JP6279423B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
電源主回路部と電源制御部とからなり、
上記電源主回路部は、交流電圧を全波整流する全波整流回路と、上記全波整流回路によって得られた入力電圧を検出する入力電圧検出部と、スイッチング素子及びリアクトルを有して上記全波整流回路によって得られた入力電圧を電圧変換する昇降圧コンバータと、上記昇降圧コンバータで電圧変換された後の出力電圧を検出する出力電圧検出部と、上記昇降圧コンバータの上記リアクトルに流れるリアクトル電流を検出するリアクトル電流検出部とを備え、
上記電源制御部は、上記各検出部で検出された検出値に基づいて上記昇降圧コンバータの上記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と共に、上記リアクトル電流を制御して入力電流波形の位相を入力電圧波形の位相に近づける力率改善制御を行う電力変換装置であって、
上記電源制御部は、上記昇降圧コンバータを制御するモードとして昇圧モード、降圧モード、昇降圧モードの制御モードを有すると共に、
電源投入後の初期動作時に、上記昇降圧コンバータを上記昇降圧モードで動作させて、上記電源主回路部の上記入力電圧及び上記出力電圧の関係を判別し、
上記初期動作後の通常動作時に、上記初期動作時に判別した上記入力電圧及び上記出力電圧の関係に基づき、上記昇降圧コンバータを動作させるための上記昇圧モード、上記降圧モード、上記昇降圧モードの組み合わせを決定するものである。
電源主回路部と電源制御部とからなり、
上記電源主回路部は、交流電圧を全波整流する全波整流回路と、上記全波整流回路によって得られた入力電圧を検出する入力電圧検出部と、スイッチング素子及びリアクトルを有して上記全波整流回路によって得られた入力電圧を電圧変換する昇降圧コンバータと、上記昇降圧コンバータで電圧変換された後の出力電圧及び出力電流を検出する出力電圧検出部及び出力電流検出部と、上記昇降圧コンバータの上記リアクトルに流れるリアクトル電流を検出するリアクトル電流検出部とを備え、
上記電源制御部は、上記各検出部で検出された検出値に基づいて上記昇降圧コンバータの上記スイッチング素子をオンオフ制御することにより、上記出力電流を目標出力電流に制御すると共に上記リアクトル電流を目標リアクトル電流に制御して入力電流波形の位相を入力電圧波形の位相に近づける力率改善制御を行う電力変換装置であって、
上記電源制御部は、電源投入後であって上記全波整流回路によって得られた入力電圧がゼロ付近になるタイミングで上記昇降圧コンバータのスイッチ制御を開始し、スイッチ制御開始時は上記目標リアクトル電流を小さく設定し、時間経過と共に上記目標リアクトル電流を大きくしていく。
電源主回路部と電源制御部とからなり、
上記電源主回路部は、交流電圧を全波整流する全波整流回路と、上記全波整流回路によって得られた入力電圧を検出する入力電圧検出部と、スイッチング素子及びリアクトルを有して上記全波整流回路によって得られた入力電圧を電圧変換する昇降圧コンバータと、上記昇降圧コンバータで電圧変換された後の出力電圧及び出力電流を検出する出力電圧検出部及び出力電流検出部と、上記昇降圧コンバータの上記リアクトルに流れるリアクトル電流を検出するリアクトル電流検出部とを備え、
上記電源制御部は、上記各検出部で検出された検出値に基づいて上記昇降圧コンバータの上記スイッチング素子をオンオフ制御することにより、上記出力電流を目標出力電流に制御すると共に上記リアクトル電流を目標リアクトル電流に制御して入力電流波形の位相を入力電圧波形の位相に近づける力率改善制御を行う電力変換装置であって、
上記電源制御部は、電源投入直後から上記昇降圧コンバータのスイッチ制御を開始し、スイッチ制御開始時は上記目標リアクトル電流を小さく設定し、時間経過と共に上記目標リアクトル電流を大きくしていく。
電源主回路部と電源制御部とからなり、
上記電源主回路部は、交流電圧を全波整流する全波整流回路と、上記全波整流回路によって得られた入力電圧を検出する入力電圧検出部と、スイッチング素子及びリアクトルを有して上記全波整流回路によって得られた入力電圧を電圧変換する昇降圧コンバータと、上記昇降圧コンバータで電圧変換された後の出力電圧及び出力電流を検出する出力電圧検出部及び出力電流検出部と、上記昇降圧コンバータの上記リアクトルに流れるリアクトル電流を検出するリアクトル電流検出部とを備え、
上記電源制御部は、上記各検出部で検出された検出値に基づいて上記昇降圧コンバータの上記スイッチング素子をオンオフ制御することにより、上記出力電流を目標出力電流に制御すると共に上記リアクトル電流を目標リアクトル電流に制御して入力電流波形の位相を入力電圧波形の位相に近づける力率改善制御を行う電力変換装置であって、
上記電源制御部は、電源投入後であって上記全波整流回路によって得られた入力電圧がゼロ付近になるタイミングで上記昇降圧コンバータのスイッチ制御を開始する。
図1及び図2はこの発明の実施の形態1による電力変換装置を構成する電源主回路部1及び電源制御部2を示す回路ブロック図である。
電源制御部2は、入力電圧検出部7及び出力電圧検出部8により検出した入力電圧検出値vin及び出力電圧検出値voを入力し、これら入出力電圧の大小関係に応じて昇圧制御、降圧制御、昇降圧制御のうちいずれか1つの適した制御モードを選択すると共に、リアクトル電流検出部6により検出したリアクトル電流iLが目標リアクトル電流iL*と等しくなるように、適切なスイッチングパターンでコンバータ5のスイッチング素子のオンオフ制御を行う。
電源投入直後(初期動作時)は、電源制御部2は、コンバータ5を昇降圧モードで動作させて、PFC制御をしつつ、出力電圧vdcを上昇させ、外部からの調光指令等として与えられる目標電流値iLED*に基づいて所望の出力電流ioを得る。そして、所望の出力電流ioが得られ、つまり出力電圧vdcが安定すると共に、入力電圧(脈流電圧)|vac|の1周期以上の時間が経過したのちに、入力電圧検出値vinの最大値である入力電圧ピーク値vinpeakと、出力電圧vdcが安定したときの出力電圧検出値voを決定する。その後、通常動作時は、入力電圧ピーク値vinpeakと安定した出力電圧検出値voに基づいて、電源制御部2は、コンバータ5を高力率となる制御方法(制御モードの選択、組み合わせ、及び各制御モード切替電圧)を決定し、決定した制御方法に基づいて、PFC制御をしつつ出力一定制御を実施する。
そして、ステップS1において、電源制御部2は、電源主回路部1の入力電圧検出部7により入力電圧(脈流電圧)|vac|を検出して得られる入力電圧検出値vin、出力電圧検出部8により出力電圧vdcを検出して得られる出力電圧検出値vo、出力電流検出部10により出力電流ioを検出して得られる出力電流検出値iLED、外部信号で与えられる目標出力電流値iLED*、およびリアクトル電流検出部6により検出されるリアクトル電流iLをそれぞれ取り込む。
具体的には、負荷9としてLED素子を接続した場合、LED素子は図9に示す順方向電圧−順方向電流の特性を有している。そして、LED素子は、出力電圧vdcが順方向電圧vfに達すると急激に電流が流れ始め、この導通領域では電流の変化に対して電圧の変化は小さい。すなわち、出力電流iLEDが流れ始めた時点で出力電圧vdcは順方向電圧vf(ほぼ一定)となるため、出力電流iLEDの値で、出力電圧vdcが順方向電圧vfに安定したことを判断する。ここでは、図10に示すように、目標出力電流値iLED*と出力電流検出値iLEDの差を計算し、その差が予め定めた値e以下となったときに出力電圧vdcが順方向電圧vfに安定したと判断し、出力電圧が安定したかの判断フラグであるvf_flagを1とする(S300、S301)。
なお、出力電圧判別部32による出力電圧検出値voが所定の電圧に安定したかの判別方法は、上記方法に限らず、今回検出した出力電圧検出値vo(n)と前回に検出した出力電圧検出値vo(n−1)の値の差を求め、その差が予め定める値c以下となったときに判断フラグvf_flagを1とする方法を用いても良い。
まず、ステップS7において、計数値であるcountをインクリメント(+1)する。このcountは、交流入力電圧vacの周期が半周期経過したかを判定するために使用される計数値であり、後述するように、あらかじめ商用電源周期等から決めておいたカウント設定値に達したかどうかで交流入力電圧vacの半周期を判別する。
次に、ステップS8において、交流入力電圧vacの周期が半周期経過し、かつ出力電圧検出値voが順方向電圧vfに収束したかどうかを判定する。具体的には、ステップS7の計数値countがあらかじめ商用電源周期等から決めておいたカウント設定値に達し、かつ出力電圧の安定の判断フラグvf_flagが1となった時点で(ステップS8)、入力電圧ピーク値vinpeakと収束した出力電圧voを確定させる(ステップS9)。ここで、ステップS8において、カウント設定値は以下のように設定する。すなわち、交流入力電圧vacの周期として例えば商用電源周波数の50Hzと60Hzを比較すると、50Hzの方が周期が長いため、その半分の周期として、100Hz=10ms以上の値を設定する。そして、ステップS1〜ステップS8の演算サイクルを1msで繰り返すとすれば、上記カウント設定値を10以上に設定すれば良い。このように設定すれば、商用電源の周波数が50Hzでも60Hzでも対応することができる。なお、上記では計数値をカウントすることで交流入力電圧の半周期タイミングを推測することとしているが、入力電圧検出値vinの推移から推測することとしても良い。なお、ステップS8において、計数値countがカウント設定値に達していない場合、または出力電圧の安定の判断フラグvf_flagが0の場合は、ステップS1に戻る。
iref*=2×vin2/vo×i** (4)
昇圧モード時には、リアクトルLには全波整流後の入力電流iinに対応した電流が流れるため、目標リアクトル電流iL*の制御は、入力電流iinに対応する電流を制御することとなる。したがって、まず入力電流iinの目標値である目標入力電流iin*と前述の制御値i**とを用いて、次の式(5)により目標リアクトル電流iL*を算出する。
Δi−=(vo/L)×(1−d) (14)
(1)電力変換の効率を重視する場合は、昇降圧モードの期間はなるべく少なく、理想的には昇降圧モードなしが適している。
(2)力率を重視する場合は、入力電圧検出値vin≒出力電圧検出値voの期間は確実に昇降圧モードで制御を行い、モード切替の回数はなるべく少なく、理想的には常に昇降圧モードで動作させる。
(3)両者をバランスよく高める場合は、入力電圧検出値vin≒出力電圧検出値voの期間は確実に昇降圧モードで動作を行い、「昇圧モードと昇降圧モードを組み合わせた制御」または「降圧モードと昇降圧モードを組み合わせた制御」とする。
(a)入力電圧ピーク値vinpeak<<出力電圧検出値voの場合、図14に示すように、昇圧モードのみの制御とする。
(b)入力電圧ピーク値vinpeak<<出力電圧検出値voでなく、電力変換効率が最優先の場合は、図15に示すように、昇圧モードと降圧モードを組み合わせた制御とする。
(c)入力電圧ピーク値vinpeak<<出力電圧検出値voでなく、力率が最優先のとき、図16に示すように、昇降圧モードのみの制御とする。
(d)入力電圧ピーク値vinpeak<<出力電圧検出値voでなく、電力変換効率及び力率をバランスよく高めるとき、入力電圧検出値vin≒出力電圧検出値voの期間は確実に昇降圧モードとし、入力電圧検出値vin<出力電圧検出値voの期間が長いときは、図17に示すように昇圧モードと昇降圧モードを組み合わせた制御、入力電圧検出値vin>出力電圧検出値voの期間が長いときは、図18に示すように降圧モードと昇降圧モードを組み合わせた制御とする。
なお、制御モード切替電圧は、テーブルに格納しておく方法だけでなく、検出した出力電圧に応じた値を計算により求めても良い。例えば、制御モードを「昇降圧モード+降圧モード」とする条件下で、昇降圧モードと降圧モードの切替電圧vo2*を、出力電圧検出値voに対して下記の演算式のように一定の電圧幅を持たせた値に設定しても良い。
例えば、図20に示すように、目標リアクトル電流iL*に対して一定幅±ΔTの上下2つの第1及び第2目標リアクトル電流iL1*、iL2*を定め、第1目標リアクトル電流iL1*と第2目標リアクトル電流iL2*の間でリアクトル電流iLを増減させるヒステリシスコンパレータ制御方式を適用することができる。
また、図21に示すように、上限目標リアクトル電流iL3*とその分圧値の下限目標リアクトル電流iL4*との中心位置に目標リアクトル電流iL*が位置するように上限目標リアクトル電流iL3*を定め、両目標リアクトル電流iL3*とiL4*の間でリアクトル電流iLを増減させるウインドウコンパレータ制御方式などを適用することも可能である。
実施の形態1では、電源投入後の初期動作時はコンバータを昇降圧モードで動作させて入力電圧と出力電圧の関係の判別を行い、通常動作時の制御方法及び制御モードを決定していた。しかし、負荷としてLED素子等を接続した場合、出力電圧が収束するまでの期間の出力電流検出値はほぼ0であるため、電源投入直後は出力電流一定制御のためのPI演算式等で演算した制御値i**が極めて大きくなり、それに応じた制御を行うと、大きなリアクトル電流が流れることになる。実施の形態2では、電源投入直後の出力電圧が収束するまでの期間に大きなリアクトル電流が流れる現象を抑制するための制御方法について説明する。
また、出力制御部30で用いる出力電流検出値iLEDの目標値は、目標値決定部43で決定された目標値targetを用いる点、スイッチ開始指令部42からの信号をスイッチ制御部26a、26b、26dに接続している点が変更されている。
そして、ステップS16において、電源制御部2は、電源主回路部1の入力電圧検出部7により入力電圧(脈流電圧)|vac|を検出して得られる入力電圧検出値vin、出力電圧検出部8により出力電圧vdcを検出して得られる出力電圧検出値vo、出力電流検出部10により出力電流ioを検出して得られる出力電流検出値iLED、外部信号で与えられる目標出力電流値iLED*、およびリアクトル電流検出部6により検出されるリアクトル電流iLをそれぞれ取り込む。
一方、入力電圧|vac|がボトム付近にある(ステップS102にてYES)場合は、スイッチング制御を開始するためのスイッチ制御フラグsw_flagを1に変更し(ステップS103)、ステップS20へ進む。
なお、スイッチ開始指令部42からスイッチ開始指令が送信されるまでは、スイッチ制御部26a、26b、26dはスイッチング動作を停止する。例えば、電源制御部2がマイコンで制御する場合には、スイッチ開始指令が送信されるまでは、スイッチ制御部26a、26b、26dにて出力バッファを停止するように設定することで実現することができる。
すなわち、ステップS20において、段階的に立ち上げるための係数rampをインクリメントしてramp+1とする。なお、係数rampの初期値はゼロである。
ステップS17において、動作状態フラグini_flag=1のときは電源投入後の目標値targetを段階的に立ち上げる制御を取り入れている状態であることを示している。
以上の処理ステップが、スイッチング制御開始のタイミングを調整し、目標値targetを段階的に大きくする制御方法である。
図30に示すように、ステップS0において、電源が投入されると、電源制御部2は制御処理を開始し、ステップS16において、入力電圧検出部7により入力電圧(脈流電圧)|vac|を検出して得られる入力電圧検出値vin、出力電圧検出部8により出力電圧vdcを検出して得られる出力電圧検出値vo、出力電流検出部10により出力電流ioを検出して得られる出力電流検出値iLED、外部信号で与えられる目標出力電流値iLED*、およびリアクトル電流検出部6により検出されるリアクトル電流iLをそれぞれ取り込む。
ステップS17において、動作状態フラグini_flag=1のときは電源投入後の目標値targetを段階的に立ち上げる制御を取り入れている状態であることを示している。
図31に示すように、ステップS0において、電源が投入されると、電源制御部2は制御処理を開始し、ステップS16において、入力電圧検出部7により入力電圧(脈流電圧)|vac|を検出して得られる入力電圧検出値vin、出力電圧検出部8により出力電圧vdcを検出して得られる出力電圧検出値vo、出力電流検出部10により出力電流ioを検出して得られる出力電流検出値iLED、外部信号で与えられる目標出力電流値iLED*、およびリアクトル電流検出部6により検出されるリアクトル電流iLをそれぞれ取り込む。
一方、入力電圧|vac|がボトム付近にある(ステップS102にてYES)場合は、スイッチング制御を開始するためのスイッチ制御フラグsw_flagを1に変更し(ステップS103)、ステップS25へ進む。
例えば、実施の形態1の図20に示すように、目標リアクトル電流iL*に対して一定幅±ΔTの上下2つの第1及び第2目標リアクトル電流iL1*、iL2*を定め、第1目標リアクトル電流iL1*と第2目標リアクトル電流iL2*の間でリアクトル電流iLを増減させるヒステリシスコンパレータ制御方式を適用することができる。
また、実施の形態1の図21に示すように、上限目標リアクトル電流iL3*とその分圧値の下限目標リアクトル電流iL4*との中心位置に目標リアクトル電流iL*が位置するように上限目標リアクトル電流iL3*を定め、両目標リアクトル電流iL3*とiL4*の間でリアクトル電流iLを増減させるウインドウコンパレータ制御方式などを適用することも可能である。
6 リアクトル電流検出部、7 入力電圧検出部、8 出力電圧検出部、9 負荷、
10 出力電流検出部、23,26c 制御方法選択セレクタ、
24a,24b,24d 目標ピーク電流演算部、
25a,25b,25dスイッチ信号生成部、
26a,26b,26d スイッチ制御部、30 出力制御部、
31 入力電圧ピーク検出部、32 出力電圧判別部、33 制御方法決定部、
34 制御モード決定部、41 ボトム検出部、42 スイッチ開始指令部、
43 目標値決定部、44 制御モード決定部。
Claims (11)
- 電源主回路部と電源制御部とからなり、
上記電源主回路部は、交流電圧を全波整流する全波整流回路と、上記全波整流回路によって得られた入力電圧を検出する入力電圧検出部と、スイッチング素子及びリアクトルを有して上記全波整流回路によって得られた入力電圧を電圧変換する昇降圧コンバータと、上記昇降圧コンバータで電圧変換された後の出力電圧を検出する出力電圧検出部と、上記昇降圧コンバータの上記リアクトルに流れるリアクトル電流を検出するリアクトル電流検出部とを備え、
上記電源制御部は、上記各検出部で検出された検出値に基づいて上記昇降圧コンバータの上記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と共に、上記リアクトル電流を制御して入力電流波形の位相を入力電圧波形の位相に近づける力率改善制御を行う電力変換装置であって、
上記電源制御部は、上記昇降圧コンバータを制御するモードとして昇圧モード、降圧モード、昇降圧モードの制御モードを有すると共に、
電源投入後の初期動作時に、上記昇降圧コンバータを上記昇降圧モードで動作させて、上記電源主回路部の上記入力電圧及び上記出力電圧の関係を判別し、
上記初期動作後の通常動作時に、上記初期動作時に判別した上記入力電圧及び上記出力電圧の関係に基づき、上記昇降圧コンバータを動作させるための上記昇圧モード、上記降圧モード、上記昇降圧モードの組み合わせを決定する電力変換装置。 - 上記電源主回路部は、上記昇降圧コンバータで電圧変換された後の出力電流を検出する出力電流検出部を備え、
上記電源制御部は、上記各検出部で検出された検出値に基づいて上記昇降圧コンバータの上記スイッチング素子をオンオフ制御することにより、上記出力電流を目標出力電流に制御すると共に、上記リアクトル電流を制御して入力電流波形の位相を入力電圧波形の位相に近づける力率改善制御を行う請求項1に記載の電力変換装置。 - 上記電源制御部は、上記各検出部で検出された検出値に基づいて上記昇降圧コンバータの上記スイッチング素子をオンオフ制御することにより、上記出力電圧を目標出力電圧に制御すると共に、上記リアクトル電流を制御して入力電流波形の位相を入力電圧波形の位相に近づける力率改善制御を行う請求項1に記載の電力変換装置。
- 上記電源制御部による初期動作時の上記入力電圧及び上記出力電圧の関係の判別は、上記交流電圧の入力電圧ピーク値及び上記出力電圧の収束値を検出することにより行う請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記交流電圧の入力電圧ピーク値の検出は、上記電源制御部の前回の演算周期までに取得した入力電圧ピーク値と今回の演算周期に取得した入力電圧検出値を比較し、より大きい値を入力電圧ピーク値に更新することにより行う請求項4に記載の電力変換装置。
- 上記交流電圧の入力電圧ピーク値を決定するタイミングは、上記交流電圧の半周期が経過した時以降とする請求項4又は請求項5に記載の電力変換装置。
- 上記出力電圧の収束値を決定するタイミングは、上記電源制御部の前回の演算周期で検出した出力電圧検出値と今回の演算周期で検出した出力電圧検出値を比較し、両者の差が一定の値より小さくなった時以降とする請求項4に記載の電力変換装置。
- 上記電源主回路部は、上記昇降圧コンバータで電圧変換された後の出力電流を検出する出力電流検出部を備え、
上記出力電圧の収束値を決定するタイミングは、上記電源制御部の前回の演算周期で検出した出力電流検出値と今回の演算周期で検出した出力電流検出値を比較し、両者の差が一定の値より小さくなった時以降とする請求項4に記載の電力変換装置。 - 上記入力電圧及び上記出力電圧の関係に基づく上記昇降圧コンバータの制御モードの組み合わせと制御モード切替タイミングを、上記電源制御部の記憶部に予め記憶させておき、上記記憶部から読み出す請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 上記制御モード切替タイミングは、予め設定された制御モード切替電圧と、上記入力電圧の検出値の比較により行う請求項9に記載の電力変換装置。
- 上記電源主回路部の出力側に接続される負荷は、LED又は有機ELである請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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