逆变器的控制方法、控制装置及逆变器制造方法及图纸

一种以多个由两个开关元件构成的串联电路相对于与直流电压源并联的电容器互相并联、并将各开关元件之间的连接点作为各相的交流输出端子的逆变器为对象，并藉由通过比较各相的输出电压指令值和载波而获得的PWM脉冲来控制开关元件的控制方法。针对通过对相当于载波的一个周期或多个周期的期间内的各相输出电压的时间平均值和载波进行比较而获得的估计PWM脉冲，根据各相共用的计数单元的输出，生成所述期间内的各相的脉冲宽度的总和大致相等、且使至少一相的脉冲的生成时机和/或生成频度不同的变形PWM脉冲。据此，可降低电容器的纹波电流成分从而抑制发热，并可实现低成本化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】逆变器的控制方法、控制装置及逆变器
本专利技术涉及可减少逆变器(inverter)主电路的直流部分的电容器中流动的纹波电流(ripplecurrent)成分、并可抑制电容器(condenser)发热的逆变器的控制方法、控制装置及逆变器，例如涉及一种以三相逆变器为对象的PWM脉冲的生成技术。
技术介绍
图18是三相逆变器的主电路构成图。图18中，直流电压源B上并联电容器C，电容器C的两端连接有用于构成三相桥式电路的IGBT等的半导体开关元件UP、VP、WP、UN、VN、WN。各相的两个开关元件的连接点经由交流输出端子TU、TV、TW连接于电动机等的三相交流负载M。图18中，L是电抗器(reactor)(故意连接的电抗器或配线上非故意存在的浮动电抗器)，P、N是直流电压源B的正极、负极。另外，Ed是直流电压源B的电压，VC是电容器C的电压，ibat是直流电压源B的输出电流，iC是电容器C中流动的电流，idc是主电路中流动的直流电流，iU、iV、iW是各相的输出电流。该三相逆变器中，通过按照预定的时间比率使开关元件UP、VP、WP、UN、VN、WN接通(on)·切断(off)，可将直流电压变换为具有想要的频率和大小的三相交流电压，并供给至负载M。作为使开关元件UP、VP、WP、UN、VN、WN接通·切断的方法，换言之，作为逆变器的控制方法，例如周知有一种通过对作为载波(carrier)三角波和三相各相的输出电压指令值(调制信号)进行比较从而获得开关元件UP、VP、WP、UN、VN、WN的驱动脉冲(PWM脉冲)的方法。这种控制方法例如作为PWM控制方法公开于专利文献1和非专利文献1。图19示出了藉由通过对作为载波的三角波和各相的输出电压指令值U、V、W进行比较而获得的PWM脉冲使图18的开关元件UP～WN接通·切断的情况下的动作波形的一例。该动作波形是各相的输出电流iU、iV、iW为正弦波且功率因数(powerfactor)为1的情况下的动作波形。图19的输出电压指令值U、V、W用于进行所谓的两相调制(二臂调制)，该两相调制作为一种在固定(一定)期间内使三相中的一相的开关元件的接通·切断状态固定从而对其余两相的开关元件的接通·切断进行控制的调制方式广为所知。关于两相调制的详细内容，例如记载于非专利文献1，所以这里省略其说明。藉由两相调制对三相逆变器进行控制，能够获得可将三相的输出线间电压维持为正弦波，并可抑制随着开关元件的接通·切断而产生的开关损失，而且还可提高逆变器的电压利用率等的优点。由图19可知，随着开关元件UP～WN的接通·切断，主电路的直流电流idc变为脉冲列(pulsetrain)状波形，并包含直流成分和交流成分。如图18所示，直流电压源B和电容器C之间具有电抗器L，直流电流idc为从直流电压源B流入电抗器L的直流成分ibat和由电容器C供给的交流成分iC之和。即，idc＝ibat+iC。此时，随着上述交流成分即纹波电流成分iC的流动，电容器C会自发热，进而引起温度上升。一般而言，温度变高，则电容器的寿命变短，所以为了对温度的上升进行抑制，需要采取例如使用超乎寻常的大型(大容量)电容器、或具有用于对电容器进行主动冷却的冷却单元等的对策。为此，非专利文献2中，作为主电路内的电容器的冷却单元，公开了一种使电容器的热量热传导至配置于其周围的水冷套(water-coolingjacket)的冷却技术。需要说明的是，非专利文献3中公开了如下专利技术，即：根据负载功率因数的变动，在以往常用的空间向量控制方式和对输出线间电压脉冲的重复为最小那样的空间向量进行选择的空间向量控制方式之间进行切换，由此对三相逆变器的直流电流所含的谐波成分进行抑制，进而降低电容器的纹波电流成分iC。这里，参照图20对先前常用的两相调制方式中的载波、各相的输出电压指令值和输出电压进行说明。图20是与图19同样地作为载波使用了三角波的情况下的动作波形图，藉由通过分别对各相的输出电压指令值U、V、W和载波进行比较而获得的PWM脉冲使开关元件UP～WN接通·切断，可输出U相、V相、W相电压。图20所示的U相、V相、W相电压中的电平(level)P、N分别相当于直流电压源B的正极P的电位(Ed)、负极N的电位(0)。图20中，在载波的第1周期和第2周期内都对U相的输出电压指令值U进行固定，并将另外的V相、W相作为调制相以使输出电压指令值V、W变化，由此通过与载波进行比较，即可生成PWM脉冲。数字(digital)控制中，例如在第1周期内进行各相电压和电流的检测、下一个载波周期的电压指令值的计算·确定、预设(preset)等，并在第2周期的开始时点对各相的电压指令值进行切换。图20中的Δt是U相、V相、W相都输出直流电压源B的正极P的电位Ed导致主电路的直流电流idc＝0的期间。作为电容器C的纹波电流成分iC增加的典型情形，可列举出该期间Δt变长进而引起直流电流idc的变化量变大的情形。需要说明的是，图21是作为载波使用了锯齿波的情况下的动作波形图，与图20同样，Δt也是直流电流idc＝0的期间。在图20、图21中的任一情况下，作为调制相的V相、W相电压的脉冲的产生时期(上升和下降)是由各相共同(共通)的载波规定的，所以产生电压脉冲的时机(timing)的自由度较低，必然地，藉由缩短idc＝0的期间Δt从而使纹波电流成分iC减少的自由度也较低。即，在这些现有技术中，即使想缩短idc＝0的期间Δt，但也存在极限，所以需要对其进行改良。鉴于上述问题，作为可有效减少电容器的纹波电流成分的逆变器的控制方法、控制装置及逆变器，申请人已经申请了(日本)特愿2015-166526号、PCT/JP2016/75045(下面，称“先申请”)。这些先申请的专利技术中，在如下情况下，即，在使由两个半导体开关元件构成的n个(n为多个(plural))串联电路都相对于直流电压源并联，将所述两个开关元件的连接点作为一相的交流输出端子且与n相交流负载的各相分别连接，并使藉由开关元件的接通·切断而在交流输出端子中出现的直流电压的时间比率进行变化，藉此从逆变器输出想要的大小和频率的n相交流电压的情况下，n相中的至少特定的一相的交流输出端子在固定期间内维持与直流电压源的正极或负极连接的状态，并且所述特定的一相以外的其他相的交流输出端子在比所述固定期间还短的期间内分别与直流电压源的负极或正极连接，在所述固定期间内使各相的开关元件接通·切断，以尽可能地缩短n相所有的交流输出端子与直流电压源的正极或负极同时连接的期间(例如，消除同时连接的期间)。这里，用于对逆变器进行PWM控制的载波如图22所示使用了相位反转了的两个三角波(或锯齿波)1、2，并采用特定相之外的其他相的输出电压指令值不与一个载波重复的方式使n相的输出电压指令值的每个与多个载波中的任一个相对应，由此可生成PWM脉冲，该PWM脉冲用于通过对n个输出电压指令值的每个与各载波进行比较从而使对应相的开关元件接通·切断。[现有技术文献][专利文献][专利文献1](日本)特开2013-183636号公报(图3等)[非专利文献][非专利文献1]一般社团法人电气学会，「半导体电力变换电路」，pp.124-125，1995年5月25日发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多个由两个半导体开关元件构成的串联电路相对于与直流电压源并联的电容器互相并联、并将所述两个半导体开关元件之间的连接点作为各相的交流输出端子的逆变器的控制方法，其使用通过比较各相的输出电压指令值和载波而获得的PWM脉冲对所述开关元件进行控制，所述逆变器的控制方法的特征在于，针对通过对相当于所述载波的一个周期或多个周期的期间内的各相输出电压的时间平均值和所述载波进行比较而获得的估计PWM脉冲，根据各相共用的计数单元的输出，生成所述期间内的各相的脉冲宽度的总和大致相等、且使至少一相的脉冲的生成时机和/或生成频度相对于所述估计PWM脉冲而不同的变形PWM脉冲，并使用所述变形PWM脉冲对所述开关元件进行控制。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.09.29 JP 2016-191527;2016.11.30 JP 2016-231921.一种多个由两个半导体开关元件构成的串联电路相对于与直流电压源并联的电容器互相并联、并将所述两个半导体开关元件之间的连接点作为各相的交流输出端子的逆变器的控制方法，其使用通过比较各相的输出电压指令值和载波而获得的PWM脉冲对所述开关元件进行控制，所述逆变器的控制方法的特征在于，针对通过对相当于所述载波的一个周期或多个周期的期间内的各相输出电压的时间平均值和所述载波进行比较而获得的估计PWM脉冲，根据各相共用的计数单元的输出，生成所述期间内的各相的脉冲宽度的总和大致相等、且使至少一相的脉冲的生成时机和/或生成频度相对于所述估计PWM脉冲而不同的变形PWM脉冲，并使用所述变形PWM脉冲对所述开关元件进行控制。2.一种多个由两个半导体开关元件构成的串联电路相对于与直流电压源并联的电容器互相并联、并将所述两个半导体开关元件之间的连接点作为各相的交流输出端子的逆变器的控制方法，其使用通过比较各相的输出电压指令值和载波而获得的PWM脉冲对所述开关元件进行控制，所述逆变器的控制方法的特征在于，针对通过对相当于所述载波的一个周期或多个周期的期间内的各相输出电压的时间平均值和所述载波进行比较而获得的估计PWM脉冲，根据各相共用的计数单元的输出，生成所述期间内的各相的脉冲宽度的总和大致相等、且使至少一相的脉冲的生成时机和/或生成频度以超过控制上必要的程度的方式而不同的变形PWM脉冲，并使用所述变形PWM脉冲对所述开关元件进行控制。3.如权利要求1或2所述的逆变器的控制方法，其特征在于，所述计数单元的输出用于生成用来通过与所述逆变器的各相的输出电压指令值进行比较从而生成所述变形PWM脉冲的所述载波。4.如权利要求1或2所述的逆变器的控制方法，其特征在于，所述载波为三角波或锯齿波。5.一种多个由两个半导体开关元件构成的串联电路相对于与直流电压源并联的电容器互相并联、并将所述两个半导体开关元件之间的连接点作为各相的交流输出端子的逆变器的控制装置，其通过对各相的输出电压指令值和载波进行比较来生成用于控制所述开关元件的PWM脉冲，所述控制装置的特征在于，针对通过对相当于所述载波的一个周期或多个周期的期间内的各相输出电压的时间平均值和所述载波进行比较而获得的估计PWM脉冲，根据各相共用的计数单元的输出，生成所述期间内的各相的脉冲宽度的总和大致相等、且使至少一相的脉冲的生成时机和/或生成频度不同的变形PWM脉冲，并使用所述变形PWM脉冲对所述开关元件进行驱动。6.一种多个由两个半导体开关元件构成的串联电路相对于与直流电压源并联的电容器互相并联、将所述两个半导体开关元件之间的连接点作为各相的交流输出端子、并使用通过比较各相的输出电压指令值和载波而生成的PWM脉冲对所述开关元件进行控制的逆变器，其特征在于，针对通过对相当于所述载波的一个周期或多个周期的期间内的各相输出电压的时间平均值和所述载波进行比较而获得的估计PWM脉冲，根据各相共用的计数单元的输出，生成所述期间内的各相的脉冲宽度的总和大致相等、且使至少一相的脉冲的生成时机和/或生成频度不同的变形PWM脉冲，并使用所述变形PWM脉冲对所述开关元件进行驱动。7.一种三个由两个半导体开关元件构成的串联电路相对于与直流电压源并联的电容器互相并联、并将所述两个半导体开关元件之间的连接点作为各相的交流输出端子的三相逆变器的、使用通过比较各相的输出电压指令值和三角波而获得的PWM脉冲对所述开关元件进行控制的逆变器的控制方法，所述控制方法是在固定的周期内将第1相的交流输出电压保持为所述直流电压源的正极电位或负极电位、并采用通过分别对具有与所述周期相等的周期的所述三角波和另外的第2相、第3相的输出电压指令值进行比较而获得的PWM脉冲使所述第2相、第3相的开关元件进行开关操作的控制方法，其特征在于，在所述三角波的一个周期内，使所述第2相的输出电压指令值相对于该输出电压指令值的平均值在所述三角波的上升半周期内较大、且在下降半周期内较小，使所述第3相的输出电压指令值相对于该输出电压指令值的平均值在所述三角波的上升半周期内较小、且在下降半周期内较大。8.一种三个由两个半导体开关元件构成的串联电路相对于与直流电压源并联的电容器互相并联、并将所述两个半导体开关元件之间的连接点作为各相的交流输出端子的三相逆变器的、使用通过比较各相的输出电压指令值和三角波而获得的PWM脉冲对所述开关元件进行控制的逆变器的控制方法，所述控制方法是在固定的周期内将第1相的交流输出电压保持为所述直流电压源的正极电位或负极电位、并采用通过分别对具有与所述周期相等的周期的所述三角波和另外的第2相、第3相的输出电压指令值进行比较而获得的PWM脉冲使所述第2相、第3相的开关元件进行开关操作的控制方法，其特征在于，在所述三角波的连续的两个周期中的第1周期内，使所述第2相的输出电压指令值相对于该输出电压指令值的平均值在所述三角波的上升半周期内较大、且在下降半周期内较小，使所述第3相的输出电压指令值相对于该输出电压指令值的平均值在所述三角波的上升半周期较小、且在下降半周期内较大，在所述三角波的连续的两个周期中的第2周期内，使所述第3相的输出电压指令值相对于该输出电压指令值的平均值在所述三角波的上升半周期内较大、且在下降半周期内较小，使所述第2相的输出电压指令值相对于该输出电压指令值的平均值在所述三角波的上升半周期内较小、且在下降半周期内较大。9.一种三个由两个半导体开关元件构成的串联电路相对于与直流电压源并联的电容器互相并联、并将所述两个半导体开关元件之间的连接点作为各相的交流输出端子的三相逆变器的、使用通过比较各相的输出电压指令值和载波而获得的PWM脉冲对所述开关元件进行控制的控制方法，所述控制方法是在固定的周期内将第1相的交流输出电压保持为所述直流电压源的正极电位或负极电位、并采用通过分别对具有与所述周期相等的周期的所述载波和另外的第2相、第3相的输出电压指令值进行比较而获得的PWM脉冲使所述第2相、第3相的开关元件进行开关操作的控制方法，其特征在于，在所述载波的连续的两个周期内，使所述第1相的交流输出电压保持为所述直流电压源的正极电位或负极电位，并且，使所述第2相的输出电压指令值相对于所述两个周期内的该输出电压指令值的平均值在所述载波的第1周期内较大、且在所述载波的第2周期内较小，使所述第3相的输出电压指令值相对于所述两个周期内的该输出电压指令值的平均值在所述载波的第1周期内较小、且在所述载波的第2周期内较大。10.一种三个由两个半导体开关元件构成的串联电路相对于与直流电压源并联的电容器互相并联、并将所述两个半导体开关元件之间的连接点作为各相的交流输出端子的三相逆变器的、使用通过比较各相的输出电压指令值和三角波而获得的PWM脉冲对所述开关元件进行控制的控制装置，所述控制装置是在固定的周期内将第1相的交流输出电压保持为所述直流电压源的正极电位或负极电位、并使用通过分别对具有与所述周期相等的周期的所述三角波和另外的第2相、第3相的输出电压指令值进行比较而获得的PWM脉冲来控制所述第2相、第3相的开关元件的控制装置，其特征在于，在所述三角波的一个周期内，使所述第2相的输出电压指令值相对于该输出电压指令值的平均值在所述三角波的上升半周期内较大、且在下降半周期内较小，使所述第3相的输出电压指令值相对于该输出电压指令值的平均值在所述三角波的上升半周期内较小、且在下降半周期内较大。11.一种三个由两个半导体开关元件构成的串联电路相对于与直流电压源并联的电容器互相并联、并将所述两个半导体开关元件之间的连接点作为各相的交流输出端子的三相逆变器的、使用通过比较各相的输出电压指令值和三角波而获得的PWM脉冲对所述开关元件进行控制的控制装置，所述控制装置是在固定的周期内使第1相的交流输出电压保持为所述直流电压源的正极电位或负极电位、并使用通过分别对具有与所述周期相等的周期的所述三角波和另外的第2相、第3相的输出电压指令值进行比较而获得的PWM脉冲来控制所述第2相、第3相的开关元件的控制装置，其特征在于，在所述三角波的连续的两个周期中的第1周期内，使所述第2相的输出电压指令值相对于该输出电压指令值的平均值在所述三角波的上升半周期内较大、且在下降半周期内较小，使所述第3相的输出电压指令值相对于该输出电压指令值的平均值在所述三角波的上升半周期内较小、且在下降半周期内较大，在所述三角波的连续的两个周期中的第2周期内，使所述第3相的输出电压指令值相对于该输出电压指令值的平均值在所述三角波的上升半周期内较大、且在下降半周期较小，使所述第2相的输出电压指令值相对于该输出电压指令值的平均值在所述三角波的上升半周期内较小、且在下降半周期内较大。12.一种三个由两个半导体开关元件构成的串联电路相对于与直流电压源并联的电容器互相并联、并将所述两个半导体开关元件之间的连接点作为各相的交流输出端子的三相逆变器的、使用通过比较各相的输出电压指令值和三角波而获得的PWM脉冲对所述开关元件进行控制的控制装置，所述控制装置是在固定的周期将第1相的交流输出电压保持为所述直流电压源的正极电位或负极电位、并使用通过分别对具有与所述周期相等的周期的所述载波和另外的第2相、第3相的输出电压指令值进行比较而获得的PWM脉冲来控制所述第2相、第3相的开关元件的控制装置，其特征在于，在所述载波的连续的两个周期内，将所述第1相的交流输出电压保持为所述直流电压源的...

【专利技术属性】
技术研发人员：鸟羽章夫，小高章弘，海田英俊，
申请(专利权)人：富士电机株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP