JP5927217B2 - 電源システム - Google Patents
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Description
(回路構成)
図1は、本発明の実施の形態に従う電源システムの構成を示す回路図である。
図2を参照して、負荷30は、たとえば電動車両の走行用電動機を含むように構成される。負荷30は、平滑コンデンサCHと、インバータ32と、モータジェネレータ35と、動力伝達ギヤ36と、駆動輪37とを含む。
電力変換器10は、特許文献2に記載された電力変換器と同様に、直流電源B1,B2と電力線PL,GLとの間での直流電力変換(DC/DC変換)の態様が異なる複数の動作モードを有する。これらの動作モードは、スイッチング素子のオンオフ制御の態様を切換えることによって選択的に適用される。
図3を参照して、昇圧チョッパ回路CHPは、上アームを構成するスイッチング素子Suと、下アームを構成するスイッチング素子Slと、リアクトルLとを有する。リアクトルLは、上アームのスイッチング素子Suおよび下アームのスイッチング素子Slの接続点と、直流電源PSの正極端子との間に電気的に接続される。上アームのスイッチング素子Suおよび下アームのスイッチング素子Slは電力線PLおよびGLの間に直列に接続される。ダイオードDuおよびDlは、上アームのスイッチング素子Suおよび下アームのスイッチング素子Slにそれぞれ逆並列接続される。
図4を参照して、下アームのオン期間には、リアクトルLを流れる電流(以下、「リアクトル電流」と称する)ILが上昇し、下アームのオフ期間には、リアクトル電流ILが低下する。したがって、下アームのスイッチング素子Slのオン期間およびオフ期間の比を制御することによって、出力電圧VHを制御することができる。具体的には、オン期間の比率を上昇させることによって、出力電圧VHが上昇する。
昇圧チョッパ回路CHPでは、パルス幅変調(PWM)制御によって、スイッチング素子のオンオフ制御(以下、スイッチング制御)を実行できる。たとえば、キャリア波CWおよびデューティ比DTとの電圧比較に従って、下アームをオンオフするための制御パルス信号SDが生成される。
次に、電力変換器10のパラレル昇圧モードにおける動作および制御について詳細に説明する。電力変換器10は、パラレル昇圧モードにおいては、直流電源B1およびB2の各々に対して2つの昇圧チョッパ回路を並列に動作させる態様により動作する。すなわち、電力変換器10は、特許文献2でのパラレル接続モードと同様に、直流電源B1およびB2と電力線PL,GL(負荷30)との間で並列なDC/DC変換を行なうことにより、電圧指令値VH*に従って出力電圧VHを制御する。
次に、実施の形態1に従う電力変換器10のパラレル昇圧モードにおける電力損失低減効果について詳細に説明する。
図17を参照して、スイッチング素子S2によるB1Lアームのオンに応じて、直流電源B1からリアクトルL1を通過したリアクトル電流IL1は、スイッチング素子S2によって形成された、ノードN1から電力線GLへの電流経路を流れる。また、スイッチング素子S3によるB2Uアームのオンに応じて、直流電源B2からリアクトルL2を通過したリアクトル電流IL2は、スイッチング素子S3によって形成された、電力線GLからノードN2への電流経路を流れる。このように、第1アーム形成時(S5オフ時)においてB1LアームおよびB2Uアームがオンされる場合には、スイッチング素子S2にリアクトル電流IL1が流れ、スイッチング素子S3に電流IL2が流れる。
図19を参照して、第2アームが用いられる場合には、図17とは異なり、スイッチング素子S5によってもノードN1およびN2間に電流経路を形成することが可能である。したがって、リアクトル電流IL1およびIL2の経路は、ノードN1,N2の電位関係によって変化する。
(2)式において、Vfeは、オン状態のスイッチング素子に相当する各ダイオードの順方向電圧である。Vfeは、正の一定値とみなすことができる。
図22(c)を参照して、スイッチング素子S3およびS5が導通状態となるときには、電流経路123が形成される。電流経路123は、スイッチング素子S3を電流(IL2−IL1)が流れる電流経路と、リアクトル電流IL1がスイッチング素子S5を流れる電流経路とを含む。このときのスイッチング素子S2,S3,S5による導通損失Pls3は、下記(4)式で示される。
図22(a)に示された電流経路121は、図17に示された、第1アームを用いる昇圧チョッパ回路においてB1LアームおよびB2Uアームをオンするときの電流経路と同じである。したがって、図22(a)における導通損失は、第1アームの形成時と同等である。
式(3)および式(5)を比較すると、IL1およびIL2が同符号であることから、
(|IL2|+|IL1−IL2|)<(|IL1|+|IL2|)であることが理解される。このように、第2アームを用いる昇圧チョッパ回路では、第1アームを用いる昇圧チョッパ回路と比較して、スイッチング素子の導通損失が抑制される。
式(5)および(6)の比較から、Pls0<Pls♯であるから、比較例の電力変換器10♯は、パラレル接続モードでの動作時には、スイッチング素子の導通損失が、特許文献1の電力変換器および、電力変換器10において第1アームを用いる昇圧チョッパ回路を形成した場合と比較して、大きいことが理解される。
上述のように、実施の形態1に従う電力変換器10では、第2アームを有する昇圧チョッパ回路が形成される期間を設けることによって、スイッチング素子の導通損失が低減される。一方で、図11,12,15等から理解されるように、第2のアームを有する昇圧チョッパ回路が形成されるのは、制御パルス信号SD1およびSD2のレベルが異なる期間に限られる。
実施の形態2では、上述した電力変換器10の複数の動作モードのうちのシリーズ昇圧モードにおける動作について説明する。
図32を参照して、オフ固定されたスイッチング素子S1,S3の記載が省略される。ただし、電力線GLからノードN2へ向かう方向には、スイッチング素子S3に対して逆並列接続されたダイオードD3によって電流経路を形成することが可能である。同様に、ノードN1から電力線PLへ向かう方向には、スイッチング素子S1に対して逆並列接続されたダイオードD1によって電流経路を形成することが可能である。ノードN1およびN2の間には、スイッチング素子S5のオンおよびオフにそれぞれ応じて、電流経路が形成および遮断される。
なお、シリーズ昇圧モードでは、直流電源B1およびB2の電力P[1]およびP[2]は、電圧V[1]およびV[2]に応じて自動的に決まる。すなわち、直流電源B1,B2間の電力配分は、下記(7)式に従って自動的に定まるので、パラレル昇圧モードのように直接制御することはできない。
図36は、電力変換器10のシリーズ昇圧モード時における直流電源B1,B2の出力制御例を説明するため機能ブロック図である。
実施の形態3では、実施の形態1および2で説明した電力変換器10の回路構成の変形例について説明する。具体的には、図1に示された電力変換器10のスイッチング素子S5を、双方向スイッチによって構成する変形例が示される。
図43を参照して、電力変換器11は、図1に示された電力変換器10と比較すると、ノードN1およびN2の間に接続される半導体素子として、スイッチング素子S5に代えて、双方向スイッチSB5を有する点で異なる。すなわち、双方向スイッチSB5は、「第5の半導体素子」に対応する。電力変換器11のその他の構成は、電力変換器10と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。
実施の形態3に従う電力変換器11では、ノードN1およびN2間の半導体素子として、双方向スイッチSB5が配置される。しかしながら、双方向スイッチSB5は、電力変換器11中で最も熱定格の低い箇所となる可能性がある。ここで、熱定格が低いとは、ある一定電流が一定期間通流した場合において、双方向スイッチの温度上昇が、他のスイッチング素子の温度上昇よりも高いことを意味するものとする。
実施の形態4では、実施の形態1〜3で説明した、シリーズ昇圧モードおよびパラレル昇圧モード以外の動作モードについて説明する。
ドでは、直流電源B1は、電力線PL,GLから電気的に切り離された状態を維持されて不使用とされる。なお、V[1]>V[2]の状態でB2直結モードを適用すると、ダイオードD1およびスイッチング素子S3を経由して、直流電源B1からB2へ短絡電流が生じる。このため、B2直結モードの適用には、V[2]>V[1]が必要条件となる。
本実施の形態では、「第1の半導体素子」〜「第4の半導体素子」の各々について、スイッチング素子S1〜S4および逆並列ダイオードD1〜D4のペアによって構成する例を説明した。また、「第5の半導体素子」については、逆並列ダイオードが設けられないスイッチング素子S5(実施の形態1)または、双方向スイッチを構成するためのスイッチング素子S5a,S5bのペアによって構成する例を示した。すなわち、「第1の半導体素子」〜「第5の半導体素子」の全てが、電流経路の形成(オン)および遮断(オフ)を制御可能なスイッチング素子を備えた構成を例示した。これらの構成例では、直流電源B1,B2の両方に対して回生充電を適用できる。
Claims (11)
- 高電圧側の第1の電力線および低電圧側の第2の電力線の間の直流電圧を制御するための電源システムであって、
第1の直流電源と、
第2の直流電源と、
前記第1および第2の直流電源と前記第1および第2の電力線との間で直流電圧変換を実行するための電力変換器と、
前記電力変換器の動作を制御するための制御装置とを備え、
前記電力変換器は、
前記第1の電力線と第1のノードとの間に電気的に接続される第1の半導体素子と、
前記第1のノードと前記第2の電力線との間に、前記第1の直流電源と直列に電気的に接続される第1のリアクトルと、
前記第2の電力線と前記第1のノードとの間に電気的に接続される第2の半導体素子と、
第2のノードと前記第1の電力線の間に、前記第2の直流電源と直列に電気的に接続される第2のリアクトルと、
前記第2のノードと、前記第2の電力線との間に電気的に接続される第3の半導体素子と、
前記第1の電力線と前記第2のノードとの間に電気的に接続される第4の半導体素子と、
前記第1のノードと前記第2のノードとの間に電気的に接続される第5の半導体素子とを備え、
前記第1から第5の半導体素子のうちの、前記第2、第4および第5の半導体素子を含む少なくとも一部の半導体素子は、前記制御装置からの信号に応じて電流経路の形成および遮断を制御するように構成されたスイッチング素子を含み、
制御装置は、前記第1の直流電源と前記第1および第2の電力線との間、ならびに、前記第2の直流電源と前記第1および第2の電力線との間で並列な直流電圧変換を実行するように前記電力変換器を動作させる場合には、前記第1の直流電源からの出力を制御するために前記第2の半導体素子中の前記スイッチング素子のオンオフを制御するとともに、前記第2の直流電源からの出力を制御するために前記第4の半導体素子中の前記スイッチング素子のオンオフを制御し、
前記第1の半導体素子中に前記スイッチング素子が設けられているときには、前記第2の半導体素子中のスイッチング素子と相補的にオンオフされ、
前記第3の半導体素子中に前記スイッチング素子が設けられているときには、前記第4の半導体素子中のスイッチング素子と相補的にオンオフされ、
前記第5の半導体素子において、前記第1および第3の半導体素子の両方で前記電流経路が形成されている期間では少なくとも前記第1のノードから前記第2のノードへ向かう電流経路が非形成とされる一方で、前記第2および第4の半導体素子の両方で前記電流経路が形成されている期間では少なくとも前記第2のノードから前記第1のノードへ向かう電流経路が非形成とされるように前記スイッチング素子のオンオフは制御される、電源システム。 - 前記第1から第4の半導体素子の各々は、
電流経路を形成するオン状態と当該電流経路を遮断するオフ状態とを前記制御装置からの信号に応答して選択的に形成するためのスイッチング素子と、
前記スイッチング素子と逆並列に接続されて、順バイアス時に電流経路を形成するためのダイオードとを含み、
前記第5の半導体素子は、
前記第1および第2のノード間の電流経路を形成するオン状態と当該電流経路を遮断するオフ状態とを前記制御装置からの信号に応答して選択的に形成するためのスイッチング素子を含む、請求項1記載の電源システム。 - 前記第1から第4の半導体素子の各々は、
電流経路を形成するオン状態と当該電流経路を遮断するオフ状態とを前記制御装置からの信号に応答して選択的に形成するためのスイッチング素子と、
前記スイッチング素子とそれぞれ逆並列に接続されて、順バイアス時に電流経路を形成するためのダイオードとを含み、
前記第5の半導体素子は、
前記第1のノードから前記第2のノードへ向かう電流経路を前記第1および第2のノード間に形成するオン状態と当該電流経路を遮断するオフ状態とを前記制御装置からの信号に応答して選択的に形成するためのスイッチング素子と、
前記第2のノードから前記第1のノードへ向かう電流経路を前記第1および第2のノード間に形成するオン状態と当該電流経路を遮断するオフ状態とを前記制御装置からの信号
に応答して選択的に形成するためのスイッチング素子とを含む、請求項1記載の電源システム。 - 前記第2および第4の半導体素子の各々において、電流経路を形成するオン状態と当該電流経路を遮断するオフ状態とを前記制御装置からの信号に応答して選択的に形成するためのスイッチング素子が設けられ、
前記第1および第3の半導体素子において、前記第1のノードから前記第1の電力線へ向かう方向を順方向として接続されたダイオードと、前記第2の電力線から前記第2のノードへ向かう方向を順方向として接続されたダイオードとがそれぞれ設けられ、
前記第5の半導体素子において、少なくとも前記第1のノードから前記第2のノードへの電流経路の形成および遮断を制御するためのスイッチング素子が設けられる、請求項1記載の電源システム。 - 前記第1および第3の半導体素子のいずれか一方において、前記ダイオードと並列に接続されたスイッチング素子がさらに設けられ、当該スイッチング素子は、前記オン状態および前記オフ状態を前記制御装置からの信号に応答して選択的に形成する、請求項4記載の電源システム。
- 前記制御装置は、前記第1の直流電源からの出力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のキャリア波と、前記第2の直流電源からの出力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のキャリア波との位相差を、前記第1の直流電源からの出力デューティ比および前記第2の直流電源からの出力デューティ比に応じて変化させるとともに、前記第1のパルス幅変調制御によって得られた第1の制御パルス信号および前記第2のパルス幅変調制御によって得られた第2の制御パルス信号に基づいて、各前記スイッチング素子による前記電流経路の形成および遮断を制御する、請求項1記載の電源システム。
- 前記制御装置は、前記第1のリアクトルの電流の変曲点と前記第2のリアクトルの電流の変曲点とが同一タイミングとなるように、前記位相差を調整する、請求項6記載の電源システム。
- 前記制御装置は、前記第5の半導体素子の温度が所定の判定温度よりも高い場合には、前記第5の半導体素子中の前記スイッチング素子をオフに固定するとともに前記第1から第4の半導体素子中の前記スイッチング素子をオンオフ制御する一方で、前記第5の半導体素子の温度が前記判定温度よりも低い場合には、前記第1から第5の半導体素子中の前記スイッチング素子をオンオフ制御する、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電源システム。
- 前記電力変換器は、前記制御装置による前記スイッチング素子のオンオフ制御の態様を切換えることによって、前記直流電圧変換の態様が異なる複数の動作モードを切換えて動作し、
前記複数の動作モードは、前記第1および第2の直流電源と前記第1および第2の電力線との間での前記並列な直流電圧変換を実行する第1の動作モードと、
直列接続された前記第1および第2の直流電源と前記第1および第2の電力線との間で直流電圧変換を実行するための第2のモードとを含み、
前記制御装置は、前記第2のモードにおいて、前記第2および第4の半導体素子中の前記スイッチング素子が前記オン状態とされる第1の期間と、前記第2および第4の半導体素子中の前記スイッチング素子が前記オフ状態とされるともに前記第1および第2のノードの間に前記第5の半導体素子による電流経路が形成される第2の期間とが交互に設けられるように、各前記スイッチング素子をオンオフ制御する、請求項1〜8のいずれか1項に記載の電源システム。 - 前記複数の動作モードは、
前記第1の直流電源と前記第1および第2の電力線との間で直流電圧変換を実行するとともに、前記第2の直流電源が前記第1および第2の電力線の間から電気的に切り離された状態を維持する第3のモードと、
前記第2の直流電源と前記第1および第2の電力線との間で直流電圧変換を実行するとともに、前記第1の直流電源が前記第1および第2の電力線の間から電気的に切り離された状態を維持する第4のモードとをさらに含み、
前記制御装置は、
前記第3のモードにおいては、前記第3、第4および第5の半導体素子中の前記スイッチング素子をオフ状態に維持する一方で、前記第1および第2の半導体素子中の前記スイッチング素子をオンオフ制御することによって前記第1および第2の電力線間の前記直流電圧を制御し、
前記第4のモードにおいては、前記第1、第2および第5の半導体素子中の前記スイッチング素子を前記オフ状態に維持する一方で、前記第3および第4の半導体素子中の前記スイッチング素子をオンオフ制御することによって前記第1および第2の電力線間の前記直流電圧を制御する、請求項9記載の電源システム。 - 前記複数の動作モードは、
前記第1の直流電源が前記第1および第2の電力線の間に電気的に接続される一方で、前記第2の直流電源が前記第1および第2の電力線の間から電気的に切り離される状態を維持する第5のモードと、
前記第2の直流電源が前記第1および第2の電力線の間に電気的に接続される一方で、前記第1の直流電源が前記第1および第2の電力線の間から電気的に切り離される状態を維持する第6のモードと、
前記第1および第2の直流電源が前記第1および第2の電力線の間に電気的に直列接続される状態を維持する第7のモードとをさらに含む、請求項9または10に記載の電源システム。
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