ユニポーラ方式 DC-ACインバータのPWM制御方法 その1

投稿者: 中村 創一郎 投稿日:

DC-ACインバータについて、バイポーラ方式に続いてユニポーラ方式という方式を説明していきます。

ちなみにバイポーラ方式も気になる方は、リンクをご覧ください。
バイポーラ方式DC-ACインバータのPWM制御方法 | Scideam Blog (smartenergy.co.jp)

ユニポーラ方式は、マルチレベルインバータと呼ばれる方式の一つで、2レベルインバータとも呼ばれます。
このほかにも、一連の記事では、DC-ACインバータについて、さまざまな方式を説明していきます。

他の方式についても記事を書いていきますので、そちらはどうぞお待ちください。

DC-ACインバータの目的

DC-ACインバータは直流を交流にすることが目的です。

ここではサイン波を出力する単相のインバータを主に扱いますが、その他にも例えば、大容量の電力を扱う、三相インバータや、車用の12Vdcを100Vacに変換するインバータで多くみられる矩形波を出力するものなどもあります。

DC-ACインバータ回路

回路は以下の通りです。
ここでは単相2線式のDC-ACインバータを対象とします。

主回路

4つのスイッチを高速に駆動し、出力側のLCによって平滑化することで、サイン波を出力させます。
このスイッチの駆動方法が、それぞれで異なります。バイポーラ方式とも比較してみるとその違いをよく理解できると思います。

スイッチのPWM駆動方法

スイッチのキャリア信号と、サイン波を出力させるための制御信号波を以下に示します。

一つのキャリア信号に対して、反転した位相の制御信号を使用します。

一方の制御信号が片方のブリッジ側の信号、もう一方の制御信号が、もう片方のブリッジ信号です。
この時、ハイサイドとローサイドは排他の信号で駆動します。

このPWM動作によってa, b間に発生する電圧を、LCで平滑化することで、出力にサイン波を得ます。

この時、a, b間にかかる電圧はEであり、+E, 0あるいは0, -Eを交互に繰り返します。

このパターンでフルブリッジインバータを動作させた場合、出力電圧は0、±E[V]の3レベルのいずれかの値となる。
[中略]
ユニポーラ性を有する波形となる。このため、この変調方法はユニポーラ変調と呼ばれる。

パワーエレクトロニクスハンドブック p404

ユニポーラ方式のメリット・デメリット

メリット

  • バイポーラ方式と比較すると、Vabが半分になるため、同様のスイッチング周波数ではLリップルを小さくすることができる。同様に、スイッチ素子の耐圧も半分となる。

デメリット

  • スイッチ駆動がバイポーラ方式と比較すると複雑になる。

PWM駆動のシミュレーション

アナログ回路での駆動

シミュレーションの回路図を以下に示します。

2つの制御信号から各レグのスイッチを駆動していることがわかります。

ここで、回路モデル中、VS1などの絶縁アンプは、ハイサイドスイッチを同一信号で駆動するために便宜上使用しています。

シミュレーション結果は以下の通りです。
キャリア信号と制御信号、Vabに注意して、出力電圧を確認してください。

シミュレーションは、上部にある開始ボタンをクリックすることで、実行可能です。
Waveformモードにし、50msec実行した結果を確認しましょう。

スイッチングキャリアの設定方法などは、別途チュートリアルをご覧ください。
[チュートリアルリンク]
https://www.smartenergy.co.jp/support/ScideamArticles/help/tutorial/tutorial_circuit/tutorial_circuit/

デジタル制御による駆動

サイディームのスクリプト機能を使った、デジタル制御による駆動を以下に示します。

主回路は、スイッチ素子にSwitch、ゲート駆動にPulseという素子を使用しています。
このPulse素子は、PWMの時比率を直接入力できるイメージで使用できます。

そのため、アナログ回路の際に使用した制御信号は、単純に時比率という形でスクリプトから、Switch素子に指定しています。

以下、回路図です。


SineTarget1 = 1 * sin(50*2*PI*t);
SineTarget2 = -1 * SineTarget1;

D1 = 0.5 * SineTarget1 + 0.5;
D2 = 0.5 * SineTarget2 + 0.5;

setoutvar(D1);
setoutvar(D2);

//三角波に変換
D10 = 0.5 - 0.5 * D1;
D11 = 0.5 + 0.5 * D1;
D20 = 0.5 - 0.5 * D2;
D21 = 0.5 + 0.5 * D2;

setparam("P1","T0",D10);
setparam("P1","T1",D11);
setparam("P2","T0",D10);
setparam("P2","T1",D11);
setparam("P3","T0",D20);
setparam("P3","T1",D21);
setparam("P4","T0",D20);
setparam("P4","T1",D21);

回路も制御も非常にスッキリとした形でモデリングできました。

アナログ回路で駆動ことに目的がなければ、シミュレータとしても高速に解析することが可能であるため、この方法をお勧めいたします。

ただし、マルチレベル回路の場合、三角波を用いて駆動することが重要であり、単純に時比率を設定してしまうとノコギリ波として出力している状態になってしまうため、Pulse素子に時比率を引き渡す段階で、三角波駆動するのと等価になるように時比率を変更しています。

詳しい使用方法は、チュートリアルをご覧ください。
[チュートリアルリンク]
https://www.smartenergy.co.jp/support/ScideamArticles/help/tutorial/tutorial_digital_palette/tutorial_digital_palette/

まとめ

  • ユニポーラ方式におけるPWM制御の方法について説明しました。
  • アナログ回路における実現方法をシミュレーションモデルで説明しました。
  • デジタル回路における実現方法をシミュレーションモデルで説明しました。

こちらの記事で使用した回路モデルは、本記事からダウンロード可能です。

シミュレーションモデルについて

本モデルは、電源パワエレ向け高速回路シミュレータScideam(サイディーム)で動作可能です。
本記事のモデルは以下からダウンロードしてください。

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参考文献

[1]パワーエレクトロニクスハンドブック編集委員会 編, “パワーエレクトロニクスハンドブック”, オーム社 (平成22年)


中村 創一郎

中村 創一郎

株式会社スマートエナジー研究所代表取締役 博士(工学)
モデルベース開発やシステムズエンジニアリングを用いて、 系統連系インバータや双方向コンバーターなどのデジタル制御電源開発を得意とする、エンジニア兼コンサルタント兼経営者

日々、シミュレーションの魅力を伝えられないか奮闘中

実績
大手電機メーカーへの開発支援、モデルベース支援
系統連系インバータの開発・認証取得支援
自動車メーカーへのシステムズエンジニアリング支援
宇宙航空研究開発機構との共同研究
など

会社創業以来10年以上、デジタル制御電源とモデルベース開発に従事