JP4874674B2

JP4874674B2 - 電力変換制御装置

Info

Publication number: JP4874674B2
Application number: JP2006053358A
Authority: JP
Inventors: 洋介中沢; 和明結城
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2026-02-28
Also published as: JP2007236082A

Description

本発明は、モータを駆動するインバータ回路に供給される高電圧直流電圧を低電圧直流電源から生成する昇圧チョッパ回路を制御する電力変換制御装置に関する。

従来、電気自動車駆動用モータドライブシステムなどにおいて、ＤＣ１２Ｖなどの低電圧のバッテリから、モータドライブ用にＤＣ３００Ｖ程度の高電圧直流電圧を生成するために昇圧チョッパ回路が用いられる場合がある。

昇圧チョッパ回路は、モータドライブ用インバータの運転状況に応じてパルス幅変調を行っており、加速する場合には、必要な電力がバッテリからインバータへ供給されるような電流が流れるように、スイッチング素子のオンオフのパルス幅変調を行い、減速する場合には、反対にインバータからバッテリへ電力が吸収されるようにスイッチングを行う。一般的には、インバータ入力電圧、すなわち昇圧チョッパ回路の出力直流電圧が一定値になるようにパルス幅変調を行うのが通例である。

しかしながら、モータドライブが、車輪の空転（スリップ）を抑制するように高速にその出力電力を増減する場合があり、その場合には、昇圧チョッパ回路の応答速度が十分に高速でないと、インバータ入力電圧の過電圧による運転停止などが発生してしまう。

これに対して、インバータ入力直流電圧検出値と直流電圧指令値との偏差が所定の値以下になるように昇圧チョッパ回路のスイッチング素子のオンオフを瞬時に切り替えるいわゆるヒステリシスバンド制御方式を用いることで、高速な電圧制御を実現する場合がある。

しかしながら、電圧のみを特定のバンド幅に制御する上記の方式では、昇圧チョッパ回路を流れる電流が制御に反映されておらず、急激な加減速変化の状況においては、電圧は所定の範囲に収まっているが、電流が昇圧チョッパ回路の半導体素子が許容する電流最大値を上回る、いわゆる過電流で保護停止してしまう場合があった。
サンプリング毎の制御偏差を最小化する高速電流制御法とインバータへの応用、小太刀博和、野口季彦、長岡技術科学大学、SPC-02-87

解決しようとする問題点は、過電流が発生した際に対処できないことであり、本発明は、予め設定した電流最大値を超えた場合に、スイッチング素子のオンオフ切り替えパターンを修正する電力変換制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明である電力変換制御装置は、直流リアクトルと、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とから構成され、低電圧直流電源から負荷を駆動するインバータ回路へ供給される高電圧直流電圧を生成する昇圧チョッパ回路を制御する電力変換制御装置であって、昇圧チョッパ回路の出力直流電圧値と予め設定されている直流電圧指令値とから求められる偏差と、予め設定されているヒステリシス幅とに基づいて、制御信号を出力する直流電圧制御手段と、昇圧チョッパ回路の直流リアクトル電流値と、予め設定されている直流電流の最大値とから求められる偏差と、予め設定されているヒステリシス幅とに基づいて、制御信号を出力する電流制限制御手段と、前記直流電圧制御手段と前記電流制限制御手段とが出力する制御信号から、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とを駆動する駆動信号を出力する信号出力手段とを備え、前記信号出力手段は、否定回路、第１論理積回路、および第２論理積回路とから構成され、前記直流電圧制御手段からの制御信号は、前記第１論理積回路と、前記否定回路で反転されたのち前記第２論理積回路に供給され、前記電流制限制御手段からの制御信号は、第１論理積回路、および第２論理積回路に供給され、前記第１論理積回路は、前記直流電圧制御手段からの制御信号と前記電流制限制御手段からの制御信号との論理積から前記第１のスイッチング素子を駆動する前記駆動信号を出力し、前記第２論理積回路は、前記否定回路で反転された制御信号と前記電流制限制御手段からの制御信号との論理積から前記第２のスイッチング素子を駆動する前記駆動信号を出力することを特徴とする。

また請求項２に記載の発明である電力変換制御装置は、請求項１に記載の電力変換制御装置であって、前記直流電圧制御手段は、前記出力電流電圧値と前記直流電圧指令値との偏差が、前記ヒステリシス幅を超えた場合に、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子をオンまたはオフする制御信号を出力し、前記電流制限制御手段は、前記直流リアクトル電流値の絶対値と前記直流電流の最大値との偏差が、前記ヒステリシス幅を超えた場合に、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子をオンまたはオフする制御信号を出力することを特徴とする。

また請求項３に記載の発明である電力変換制御装置は、請求項２に記載の電力変換制御装置であって、前記直流電圧制御手段は、前記出力電流電圧値と前記直流電圧指令値との偏差が、前記ヒステリシス幅を超えていない場合は、制御信号の出力を維持し、前記電流制限制御手段は、前記直流リアクトル電流値の絶対値と前記直流電流の最大値との偏差が、前記ヒステリシス幅を超えていない場合は、制御信号の出力を維持することを特徴とする。

本発明によれば、昇圧チョッパ回路の出力電圧検出値と電圧指令値との偏差が所定のバンド幅に収まるように、昇圧チョッパ回路を構成する半導体スイッチング素子のオンオフを切り替え、電流の検出値が、予め設定した電流最大値を超えた場合に、半導体スイッチング素子のオンオフ切り替えパターンを修正することで過電流保護停止を抑制することが可能となり、スイッチング周波数の異常上昇による素子破壊を防ぐことが可能になる。

まず、本発明の電力変換制御装置が制御を行う制御対象のシステムについて、図２を用いて説明する。

制御対象のシステムは、図２に示すように、直流リアクトルＬ２１と、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ等の第１の半導体スイッチング素子ＩＧＢＴｕ２２と第２の半導体スイッチング素子ＩＧＢＴｘ２３とで構成される昇圧チョッパ回路１２と、誘導電動機や永久磁石モータなどのモータ１４と、昇圧チョッパ回路の出力直流電圧からモータ１４.に給電する３相交流電圧を作り出すインバータ回路１３とから構成される。なお、直流リアクトルＬ２１に流れる直流電流をＩｃｈｏｐ、昇圧チョッパ回路１２の出力直流電圧をＶｄｃとする。

本発明の電力変換制御装置１は、第１の半導体スイッチング素子ＩＧＢＴｕ２２と第２の半導体スイッチング素子ＩＧＢＴｘ２３を制御する制御信号を出力する。

本実施形態について、図１〜図２を用いて説明する。

電力変換制御装置１は、直流電圧制御部２、電流制限制御部３、否定回路４、第１論理積回路５、および第２論理積回路６とから構成される。

直流電圧制御部２は、出力直流電圧Ｖｃｄと予め設定されている直流電圧指令ＶｄｃＲｅｆとを元に、第一の半導体スイッチング素子ＩＧＢＴｕ２２と第二の半導体スイッチング素子ＩＧＢＴｘ２３とのスイッチング状態を制御する制御信号Ｖｃｓを出力する。

具体的には、直流電圧制御部２は、下記に示す演算式と条件に従って、昇圧チョッパ回路１２の出力直流電圧Ｖｄｃと予め設定されている直流電圧指令ＶｄｃＲｅｆとから求められる偏差ｄＶｄｃと、予め設定されているヒステリシス幅Ｈｖとに基づいて、制御信号Ｖｃｓを出力する。これにより、偏差ｄＶｄｃが予め設定された一定値以内に収まるように昇圧チョッパ回路１２のスイッチング状態が出力される。

［数１］
電圧偏差ｄＶｄｃ＝Ｖｄｃ − ＶｄｃＲｅｆ
≪条件≫
（１）ｄＶｄｃ＞＋Ｈｖの時、制御信号Ｖｃｓ＝ＯＮを出力
（２）ｄＶｄｃ＜ −Ｈｖの時、制御信号Ｖｃｓ＝ＯＦＦを出力
（３）−Ｈｖ＜ｄＶｄｃ＜＋Ｈｖの時、前回の出力を維持
ただし、ヒステリシス幅Ｈｖは、正の定数。

また、電流制限制御部３は、直流電流Ｉｃｈｏｐの絶対値（｜Ｉｃｈｏｐ｜）と予め設定されている直流電流の最大値ＩｃｈｏｐＭａｘとを元に、第一の半導体スイッチング素子ＩＧＢＴｕ２２と第二の半導体スイッチング素子ＩＧＢＴｘ２３とのスイッチング状態を制御する制御信号Ｉｃｓを出力する。

具体的には、電流制限制御部３は、下記に示す演算式と条件に従って、昇圧チョッパ回路１２の直流リアクトル電流Ｉｃｈｏｐと、予め設定されている直流電流の最大値ＩｃｈｏｐＭａｘとから求められる偏差ｄＩｃｈｏｐと、予め設定されているヒステリシス幅Ｈｖとに基づいて、制御信号Ｉｃｓを出力する。これにより、偏差ｄＩｃｈｏｐが予め設定された一定値以内に収まるように昇圧チョッパ回路のスイッチング状態が出力される。

［数２］
偏差ｄＩｃｈｏｐ＝｜Ｉｃｈｏｐ｜ − ＩｃｈｏｐＭａｘ
≪条件≫
（１）ｄＩｃｈｏｐ＞＋Ｈｉの時、制御信号Ｉｃｓ＝ＯＦＦを出力
（２）ｄＩｃｈｏｐ＜ −Ｈｉの時、制御信号Ｉｃｓ＝ＯＮを出力
（３）−Ｈｉ＜ｄＩｃｈｏｐ＜＋Ｈｉの時、前回の出力を維持
ただし、ヒステリシス幅Ｈｖは、正の定数。

直流電圧制御部２が出力する制御信号Ｖｃｓは、第１論理積回路５と否定回路４に供給され、否定回路４にて制御信号は反転され第２論理積回路６に供給される。また、電流制限制御部３が出力する制御信号Ｉｃｓは、そのまま第１論理積回路５と第２論理積回路６に供給される。

第１論理積回路５と第２論理積回路６は、直流電圧制御部２と電流制限制御部３とからの制御信号Ｖｓｃ、Ｉｃｓを元に、第一の半導体スイッチング素子ＩＧＢＴｕ２２を駆動する制御信号ＰＷＭｕと、第二の半導体スイッチング素子ＩＧＢＴｘ２３を駆動する制御信号ＰＷＭｘを出力する。

この第１論理積回路５では、制御信号ＶｃｓがＯＮ、かつ制御信号ＩｃｓがＯＮの時、ＰＷＭｕ＝ＯＮを出力する。また、第２論理積回路６では、制御信号ＶｃｓがＯＦＦ、かつ制御信号ＩｃｓがＯＮの時、ＰＷＭｘ＝ＯＮを出力する。

このように制御することにより、従来の直流電圧検出値と直流電圧指令値との偏差を所定の値以下にする本願の直流電圧制御部２のみを有する制御方式では、過電流で停止するような運転状態になった場合には、電流を抑制するように動作するので、過電流は発生しない。

具体的には、偏差ｄＩｃｈｏｐが所定値を越えて、電流制限制御１２がＯＦＦを出力するときには、第１論理積回路５と第２論理積回路６は直流電圧制御部２の出力には無関係にＯＦＦ信号を出力して電流を制御する。そして、偏差ｄＩｃｈｏｐが所定値以下になるまで、電流制限制御１２による電流抑制は継続する。

電力変換制御装置の構成を示す図である。電力変換制御装置が制御を行う制御対象のシステムの構成を示す図である。

符号の説明

１電力変換制御装置
２直流電圧制御部
３電流制限制御部
４否定回路
５第１論理積回路
６第２論理積回路
１１直流電源
１２昇圧チョッパ回路
１３インバータ回路
１４モータ
２１直流リアクトルＬ
２２第１の半導体スイッチング素子ＩＧＢＴｕ
２３第２の半導体スイッチング素子ＩＧＢＴｘ

Claims

直流リアクトルと、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とから構成され、低電圧直流電源から負荷を駆動するインバータ回路へ供給される高電圧直流電圧を生成する昇圧チョッパ回路を制御する電力変換制御装置であって、
昇圧チョッパ回路の出力直流電圧値と予め設定されている直流電圧指令値とから求められる偏差と、予め設定されているヒステリシス幅とに基づいて、制御信号を出力する直流電圧制御手段と、
昇圧チョッパ回路の直流リアクトル電流値と、予め設定されている直流電流の最大値とから求められる偏差と、予め設定されているヒステリシス幅とに基づいて、制御信号を出力する電流制限制御手段と、
前記直流電圧制御手段と前記電流制限制御手段とが出力する制御信号から、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とを駆動する駆動信号を出力する信号出力手段と、
を備え、
前記信号出力手段は、否定回路、第１論理積回路、および第２論理積回路とから構成され、
前記直流電圧制御手段からの制御信号は、前記第１論理積回路と、前記否定回路で反転されたのち前記第２論理積回路に供給され、
前記電流制限制御手段からの制御信号は、第１論理積回路、および第２論理積回路に供給され、
前記第１論理積回路は、前記直流電圧制御手段からの制御信号と前記電流制限制御手段からの制御信号との論理積から前記第１のスイッチング素子を駆動する前記駆動信号を出力し、
前記第２論理積回路は、前記否定回路で反転された制御信号と前記電流制限制御手段からの制御信号との論理積から前記第２のスイッチング素子を駆動する前記駆動信号を出力することを特徴とする電力変換制御装置。
前記直流電圧制御手段は、前記出力電流電圧値と前記直流電圧指令値との偏差が、前記ヒステリシス幅を超えた場合に、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子をオンまたはオフする制御信号を出力し、
前記電流制限制御手段は、前記直流リアクトル電流値の絶対値と前記直流電流の最大値との偏差が、前記ヒステリシス幅を超えた場合に、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子をオンまたはオフする制御信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の電力変換制御装置。
前記直流電圧制御手段は、前記出力電流電圧値と前記直流電圧指令値との偏差が、前記ヒステリシス幅を超えていない場合は、制御信号の出力を維持し、
前記電流制限制御手段は、前記直流リアクトル電流値の絶対値と前記直流電流の最大値との偏差が、前記ヒステリシス幅を超えていない場合は、制御信号の出力を維持することを特徴とする請求項２に記載の電力変換制御装置。