2025-91087 電力変換装置、電力変換装置の制御方法、エレベーター

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025091087

(43)【公開日】2025-06-18

(54)【発明の名称】電力変換装置、電力変換装置の制御方法、エレベーター

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20250611BHJP

   H02M 3/155 20060101ALI20250611BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 E

H02M3/155 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023206084

(22)【出願日】2023-12-06

(71)【出願人】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】遠藤 俊

(72)【発明者】

【氏名】嶋田 尊衛

(72)【発明者】

【氏名】保立 尚史

(72)【発明者】

【氏名】照沼 智明

【テーマコード（参考）】

5H730

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H730AS05

5H730BB13

5H730DD03

5H730DD04

5H730DD13

5H730FD61

5H770AA15

5H770BA01

5H770DA03

5H770DA10

5H770DA41

5H770HA01X

5H770HA12X

5H770JA11W

5H770JA19X

(57)【要約】

【課題】
互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子にオン抵抗差がある場合でも簡易的な制御方法によって損失アンバランスを低減する。
【解決手段】
電力変換回路と制御部とを有する電力変換装置において、電力変換回路は、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子を有し、制御部は、制御状態として、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子のうちの一部のみをオンさせる部分駆動モードと、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子の全部をオンさせる全部駆動モードとを有し、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子のうちのオンさせる半導体スイッチング素子の対象を変更しながら部分駆動モードで制御しつつ、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子のオン抵抗差に応じた所定の比率で全部駆動モードを挿入して制御する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体スイッチング素子を用いた電力変換回路と、前記半導体スイッチング素子のオン・オフを制御する制御部とを有する電力変換装置において、
前記電力変換回路は、前記半導体スイッチング素子として、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子を有し、
前記制御部は、制御状態として、前記互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子のうちの一部のみをオンさせる部分駆動モードと、前記互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子の全部をオンさせる全部駆動モードとを有し、前記互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子のうちのオンさせる半導体スイッチング素子の対象を変更しながら前記部分駆動モードで制御しつつ、前記互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子のオン抵抗差に応じた所定の比率で前記全部駆動モードを挿入して制御することを特徴とする電力変換装置。

【請求項2】

請求項１において、
前記電力変換回路は、前記互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子として、第１の半導体スイッチング素子と、前記第１の半導体スイッチング素子に並列に接続された第２の半導体スイッチング素子とを有し、
前記制御部は、前記制御状態として、前記第１の半導体スイッチング素子をオンさせ前記第２の半導体スイッチング素子をオフさせる第１のモードと、前記第１の半導体スイッチング素子をオフさせ前記第２の半導体スイッチング素子をオンさせる第２のモードと、前記第１の半導体スイッチング素子と前記第２の半導体スイッチング素子とを両方ともオンさせる第３のモードとを有し、前記第１のモードと前記第２のモードとを交互に繰り返しながら、前記第１の半導体スイッチング素子と前記第２の半導体スイッチング素子のオン抵抗差に応じた所定の比率で前記第３のモードを挿入して制御することを特徴とする電力変換装置。

【請求項3】

請求項２において、
前記第１の半導体スイッチング素子のオン抵抗が前記第２の半導体スイッチング素子のオン抵抗よりも大きく、
前記第３のモードにおいて、前記第１の半導体スイッチング素子で発生する損失が前記第２の半導体スイッチング素子で発生する損失よりも小さいことを特徴とする電力変換装置。

【請求項4】

請求項１において、
前記制御部による前記部分駆動モードの制御中に前記所定の比率で前記全部駆動モードを挿入する制御は、前記オン抵抗差が所定の大きさ以上の場合に実行されることを特徴とする電力変換装置。

【請求項5】

請求項１において、
前記所定の比率は、予め計測された前記オン抵抗差に基づいて予め設定されていることを特徴とする電力変換装置。

【請求項6】

請求項１において、
前記電力変換回路は、直流電力を交流電力に変換する回路であることを特徴とする電力変換装置。

【請求項7】

請求項１において、
前記電力変換回路は、交流電力を直流電力に変換する回路であることを特徴とする電力変換装置。

【請求項8】

請求項１において、
前記電力変換回路は、直流電力を電圧の異なる直流電力に変換する回路であることを特徴とする電力変換装置。

【請求項9】

請求項１から８の何れか１項に記載の電力変換装置を有することを特徴とするエレベーター。

【請求項10】

半導体スイッチング素子を用いた電力変換回路と、前記半導体スイッチング素子のオン・オフを制御する制御部とを有する電力変換装置の制御方法において、
前記電力変換回路は、前記半導体スイッチング素子として、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子を有し、
前記制御部は、制御状態として、前記互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子のうちの一部のみをオンさせる部分駆動モードと、前記互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子の全部をオンさせる全部駆動モードとを有し、前記互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子のうちのオンさせる半導体スイッチング素子の対象を変更しながら前記部分駆動モードで制御しつつ、前記互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子のオン抵抗差に応じた所定の比率で前記全部駆動モードを挿入して制御することを特徴とする電力変換装置の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は電力変換装置、電力変換装置の制御方法、エレベーターに関する。

【背景技術】

【0002】

電力変換装置は、半導体スイッチング素子であるパワー半導体素子のスイッチング動作によって、直流電力を交流電力に、もしくはその逆方向に、もしくは直流電力を電圧の異なる直流電力に電力変換する装置であり、エレベーターなどの多分野に適用されている。

【0003】

エレベーターに用いる電力変換装置にはパワー半導体素子として例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられている。ＩＧＢＴには、複数のＩＢＧＴチップを一つのモジュールにしたＩＧＢＴモジュールと、ＩＢＧＴチップ１つを一つのパッケージにしたディスクリートＩＧＢＴがある。

【0004】

エレベーターなどに用いる電力変換装置は運転／停止を繰り返す。このような運転方法は、パワー半導体素子のオン／オフ動作によって生じるパワー半導体素子の温度変化を増加させるので、パワー半導体素子の寿命の低下が懸念される。

【0005】

寿命の低下を抑制するために、ディスクリートＩＧＢＴを並列接続する方法がある。並列接続により流入する電流が分散し、１つのディスクリートＩＧＢＴに流れる電流が減少する。これにより、ディスクリートＩＧＢＴの温度変化を抑え、長寿命化することができる。

【0006】

また、電力変換装置の一種であるＤＣ／ＤＣコンバータに関する技術として、例えば特許文献１がある。特許文献１の要約および図３には、「並列接続されたスイッチング素子に分流バラツキを生じることなく、また、スイッチング周波数を増加させることなく小型なリアクトルを用いることのできるＤＣ／ＤＣコンバータを提供することを目的とする。」との記載、および、「半導体素子を互いに並列に接続された３個の半導体素子４１１、４２１、４３１で構成し、リアクトル５に印加される電圧の周波数がスイッチング素子のスイッチング周波数の３倍となるよう、３個のスイッチング素子４１１ｓ、４２１ｓ、４３１ｓのオンオフ制御を、スイッチング素子のスイッチング周期の１／３＝１２０°だけ互いに位相をずらして行うようにした。」との記載がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１５－２１３４０２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、ＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子を並列接続した場合には、半導体スイッチング素子のオン抵抗が個体差によってそれぞれ異なることにより、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子の間に損失アンバランスが発生する。このような損失アンバランスが発生すると、それぞれの半導体スイッチング素子の温度変化に差が生じ、それにより互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子の間の寿命が異なることとなるので、長寿命化の妨げとなる。

【0009】

また、特許文献１では、互いに並列に接続された３個の半導体素子を１２０°だけ互いに位相をずらしてスイッチングする技術を開示しているが、この技術を用いた場合でも、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子のオン抵抗に差がある場合には、それぞれの半導体スイッチング素子で発生する損失が異なることとなるため、先ほどの説明と同様に損失アンバランスが発生する。

【0010】

他には、損失アンバランス抑制のために、予め測定された半導体スイッチング素子のオン抵抗に基づいてオン抵抗の近いもののみを仕分けして用いる方法や、センサを用いてアンバランスを検出してアンバランスを抑制するよう制御する方法などが考えられる。しかしながら、それらの方法では、半導体スイッチング素子の選別によるコストの大幅な増加や、センサを用いてリアルタイムでアンバランスを検出して制御するための構成のためのコストの大幅な増加があるという問題がある。

【0011】

本発明が解決しようとする課題は、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子にオン抵抗差がある場合でも簡易的な制御方法によって損失アンバランスを低減できる電力変換装置、電力変換装置の制御方法、エレベーターを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記した課題を解決するために、本発明の電力変換装置／電力変換装置の制御方法は、半導体スイッチング素子を用いた電力変換回路と、前記半導体スイッチング素子のオン・オフを制御する制御部とを有する電力変換装置／電力変換装置の制御方法において、前記電力変換回路は、前記半導体スイッチング素子として、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子を有し、前記制御部は、制御状態として、前記互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子のうちの一部のみをオンさせる部分駆動モードと、前記互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子の全部をオンさせる全部駆動モードとを有し、前記互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子のうちのオンさせる半導体スイッチング素子の対象を変更しながら前記部分駆動モードで制御しつつ、前記互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子のオン抵抗差に応じた所定の比率で前記全部駆動モードを挿入して制御することを特徴とする。

【0013】

また、本発明のエレベーターは、上記した電力変換装置を有することを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子にオン抵抗差がある場合でも簡易的な制御方法によって損失アンバランスを低減できる電力変換装置、電力変換装置の制御方法、エレベーターを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】実施例１の電力変換装置とそれを用いたエレベーターの一例を示す機能ブロック図。

【図2】実施例１のコンバータの電力変換回路の一例を示す回路図。

【図3】実施例１のインバータの電力変換回路の一例を示す回路図。

【図4】実施例１の制御モードを説明する図。

【図5】実施例１の制御方法の一例を説明するフローチャート。

【図6】実施例２のＤＣ／ＤＣコンバータの一例を示す回路図。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。各図、各実施例において、同一または類似の構成要素については同じ符号を付け、重複する説明は省略する。

【実施例0017】

図１は、実施例１の電力変換装置とそれを用いたエレベーターの一例を示す機能ブロック図である。

【0018】

実施例１のエレベーター１０１は、例えば、コンバータ１１０と、インバータ１１１と、フィルタ回路１０３、１０４と、モータ１０８と、ロープ１０５と、かご１０６と、おもり１０７とを有する。

【0019】

本実施例のエレベーター１０１では、系統１０２からの交流電力がフィルタ回路１０３を介してコンバータ１１０に入力され、コンバータ１１０により直流電力に変換される。そして、変換された直流電力は、インバータ１１１により交流電力に変換される。そして、変換された交流電力は、フィルタ回路１０４を介してモータ１０８に入力され、モータ１０８を駆動する。

【0020】

ロープ１０５の一方側には、かご１０６が接続されており、ロープ１０５の他方側には、かご１０６とつり合いをとるためのおもり１０７が接続されている。モータ１０８がロープ１０５を動かすことにより、エレベーター１０１のかご１０６を上下に移動させることができる。このように、モータ１０８の電力は、かご１０６を上下させるために消費される。

【0021】

本実施例の電力変換装置は、半導体スイッチング素子を用いた電力変換回路と、半導体スイッチング素子のオン・オフを制御する制御部とを有する。そして、本実施例の電力変換回路は、半導体スイッチング素子として、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子を有する。

【0022】

本実施例の電力変換装置の一例は、コンバータ１１０である。コンバータ１１０は、交流電力を直流電力に変換する回路である電力変換回路１１２と、電力変換回路１１２を制御するコンバータ制御部１１４とを有する。

【0023】

図２は、実施例１のコンバータの電力変換回路の一例を示す回路図である。

【0024】

コンバータ１１０の電力変換回路１１２は、上アームと下アームとで構成されたレグと、コンデンサ１２とを有しており、ここでは一例として３相分のレグを有する例を示しているが、これに限られない。上アームと下アームのそれぞれは、例えばＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子１０と、半導体スイッチング素子１０に逆並列に接続されたダイオード１１とを有する。

【0025】

本実施例では、各アームにおける半導体スイッチング素子１０を、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子で構成した。具体的には、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子１０として、第１の半導体スイッチング素子１０Ａと、第１の半導体スイッチング素子１０Ａに並列に接続された第２の半導体スイッチング素子１０Ｂとを有する構成とした。第１の半導体スイッチング素子１０Ａと第２の半導体スイッチング素子１０Ｂは、コンバータ制御部１１４によりそれぞれ独立にオン・オフが制御される。互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子は、複数のディスクリートＩＧＢＴを並列接続することで実現してもよいし、互いに並列に接続された複数のＩＧＢＴチップを有するＩＧＢＴモジュールで実現してもよい。

【0026】

本実施例の電力変換装置の他の例は、インバータ１１１である。図１に示すように、インバータ１１１は、直流電力を交流電力に変換する回路である電力変換回路１１３と、電力変換回路１１３を制御するインバータ制御部１１５とを有する。

【0027】

図３は、実施例１のインバータの電力変換回路の一例を示す回路図である。

【0028】

インバータ１１１の電力変換回路１１３も、コンバータ１１０の電力変換回路１１２と同様の構成を有しているので、詳細な説明は省略する。なお、第１の半導体スイッチング素子１０Ａと第２の半導体スイッチング素子１０Ｂは、インバータ制御部１１５によりそれぞれ独立にオン・オフが制御される。

【0029】

図４は、実施例１の制御モードを説明する図である。

【0030】

本実施例の制御部であるコンバータ制御部１１４とインバータ制御部１１５は、制御状態として、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子のうちの一部のみをオンさせる部分駆動モードと、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子の全部をオンさせる全部駆動モードとを有する。

【0031】

部分駆動モードは、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子のうちのオンさせる半導体スイッチング素子の対象を変更しながら制御するモードである。したがって、部分駆動モードは、第１の半導体スイッチング素子１０Ａをオンさせ第２の半導体スイッチング素子１０Ｂをオフさせる第１のモードと、第１の半導体スイッチング素子１０Ａをオフさせ第２の半導体スイッチング素子１０Ｂをオンさせる第２のモードとを有する。そして、第１のモードと第２のモードとを交互に繰り返しながら制御する。

【0032】

また、全部駆動モードは、第１の半導体スイッチング素子１０Ａと第２の半導体スイッチング素子１０Ｂとを両方ともオンさせる第３のモードを有する。

【0033】

ここで、第１の半導体スイッチング素子１０Ａのオン抵抗Ｒｏｎ１と第２の半導体スイッチング素子１０Ｂのオン抵抗Ｒｏｎ２とが個体差により異なっており、Ｒｏｎ１＞Ｒｏｎ２である場合を考える。

【0034】

第１のモードでは、第１の半導体スイッチング素子１０Ａのみがオンとなっているので、電流Ｉは第１の半導体スイッチング素子１０Ａの側を流れる。このときの損失Ｐ１は、Ｐ１＝Ｉ^２・Ｒｏｎ１となる。

【0035】

第２のモードでは、第２の半導体スイッチング素子１０Ｂのみがオンとなっているので、第１のモードと同じ大きさの電流Ｉが流れると仮定すると、電流Ｉは第２の半導体スイッチング素子１０Ｂの側を流れる。このときの損失Ｐ２は、Ｐ２＝Ｉ^２・Ｒｏｎ２となる。ここで、Ｒｏｎ１＞Ｒｏｎ２なので、Ｐ２＜Ｐ１となる。したがって、部分駆動モードだけでは損失アンバランスが生じてしまう。

【0036】

第３のモードでは、第１の半導体スイッチング素子１０Ａと第２の半導体スイッチング素子１０Ｂの両方ともオンとなっているので、第１のモードと同じ大きさの電流Ｉが流れると仮定すると、電流Ｉは、第１の半導体スイッチング素子１０Ａの側を流れる電流Ｉ１と、第２の半導体スイッチング素子１０Ｂの側を流れる電流Ｉ２とに分流して流れる。なお、Ｉ＝Ｉ１＋Ｉ２となる。また、Ｒｏｎ１＞Ｒｏｎ２なので、Ｉ１＜Ｉ２となる。

【0037】

ここで、第１の半導体スイッチング素子１０Ａと第２の半導体スイッチング素子１０Ｂの電圧Ｖは、Ｖ＝Ｒｏｎ１・Ｉ１＝Ｒｏｎ２・Ｉ２である。したがって、第１の半導体スイッチング素子１０Ａで発生する損失Ｐ３１は、Ｐ３１＝Ｉ１^２・Ｒｏｎ１＝Ｖ・Ｉ１である。第２の半導体スイッチング素子１０Ｂで発生する損失Ｐ３２は、Ｐ３２＝Ｉ２^２・Ｒｏｎ２＝Ｖ・Ｉ２である。Ｐ３１とＰ３２の大小関係は、Ｉ１＜Ｉ２なので、Ｐ３１＜Ｐ３２となる。したがって、全部駆動モードでは、部分駆動モードとは逆方向の損失アンバランスが生じる。

【0038】

そこで、本実施例の制御部は、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子のうちのオンさせる半導体スイッチング素子の対象を変更しながら部分駆動モードで制御しつつ、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子のオン抵抗差に応じた所定の比率で全部駆動モードを挿入して制御する構成とした。前述の通り、全部駆動モードでは、部分駆動モードとは逆方向の損失アンバランスが生じるため、本実施例の制御方法によれば、損失アンバランスを低減することができる。詳細について図５を用いて説明する。

【0039】

図５は、実施例１の制御方法の一例を説明するフローチャートである。

【0040】

図５では、ステップＳ１からステップＳ６では、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子のうちのオンさせる半導体スイッチング素子の対象を変更しながら部分駆動モードで制御している。そして、前述の通り、オン抵抗差に応じた所定の比率でステップＳ７の全部駆動モードを挿入している。具体的には、ステップＳ１、Ｓ３、Ｓ５では、第１のモードで制御し、ステップＳ２、Ｓ４、Ｓ６では、第２のモードで制御している。このように、第１のモードと第２のモードとを交互に繰り返しながら、第１の半導体スイッチング素子１０Ａと第２の半導体スイッチング素子１０Ｂのオン抵抗差に応じた所定の比率でステップＳ７の第３のモードを挿入して制御する。ここでは一例として１／７の割合で第３のモードを挿入しているが、損失アンバランスを低減できる比率であればこれに限られない。また、第３のモードを挿入する位置は、ステップＳ１からステップＳ７のうちのどこでもよい。なお、図５のフローは繰り返し実行される。

【0041】

前述した所定の比率は、予め計測されたオン抵抗差に基づいて予め設定することができる。なお、オン抵抗の計測は、メーカーから提供された情報を用いてもよいし、自ら計測してもよい。何れの場合も、制御中にセンサを用いてリアルタイムで計測する必要はないので、コストの大幅な増加を抑えることができる。

【0042】

また、制御部による部分駆動モードの制御中に所定の比率で全部駆動モードを挿入する制御は、オン抵抗差が所定の大きさ以上の場合、すなわち、通常の制御では損失アンバランスが大きくなる場合に実行されるようにしてもよい。オン抵抗差が所定の大きさよりも小さい場合は、損失アンバランスも小さいため、損失アンバランスの大きさが許容できる範囲であれば、必ずしも図５に示したような本実施例の制御を行う必要はなく、通常の制御、例えば、全部駆動モードのみ、または、部分駆動モードのみで制御してもよい。

【0043】

本実施例では、２並列の場合を例に説明したが、これに限られず、３並列以上であってもよい。例えば３並列の場合は、部分駆動モードを３つのモードに増やすなどして、適宜拡張すればよい。

【0044】

以上説明した通り、本実施例によれば、互いに並列に接続された複数の半導体スイッチング素子にオン抵抗差がある場合でも簡易的な制御方法によって損失アンバランスを低減できる。

【実施例0045】

実施例２は、実施例１の変形例であり、電力変換装置の一例として、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０に適用した実施例である。

【0046】

図６は、実施例２のＤＣ／ＤＣコンバータの一例を示す回路図である。

【0047】

ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０は、直流電力を電圧の異なる直流電力に変換する回路である電力変換回路１２１と、電力変換回路１２１を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ制御部１２２とを有する。

【0048】

電力変換回路１２１の基本的な構成は一般的なＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換回路と同じであるため、詳細な説明は省略するが、半導体スイッチング素子１０と、ダイオード１１と、コンデンサ１２と、インダクタ１３とを有している。なお、図６に示した構成はあくまで一例であり、これに限られない。

【0049】

本実施例の電力変換回路１２１は、実施例１と同様に、半導体スイッチング素子１０として、互いに並列に接続された第１の半導体スイッチング素子１０Ａと第２の半導体スイッチング素子１０Ｂとを用いている。なお、第１の半導体スイッチング素子１０Ａと第２の半導体スイッチング素子１０Ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部１２２によりそれぞれ独立にオン・オフが制御される。

【0050】

本実施例の場合も、実施例１と同様に制御することで、同様の効果が得られる。

【0051】

以上、本発明の実施例を説明したが、本発明は実施例に記載された構成に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内で種々の変更が可能である。また、各実施例で説明した構成の一部または全部を組み合わせて適用してもよい。

【0052】

例えば、実施例２のＤＣ／ＤＣコンバータ１２０を、実施例１のエレベーター１０１の一部に用いてもよい。