电力转换装置、控制装置及电力转换装置的控制方法
【技术领域】 本发明涉及电力转换装置、控制装置以及电力转换装置的控制方法。
【背景技术】 以往，已知一种如下技术：在逆变器等电力转换装置中，对载波信号和电压指令进行比 较从而生成PWM(Pulse Width Modulation:脉冲宽度调制）信号，并由该PffM信号来控制 开关元件。 在该电力转换装置中，已知通过降低载波频率来进行PWM控制从而减少开关损失的技 术。例如，在日本特开第2011-109739号公报中记载有如下技术：通过根据输出电压的畸变 的大小来切换高载波频率和低载波频率，从而减少开关损失。
【发明内容】
本发明要解决的问题 然而，如果降低载波频率，则PWM控制的控制周期变长，因此，从电压指令的生成到向 负载（例如，交流电动机）输出基于该电压指令的输出电压为止的无用时间（延迟时间） 变长。在使用了空间矢量的PWM控制的情况下也存在与此同样的问题。 本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的是提供能够抑制到电压指令输出为止的无用 时间的增加、并能够减少开关损失的电力转换装置、控制装置以及电力转换装置的控制方 法。 用于解决问题的技术方案 本发明的一个实施方式涉及的电力转换装置是用于在电源与负载之间转换电力的电 力转换装置。所述电力转换装置具备向所述负载输出电压的电力转换部和将根据电压指令 而生成的PffM信号向所述电力转换部输出的控制部。所述电力转换部具有基于所述PffM信 号而被驱动的多个开关元件。所述控制部以根据所述电压指令对作为输出零电压的第一期 间和作为输出非零电压的期间的第二期间进行调整的方式而生成所述PWM信号。所述控制 部能够向所述电力转换部输出以在所述电压指令的一个更新周期内存在一个所述第一期 间和一个以上的所述第二期间的方式进行设定的所述PWM信号。 本发明的另一个实施方式涉及的控制装置是用于控制电力转换部的控制装置。所述控 制装置具备：指令生成部，其生成电压指令；以及信号生成部，其以根据所述电压指令来调 整输出零电压的第一期间和输出非零电压的第二期间的方式生成PWM信号并向电力转换 部进行输出。所述信号生成部能够向所述电力转换部输出以在所述电压指令的更新周期内 存在一个所述第一期间和一个以上的所述第二期间的方式进行设定的所述PWM信号。 本发明的再一个实施方式涉及的电力转换装置的控制方法包括：生成电压指令的指令 生成工序；以及以根据所述电压指令来调整输出零电压的第一期间和输出非零电压的第二 期间的方式生成PWM信号并向电力转换部进行输出的信号生成工序。所述信号生成工序以 在所述电压指令的更新周期内存在一个所述第一期间和一个以上的所述第二期间的方式 生成所述PffM信号。 发明效果 根据本发明，能够抑制到电压指令输出为止的无用时间的增加、并能够减少开关损失。
【附图说明】 图IA是表示第一实施方式涉及的电力转换装置的结构例的图。 图IB是第一实施方式涉及的电力转换装置的PffM控制模式中的第一模式的说明图。 图IC是第一实施方式涉及的电力转换装置的PffM控制模式中的第二模式的说明图。 图2是表示第一实施方式涉及的电力转换装置的结构例的图。 图3A是第一模式的说明图。 图3B是电压指令为正的情况下的第二模式的说明图。 图3C是输出电压指令为正的情况下的第三模式的说明图。 图4是表示图2所示的比较部的结构例的图。 图5是表示图2所示的控制部的处理流程的一例的流程图。 图6是表示第二实施方式涉及的电力转换装置的结构例的图。 图7是表示单相电力转换单元的结构例的图。 图8是表示第三实施方式涉及的电力转换装置的结构例的图。 图9A是第一模式的说明图。 图9B是表示第一模式的一例的说明图。 图9C是表示第一模式的另一例子的说明图。 图10是表示第四实施方式涉及的电力转换装置的结构例的图。 图IlA是第一模式的说明图。 图IlB是第一模式的说明图。 图12是表示第四实施方式涉及的另一电力转换部的结构例的图。 图13是表示第五实施方式涉及的电力转换装置的结构例的图。 图14是空间矢量的说明图。 图15A是表示第一模式中的电压矢量、输出期间以及PffM信号的关系的图。 图15B是表示第二模式中的电压矢量、输出期间以及PffM信号的关系的图。 图15C是表示第二模式中的电压矢量、输出期间以及PffM信号的另一关系的图。 图16是表示图13所示的控制部的处理流程的一例的流程图。 图17是表示第六实施方式涉及的电力转换装置的结构例的图。 图18是空间矢量法的说明图。 图19是表示电压指令矢量和空间矢量的对应例的图。 图20A是表示第一模式中的电压矢量、输出期间以及PffM信号的关系的图。 图20B是表示第二模式中的电压矢量、输出期间以及PffM信号的关系的图。 图21是表示第七实施方式涉及的电力转换装置的结构例的图。 图22是相对于各个PffM彳目号的反向时间的运算方法的说明图。 图23是表示第八实施方式涉及的电力转换装置的结构例的图。
【具体实施方式】 以下参照附图，对本发明所公开的电力转换装置、控制装置及电力转换装置的控制方 法的实施方式进行详细的说明。本发明所公开的各实施方式所涉及的电力转换装置的控制 部相关的说明也为该实施方式所涉及的控制装置的一例相关的说明。另外，本发明所公开 的各实施方式所涉及的电力转换装置的控制部及其结构要素的动作以及处理的流程相关 的说明也为该实施方式所涉及的电力转换装置的控制方法的一例相关的说明。此外，本发 明不限于以下所示的实施方式。
[1.第一实施方式] 图IA是表示第一实施方式涉及的电力转换装置的结构例的图。如图IA所示，第一实 施方式涉及的电力转换装置1将从电源2供给的电力转换成规定的电力并向负载3输出。 例如，在电源2为直流电源、负载3为交流电动机的情况下，电力转换装置1将从电源2供 给的直流电转换成交流电并向负载3输出。此外，电源2例如也可以是交流电源，负载3例 如也可以是电力系统。
[1. 1.电力转换装置1] 电力转换装置1具备：电力转换部10,其向负载3输出电压；以及控制部20,其向电力 转换部10输出由电压指令生成的PWM信号。 电力转换部10具有基于PWM信号（例如，从控制部20输出的PffM信号）而被驱动的 多个开关元件，并连接在电源2和负载3之间。电力转换部10例如经由设置在电力转换部 10与负载3之间的输出线5a、5b而向负载3输出具有单相或多相的交流电压。 控制部20以由电压指令来调整作为输出零电压的期间的第一期间和作为输出非零电 压的期间的第二期间的方式，生成上述PWM信号。另外，控制部20能够向电力转换部10输 出被设定成在电压指令的一个更新周期内存在一个第一期间和一个第二期间的PWM信号。 例如，控制部20按照电压指令的每个更新周期，输出一个第一期间和一个以上的第二期间 组合而成的PWM信号。 控制部20具备指令生成部21和PffM彳目号生成部22。指令生成部21生成电压指令并 向PffM信号生成部22输出。电压指令是其电压值等在PffM信号的生成中供参照的信号。例 如，在此所公开的电压指令可以包括：在参照电压下也可被视为的、与从电力转换部10输 出的交流电压的一个相或多个相所分别相对应的单个或者多个相电压指令。 其中，本实施例所涉及的电压指令为了便于说明而基于单相交流电压的情况。指令生 成部21能够维持或者改变电压指令的电压值，例如，按照每个规定的更新周期，基于一个 或者多个规定条件来更新电压指令的电压值。 PWM信号生成部22基于电压指令生成PffM信号，并向电力转换部10输出该PffM信号。 作为PffM控制模式，PffM信号生成部22具有第一模式和第二模式，并基于规定条件来选择 第一模式及第二模式中的任一模式。 例如，PffM信号生成部22在电力转换部10的温度低于规定值的情况下，选择第一模 式，在电力转换部10的温度为规定值以上的情况下，选择第二模式。第二模式与第一模式 相比，PWM脉冲接通的次数、即开关次数为1/2,能够减少电力转换部10中的开关损失。 图IB及图IC分别是第一模式及第二模式的说明图。如图IB所示，PffM信号生成部22 在第一模式下，按照电压指令的每个更新周期Ts反复地生成以按第一期间T1、第二期间T2 以及第一期间Tl的顺序进行转移的方式所设定的模型的PffM信号并向电力转换部10输出 PffM信号。第一期间Tl是经由电力转换部10的输出线5a、5b而输出零电压的期间，第二期 间T2是经由输出线5a、5b而输出非零电压的期间。 在第一模式中，载波信号的波峰（峰）及波谷（谷）的时刻包含在第一期间Tl内，PffM 信号生成部22将该时刻作为更新时刻TR而更新与载波信号进行比较的电压指令。 另一方面，如图IC所示，PffM信号生成部22在第二模式下，按照电压指令的每个更新 周期Ts交替地更换第一模型的PffM信号和第二模型的PffM信号并向电力转换部10进行输 出，其中，第一模型的PWM信号如下：在更新周期Ts内存在一个第一期间Tl和一个第二期 间T2,并且在第一期间Tl之后变成第二期间T2的方式所设定的第一模型的PffM信号，第二 模型的PffM信号如下：在更新周期Ts内存在一个第一期间Tl和一个第二期间T2,并且在 第二期间T2之后变成第一期间Tl的方式所设定的第二模型的PffM信号。 在第二模式下，载波信号的波峰及波谷的时刻交替地包含在第一期间Tl或者第二期 间T2内，PffM信号生成部22将该时刻作为更新时刻TR而更新与载波信号进行比较的电压 指令。载波信号的波峰表示在载波信号的波形中其值成为最大的位置，载波信号的波谷表 示在载波信号的波形中其值成为最小的位置。 如图IB及图IC所示，PffM信号生成部22在第二模式下，与第一模式相比能够将PffM脉 冲接通的次数、即开关次数变成1/2,由此，减少电力转换部10中的开关损失。 另外，PffM信号生成部22在PffM控制模式为第一模式的情况和第二模式的情况下，电 压指令的更新时刻TR相同，电压指令的更新周期Ts不变。因此，能够抑制到电压指令作为 电压而向负载3输出为止的无用时间的增加。
[0015] 此外，在此，设成作为PffM控制模式具有第一模式和第二模式并且在控制部那样 的电力转换装置的结构要素为任一模式下都能够进行动作而进行说明，但通过执行第二模 式，能够抑制到输出电压指令为止的无用时间的增加，并能够减少开关损失。因而，电力转 换装置1也可以只执行第二模式。这对于后述的其它的实施方式涉及的电力转换装置也是 同样的。 以下，对第一实施方式涉及的电力转换装置1的电力转换部10及控制部20的结构例 进行进一步详细的说明。此外，以下，对电力转换部10将直流电压转换成单相交流电压而 进行输出、并且控制部20利用载波比较法而生成PffM信号的例子进行说明。
[1. 2.电力转换部10] 图2是表示电力转换部10及控制部20的结构例的图。如图2所示，电力转换部10具 备：输入端子Tp及Tn、输出端子Ta及Tb、单相逆变器电路13、门极驱动电路11、电流检测 部12、以及温度检测部18。 输入端子Tp与电源2的正极连接，输入端子Tn与电源2的负极连接。输出端子Ta、 Tb与负载3连接。电源2是直流电源，负载3例如是单相交流电动机。 单相逆变器电路13具备开关元件Ql~Q4和电容器Cl。开关元件Ql~Q4桥接而成， 并经由输出端子Ta、Tb而与负载3连接。在各开关元件Ql~Q4中并联连接有保护用的整 流元件。开关元件Ql~Q4例如是IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor:绝缘栅双 极型晶体管）、M0SFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor :金属-氧 化物半导体场效应晶体管）等半导体元件。 门极驱动电路11放大从控制部20输出的PffM信号L1、L2、R1、R2,并向开关元件Ql~ Q4的门极进行输出。由此，电力转换部10利用开关元件Ql~Q4的开关将从电源2经由输 入端子Tp、Tn而输入的直流电压转换成交流电压，并从输出端子Ta、Tb向负载3输出转换 后的交流电压。 电流检测部12对电力转换部10和负载3之间流动的电流（以下，记载为输出电流I) 进行检测。电流检测部12例如是利用作为磁电转换元件的霍尔元件的电流传感器。温度 检测部18例如对电力转换部10内或者电力转换部10的周围的温度（以下，记载为检测温 度Tc)进行检测。
[1. 3.控制部20] 如图2所示，控制部20具备指令生成部21和PffM信号生成部22。指令生成部21具备 电流指令生成器23和电流控制器24, PffM信号生成部22具备载波信号生成部30、模式切 换部31、指令更新部32、位移部33、以及比较部34。 电流指令生成器23生成电流指令Γ。电流控制器24以电流指令Γ和输出电流I的 偏差变成零的方式生成电压指令V' 载波信号生成部30生成并输出载波信号Vcl、Vc2。载波信号Vcl和载波信号Vc2是 正负相互反向的信号。此外，载波信号Vcl、Vc2是三角波信号，但例如也可以是锯齿波状的 信号。 模式切换部31向位移部33输出模式信号Sm，并基于一个或者多个预先设定好的条件 切换第一模式和第二模式。例如，模式切换部31在检测温度Tc低于规定值的情况下，向位 移部33输出表示第一模式的模式信号Sm，在检测温度Tc为规定值以上的情况下，向位移部 33输出表不第二模式的模式信号Sm。 指令更新部32输入载波信号Vcl、Vc2及电压指令Vi。指令更新部32将载波信号Vcl、 Vc2的波峰及波谷的时刻作为更新时刻TR，按照每个该更新时刻TR，更新向比较部34输出 的电压指令Vi。由此，指令更新部32能够在下次更新时刻TR下向比较部34输出更新时刻 TR之后由指令生成部21生成的电压指令V' 在此所公开的位移部能够基于载波信号的峰值及谷值中的至少一者，使由比较部要比 较的一个或者多个电压指令相对于一个或者多个载波信号进行相对位移 例如，本实施方式所涉及的位移部33在从模式切换部31输出了表;^第一模式的模式 信号