JP2018099014A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Hブリッジ型昇降圧コンバータ6の第1及び第2スイッチング素子Q1、Q2をオンオフ制御する電源制御部2は、第1スイッチング素子Q1を固定周波数fQ1および固定デューティdQ1の信号によりオンオフ動作させるとともに、第2スイッチング素子Q2をリアクトル電流が上限目標値に達した時にオフ動作させ、リアクトル電流が下限目標値に達した時にオン動作させる固定周波数制御を行う。
【選択図】図9
Description
上記検出回路で検出された検出信号に基づいて上記Hブリッジ型昇降圧コンバータの上記第1および第2スイッチング素子をオンオフ制御することにより上記出力電圧を制御する電力変換装置であって、
上記入力電圧と上記出力電圧の比較に基づいて、上記Hブリッジ型昇降圧コンバータの昇圧制御、降圧制御、又は昇降圧制御の動作を判断し、上記昇圧制御時、上記降圧制御時、又は上記昇降圧制御時に対応してそれぞれ個別に目標リアクトル電流の演算を行い、上記リアクトル電流が上記目標リアクトル電流に一致するように電流制御を行うものが開示されている(例えば、下記の特許文献1参照)。
第1および第2スイッチング素子並びにリアクトルを有して入力電圧を目標とする出力電圧に変換するHブリッジ型昇降圧コンバータと、
上記入力電圧、上記Hブリッジ型昇降圧コンバータで電圧変換された後の出力電圧、および上記リアクトルに流れるリアクトル電流を検出する検出回路と、
上記検出回路で検出された検出信号に基づいて上記Hブリッジ型昇降圧コンバータの上記第1及び第2スイッチング素子をオンオフ制御することにより上記出力電圧を制御する電源制御部とを備え、
上記電源制御部は、上記第1スイッチング素子を固定周波数および固定デューティの信号によりオンオフ動作させるとともに、上記第2スイッチング素子を上記リアクトル電流が上限目標値に達した時にオフ動作させ、上記リアクトル電流が下限目標値に達した時にオン動作させる固定周波数制御を行うものである。
図1および図2はこの発明の実施の形態1による電力変換装置の電源主回路部および電源制御部を示す回路ブロック図である。
電源主回路部1は、入力側に交流電源3が、出力側に負荷10が接続される。また、電源主回路部1は、入力フィルタ4、全波整流回路5、Hブリッジ型昇降圧コンバータ6(以下では、単にコンバータ6という)、入力コンデンサC1、出力コンデンサC2を備えている。入力フィルタ4は、交流電源3と全波整流回路5の間に接続され、高調波電流の系統電源への流出を防止するためのものであり、図1に示すようなリアクトルとコンデンサからなるLCフィルタ等から構成されている。
iref*=2×iL*・・・(1)
本実施の形態の複数モードスイッチング制御として、四モードスイッチング制御および三モードスイッチング制御が存在する。
まず、四モードスイッチング制御について説明する。四モードスイッチング制御は、第1および第2スイッチング素子Q1、Q2が共にオン状態である第一モードと、第1スイッチング素子Q1がオン状態であり第2スイッチング素子Q2がオフ状態である第二モードと、第1および第2スイッチング素子Q1、Q2が共にオフ状態である第三モードと、第1スイッチング素子Q1がオフ状態であり第2スイッチング素子Q2がオン状態である第四モードとを順番に有するように、第1及び第2スイッチング素子Q1、Q2をオンオフ動作させることにより、リアクトル電流iLを四角形状の波形に制御することを特徴とするものである。
第1スイッチング素子Q1に与える信号により第1スイッチング素子Q1がオンする。そして、第1スイッチング素子Q1はオン、第2スイッチング素子Q2はオンとなり、図6(a)に示す第一モードで動作する。この第一モードでは、図6(a)に示す経路でリアクトル電流iLが流れ、リアクトルLには脈流電圧|vac|が加わるので、図7の期間T1に示すように、リアクトル電流iLは脈流電圧|vac|に比例して立ち上がる。
リアクトル電流iLが増加し、上限目標値iref*に達すると第2スイッチング素子Q2がオフする。そして、第1スイッチング素子Q1はオン、第2スイッチング素子Q2はオフとなり、図6(b)に示す第二モードで動作する。この第二モードでは、図6(b)に示す経路でリアクトル電流iLが流れる。リアクトルLには脈流電圧と出力電圧の電圧差(|vac|―vdc)が加わり、本実施の形態の四モードスイッチング制御を用いる期間では脈流電圧と出力電圧の差が小さいので、図7の期間T2に示すように、リアクトル電流はほぼ一定となる。
次に、第1スイッチング素子Q1に与える信号により、第1スイッチング素子Q1がオフする。そして、第1スイッチング素子Q1はオフ、第2スイッチング素子Q2はオフとなり、図6(c)に示す第三モードで動作する。この第三モードでは、図6(c)に示す経路でリアクトル電流iLが流れる。リアクトルLには出力電圧(−vdc)が加わるので、図7の期間T3に示すように、リアクトル電流iLは出力電圧(−vdc)に比例した傾きで立ち下がる。
リアクトル電流iLが減少し、下限目標値に達すると第2スイッチング素子Q2がオンする。そして、第1スイッチング素子Q1はオフ、第2スイッチング素子Q2はオンとなり、図6(d)に示す第四モードで動作する。この第四モードでは、図6(d)に示すようにリアクトルLに電圧がかからないので、図7の期間T4に示すように、リアクトル電流iLは流れない。
リアクトル電流iLが下限目標値に達した時点で、第1および第2スイッチング素子Q1、Q2が共にオン状態となり、図6(a)に示す第一モードで動作する。この第一モードでは、図6(a)に示す経路でリアクトル電流iLが流れ、リアクトルLには脈流電圧|vac|が加わるので、図8の期間T1に示すように、リアクトル電流iLは脈流電圧|vac|に比例して立ち上がる。
リアクトル電流iLが増加し、上限目標値iref*に達すると第2スイッチング素子Q2がオフする。そして、第1スイッチング素子Q1はオン、第2スイッチング素子Q2はオフとなり、図6(b)に示す第二モードで動作する。この第二モードでは、図6(b)に示す経路でリアクトル電流iLが流れる。リアクトルLには脈流電圧と出力電圧の電圧差(|vac|―vdc)が加わり、本実施の形態の三モードスイッチング制御を用いる期間では脈流電圧と出力電圧の差が小さいので、図8の期間T2に示すように、リアクトル電流はほぼ一定となる。
次に、第1スイッチング素子Q1に与える信号により、第1スイッチング素子Q1がオフする。そして、第1スイッチング素子Q1はオフ、第2スイッチング素子Q2はオフとなり、図6(c)に示す第三モードで動作する。この第三モードでは、図6(c)に示す経路でリアクトル電流iLが流れる。リアクトルLには出力電圧(−vdc)が加わるので、図8の期間T3に示すように、リアクトル電流iLは出力電圧(−vdc)に比例した傾きで立ち下がる。
入力電圧検出値vinが出力電圧検出値voより小さい場合(vin<vo)に用いる昇圧制御では、出力制御部21の出力側に接続された第1セレクタ23の共通接点dを昇圧制御側の個別接点aに接続し、また、第2セレクタ26dの各昇圧制御側の個別接点aを共通接点dに接続する。
iL*=iin*×i**・・・(2)
iL*=vin×i**・・・(3)
iref*=2×iL*=2×vin×i**・・・(4)
ステップS3の判断において、入力電圧検出値vinが出力電圧検出値voより大きい場合(vin>vo)は降圧制御を行う。降圧制御では、図9において、出力制御部21の出力側に接続された第1セレクタ23の共通接点dを降圧制御側の個別接点bに接続し、また、第2セレクタ26dの各降圧制御側の個別接点bを共通接点dに接続する。
iL*=io×i**・・・(5)
io=(vin・iin*)/vo・・・(6)
iL*={(vin・iin*)/vo}×i**・・・(7)
iL*={(vin)2/vo}×i**・・・(8)
iref*=2×iL*={(2×(vin)2/vo)}×i**・・・(9)
次に、ステップS3の判断において、入力電圧検出値vinと出力電圧検出値voの差が小さい場合(vin≒vo)は固定周波数制御を行う。固定周波数制御では、図9において、出力制御部21の出力側に接続された第1セレクタ23の共通接点dを固定周波数制御側の個別接点cに接続し、また、第2セレクタ26dの各固定周波数制御側の個別接点cを共通接点dに接続する。
iL*=vin×i**・・・(3)
iref*=iL*/dQ1=(vin×i**)/dQ1・・・(10)
図12に示すように、第1三角波TW1と第2三角波TW2の互いに位相の異なる2つの三角波を用意し、第1三角波TW1は第1スイッチング素子Q1のオンオフ動作に使用し、第2三角波TW2は第2スイッチング素子Q2のオンオフ動作に使用する。
次に、具体的な第1および第2スイッチング素子Q1、Q2のオンオフ動作を説明する。第1スイッチング素子Q1は、第1三角波TW1と比較値RWとを比較し、第1三角波TW1が比較値RWより大きい時にオンとし、第1三角波TW1が比較値RWより小さい時にオフとする。第2スイッチング素子Q2は、第2三角波TW2と比較値RWとを比較し、第2三角波TW2が比較値RWより大きい時にオンとし、第2三角波TW2が比較値RWより小さい時にオフとする。このように第1および第2スイッチング素子Q1、Q2をオンオフ動作させることにより、図12の下段に示すように、リアクトル電流iLを四角形状の波形に制御することができる。
図13はこの発明の実施の形態2における電力変換装置の電源制御部の構成を示す回路ブロック図であり、実施の形態1の図2または図9と同一もしくは対応する構成部分には同一の符号を付す。この実施の形態2における電力変換装置の電源主回路部1の構成は実施の形態1の図1と同様である。
図14に示すように、入力電圧(脈流電圧)|vac|と出力電圧vdcに電圧差がある場合を考慮しているため、第1スイッチング素子Q1がオン、第2スイッチング素子Q2がオフの期間には、リアクトル電流iLは脈流電圧と出力電圧の電圧差(|vac|―vdc)に比例した傾きをもった波形となる。
iL*=vin×i**・・・(3)
iL*=iref*×dQ1+{(vin−vo)×(dQ1)2/(2×L×fQ1)}・・・(11)
iref*=(vin×i**/dQ1)−{(vin−vo)×dQ1/(2×L×fQ1)}・・・(12)
図15および図16はこの発明の実施の形態3による電力変換装置の電源主回路部および電源制御部を示す回路ブロック図であり、実施の形態1と同一もしくは対応する構成部分には同一の符号を付す。
Claims (11)
- 第1および第2スイッチング素子並びにリアクトルを有して入力電圧を目標とする出力電圧に変換するHブリッジ型昇降圧コンバータと、
上記入力電圧、上記Hブリッジ型昇降圧コンバータで電圧変換された後の出力電圧、および上記リアクトルに流れるリアクトル電流を検出する検出回路と、
上記検出回路で検出された検出信号に基づいて上記Hブリッジ型昇降圧コンバータの上記第1及び第2スイッチング素子をオンオフ制御することにより上記出力電圧を制御する電源制御部とを備え、
上記電源制御部は、上記第1スイッチング素子を固定周波数および固定デューティの信号によりオンオフ動作させるとともに、上記第2スイッチング素子を上記リアクトル電流が上限目標値に達した時にオフ動作させ、上記リアクトル電流が下限目標値に達した時にオン動作させる固定周波数制御を行う電力変換装置。 - 上記電源制御部は、上記固定周波数制御として、上記第1および第2スイッチング素子が共にオン状態である第一モードと、上記第1スイッチング素子がオン状態であり上記第2スイッチング素子がオフ状態である第二モードと、上記第1および第2スイッチング素子が共にオフ状態である第三モードとを順番に有するように、上記第1及び第2スイッチング素子をオンオフ動作させる複数モードスイッチング制御を行う請求項1に記載の電力変換装置。
- 上記電源制御部は、上記複数モードスイッチング制御として、上記第三モードの後に、上記第1スイッチング素子がオフ状態であり上記第2スイッチング素子がオン状態である第四モードを有して、上記第1及び第2スイッチング素子をオンオフ動作させる請求項2に記載の電力変換装置。
- 上記電源制御部は、上記固定周波数制御で用いる上記上限目標値として、上記入力電圧を上記第1スイッチング素子の上記固定デューティで除算した値に比例した値を設定する請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記電源制御部は、上記固定周波数制御で用いる上記上限目標値として、上記入力電圧を上記第1スイッチング素子の上記固定デューティで除算した値に比例した値を、上記入力電圧と上記出力電圧の電圧差に比例する値により、補正した値を設定する請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記固定周波数制御で用いる上記第1スイッチング素子の固定デューティを、上記リアクトル電流の最大値を低減するように設定する請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記電源制御部は、上記入力電圧と上記出力電圧の比較に基づいて、上記Hブリッジ型昇降圧コンバータを昇圧動作させる昇圧制御と、上記Hブリッジ型昇降圧コンバータを降圧動作させる降圧制御とのうち少なくとも一つの制御と、上記複数モードスイッチング制御とを組み合わせて上記Hブリッジ型昇降圧コンバータを動作させる請求項2または請求項3に記載の電力変換装置。
- 上記電源制御部は、上記入力電圧と上記出力電圧の比較に基づいて、上記第1スイッチング素子を常時オンにし、上記第2スイッチング素子を上記リアクトル電流が上記上限目標値に達したらオフ、上記リアクトル電流が上記下限目標値に達したらオンとする昇圧制御と、上記第2スイッチング素子を常時オフにし、上記第1スイッチング素子を上記リアクトル電流が上記上限目標値に達したらオフ、上記リアクトル電流が上記下限目標値に達したらオンと制御する降圧制御とのうち少なくとも一つの制御と、上記固定周波数制御とを組み合わせて上記Hブリッジ型昇降圧コンバータを動作させる請求項1から請求項6のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記Hブリッジ型昇降圧コンバータの出力側には、負荷としてLEDが接続されると共に、上記LEDに流れるLED電流を検出するLED電流検出回路を設け、上記電源制御部は、上記LED電流検出回路で検出された上記LED電流に基づいて上記LEDの電流制御を行う請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記Hブリッジ型昇降圧コンバータは、入力側に上記第1スイッチング素子と第1ダイオードが直列に接続された第1アームを有し、出力側に第2ダイオードと上記第2スイッチング素子が直列に接続された第2アームを有し、上記第1スイッチング素子と上記第1ダイオードの接続点と、上記第2ダイオードと上記第2スイッチング素子の接続点との間に上記リアクトルが接続されている請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記Hブリッジ型昇降圧コンバータは、入力側に上記第1スイッチング素子と第3スイッチング素子が直列に接続された第1アームを有し、出力側に第4スイッチング素子と上記第2スイッチング素子が直列に接続された第2アームを有し、上記第1スイッチング素子と上記第3スイッチング素子の接続点と、上記第4スイッチング素子と上記第2スイッチング素子の接続点との間に、上記リアクトルが接続されている請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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