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JPH11196579A - Control device for semiconductor power converter - Google Patents

Control device for semiconductor power converter

Info

Publication number
JPH11196579A
JPH11196579A JP9359626A JP35962697A JPH11196579A JP H11196579 A JPH11196579 A JP H11196579A JP 9359626 A JP9359626 A JP 9359626A JP 35962697 A JP35962697 A JP 35962697A JP H11196579 A JPH11196579 A JP H11196579A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
frequency
amplitude
signal wave
carrier
wave
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP9359626A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Makoto Matsukawa
誠 松川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Japan Atomic Energy Agency
Original Assignee
Japan Atomic Energy Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Japan Atomic Energy Research Institute filed Critical Japan Atomic Energy Research Institute
Priority to JP9359626A priority Critical patent/JPH11196579A/en
Publication of JPH11196579A publication Critical patent/JPH11196579A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 低出力(又は高出力)の運転時における最小
パルス幅(パルス間オフ幅)制限の発生を可能な限り少
なくして、良好な制御特性を実現する。 【解決手段】 絶対値回路10とローパスフィルタ12
により信号波の振幅を算出する。関数発生器14は、算
出された振幅が小振幅(又は大振幅)時には振幅の低減
(又は増大)と共に搬送波の周波数が最低周波数に向か
って低減し、中間域では最大周波数で一定となるよう電
圧制御発振器16を発振させるための入力制御電圧を発
生する。関数発生器は、搬送波の周波数が信号波の振幅
と周波数に応じて変化するような関数を発生しても良
い。
(57) [Problem] To achieve good control characteristics by minimizing the generation of a minimum pulse width (inter-pulse off-width) limit during low-output (or high-output) operation. An absolute value circuit and a low-pass filter are provided.
To calculate the amplitude of the signal wave. When the calculated amplitude is small (or large), the function generator 14 reduces the voltage of the carrier with decreasing (or increasing) amplitude toward the lowest frequency, and sets the voltage so that the frequency becomes constant at the maximum frequency in the middle range. An input control voltage for oscillating the control oscillator 16 is generated. The function generator may generate a function such that the frequency of the carrier changes according to the amplitude and frequency of the signal wave.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、搬送波と信号波と
を用いるパルス幅変調(PWM)を行い交流電力から直
流電力に又は直流電力から交流電力に変換する半導体電
力変換装置用制御装置に関し、特に低出力あるいは高出
力の運転時に良好な変換を行う半導体電力変換装置用制
御装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a control device for a semiconductor power conversion device for performing pulse width modulation (PWM) using a carrier wave and a signal wave to convert AC power to DC power or DC power to AC power. In particular, the present invention relates to a control device for a semiconductor power conversion device that performs good conversion during low-output or high-output operation.

【0002】本発明は、PWM変調した半導体電力変換
装置を適用するすべての電力応用分野、例えば、電気抵
抗がゼロの超伝導コイルの電流を駆動する電源装置など
において利用可能である。
The present invention can be used in all power application fields to which a PWM-modulated semiconductor power converter is applied, for example, a power supply for driving a current of a superconducting coil having zero electric resistance.

【0003】[0003]

【従来の技術】従来より広く用いられているPWM(Pu
lse Width Modulation(パルス幅変調))コンバータお
よびPWMインバータは、大きく電圧型か電流型かによ
って、図6のように分けられる。図6にはコンバータの
場合について示され、図6の(a)には典型的な電圧型
コンバータの構成例が、(b)には典型的な電流型コン
バータの構成例が示されている。ここでは簡単のため単
相で表してあるが、3相でも動作原理は同様である。図
6において、S1からS4はスイッチング素子で、ここ
ではトランジスタの記号で表してある。図6の(a)の
電圧型コンバータでは、ダイオードD1が還流モード形
成のため並列に挿入される場合が多い。また、図6の
(b)の電流型コンバータでは、自己消去素子の逆方向
耐圧が低いのでダイオードD1を挿入する場合が多い。
なお、インバータとは、電力の流れが直流側から交流電
源になる場合の動作、即ち直流電力を交流電力に変換す
る場合の動作を指しているが、コンバータと回路構成上
全く同一なので、説明を略す。更に、図6に示される他
の構成要素及びその作用も当業者には周知のものである
ので説明を略す。
2. Description of the Related Art Conventionally, PWM (Pu
The lse Width Modulation (pulse width modulation) converter and the PWM inverter are roughly classified as shown in FIG. 6 depending on whether they are voltage type or current type. FIG. 6 shows the case of a converter. FIG. 6A shows a configuration example of a typical voltage type converter, and FIG. 6B shows a configuration example of a typical current type converter. Although a single phase is shown here for simplicity, the principle of operation is the same for three phases. In FIG. 6, S1 to S4 are switching elements, which are represented by transistors here. In the voltage type converter of FIG. 6A, the diode D1 is often inserted in parallel to form the freewheel mode. In the current-type converter shown in FIG. 6B, the diode D1 is often inserted because the reverse breakdown voltage of the self-erasing element is low.
Note that an inverter refers to an operation in the case where the flow of electric power is changed from a DC side to an AC power supply, that is, an operation in the case where DC power is converted to AC power. Abbreviate. Further, the other components shown in FIG. 6 and their operations are well known to those skilled in the art, and thus description thereof is omitted.

【0004】PWM制御とは、図6に示されるこれらの
スイッチング素子S1からS4に対して、オン・オフの
指令を与えることである。そして、PWM変調とは、制
御信号と搬送波との比較によりスイッチング素子のオン
・オフパターンを決めるやり方で、その方式には多くの
方法がある。使用する搬送波だけに限っても、鋸歯状
波、三角波、正弦波などがあり、各々に特色がある。最
も簡単な例を、単相PWMインバータ回路によるPWM
変調方式の説明図である図7を使って説明する。図7の
(a)は、電源として直流電圧源Eをもち、パルス幅変
調(PWM)を行う単相の電圧型インバータ回路の構成
例で、図6の(a)のコンデンサCを直流電圧源Eに置
き換えた場合に相当する。従って、スイッチング素子S
1からS4までのオン・オフに応じて、負荷L、Rに
は、+E、0、−Eの3通りの電圧が印加し得る。図7
の(b)は、パルス幅変調(PWM)の原理を説明する
図であり、この例では搬送波に三角波を用いている。こ
のとき、負荷電圧に対する指令値(以下信号波と呼ぶ)
が、図7の(b)で示される波形(実質的には正弦波の
形状)とする。つまり、PWMとは、図7の(b)に示
すように、信号波と搬送波の大小を比較することによっ
て、各スイッチング素子のオン・オフパターンを決める
方法であり、出力の平均が信号波に類似な波形となるよ
うにし、そして+E、0、−Eの3通りの電圧から、そ
のオン・オフする時間に比率を制御することにより、+
Eと−Eの間の出力を時間平均として連続的に得るよう
な変調方式を指している。
[0004] The PWM control is to give an ON / OFF command to these switching elements S1 to S4 shown in FIG. The PWM modulation is a method of determining an ON / OFF pattern of a switching element by comparing a control signal with a carrier, and there are many methods of the method. Even if only the used carrier wave is used, there are a sawtooth wave, a triangular wave, a sine wave, and the like, each of which has a characteristic. The simplest example is PWM using a single-phase PWM inverter circuit.
This will be described with reference to FIG. 7, which is an explanatory diagram of the modulation method. FIG. 7A shows a configuration example of a single-phase voltage-type inverter circuit having a DC voltage source E as a power supply and performing pulse width modulation (PWM). The capacitor C shown in FIG. This corresponds to the case where E is replaced. Therefore, the switching element S
Depending on ON / OFF from 1 to S4, three voltages of + E, 0, and -E can be applied to the loads L and R. FIG.
(B) is a diagram for explaining the principle of pulse width modulation (PWM). In this example, a triangular wave is used as a carrier. At this time, a command value for the load voltage (hereinafter referred to as a signal wave)
Has a waveform (substantially a sine wave shape) shown in FIG. 7B. That is, PWM is a method of determining the ON / OFF pattern of each switching element by comparing the magnitude of a signal wave with the magnitude of a carrier wave, as shown in FIG. 7B, and averaging the output to the signal wave. By making the waveforms similar to each other and controlling the ratio from the three voltages of + E, 0, and -E to the on / off time, +
It refers to a modulation method in which an output between E and -E is continuously obtained as a time average.

【0005】しかしながら、従来のPWM制御では、搬
送波の周波数は外部から一定のものとして与えられる
か、もしくは電源電圧に同期させるための周波数逓倍回
路の出力を用いていた。いずれにしても搬送波の周波数
を信号波の関数として大幅に変化させることは想定して
いなかった。つまり、従来のPWM制御は、搬送波の周
波数や位相に関しては、原則として一定であることを条
件に設計されている。このため運転状態によっては、一
定の周波数および位相の連続的変化を仮定した場合に、
結果として好ましくない制御状態に陥ることがある。次
にこの点について説明する。
[0005] However, in the conventional PWM control, the frequency of the carrier is given as a constant value from the outside, or the output of a frequency multiplier for synchronizing with the power supply voltage is used. In any case, it was not envisaged that the frequency of the carrier wave would vary significantly as a function of the signal wave. In other words, the conventional PWM control is designed on the condition that the frequency and phase of the carrier are constant in principle. Therefore, depending on the operating conditions, assuming a constant change in frequency and phase,
As a result, an undesirable control state may occur. Next, this point will be described.

【0006】例えば、図8の(a)に示すように、超伝
導コイルの電流を駆動する電流型コンバータの例を想定
する。なお、ここでは交流側に高調波除去のためACフ
ィルタが挿入されている。超伝導コイルにある一定の電
流を流すには通常の制御によりスイッチング素子S1〜
S4を適切にオン・オフすることによりなされる。超伝
導コイルに一定電流が流れるようになった後は、超伝導
コイルではコイル電流を維持するのに原理的には電力を
必要としない。つまり、スイッチング素子や回路の抵抗
を無視すると、図8の(b)に示すように超伝導コイル
の電流がスイッチング素子S4及びS2を通って流れ続
ける循環(又は還流)電流モードにすれば十分であり、
オン・オフを繰り返すことなくコイル電流を一定に保つ
ことが出来る。しかしながら、実際の超伝導コイルの運
転ではこのような循環電流モードにせずに、図8の
(a)においてスイッチング素子S1〜S4をオン・オ
フ制御した状態にしておくことが多い。すなわち、スイ
ッチング・パターンはどうであれ、電源と負荷とがある
期間接続されるが、電流型コンバータは低出力運転状態
となる。
For example, as shown in FIG. 8A, an example of a current-type converter for driving a current of a superconducting coil is assumed. Here, an AC filter is inserted on the AC side to remove harmonics. To pass a certain current through the superconducting coil, the switching elements S1
This is done by appropriately turning on and off S4. After a constant current flows through the superconducting coil, the superconducting coil does not require power in principle to maintain the coil current. In other words, ignoring the resistance of the switching element and the circuit, it is sufficient to set a circulating (or return) current mode in which the current of the superconducting coil continues to flow through the switching elements S4 and S2 as shown in FIG. Yes,
The coil current can be kept constant without repeatedly turning on and off. However, in actual operation of the superconducting coil, the switching elements S1 to S4 are often turned on and off in FIG. That is, regardless of the switching pattern, the power supply and the load are connected for a certain period of time, but the current type converter is in a low output operation state.

【0007】搬送波と信号波の比較回路を用いたPWM
制御回路では、搬送波の1波内で必ず交点があることを
前提にシステムが設計されている。このため、電流型コ
ンバータの低出力運転状態において、超伝導コイルを一
定電流制御しようとすれば、図9に示されるように、パ
ルス幅が非常に短いパターン(インパルス列状のパター
ン)が発生する結果になる。
PWM using comparison circuit for carrier wave and signal wave
In the control circuit, the system is designed on the assumption that there is always an intersection in one carrier wave. For this reason, when trying to control the superconducting coil at a constant current in the low output operation state of the current type converter, a pattern with a very short pulse width (an impulse train pattern) is generated as shown in FIG. Results.

【0008】スイッチング素子として用いられる半導体
電力変換素子は、電力用トランジスタ、サイリスタ、ゲ
ートターンオフサイリスタGTO、絶縁ゲート型バイポ
ーラトランジスタIGBTなどである。従って、オン・
オフ状態の切り替えには、素子によって決まるある特定
の時間が必要である。しかるに前述のようにパルス幅が
短いパターンが与えられた場合には、例えば電力用トラ
ンジスタでは、能動領域で動作させる結果となって電力
損失を増大させ、最悪の場合素子の破壊に至らしめる。
またサイリスタでは、素子をオフさせるに必要な逆圧印
加時間、すなわちターンオフタイムを保証することがで
きないために、場合によっては転流失敗させる可能性も
ある。そこで、これまでは、運転上(電力変換の観点か
ら)無意味な程に短いオン・オフ動作を避けるために、
図10に示されるように、信号波に対して、必ず搬送波
1波内で交差するように、変調信号入力(信号波)に対
して最大・最小のリミターを設け、これにより、パルス
幅の最小及び最大のオン・オフ期間を保証していた。
Semiconductor power conversion elements used as switching elements include power transistors, thyristors, gate turn-off thyristors GTO, insulated gate bipolar transistors IGBT, and the like. Therefore,
Switching the off state requires a certain amount of time determined by the element. However, when a pattern having a short pulse width is given as described above, for example, in the case of a power transistor, the transistor is operated in the active region, resulting in an increase in power loss, and in the worst case, destruction of the element.
Further, in the thyristor, the reverse pressure application time required to turn off the element, that is, the turn-off time cannot be guaranteed, and in some cases, commutation may fail. So, in order to avoid operationlessly short on / off operation (from the viewpoint of power conversion),
As shown in FIG. 10, a maximum / minimum limiter is provided for a modulation signal input (signal wave) so that a signal wave always crosses within one carrier wave, thereby providing a minimum pulse width. And a maximum on / off period.

【0009】このように搬送波1波内で必ずオン・オフ
を発生させるようにした場合、素子のスイッチング回数
はまさに搬送波の周波数に等しくなり、その結果スイッ
チング損失を正確に評価できるという利点もある。しか
し、先の超伝導コイルの電流を駆動する場合で考えれ
ば、直流出力平均電圧ゼロのPWMパターンを発生させ
ることになり、交流側には無効電流のみを流すことにな
る。しかも、搬送波1波当たりのパルス幅がリミターに
より等しく制限されている場合、PWM制御の利点はも
はや失われている。つまり、直流出力電流の大きさに等
しいインパルス状の電流が交流側に流れる結果となっ
て、交流側の電流波形に大きな波形ひずみを生じさせる
結果となる。このことは、直流出力電流の脈動の原因と
もなり、フィードバック制御の応答の結果、交流電流波
形の歪みを助長する。
If the on / off operation is always generated within one carrier wave, the number of switching times of the element becomes exactly equal to the frequency of the carrier wave. As a result, there is an advantage that the switching loss can be accurately evaluated. However, in the case where the current of the superconducting coil is driven, a PWM pattern with zero DC output average voltage is generated, and only the reactive current flows to the AC side. Moreover, if the pulse width per carrier is equally limited by the limiter, the advantages of PWM control are no longer available. That is, an impulse-shaped current equal to the magnitude of the DC output current flows to the AC side, resulting in a large waveform distortion in the AC-side current waveform. This causes pulsation of the DC output current, and as a result of the feedback control response, the AC current waveform is distorted.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明は、上
記困難を克服し、半導体電力変換装置に低出力あるいは
高出力の運転時において良好な変換を行わせるための制
御装置を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a control device for overcoming the above-mentioned difficulties and allowing a semiconductor power conversion device to perform a good conversion during a low-output or high-output operation. is there.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、搬送波と信号波とを用いるパルス幅変調(PWM)
を行い交流電力から直流電力に又は直流電力から交流電
力に変換する本発明の半導体電力変換装置用制御装置
は、前記搬送波の周波数が前記信号波の振幅又は周波数
あるいはこれら双方の関数として決定されることを特徴
とする。
In order to solve the above problems, a pulse width modulation (PWM) using a carrier wave and a signal wave is provided.
In the control device for a semiconductor power conversion device of the present invention, which performs AC power conversion from DC power to DC power or from DC power to AC power, the frequency of the carrier is determined as an amplitude of the signal wave or a function of both of them. It is characterized by the following.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】本発明は上記困難を克服するため
になされたものであり、スイッチング周波数すなわち搬
送波の周波数を原則としてスイッチング素子の平均パル
ス幅、すなわち信号波の振幅に応じて適当に変化させて
やれば克服でき、これが本発明の要点である。以下図1
を参照して本発明の基本的原理を説明する。図1は、搬
送波の周波数の変化させた場合のPWMパターンを説明
するための図であり、(a)は搬送波の周波数が一定の
場合を、(b)は搬送波の周波数を低下させた場合をそ
れぞれ模式的に示す。図1の(a)に示すように信号波
の振幅が小さくなるとパルス幅が短くなり、許容可能な
最小パルス幅以下のものが出てくる。そこで図1の
(b)に示すように、振幅が等しく周波数のみを適当に
下げた搬送波に切り替える。当然周波数に比例してパル
ス数は低下するが、1パルス当たりの時間は延長され
る。その結果、パルス幅が許容値以下のパルスは減少
し、高調波成分は増加するものの、基本波成分は信号波
により近くなる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention has been made to overcome the above-mentioned difficulties, and the switching frequency, that is, the frequency of a carrier wave, is changed in principle according to the average pulse width of a switching element, that is, the amplitude of a signal wave. This can be overcome and this is the gist of the present invention. Figure 1 below
The basic principle of the present invention will be described with reference to FIG. 1A and 1B are diagrams for explaining a PWM pattern when the frequency of a carrier is changed. FIG. 1A illustrates a case where the frequency of the carrier is constant, and FIG. 1B illustrates a case where the frequency of the carrier is reduced. Each is shown schematically. As shown in FIG. 1A, when the amplitude of the signal wave becomes small, the pulse width becomes short, and the pulse width becomes smaller than the allowable minimum pulse width. Therefore, as shown in FIG. 1B, the carrier is switched to a carrier wave having the same amplitude and appropriately lowering only the frequency. Naturally, the number of pulses decreases in proportion to the frequency, but the time per pulse is extended. As a result, the pulse whose pulse width is less than the allowable value decreases and the harmonic component increases, but the fundamental component approaches the signal wave.

【0013】以上のことから、信号波の振幅を関数にし
て、搬送波の周波数を自動的に決定すれば良い。その
際、最大周波数と最低周波数を設定することは従来通り
必要である。また、コンバータとしての使用を前提にす
るなら、搬送波の周波数は電源周波数の整数倍に設定し
ても良い。ただし、不安定な動作を避けるためには後で
述べるようにヒステリシス特性をもたせる必要がある。
以下、本発明による好適な半導体電力変換装置用制御装
置の構成例について述べる。
From the above, the frequency of the carrier may be automatically determined by using the amplitude of the signal wave as a function. At that time, it is necessary to set the maximum frequency and the minimum frequency as before. Further, assuming that the carrier is used as a converter, the frequency of the carrier may be set to an integral multiple of the power supply frequency. However, in order to avoid unstable operation, it is necessary to provide a hysteresis characteristic as described later.
Hereinafter, a configuration example of a preferred control device for a semiconductor power conversion device according to the present invention will be described.

【0014】図2は、本発明を単相インバータ用制御装
置に適用した場合における搬送波の周波数を信号波の関
数、具体的にはその振幅の関数として作成する制御装置
の回路構成の例を示している。図2において、絶対値回
路10は信号波を例えばピーク検波し、ローパスフィル
タ12は検波された波形を平滑化して信号波の振幅を算
出して、信号波の振幅を表す出力を出す。なお、3相イ
ンバータの場合もしくはコンバータの場合、信号波の振
幅はベクトル的に算出してもよい。電圧制御発振器16
は、周知のように、入力制御電圧の大きさに応じて発振
周波数が変化する発振器である。図3は、本発明の好適
一実施形態による信号波の振幅に対する搬送波の周波数
の変化の一例を示している。電圧制御発振器16の発振
周波数は入力制御電圧に応じて変化するので、図3の縦
軸は入力制御電圧の大きさを示していると読める。つま
り、関数発生器14は、ローパスフィルタ12から算出
された信号波の振幅に応じて図3に示される形状の電圧
を発生する。スイッチング素子を確実にオン又はオフで
きるパルス幅で半導体電力変換装置を運転している場合
は、図3の信号波の振幅が中間の大きさを有する範囲に
対応し、関数発生器14は一定の最大電圧を発生し、そ
れに伴い電圧制御発振器16は基準(最高)の周波数で
発振する。一方、半導体電力変換装置の運転が出力を下
げゼロに近付く場合には、スイッチング素子をオンさせ
るパルスの幅が細くなり過ぎないように、電圧制御発振
器16の搬送波の周波数を信号波の振幅の低減と共に下
げ、出力ゼロのとき最低の周波数になるようにする。従
って、このような信号波の小振幅時には、関数発生器1
4の出力電圧は信号波の振幅の低減と共に最大電圧から
最低電圧へ低減する。また、反対に、半導体電力変換装
置の運転が出力を上げ最高出力に近付く場合にも、スイ
ッチング素子をオフさせるパルスの幅が細くなり過ぎな
いように、電圧制御発振器16の搬送波の周波数を信号
波の振幅の増大と共に下げ、出力最高のとき最低の周波
数になるようにする。従って、このような信号波の大振
幅時には、関数発生器14の出力電圧は信号波の振幅の
増大と共に最大電圧から最低電圧へ低減する。図3にお
いては、信号波の振幅の変化に対して搬送波の周波数が
変わる領域での周波数の変化の仕方は直線的であるが、
本発明はそれに限定されず、信号波の振幅の小さい側で
は信号波の振幅の低減に応じて、大きい側では信号波の
振幅の増大に応じて搬送波の周波数が低減すればよい。
FIG. 2 shows an example of a circuit configuration of a control device for generating the frequency of a carrier wave as a function of a signal wave, specifically, a function of its amplitude when the present invention is applied to a control device for a single-phase inverter. ing. In FIG. 2, an absolute value circuit 10 detects, for example, a peak of a signal wave, and a low-pass filter 12 calculates the amplitude of the signal wave by smoothing the detected waveform, and outputs an output representing the amplitude of the signal wave. In the case of a three-phase inverter or a converter, the amplitude of the signal wave may be calculated in a vector. Voltage controlled oscillator 16
Is an oscillator whose oscillation frequency changes according to the magnitude of the input control voltage, as is well known. FIG. 3 shows an example of a change in the frequency of a carrier with respect to the amplitude of a signal wave according to a preferred embodiment of the present invention. Since the oscillation frequency of the voltage controlled oscillator 16 changes according to the input control voltage, it can be read that the vertical axis in FIG. 3 indicates the magnitude of the input control voltage. That is, the function generator 14 generates a voltage having the shape shown in FIG. 3 according to the amplitude of the signal wave calculated from the low-pass filter 12. When the semiconductor power converter is operated with a pulse width that allows the switching element to be reliably turned on or off, the amplitude of the signal wave in FIG. 3 corresponds to a range having an intermediate magnitude, and the function generator 14 has a constant value. A maximum voltage is generated, and accordingly, the voltage controlled oscillator 16 oscillates at a reference (highest) frequency. On the other hand, when the operation of the semiconductor power converter reduces the output and approaches zero, the frequency of the carrier wave of the voltage controlled oscillator 16 is reduced to reduce the amplitude of the signal wave so that the width of the pulse for turning on the switching element does not become too narrow. And lower it so that the output becomes the lowest frequency when the output is zero. Therefore, when such a signal wave has a small amplitude, the function generator 1
4 decreases from the maximum voltage to the minimum voltage as the amplitude of the signal wave decreases. Conversely, even when the operation of the semiconductor power converter increases the output and approaches the maximum output, the frequency of the carrier wave of the voltage controlled oscillator 16 is changed so that the pulse width for turning off the switching element does not become too narrow. With the increase of the amplitude of the signal so that the output becomes the lowest frequency when the output is the highest. Therefore, at such a large amplitude of the signal wave, the output voltage of the function generator 14 decreases from the maximum voltage to the minimum voltage as the amplitude of the signal wave increases. In FIG. 3, the manner in which the frequency changes in a region where the frequency of the carrier changes with respect to the change in the amplitude of the signal wave is linear,
The present invention is not limited to this. The carrier wave frequency may be reduced on the side where the amplitude of the signal wave is small, in accordance with the decrease in the amplitude of the signal wave, and on the side where the amplitude of the signal wave is large, in accordance with the increase in the amplitude of the signal wave.

【0015】図3に示されるように信号波の振幅に応じ
て変化する周波数を有する電圧制御発振器16の搬送波
と信号波とに基づいて周知の比較回路及びパルス発生回
路(図示せず)によりスイッチング素子に印加されるパ
ルスが生成される。信号波の小振幅時においては振幅の
低減と共に、また大振幅時においては振幅の増大と共
に、搬送波の周波数が低減するので、スイッチング素子
に印加されるオン・パルス幅(小振幅時)またパルス間
のオフ幅(大振幅時)は図1の(b)に示されるように
その幅は許容値以上に保たれる。その結果、スイッチン
グ素子は安定に動作するので、半導体電力変換装置は低
出力あるいは高出力の運転においても、安定に電力変換
を行うことができる。なお、図2及び図3に示す実施形
態はコンバータに適用した場合についてであるが、イン
バータに対しても上記実施形態は同様に適用できること
は明らかである。
As shown in FIG. 3, switching is performed by a well-known comparison circuit and a pulse generation circuit (not shown) based on the carrier wave of the voltage controlled oscillator 16 having a frequency that varies according to the amplitude of the signal wave and the signal wave. A pulse is generated that is applied to the device. Since the frequency of the carrier decreases as the amplitude of the signal wave decreases as the amplitude decreases and as the amplitude increases as the amplitude of the signal wave increases, the on-pulse width (at the time of small amplitude) applied between the switching elements and the pulse The off-width (at the time of large amplitude) is maintained at or above an allowable value as shown in FIG. As a result, the switching element operates stably, so that the semiconductor power converter can stably perform power conversion even in low-output or high-output operation. Although the embodiment shown in FIGS. 2 and 3 is applied to a converter, it is apparent that the embodiment can be applied to an inverter in the same manner.

【0016】当業者には既知のように、PWM半導体電
力変換装置が安定に動作するためには信号波の周波数と
搬送波の周波数との比率関係がある範囲内にあることが
必要である。従って、信号波の周波数が変化する場合に
は、搬送波の周波数は信号波の振幅ばかりでなくその周
波数にも応じて変えることが望ましい。このような場合
について以下に説明する。図4は、本発明の好適一実施
形態による信号波の振幅と周波数の2変数の関数として
搬送波の周波数を決定するPWMコンバータ用制御装置
の回路構成の例を示す。図4において、図2と同一の参
照番号により示される構成要素は図2のものと同一の構
成要素を示し、説明を繰り返さない。図4において、零
点検出及びカウンタ20は、信号波の振幅のゼロの点を
検出し信号波の周期当たりのゼロ点の数をカウントし、
信号波の周波数を表す出力を発生する。2変数関数発生
器22は、絶対値回路10からの信号波の振幅を表す出
力と、零点検出及びカウンタ20からの信号波の周波数
を表す出力とに基づいて、所望の周波数の搬送波を周波
数電圧制御発振器16が発生するための電圧制御発振器
16への入力制御電圧を発生する。
As known to those skilled in the art, in order for the PWM semiconductor power converter to operate stably, the ratio between the frequency of the signal wave and the frequency of the carrier needs to be within a certain range. Therefore, when the frequency of the signal wave changes, it is desirable to change the frequency of the carrier wave according to not only the amplitude of the signal wave but also the frequency. Such a case will be described below. FIG. 4 shows an example of a circuit configuration of a control device for a PWM converter that determines a frequency of a carrier wave as a function of two variables of amplitude and frequency of a signal wave according to a preferred embodiment of the present invention. 4, components denoted by the same reference numerals as those in FIG. 2 indicate the same components as those in FIG. 2, and description thereof will not be repeated. In FIG. 4, the zero point detection and counter 20 detects a zero point of the amplitude of the signal wave and counts the number of zero points per cycle of the signal wave.
An output representing the frequency of the signal wave is generated. The two-variable function generator 22 converts a carrier wave having a desired frequency into a frequency voltage based on an output representing the amplitude of the signal wave from the absolute value circuit 10 and an output representing the frequency of the signal wave from the zero point detection and the counter 20. It generates an input control voltage to the voltage controlled oscillator 16 for the control oscillator 16 to generate.

【0017】図5は2変数関数発生器22の特性例を示
し、(a)は信号波の周波数に対する電圧制御発振器1
6への入力制御電圧の変化を搬送波の周波数の変化とし
て示し、(b)は信号波の振幅の大きさに対する(a)
に示される関数の選択を示す。この例では、図5の
(a)に示すように、信号波の周波数に対して矩形波的
に搬送波の周波数を制御させ、また(b)に示すように
振幅に対してはステップ的に変化させている。図5の
(a)において、信号波の振幅が小振幅時及び大振幅時
以外の標準的な大きさの場合(図5の(b)において信
号波の振幅の大きさの中間域で関数Aを選択する場合に
相当)の信号波の周波数に対する2変数関数発生器22
の周波数の変化を実線で示す。搬送波の周波数は最高周
波数と最低周波数の範囲内に存在する必要があるため、
搬送波の周波数は信号波の周波数の増大につれて、最低
周波数から最高周波数に向かい、信号波の周波数のある
点で最高周波数から最低周波数にシフトし、それを繰り
返すよう変化する。なお、そのシフトに信号波の周波数
の増加方向と減少方向でヒステリシスを持たせているの
はその近傍での動作の安定化のためである。信号波の振
幅が小振幅時及び大振幅時の場合(図5の(b)におい
て信号波の振幅の大きさの小振幅及び大振幅の範囲で関
数Bを選択する場合に相当)の信号波の周波数に対する
2変数関数発生器22の周波数の変化を一点鎖線で示
す。なお、一点鎖線で示された範囲以外では信号波の周
波数は、上記標準的な大きさの場合と同じで信号波の周
波数に対して搬送波の周波数は実線に沿って変化する。
FIG. 5 shows an example of the characteristics of the two-variable function generator 22. FIG. 5A shows the voltage-controlled oscillator 1 with respect to the frequency of the signal wave.
6 shows the change of the input control voltage as a change in the frequency of the carrier wave, and (b) shows the change in the amplitude of the signal wave (a).
Shows the selection of the function shown in FIG. In this example, as shown in FIG. 5A, the frequency of the carrier wave is controlled in a rectangular wave with respect to the frequency of the signal wave, and as shown in FIG. Let me. In FIG. 5A, when the amplitude of the signal wave is of a standard magnitude other than at the time of the small amplitude and the large amplitude (in FIG. 5B, the function A is set in the middle range of the amplitude of the signal wave). Is selected), the two-variable function generator 22 for the frequency of the signal wave
Are shown by solid lines. Since the carrier frequency must be between the highest and lowest frequencies,
As the frequency of the signal wave increases, the frequency of the carrier wave changes from the lowest frequency to the highest frequency, shifts from the highest frequency to the lowest frequency at some point of the frequency of the signal wave, and so on. The reason why the shift has hysteresis in the increasing and decreasing directions of the frequency of the signal wave is to stabilize the operation in the vicinity thereof. The signal wave when the amplitude of the signal wave is small and large (corresponding to the case where the function B is selected in the range of the small amplitude and the large amplitude of the amplitude of the signal wave in FIG. 5B) The change of the frequency of the two-variable function generator 22 with respect to the frequency is indicated by an alternate long and short dash line. Note that the frequency of the signal wave is the same as that of the above-described standard magnitude outside the range indicated by the dashed line, and the frequency of the carrier changes along the solid line with respect to the frequency of the signal wave.

【0018】信号波の振幅の大きさが標準的な場合に
は、2変数関数発生器22は、図5の(b)に示される
よう関数Aを選択し、信号波の周波数の変化に対応して
搬送波の周波数が図5の(a)の実線で示されるように
変化するように入力制御電圧を発生する。この場合は、
前述のように信号波の周波数と搬送波の周波数との比率
関係がある範囲内にあるようにすれば良いので、搬送波
の周波数の遷移の変化は大きく、搬送波の周波数が最高
周波数であるときの信号波の周波数の範囲は広い。一
方、信号波の振幅が小振幅時あるいは大振幅時の場合に
は、2変数関数発生器22は、図5の(b)に示される
よう関数Bを選択し、信号波の周波数の変化に対応して
搬送波の周波数が図5の(a)の一点鎖線で示されるよ
うに変化するように入力制御電圧を発生する。この場合
には、信号波の周波数と搬送波の周波数との比率関係が
ある範囲内にあるようにすることに加えて、低出力ある
いは高出力運転時の細すぎるパルス幅あるいはパルス間
の細すぎるオフ幅の発生を回避するため、搬送波の周波
数の遷移の変化は緩い。また、信号波の周波数が変化し
ている間に信号波の振幅の大きさも変化して関数Aと関
数Bとの間で選択の変更がある場合には、図5の(a)
の実線と一点鎖線との間をその選択の変更に応じてシフ
トするよう搬送波の周波数は変化する。なお、図5の
(b)に示されるように信号波の振幅の大きさの変化に
対して関数の選択にヒステリシスを持たせるのはその選
択の変更の近傍で搬送波の周波数が図5の(a)におけ
る実線と一点鎖線間でばたつくのを回避するためであ
る。
When the amplitude of the signal wave is standard, the two-variable function generator 22 selects the function A as shown in FIG. 5B and responds to the change in the frequency of the signal wave. Then, an input control voltage is generated such that the frequency of the carrier changes as shown by the solid line in FIG. in this case,
As described above, since the ratio between the frequency of the signal wave and the frequency of the carrier wave may be within a certain range, the change in the frequency transition of the carrier wave is large, and the signal when the carrier frequency is the highest frequency is changed. The range of wave frequencies is wide. On the other hand, when the amplitude of the signal wave is small or large, the two-variable function generator 22 selects the function B as shown in FIG. Correspondingly, the input control voltage is generated such that the frequency of the carrier changes as shown by the dashed line in FIG. In this case, in addition to ensuring that the ratio relationship between the frequency of the signal wave and the frequency of the carrier wave is within a certain range, too narrow pulse width or too narrow off between pulses during low output or high output operation In order to avoid the occurrence of width, the transition of the carrier frequency changes slowly. In addition, when the magnitude of the amplitude of the signal wave changes while the frequency of the signal wave changes, and there is a change in selection between the function A and the function B, FIG.
The carrier frequency changes so as to shift between the solid line and the dashed line in accordance with the selection change. It should be noted that, as shown in FIG. 5 (b), the reason why the function selection has hysteresis in response to the change in the amplitude of the signal wave is that the frequency of the carrier wave is changed in the vicinity of the change in the selection as shown in FIG. This is to avoid flapping between the solid line and the one-dot chain line in a).

【0019】図5においては、信号波の周波数の変化に
対して搬送波の周波数が変わる領域での周波数の変化の
仕方は直線的であるが、本発明はそれに限定されず、信
号波の周波数の低減に応じて搬送波の周波数が低減すれ
ばよい。
In FIG. 5, the manner in which the frequency of the carrier wave changes with respect to the change in the frequency of the signal wave is linear, but the present invention is not limited to this. What is necessary is just to reduce the frequency of the carrier according to the reduction.

【0020】図5に示されるように信号波の振幅と周波
数とに応じて変化する周波数を有する電圧制御発振器1
6の搬送波と信号波とに基づいて周知の比較回路及びパ
ルス発生回路(図示せず)によりスイッチング素子に印
加されるパルスが生成される。この場合、信号波の周波
数の低減と共に、搬送波の周波数が低減するので、スイ
ッチング素子に印加されるオン・パルス幅(小振幅時)
またパルス間のオフ幅(大振幅時)は図1の(b)に示
されるようにその幅は許容値以上に保たれる。しかも、
信号波の周波数と搬送波の周波数との比率関係がある範
囲内に保たれる。その結果、スイッチング素子は安定に
動作するので、半導体電力変換装置は低出力及び高出力
の運転においても、安定に電力変換を行うことができ
る。従って、このように、PWMコンバータの入出力に
関するすべての情報を考慮して、最適の搬送波周波数を
決定することができる。なお、図4及び図5に示す実施
形態はコンバータに適用した場合についてであるが、イ
ンバータに対しても上記実施形態は同様に適用できるこ
とは明らかである。
As shown in FIG. 5, a voltage controlled oscillator 1 having a frequency that varies according to the amplitude and frequency of a signal wave
Based on the carrier wave and the signal wave of No. 6, a pulse to be applied to the switching element is generated by a well-known comparison circuit and a pulse generation circuit (not shown). In this case, since the frequency of the carrier wave is reduced along with the frequency of the signal wave, the ON pulse width applied to the switching element (at a small amplitude)
The off-width between pulses (at the time of large amplitude) is maintained at a value equal to or larger than the allowable value as shown in FIG. Moreover,
The ratio relationship between the frequency of the signal wave and the frequency of the carrier is kept within a certain range. As a result, since the switching element operates stably, the semiconductor power converter can stably perform power conversion even in low-output and high-output operations. Therefore, the optimum carrier frequency can be determined in consideration of all information related to the input and output of the PWM converter. Although the embodiment shown in FIGS. 4 and 5 is applied to a converter, it is apparent that the embodiment can be applied to an inverter in the same manner.

【0021】なお、本発明においては、指令値である信
号波の生成は、信号波発生回路によっても良いが、半導
体電力変換装置の入力側あるいは出力側の電圧あるいは
電流を用いることも可能であり、本発明における信号波
は、それらを含むものである。
In the present invention, the signal wave as the command value may be generated by a signal wave generating circuit, but it is also possible to use the input side or output side voltage or current of the semiconductor power converter. The signal wave in the present invention includes them.

【0022】[0022]

【発明の効果】本発明は以上の説明したように構成され
ており、搬送波の周波数が信号波の振幅又は周波数ある
いはこれら双方の関数として決定されるので、原理的に
パルス幅がゼロもしくは無限大となるような運転状態に
おいても、半導体電力変換装置の定格に見合った最適の
搬送波周波数の選択が可能となり、最適制御による安定
化が実現できる。つまり、低出力あるいは高出力の運転
時における最小パルス幅制限あるいはパルス間の最小オ
フ幅制限の発生を可能な限り少なくして、良好な制御特
性を実現することができる。
The present invention is constructed as described above. Since the frequency of the carrier is determined as a function of the amplitude of the signal wave or the frequency or both of them, the pulse width is zero or infinity in principle. In such an operating state as described above, it is possible to select an optimum carrier frequency corresponding to the rating of the semiconductor power converter, and stabilization by optimal control can be realized. That is, the occurrence of the minimum pulse width limitation or the minimum off-width limitation between pulses during low-output or high-output operation can be minimized, and good control characteristics can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】搬送波の周波数を変化させた場合のPWMパタ
ーンを説明するための図であり、(a)は搬送波の周波
数が一定の場合を、(b)は搬送波の周波数を低下させ
た場合をそれぞれ模式的に示す。
FIGS. 1A and 1B are diagrams for explaining a PWM pattern when the frequency of a carrier is changed, wherein FIG. 1A illustrates a case where the frequency of the carrier is constant, and FIG. 1B illustrates a case where the frequency of the carrier is reduced. Each is shown schematically.

【図2】本発明を単相インバータ用制御装置に適用した
場合における搬送波の周波数の振幅の関数として作成す
る回路構成の例を示す。
FIG. 2 shows an example of a circuit configuration created as a function of the amplitude of a carrier frequency when the present invention is applied to a control device for a single-phase inverter.

【図3】本発明の好適一実施形態による信号波の振幅に
対する搬送波の周波数の変化の一例を示す。
FIG. 3 shows an example of a change in the frequency of a carrier with respect to the amplitude of a signal wave according to a preferred embodiment of the present invention.

【図4】本発明の好適一実施形態による信号波の振幅と
周波数の2変数の関数として搬送波の周波数を決定する
PWMコンバータの制御装置用の回路構成の例を示す。
FIG. 4 shows an example of a circuit configuration for a control device of a PWM converter for determining a frequency of a carrier wave as a function of two variables of amplitude and frequency of a signal wave according to a preferred embodiment of the present invention.

【図5】図4に示す2変数関数発生器22の特性例を示
し、(a)は信号波の周波数に対する電圧制御発振器1
6への入力制御電圧の変化を搬送波の周波数の変化とし
て示し、(b)は信号波の振幅の大きさに対する(a)
に示される関数選択を示す。
5 shows an example of characteristics of the two-variable function generator 22 shown in FIG. 4, wherein (a) shows the voltage-controlled oscillator 1 with respect to the frequency of the signal wave;
6 shows the change of the input control voltage as a change in the frequency of the carrier wave, and (b) shows the change in the amplitude of the signal wave (a).
The function selection shown in FIG.

【図6】(a)は典型的な電圧型コンバータの構成例
を、(b)は典型的な電流型コンバータの構成例を示
す。
FIG. 6A shows a configuration example of a typical voltage-type converter, and FIG. 6B shows a configuration example of a typical current-type converter.

【図7】(a)は電源として直流電圧源Eをもち、パル
ス幅変調(PWM)を行う単相の電圧型インバータ回路
の構成例を示し、(b)は信号波と搬送波の大小の比較
により、各スイッチング素子のオン・オフパターンを決
める要領を説明するための図である。
FIG. 7A shows a configuration example of a single-phase voltage-type inverter circuit having a DC voltage source E as a power source and performing pulse width modulation (PWM), and FIG. 7B shows a comparison of the magnitude of a signal wave and a carrier wave; FIG. 4 is a diagram for explaining a method of determining an on / off pattern of each switching element.

【図8】(a)は超伝導コイルの電流を駆動する電流型
コンバータの例を示し、(b)は循環電流モードの場合
にオン・オフを繰り返すことなくコイル電流を一定に保
つことが出来ることを示す図である。
FIG. 8 (a) shows an example of a current type converter for driving a current of a superconducting coil, and FIG. 8 (b) can keep a constant coil current without repeating on / off in a circulating current mode. FIG.

【図9】電流型コンバータの低出力運転状態において、
超伝導コイルを一定電流制御しようとした場合、パルス
幅の非常に短いパターン(インパルス列状のパターン)
が発生することを説明するための図である。
FIG. 9 shows a current-type converter in a low-power operation state.
When trying to control a constant current in a superconducting coil, a pattern with a very short pulse width (impulse train pattern)
FIG. 4 is a diagram for explaining that the occurrence of the error occurs.

【図10】信号波に対して、必ず搬送波1波内で交差す
るように、変調信号入力(信号波)に対して最大・最小
のリミターを設け、これによりパルス幅の最小及び最大
のオン・オフ期間を保証していることを示す図である。
FIG. 10 provides a maximum / minimum limiter for a modulation signal input (signal wave) so that a signal wave always intersects within one carrier wave. It is a figure showing that an OFF period is guaranteed.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 絶対値回路 12 ローパスフィルタ 14 関数発生器 16 電圧制御発振器 20 零点検出及びカウンタ 22 2変数関数発生器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Absolute value circuit 12 Low-pass filter 14 Function generator 16 Voltage controlled oscillator 20 Zero detection and counter 22 Two-variable function generator

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 搬送波と信号波とを用いるパルス幅変調
(PWM)を行い交流電力から直流電力に又は直流電力
から交流電力に変換する半導体電力変換装置用制御装置
において、 前記搬送波の周波数が前記信号波の振幅又は周波数ある
いはこれら双方の関数として決定されることを特徴とす
る半導体電力変換装置用制御装置。
1. A control device for a semiconductor power converter that performs pulse width modulation (PWM) using a carrier wave and a signal wave to convert AC power to DC power or DC power to AC power, wherein the frequency of the carrier wave is A control device for a semiconductor power conversion device, wherein the control device is determined as a function of an amplitude or a frequency of a signal wave or both of them.
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