JP6539220B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
まず、本実施形態に係る電力変換装置の概略構成について、図1を参照して説明する。本実施形態に係る電力変換装置は、互いに並列に接続された複数相の電源装置から構成される。具体的には、本実施形態に係る電力変換装置は、1台の電力変換の基準となるマスタ10(第1電源装置)と、1台のスレーブ20(第2電源装置)とから構成されている。マスタ10は、電力変換部15、制御回路部18及び時間観測器19を備え、制御回路部18が電力変換部15を制御して電力変換を行う。スレーブ20は、電力変換部25、制御回路部28及び時間観測器29を備え、制御回路部28が電力変換部25を制御して電力変換を行う。以下、本実施形態に係るマスタ10及びスレーブ20の構成の詳細について図2を参照して説明する。
本実施形態では、マスタ10及びスレーブ20を降圧コンバータとして具現化している。マスタ10の電力変換部15は、スイッチS1A、スイッチS2A、メインリアクトルL1A、補助共振回路150、平滑コンデンサCs1A及び平滑コンデンサCs2Aを備える。補助共振回路150は、スイッチS3A、ダイオードD3A、補助リアクトルL2A、及びダイオードDsAを備える。また、制御回路部18は、制御器16(制御部)及び遷移時間検出器17を備える。
次に、マスタ10及びスレーブ20の基本動作について、図3〜図11を参照して説明する。マスタ10及びスレーブ20の基本動作は同様である。図3は、マスタ10及びスレーブ20の動作態様を示すタイムチャートである。図3(a)〜(c)は、それぞれ、スイッチS1〜S3のゲート電圧Vgs1,Vgs2,Vgs3のタイムチャートを表す。すなわち、図3(a)〜(c)は、スイッチS1〜S3のオンオフを表す。図3(d),(e)は、メインスイッチの端子間電圧Vds1及び同期整流スイッチの端子間電圧Vds2を表す。端子間電圧Vds1,Vds2は、スイッチS1,S2のドレイン端子とソース端子との端子間電圧である。
上述したように、補助電流IL2が式(1)の条件を満たした時点で、スイッチS2をターンオフにすることにより、スイッチS1のZVSを実現できる。よって、補助電流IL2を電流センサで検出し、検出した補助電流IL2が式(1)の条件を満たした場合に、スイッチS2をターンオフすることが考えられる。ただし、電流センサの検出精度、入力電圧V1及び出力電圧V2の変動、静電容量C1,C2のばらつき、インダクタンスL2のばらつき、及び温度特性等の要因を考慮して、ばらつき等が大きい場合でも式(1)を満たすように、補助電流IL2の大きさを、余裕を見た大きさにしなければならない。
マスタ10では、制御器16が、スイッチS1A,S2Aに対するゲート指令信号GpA,GnAのデューティ比を制御して、入力電圧を目標電圧に変換する。また、マスタ10では、制御器16が、検出した遷移時間Taが目標遷移時間Trになるように、スイッチS3Aに対するゲート指令信号GsAのデューティ比を制御して、スイッチS1Aの最適なZVSを実現する。
次に、第2実施形態に係る電力変換装置について、第1実施形態と異なる点を説明する。第2実施形態に係る電力変換装置の概略構成を図18に示す。
次に、第3実施形態に係る電力変換装置について、第1実施形態と異なる点を説明する。本実施形態に係る電力変換装置は、互いに並列接続されたマスタ10A及びスレーブ20Aから構成されている。マスタ10Aの構成を図19に示す。マスタ10Aの端子13,14間には電源80aが接続され、端子11,12間には負荷70aが接続される。マスタ10Aは、電源80aの入力電圧V2を昇圧して負荷70aへ出力する昇圧コンバータである。
次に、第4実施形態に係る電力変換装置について、第1実施形態と異なる点を説明する。本実施形態に係る電力変換装置は、互いに並列接続されたマスタ10B及びスレーブ20Bから構成されている。マスタ10Bの構成を図20に示す。マスタ10Bの端子11,12間には電源70b又は負荷70bが接続され、端子13,14間には負荷80b又は電源80bが接続される。マスタ10Bは、電源70bの入力電圧V1を降圧して負荷80bへ出力する降圧動作をするとともに、電源80bの入力電圧V2を昇圧して負荷70bへ出力する昇圧動作をする双方向型コンバータである。
次に、第5実施形態に係る電力変換装置について、第1実施形態と異なる点を説明する。本実施形態に係る電力変換装置は、互いに並列接続されたマスタ10C及びスレーブ20Cから構成されている。マスタ10Cの構成を図21に示す。マスタ10Cは、マスタ10と同様な降圧コンバータである。
次に、第6実施形態に係る電力変換装置について、第5実施形態と異なる点を説明する。本実施形態に係る電力変換装置は、互いに並列接続されたマスタ10D及びスレーブ20Dから構成されている。マスタ10Dの構成を図22に示す。マスタ10Dは、マスタ10Cと同様な降圧コンバータである。
次に、第7実施形態に係る電力変換装置について、第5実施形態と異なる点を説明する。本実施形態に係る電力変換装置は、互いに並列接続されたマスタ10E及びスレーブ20Eから構成されている。マスタ10Eの構成を図23に示す。マスタ10Eは、マスタ10Cと同様な降圧コンバータである。
・立ち上がり波形又は立ち下がり波形として、立ち上がり波形又は立ち下がり波形の傾きを検出し、傾きに基づいて、スイッチS3,S4のターンオンのタイミングを制御してもよい。また、例えば、立ち上がり波形が閾値Vthの1/2まで上昇するまでの時間を検出し、その時間を2倍して遷移時間Taとしてもよい。
Claims (8)
- 1台の基準となる第1電源装置と、少なくとも1台の第2電源装置とを備え、前記第1電源装置及び前記第2電源装置が互いに負荷に対して並列に接続され、
前記第1電源装置及び前記第2電源装置は、それぞれ、
メインスイッチと、同期整流スイッチと、メイン磁気部品と、を備え、前記メインスイッチと前記同期整流スイッチとが相補的にオンオフされることにより、入力電圧を所定電圧に変換して出力するスイッチング回路と、
補助スイッチと、補助磁気部品と、を備え、前記メインスイッチと、前記同期整流スイッチのいずれかがオフ状態のときに前記補助スイッチがオン状態にされることにより、前記メインスイッチと、同期整流スイッチの容量成分と前記補助磁気部品とで共振動作させる補助スイッチング回路と、
前記メインスイッチ又は同期整流スイッチの端子間電圧を検出する電圧検出部と、
前記メインスイッチと前記同期整流スイッチとを相補的にオンオフさせるメイン信号を生成するとともに、前記同期整流スイッチの端子間電圧の立ち上がり波形又は前記メインスイッチの端子間電圧の立ち下がり波形に基づいて、前記補助スイッチを制御する補助信号を生成する制御部と、を備えた電力変換装置であって、
前記第1電源装置及び前記第2電源装置の一方は、
他方における前記補助信号を観測する補助観測部を備え、
前記一方が備える前記制御部は、前記第1電源装置における前記補助信号と、前記第2電源装置における前記補助信号との相違を観測して、前記第1電源装置と前記第2電源装置の出力電流の不均衡を検出することを特徴とする電力変換装置。 - 前記スイッチング回路は、容量成分を並列に備えた前記メインスイッチと、容量成分を並列に備え前記メインスイッチに直列接続された前記同期整流スイッチと、第1端及び第2端を両端とし前記メインスイッチと前記同期整流スイッチとの接続点に前記第1端が接続された前記メイン磁気部品と、を備え、
前記補助スイッチング回路は、前記メイン磁気部品の前記第1端に前記メイン磁気部品に並列に接続された回路であって、前記補助スイッチと、前記補助磁気部品と、前記補助スイッチとは別の素子の補助スイッチ又はダイオードである補助素子とを備え、
前記メイン磁気部品はメインリアクトルであり、
前記補助磁気部品は補助リアクトルであることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記第1電源装置は、前記補助観測部を備え、
前記第1電源装置の前記制御部は、前記相違に基づいて、前記第1電源装置における前記メイン信号を補正して補正信号を生成し、
前記第2電源装置は、前記第1電源装置の前記制御部で生成された前記補正信号を観測するメイン観測部を備え、
前記第2電源装置の前記制御部は、観測された前記補正信号から前記第2電源装置における前記メイン信号を生成することを特徴とする請求項1又は2に記載の電力変換装置。 - 前記第2電源装置は、
前記補助観測部と、
前記第1電源装置の前記制御部により生成された前記メイン信号を観測するメイン観測部と、を備え、
前記第2電源装置の前記制御部は、前記相違に基づいて、観測された前記メイン信号を補正して補正信号を生成し、生成した前記補正信号から前記第2電源装置における前記メイン信号を生成することを特徴とする請求項1又は2に記載の電力変換装置。 - 前記メイン磁気部品はメインリアクトルであり、
前記補助磁気部品は補助リアクトルであり、
前記メインリアクトルの第1端は、前記メインスイッチと前記同期整流スイッチとの接続点に接続されており、
前記メインスイッチがオン状態のときに、電源から前記メインリアクトルに電流が供給され、前記同期整流スイッチがオン状態のときに、前記メインリアクトルから負荷に電流が供給されるものであり、
前記第1電源装置及び前記第2電源装置は、それぞれ、
前記メインスイッチと前記同期整流スイッチとの直列体の高電位側端子と低電位側端子との間に接続された第1平滑コンデンサと、
前記メインリアクトルの第2端と前記直列体の前記低電位側端子との間に接続された第2平滑コンデンサと、を備え、
前記補助スイッチがオン状態のときに、前記補助スイッチング回路から前記メインスイッチ及び前記同期整流スイッチに並列に設けられた容量成分へ電流を流してゼロボルトスイッチングを実現する部分共振型回路であることを特徴とする請求項3又は4に記載の電力変換装置。 - 前記補正信号は、前記第1電源装置における前記補助信号のオン時間と、前記第2電源装置における前記補助信号のオン時間とが等しくなるように、前記第1電源装置における前記メイン信号のオン時間が補正された信号であり、
前記第1電源装置の前記制御部は、
前記第1電源装置における前記メイン信号の時比率を制御して、入力電圧を目標電圧に変換するとともに、前記第1電源装置における前記補助信号の時比率を制御して、前記メインスイッチのゼロボルトスイッチング制御を実施し、
前記第2電源装置の前記制御部は、
前記補正信号のオン時間を前記第2電源装置における前記メイン信号のオン時間とするとともに、前記第2電源装置における前記補助信号の時比率を制御して、前記メインスイッチのゼロボルトスイッチング制御を実施することを特徴とする請求項3〜5のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記第2電源装置の前記制御部は、前記メイン観測部により、閾値時間よりも長いオン時間が観測されたことを条件として、前記第2電源装置における前記メイン信号を生成して出力することを特徴とする請求項3〜6のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記第2電源装置の前記制御部は、前記メイン観測部により、前記第1電源装置の前記制御部の制御周期の間、オフ時間が継続していることが観測されたことを条件として、前記第2電源装置における前記メイン信号の出力を停止することを特徴とする請求項3〜7のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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