JP6573167B2 - Parallel chopper device - Google Patents

Description

本発明は、複数のチョッパを並列に接続した場合に発生するチョッパ間の電流アンバランスの検出技術に関するものである。   The present invention relates to a technique for detecting current imbalance between choppers that occurs when a plurality of choppers are connected in parallel.

図４は、ＤＣ／ＤＣコンバータの一種である昇圧チョッパを示しており、例えば特許文献１，２に記載されているものとほぼ同一の回路である。
図４において、１，２はリアクトル、３，６はダイオード、４，５は半導体スイッチング素子、７，８は平滑コンデンサ、１１，１２は直流入力端子、２１，２２は直流出力端子である。なお、スイッチング素子４，５は、後述する図８のスイッチング素子１０１ｂ，１０１ｃ，１０２ｂ，１０２ｃと同様に、逆並列接続された還流ダイオードを備えていて双方向に電流を通流可能な素子である。 FIG. 4 shows a step-up chopper which is a kind of DC / DC converter, which is substantially the same circuit as that described in Patent Documents 1 and 2, for example.
In FIG. 4, 1 and 2 are reactors, 3 and 6 are diodes, 4 and 5 are semiconductor switching elements, 7 and 8 are smoothing capacitors, 11 and 12 are DC input terminals, and 21 and 22 are DC output terminals. The switching elements 4 and 5 are elements that are provided with free-wheeling diodes connected in reverse parallel and can pass current bidirectionally, similarly to the switching elements 101b, 101c, 102b, and 102c of FIG. 8 described later. .

図４の昇圧チョッパでは、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御により、スイッチング素子４，５を互いに１８０度の位相差を持たせてＯＮ／ＯＦＦさせることにより、入力電圧Ｖ_ｉｎを昇圧した出力電圧Ｖ_ｏｕｔを得ている。また、直流出力端子２１，２２に加えて、平滑コンデンサ７，８同士の接続点も直流出力端子として用いれば、各出力端子間から３種類のレベルの直流電圧を出力させる、いわゆる３レベル昇圧チョッパを構成することも可能である。
なお、ダイオード３，６の代わりに半導体スイッチング素子を接続し、いわゆる同期整流を行うことも可能である。 Figure a boost chopper 4, the PWM (Pulse Width Modulation) control, by ON / OFF and have a phase difference of the switching elements 4 and 5 with each other 180 degrees, the output voltage _{V out} obtained by boosting the input voltage _{V in} Have gained. In addition to the DC output terminals 21 and 22, if the connection point between the smoothing capacitors 7 and 8 is also used as a DC output terminal, a so-called three-level boost chopper that outputs three types of DC voltages between the output terminals. It is also possible to configure.
It is also possible to connect a semiconductor switching element instead of the diodes 3 and 6 and perform so-called synchronous rectification.

図５は、電力変換容量を増加させるために、図４の昇圧チョッパを二つ並列に接続した並列チョッパ装置を示している。図５において、１’，２’はリアクトル、３’，６’はダイオード、４’，５’は半導体スイッチング素子、１１’，１２’は直流入力端子であり、その他の部分には図４と同一の符号を付してある。ここで、スイッチング４’，５’も、逆並列接続された還流ダイオードを備えていて双方向に電流を通流可能な素子である。   FIG. 5 shows a parallel chopper device in which two boost choppers of FIG. 4 are connected in parallel in order to increase the power conversion capacity. In FIG. 5, 1 'and 2' are reactors, 3 'and 6' are diodes, 4 'and 5' are semiconductor switching elements, 11 'and 12' are DC input terminals, and the other parts are the same as those shown in FIG. The same reference numerals are given. Here, the switching 4 ′ and 5 ′ are also elements that include a free-wheeling diode connected in antiparallel and allow current to flow in both directions.

上記構成において、リアクトル１，２、ダイオード３，６、スイッチング素子４，５により一方の昇圧チョッパ（以下、第１チョッパという）が構成され、リアクトル１’，２’、ダイオード３’，６’、スイッチング素子４’，５’により他方の昇圧チョッパ（以下、第２チョッパという）が構成される。
第２チョッパを構成するスイッチング素子４’，５’は、第１チョッパのスイッチング素子４，５と同様に、ＰＷＭ制御により互いに１８０度の位相差を持たせてＯＮ／ＯＦＦされる。 In the above configuration, one step-up chopper (hereinafter referred to as a first chopper) is configured by the reactors 1 and 2, the diodes 3 and 6, and the switching elements 4 and 5, and the reactors 1 ′ and 2 ′, the diodes 3 ′ and 6 ′, The switching element 4 ′, 5 ′ constitutes the other boost chopper (hereinafter referred to as a second chopper).
As with the switching elements 4 and 5 of the first chopper, the switching elements 4 ′ and 5 ′ constituting the second chopper are turned ON / OFF with a phase difference of 180 degrees by PWM control.

図５に示した並列チョッパ装置において、リアクトルの抵抗成分やインダクタンス成分の個体差、更には、ダイオード及びスイッチング素子のスイッチング特性や電圧降下の個体差が充分小さい理想条件では、第１チョッパ及び第２チョッパを出入りする電流Ｉ_ｉｎｐ，Ｉ_ｉｎｐ’，Ｉ_ｉｎｎ，Ｉ_ｉｎｎ’がバランスし、Ｉ_ｉｎｐ＝Ｉ_ｉｎｐ’，Ｉ_ｉｎｎ＝Ｉ_ｉｎｎ’となる。
しかしながら、実際には上述した諸特性に個体差が存在するため、Ｉ_ｉｎｐ，Ｉ_ｉｎｐ’及びＩ_ｉｎｎ，Ｉ_ｉｎｎ’はそれぞれ等しくならない。 In the parallel chopper device shown in FIG. 5, in ideal conditions where individual differences in the resistance component and inductance component of the reactor, and further in the individual characteristics of the switching characteristics and voltage drop of the diode and the switching element are sufficiently small, The currents I _inp , I _inp ′, I _inn , and I _inn ′ entering and exiting the chopper are balanced so that I _inp = I _inp ′ and I _inn = I _inn ′.
However, since there are actually individual differences in the above-described characteristics, I _inp and I _inp ′ and I _inn and I _inn ′ are not equal.

ここで、数式１は図５における正側電流のアンバランス成分ΔＩ_ｉｎｐを示し、数式２は負側電流のアンバランス成分ΔＩ_ｉｎｎを示している。
［数式１］
ΔＩ_ｉｎｐ＝Ｉ_ｉｎｐ’−Ｉ_ｉｎｐ
［数式２］
ΔＩ_ｉｎｎ＝Ｉ_ｉｎｎ’−Ｉ_ｉｎｎ Here, Equation 1 represents the unbalance component ΔI _inp of the positive current in FIG. 5, and Equation 2 represents the unbalance component ΔI _inn of the negative current.
[Formula 1]
ΔI _inp = I _inp '−I _inp
[Formula 2]
ΔI _inn = I _inn '−I _inn

これらの電流アンバランス成分ΔＩ_ｉｎｐ，ΔＩ_ｉｎｎは、回路内の各構成部品における発熱の不均一、電力変換損失の増加、更には、スイッチング素子やダイオードのスイッチング時に発生するサージ電圧の増加などを引き起こすため、有意な値にならないように抑制する必要がある。
電流アンバランスの一般的な抑制方法としては、第１チョッパ及び第２チョッパを流れる電流を検出してスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ時間を適切に制御する方法が知られており、そのためにはΔＩ_ｉｎｐ，ΔＩ_ｉｎｎを検出する必要がある。 These current imbalance components ΔI _inp and ΔI _inn cause non-uniform heat generation in each component in the circuit, increase in power conversion loss, and increase in surge voltage generated when switching the switching elements and diodes. Therefore, it is necessary to suppress it so that it does not become a significant value.
As a general method for suppressing current imbalance, there is known a method for appropriately controlling the ON / OFF time of the switching element by detecting the current flowing through the first chopper and the second chopper. For this purpose, ΔI _inp , ΔI _inn need to be detected.

図６は、図５に電流アンバランス成分ΔＩ_ｉｎｐ，ΔＩ_ｉｎｎの検出機能を付加した並列チョッパ装置の回路図である。
図６において、３０，３１，３２は電流検出手段であり、これらの電流検出手段３０，３１，３２により３箇所の電流値Ｉ_ｉｎ，Ｉ_ｉｎｐ，Ｉ_ｉｎｎを検出する。次に、これらの電流検出値Ｉ_ｉｎ，Ｉ_ｉｎｐ，Ｉ_ｉｎｎに対して数式３，４の差分演算を行えば、電流アンバランス成分ΔＩ_ｉｎｐ，ΔＩ_ｉｎｎを間接的に検出することができる。
［数式３］
ΔＩ_ｉｎｐ＝（Ｉ_ｉｎ−Ｉ_ｉｎｐ）−Ｉ_ｉｎｐ
［数式４］
ΔＩ_ｉｎｎ＝（Ｉ_ｉｎ−Ｉ_ｉｎｎ）−Ｉ_ｉｎｎ FIG. 6 is a circuit diagram of a parallel chopper device in which the function of detecting current imbalance components ΔI _inp and ΔI _inn is added to FIG.
In FIG. 6, reference numerals 30, 31, and 32 denote current detection means, which detect current values I _in , I _inp , and I _inn at three locations. Next, the current unbalance components ΔI _inp and ΔI _inn can be indirectly detected by performing the difference calculation of Equations 3 and 4 on these current detection values I _in , I _inp and I _inn .
[Formula 3]
ΔI _inp = (I _in −I _inp ) −I _inp
[Formula 4]
ΔI _inn = (I _in −I _inn ) −I _inn

また、図７は、電流検出箇所が図６と異なる並列チョッパ装置の回路図である。
図６では、電流検出手段３０により全体の入力電流Ｉ_ｉｎを検出すると共に、電流検出手段３１，３２により第１チョッパの正側入力電流Ｉ_ｉｎｐ及び負側入力電流Ｉ_ｉｎｎをそれぞれ検出するのに対し、図７の回路では、電流検出手段４１，４２により、第１チョッパ，第２チョッパの正側入力電流Ｉ_ｉｎｐ，Ｉ_ｉｎｐ’による差分磁束と負側入力電流Ｉ_ｉｎｎ，Ｉ_ｉｎｎ’ による差分磁束とをそれぞれ検出している。 FIG. 7 is a circuit diagram of a parallel chopper device in which the current detection location is different from that in FIG.
In FIG. 6, the current detection means 30 detects the entire input current I _in and the current detection means 31 and 32 detect the positive side input current I _inp and the negative side input current I _inn of the first chopper, respectively. On the other hand, in the circuit of FIG. 7, the current detection means 41, 42 causes the difference magnetic flux due to the positive side input currents I _inp , I _inp ′ of the first chopper and the second chopper and the difference due to the negative side input currents I _inn , I _inn ′. Magnetic flux is detected respectively.

図７における電流検出手段４１，４２としては、電気的に絶縁した状態で電流を測定可能な検出手段、例えばホール素子を用いた電流検出手段を想定している。
これらの電流検出手段４１，４２は、互いに逆方向に流れる正側入力電流Ｉ_ｉｎｐ，Ｉ_ｉｎｐ’、及び、互いに逆方向に流れる負側入力電流Ｉ_ｉｎｎ，Ｉ_ｉｎｎ’から差分磁束をそれぞれ検出し、一方の電流検出手段４１はＩ_ｉｎｐ，Ｉ_ｉｎｐ’による差分磁束に基づいて電流アンバランス成分ΔＩ_ｉｎｐを検出し、他方の電流検出手段４２はＩ_ｉｎｎ，Ｉ_ｉｎｎ’による差分磁束に基づいて電流アンバランス成分ΔＩ_ｉｎｎを検出するものである。 As the current detection means 41 and 42 in FIG. 7, a detection means capable of measuring a current in an electrically insulated state, for example, a current detection means using a Hall element is assumed.
These current detection means 41 and 42 detect differential magnetic fluxes from positive side input currents I _inp and I _inp ′ flowing in opposite directions and negative side input currents I _inn and I _inn ′ flowing in opposite directions, respectively. One current detection means 41 detects the current unbalance component ΔI _inp based on the differential magnetic flux due to I _inp , I _inp ′, and the other current detection means 42 detects the current based on the differential magnetic flux due to I _inn , I _inn ′. An unbalance component ΔI _inn is detected.

図７では、電流バランス制御に必要な電流検出手段の数が２つで済み、図６よりも少なくなる。ただし、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電流を制御する上で、図７の回路でも入力電流Ｉ_ｉｎを検出することが必要であるため、全体的な電流検出手段の数は図６と同様に合計３つとなる。 In FIG. 7, the number of current detection means required for the current balance control is only two, which is smaller than that in FIG. However, in order to control the input current of the DC / DC converter, it is necessary to detect the input current I _{in in} the circuit of FIG. 7 as well, so that the total number of current detection means is 3 as in FIG. Become one.

なお、二つのチョッパからなる並列チョッパ装置（多重チョッパ装置）において、各チョッパ間の電流アンバランスを解消するようにした従来技術が、特許文献３に記載されている。
図８は、特許文献３に記載された多重チョッパ装置の構成図であり、１００は直流電源、１０１，１０２はそれぞれ第１チョッパ，第２チョッパ、１０１ａ，１０２ａはリアクトル、１０１ｂ，１０１ｃ，１０２ｂ，１０２ｃはスイッチング素子、１０１ｄ，１０２ｄはドライバ、１０３，１０４は平滑コンデンサ、１０５は電流検出手段、２００は負荷、３０１，３０２は電流抽出回路、３０１ａ，３０２ａは増幅回路、３０１ｂ，３０２ｂはフィルタ、３０１ｃ，３０２ｃはスイッチ、３０３は演算比較回路、３０４は制御回路、３０５は補正回路、３０６，３０７はサンプリング回路である。 Patent Document 3 discloses a conventional technique in which a current unbalance between choppers is eliminated in a parallel chopper device (multiple chopper device) composed of two choppers.
FIG. 8 is a configuration diagram of the multiple chopper device described in Patent Document 3, in which 100 is a DC power source, 101 and 102 are first chopper and second chopper, 101a and 102a are reactors, 101b, 101c, 102b, 102c is a switching element, 101d and 102d are drivers, 103 and 104 are smoothing capacitors, 105 is a current detection means, 200 is a load, 301 and 302 are current extraction circuits, 301a and 302a are amplifier circuits, 301b and 302b are filters, 301c , 302c are switches, 303 is an operation comparison circuit, 304 is a control circuit, 305 is a correction circuit, and 306 and 307 are sampling circuits.

図８に示した多重チョッパ装置では、各チョッパ１０１，１０２の下アームのスイッチング素子１０１ｃ，１０２ｃのオフ期間に同期したサンプリング回路３０６，３０７の出力信号によりスイッチ３０１ｃ，３０２ｃをそれぞれオンし、電流検出手段１０５による電流検出値Ｉ_３を増幅して演算比較回路３０３に入力する。
ここで、多重チョッパ装置の昇圧比が２倍以上である場合には、下アームのスイッチング素子１０１ｃ，１０２ｃがそれぞれオフとなる期間が重なることはないため、電流検出手段１０５による電流検出値Ｉ_３は、スイッチング素子１０１ｃのオフ期間に第１チョッパ１０１の出力電流Ｉ_１に等しく、また、スイッチング素子１０２ｃのオフ期間に第２チョッパ１０２の出力電流Ｉ_２に等しくなる。
よって、演算比較回路３０３により電流抽出回路３０１，３０２の出力の差を求めれば、第１チョッパ１０１及び第２チョッパ１０２の出力電流Ｉ_１，Ｉ_２のアンバランスを検出することができる。 In the multiple chopper device shown in FIG. 8, the switches 301c and 302c are turned on by the output signals of the sampling circuits 306 and 307 in synchronization with the off periods of the switching elements 101c and 102c of the lower arms of the choppers 101 and 102, respectively. The current detection value I ₃ obtained by the means 105 is amplified and input to the operation comparison circuit 303.
Here, when the step-up ratio of the multi-chopper device is more than twice, since the switching element 101c of the lower arm, 102c there is no overlap period of the off each current detection value I ₃ by the current detection unit 105 It is equal to the output current _{I 1} of the first chopper 101 in the oFF period of the switching element 101c, also equal to the output current _{I 2} of the second chopper 102 in the oFF period of the switching element 102c.
Therefore, if the difference between the outputs of the current extraction circuits 301 and 302 is obtained by the operation comparison circuit 303, the imbalance between the output currents I ₁ and I ₂ of the first chopper 101 and the second chopper 102 can be detected.

特開２０１３−３８９２１号公報（図３（ｂ）等）Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-38921 (FIG. 3B, etc.) 特許第５０７０９３７号公報（図１〜図４等）Japanese Patent No. 5070937 (FIGS. 1-4, etc.) 特許第５５７０３３８号公報（段落[００１４]〜[００３２]、図１，図２等）Japanese Patent No. 5570338 (paragraphs [0014] to [0032], FIG. 1, FIG. 2, etc.)

図６，図７の従来技術において、電流アンバランス成分ΔＩ_ｉｎｐ，ΔＩ_ｉｎｎを検出するために必要な電流検出手段の数は、少なくとも２つであり、装置全体のコストの削減や小型化のためには、電流検出手段の数を更に少なくすることが求められている。
これに対し、図８に示した従来技術によれば、電流検出手段が単一で済む利点がある。しかし、電流を抽出するためのサンプリング回路３０６，３０７やスイッチ３０１ｃ，３０２ｃによって回路構成が複雑化すると共に、昇圧比が２倍未満である場合には、下アームのスイッチング素子１０１ｃ，１０２ｃのオフ期間が重ならないように、補正回路３０５によって電流のサンプリングタイミングをずらす等の処理が必要である。
このため、電流検出手段の削減が可能であるとしても、周辺回路や演算処理が複雑化するという問題を生じていた。 6 and 7, the number of current detection means required to detect the current imbalance components ΔI _inp and ΔI _inn is at least two, so that the overall cost of the apparatus can be reduced and the size can be reduced. Therefore, it is required to further reduce the number of current detection means.
On the other hand, according to the conventional technique shown in FIG. However, when the sampling circuits 306 and 307 for extracting current and the switches 301c and 302c complicate the circuit configuration and the step-up ratio is less than two times, the off-period of the switching elements 101c and 102c in the lower arm is reduced. Processing such as shifting the current sampling timing by the correction circuit 305 is necessary so as not to overlap.
For this reason, even if the current detection means can be reduced, there has been a problem that the peripheral circuit and the arithmetic processing become complicated.

そこで、本発明の解決課題は、簡単な構成で電流アンバランス成分を検出可能とし、コストの低減を図った並列チョッパ装置を提供することにある。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a parallel chopper device that can detect a current imbalance component with a simple configuration and reduce costs.

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、第1のダイオード，第１の半導体スイッチング素子，第２の半導体スイッチング素子，第２のダイオードを順次直列に接続した直列回路と、第３のダイオード，第３の半導体スイッチング素子，第４の半導体スイッチング素子，第４のダイオードを順次直列に接続した直列回路と、第１，第２の平滑コンデンサを直列に接続した直列回路とを、一対の直流出力端子間に互いに並列に接続し、
前記第１のダイオードと前記第１の半導体スイッチング素子との接続点を第１のリアクトルを介して第１の正側直流入力端子に接続すると共に、前記第２の半導体スイッチング素子と前記第２のダイオードとの接続点を第２のリアクトルを介して第１の負側直流入力端子に接続し、かつ、前記第３のダイオードと前記第３の半導体スイッチング素子との接続点を第３のリアクトルを介して第２の正側直流入力端子に接続すると共に、前記第４の半導体スイッチング素子と前記第４のダイオードとの接続点を第４のリアクトルを介して第２の負側直流入力端子に接続し、
前記正側直流入力端子と前記負側直流入力端子との間に直流電源電圧が印加される並列チョッパ装置であって、前記第１〜第４の半導体スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦにより前記直流電源電圧の大きさを変換して出力する並列チョッパ装置において、
前記第１，第２の半導体スイッチング素子同士の接続点と前記第１，第２の平滑コンデンサ同士の接続点との間を流れる電流と、前記第３，第４の半導体スイッチング素子同士の接続点と前記第１，第２の平滑コンデンサ同士の接続点との間を流れる電流と、の差分値を検出する電流検出手段を備えたものである。 In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 includes a series circuit in which a first diode, a first semiconductor switching element, a second semiconductor switching element, and a second diode are sequentially connected in series, A diode, a third semiconductor switching element, a fourth semiconductor switching element, a series circuit in which the fourth diodes are sequentially connected in series, and a series circuit in which the first and second smoothing capacitors are connected in series. Connected in parallel between the DC output terminals of
A connection point between the first diode and the first semiconductor switching element is connected to a first positive DC input terminal via a first reactor, and the second semiconductor switching element and the second semiconductor switching element are connected to each other. A connection point between the diode and the first negative DC input terminal is connected via a second reactor, and a connection point between the third diode and the third semiconductor switching element is connected to the third reactor. And a connection point between the fourth semiconductor switching element and the fourth diode is connected to a second negative DC input terminal via a fourth reactor. And
A parallel chopper device in which a DC power supply voltage is applied between the positive DC input terminal and the negative DC input terminal, wherein the DC power supply voltage is turned on / off by the first to fourth semiconductor switching elements. In a parallel chopper device that converts and outputs the size of
A current flowing between a connection point between the first and second semiconductor switching elements and a connection point between the first and second smoothing capacitors, and a connection point between the third and fourth semiconductor switching elements And a current detecting means for detecting a difference value between the current flowing between the first and second smoothing capacitors.

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した並列チョッパ装置において、前記第１，第３の半導体スイッチング素子がＯＮし、かつ、前記第２，第４の半導体スイッチング素子がＯＦＦしているときに、前記電流検出手段による電流検出値に基づいて、前記第１のリアクトルと前記第３のリアクトルとを流れる電流の差分値を検出し、前記第１，第３の半導体スイッチング素子がＯＦＦし、かつ、前記第２，第４の半導体スイッチング素子がＯＮしているときに、前記電流検出手段による電流検出値に基づいて、前記第２のリアクトルと前記第４のリアクトルとを流れる電流の差分値を検出するものである。   The invention according to claim 2 is the parallel chopper device according to claim 1, wherein the first and third semiconductor switching elements are ON, and the second and fourth semiconductor switching elements are OFF. Sometimes, based on a current detection value by the current detection means, a difference value between currents flowing through the first reactor and the third reactor is detected, and the first and third semiconductor switching elements are turned off. And, when the second and fourth semiconductor switching elements are ON, the difference between the currents flowing through the second reactor and the fourth reactor based on the current detection value by the current detection means The value is detected.

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した並列チョッパ装置において、前記第１，第２のリアクトル同士、及び、前記第３，第４のリアクトル同士が、それぞれ磁気的に結合されていることを特徴とする。   The invention according to claim 3 is the parallel chopper device according to claim 1 or 2, wherein the first and second reactors and the third and fourth reactors are magnetically coupled to each other. It is characterized by.

本発明によれば、二つのチョッパを並列接続した場合に発生する電流アンバランス成分を、単一の電流検出手段によって検出することができる。特に、特許文献３のように昇圧比に応じて電流のサンプリングタイミングをずらす等の煩雑な処理が不要であり、電流アンバランスの検出を低コストにて実現可能である。   According to the present invention, a current unbalance component generated when two choppers are connected in parallel can be detected by a single current detection means. In particular, complicated processing such as shifting the current sampling timing in accordance with the step-up ratio as in Patent Document 3 is unnecessary, and detection of current imbalance can be realized at low cost.

本発明の実施形態に係る並列チョッパ装置の回路図である。1 is a circuit diagram of a parallel chopper device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態における各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ状態に対するＩ_ｍ，Ｉ_ｍ’，ΔＩ_ｍの推移を示す図である。 _I m for ON / OFF state of each switching element in the embodiment of the present invention, _{I m} ', is a graph showing transition of [Delta] I _m. 本発明の実施形態における各スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ状態の組み合わせに対する電流経路の推移を示す図である。It is a figure which shows transition of the current path with respect to the combination of the ON / OFF state of each switching element in embodiment of this invention. 昇圧チョッパの回路図である。It is a circuit diagram of a step-up chopper. 第１チョッパ及び第２チョッパからなる並列チョッパ装置の回路図である。It is a circuit diagram of the parallel chopper apparatus which consists of a 1st chopper and a 2nd chopper. 図５に電流アンバランス成分の検出機能を付加した並列チョッパ装置の回路図である。FIG. 5 is a circuit diagram of a parallel chopper device in which a function for detecting a current unbalance component is added to FIG. 5. 図５に電流アンバランス成分の検出機能を付加した、他の並列チョッパ装置の回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram of another parallel chopper device in which a function for detecting a current imbalance component is added to FIG. 5. 特許文献３に記載された多重チョッパ装置の構成図である。It is a block diagram of the multiple chopper apparatus described in patent document 3.

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態に係る並列チョッパ装置の回路図であり、図４における各部と同一の機能を有するものには同一の符号を付してある。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram of a parallel chopper device according to this embodiment. Components having the same functions as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals.

図１において、直流出力端子２１，２２の間には、ダイオード３とスイッチング素子４，５とダイオード６が直列に接続され、ダイオード３とスイッチング素子４との接続点はリアクトル１を介して正側の直流入力端子１１に接続されると共に、スイッチング素子５とダイオード６との接続点はリアクトル２を介して負側の直流入力端子１２に接続されている。
同様に、直流出力端子２１，２２の間には、ダイオード３’とスイッチング素子４’，５’とダイオード６’が直列に接続され、ダイオード３’とスイッチング素子４’との接続点はリアクトル１’を介して正側の直流入力端子１１’に接続されると共に、スイッチング素子５’とダイオード６’との接続点はリアクトル２’を介して負側の直流入力端子１２’に接続されている。
上記のスイッチング素子４，４’，５，５’は、前述した図８のスイッチング素子１０１ｂ，１０１ｃ，１０２ｂ，１０２ｃと同様に、逆並列接続された還流ダイオードを備えていて双方向に電流を通流可能な素子である。 In FIG. 1, a diode 3, switching elements 4, 5 and a diode 6 are connected in series between DC output terminals 21 and 22, and the connection point between the diode 3 and the switching element 4 is connected to the positive side via a reactor 1. The switching element 5 and the diode 6 are connected to the negative DC input terminal 12 through the reactor 2.
Similarly, a diode 3 ′, switching elements 4 ′ and 5 ′, and a diode 6 ′ are connected in series between the DC output terminals 21 and 22, and the connection point between the diode 3 ′ and the switching element 4 ′ is the reactor 1. Is connected to the positive DC input terminal 11 ′ via “,” and the connection point between the switching element 5 ′ and the diode 6 ′ is connected to the negative DC input terminal 12 ′ via the reactor 2 ′. .
The switching elements 4, 4 ′, 5, 5 ′ are provided with free-wheeling diodes connected in reverse parallel as in the switching elements 101 b, 101 c, 102 b, 102 c of FIG. It is an element that can flow.

上記構成において、リアクトル１，２、ダイオード３，６、スイッチング素子４，５により第１チョッパが構成され、リアクトル１’，２’、ダイオード３’，６’、スイッチング素子４’，５’により第２チョッパが構成されている。
なお、直流入力端子１１，１１’は単一の直流電源（図示せず）の正極に接続され、直流入力端子１２，１２’は前記直流電源の負極に接続されている。また、リアクトル１，２やリアクトル１’，２’は、それぞれ互いに磁気結合されていても良い。 In the above configuration, the first chopper is constituted by the reactors 1 and 2, the diodes 3 and 6, and the switching elements 4 and 5, and the reactors 1 ′ and 2 ′, the diodes 3 ′ and 6 ′, and the switching elements 4 ′ and 5 ′ Two choppers are configured.
The DC input terminals 11 and 11 ′ are connected to the positive electrode of a single DC power supply (not shown), and the DC input terminals 12 and 12 ′ are connected to the negative electrode of the DC power supply. Further, the reactors 1 and 2 and the reactors 1 ′ and 2 ′ may be magnetically coupled to each other.

ここで、直流入力端子１１，１１’は請求項における第１，第２の正側直流入力端子に、直流入力端子１２，１２’は請求項における第１，第２の負側直流入力端子に、リアクトル１，２は第１，第２のリアクトルに、リアクトル１’，２’は第３，第４のリアクトルに、ダイオード３，６，３’，６’は第１〜第４のダイオードに、スイッチング素子４，５，４’，５’は第１〜第４のスイッチング素子に、コンデンサ７，８は第１，第２のコンデンサに、それぞれ相当している。   Here, the DC input terminals 11 and 11 'are the first and second positive DC input terminals in the claims, and the DC input terminals 12 and 12' are the first and second negative DC input terminals in the claims. , Reactors 1 and 2 are first and second reactors, reactors 1 'and 2' are third and fourth reactors, and diodes 3, 6, 3 'and 6' are first to fourth diodes. The switching elements 4, 5, 4 'and 5' correspond to first to fourth switching elements, and the capacitors 7 and 8 correspond to first and second capacitors, respectively.

また、直流出力端子２１，２２の間には平滑コンデンサ７，８が直列に接続されており、平滑コンデンサ７，８同士の接続点と、スイッチング素子４，５同士の接続点及びスイッチング素子４’，５’同士の接続点との間には、電流検出手段４０が接続されている。
この電流検出手段４０には、図７における電流検出手段４１，４２と同様に、電気的に絶縁した状態で電流を測定可能なホール素子等が用いられており、互いに逆方向に流れる後述の電流Ｉ_ｍ，Ｉ_ｍ’から差分磁束を検出し、この差分磁束に基づいて差分値ΔＩ_ｍひいてはチョッパ間の電流アンバランス成分を検出する。 Further, smoothing capacitors 7 and 8 are connected in series between the DC output terminals 21 and 22, and the connection point between the smoothing capacitors 7 and 8, the connection point between the switching elements 4 and 5, and the switching element 4 '. , 5 ′, a current detection means 40 is connected between the connection points.
The current detection means 40 uses a Hall element or the like that can measure a current in an electrically insulated state, like the current detection means 41 and 42 in FIG. A differential magnetic flux is detected from I _m and I _m ′, and based on this differential magnetic flux, a difference value ΔI _{m and, in} turn, a current unbalance component between choppers is detected.

なお、図１に示すように、第１チョッパにおける流入電流，流出電流をそれぞれＩ_ｉｎｐ，Ｉ_ｉｎｎとし、第２チョッパにおける流入電流，流出電流をそれぞれＩ_ｉｎｐ’，Ｉ_ｉｎｎ’とする。また、スイッチング素子４，５同士の接続点から平滑コンデンサ７，８同士の接続点に向かって流れる電流をＩ_ｍとし、スイッチング素子４’，５’同士の接続点から平滑コンデンサ７，８同士の接続点に向かって流れる電流をＩ_ｍ’とする。これらの電流Ｉ_ｍ，Ｉ_ｍ’ の差分値ΔＩ_ｍは、電流検出手段４０において、数式５により検出可能である。
［数式５］
ΔＩ_ｍ＝Ｉ_ｍ’−Ｉ_ｍ As shown in FIG. 1, the inflow current and the outflow current in the first chopper are I _inp and I _inn , respectively, and the inflow current and the outflow current in the second chopper are I _inp ′ and I _inn ′, respectively. Further, the current flowing toward the connecting point of the smoothing capacitor 7 and 8 to each other from a connection point between the switching elements 4 and 5 and I _m, the switching element 4 ', 5' from the connection point between the between the smoothing capacitor 7 and 8 Let I _m 'be the current flowing toward the connection point. The difference value ΔI _m between these currents I _m and I _m ′ can be detected by the current detection means 40 using Equation 5.
[Formula 5]
ΔI _m = I _m '−I _m

次に、この実施形態の動作を、図２，図３を参照しつつ説明する。
図２は、スイッチング素子４，４’，５，５’のＯＮ／ＯＦＦ状態に対するＩ_ｍ，Ｉ_ｍ’，ΔＩ_ｍの推移を示している。ここでは、第１チョッパと第２チョッパとの間で電流アンバランスが発生しており、各チョッパの流入電流，流出電流の大小関係は、Ｉ_ｉｎｐ＜Ｉ_ｉｎｐ’かつＩ_ｉｎｎ＜Ｉ_ｉｎｎ’であると仮定する。 Next, the operation of this embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 2 shows changes in I _m , I _m ′, and ΔI _m with respect to the ON / OFF states of the switching elements 4, 4 ′, 5, 5 ′. Here, current imbalance occurs between the first chopper and the second chopper, and the magnitude relationship between the inflow current and the outflow current of each chopper is I _inp <I _inp ′ and I _inn <I _inn ′. Assume that there is.

スイッチング素子４，４’，５，５’の通流率は、図２（ａ）が５０[％]未満（以下、降圧モードという）であり、図２（ｂ）が５０[％]以上（以下、昇圧モードという）である。なお、降圧モードではＶ_ｉｎ＞Ｖ_ｏｕｔであり、昇圧モードではＶ_ｉｎ＜Ｖ_ｏｕｔである。
降圧モード・昇圧モードを含めて、スイッチング素子４，４’，５，５’のＯＮ／ＯＦＦ状態の組み合わせは４通り存在し、それぞれの組み合わせごとに、平滑コンデンサ７，８同士の接続点を流れる電流Ｉ_ｍ，Ｉ_ｍ’も変化する。なお、スイッチング素子４，４’は同時にＯＮ／ＯＦＦし、同５，５’も同時にＯＮ／ＯＦＦする。 The flow rates of the switching elements 4, 4 ′, 5, 5 ′ are less than 50% in FIG. 2A (hereinafter referred to as step-down mode), and 50% or more in FIG. Hereinafter, it is referred to as a boost mode. Note that V _in > V _{out in the} step-down mode, and V _in <V _{out in the} step-up mode.
There are four combinations of ON / OFF states of the switching elements 4, 4 ', 5, 5' including the step-down mode and the step-up mode, and each combination flows through the connection point between the smoothing capacitors 7, 8. The currents I _m and I _m ′ also change. The switching elements 4 and 4 ′ are simultaneously turned on / off, and the same 5 and 5 ′ are simultaneously turned on and off.

図３（ａ）〜（ｄ）は、スイッチング素子４，４’，５，５’の４通りのＯＮ／ＯＦＦ状態に対する電流経路の推移を示す図である。なお、図３（ａ）〜（ｄ）では電流検出手段４０が簡略的に図示されているが、その構成は図１における電流検出手段４０と同一である。
スイッチング素子４，４’または同５，５’がＯＮしている図３（ａ），（ｂ）ではＩ_ｍ，Ｉ_ｍ’が流れ、スイッチング素子４，４’，５，５’がすべてＯＦＦである図３（ｃ）やすべてＯＮである図３（ｄ）ではＩ_ｍ，Ｉ_ｍ’が流れない。 FIGS. 3A to 3D are diagrams showing the transition of the current path with respect to the four ON / OFF states of the switching elements 4, 4 ′, 5, and 5 ′. 3A to 3D, the current detection unit 40 is illustrated in a simplified manner, but the configuration is the same as that of the current detection unit 40 in FIG.
In FIGS. 3A and 3B in which the switching elements 4, 4 ′ or 5, 5 ′ are ON, I _m and I _m ′ flow, and the switching elements 4, 4 ′, 5, 5 ′ are all OFF. In FIG. 3C and FIG. 3D in which all are ON, I _m and I _m ′ do not flow.

このうち、図３（ａ）は、スイッチング素子４，４’がＯＮ、同５，５’がＯＦＦの状態であり、Ｉ_ｍ＝Ｉ_ｉｎｐ，Ｉ_ｍ’＝Ｉ_ｉｎp’である。また、図３（ｂ）は、スイッチング素子４，４’がＯＦＦ、同５，５’がＯＮの状態であり、Ｉ_ｍ＝−Ｉ_ｉｎｎ，Ｉ_ｍ’＝−Ｉ_ｉｎｎ’である。 Among these, FIG. 3A shows a state in which the switching elements 4 and 4 ′ are ON, and 5 and 5 ′ are OFF, and I _m = I _inp and I _m ′ = I _inp ′. FIG. 3B shows a state in which the switching elements 4 and 4 ′ are OFF and 5 and 5 ′ are ON, and I _m = −I _inn and I _m ′ = −I _inn ′.

電流検出手段４０は、前述した数式５に従って差分値ΔＩ_ｍを検出する。前述したごとく、Ｉ_ｉｎｐ＜Ｉ_ｉｎｐ’かつＩ_ｉｎｎ＜Ｉ_ｉｎｎ’であるため、スイッチング素子４，４’，５，５’のＯＮ／ＯＦＦ状態の組み合わせに対するＩ_ｍ，Ｉ_ｍ’，ΔＩ_ｍは、下記の表１のようになる。

The current detection means 40 detects the difference value ΔI _m according to Equation 5 described above. As described above, since I _inp <I _inp ′ and I _inn <I _inn ′, I _m , I _m ′, ΔI _m for the combination of ON / OFF states of the switching elements 4, 4 ′, 5, 5 ′ are As shown in Table 1 below.

なお、表１において、ΔＩ_ｉｎｐ＞０，ΔＩ_ｉｎｎ＞０であり、電流検出手段４０は、数式６，数式７に示すように、スイッチング素子４，４’がＯＮであって同５，５’がＯＦＦの時に、ΔＩ_ｍとしてΔＩ_ｉｎｐを検出し、スイッチング素子４，４’がＯＦＦであって同５，５’がＯＮの時に、ΔＩ_ｍとして−ΔＩ_ｉｎｎを検出する（言い換えれば、−ΔＩ_ｍとしてΔＩ_ｉｎｎを検出する）ことになる。 In Table 1, ΔI _inp > 0, ΔI _inn > 0, and the current detection means 40 is configured so that the switching elements 4, 4 ′ are ON and ΔI _inp is detected as ΔI _m when is OFF, and −ΔI _inn is detected as ΔI _m when switching elements 4 and 4 ′ are OFF and 5 and 5 ′ are ON (in other words, −ΔI ΔI _inn is detected as _m ).

［数式６］
ΔＩ_ｉｎｐ＝ΔＩ_ｍ （スイッチング素子４，４’：ＯＮ，同５，５’：ＯＦＦ）
［数式７］
ΔＩ_ｉｎｎ＝−ΔＩ_ｍ （スイッチング素子４，４’：ＯＦＦ，同５，５’：ＯＮ） [Formula 6]
ΔI _inp = ΔI _m (switching elements 4, 4 ′: ON, 5, 5 ′: OFF)
[Formula 7]
ΔI _inn = −ΔI _m (switching elements 4, 4 ′: OFF, 5, 5 ′: ON)

従って、この実施形態では、第１チョッパ及び第２チョッパの上アームまたは下アームのスイッチング素子をＯＮさせた状態で、単一の電流検出手段４０のみを用いて電流アンバランス成分ΔＩ_ｉｎｐ，ΔＩ_ｉｎｎを検出することができる。なお、この実施形態では、一スイッチング周期において少なくとも２回の電流検出処理を行うことにより、ΔＩ_ｉｎｐ，ΔＩ_ｉｎｎの検出が可能になる。
このようにして、電流検出手段４０の出力に基づいて電流アンバランス成分ΔＩ_ｉｎｐ，ΔＩ_ｉｎｎが検出された場合には、アラームを発生させる、スイッチング素子４，４’，５，５’のＯＮ／ＯＦＦのタイミングを調整してアンバランスを解消する、等の処理を行えば良い。 Therefore, in this embodiment, the current unbalance components ΔI _inp , ΔI _inn using only the single current detection means 40 with the switching elements of the upper arm or the lower arm of the first chopper and the second chopper turned on. Can be detected. In this embodiment, ΔI _inp and ΔI _inn can be detected by performing current detection processing at least twice in one switching period.
In this way, when the current imbalance components ΔI _inp and ΔI _inn are detected based on the output of the current detection means 40, the ON / OFF of the switching elements 4, 4 ′, 5, 5 ′ that generates an alarm is generated. What is necessary is just to perform processing, such as adjusting OFF timing and eliminating imbalance.

１，１’，２，２’：リアクトル
３，３’，６，６’：ダイオード
４，４’，５，５’：半導体スイッチング素子
７，８：平滑コンデンサ
１１，１１’，１２，１２’：直流入力端子
２１，２２：直流出力端子
４０：電流検出手段 1, 1 ', 2, 2': Reactors 3, 3 ', 6, 6': Diodes 4, 4 ', 5, 5': Semiconductor switching elements 7, 8: Smoothing capacitors 11, 11 ', 12, 12' : DC input terminals 21 and 22: DC output terminal 40: Current detection means

Claims (3)

第1のダイオード，第１の半導体スイッチング素子，第２の半導体スイッチング素子，第２のダイオードを順次直列に接続した直列回路と、第３のダイオード，第３の半導体スイッチング素子，第４の半導体スイッチング素子，第４のダイオードを順次直列に接続した直列回路と、第１，第２の平滑コンデンサを直列に接続した直列回路とを、一対の直流出力端子間に互いに並列に接続し、
前記第１のダイオードと前記第１の半導体スイッチング素子との接続点を第１のリアクトルを介して第１の正側直流入力端子に接続すると共に、前記第２の半導体スイッチング素子と前記第２のダイオードとの接続点を第２のリアクトルを介して第１の負側直流入力端子に接続し、かつ、前記第３のダイオードと前記第３の半導体スイッチング素子との接続点を第３のリアクトルを介して第２の正側直流入力端子に接続すると共に、前記第４の半導体スイッチング素子と前記第４のダイオードとの接続点を第４のリアクトルを介して第２の負側直流入力端子に接続し、
前記第１，第２の正側直流入力端子と前記第１，第２の負側直流入力端子との間に印加された直流電源電圧を、前記第１〜第４の半導体スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦにより所定値に変換して出力する並列チョッパ装置において、
前記第１，第２の半導体スイッチング素子同士の接続点と前記第１，第２の平滑コンデンサ同士の接続点との間を流れる電流と、前記第３，第４の半導体スイッチング素子同士の接続点と前記第１，第２の平滑コンデンサ同士の接続点との間を流れる電流と、の差分値を検出する電流検出手段を備えたことを特徴とする並列チョッパ装置。 A first diode, a first semiconductor switching element, a second semiconductor switching element, a series circuit in which the second diodes are connected in series, a third diode, a third semiconductor switching element, and a fourth semiconductor switching; A series circuit in which the element and the fourth diode are sequentially connected in series, and a series circuit in which the first and second smoothing capacitors are connected in series are connected in parallel between the pair of DC output terminals,
A connection point between the first diode and the first semiconductor switching element is connected to a first positive DC input terminal via a first reactor, and the second semiconductor switching element and the second semiconductor switching element are connected to each other. A connection point between the diode and the first negative DC input terminal is connected via a second reactor, and a connection point between the third diode and the third semiconductor switching element is connected to the third reactor. And a connection point between the fourth semiconductor switching element and the fourth diode is connected to a second negative DC input terminal via a fourth reactor. And
A DC power supply voltage applied between the first and second positive DC input terminals and the first and second negative DC input terminals is used to turn ON / OFF the first to fourth semiconductor switching elements. In the parallel chopper device that converts to a predetermined value by OFF and outputs it,
A current flowing between a connection point between the first and second semiconductor switching elements and a connection point between the first and second smoothing capacitors, and a connection point between the third and fourth semiconductor switching elements A parallel chopper device comprising current detection means for detecting a difference value between the current flowing between the first and second smoothing capacitors and a connection point between the first and second smoothing capacitors. 請求項１に記載した並列チョッパ装置において、
前記第１，第３の半導体スイッチング素子がＯＮし、かつ、前記第２，第４の半導体スイッチング素子がＯＦＦしているときに、前記電流検出手段による電流検出値に基づいて、前記第１のリアクトルと前記第３のリアクトルとを流れる電流の差分値を検出し、
前記第１，第３の半導体スイッチング素子がＯＦＦし、かつ、前記第２，第４の半導体スイッチング素子がＯＮしているときに、前記電流検出手段による電流検出値に基づいて、前記第２のリアクトルと前記第４のリアクトルとを流れる電流の差分値を検出することを特徴とする並列チョッパ装置。 In the parallel chopper device according to claim 1,
When the first and third semiconductor switching elements are ON and the second and fourth semiconductor switching elements are OFF, the first detection circuit is based on the current detection value by the current detection means. Detecting the difference value of the current flowing through the reactor and the third reactor,
When the first and third semiconductor switching elements are turned off and the second and fourth semiconductor switching elements are turned on, the second detection signal is generated based on the current detection value by the current detection means. A parallel chopper device that detects a difference value between currents flowing through a reactor and the fourth reactor. 請求項１または２に記載した並列チョッパ装置において、
前記第１，第２のリアクトル同士、及び、前記第３，第４のリアクトル同士が、それぞれ磁気的に結合されていることを特徴とする並列チョッパ装置。 In the parallel chopper device according to claim 1 or 2,
The parallel chopper device, wherein the first and second reactors and the third and fourth reactors are magnetically coupled to each other.

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