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JP3016315B2 - 3値レベルインバータのパルス幅変調方法 - Google Patents

3値レベルインバータのパルス幅変調方法

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Publication number
JP3016315B2
JP3016315B2 JP4298571A JP29857192A JP3016315B2 JP 3016315 B2 JP3016315 B2 JP 3016315B2 JP 4298571 A JP4298571 A JP 4298571A JP 29857192 A JP29857192 A JP 29857192A JP 3016315 B2 JP3016315 B2 JP 3016315B2
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JP
Japan
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inverter
pulse width
elements
voltage side
level inverter
Prior art date
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JP4298571A
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紀明 中本
良明 若林
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、3値レベルインバー
タのパルス幅変調方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図6は特開平3−293971号公報に
記載の3値レベルインバータの構成を示した回路図であ
る。1は3値レベルインバータの1相当りの単位回路、
2〜5はそれぞれ互いに直列に接続されたスイッチング
素子、6〜9はそれぞれスイッチング素子2〜5に逆並
列に接続されたダイオード、10,11は直流電源14
間P−N間に直列接続されたコンデンサ、12はスイッ
チング素子2、3の接続点とコンデンサ10、11の接
続点の間に図示の極性で接続されたダイオード、13は
スイッチング素子4、5の接続点とコンデンサ10、1
1の接続点の間に図示の極性で接続されたダイオードを
示す。図6では、スイッチング素子2〜5は、トランジ
スタの回路記号で示したが、GTOやIGBTなどスイ
ッチング可能な素子であれば何でも構わない。また、単
位回路1は3値レベルインバータの1相を示している。
単相インバータの場合は、単位回路1の回路を2並列接
続する。そして、3相インバータの場合は、単位回路1
回路を3並列接続することにより実現される。
【0003】直流電源14のP−N間の電圧を2Edと
すると、コンデンサ10、11の充電電圧は、それぞれ
等しくEdである。この状態でスイッチング素子2〜5
のスイッチング状態を切り替えることにより、単位回路
1の出力点であるスイッチング素子3、4間の接続点の
電位を変化させることができる。コンデンサ10、11
の接続点O、スイッチング素子3、4の接続点をUと表
すと、スイッチング素子2〜5のスイッチング状態に応
じて点U−O間の電圧VUOは、表1に示すように変化す
る。
【0004】
【表1】
【0005】このように3値レベルインバータの単位回
路1では、スイッチング状態に応じて3種類の電圧を出
力できる。この3値レベルインバータのスイッチング状
態を制御して所望の出力電圧VUOを得るパルス幅変調制
御方式については、様々な方式が提案されているのでこ
こでは、詳細な説明は省略する。例えば、図7に示すゲ
ートシーケンスについて説明する。図7中の21は、3
値レベルインバータの単位回路1に示す第1の素子(ス
イッチング素子2)及び第3の素子(スイッチング素子
4)のパルス幅変調信号(PWM信号1)で、高位のレ
ベルが第1の素子2の点弧指令で低位のレベルが第3の
素子4の点弧指令を示す。同様に22は、第2の素子
(スイッチング素子3)及び第4の素子(スイッチング
素子5)のパルス幅変調信号(PWM信号2)を示す。
このとき実際にスイッチング素子をON・OFFさせる
ためには、各々の素子及び素子間での制約事項がある。
それらを加味した各素子のON期間を31〜34に示
す。この中で、35は第3の素子4のOFF後、第1の
素子2のONを禁止する短絡禁止時間、36は第1の素
子2のON後、第1の素子2のOFFを禁止する最小点
弧時間、37は短絡禁止時間35の逆の短絡禁止時間、
38は第2の素子3と第4の素子5の短絡禁止時間を示
す。さらに、このときの各素子の両端電圧(トランジス
タであればC−E間電圧)を41〜44に示す。これに
よれば、第2の素子3の両端電圧が第3の素子4が再O
Nしたときに直流電源電圧の1/2をこえる。
【0006】同様に図8に、時刻t0に何等かの条件
(例えば保護回路動作)によりゲートストップが発生し
たとき、第1の素子の最小点弧時間であるとき、第2の
素子が第1の素子より先にOFFする。このとき、負荷
電流を第1及び第2の素子を流れている場合、第2の素
子のみで電流をターンオフするため、第2の素子には、
直流電源電圧が印加され、前項と同様高い耐電圧の素子
が必要になる。図9にゲートスタート時に同様に第3の
素子に直流母線電圧の1/2より高い電圧が印加される
ことがわかる。図10にもインバータ動作中に図中に示
す231,232の変調信号が入力された場合、第1の
素子および第2の素子に同様に高電圧が印加される。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】3値レベルインバータ
は、その出力電圧が3値レベルを示すことがきるが、さ
らにその制御に使用するスイッチング素子に印加される
電圧を直流電源電圧の1/2に抑えることができ、スイ
ッチング素子の耐電圧特性の低い素子を使用することが
可能である。しかしながら、そのスイッチング制御方法
によっては、特定の素子に直流電圧の1/2以上の電圧
が、印加される場合があるという問題点があった。
【0008】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、各スイッチング素子に直流母線
電圧の1/2より高い電圧を印加することなく、このた
め素子の耐電圧特性を低く抑えることができる3値レベ
ルインバータのパルス幅変調方法を提供する。
【0009】
【課題を解決するための手段】この発明に係る3値レベ
ルインバータのパルス幅変調方法は、3値レベルインバ
ータに使用するスイッチング素子に過電圧が印加される
ゲートシーケンスを変調信号または点弧指令等から予め
検出し、点弧信号を組替えたり、インバータを停止させ
るものである。また、過電圧を印加しないように変調信
号を制御した場合にも、スイッチング素子の禁止時間等
の制約により、点弧指令が素子に過電圧を印加するゲー
トシーケンスになるのを防止するため変調信号のパルス
幅を所定時間より短い信号を出力しないようにしたもの
である。
【0010】
【作用】この発明における3値レベルインバータのパル
ス幅変調方法は、直流電源電圧の1/2以上の電圧が素
子に印加しないようなゲートシーケンスにするととも
に、万一、印加されるゲートシーケンスが発生した場合
にも、印加される前にインバータ停止等の処置を行うも
のである。
【0011】
【実施例】
実施例1.以下、この発明の実施例を図について説明す
る。なお、実施例に対する回路の構成は、図6に示す従
来のものと同様である。図1において、215は従来例
図7の21に相当する変調信号1(本図では破線で示し
ている)を本発明により読み替えた信号である。22,
35,36,37及び38は、図7と同様である。31
5,325,335及び345は、本発明による各スイ
ッチング素子2〜5のON(点弧)期間を示す。41
5,425,435及び445は、上記点弧状態により
各スイッチング素子2〜5の両端に印加される電圧波形
を示す。
【0012】図1は変調信号1の期間を時間t1とした
場合を示したものである。なお、時間t1は第1の素子
2および第3の素子4間の短絡禁止時間35と、第1の
素子2の最小点弧時間36との和である。この場合、図
1の315〜345に示すように各素子2〜5は、第1
の素子2および第2の素子3がOFFしてから、時間t
2の間において全てOFFである。そして、まず第3の
素子4がONすると、第1の素子2および第2の素子3
に印加される電圧は、図1の415、425に示すよう
に直流電源14の電圧の1/2である充電電圧Edの1
/2に抑制される。次に第4の素子5もONすると、第
1の素子2および第2の素子3に印加される電圧は、直
流電源14の電圧の1/2である充電電圧Edに抑制さ
れる。また、各素子2〜5が全てOFFしてから、まず
第2の素子3がONし、次に第1の素子2がONした場
合、第3の素子4および第4の素子5に印加される電圧
ついても同様に充電電圧Ed以下に抑制される。
【0013】実施例2.なお、上記実施例では、変調信
号の最小時間を時間t1に制限したが、時間t1よりも
短い時間の変調信号が発生した場合に、その信号を無視
する等の方法によっても同様の効果が得られることは言
うまでもない。
【0014】実施例3.図2に他の実施例を示す。20
1はゲートスタート指令で、高位のレベルはインバータ
起動状態を指令しており各スイッチング素子の動作指令
にあたる。311は第1の素子のON期間を示し、ゲー
トスタート信号が、低位のレベル即ちゲート停止すべき
ところが、この素子の最小点弧期間の制約により、停止
が遅れていることを示している。このとき、第2の素子
が第1の素子より先にOFFすると従来例図7に示すと
おりとなるが、本発明では、第1の素子が少なくともO
FFする時刻より後に第2の素子をOFFすることによ
り、第2の素子に印加する電圧を抑制している。316
の場合は、第1の素子と第2の素子が同時にOFFする
ことにより、直流電源電圧を2個の素子で分担した場合
で、素子のターンオフ特性にも依存するが、少なくとも
全電圧を1素子で負担することがない。
【0015】実施例4.また、図2中の326によれ
ば、第1の素子2をOFFした後、第2の素子3をOF
Fさせるため、第1の素子2及び第2の素子3にも直流
電源電圧の1/2の電圧しか印加されない。本実施例で
は、第1の素子2と第2の素子3について述べたが、第
1の素子2を第4の素子5に、第2の素子3を第3の素
子4に読み替えた場合も同種の効果を得ることは、言う
までもない。
【0016】実施例5.図3に他の実施例を示す。本実
施例は、全素子2〜5がOFFの状態から、スイッチン
グ開始したときの例を示している。この場合、中間の第
2の素子3と第1の素子2を最初に点弧しており、これ
によれば、各スイッチング素子2〜5には、上述の例と
同様、直流電源電圧の1/2の電圧までしか印加されな
い。
【0017】実施例6.また、実施例5では、第2の素
子3を最初に点弧する例を述べたが、第2の素子3また
は、第3の素子4のどちらか一方を点弧すればよい。ま
た、本実施例は、全素子2〜5がOFF後の例とした
が、インバータ起動時のように、動作し始めるときで
も、何等かの条件で全素子OFF状態が発生した後のス
イッチング動作でも構わない。
【0018】実施例7.図4に他の実施例を示す。21
8,228は、1相分の変調信号で、218が高位のレ
ベル、228が低位のレベルとなった場合、このまま、
ゲート指令を各4素子に分配すると、直流電源電圧の1
/2以上の電圧印加されるため本実施例では、インバー
タを停止し、各スイッチング素子を消弧させる例であ
る。また、同上の状態となった場合に、例えばインバー
タを電源から切り離したり、またはインバータの電源を
充電されている図10中の10,11のフィルタコンデ
ンサをサイリスタ等のスイッチにより、抵抗等の負荷に
より放電させる等の例もある。
【0019】実施例8.図5に他の実施例を示す。図中
219,229は、図4の例では、インバータを停止さ
せたが、本実施例では、変調信号を25,26のように
読み替えることにより、変調信号1が高位、変調信号2
が低位になることを回避した例である。
【0020】
【発明の効果】以上のように、この発明による3値イン
バータのパルス幅変調方法によれば、スイッチング素子
に過大な電圧が印加されるゲートシーケンスを取り除く
ことができ、素子の耐電圧特性を直流電源電圧の1/2
にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例による変調信号のパルス幅
の最小制限を示した説明図である。
【図2】この発明の一実施例によるゲートストップ時の
ゲートシーケンスを示す説明図である。
【図3】この発明の一実施例によるゲートスタート時の
ゲートシーケンスを示す説明図である。
【図4】この発明の一実施例による変調信号異常時のゲ
ートシーケンスを示す説明図である。
【図5】この発明の一実施例による変調信号異常時の変
調信号変換を示す説明図である。
【図6】一般的な3値レベルインバータの回路を示す構
成図である。
【図7】従来の3値レベルインバータのゲートシーケン
スを示す説明図である。
【図8】従来の3値レベルインバータのゲートストップ
時の信号を示す説明図である。
【図9】従来の3値レベルインバータのゲートスタート
時の信号を示す説明図である。
【図10】従来の3値レベルインバータの異常時におけ
るゲートシーケンスを示す説明図である。
【符号の説明】
2,3,4,5 スイッチング素子 6,7,8,9 第1のダイオード 10,11 コンデンサ 12,13 第2のダイオード 14 直流電源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 7/42 - 7/98

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直流電源に直列接続された4個のスイッ
    チング素子と、このスイッチング素子にそれぞれ逆並列
    接続された第1のダイオードと、上記直流電源に直列接
    続された2個のコンデンサと、上記スイッチング素子の
    うち直流高圧側の2素子の接続点と上記両コンデンサの
    接続点間に接続された第2のダイオードと、上記スイッ
    チング素子のうち直流低圧側の2素子の接続点と上記両
    コンデンサの接続点間に接続された第3のダイオードと
    からなる3値レベルインバータのスイッチング状態を制
    御し、上記各スイッチング素子の最小点弧時間、直流高
    圧側から数えて第1の素子消弧後第3の素子の点弧を禁
    止する短絡禁止時間、同様にその逆の短絡禁止時間およ
    び第2の素子と第4の素子間の短絡禁止時間を有するパ
    ルス幅変調制御方法において、上記各スイッチング素子
    を指令する変調信号は最小点弧時間と短絡禁止時間との
    和より短かいものを禁止することを特徴とする3値レベ
    ルインバータのパルス幅変調方法。
  2. 【請求項2】 請求項1において、直流高圧側の第1お
    よび第2の素子が点弧中にインバータ停止して、全素子
    を消弧状態に移行するとき、直流高圧側の第1の素子を
    消弧させた後、第2の素子を消弧させ、また、直流低圧
    側の第3および第4の素子点弧中に同様にインバータ停
    止状態に移行するとき、直流低圧側の第4の素子を消弧
    させた後、第3の素子を消弧させることを特徴とする3
    値レベルインバータのパルス幅変調方法。
  3. 【請求項3】 請求項1において、消弧状態に移行する
    とき、直流高圧側の第1の素子および第2の素子が点弧
    状態で、かつ直流低圧側の第3の素子および第4の素子
    が消弧状態の場合には、第1の素子および第2の素子を
    同時に消弧させ、直流低圧側の第3の素子および第4の
    素子が点弧状態で、かつ直流高圧側の第1の素子および
    第2の素子が消弧状態の場合には、第3の素子および第
    4の素子を同時に消弧させることを特徴とする3値レベ
    ルインバータのパルス幅変調方法。
  4. 【請求項4】 請求項1において、インバータ起動させ
    るとき、即ち全スイッチング素子消弧状態から順次点弧
    させるとき、まず最初に直流高圧側の第2の素子と直流
    低圧側の第3の素子の少なくともどちらか一方を点弧さ
    せることでインバータ起動させることを特徴とする3値
    レベルインバータのパルス幅変調方法。
  5. 【請求項5】 請求項1において、第1の素子と第4の
    素子を点弧させる変調信号が発生したとき、インバータ
    を停止させることを特徴とする3値レベルインバータの
    パルス幅変調方法。
  6. 【請求項6】 請求項1において、第1の素子と第4の
    素子を点弧させる変調信号が発生したとき、変調信号を
    他の信号に読み替えることを特徴とする3値レベルイン
    バータのパルス幅変調方法。
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