JP5714528B2 - 電力変換器および電源システム - Google Patents
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Description
制御装置は、第1の電流が通過する第1の電力変換経路における電力変換を制御するための第1のパルス幅変調制御に用いる第1のキャリア信号と、第2の電流が通過する第2の電力変換経路における電力変換を制御するための第2のパルス幅変調制御に用いる第2のキャリア信号との位相差を、第1および第2の電流のいずれかの極点と他方の電流のいずれかの極点とが同一となるように制御した上で、第1および第2のパルス幅変調制御に従って複数のスイッチング素子のオンオフの制御信号を生成する。
図1は本発明の実施の形態に従う磁気部品を備えた電力変換器および電源システムの構成例を示す回路図である。
制御装置40は、たとえば、図示しないCPU(Central Processing Unit)および
メモリを有する電子制御ユニット(ECU)によって構成される。制御装置40は、メモリに記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、各センサによる検出値を用いた演算処理を行なうように構成される。あるいは、制御装置40の少なくとも一部は、電子回路等のハードウェアにより所定の数値・論理演算処理を実行するように構成されてもよい。
図2を参照して、コンバータ6,7で共通の制御(出力電圧Voの電圧制御)を同時に実行すると、回路が破綻する可能性がある。したがって、コンバータ6,7は、一方のバッテリが電圧源として動作する一方で、他方のバッテリが電流源として動作するように、直流電源10,20と負荷30との間でDC/DC変換を実行する。
直流電源10の電圧V[1]の検出値に応じて、P[1]*=V[1]・Ii*が一定になるように電流指令値Ii*を設定すれば、電流源を構成する直流電源10の電力P[1]を電力指令値P[1]*に制御できる。
磁気抵抗Rは、コア110a,110bの磁気特性(比透磁率)およびサイズ、形状(磁路長および断面積)によって調整できることが知られている。磁気抵抗rは、ギャップ112a,112bのギャップ長や個数によって調整することができる。
このように、リアクトルL1,L2を別個の磁気部品101,102で構成した場合には、誘起電圧の干渉を回避できるとともに、各磁器部品の設計によって、磁気飽和を避けて所望のインダクタンス値を得ることができる。すなわち、インダクタンス値の設計は比較的容易である。その一方で、コアが2個必要となるため、リアクトルL1,L2の大型化により、コンバータ6,7および電源システム5が大型化してしまう虞がある。
図7を参照して、リアクトルL1の巻線121aおよび121bには、共通の電流I(L1)が流れる。リアクトルL2の巻線122に電流I(L2)が流れると、巻線121aおよび121bには、誘起電圧Vm1aおよび誘起電圧Vm1bが、それぞれ生じる。巻線121aおよび121bは逆の巻方向で巻回されているため、誘起電圧Vm1aおよびVm1bは逆極性であり、互いに打ち消し合う。また、リアクトルL1に電流I(L1)が流れるときに、巻線122に生じる誘起電圧をVm2と示す。
図10を参照して、巻線122に電流I(L2)が通過することにより、電流I(L2)および巻線122の巻数の積に従った起磁力により、磁束220が発生する。磁束220は、脚部151を経由する磁気経路221と、脚部153を含む磁気経路223とに分流される。磁気経路221の磁気抵抗R1と、磁気経路223の磁気抵抗R3との比に従って、磁気経路221を流れる磁束と、磁気経路223を流れる磁束との比が決められる。
磁気部品100では、図10で説明したように、電流I(L2)による巻線121a,121bの誘起電圧Vm1a,Vm1bの大きさを揃えるために、磁気抵抗R1およびR3を等しく設計する必要がある。
実施の形態2では、実施の形態1で説明した磁気部品100が適用される電源システムの他の構成例について説明する。
コンバータ50のパラレル接続モードでの回路動作について説明する。
図15には、パラレル接続モードにおける直流電源20に対するDC/DC変換(昇圧動作)が示される。
上述のように、コンバータ50のパラレル接続モードでは、リアクトルL3を流れる電流と、リアクトルL4を流れる電流とは独立に制御される。この結果、直流電源10および20に対する電力の入出力を独立に制御することが可能である。すなわち、リアクトルL3およびL4についても、一方のリアクトルの電流通過によって他方のリアクトルに誘起電圧が生じないように構成することが必要である。
次に、図16および図17を用いて、コンバータ50のシリーズ接続モードでの回路動作について説明する。
接続する配線15が等価的に形成される。
ただし、V[1]およびV[2]が異なるときや、リアクトルL3,L4のインダクタンスが異なるときには、図17(a)の動作終了時におけるリアクトルL3,L4の電流値がそれぞれ異なる。したがって、図17(b)の動作への移行直後には、リアクトルL3の電流の方が大きいときには電流経路273を介して差分の電流が流れる。一方、リアクトルL4の電流の方が大きいときには電流経路274を介して、差分の電流が流れる。
実施の形態2の変形例は、実施の形態2で説明した電源システムにおいて、磁気部品100を適用した場合における、パラレル接続モードでの好ましい制御動作について説明する。以下に説明する制御動作は、制御装置40によるハードウェア処理および/またはソフトウェア処理によって実現される。
図18を参照して、パラレル接続モードでは、直流電源10と負荷30との間でDC/DC変換を実行する電源PS1と、直流電源20と負荷30との間でDC/DC変換を実行する電源PS2とは、負荷30に対して並列に電力を授受する。電源PS1は、図14に示したDC/DC変換動作を実行する昇圧チョッパ回路に相当する。同様に、電源PS1は、図15に示したDC/DC変換動作を実行する昇圧チョッパ回路に相当する。
図22を参照して、直流電源10のPWM制御に用いられるキャリア信号25aと、直流電源20のPWM制御に用いられるキャリア信号25bとは、同一周波数の周期信号である。実施の形態2の変形例による制御では、キャリア信号25aおよび25bの間の位相差φが制御される。図22の例では、位相差φ=180度である。
図29を参照して、状態Aでは、上述した、直流電源10および20の両方が力行状態である。図24に示したように、電流I(L3)の下降タイミング(極大点)と、電流I(L4)の上昇タイミング(極小点)とが図中のTbで重なるような電流位相となるように、キャリア信号の位相差φを調整する。これにより、Tbにおけるスイッチング素子S6のターンオン損失およびスイッチング素子S8のターンオフ損失を低減できる。さらに、上述のように、Ta〜Tbの期間におけるスイッチング素子S8の導通損失および、Tb〜Tcの期間におけるスイッチング素子S6の導通損失を低減することができる。
Claims (6)
- 直流電源および負荷の間に電気的に接続された第1および第2のリアクトルと、
前記第1のリアクトルを通過する第1の電流と、前記第2のリアクトルを通過する第2の電流とを独立に制御するように配置された複数のスイッチング素子とを備え、
前記第1および第2のリアクトルは、単一の磁気部品によって一体的に構成され、
前記磁気部品は、
第1の電流が通過するための、電気的に直列接続された第1および第2の巻線と、
第2の電流が通過するための第3の巻線と、
前記第1の巻線が巻回される第1の部位、前記第2の巻線が巻回される第2の部位、および、前記第3の巻線が巻回される第3の部位を含むように構成されたコアとを含み、
前記コア内で磁気飽和が発生していない状態において、前記第1の電流が前記第1および第2の巻線を通過したときに、前記第1の巻線から生じて前記第3の巻線を通過する磁束と、前記第2の巻線から生じて前記第3の巻線を通過する磁束とが互いに打ち消し合い、かつ、前記第2の電流が前記第3の巻線を通過したときに、前記第3の巻線から生じた磁束によって前記第1の巻線および前記第2の巻線にそれぞれ生じる誘起電圧が互いに打ち消し合うように、前記第1から第3の巻線は、前記第1から第3の部位に巻回され、
前記負荷と接続された電源配線上の出力電圧を制御するように前記複数のスイッチング素子のオンオフを制御するための制御装置をさらに備え、
前記制御装置は、
前記第1の電流が通過する第1の電力変換経路における電力変換を制御するための第1のパルス幅変調制御に用いる第1のキャリア信号と、前記第2の電流が通過する第2の電力変換経路における電力変換を制御するための第2のパルス幅変調制御に用いる第2のキャリア信号との位相差を、前記第1および第2の電流の極性が揃っているときには、前記第1の電流の極大点と前記第2の電流の極小点との位相が同一となるように、または、前記第1の電流の極小点と前記第2の電流の極大点との位相が同一となるように制御した上で、前記第1および第2のパルス幅変調制御に従って前記複数のスイッチング素子のオンオフの制御信号を生成する、電力変換器。 - 前記第1から第3の巻線が巻回された前記コアでは、前記コア内で磁気飽和が発生していない状態において、前記第2の電流が前記第3の巻線を通過したときにおける、前記第1の部位を経由する第1の磁気回路の磁気抵抗と、前記第2の部位を経由する第2の磁気回路の磁気抵抗とが同等であり、
前記第1および第2の巻線とは、互いに逆の巻き方向を有する、請求項1記載の電力変換器。 - 第1の直流電源と、
第2の直流電源と、
負荷に電気的に接続される電源配線と前記第1および第2の直流電源との間で直流電力変換を実行するための電力変換器とを備え、
前記電力変換器は、
前記第1の直流電源と前記電源配線との間に形成される第1の電力変換経路と、前記第2の直流電源と前記電源配線との間に形成される第2の電力変換経路との両方に含まれるように配置された複数のスイッチング素子と、
前記第1の電力変換経路に含まれるように配置された第1のリアクトルと、
前記第2の電力変換経路に含まれるように配置された第2のリアクトルとを含み、
前記第1および第2のリアクトルは、単一の磁気部品によって一体的に構成され、
前記磁気部品は、
第1の電流が通過するための、電気的に直列接続された第1および第2の巻線と、
第2の電流が通過するための第3の巻線と、
前記第1の巻線が巻回される第1の部位、前記第2の巻線が巻回される第2の部位、および、前記第3の巻線が巻回される第3の部位を含むように構成されたコアとを含み、
前記第1の電流が前記第1および第2の巻線を通過したときに、前記第1の巻線から生じて前記第3の巻線を通過する磁束と、前記第2の巻線から生じて前記第3の巻線を通過する磁束とが互いに打ち消し合い、かつ、前記第2の電流が前記第3の巻線を通過したときに、前記第3の巻線から生じた磁束によって前記第1の巻線および前記第2の巻線にそれぞれ生じる誘起電圧が互いに打ち消し合うように、前記第1から第3の巻線は、前記第1から第3の部位に巻回され、
前記複数のスイッチング素子は、
第1のノードおよび前記電源配線の間に電気的に接続された第1のスイッチング素子と、
第2のノードおよび前記第1のノードの間に電気的に接続された第2のスイッチング素子と、
前記第2の直流電源の負極端子と電気的に接続された第3のノードおよび前記第2のノードの間に電気的に接続された第3のスイッチング素子と、
前記第1の直流電源の負極端子と前記第3のノードとの間に電気的に接続された第4のスイッチング素子とを含み、
前記第1のリアクトルは、前記第1の直流電源の正極端子と前記第2のノードとの間に電気的に接続され、
前記第2のリアクトルは、前記第2の直流電源の正極端子と前記第1のノードとの間に電気的に接続され、
前記電源配線上の出力電圧を制御するように前記複数のスイッチング素子のオンオフを制御するための制御装置をさらに備え、
前記制御装置は、
前記第1の電流が通過する第1の電力変換経路における電力変換を制御するための第1のパルス幅変調制御に用いる第1のキャリア信号と、前記第2の電流が通過する第2の電力変換経路における電力変換を制御するための第2のパルス幅変調制御に用いる第2のキャリア信号との位相差を、前記第1および第2の直流電源が揃って力行または回生状態で
あるときには、前記第1の電流の極大点と前記第2の電流の極小点との位相が同一となるように、または、前記第1の電流の極小点と前記第2の電流の極大点との位相が同一となるように制御した上で、前記第1および第2のパルス幅変調制御に従って前記複数のスイッチング素子のオンオフの制御信号を生成する、電源システム。 - 前記位相差は、前記第1のパルス幅変調制御によって得られた第1の制御パルス信号
の立上がりエッジおよび立下りエッジの一方と、前記第2のパルス幅変調制御によって得られた第2の制御パルス信号の立上がりエッジおよび立下りエッジの他方とが重なるように制御される、請求項3記載の電源システム。 - 前記電力変換器は、前記複数のスイッチング素子の制御によって、前記第1および第2の直流電源が前記電源配線に対して直列に電気的に接続された状態で前記直流電力変換を実行する第1の動作モードと、前記第1および第2の直流電源が前記電源配線に対して並列に前記直流電力変換を実行する第2の動作モードとを切換えられるように構成される、請求項3または4記載の電源システム。
- 前記第1から第3の巻線が巻回された前記コアでは、前記コア内で磁気飽和が発生していない状態において、前記第2の電流が前記第3の巻線を通過したときにおける、前記第1の部位を経由する第1の磁気回路の磁気抵抗と、前記第2の部位を経由する第2の磁気回路の磁気抵抗とが同等であり、
前記第1および第2の巻線とは、互いに逆の巻き方向を有する、請求項3〜5のいずれか1項に記載の電源システム。
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