JP2024518405A - 多相電気機械のコイルを駆動する方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
直列モード変調構成及び並列電圧等価変調構成が開示される。直列モード変調構成では、ユニポーラ変調が利用される。ユニポーラ変調は、ゼロベクトルを利用し、２倍の周波数係数で負荷の両端の電圧を生成する。並列電圧等価モード変調構成では、同一の電流で２つのコイルを駆動する２つのＨブリッジがある。Ｈブリッジは、有利なことに、互いに位相をずらして動作させることができる（例えば、互いに位相を１８０ずらして電流をインターリーブしてリップル電流ストレスを更に低減する）。【選択図】図１Ｂ
Description
［関連出願との対応関係］
本願は、２０２１年５月１３日に出願された米国仮特許出願第６３／１８８，１５１号の利益を主張し、その内容は、参照全体によって本明細書に明示的に組み込まれる。
本願は、２０２１年５月１３日に出願された米国仮特許出願第６３／１８８，１５１号の利益を主張し、その内容は、参照全体によって本明細書に明示的に組み込まれる。
［技術分野］
本開示は、一般に、多相電気機械（例えば、電気モータ、誘導モータ、発電機）のコイル又は巻線を駆動する方法及び装置に関し、特に、コイル駆動部変調技術を採用する方法及び装置に関する。
本開示は、一般に、多相電気機械（例えば、電気モータ、誘導モータ、発電機）のコイル又は巻線を駆動する方法及び装置に関し、特に、コイル駆動部変調技術を採用する方法及び装置に関する。
［従来技術の説明］
電圧源インバータ（ＶＳＩ）は、直流リンク上の蓄電素子を利用して、低交流インピーダンスの所定の直流電圧をスイッチング素子に供給する。蓄電素子は、一般にコンデンサであるが、他の種類の蓄電素子、例えば、電圧源、例えば一次又は二次化学電池（例えば、リチウムイオン電池）等であってもよい。ここで、直流電圧は、スイッチを介して負荷に印加され、可変オン時間、固定周波数、即ち、デューティ・サイクル、又はあまり一般的でないが、可変オン時間と可変周波数の組み合わせによって所望の出力電圧を生成する。スイッチは、一般に半導体スイッチ（例えば、Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ（ＭＯＳＦＥＴｓ）、Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ（ＩＧＢＴｓ））である。
電圧源インバータ（ＶＳＩ）は、直流リンク上の蓄電素子を利用して、低交流インピーダンスの所定の直流電圧をスイッチング素子に供給する。蓄電素子は、一般にコンデンサであるが、他の種類の蓄電素子、例えば、電圧源、例えば一次又は二次化学電池（例えば、リチウムイオン電池）等であってもよい。ここで、直流電圧は、スイッチを介して負荷に印加され、可変オン時間、固定周波数、即ち、デューティ・サイクル、又はあまり一般的でないが、可変オン時間と可変周波数の組み合わせによって所望の出力電圧を生成する。スイッチは、一般に半導体スイッチ（例えば、Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ（ＭＯＳＦＥＴｓ）、Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ（ＩＧＢＴｓ））である。
アナログ制御も可能であるが、ほとんどのインバータは、特別に設計されたタイマ／カウンタ・ブロックを有するマイクロコントローラを使用したパルス幅変調（ＰＷＭ）パターンを採用する。ＰＷＭ技術の主な原理は、スイッチ（例えば、半導体スイッチ）のオン／オフ制御を通じて、同じ振幅で異なる幅を有する一連のパルスを出力ポートに生成し、一般的に使用される正弦波やその他の波形に置き換えることである。出力波形のデューティ・サイクルは、一定の規則で変調する必要があり、その結果、インバータの出力電圧と出力周波数との両方を調整することができる。
最も一般的なアプローチは、「センター・アラインＰＷＭ」と呼ばれ、様々な位相（例えば、３相）の全てのパルスが同じ「タイマー・トップ」を使用する。別のアプローチは、「エッジ・アラインＰＷＭ」と呼ばれ、全ての相（例えば３相）が立ち上がりエッジを共有するが、相毎に所望の平均電圧を生成するために異なるタイミングでオフにされる。
図３は、センター・アラインされた３相ＰＷＭパターンを示している。３相（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相）は全てタイマー・センターを中心に配置される。３相のそれぞれは、オン状態とオフ状態とを共有している。各相のデューティ・サイクルは異なるが、各相は、図に示すようにタイマー・センターを中心に配置される。言い換えれば、パルス中心は、時間窓の中心に固定され、各パルスの両エッジは、変動して、対応するパルスの幅を圧縮又は拡張する。
従来の３相インバータでは、生成される３つのライン電圧間の相互作用により、所望の電圧を生成するために出力に適用されるデューティ・サイクルの方法を変える柔軟性があまりない。
直流リンク上のエネルギー蓄積素子が電流を供給し、スイッチがＰＷＭ周波数で動作して所望の出力電圧／電流を生成する。所望の出力電圧／電流の生成は、蓄電素子に大きなリップル電流ストレスを掛ける。一般的な経験則では、直流リンク蓄電素子のワーストケースの二乗平均平方根（ＲＭＳ）リップル電流暴露は、ＲＭＳ相電流の約０．６倍である。例として、１相あたり１００Ａ ＲＭＳのインバータは、直流リンク蓄電素子に約６０Ａ ＲＭＳのリップル電流を生成する。
直流リンク蓄電素子に要求される大きなＲＭＳ電流は、コスト及びサイズ／重量の両方を上昇させる。従って、ＲＭＳ電流を低減することは、モータ駆動のコスト及びサイズ／重量の低減をもたらす。
本明細書で説明するＰＷＭ駆動方式は、１対のハーフブリッジ（Ｈブリッジ）及び直列スイッチからなるインバータトポロジーと組み合わせて、直流蓄電素子に掛かるＲＭＳリプル電流ストレスを有利に大幅に低減することができる。説明したモータ駆動トポロジーでは、相間にＰＷＭ又は電圧相互作用が本質的にないため、ＰＷＭパターンを変更して蓄電素子のリップル電流ストレスを低減することができる。
変調器角度が、各ＨブリッジのＰＷＭを生成する鋸歯状キャリアの角度を示すことに留意すべきである。この鋸歯状キャリアは、コンパレータによるデマンドとの比較に使用されるアナログ電圧、又はカウント・アップ／ダウン・タイマとカウンタとの比較によって生成される波形とすることができる。
従来の３相インバータと比較して、開示された変調方法を利用する開示されたコイル駆動部は、リップル電流、ピーク・ツー・ピーク電流が非常に低く、高調波コンテンツの次数を上げる。これにより、コンデンサ及びＥＭＩフィルタの設計が大幅に簡素化され、それらのサイズ／重量が低減される。
一態様によれば、装置は、多相電気機械の各相のコイル駆動部として要約され：
コイル駆動部のポート間に結合された直流エネルギー蓄積部と；
第１のスイッチ対であって、コイル駆動部のポート間に直列に接続された少なくとも２つのスイッチ素子を有し、少なくとも２つのスイッチ素子間に第１のノードを有する第１のスイッチ対と；
第２のスイッチ対であって、コイル駆動部のポート間に直列に接続された少なくとも２つのスイッチ素子を有し、少なくとも２つのスイッチ素子間に第２のノードを有して、第１のコイルに対する第１の交流駆動電流又は交流電圧が第１のノードと第２のノードとの間に生成される第２のスイッチ対と；
第３のスイッチ対であって、コイル駆動部のポート間に直列に接続された少なくとも２つのスイッチ素子を有し、少なくとも２つのスイッチ素子間に第３のノードを有する第３のスイッチ対と；
第４のスイッチ対であって、コイル駆動部のポート間に直列に接続された少なくとも２つのスイッチ素子を有し、少なくとも２つのスイッチ素子間に第４のノードを有して、第２のコイルに対する第２の交流駆動電流又は交流電圧が、第３のノードと第４のノードとの間に生成される第４のスイッチ対と；
第５のスイッチ対であって、第２のノードと第３のノードとの間に直列に接続された少なくとも２つのスイッチ素子を有する第５のスイッチ対と；を備え、
ここで：
第１のモードでは、第１のスイッチ対、第４のスイッチ対、及び第５のスイッチ対がオンであり、第２のスイッチ対及び第３のスイッチ対がオフであり、
第２のモードでは、第１のスイッチ対、第２のスイッチ対、第３のスイッチ対、及び第４のスイッチ対がオンであり、第５のスイッチ対がオフであり、
第１のモードでは、第１及び第２の交流電圧は、スイッチの駆動変調周波数の２倍の周波数係数を有する。
コイル駆動部のポート間に結合された直流エネルギー蓄積部と；
第１のスイッチ対であって、コイル駆動部のポート間に直列に接続された少なくとも２つのスイッチ素子を有し、少なくとも２つのスイッチ素子間に第１のノードを有する第１のスイッチ対と；
第２のスイッチ対であって、コイル駆動部のポート間に直列に接続された少なくとも２つのスイッチ素子を有し、少なくとも２つのスイッチ素子間に第２のノードを有して、第１のコイルに対する第１の交流駆動電流又は交流電圧が第１のノードと第２のノードとの間に生成される第２のスイッチ対と；
第３のスイッチ対であって、コイル駆動部のポート間に直列に接続された少なくとも２つのスイッチ素子を有し、少なくとも２つのスイッチ素子間に第３のノードを有する第３のスイッチ対と；
第４のスイッチ対であって、コイル駆動部のポート間に直列に接続された少なくとも２つのスイッチ素子を有し、少なくとも２つのスイッチ素子間に第４のノードを有して、第２のコイルに対する第２の交流駆動電流又は交流電圧が、第３のノードと第４のノードとの間に生成される第４のスイッチ対と；
第５のスイッチ対であって、第２のノードと第３のノードとの間に直列に接続された少なくとも２つのスイッチ素子を有する第５のスイッチ対と；を備え、
ここで：
第１のモードでは、第１のスイッチ対、第４のスイッチ対、及び第５のスイッチ対がオンであり、第２のスイッチ対及び第３のスイッチ対がオフであり、
第２のモードでは、第１のスイッチ対、第２のスイッチ対、第３のスイッチ対、及び第４のスイッチ対がオンであり、第５のスイッチ対がオフであり、
第１のモードでは、第１及び第２の交流電圧は、スイッチの駆動変調周波数の２倍の周波数係数を有する。
一態様によれば、第１のモードでは、変調器キャリアの角度が変化してパルス幅変調パターンの各相を駆動する。
一態様によれば、第１のモードでは、変調器キャリアの角度が相毎に±１２０度及び±６０度のうちの一方の分だけ変化する。
一態様によれば、第２のモードでは、２つのＨブリッジが同一の電流を駆動する。
一態様によれば、第２のモードでは、２つの同一の電流がインターリーブされる。
一態様によれば、第２のモードでは、変調器キャリアが変化して少なくとも６０°と１２０°との間のキャリア角度オフセットで各相を駆動する。
図面において、同一の参照番号は同様の要素又は作用を識別する。図面中の要素のサイズ及び相対位置は、必ずしも縮尺通りに図示されていない。例えば、様々な要素及び角度の形状は、必ずしも縮尺通りに図示されず、これらの要素の一部は、図面の読み易さを向上させるために、任意に拡大され、配置される場合がある。更に、図示された要素の特定の形状は、必ずしも特定の要素の実際の形状に関する情報を伝えることを意図したものではなく、図面において認識し易くするためにのみ選択されている場合がある。
電気機械及びコントローラを含むシステムの概略図である。
少なくとも１つの図示された実施態様による単相コイル駆動部を示す概略図である。
３相システムの各相のそれぞれの電流を示すグラフである。
センター・アラインＰＷＭアプローチを示すグラフである。
センター・アライン３相ＰＷＭパターンを示すグラフである。
３相等価負荷のデルタ接続の概略図である。
相電流／コイル電流を示すグラフである。
直流リンク上のリップル電流ストレスを示すグラフである。
直流リンクにおけるリップル電流のスペクトルを示すグラフである。
キャリア及び生成されたＰＷＭ信号を示すグラフである。
キャリア角度がリップル電流に与える影響を示すグラフである。
直列動作モードにおける直流リンクリップルを示すグラフである。
直列動作モードにおける直流リンクリップルのリップル電流スペクトルを示すグラフである。
並列電圧等価動作モードにおいて各相のＨブリッジ間のキャリア角度を変化させた場合の直流リンクリップルへの影響を示すグラフである。
所定の相に対する１２０°のオフセットと、Ｈブリッジ対のインターリーブとの影響を示すグラフである。
コイル電流を示すグラフである。
並列電圧等価動作モードで動作するときの直流リンク電流を示すグラフである。
並列電圧等価動作モード時の直流リップル電流の高調波コンテンツを示すグラフである。
以下の説明では、様々な開示された実施形態の十分な理解を提供するために、ある特定の詳細が示される。しかしながら、関連技術分野の当業者であれば、これらの特定の詳細のうち１つ以上を用いずに、又は他の方法、構成要素、材料等を用いて、実施形態が実施され得ることを認識するであろう。
文脈上異なる意味を要求しない限り、本明細書及び続く特許請求の範囲を通して、用語「含む（comprise）」及びその変化形、例えば、「含む（comprises）」及び「含んでいる（comprising）」は、開放的で包括的な意味で、即ち、「含むが、これらに限定されない」と解釈されるべきである。
本明細書を通して、「一実施形態（one embodiment）」又は「実施形態（an embodiment）」への言及は、実施形態に関連して記載される特定の特徴、構造又は特性が、少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書を通して様々な箇所で「一実施形態（one embodiment）において」又は「実施形態（an embodiment）において」という語句が現れるが、必ずしも全てが同じ実施形態を示すわけではない。更に、特定の特徴、構造又は特性は、１つ又は複数の実施形態において任意の適切な手法で組み合わせることができる。
本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「１つの（a）」、「１つの（an）」及び「その（the）」は、文脈上異なる意味を明らかに要求しない限り、複数の参照語を含む。また、用語「又は（or）」は、文脈上異なる意味を明らかに要求しない限り、「及び／又は」を含む意味で通常使用されることに留意すべきである。
本明細書で提供される開示の見出し及び要約は、便宜上のものに過ぎず、実施形態の範囲又は意味を解釈するものではない。
図１Ａは、少なくとも１つの図示された実施態様による、電気機械１１０（例えば、電気モータ、誘導モータ、発電機）及び制御サブシステム１２０を含むシステム１００を示す。
電気機械１００は、例えば、３相電気モータ（例えば、３相永久磁石（ＰＭ）モータ）、誘導モータ等の多相電気機械の形態をとることができる。電気機械１００は、例えば、複数の永久磁石がその周囲に配列されたロータと、複数のコイル又は巻線がその周囲に配列されたステータとを含むことができる。ロータは、例えば、コイル又は巻線における磁界の選択的励磁に応じてステータに対して回転するように取り付けられる。
制御システム１２０は、本明細書で詳細に説明するように、例えば、コイル又は巻線における磁界の選択的励磁を制御するための様々なスイッチの操作を介して、１つ以上の制御線１３０によって電気機械を制御するように結合されている。制御システム１２０は、１つ以上のプロセッサ（例えば、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰｓ）、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵｓ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡｓ）、プログラマブルロジックユニット（ＰＬＵｓ）、モータコントローラ、又は他の制御回路）を含むことができる。制御システムは、１つ以上の非一過性の記憶媒体、例えば、メモリ（例えば、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ＦＬＡＳＨメモリ）又は他の媒体（例えば、磁気ディスクドライブ、光ディスクドライブ）を含むことができ、それはプロセッサ実行可能命令を記憶し、それが１つ以上のプロセッサによって実行されると、１つ以上のプロセッサに、例えば、本明細書に記載されるように、電気機械の動作を制御するための論理を実行させる。制御システムは、１つ以上のセンサ１４０を含むことができ、又は１つ以上のセンサ１４０、例えば、１つ以上の電流センサ、電圧センサ、位置若しくは回転エンコーダ、ホール効果センサ、又はリードスイッチから情報を受信することができ、これにより電気機械及び制御回路の動作を監視することができる。
図１Ｂは、少なくとも１つの図示された実施態様による、電気機械（例えば、電気モータ）の単相のための回路２００の概略図である。電気機械の各相は、２つ以上のコイル又は電気機械の相のためのコイル又は巻線の別個の部分若しくはセグメントを有し、図１ＢではＬ１及びＬ２と称される。回路２００は、図示された回路２００がコイル、巻線、又はコイル若しくは巻線の一部若しくはセグメントを含むにも拘らず、本明細書及び特許請求の範囲において、単相コイル駆動部として示され、又は単にコイル駆動部として示されることがある。多相電気機械（例えば、３相永久磁石（ＰＭ）モータ）の場合、多相電気機械の相毎にそれぞれの回路２００が存在する。
図１Ｂにおいて、Ｌ１及びＬ２は単相のモータコイルを示し、Ｃ１は直流リンクエネルギー蓄積素子である。スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ６、Ｓ７、Ｓ８及びＳ９はインバータのＰＷＭスイッチとして機能し、Ｓ５は直列スイッチである。通常、スイッチは、例えば、シリコン又はシリコンカーバイドＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等の１つ以上の半導体デバイスで構成される。コントローラ２１０は、１本以上の制御線ＣＬ１～ＣＬ４によってスイッチに結合され、スイッチを駆動する。コントローラ２１０は、マイクロコントローラ等とすることができる。
図１Ｂに示されたコイル駆動部は、直列モードと並列モードとの２つの動作モードを有する。直列モードでは、Ｓ５がオンで、Ｓ３、Ｓ４、Ｓ６及びＳ７が「オフ」であって、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ８及びＳ９が「ＰＷＭ」モードで、直列接続されたコイルを駆動するアクティブな「Ｈブリッジ」を形成する。直列モードでは、各相のコイル対が直列に切り換えられ、相毎に１つのＨブリッジによって駆動される。並列モードでは、Ｓ５は 「オフ」であって、Ｓ１～Ｓ４及びＳ６～Ｓ９は「ＰＷＭ」モードであり、Ｌ１及びＬ２を個別のコイルとして駆動する２つのＨブリッジが形成される。並列モードでは、コイル対は、それぞれのＨブリッジによって個別に駆動され、その結果、相毎に２つのＨブリッジが形成される。
図１Ｂに示す多相電気機械の各相のコイル駆動部は、コイル駆動部のポートＢ＋及びＢ－の間に結合された直流エネルギー蓄積部Ｃ１と、４つのスイッチ対と、直列スイッチとを含む。第１のスイッチ対は、コイル駆動部のポート間に直列に接続された少なくとも２つのスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２を有し、少なくとも２つのスイッチ素子Ｓ１，Ｓ２の間に第１のノードを有する。第２のスイッチ対は、コイル駆動部のポート間に直列に接続された少なくとも２つのスイッチ素子Ｓ３，Ｓ４を有し、少なくとも２つのスイッチ素子Ｓ３，Ｓ４の間に第２のノードを有する。第１のコイルＬ１のための第１の交流駆動電流又は交流電圧は、第１のノードと第２のノードとの間に生成される。第３のスイッチ対は、コイル駆動部のポート間に直列に接続され、少なくとも２つのスイッチ素子Ｓ６，Ｓ７の間に第３のノードを有する。第４のスイッチ対は、コイル駆動部のポート間に直列に接続された少なくとも２つのスイッチ素子Ｓ８，Ｓ９を有し、少なくとも２つのスイッチ素子間に第４のノードを有する。第２のコイルＬ２のための第２の交流駆動電流又は交流電圧は、第３のノードと第４のノードとの間で生成される。第５のスイッチＳ５は、第２のノードと第３のノードとの間に直列に接続される。
リップル電流低減のために異なる機会を提供する２つの異なる動作モードがある。直列モードでは、各相のコイル対は、直列に切り換えられ、相毎に１つのＨブリッジで駆動される。並列モードでは、コイル対は、それぞれ個別のＨブリッジで駆動され、その結果、相毎に２つのＨブリッジとなる。
２つの動作モードはそれぞれ異なり、リップル電流低減のために異なる機会を提供する。
提示した変調方式の効果を比較するため、以下のシミュレーションでは、インバータ及びコイル駆動部の動作点を一定に保つように調整した。変調の深さ、電流角度等が直流リンクリップル電流に大きな影響を与えることは当該技術分野でよく知られているため、負荷及び動作電圧は、これらを同じに保つように調整される。これは学術的な理由でなされるに過ぎないことに留意すべきであり、実際には直列モード及び並列モードは、機械をより広い範囲の速度及びトルクに亘って動作させることができ、その結果、動作条件が大きく変化する。特に、直列及び並列での動作点は、定義上、同じになり得ない。
図２は、３相システムの各相の電流を示している。図２の電流は平衡している。平衡３相システムの数学的特性は、任意の瞬間の量、例えば、３つの電流の全ての和がゼロになることである。換言すれば、
ｌａ＋ｌｂ＋ｌｃ=０ （式１）。
ｌａ＋ｌｂ＋ｌｃ=０ （式１）。
提案された変調方法の一態様は、３相量の特性を利用して、最大電流相殺が発生するようにＰＷＭを調整する。
本発明の一態様は、コンデンササイズを小さくすることである。コンデンサのサイズに影響を与える係数の一つは周波数である。従って、変調方式は、電流高調波を周波数上昇させ、キャパシタンス要件を低減し、ＥＭＩフィルタ要件を簡素化する効果がある。
図３及び図４は、センター・アラインＰＷＭを示している。センター・アラインＰＷＭは、各相のそれぞれのデューティ・サイクルを変化させながら、すべての「オン」時間をオーバーラップさせる。ベースライン条件は、同じコイルインピーダンスで、同じ変調指数で同じコイル電流を供給する３相インバータである。コイル駆動部は、コイルにフル直流リンクを印加するため、最良な比較は、デルタ接続された負荷を有する３相駆動部である。この手法では、コイル又はデルタのレグ電流は同じで、コイルはそれぞれ同じインダクタンス／抵抗を有する。コイル駆動部は、２つのコイルを直列又は並列で駆動できるため、３相比較のためにデルタで並列接続されたコイルは、直列モードのリップル電流を評価するために用いられる。動作上、直列モードでは２つのコイルを直列にし、その結果、インダクタンス及び抵抗が４倍に増加する。また、直列モードでは、これにより、コイルの両端の交流電圧が、駆動変調周波数の２倍の周波数係数を有する。他の条件はすべて同じ：直流リンク電圧及び寄生成分（ＥＳＲ／ＥＳＬ）、機械内の誘起電圧、力率（又は電流角度、即ち、ｉｄ／ｉｑ）である。選択された動作点は、ｑ軸電流（即ち、誘起電圧と同位相）のみを示す。コイルの電流角度は同じであり、デルタ接続の性質上、相電流の電流角度はコイル電流に対して３０°の角度を有することに留意すべきである。
図５は、３相等価負荷のデルタ接続である。図示のように、コイルＶ１，２、Ｗ１，２、Ｕ１，２は、デルタ構成で接続されている。相電流／コイル電流の関係を図６に示し、直流リンク上のリップル電流ストレスを図７に示す。
一例では、各コイルのピーク電流は１００Ａである。言い換えれば、並列な２つのコイルは、デルタのレグ電流がピークで２００Ａであることを意味する。相電流に対するデルタのレグは、√３の関係を有し、特に、
ｉ＊√３＝ｉｐｅａｋ （式２）。
ｉ＊√３＝ｉｐｅａｋ （式２）。
所定の例では、２００＊√３＝３４６Ａｐｋであり、これは２４４Ａ ＲＭＳに相当し、計算結果と一致する。
この動作ポイントでは、３相駆動部が、約１６０ＡｒｍｓのＲＭＳリップル応力を発生する。この値は、３相インバータの経験則と一致し、それは、
ＲＭＳripple＝０．６＊ＩphaseRMS （式３）
ＲＭＳripple＝０．６＊ＩphaseRMS （式３）
従って、直流リンクＲＭＳリップルは、２４５＊０．６＝１４７Ａｒｍｓと計算される。
更に、直流リンクのピーク電流ストレスは、＋１３０Ａ～－２７０Ａであり、又は約４００Ａのピーク・ツー・ピークである。ピーク・ツー・ピーク量は、より大きなｄｉ／ｄｔを示し、システムのインダクタンスに起因して大きな過電圧を発生させる傾向があるため、重要である。
図８は、直流リンクにおけるリップル電流のスペクトルを示す。周波数領域で示されたリップル電流のスペクトルは、２００Ａに対応する２０ｋＨｚで、次に７５Ａに対応する４０ｋＨｚで、卓越高調波コンテンツを示し、そこから減衰する。
ユニポーラ変調（Ｈブリッジ）又は一般的な３相ブリッジＰＷＭ方式における周波数関係は、ハーフブリッジレグのスイッチング周波数を負荷に印加される周波数に対してリンクする次のような関係を有する。
Ｆ＿ｌｏａｄ＝２＊Ｆ＿ＰＷＭ （式４）
Ｆ＿ｌｏａｄ＝２＊Ｆ＿ＰＷＭ （式４）
直流リンク蓄電素子は、全てのブリッジレグから合成電流を供給しなければならないため、この蓄電素子は、この同じ周波数２＊Ｆ＿ＰＷＭに露出される。
［直列モード変調構成］
本発明の一態様は、直列モード変調構成を提供する。Ｈブリッジでは、駆動変調周波数でスイッチを駆動するユニポーラ変調が利用される。ユニポーラ変調はゼロベクトルを利用し、２倍の周波数係数で負荷の両端の電圧を生成する。言い換えれば、直列モードでは、コイルの両端の交流電圧は、駆動変調周波数の２倍の周波数係数を有する。これは３相ブリッジの変調方法である。動作時、１０ｋＨｚのハーフブリッジ周波数は、２０ｋＨｚを負荷に印加する。
本発明の一態様は、直列モード変調構成を提供する。Ｈブリッジでは、駆動変調周波数でスイッチを駆動するユニポーラ変調が利用される。ユニポーラ変調はゼロベクトルを利用し、２倍の周波数係数で負荷の両端の電圧を生成する。言い換えれば、直列モードでは、コイルの両端の交流電圧は、駆動変調周波数の２倍の周波数係数を有する。これは３相ブリッジの変調方法である。動作時、１０ｋＨｚのハーフブリッジ周波数は、２０ｋＨｚを負荷に印加する。
３相アプリケーションの直列モードでは、コイル駆動部は、３つの独立したＨブリッジとして動作する。この構成は、リップルを低減するような手法で各相にＰＷＭ信号を配置する。
直列モードのコイル駆動部は、直列に接続されたコイルに２倍の電流密度を流し、機械のトルク生成を２倍にする。性能の観点からは、コイル駆動部は、機械の有効巻数が多くなるためにベース速度を低下するが、３相駆動部の２倍のトルクを供給する。更に、直列モードの場合、全体的な負荷特性が変化し、同じコイルを並列接続した場合と比較して、抵抗及びインダクタンスが４倍、誘起電圧が２倍に増加する。
３相システムでは、各相が独立しているため、各Ｈブリッジは独自の変調器を得る。各変調器は、図９に示すように、変調器キャリアの角度がＰＷＭ信号を相対的に動かすように調整することができる。直感的には、この例は３相システムであるため、キャリア間の角度は平衡にされ、即ち、±１２０°であるべきである。ｎ相システムの場合、角度はシステムの特性を示すように調整され、即ち、キャリア角度のシフト＝３６０／（ｎ相）となる。
キャリアの角度を０°から１８０°まで掃引すると、ＲＭＳリップル電流への影響が図１０に示される。０°又は１８０°では、システムは通常の３相駆動部のように動作する。±６０°のオフセットでも同様の低減を提供することに留意すべきである。ＲＭＳ電流ストレスの低減に加え、図１１はピーク・ツー・ピーク・ストレスも４００Ａピーク・ツー・ピークから３４５Ａピーク・ツー・ピークまで低減されることを示す。
図１２に示す直列モード変調のリップル電流スペクトルは、電流の周波数コンテンツへの影響を示す。卓越高調波は、図に示すように２０ｋＨｚのままであるが、振幅は８３Ａ（以前は２００Ａ）に過ぎず、４０ｋＨｚ及び６０ｋＨｚの高調波は抑制され、次に高い高調波は８０ｋＨｚで約２８Ａである。
［並列モード変調構成］
本発明の一態様は、並列モード変調構成である。並列モードは、直列モード変調の上に構築される。並列モード変調構成では、２つのＨブリッジが２つのコイルを同一の電流で駆動する。これらの電流をインターリーブすることで、リップル電流ストレスを更に低減することができる。
本発明の一態様は、並列モード変調構成である。並列モードは、直列モード変調の上に構築される。並列モード変調構成では、２つのＨブリッジが２つのコイルを同一の電流で駆動する。これらの電流をインターリーブすることで、リップル電流ストレスを更に低減することができる。
各Ｈブリッジはユニポーラ変調を使用する。この変調を生成する一手法では、各ハーフブリッジに同じリファレンスを使用し、１８０°位相シフトしたキャリアを供給する。つまり、１つのＨブリッジに対して、一方のキャリアは０°で、他方のキャリアは１８０°である。２番目のＨブリッジが追加されると、２つのハーフブリッジのキャリアは、最初のＨブリッジから－９０°及び９０°のオフセットがある。その後、各相に対して±１２０°の回転が、その相の４つの変調器全てに均等に加えられる。
図１３は、直列変調から＋／－１２０°を除去し、インターリーブ角度を掃引したときのインターリーブのみの影響を調べたときに、並列モードで各相のＨブリッジ間のキャリア角度を変化させたときの直流リンクリップルへの影響を示す。直流リンクリップル電流は大幅に減少し、最高の性能が９０°のオフセットを中心に得られる。
図１４は、１２０°のオフセットとＨブリッジ対のインターリーブとの影響を示す。直列モードで使用される１２０°のオフセットを追加すると、９０°で直流リンクリップル電流が僅かに増加する。１２０°のオフセットとＨブリッジ対のインターリーブを追加すると、２つの結果が得られる。第一に、ＲＭＳリップル電流は約３８Ａ ＲＭＳで、１６０Ａ ＲＭＳから減少する。第二に、ピーク・ツー・ピーク電流は約１５０Ａである。直流リンクキャップに印加されるｄｉ／ｄｔを減少させるブリッジで電流相殺が生じ、インダクタンスによる発生電圧が減少することに留意すべきである。図１５はコイル電流を示すグラフであり、図１６は直流リンク電流を示すグラフである。
２つのＨブリッジを組み合わせた場合、９０°は最適値ではない。図１４に示されるように、最小直流リンクリップル電流は８０°及び１００°で最小になる。この非対称変調角度の副作用として、２０ｋＨｚの高調波成分が大きく、直流リンクに副高調波があり、この場合のリップル電流のごく僅かな改善は、大きな高調波及び副高調波成分によるマイナスの影響をはるかに上回る。９０°の角度の利用では、２０ｋＨｚの高調波を完全に除去し、全ての直流リンク電流の高調波を周波数において押し上げ、直流リップル電流を約１Ａ ＲＭＳ増加し、あるいは、より具体的には、３％から増加する。
開示された変調方法を組み合わせると、直流リンクリップル電流を、同じ電流を供給する従来のインバータでの１６０Ａ ＲＭＳから、コイル駆動部での４０Ａ ＲＭＳ弱に減少する。また、高調波コンテンツは、周波数において４倍（２０ｋＨｚ～８０ｋＨｚ）である。卓越高調波電流は、従来の変調方式では２０ｋＨｚであるのに対し、８０ｋＨｚであり、ブリッジレグのスイッチング周波数を１０ｋＨｚとする。より一般的には、高調波の含有量は、２＊Ｆ＿ＰＷＭから８＊Ｆ＿ＰＷＭまで増加する。８０ｋＨｚでの高調波電流は、リップル電流の劇的な減少と共に、コンデンサ設計を大幅に簡素化する。
上記の説明では、様々な開示された実施態様を完全に理解するために、ある特定の詳細を示した。しかしながら、関連技術分野の当業者であれば、これらの特定の詳細のうち１つ以上を用いずに、又は他の方法、構成要素、材料等を用いて、実施態様が実施され得ることを認識するであろう。他の例では、コンピュータシステム、サーバコンピュータ及び／又は通信ネットワークに関連する周知の構造は、実施態様の説明を不必要に不明瞭にすることを避けるために、詳細に示されたり説明されたりしていない。
前述の詳細な説明は、ブロック図、概略図及び実施例の使用を通じて、デバイス及び／又はプロセスの様々な実施形態を示した。このようなブロック図、概略図及び実施例が１つ以上の機能及び／又は動作を含む限り、このようなブロック図、フローチャート又は実施例の範囲内の各機能及び／又は動作は、広範囲のハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア又は実質的にそれらの任意の組み合わせによって、個々に及び／又は集合的に、実装され得ることが当業者には理解されるであろう。一実施形態では、本主題は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を介して実装され得る。しかしながら、当業者であれば、本明細書に開示された実施形態は、その全体又は一部が、１つ以上のコンピュータ上で実行される１つ以上のコンピュータプログラムとして（例えば、１つ以上のコンピュータシステム上で実行される１つ以上のプログラムとして）、１つ以上のコントローラ（例えば、 マイクロコントローラ）上で実行される１つ以上のプログラムとして、１つ以上のプロセッサ（例えば、マイクロプロセッサ）上で実行される１つ以上のプログラムとして、ファームウェアとして、又は実質的にそれらの任意の組み合わせとして、標準的な集積回路において同等に実施することができ、回路を設計すること、及び／又は、ソフトウェア及び／又はファームウェアのコードを書くことは、本開示に照らして、当業者の技術の範囲内であろう。
加えて、本明細書で教示する機構は、様々な形態でプログラム製品として配布することが可能であり、例示的な実施形態は、実際に配布を実行するために使用される物理的な信号担持媒体の特定のタイプに関係なく等しく適用されることを、当業者であれば理解するであろう。信号担持媒体の例としては、フロッピーディスク、ハードディスクドライブ、ＣＤ ＲＯＭ、デジタルテープ、コンピュータメモリ等の記録可能なタイプの媒体を含むが、これらに限定されない。
上述した様々な実施形態を組み合わせて、更なる実施形態を提供することができる。必要に応じて、本明細書で確認される様々な特許、出願及び公報のシステム、回路及び概念を採用して、実施形態の態様を変更し、更なる実施形態を提供することができる。
文脈上異なる意味を要求しない限り、本明細書及び続く特許請求の範囲を通して、用語「含む（comprising）」は、「含む（including）」と同義であり、包括的又は開放的である（即ち、追加的な、再現されない要素又は方法作用を排除しない）。
本明細書を通して、「一実施態様（one implementation）」、「一態様（one aspect）」又は「実施態様（an implementation）」への言及は、実施態様に関連して記載される特定の特徴、構造又は特性が、少なくとも１つの実施態様に含まれることを意味する。従って、本明細書を通して様々な箇所で「一実施態様（one implementation）において」、「一態様（one aspect）において」又は「実施態様（an implementation）において」という語句が現れるが、必ずしも全てが同じ実施態様を示すわけではない。更に、特定の特徴、構造又は特性は、１つ又は複数の実施態様において任意の適切な手法で組み合わせることができる。
本明細書において提供される見出し及び要約は、便宜のものに過ぎず、実施態様の範囲又は意味を解釈するものではない。
このように、その好ましい実施態様に適用される本発明の基本的で新規な特徴を示し、説明し、指摘してきたが、図示された装置の形態及び詳細、並びにそれらの動作における様々な省略及び置換並びに変更が、本発明の趣旨を逸脱することなく当業者によってなされ得ることが理解されるであろう。例えば、同じ結果を達成するために実質的に同じ方法で実質的に同じ機能を実行するそれらの要素及び／又は方法作用の全ての組み合わせが本発明の範囲内であることが明示的に意図されている。更に、本発明の任意の開示された形態又は実施形態に関連して示され及び／又は記載された構造及び／又は要素及び／又は方法作用は、設計選択の一般的な問題として、任意の他の開示され又は記載され又は提案された形態又は実施形態に組み込まれ得ることが認識されるべきである。従って、添付の特許請求の範囲によって示されるようにのみ限定されることが意図される。
Claims (17)
- 多相電気機械を駆動するシステムであって、前記多相電気機械は、相毎にそれぞれの複数のコイルを有し、前記システムは、相毎にそれぞれのコイル駆動部を備え、各コイル駆動部は、それぞれ：
前記コイル駆動部のポート間に結合された直流エネルギー蓄積部と；
第１のスイッチ対であって、前記コイル駆動部のポート間に直列に接続された少なくとも２つのスイッチを有し、該少なくとも２つのスイッチ間に第１のノードを有する第１のスイッチ対と；
第２のスイッチ対であって、前記コイル駆動部のポート間に直列に接続された少なくとも２つのスイッチを有し、該少なくとも２つのスイッチ間に第２のノードを有して、第１のコイルに対する第１の交流駆動電流又は第１の交流電圧が前記第１のノードと前記第２のノードとの間に生成される第２のスイッチ対と；
第３のスイッチ対であって、前記コイル駆動部のポート間に直列に接続された少なくとも２つのスイッチを有し、該少なくとも２つのスイッチ間に第３のノードを有する第３のスイッチ対と；
第４のスイッチ対であって、前記コイル駆動部のポート間に直列に接続された少なくとも２つのスイッチを有し、該少なくとも２つのスイッチ間に第４のノードを有して、第２のコイルに対する第２の交流駆動電流又は第２の交流電圧が、前記第３のノードと前記第４のノードとの間に生成される第４のスイッチ対と；
第５のスイッチ対であって、前記第２のノードと前記第３のノードとの間に直列に接続された少なくとも２つのスイッチを有する第５のスイッチ対と；
を備え：
第１のモードでは、前記第１のスイッチ対、前記第４のスイッチ対、及び前記第５のスイッチ対がオン状態であり、前記第２のスイッチ対及び前記第３のスイッチ対がオフ状態であり、
第２のモードでは、前記第１のスイッチ対、前記第２のスイッチ対、前記第３のスイッチ対、及び前記第４のスイッチ対がオン状態であり、前記第５のスイッチ対がオフ状態であり、２つのＨブリッジを形成し、
前記第１のモードでは、前記第１及び第２の交流電圧は、前記スイッチの駆動変調周波数の２倍の周波数係数を有するシステム。 - 前記第１のモードでは、コントローラは、変調器キャリアの角度を変化させてパルス幅変調パターンの各相を駆動する請求項１に記載のコイル駆動部。
- 前記第１のモードでは、前記コントローラは、前記変調器キャリアの角度を相毎に±１２０度及び±６０度のうちの一方の分だけ変化させる請求項２に記載のコイル駆動部。
- コントローラは、２０ｋＨｚ及び８０ｋＨｚの間の高調波数が、２０ｋＨｚ及び８０ｋＨｚでの高調波数より低い振幅を有するように、前記第１のモードで前記スイッチを駆動する請求項１に記載のコイル駆動部。
- 前記第２のモードでは、前記２つのＨブリッジが同一の電流を駆動する請求項１に記載のコイル駆動部。
- 前記第２のモードでは、２つの前記同一の電流がインターリーブされる請求項５に記載のコイル駆動部。
- 前記第２のモードでは、コントローラは、変調器キャリアを変化させて、
６０°と１２０°との間、及び
８０°と１００°との間
のうちの少なくとも一方のキャリア角度オフセットで各コイルを駆動する請求項５に記載のコイル駆動部。 - 前記第２のモードでは、コントローラは、変調器キャリアを変化させて、９０°のキャリア角度オフセットで各相を駆動する請求項５に記載のコイル駆動部。
- 前記第２のモードでは、制御回路は、２０ｋＨｚの高調波が除去されるように前記スイッチを駆動する請求項８に記載のコイル駆動部。
- 制御回路は、卓越高調波が８０ｋＨｚであるように前記スイッチを駆動する請求項７に記載のコイル駆動部。
- 前記第２のモードでは、制御回路は、２＊Ｆ＿ＰＷＭ高調波が除去されるように前記スイッチを駆動する請求項８に記載のコイル駆動部。
- 制御回路は、卓越高調波が８＊Ｆ＿ＰＷＭであるように前記スイッチを駆動する請求項７に記載のコイル駆動部。
- 前記多相電気機械は、誘導モータである請求項１に記載のコイル駆動部。
- 多相電気機械を駆動する方法であって、前記多相電気機械は、相毎にそれぞれの複数のコイルを有し、システムは、相毎にそれぞれのコイル駆動部を備え、各コイル駆動部は、少なくとも、第１のスイッチ対であって、前記コイル駆動部のポート間に直列に接続された少なくとも２つのスイッチを有し、該少なくとも２つのスイッチ間に第１のノードを有する第１のスイッチ対と；第２のスイッチ対であって、前記コイル駆動部のポート間に直列に接続された少なくとも２つのスイッチを有し、該少なくとも２つのスイッチ間に第２のノードを有して、第１のコイルに対する第１の交流駆動電流又は第１の交流電圧が前記第１のノードと前記第２のノードとの間に生成される第２のスイッチ対と；第３のスイッチ対であって、前記コイル駆動部のポート間に直列に接続された少なくとも２つのスイッチを有し、該少なくとも２つのスイッチ間に第３のノードを有する第３のスイッチ対と；第４のスイッチ対であって、前記コイル駆動部のポート間に直列に接続された少なくとも２つのスイッチを有し、該少なくとも２つのスイッチ間に第４のノードを有して、第２のコイルに対する第２の交流駆動電流又は第２の交流電圧が、前記第３のノードと前記第４のノードとの間に生成される第４のスイッチ対と；第５のスイッチ対であって、前記第２のノードと前記第３のノードとの間に直列に接続された少なくとも２つのスイッチを有する第５のスイッチ対と、を備え、該方法は、
第１のモードでは、前記第１のスイッチ対、前記第４のスイッチ対、及び前記第５のスイッチ対をオン状態に切り換え、前記第２のスイッチ対及び前記第３のスイッチ対をオフ状態に切り換えることと、
第２のモードでは、前記第１のスイッチ対、前記第２のスイッチ対、前記第３のスイッチ対、及び前記第４のスイッチ対をオン状態に切り換え、前記第５のスイッチ対をオフ状態に切り換え、２つのＨブリッジを形成することと、を含み、
前記第１のモードでは、前記第１及び第２の交流電圧は、前記スイッチの駆動変調の２倍の周波数係数を有する方法。 - 多相電気機械を駆動するシステムの動作方法であって、前記多相電気機械は、相毎にそれぞれの複数のコイルを有し、前記システムは、相毎にそれぞれのコイル駆動部を備え、多相電気機械の相毎に、該方法は、
前記多相電気機械の相毎にそれぞれの前記コイル駆動部を切り換えて、直列モード及び並列モードのうちの一方で前記多相電気機械の相毎にそれぞれの前記コイルを駆動することを含み、
前記直列モードは、
相毎にそれぞれの複数のコイルを駆動することを含み、
前記並列は、
それぞれのＨブリッジ回路によって同一の電流で相毎に複数のコイルをそれぞれ駆動することを含み、
第１のモードでは、前記第１及び第２の交流電圧は、前記スイッチの駆動変調の２倍の周波数係数を有する方法。 - 前記直列モードでは、±１２０度及び±６０度のうちの一方の分だけシフトさせる信号によって各相を駆動することを含む請求項１５に記載のコイル駆動部変調方法。
- 前記並列モードでは、各相の各Ｈブリッジ対の変調器の間に、６０°及び１２０°のうちの少なくとも一方と、追加の９０°との間の角度オフセットを有するキャリアで各相を駆動することを含む請求項１５に記載のコイル駆動部変調方法。
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