CN104052286B - 电力变换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种电力变换装置，其课题是提供在使用了绝缘变压器的DC／DC变换器中，不会使绝缘变压器磁饱和且可降低／缓和电压／电流高次谐波引起的电磁噪声的单元。为了解决上述课题，本发明的直流电源装置将直流／交流电力变换电路的输出电压波形的脉冲有效时间控制为与直流电压源的直流电压相应的值，并根据规定的时间序列信号改变直流／交流电力变换电路的输出电压波形的开关周期。
Description
技术领域
本发明涉及使用了半导体元件的直流电源装置，其中涉及使用了绝缘用变压器的直流电源装置。
背景技术
在使不稳定的直流电压稳定时或变更直流电压的情况下，或者需要使输入与输出电绝缘的情况下，使用从直流变换为直流的电源装置(以下称为直流电源装置)。特别是，在需要使输入与输出电绝缘的情况下，一般使用如下方式的直流电源装置：通过初级电路从直流电压生成交流电压，并经由绝缘用变压器向二级电路输送交流电压，通过二级电路将交流电压整流为直流电压。
作为一例有专利文献1。专利文献1所示的电路被称为反激式(flyback)DC/DC变换器，在最简单的电路中是可由一个开关元件构成初级电路，能够实现非常简单的直流电源装置。另一方面，向绝缘用变压器施加直流电压以DC断路器电路的直流电抗器(扼流圈)的方式使用，因此由于绝缘用变压器的磁饱和的制约等原因，仅限于电源容量比较小的用途。
另一方面，专利文献2所示的直流电源装置通过全桥型变换器构成了初级电路，由此虽然开关元件数增加而导致电路结构变得复杂，但是能够向绝缘用变压器施加正、负的电压，因此还可以适用于电源容量比较大的用途。
本发明以电源容量比较大的直流电源装置作为对象，具体而言，将由全桥型或半桥型等构成初级电路而交替地向绝缘用变压器施加正、负的电压的1脉冲驱动式的DC/DC变换器作为对象。
在交替地向绝缘用变压器施加正、负的电压的1脉冲驱动式的DC/DC变换器中，在输入输出电压低且电源容量比较小的用途中，损耗低，且能够使用损耗低的开关元件。另外，大多情况下，通过组合降低开关损耗的软开关等技术，使开关频率高于人类的可听范围(约在20kHz以下)，从而解决伴随开关动作的电磁噪声的问题。
另一方面，在电源容量比较大的用途、或需要高耐压的开关元件的输入输出电压高的电源中，即便使用了软开关等技术，大多情况下很难将开关频率提高至人类的可听范围以上。
另外，如果是1脉冲驱动式的DC/DC变换器，基本上所产生的电流/电压高次谐波仅是开关频率的递增数倍，因此所产生的电磁噪声也会变成比较简单的音色，会因频带不同而成为刺耳的噪声。例如，对于人类的耳朵最敏感的2～4kHz左右的频率下，会成为锋利的如金属音的难听的噪声。
作为缓和这种电磁噪声的技术，公知有专利文献3～6的技术。专利文献3～5的技术在进行对调制波(信号波)与载波进行比较的分谐波调制的PWM逆变器中，根据规定的模式来操作载波的频率，从而降低电压/电流高次谐波的峰值，由此实现所产生的电磁噪声的缓和。专利文献6的技术在DC/DC断路器电路中，在将开关周期设为恒定，并将输出脉冲的有效(on)时间设为恒定的同时，根据规定的模式来操作有效定时(on timing)，从而实现所产生的电磁噪声的缓和。
专利文献
专利文献1：JP特开平3-215166
专利文献2：JP特开2006-333569
专利文献3：JP特开平6-14557
专利文献4：JP特开2000-184731
专利文献5：JP特开2010-259326
专利文献6：JP特开平11-220876
专利文献3～5的技术在进行对调制波(信号波)和载波进行比较的分谐波调制的PWM逆变器中，根据规定的模式来操作载波的频率。此时，即便操作了载波的频率(开关周期)，也可保持开关周期中的脉冲有效时间的比率(占空比)。只要载波频率(开关频率)相对于调制波(信号波)的基波频率足够高，就可通过保持占空比来维持输出电压的基波分量(振幅)。
但是，在1脉冲驱动式的DC/DC变换器中，若在每次开关动作时操作脉冲有效时间，则很难保持施加到绝缘变压器的电压的正负平衡，在最坏的情况下，绝缘变压器有可能会磁饱和(偏磁)。也就是说，很难将专利文献3～5的技术应用于1脉冲驱动式的DC/DC变换器。
专利文献6的技术以DC/DC断路器电路作为对象，由于将开关周期设为恒定且将输出脉冲的有效时间设为恒定，因此可保持施加到绝缘变压器的电压的正负平衡。即，专利文献6的技术还可以应用于1脉冲驱动式的DC/DC变换器。但是，若将专利文献6的技术应用于1脉冲驱动式的DC/DC变换器，则由于占空比比较大，因此存在低噪声化的效果极小的问题。
图1标示作为本发明的对象的1脉冲驱动式的DC/DC变换器的电路图的一例。图1所示的DC/DC变换器包括：直流电压源100、检测直流电压源100所供给的直流电压的直流电压传感器101、利用直流电压源100所供给的直流电压生成交流电压的半桥型变换器102、连接在变换器102的交流输出侧的绝缘变压器103、对绝缘变压器103输出的交流电压进行整流并变换为直流的整流电路104、对整流电路104输出的直流输出电流进行平滑化的直流输出电抗器105、利用直流输出电抗器105输出的直流输出电流进行充电的直流输出电容器106、与直流输出电容器106并联连接的负载107、以及输入直流电压传感器101检测出的直流电压Vs并输出驱动变换器102的栅极信号Gp、Gn的控制装置108。
在图1所示的DC/DC变换器中，将全部不适用低噪声化的技术时的变压器初级电流(I1)的频率分布示于图5，将流过直流输出电抗器的直流输出电流(Id)的频率分布示于图6。假设开关频率恒定，且假设根据直流输入电压Vs与直流输出电压目标值Vd*之比求出的占空比恒定，以此进行驱动。
图5中横轴是频率，纵轴以dB方式表示了各频率下的电流的大小，设基波分量的大小取基准(0dB)，表示了各高次谐波的相对大小。变压器初级电流(I1)的电流高次谐波的分布是：基波＝1次、3次、5次、7次…和奇数次的高次谐波。
在图6中横轴同样是频率，纵轴以dB方式表示了各频率下的电流的大小，设基波分量的大小取基准(0dB)，表示了各高次谐波的相对大小。直流输出电流(Id)的电流高次谐波分布是：基波(直流)＝0次、2次、4次、6次…和偶数次的高次谐波。
在图1所示的DC/DC变换器中，将应用了专利文献6的技术时的变压器初级电流(I1)的频率分布示于图7，将流过直流输出电抗器的直流输出电流(Id)的频率分布示于图8。假设开关频率恒定，且假设根据直流输入电压Vs与直流输出电压目标值Vd*之比求出的占空比恒定，在此基础上，以一致分布随机数(白噪声)操作了脉冲有效的定时。图11表示一致分布随机数的频率特性。
图7中横轴是频率、纵轴以dB方式表示了各频率下的电流的大小，图5的基波分量的大小取基准(0dB)，表示了各高次谐波的相对大小。在图8中，也同样地，图6的基波分量的大小取基准(0dB)，表示了各高次谐波的相对大小。
比较图5和图7、图6和图8可知，即使应用专利文献6的技术，电流高次谐波的大小也几乎没有变化，因此专利文献6的技术中电压/电流高次谐波引起的电磁噪声的降低效果极小。
专利文献6的技术以应用于DC/DC变换器(降压断路器)为前提，其在额定动作条件下的占空比低(在开关周期内所占的有效脉冲时间的比例短)，因此可取较宽的操作脉冲有效定时的范围，所以可期待相应的噪声降低效果，但是在应用采用了绝缘变压器的1脉冲驱动的DC/DC变换器的情况等下，想要进行有效率的设计时，具有额定动作条件下的占空比变高的倾向，也就是说，开关周期内所占的有效脉冲时间的比例长，因此操作开关周期中的有效定时的范围变窄，不能抑制特定频率的电流高次谐波，电压/电流高次谐波引起的电磁噪声的降低效果变小。
发明内容
本发明的课题是提供一种不会使绝缘变压器磁饱和且可进一步降低/缓和电压/电流高次谐波引起的电磁噪声的手段。
为了解决上述问题，本发明的直流电源装置将直流/交流电力变换电路的输出电压波形的脉冲有效时间控制为与直流电压源的直流电压相应的值，通过将直流/交流电力变换电路的输出电压波形的脉冲无效时间控制成按照规定的时间序列信号进行变化，从而直流/交流电力变换电路的输出电压波形的开关周期进行变化。
(发明效果)
通过上述构成，本发明的直流电源装置不会使绝缘变压器磁饱和且能够进一步降低/缓和电压/电流高次谐波引起的电磁噪声。
附图说明
图1表示本发明的电路结构。
图2是图1所示的控制装置的详细图。
图3是图2所示的脉冲产生装置的动作波形。
图4是本发明的电流波形。
图5是没有应用低噪声化技术时的变压器初级电流的频率特性。
图6是没有应用低噪声化技术时的直流输出电流的频率特性。
图7是专利文献6的变压器初级电流的频率特性。
图8是专利文献6的直流输出电流的频率特性。
图9是本发明的变压器初级电流的频率特性。
图10是本发明的直流输出电流的频率特性。
图11是一致分布随机数的频率特性。
图12是低频域去除随机数的频率特性。
图13是使用了一致分布随机数时的直流输出电压波形。
图14是使用了一致分布随机数时的直流输出电压波形(直流输出侧电容器的静电容量是4倍)。
图15是使用了一致分布随机数时的直流输出电压波形(直流输出侧电容器的静电容量是16倍)。
图16是使用了低频域去除随机数时的直流输出电压波形。
图17是使用了低频域去除随机数时的直流输出电压波形(直流输出侧电容器的静电容量是4倍)。
图18是使用了低频域去除随机数时的直流输出电压波形(直流输出侧电容器的静电容量是16倍)。
具体实施方式
图1表示本发明的直流电源装置的电路结构的一例。在图1中，本发明的直流电源装置包括：直流电压源100、检测直流电压源100所供给的直流电压的直流电压传感器101、利用直流电压源100所供给的直流电压生成交流电压的半桥型变换器102、连接在变换器102的交流输出侧的绝缘变压器103、对绝缘变压器103输出的交流电压进行整流并变换为直流的整流电路104、对整流电路104输出的直流输出电流进行平滑化的直流输出电抗器105、利用直流输出电抗器105输出的直流输出电流进行充电的直流输出电容器106、与直流输出电容器106并联连接的负载107、以及输入直流电压传感器101检测出的直流电压Vs并输出驱动变换器102的栅极信号Gp、Gn的控制装置108。在此，栅极信号Gp是用于驱动半桥型变换器102的正侧半导体元件的栅极信号，栅极信号Gn是用于驱动负侧半导体元件的栅极信号。
在本实施例中，说明作为变压器初级侧电路而使用了生成交流电压的半桥型变换器102的例子，但是只要是向绝缘用变压器交替地施加正、负电压的1脉冲驱动式的DC/DC变换器就可应用本发明，因此还可以应用于由全桥型等构成了初级电路的电路中。
此外，在本实施例中，作为变压器次级侧电路表示了通过整流器将交流变换为直流的例子，但是代替整流器，也可以应用通过具备开关元件的变换器将交流变换为直流的电路。
图2详细地表示了图1所示的电路结构中的控制装置108。图2中，控制装置108包括：根据直流输出电压目标值Vd*与绝缘变压器103的初级/次级线圈比n之积求出直流输出电压目标值Vd*的一次换算值的乘法器200；用直流电压传感器101检测出的直流输入电压Vs除乘法器200输出的直流输出电压目标值Vd*的一次换算值来求出占空比d的除法器201；根据开关周期的中心值Tc*与除法器201输出的占空比d之积求出脉冲有效时间的中心值Ton*的乘法器202；从开关周期的中心值Tc*减去乘法器202输出的脉冲有效时间的中心值Ton*来求出脉冲无效时间的中心值Toff*的减法器206；根据规定的时间序列信号输出在±1的范围内平均值为零的随机数r的随机数产生器203；求出随机数产生器203输出的随机数r与随机数调制率m之积的乘法器204；根据乘法器204输出的随机数与减法器206输出的脉冲无效时间的中心值Toff*之积而求出脉冲无效时间的操作量的乘法器205；根据脉冲无效时间的中心值Toff*与乘法器205输出的脉冲无效时间的操作量之和求出脉冲无效时间Toff的加法器207；根据乘法器202输出的脉冲有效时间的中心值Ton*与加法器207输出的脉冲无效时间Toff之和求出开关周期Tc的加法器208；根据乘法器202输出的脉冲有效时间的中心值Ton*与加法器208输出的开关周期Tc来输出驱动变换器102的栅极信号Gp、Gn的脉冲产生装置209。
图3表示图2所示的控制装置108中的脉冲产生装置209的动作波形的一例。在图3中，开关周期Tc在每个周期中取不同的值，按顺序依次设为Tc(1)、Tc(2)、Tc(3)…。脉冲有效时间Ton直接是中心值Ton*，是恒定的。脉冲产生装置209在内部具备计时器，计时器以恒定的比例逐渐增加，每个一个开关周期清零。若计时器为零，则栅极信号Gp或Gn中的任一个有效，若计时器超过脉冲有效时间Ton，则变成无效。栅极信号Gp和Gn交替地变为有效。
图4表示脉冲产生装置209进行图3所示的动作时的变压器励磁电流(I0)、变压器初级电流(I1)、直流输出电流(Id)的波形。开关周期及脉冲的无效时间因随机数而始终在变动，但栅极信号Gp和Gn的脉冲有效时间基于直流输入电压而几乎保持恒定，因此施加到变压器的磁通量也恒定，励磁电流(I0)的振幅也不会变化。即，即使操作了开关周期及脉冲无效时间，也不用担心绝缘变压器会磁饱和(偏磁)。另一方面，变压器初级电流(I1)和直流输出电流(Id)在每个开关动作中其振幅都会变动，可期待频谱的扩散及噪声降低效果。
在此，在直流电源装置输出恒定电压的情况下，直流输出电压目标值Vd*成为恒定值，因此可基于直流输入电压Vs控制脉冲有效时间Ton。也就是说，若直流输入电压Vs恒定，则脉冲有效时间Ton也恒定。
此外，在直流电源装置输出多个电压的情况下，直流输出电压目标值Vd*变更成多个值，因此可基于输出电压目标值Vd*和直流输入电压Vs来控制脉冲有效时间Ton。也就是说，若直流输入电压Vs恒定，则脉冲有效时间Ton对应于直流输出电压目标值Vd*的值而成为固定值。
图9表示了成为图4所示的电流波形时的变压器初级电流(I1)的频率分布，图10表示了流过直流输出电抗器的直流输出电流(Id)的频率分布。另外，假设随机数产生器203为一致分布随机数(白噪声)，图11表示频率特性。
图9中，横轴是频率，纵轴以dB方式表示了各频率下的电流大小，图5的基波分量的大小取基准(0dB)，表示了各高次谐波的相对大小。图10中也同样，图6的基波分量的大小取基准(0dB)，表示了各高次谐波的相对大小。
比较图5与图9、图6与图10可知，通过应用本发明，变压器初级电流(I1)及直流输出电流(Id)的频谱扩散，能够降低电流峰值电平，能够降低/缓和电压/电流高次谐波引起的电磁噪声。
在图2中，根据脉冲无效时间Toff不会为负的条件，需要将随机数的调制率m设定在0≤m≤1的范围内。随着使调制率m增大，电流的频谱越发扩散，峰值电平也逐渐降低，副作用是直流输出电压Vd的脉动增大，因此考虑电磁噪声的大小和直流输出电压Vd，需要将调制率m调整为0至1之间的值。
图13～14表示直流输出电压Vd的脉动波形。相对于图13的脉动波形，图14中直流输出电容器106的静电容量是4倍，图15中直流输出电容器106的静电容量是16倍。随着增大静电容量，直流输出电压Vd的高频分量大大衰减，低频分量几乎没有被衰减，电压脉动的大小没有怎么变化。
另外，在图13～15中，看上去直流输出电压Vd周期性地脉动。这是因为，随机数产生器203按顺序读出预先计算出的随机数表格，若到达了表格的最后，则再次从表格的起始部分开始读出。按每个开关周期读出随机数表格，因此若将人类的可听范围的下限值设为20Hz，则优选随机数表格的要素数至少在开关频率的1/20以上。
图16～图18表示了将随机数产生器203设成低频域去除随机数时的直流输出电压Vd的脉动波形。图12表示低频分量去除随机数的频率特性。如图12所示，该低频分量去除随机数成为低频分量的振幅减少得比高频分量多的随机数。相对于图16的脉动波形，图17的直流输出电容器106的静电容量是4倍，图18的直流输出电容器106的静电容量是16倍。通过利用去除了图12所示的低频分量的随机数，能够根据直流输出电容器的静电容量来降低电压脉动的大小。
如上所述，本发明的目的不会使绝缘变压器磁饱和且进一步降低/缓和电压/电流高次谐波引起的电磁噪声。也就是说，在每个开关动作中使变压器初级电流(I1)和直流输出电流(Id)的振幅发生变动，由此实现频谱的扩散及噪声的降低，同时通过基于直流输入电压将脉冲有效时间设为几乎恒定，并将施加到变压器的磁通量也设为几乎恒定，从而抑制励磁电流(I0)的振幅的变动来抑制绝缘变压器磁饱和(偏磁)的情况。
因此，基于直流输出电压目标值Vd*将脉冲有效时间设为几乎恒定，并且根据一致分布随机数(白噪声)随机地改变开关周期，由此控制变压器的初级侧的半导体元件的开关动作。
符号说明：
100 直流电压源
101 直流电压传感器
102 半桥型变换器
103 绝缘用变压器
104 整流电路
105 直流输出电抗器
106 直流输出电容器
107 负载
108 控制装置
200、202、204、205 乘法器
201 除法器
203 随机数产生器
206 减法器
207、208 加法器
209 脉冲产生装置
d 变换器占空比
Gp 变换器上臂元件的栅极信号
Gn 变换器下臂元件的栅极信号
I0 变换器励磁电流
I1 变压器初级电流
Id 直流输出电流
m 随机数调制率
n 变换器初级/次级线圈比
r 随机数
Tc* 开关周期中心值
Tc 开关周期
Toff* 脉冲无效时间中心值
Toff 脉冲无效时间
Ton* 脉冲有效时间中心值
Ton 脉冲有效时间
Vd* 直流输出电压目标值
Vd 直流输出电压
Vs 直流输入电压
Claims (8)
1.一种直流电源装置，具备：
直流电压源；
根据所述直流电压源供给的直流电压生成交流电压的直流/交流电力变换电路；
连接在所述直流/交流电力变换电路的交流输出侧的绝缘变压器；和
将所述绝缘变压器输出的交流电压变换为直流的整流器或交流/直流电力变换电路，
该直流电源装置的特征在于，
将所述直流/交流电力变换电路的输出电压波形的脉冲有效时间控制为与所述直流电压源的直流电压相应的值，
通过将所述直流/交流电力变换电路的输出电压波形的脉冲无效时间控制成按照规定的时间序列信号进行变化，从而所述直流/交流电力变换电路的输出电压波形的开关周期进行变化。
2.根据权利要求1所述的直流电源装置，其特征在于，
所述规定的时间序列信号是在规定范围内平均值几乎为零的随机数。
3.根据权利要求1所述的直流电源装置，其特征在于，
将所述直流/交流电力变换电路的输出电压波形的脉冲有效时间控制为与所述直流电压源的直流电压及直流输出电压目标值相应的值。
4.根据权利要求2所述的直流电源装置，其特征在于，
将所述直流/交流电力变换电路的输出电压波形的脉冲有效时间控制为与所述直流电压源的直流电压及直流输出电压目标值相应的值。
5.根据权利要求3所述的直流电源装置，其特征在于，
所述规定的时间序列信号是低频的振幅比高频的振幅小的随机数。
6.根据权利要求4所述的直流电源装置，其特征在于，
所述规定的时间序列信号是低频的振幅比高频的振幅小的随机数。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的直流电源装置，其特征在于，
所述直流/交流电力变换电路向所述绝缘用变压器交替地施加正电压的1脉冲和负电压的1脉冲。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的直流电源装置，其特征在于，
所述直流电源装置具备：
检测所述直流电压源供给的直流电压的直流电压传感器；和
输入所述直流电压传感器检测出的直流电压，并输出驱动所述直流/交流电力变换电路的栅极信号的控制装置，
所述控制装置具备：
根据直流输出电压指令的一次换算值与所述直流电压传感器检测出的直流输入电压之比求出占空比的单元；
根据所述占空比与开关周期的中心值之积求出脉冲有效时间的单元；
从所述开关周期的中心值中减去所述脉冲有效时间而求出脉冲无效时间的中心值的单元；
根据规定的时间序列信号与所述脉冲无效时间的中心值之积求出脉冲无效时间的单元；
根据所述脉冲有效时间与所述脉冲无效时间之和求出开关周期的单元；和
根据所述脉冲有效时间和所述开关周期输出驱动所述直流/交流电力变换电路的栅极信号的脉冲产生装置。
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