ｉｎ＝Ｖ_ｏ／３≒３６７［Ｖ］となる。

【0051】

前述した動作の概要から明らかなように、図１０における（４），（６）の時点では、電流リップル率が小さいため、コンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧不均等によるリップル電流はほとんど問題にならない。従って、図８のバランス指令値調整部２００Ｂから出力するバランス指令値を０（バランス指令率を０％）としてスイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２のオン時間に偏りが生じないようにし、素子の熱バランスを保つ。
図１０における（５）の時点は電流リップル率が大きいため、コンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧不均等によるリップル電流が大きい。このため、バランス指令値調整部２００Ｂから出力するバランス指令値を最大値（バランス指令率を１００％）としてリップル電流を抑制し、電力系統の接続機器を保護する。

【0052】

上記のように、電流リップル率に応じて図１０の（４）〜（５）〜（６）の範囲でバランス指令値を徐々に変化させることにより、チョッパの昇圧モードにおけるスイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２の過熱保護、及びリップル電流の抑制が可能になる。

【0053】

更に、図１１は本発明の第３実施形態に係る制御回路の構成図である。
この第３実施形態は、チョッパを昇・降圧チョッパとして運転する場合（図１の降圧モード領域、昇圧モード領域を使い分ける場合）に、コンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧を均等化するためにスイッチング素子Ｓ_１〜Ｓ_４の駆動信号を生成するものである。

【0054】

図１１において、バランス指令値調整部２００Ｃ以外の部分は図５及び図８と同一であり、このバランス指令値調整部２００Ｃは、図５におけるバランス指令値調整部２００Ａの主要部と図８におけるバランス指令値調整部２００Ｂの主要部とを組み合わせたものに相当する。
バランス指令値調整部２００Ｃでは、コンパレータ２３０によりＶ_ｉｎとＶ_ｏ／２とを比較して降圧モード、昇圧モードを判別し、降圧モード（Ｖ_ｉｎ＞Ｖ_ｏ／２）であれば切替スイッチ２２９を端子Ｔ側に、昇圧モード（Ｖ_ｉｎ＜Ｖ_ｏ／２）であれば切替スイッチ２２９を端子Ｆ側に切り替える。

【0055】

なお、バランス指令値調整部２００Ｃ内の昇圧モード側において、２２１，２２２はローパスフィルタ、２２３は乗算器、２２４，２２８は加減算器、２２５はコンパレータ、２２６は切替スイッチ、２２７は絶対値演算器である。また、ゲイン５は、電流リップル率に適合するバランス指令値となるように補正するための適宜な係数である。

【0056】

図１２は、第３実施形態に基づく設計例における、入力電圧と電流リップルとの関係を示す図である。なお、入力電圧とバランス指令率との関係は図７，図１０と同一であるため、図示を省略する。
第１，第２実施形態と同様に、電流リップル率の最大値を２０［％］、チョッパの出力電圧Ｖ_ｏを１１００［Ｖ］とすると、電流リップル率が最大になる時の入力電圧Ｖ_ｉｎは、降圧モードではＶ_ｉｎ≒８６８［Ｖ］、昇圧モードではＶ_ｉｎ≒３６７［Ｖ］となる。

【0057】

図１２における（１），（３），（４），（６）の時点では、電流リップル率が小さいため、コンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧不均等によるリップル電流はほとんど問題にならない。従って、図１１のバランス指令値調整部２００Ｃから出力するバランス指令値を０（バランス指令率を０％）としてスイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２のオン時間に偏りが生じないようにし、素子の熱バランスを保つ。
図１２の降圧モード領域における（２）の時点は電流リップル率が大きいため、コンデンサＣ_１，Ｃ_２の電圧不均等によるリップル電流が大きい。このため、バランス指令値調整部２００Ｃから出力するバランス指令値を最大値（バランス指令率を１００％）としてリップル電流を抑制し、電力系統の接続機器を保護する。
また、昇圧モード領域における（５）の時点については、電流リップル率に応じたバランス指令値とすれば良い。

【0058】

上記のように、降圧モード領域、昇圧モード領域のそれぞれについて、電流リップル率に応じて図１２の（１）〜（２）〜（３）または（４）〜（５）〜（６）の範囲でバランス指令値を徐々に変化させることにより、スイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２の過熱保護及びリップル電流の抑制が可能になる。

【0059】

なお、図１３におけるスイッチング素子Ｓ_３，Ｓ_４をオンさせればコンデンサＣ_１，Ｃ_２のエネルギーを直流電源ＢＡＴに回生することが可能であるが、本発明は、スイッチング素子Ｓ_３，Ｓ_４を備えていない３レベルチョッパにも適用することができる。

【産業上の利用可能性】

【0060】

本発明に係る３レベルチョッパは、例えば無停電電源装置や太陽光発電システムあるいは入力電圧が大きく変動する鉄道車両や電気自動車などの車両用電力変換装置等に利用可能である。

【符号の説明】

【0061】

ＢＡＴ：直流電源
Ｓ_１〜Ｓ_４：スイッチング素子
Ｄ_１〜Ｄ_４：還流ダイオード
Ｌ_１，Ｌ_２：リアクトル
Ｃ_１，Ｃ_２：コンデンサ
Ｃ_ｉｎ：平滑コンデンサ
ＬＤ：負荷
Ｐ：正側端子
Ｎ：負側端子
Ｍ：中性点
１０１：ＰＷＭ指令生成部
１０２：バランス指令値生成部
１０３，１０４，２０４，２０８，２２４，２２８：加減算器
１０５，１０６：ＰＷＭ回路
２００Ａ，２００Ｂ，２００Ｃ：バランス指令値調整部
２０１，２０２，２２１，２２２：ローパスフィルタ
２０３，２０９，２１０，２２３：乗算器
２０５，２２５，２３０：コンパレータ
２０６，２２６，２２９：切替スイッチ
２０７，２２７：絶対値演算器
２１１：上下限リミッタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】