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図面 (6)

課題

インバータ多段に構成して各段のスイッチングタイミング位相差をもたせたマルチフェーズ化技術において、インバータの段数偶数段とした場合においても実効スイッチング周波数向上の面で奇数段の場合と同様のインバータ段数に応じたマルチフェーズ化の効果を期待できる多段インバータ制御装置を提供する。

解決手段

制御部10は、制御対象にあるインバータブロックの段数が4段であるとき、位相重複が無く「インバータ段数=スイッチング位相」となる、段毎にそれぞれ均等に位相差Δtをもたせたスイッチング制御信号(1A−1B,2A−2B,…)を生成し、各インバータブロックをスイッチング制御する。

概要

背景

インバータを用いたパルス幅変調(PWM:pulse width modulation)制御によるスイッチング制御負荷に供給する所望の高出力電源を得るインバータ装置においては、スイッチングエネルギー容量の拡大、実効スイッチング周波数の向上などの目的でインバータの多段構成や、それに伴うマルチフェーズ化の技術が使われているが、特に実効スイッチング周波数の向上を図る上ではスイッチング制御のマルチフェーズ化が不可欠となる。多段に構成されたインバータの各段のスイッチングタイミング位相差を設けてマルチフェーズ化を行う場合、インバータの段数に応じ位相差を増やすことで出力電源の高効率化を図ることができる。ここでは多段に構成されたインバータを、PWM制御により各段毎に生成したスイッチング制御信号によりスイッチング制御し、各段毎にスイッチングタイミングに位相差をもたせてマルチフェーズ化を図っている。

この多段に構成されたインバータのスイッチングタイミングに各段毎に位相差をもたせたスイッチング制御タイミングの具体例を図4および図5に示している。ここでは、PWM制御によるスイッチング制御信号の生成に用いられる各段毎に位相差をもたせた三角波信号波形を(a1)〜(a5)および(a1)〜(a4)に示し、この三角波により生成されたスイッチング制御信号(1A−1B,2A−2B,…)を(b1)〜(b5)および(b1)〜(b4)に示している。なお、図中のTh−a,Th−bは三角波からPWM信号(スイッチング制御信号)を得るためのスレッショルドレベルである。

この図4および図5に示すスイッチング制御では、インバータの段数に応じて位相を異ならせた三角波の正負ピーク値をもとに各段のスイッチング制御信号を生成している。インバータの段数を5段(奇数段)とした場合の各段毎に均等な位相差をもたせたPWM制御によるスイッチング制御タイミングを図4に示し、インバータの段数を4段(偶数段)とした場合の上記同様のPWM制御によるスイッチング制御タイミングを図5に示している。

ここで、インバータの段数を5段(奇数段)とした図4に示すスイッチング制御タイミングでは、位相の重複が無く、インバータの段数に応じた位相差が得られる「インバータ段数スイッチング位相」であることから、実効スイッチング周波数向上の面で多段化の効果を十分に発揮している。インバータの段数を他の奇数段(例えば3段、7段等の素数段)とした場合も同様に多段化の効果を発揮することができる。

これに対してインバータの段数を4段(偶数段)とした図5に示すスイッチング制御では、上記奇数段と同様の手法でスイッチング制御を行った場合、位相の重複が生じ、「インバータ段数>スイッチング位相」となってインバータ段数に応じた位相差が得られず、インバータ段数を多段としたマルチフェーズ化の効果が低減する。

このように、インバータの段数を3段、5段、7段などの素数段構成とした場合は、実効スイッチング周波数向上の面で多段化の効果を十分に発揮したマルチフェーズ化を容易に実現できるが、インバータの段数を偶数段で構成した際は、奇数段のときと同様の位相差制御では各インバータ段において位相の重複が生じて、インバータの段数に応じた位相差が得られず、インバータ段数を多段としたマルチフェーズ化の効果が低減するという問題があった。

概要

インバータを多段に構成して各段のスイッチングタイミングに位相差をもたせたマルチフェーズ化技術において、インバータの段数を偶数段とした場合においても実効スイッチング周波数向上の面で奇数段の場合と同様のインバータ段数に応じたマルチフェーズ化の効果を期待できる多段インバータ制御装置を提供する。制御部10は、制御対象にあるインバータブロックの段数が4段であるとき、位相の重複が無く「インバータ段数=スイッチング位相」となる、段毎にそれぞれ均等に位相差Δtをもたせたスイッチング制御信号(1A−1B,2A−2B,…)を生成し、各インバータブロックをスイッチング制御する。

目的

本発明は上記実情に鑑みなされたもので、インバータを多段に構成して各段のスイッチングタイミングに位相差をもたせたマルチフェーズ化技術において、インバータの段数を偶数段とした場合においても実効スイッチング周波数向上の面で奇数段の場合と同様のインバータ段数に応じたマルチフェーズ化の効果を期待できる多段インバータ制御装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
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牽制数
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請求項1

多段に構成されたインバータPWM制御により生成したスイッチング制御信号によりスイッチング制御し、段毎にスイッチングタイミング位相差をもたせてマルチフェーズ化した出力を得る多段インバータ制御装置において、前記PWM制御に用いるPWMカウント値をT、前記インバータの段数をS、前記位相差をΔt、1を超える係数をKとして[Δt=T/S×K]の位相差演算を行う位相差演算手段を具備し、前記段毎のスイッチングタイミングに前記位相差演算手段で算出した位相差(Δt)をもたせたことを特徴とする多段インバータ制御装置。

請求項2

前記段数が4段以上の偶数段であるとき、前記位相差演算により算出した位相差をもたせて前記段毎にスイッチング制御を行うことを特徴とする請求項1に記載の多段インバータ制御装置。

請求項3

前記位相差演算に用いる前記係数はK=2であることを特徴とする請求項2に記載の多段インバータ制御装置。

請求項4

前記位相差演算に用いる前記係数は、前記段数が4段以上の偶数段であるときK=2、この段数を除く他の段数であるときK=1であることを特徴とする請求項2に記載の多段インバータ制御装置。

技術分野

0001

本発明は、インバータ多重化技術を用いて構成された、例えば磁気共鳴イメージング装置の各種電源部や発電ステムパワーコンディショナーなど高出力電源を扱う機器類に適用して好適な多段インバータ制御装置に関する。

背景技術

0002

インバータを用いたパルス幅変調(PWM:pulse width modulation)制御によるスイッチング制御負荷に供給する所望の高出力電源を得るインバータ装置においては、スイッチングエネルギー容量の拡大、実効スイッチング周波数の向上などの目的でインバータの多段構成や、それに伴うマルチフェーズ化の技術が使われているが、特に実効スイッチング周波数の向上を図る上ではスイッチング制御のマルチフェーズ化が不可欠となる。多段に構成されたインバータの各段のスイッチングタイミング位相差を設けてマルチフェーズ化を行う場合、インバータの段数に応じ位相差を増やすことで出力電源の高効率化を図ることができる。ここでは多段に構成されたインバータを、PWM制御により各段毎に生成したスイッチング制御信号によりスイッチング制御し、各段毎にスイッチングタイミングに位相差をもたせてマルチフェーズ化を図っている。

0003

この多段に構成されたインバータのスイッチングタイミングに各段毎に位相差をもたせたスイッチング制御タイミングの具体例を図4および図5に示している。ここでは、PWM制御によるスイッチング制御信号の生成に用いられる各段毎に位相差をもたせた三角波信号波形を(a1)〜(a5)および(a1)〜(a4)に示し、この三角波により生成されたスイッチング制御信号(1A−1B,2A−2B,…)を(b1)〜(b5)および(b1)〜(b4)に示している。なお、図中のTh−a,Th−bは三角波からPWM信号(スイッチング制御信号)を得るためのスレッショルドレベルである。

0004

この図4および図5に示すスイッチング制御では、インバータの段数に応じて位相を異ならせた三角波の正負ピーク値をもとに各段のスイッチング制御信号を生成している。インバータの段数を5段(奇数段)とした場合の各段毎に均等な位相差をもたせたPWM制御によるスイッチング制御タイミングを図4に示し、インバータの段数を4段(偶数段)とした場合の上記同様のPWM制御によるスイッチング制御タイミングを図5に示している。

0005

ここで、インバータの段数を5段(奇数段)とした図4に示すスイッチング制御タイミングでは、位相の重複が無く、インバータの段数に応じた位相差が得られる「インバータ段数スイッチング位相」であることから、実効スイッチング周波数向上の面で多段化の効果を十分に発揮している。インバータの段数を他の奇数段(例えば3段、7段等の素数段)とした場合も同様に多段化の効果を発揮することができる。

0006

これに対してインバータの段数を4段(偶数段)とした図5に示すスイッチング制御では、上記奇数段と同様の手法でスイッチング制御を行った場合、位相の重複が生じ、「インバータ段数>スイッチング位相」となってインバータ段数に応じた位相差が得られず、インバータ段数を多段としたマルチフェーズ化の効果が低減する。

0007

このように、インバータの段数を3段、5段、7段などの素数段構成とした場合は、実効スイッチング周波数向上の面で多段化の効果を十分に発揮したマルチフェーズ化を容易に実現できるが、インバータの段数を偶数段で構成した際は、奇数段のときと同様の位相差制御では各インバータ段において位相の重複が生じて、インバータの段数に応じた位相差が得られず、インバータ段数を多段としたマルチフェーズ化の効果が低減するという問題があった。

先行技術

0008

特許第4838031号公報

発明が解決しようとする課題

0009

上述したように、インバータを多段に構成して各段のスイッチングタイミングに位相差をもたせたマルチフェーズ化技術において、インバータの段数を偶数段とした場合に、実効スイッチング周波数向上の面で奇数段の場合と同様のインバータの積み上げ段数に応じたマルチフェーズ化の効果を期待できないという問題があった。

0010

本発明は上記実情に鑑みなされたもので、インバータを多段に構成して各段のスイッチングタイミングに位相差をもたせたマルチフェーズ化技術において、インバータの段数を偶数段とした場合においても実効スイッチング周波数向上の面で奇数段の場合と同様のインバータ段数に応じたマルチフェーズ化の効果を期待できる多段インバータ制御装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0011

本発明の実施形態は、多段に構成されたインバータをPWM制御により生成されたスイッチング制御信号によりスイッチング制御し、段毎にスイッチングタイミングに位相差をもたせてマルチフェーズ化した出力を得る多段インバータの制御装置において、前記PWM制御に用いるPWMカウント値をT、前記インバータの段数をS、前記位相差をΔt、1を超える係数をKとして[Δt=T/S×K]の位相差演算を行う位相差演算手段を具備し、前記段毎のスイッチングタイミングに前記位相差演算手段で算出した位相差(Δt)をもたせたことを特徴とする。

発明の効果

0012

本発明の実施形態によれば、インバータの段数を偶数段とした場合においても実効スイッチング周波数向上の面で奇数段の場合と同様に段数に応じたマルチフェーズ化の効果が期待できる。

図面の簡単な説明

0013

本発明の実施形態に係る多段インバータ制御装置の構成を示すブロック図。
図1に示す制御部で生成された、インバータの段数を4段(偶数段)とした場合のスイッチング制御タイミングの一例を示すタイムチャート
図2に示すスイッチング制御信号の図1に示すインバータブロックへの具体的な供給例を示す回路図。
インバータの段数を5段(奇数段)とした場合の各段に均等な位相差をもたせたPWM制御によるスイッチング制御タイミングを示すタイムチャート。
インバータの段数を4段(偶数段)とした場合の各段に均等な位相差をもたせた従来のPWM制御によるスイッチング制御タイミングを示すタイムチャート。

実施例

0014

下図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、ここでは実施形態に係る多段インバータ制御装置を磁気共鳴イメージング装置の傾斜磁場電源装置(G−AMP)に用いた例を示しているが、これに留まらず、インバータを用いた他の高出力電源装置においても広く適用可能である。

0015

本発明の実施形態に係る多段インバータ制御装置の構成を図1に示し、図1に示す制御部で生成したスイッチング制御信号の具体例を図2に示し、図2に示すスイッチング制御信号により図1に示すインバータブロックをスイッチング制御する具体的な信号供給例を図3に示している。

0016

図1に示すように、多段インバータ制御装置1は、制御部10と、インバータ部11とを有して構成される。制御部10は位相差演算器10Aを有し、インバータ部11は多段に構成されたインバータブロック12−1,12−2,…,12−nにより構成されている。

0017

制御部10は、外部より設定されたインバータ出力制御情報(IP)をもとに制御対象にあるインバータブロックの段数に応じた位相差を位相差演算器10Aにより算出し、演算器10Aで算出した位相差(図1のA部に示すΔt参照)をそれぞれにもつ、インバータブロックの段数に応じたスイッチング制御信号を生成して、このスイッチング制御信号を制御信号線(SC)を介してインバータ部11に供給する。インバータ部11は制御信号線(SC)を介してスイッチング制御信号を入力し、制御部10のスイッチング制御に応じた負荷電源インバータ出力端(DT−P、DT−N)より出力する。

0018

ここでインバータ部11が4段のインバータブロック(n=4)で構成された場合の制御部10におけるスイッチング制御信号の生成例を図2を参照して説明する。なお、(a1)〜(a4)において、Th−a,Th−bは三角波からPWM信号(スイッチング制御信号)を得るためのスレッショルドレベルを示している。

0019

制御部10に設けられた位相差演算器10Aは、上記インバータ出力制御情報(IP)に含まれる、PWM制御に用いるPWMカウント値Tと、制御対象にあるインバータブロックの段数Sと、1を超える係数Kとを用いて、制御対象にあるインバータブロックの段数に応じた位相差Δtを算出する演算[Δt=T/S×K]を実施する。ここで、PWM制御に用いるPWMカウント値Tは、図2(a1)〜(a4)に示す三角波の1周期アップダウンカウント値(三角波を生成するPWM制御の基準となるPWM制御信号の三角波1周期分のカウント値)であり、係数Kは、制御対象にあるインバータブロックの段数に応じて予め定めた1を超える値であり、ここでは段数が4段であることから偶数段(4,6,8,…)に用いる整数「2」が演算パラメータとして設定される。

0020

制御部10は、この位相差演算器10Aで算出した位相差Δtをもたせて制御対象にあるインバータブロックの段数に応じた三角波を生成し(図2(a1)〜(a4)参照)、この各三角波をもとに段数毎にそれぞれ位相差Δtをもたせた同図(b1)〜(b4)に示すスイッチング制御信号(1A−1B,2A−2B,…)を生成し、この各段毎にそれぞれ位相差Δtをもたせたスイッチング制御信号(1A−1B,2A−2B,…)を制御信号線(SC)を介してインバータ部11の各インバータブロック(12−1〜12−4)に供給する。

0021

このように、制御部10は、制御対象にあるインバータブロックの段数が4段であるとき、位相の重複が無く「インバータ段数=スイッチング位相」となる、段毎にそれぞれ均等に位相差Δtをもたせたスイッチング制御信号(1A−1B,2A−2B,…)を生成し、各インバータブロックをスイッチング制御する。このスイッチング制御信号(1A−1B,2A−2B,…)の具体的な供給例を図3に示している。ここでは各スイッチング制御信号(1A−1B,2A−2B,…)と、その反転信号(1A−−1B−,2A−−2B−,…)を用いて、インバータの段数を偶数段とした場合においても奇数段の場合と同様に位相の重複が無く実効スイッチング周波数向上の面で多段化の効果を十分に発揮したスイッチング制御を可能にしている。

0022

これにより、例えば、求められるスイッチングエネルギー容量や実効スイッチング周波数から、3段では不足だが5段では過剰となる場合や、ハードウェア規模制約等からその中間段数(4段)が求められる場合、4段構成としてのマルチフェーズ化の効果を維持したインバータ多重化(多段構成)が実現可能となる。

0023

また、例えば、特開昭2014−83303号公報に示されるように、多段インバータ構成においてインバータ(インバータブロック)の積み上げ段数を1段単位で切換可能に構成した装置において、インバータの積み上げ段数が4段以上の偶数段であるとき、上記係数Kを「K=2」とし、図4にスイッチングタイミングを示す5段構成又は他の奇数段であるとき、上記係数Kを「K=1」とすることで、インバータの段数(偶数段/奇数段)に拘わらず、常に、位相の重複が無い「インバータ段数=スイッチング位相」とした、段毎にそれぞれ均等に位相差Δtをもたせたスイッチング制御信号(1A−1B,2A−2B,…)による、実効スイッチング周波数向上の面で多段化の効果を十分に発揮したスイッチング制御が可能となる。

0024

なお、上記した実施形態では、インバータの積み上げ段数が4段以上の偶数段であるとき、上記係数Kを「K=2」としたが、負荷の特性や多段構成の段数など、種々の条件に応じて、1を超える値を設定してもよく、要は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形、応用が可能である。

0025

1…多段インバータ制御装置、10…制御部、10A…位相差演算器、11…インバータ部、12−1,12−2,…,12−n…インバータブロック、SC…制御信号線。

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