JP2005168162A

JP2005168162A - コンバータ

Info

Publication number: JP2005168162A
Application number: JP2003402937A
Authority: JP
Inventors: Chiyo Kusubayashi; 千代楠林
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-12-02
Filing date: 2003-12-02
Publication date: 2005-06-23

Abstract

【課題】瞬時電圧変動を抑制し、高精度な所望の直流電力を出力することが可能なコンバータを得る。
【解決手段】供給された電力の電力変換行う電力変換部１１と、電力変換された前記電力を平滑化する平滑フィルタ１２と、平滑化された電力の電圧を検出する電圧検出器８と、電圧検出器８からの出力電圧が所望の電圧値になるように、電力変換部１１内のスイッチング素子の通流率を制御するためのパルス信号を出力する制御部１７とを備えている。制御部１７は、電圧検出器８からの出力電圧が所望の電圧値よりも過電圧になり過ぎないように、当該出力電圧が第１所定電圧まで上昇したときに、電力供給を一時停止するとともに、電力供給停止中に、電圧検出器８からの出力電圧が所望の電圧値よりも低電圧になり過ぎないように、当該出力電圧が第２所定電圧まで低下したときに、電力供給を再開する。
【選択図】図２

Description

この発明はコンバータに関し、特に、電力変換を一時的に停止・再開させることで出力電圧の瞬時電圧変動を防ぎ、出力側に所望の直流電圧を供給する、ＤＣ／ＤＣコンバータまたはＡＣ／ＤＣコンバータに関するものである。

従来の電気車両用ＤＣ／ＤＣコンバータのシステム構成においては、マイコンから発生させた出力電圧基準と出力電圧検出値とを比較し、出力電圧が電圧基準に一致するようにスイッチング素子の通流率を制御している（例えば、非特許文献１参照。）。

上記非特許文献１に記載されている国内向けの出力電圧仕様は、変動範囲が±１０%まで許容されている。一般に、海外の仕様では電圧変動範囲が±１%前後しかなく国内仕様と比べると高精度が要求される。よって、海外仕様を満たす高精度なコンバータ装置を実現するためには、瞬時電圧変動に対して、スイッチング周波数を上げて制御応答を速めたり、平滑コンデンサの容量を大きくしたり、過電圧防止用ハードウェアを追加したりするなどの対応を必要とした。

澤野英二、他６名、「ＩＧＢＴを用いた高周波リンク方式ＤＣ／ＤＣコンバータ装置」、平成７年電気学会全国大会講演論文集、１９９５年

従来の方法では瞬時電圧変動に対し、スイッチング周波数を上げることで、制御応答を速めたり、平滑コンデンサの容量を大きくして電圧変動の影響を緩和したり、過電圧防止用ハードウェアの追加をしたりすることで、高精度な仕様に対応しなければならず、装置が大型化するとともに、コストが高くなるという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、スイッチング周波数を上げることなく、かつ、平滑コンデンサの大容量化、過電圧防止用ハードウェアの追加による装置の大型化およびコストアップもなく、瞬時電圧変動を抑制し、高精度な所望の直流電力を出力することが可能なコンバータを得ることを目的としている。

この発明は、供給された電力の電力変換をスイッチング素子により行う電力変換手段と、前記電力変換手段により電力変換された前記電力を平滑化する平滑フィルタと、前記平滑フィルタから出力される前記電力の電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段により検出された出力電圧が所望の電圧値になるように、前記スイッチング素子における供給電力の通流率を制御するためのパルス信号を出力する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記出力電圧が前記所望の電圧値よりも所定の第１許容範囲を超えた過電圧にならないように、前記出力電圧が予め設定された第１所定電圧まで上昇したときに、電力供給を停止するコンバータである。

この発明によれば、以上のように構成されているので、制御手段により、出力電圧が所望の電圧値より過電圧になり過ぎないように、一時的に電力供給を停止されることができるので、スイッチング周波数を上げて制御応答を上げることなく、かつ、平滑コンデンサの大容量化、過電圧防止用ハードウェアの追加による装置の大型化もなく、制御手段の動作により瞬時電圧変動の抑制ができ、高精度な所望の直流電力を供給できる効果がある。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１におけるコンバータの構成を示した図である。図１の例は、この発明のコンバータを電気車両用ＤＣ／ＤＣコンバータに適用させたものであり、図２は、当該コンバータに設けられたマイコンの動作を示すフローチャートである。

図１において、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８は、電圧検出器８、電力変換部１１、平滑フィルタ１２、制御部１７とから構成される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１８は、架線１からパンタグラフ２を介して得た直流電力をＤＣ／ＤＣ変換して、バッテリ負荷９及び電気負荷１０から構成される負荷部１３へ直流電力を供給するものである。

電力変換部１１は、インバータ３、トランス４及び整流器５から構成される。インバータ３のスイッチング素子は例えばＩＧＢＴから構成され、制御部１７からのゲートパルスにより制御され、架線１から与えられる直流電力をパンタグラフ２を介して取り入れて、ＤＣ／ＡＣ変換する。トランス４は、インバータ３が変換した交流電力をＡＣ／ＡＣ変換する。整流器５は、トランス４が変換した交流電力をＡＣ／ＤＣ変換する。

平滑フィルタ１２は、平滑リアクトル６と平滑コンデンサ７から構成され、電力変換部１１で変換されたリップルの多い直流電力を平滑化する。

電圧検出器８は出力電圧を検出し、制御部１７の演算部１５とマイコン１６へ電圧検出値を伝達する。なお、演算部１５は、アナログ回路等から構成するようにしてもよく、あるいは、ソフトウエアにより構成するようにしてもよい。

制御部１７は、ゲートパルス発生回路１４、演算部１５、マイコン１６から構成される。マイコン１６は、出力電圧が所望の電圧になるように、電圧基準を出力する。演算部１５は、電圧検出値と電圧基準とを比較し、この２値が一致するように電力変換させるためのスイッチング素子における供給電力の通流率を演算する。ゲートパルス発生回路１４は、当該通流率分のゲートパルスを発生させる。

図２のフローチャートを参照しながら、マイコン１６の動作についてさらに詳しく説明する。まず、電圧検出器８から出力される出力電圧（電圧検出値）の値をステップＳ１において読み込む。次に、ステップＳ２において、電圧基準の出力動作の継続・停止状態を判断する。

ステップＳ２において、電圧基準の出力動作が継続中であり、ステップＳ３において、電圧検出器８からの出力電圧が、予め設定された第１所定値未満であると判断されれば、ステップＳ４において引き続き、電圧基準を出力する。

逆に、ステップＳ２において、電圧基準の出力動作は継続中であるが、ステップＳ３において、電圧検出器８からの出力電圧が、上述の第１所定値以上と判断されば、ステップＳ５において、電圧基準の出力動作を停止させて、電力供給を停止させる。これは、すなわち、電圧検出器８からの出力電圧が所望の電圧値より過電圧になり過ぎないように（すなわち、所定の許容範囲を超えた過電圧にならないように）、第１所定電圧まで出力電圧が上昇したときに、電力供給を一時的に停止させるためである。

また、ステップＳ２において、電圧基準の出力動作が停止中であり、ステップＳ６において、電圧検出器８からの出力電圧が、予め設定された第２所定値以上と判断されれば、処理はそのまま終了し、電圧基準の出力動作は停止させたままとなる。

逆に、ステップＳ２において、電圧基準の出力動作は停止中であるが、ステップＳ６において、電圧検出器８からの出力電圧が、上述の第２所定値未満であると判断されれば、ステップＳ７において、電圧基準の出力動作を再開させ、ステップＳ４において、電圧基準を出力する。これは、すなわち、電圧基準の発生停止中に、出力電圧が所望の電圧値より低電圧になり過ぎないように（すなわち、所定の許容範囲を超えた低電圧にならないように）、第２所定電圧まで出力電圧が低下したときに、電力供給を再開させるためである。

なお、第１所定値と第２所定値との関係は、第２所定値＜第１所定値の関係を満たしている。また、第１の所定値および第２の所定値は、所望の電圧値からの許容される変動範囲であるため、国内仕様であれば±１０％の範囲で適宜設定され、海外仕様であれば±１％の範囲で適宜設定される。

この発明においては、電圧基準を出力しない場合に、すなわち、電圧基準が０Ｖの場合には、演算部１５が、電圧検出器８からの出力電圧と、（本来所望の電圧を出力させる値であるはずの）電圧基準とを比較すると、出力電圧が所望の電圧値を大幅に超えていると判断するため、供給電力を急激に絞りこむ制御を行い、低い電圧をインバータ３が電力変換するよう指令する。しかしながら、実際の出力電圧より演算部１５が電力変換指令した電圧が低い場合は、電力変換部１１から平滑フィルタ１２および負荷部１３への電力供給は行えず、電力供給を停止することになる。

このように、この発明においては、電力供給を一時的に停止させることができるので、瞬時電圧変動に対する抑制機能が果たせ、高精度な所望の直流電力を供給できる効果をもつ。また、この発明においては、マイコンの動作により電力供給の制御を実現できるので、スイッチング周波数を上げて制御応答を上げたり、ハードウェアを大型化したり、過電圧防止用ハードウェアの追加のためのコストアップ等の必要がないという利点がある。

さらに、マイコン１６が電圧基準の出力を再開させることができるので、電力供給を容易に再開することができる。よって、出力電圧が低下しすぎるのを防ぎ、出力側に高精度な所望の直流電力を供給できる効果がある。

実施の形態２．
図３に、上述の実施の形態１で示した電力変換部１１の他の構成図を示す。本実施の形態における電力変換部１１は、図１におけるインバータ３とトランス４と整流器５という構成ではなく、図３に示すように、スイッチング素子ＧＴＯ２６とダイオード２７とで構成するチョッパである。本実施の形態における電力変換部１１においても、実施の形態１と同様のＤＣ／ＤＣ変換を行うことができ、マイコン１６の動作は、図３に示した本実施の形態の電力変換部１１に対しても、図２と同様の制御効果を奏する。

実施の形態３．
図４は、この発明の実施の形態３におけるコンバータの構成を示した図である。図３の例は、この発明のコンバータをＡＣ／ＤＣコンバータに適用させたものであり、当該コンバータに設けられたマイコンの動作を示すフローチャートは図２と同じであるため、図２を参照されたい。ＡＣ／ＤＣコンバータ３１は、電圧検出器８、電力変換部１１、平滑フィルタ１２および制御部１７から構成され、交流電圧源２８からスイッチ２９を介して交流電力を取り入れ、ＡＣ／ＤＣ変換して所望の直流電力を出力するものである。

電力変換部１１は、スイッチング素子ＭＯＳＦＥＴを用いる整流器３０のみで構成される。当該スイッチング素子は、制御部１７により制御され、交流電圧源２８から交流電力を取り入れ、ＡＣ／ＤＣ変換する。平滑フィルタ１２、電圧検出器８および制御部１７の構成および動作は、実施の形態１と同じであるため、図１を参照し、ここでは、その説明は省略する。制御部１７内に設けられているマイコン１６（図１参照）の動作は、図４の電圧変換部１１に対しても、実施の形態１と同様の制御効果を奏する。

以上のように、本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、電力供給を一時的に停止させることができるので、瞬時電圧変動に対する抑制機能が果たせ、高精度な所望の直流電力を供給できる効果をもつ。また、この発明においては、マイコンの動作により電力供給の制御を実現できるので、スイッチング周波数を上げて制御応答を上げたり、ハードウェアを大型化したり、過電圧防止用ハードウェアの追加のためのコストアップ等の必要がないという利点がある。

実施の形態４．
上記実施の形態１および２では、電気車両用のＤＣ／ＤＣコンバータの制御について説明したが、バッテリ充電機器用でもよく、その場合も、上記実施の形態１および２と同様の制御効果を奏する。バッテリ充電機器用の場合、図１および図３における電力変換部１１のスイッチング素子が、ＭＯＳＦＥＴやサイリスタやトランジスタでも同様の効果を奏する。

実施の形態５．
実施の形態３では、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを用いたが、ＩＧＢＴやサイリスタやトランジスタでも同様の制御効果を奏する。

この発明の実施の形態１にかかる電気車両用のＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示した構成図である。この発明の実施の形態１および２にかかるコンバータに設けられたマイコンの動作を示すフローチャートである。この発明の実施の形態２にかかるＤＣ／ＤＣ電力変換部の構成を示した構成図である。この発明の実施の形態３にかかるＡＣ／ＤＣコンバータの構成を示した構成図である。

符号の説明

１架線、２パンタグラフ、３インバータ、４トランス、５整流器、６平滑リアクトル、７平滑コンデンサ、８電圧検出器、９バッテリ負荷、１０電気負荷、１１電力変換部、１２平滑フィルタ、１３負荷部、１４ゲートパルス発生回路、１５演算部、１６マイコン、１７制御部、１８ＤＣ／ＤＣコンバータ、２６スイッチング素子、２７ダイオード、２８交流電圧源、２９スイッチ、３０整流器、３１ＡＣ／ＤＣコンバータ。

Claims

供給された電力の電力変換をスイッチング素子により行う電力変換手段と、
前記電力変換手段により電力変換された前記電力を平滑化する平滑フィルタと、
前記平滑フィルタから出力される前記電力の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段により検出された出力電圧が所望の電圧値になるように、前記スイッチング素子における供給電力の通流率を制御するためのパルス信号を出力する制御手段と
を備え、
前記制御手段は、前記出力電圧が前記所望の電圧値よりも所定の第１許容範囲を超えた過電圧にならないように、前記出力電圧が予め設定された第１所定電圧まで上昇したときに、電力供給を停止する
ことを特徴とするコンバータ。
前記制御手段は、前記スイッチング素子における供給電力の通流率を制御するための電圧基準の出力停止中に、前記出力電圧が前記所望の電圧値よりも所定の第２許容範囲を超えた低電圧にならないように、前記出力電圧が予め設定された第２所定電圧（＜第１所定電圧）まで低下したときに、電力供給を再開する
ことを特徴とする請求項１に記載のコンバータ。
前記電力変換手段による前記電力変換は、ＤＣ／ＤＣ変換であることを特徴とする請求項１または２に記載のコンバータ。
前記電力変換手段による前記電力変換は、ＡＣ／ＤＣ変換であることを特徴とする請求項１または２に記載のコンバータ。