CN104272571B - 功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

功率转换装置(300)包括:AC/DC转换器部(10),该AC/DC转换器部(10)具有对设置于其输出部的平滑电容器(22)进行初始充电的初始充电电路(36),且将交流功率转换成直流功率;对来自平滑电容器(22)的直流功率进行电压转换的DC/DC转换器部(11);及对来自AC/DC转换器部(10)的输出及DC/DC转换器部(11)的输出进行控制的控制部(5),控制部(5)在AC/DC转换器部(10)启动时,从初始充电电路(36)对平滑电容器(22)进行规定的充电,在充电完成后,使DC/DC转换器部(11)开始动作。由此,能保护电路免受启动时的浪涌电流的影响。

Description

功率转换装置
技术领域
[0001] 本发明涉及将交流功率转换成直流功率或者将直流功率转换成交流功率的功率 转换装置。
背景技术
[0002] 为了对蓄电器进行充电,需要将商用交流电源的交流功率高效转换成直流功率的 功率转换装置。一般而言,现有的功率转换装置包括:对商用交流电源进行高功率因数控制 以进行交流/直流转换的AC/DC转换器部;及配置在其后级且利用变压器将一次侧和二次侧 绝缘的DC/DC转换器部,从而对负载进行供电或对电池进行充电。
[0003] 作为这种功率转换装置的示例,在专利文献1所示的功率转换装置中,包括:对AC/ DC转换器部的直流输出进行平滑的平滑用电容器,该AC/DC转换器部将输入交流的功率因 数控制为高功率因数并将交流电压转换成直流电压;及将平滑电容器的电压转换成由变压 器绝缘后的二次侧直流电压的DC/DC转换器部,对电池等负载进行供电。功率转换装置的控 制装置通过根据从DC/DC转换器部到负载的直流输出,调整AC/DC转换器部的输出电压目标 值,从而能抑制DC/DC转换器部内的半导体开关元件的占空比的变化幅度,力图降低DC/DC 转换器部中的功耗,提高功率转换效率。
[0004] 此外,在专利文献2所示的功率转换装置中,包括由将交流功率转换成直流功率的 主转换器和子转换器构成的功率转换器,进一步地,在子转换器与交流电源之间连接有充 电用电阻,在初始充电时,经由该充电用电阻对子转换器的蓄电器进行充电。由于能利用串 联连接的主转换器和子转换器来对输入交流电压分担相电压,因此,无需将电压较大的脉 冲以高频率进行开关,从而能抑制高次谐波,降低功耗及电磁噪声。由于经由充电用电阻对 子转换器的蓄电器进行初始充电,因此,能防止流过蓄电器的浪涌电流来对蓄电器进行充 电。
[0005] 此外,专利文献3所示的功率转换装置中,包括在直流电源与电力系统之间彼此进 行直流-交流转换或交流-直流转换的开关电路,还包括将直流电源与开关电路进行连接的 连接开关、将开关电路与电力系统进行连接的连结开关、在连接开关与开关电路之间对直 流功率进行平滑的直流侧电容器、及在开关电路与连结开关之间使规定频带的交流功率通 过的滤波电容器,在启动时,对来自电力系统的交流功率进行整流以生成直流功率,通过充 电电阻经由直流侧电容器和开关电路对滤波电容器进行充电至规定电压,接着,使开关电 路停止,将直流侧电容器充电至电力系统的整流电压之后,使连结开关和连接开关的连接 及开关电路的动作重新开始。由此,在初始充电过程中,预先将负载与功率转换装置切断, 在处于初始充电完成、可排除后级负载的影响的状态之后将功率转换装置与负载进行连 接,从而力图抑制在启动过程中产生的浪涌电流。
[0006] 现有技术文献 [0007] 专利文献
[0008] 专利文献1:国际公开W02011-151940号公报
[0009] 专利文献2:国际公开W02007-129469号公报
[0010] 专利文献3:日本专利特开2011-193633号公报
发明内容
[0011] 发明所要解决的技术问题
[0012] 然而,在专利文献1中,存在如下问题:虽然提及了包括AC/DC转换器部和设置在后 级的DC/DC转换器部的功率转换装置的通常动作时的情况,但对于防止启动时产生的浪涌 电流,并未加以考虑。
[0013] 此外,在专利文献2中,存在如下问题:虽然示出了对内部电容器进行初始充电的 方法,但并未提及与所连接的负载的动作状态的关系,例如,在后级连接有DC/DC转换器部 的结构中,在初始充电过程中DC/DC转换器部进行了动作的情况下,初始充电时间变长,启 动变迟,此外,电阻的功耗较大,因此,电阻的额定功率、散热机构增大,且AC/DC转换器部、 DC/DC转换器部的动作变得不稳定,有可能因浪涌电流通过交流电源流过而给电路带来损 伤。
[0014] 此外,专利文献3中,由于设计成在初始充电过程中将负载与功率转换装置切断, 因此,对浪涌电流实施了对策,但具有如下问题:在后级连接有DC/DC转换器部的情况下,需 要在平滑电容器与DC/DC转换器部之间另外设置开关,从而需要因追加新开关而变更控制 方式,因使用半导体开关而寻求散热对策。
[0015] 本发明是为了解决上述问题而完成的,其目的在于提供一种功率转换装置,其在 具有AC/DC转换器部和DC/DC转换器部的功率转换装置中,无需追加新构件,仅靠追加启动 时的控制方法,就具有对电路进行保护使其免受启动时的浪涌电流影响的功能。
[0016] 解决技术问题的技术方案
[0017] 为了解决上述问题,本发明的权利要求1所涉及的功率转换装置将交流功率转换 成直流功率,其特征在于,包括:交流/直流转换电路部,其具有设置于输出部的平滑电容器 和对平滑电容器进行初始充电的初始充电电路,将交流功率转换成直流功率;直流/直流转 换电路部,其具有开关元件,利用开关元件的控制对来自平滑电容器的直流功率进行电压 转换;及控制部,其对交流/直流转换电路部及直流/直流转换电路部的输入输出进行控制, 控制部在交流/直流转换电路部启动时,利用初始充电电路及交流/直流转换电路部对平滑 电容器进行规定的充电,在平滑电容器的充电完成后,使直流/直流转换电路部开始动作。
[0018] 此外,本发明的权利要求7所涉及的功率转换装置将交流功率转换成直流功率,其 特征在于,包括:直流/直流转换电路部,其具有设置于输入部的电容器、对电容器进行初始 充电的初始充电电路、及开关元件,利用开关元件的控制对直流功率进行电压转换;直流/ 交流转换电路部,其将来自直流/直流转换电路部的直流功率转换成交流;及控制部,其对 直流/交流转换电路部及直流/直流转换电路部的输入输出进行控制,控制部在直流/直流 转换电路部启动时,从初始充电电路对电容器进行规定的充电,在电容器的充电完成后,使 直流/交流转换电路部开始动作。
[0019] 发明效果
[0020] 根据本发明,在具有AC/DC转换器部和DC/DC转换器部的功率转换装置中,通过追 加在启动时利用初始充电电路对电容器进行初始充电的控制方法,从而具有能避免启动时 的浪涌电流的流入,能稳定地进行在直流-交流转换动作的效果。
附图说明
[0021] 图1是表示应用了实施方式1所涉及的功率转换装置的功率转换系统的结构的框 图。
[0022] 图2是表示实施方式1所涉及的功率转换装置的电路结构的图。
[0023] 图3是用于说明实施方式1所涉及的功率转换装置中的DC/DC转换器部的动作的图 (其 1)。
[0024] 图4是用于说明实施方式1所涉及的功率转换装置中的DC/DC转换器部的动作的图 (其 2)。
[0025] 图5是实施方式1所涉及的功率转换装置中的DC/DC转换器部的控制框图。
[0026] 图6是表示实施方式1所涉及的功率转换装置的动作时的波形的图。
[0027] 图7是用于说明实施方式1所涉及的功率转换装置中的AC/DC转换器部的动作的图 (其 1)。
[0028] 图8是用于说明实施方式1所涉及的功率转换装置中的AC/DC转换器部的动作的图 (其 2)。
[0029] 图9是用于说明实施方式1所涉及的功率转换装置中的AC/DC转换器部的动作的图 (其 3)。
[0030] 图10是实施方式1所涉及的功率转换装置中的AC/DC转换器部的控制框图(其1)。
[0031] 图11是实施方式1所涉及的功率转换装置中的AC/DC转换器部的控制框图(其2)。
[0032] 图12是表示实施方式1所涉及的功率转换装置中初始充电时的流程图的图。
[0033] 图13是用于说明实施方式1所涉及的功率转换装置中的AC/DC转换器部的初始充 电时的动作的图(其1)。
[0034] 图14是用于说明实施方式1所涉及的功率转换装置中的AC/DC转换器部的初始充 电时的动作的图(其2)。
[0035] 图15是实施方式1所涉及的功率转换装置中的AC/DC转换器部的初始充电时的控 制框图。
[0036] 图16是表示实施方式1所涉及的功率转换装置中的AC/DC转换器部的其他实施方 式的电路结构的图。
[0037] 图17是表示实施方式2所涉及的功率转换装置的电路结构的图。
[0038] 图18是用于说明实施方式2所涉及的功率转换装置中的AC/DC转换器部的动作的 图(其1)。
[0039] 图19是用于说明实施方式2所涉及的功率转换装置中的AC/DC转换器部的动作的 图(其2)。
具体实施方式
[0040] 以下,参照图1〜图19对本发明的实施方式所涉及的功率转换装置进行说明。
[0041] 实施方式1
[0042] 图1是表示应用了实施方式1所涉及的功率转换装置的功率转换系统的结构的框 图,图2是表示实施方式1所涉及的功率转换装置的电路结构的图。
[0043] [功率转换系统的结构]
[0044] 首先,利用图1,对应用了实施方式1所涉及的功率转换装置的功率转换系统的整 体结构进行说明。电源装置200由具有进行交流-直流转换的功率转换电路400和对其进行 控制的控制部5的功率转换装置300、及经由通信线8对控制部5发出指令信号的电子控制装 置7构成。
[0045] 功率转换电路400是利用开关来进行功率转换的电路,接受来自交流电源1的输入 功率,对与输出级相连接的负载即高压电池6进行充电。此外,功率转换电路400中在规定部 位安装有检测电路,检测出的电流及电压传送到控制部5。控制部5从电子控制装置7经由通 信线8接收输出功率指令,基于该输出功率指令,生成在开关控制中使用的目标功率Pout' 对功率转换电路400的开关元件进行PWM (Pulse Width Modulation:脉宽调制)控制,以跟 随该目标功率Pout'
[0046] 高压电池6是锂离子电池等可充放电的蓄电池,通过使电流向正极侧流动来进行 充电。
[0047] 电子控制装置7是电源装置200的上位控制单元,经由通信线8向功率转换装置300 发送输出功率指令。
[0048] 通信线8是用于功率转换装置300与电子控制装置7通过CAN (参照IS011898及 IS011519-2)等通信协议进行通信的信号传输线。
[0049] (功率转换装置的结构)
[0050] 接着,参照图2所示的功率转换装置的电路结构图,对功率转换电路400的电路结 构进行说明。功率转换电路400由AC/DC转换器部(直流/交流转换电路部)10和后级的DC/DC 转换器部(直流/直流转换电路部)11这两个功率转换电路相连而构成。
[0051] AC/DC转换器部10由从交流输入1到平滑电容器22为止的要素和初始充电电路36 构成。交流电源1与作为整流电路的二极管桥12相连接。此处,二极管桥12与整流电压检测 电路(SVl) 30并联连接。二极管桥12的输出输入到初始充电电路36的一端。初始充电电路36 的另一端与整流电流检测电路(S11) 31、作为限流电路的电抗器(L) 13连接,其后级与由单 个的逆变器构成的逆变器电路14的交流侧串联连接。逆变器电路14由将二极管反并联连接 的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transister:绝缘栅双极型晶体管)、在源极漏极间内置 有二极管的MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transister:金属氧化物 半导体场效应晶体管)等逆变器结构开关17、18、二极管15、16、及直流电压源(电容器)19构 成。此外,直流电压源19与直流电压源19的电压检测电路(SV2) 32并联连接。
[0052] 在逆变器电路14的后级连接有短路用开关21和整流二极管20,整流二极管20的阴 极侧与输出级的平滑电容器22的正极连接。此处,短路用开关21与整流二极管20的阳极的 连接点连接至逆变器14的后级的交流输出线,短路用开关21的另一端连接至平滑电容器22 的负极。此外,平滑电容器22与平滑电容器22的电压检测电路(SV3) 33并联连接。
[0053] DC/DC转换器部11由从平滑电容器22的后级到高压电池6的前级为止的要素构成。 此处,利用一般的正向转换器电路。在平滑电容器22的后级,变压器24的一次侧与正向转换 器开关23串联连接,在变压器24的二次侧串联连接有二次侧整流二极管25,且并联连接有 二次侧整流二极管26。在二次侧整流二极管25、26的后级连接有平滑电抗器(L) 27、输出电 流检测电路(SI2) 34及电容器28,之后的部分作为DC/DC转换器部11的输出,连接有作为负 载的高压电池6。此处,电容器28与输出电压检测电路(SV4) 35并联连接。
[0054] 接着,对功率转换装置300的通常充电模式的动作进行说明。首先,参照图3、图4说 明DC/DC转换器部11的通常动作。另外,本实施方式的DC/DC转换器部11为使用一般的绝缘 型正向转换器的情况。
[0055] 此处,将符号定义如下。
[0056] Pout'由控制部5生成的控制目标功率值。
[0057] lout:由输出电流检测电路(SI2) 34检测出的DC/DC转换器部11的输出电流值。
[0058] Iout*:输出电流lout的控制目标电流值。
[0059] Vout: DC/DC转换器部11的输出电压值。
[0060] Vout'DC/DC转换器部11的输出电压值的目标电压值。
[0061] Vload:由输出电压检测电路(SV4) 35检测出的负载电压值。
[0062] Vdc:平滑电容器22的直流电压。
[0063] Vdc'平滑电容器22的直流电压的目标电压值。
[0064] [开关的状态和电流路径]
[0065] 对于正向转换器开关的状态与电流路径的关系,参照图3及图4,分为使正向转换 器开关23导通的情况和使正向转换器开关23开放的情况来进行说明。
[0066] 如图3所示,在使正向转换器开关23导通时,流过变压器24的一次绕组侧的电流按 照AC/DC转换器部10—变压器24 (—次绕组侧)—正向转换器开关23—AC/DC转换器部10的 路径流过。此处,变压器24将功率从一次侧传输到二次侧,流过变压器24的二次绕组侧的电 流按照变压器24 (二次绕组侧)—二次侧整流二极管25—平滑电抗器(L) 27—高压电池6— 变压器24 (二次绕组侧)的路径流过。
[0067] 接下来,如图4所示,在使正向转换器开关23开放时,在变压器24的一次侧没有电 流流过,功率未被传输到二次侧。然而,在二次侧,由于平滑电抗器(L) 27的自感,电流按照 平滑电抗器(L) 27—高压电池6—二次侧整流二极管26—平滑电抗器(L) 27的路径流过。
[0068] [输出电压Vout]
[0069] 对DC/DC转换器部11的输出电压Vout进行说明。此处,若设变压器24的一次侧的匝 数为Nl,二次侧的匝数为N2,正向转换器开关23的导通时间为ton,正向转换器开关23的导 通/开放切换周期为T,则DC/DC转换器部11的输出电压Vout可用以下数学式来表示。
[0070] [数学式1]
Figure CN104272571BD00071
[0072] 由此可知,可通过正向转换器开关23的导通时间ton来控制DC/DC转换器部11的输 出电压Vout。即,通过对正向转换器开关23进行PWM控制,对DC/DC转换器部11的输出电压 Vout进行控制,对到高压电池6的输出电流Iout进行调整,从而可获得跟随目标功率Pouf 的输出。另外,由输出电压检测电路35检测出的负载电压Vload固定于高压电池6的电压值, 因此,本实施方式中,负载电压Vload和输出电压Vout为不同值。
[0073] [用于使输出功率Pout跟随目标功率Pout*的控制]
[0074] 接下来,对用于使输出功率Pout跟随目标功率Pouf的控制部5的控制进行说明。
[0075]利用图5所示的控制框来控制正向转换器开关23。此处,首先,将目标功率Poutl余 以负载电压Vload,求出目标电流IoutSO。本实施方式中,作为负载连接有高压电池6,若假 定高压电池6的充电所引起的电压上升十分缓慢,且内部电阻微小,则负载电压Vload可视 为基本恒定,因此,可如上述那样求出目标电流l〇ut%0。
[0076] 此外,将输出电流Iout与目标电流1〇111^50之差51作为反馈量进行PI控制,设通过 PI控制得到的输出为DC/DC转换器部11的输出电压Vout的目标电压Vout$2。然后,利用变 压器24的绕组比(N2/N1)、平滑电容器22的直流电压Vdc的目标电压Vdc'求出输出电压 Vout的输出目标电压VoutW的PffM占空比53。另外,该目标电压Vdf的运算方法将在后面阐 述。利用P丽占空比53,通过P丽控制来生成给正向转换器开关23的驱动信号,使DC/DC转换 器部11进行动作。
[0077] [AC/DC转换器部的通常动作]
[0078] 接着,基于图6所示的各部的波形,对AC/DC转换器部10的通常动作进行说明。此 处,对通常充电的方法进行说明,但本实施方式中,在通常充电时使初始充电电路36短路 (后述),因此,在图7至图9的图中及其说明中,省略初始充电电路36。
[0079] 此处,将符号定义如下。
[0080] Vin:由整流电压检测电路(SVl) 30检测出的通过二极管桥12后的电压值。
[0081] Iin:由整流电流检测电路(SIl) 31检测出的通过二极管桥12后的电流值。
[0082] Vsub:由直流电压源19的电压检测电路(SV2) 32检测出的逆变器电路14内的直流 电压源19的电压值。
[0083] Vsubt3:逆变器电路14内的直流电压源19的控制目标电压值。
[0084] Vdc:由平滑电容器电压检测电路(SV3) 33检测出的平滑电容器22的电压值。
[0085] Vdc*:平滑电容器22的控制目标电压值。
[0086] Θ:来自交流电源1的输入电压相位。
[0087] 来自交流电源1的输入由二极管桥12进行全波整流,二极管桥12的后级的电压 Vin、电流I in成为图6所示的波形。在此情况下,设电压Vin的峰值电压高于被控制为一定的 目标电压Vdf的平滑电容器22的直流电压Vdc。
[0088] [逆变器电路的PffM控制]
[0089] 逆变器电路14中,由控制部5进行PWM控制,以来自交流电源1的输入功率因数大致 为1的方式输出电流Πη,将交流侧的产生电压与二极管桥12后级的电压Vin进行叠加。如图 7〜图9所示,在使逆变器结构开关17、18开放的情况下,逆变器电路14内的电流通过二极管 15对直流电压源19进行充电,并通过二极管16输出。在仅使逆变器结构开关17导通的情况 下,电流通过逆变器结构开关17和二极管16输出。同样,在仅使逆变器结构开关18导通的情 况下,电流通过二极管15和逆变器结构开关18输出。在使逆变器结构开关17、18同时导通的 情况下,电流通过逆变器结构开关17对直流电压源19进行放电,并通过逆变器结构开关18 输出。通过这样四种控制的组合,利用控制部5对逆变器结构开关17、18进行控制,从而对逆 变器电路14进行PffM控制。
[0090] [交流电源电压相位与短路用开关(电流路径)的关系]
[0091] [0<Θ<Θ1的情况]
[0092] 设来自交流电源1的输入电压相位为Θ,电压Vin与平滑电容器22的目标电压Vdct3 相等时的相位Θ为Θ2 (0<θ2<3ΐ/2),从相位θ = 〇到满足0<Θ1<Θ2的规定相位Θ1为止,使短 路用开关21成为导通状态。在此情况下,如图7所示,来自交流电源1的电流按照交流电源1 —二极管桥12—电抗器13—逆变器电路14—短路用开关21—二极管桥12—交流电源1的路 径流过。由于短路用开关21为导通状态,因此,没有电流流过整流二极管20及平滑电容器 22。逆变器电路14中,通过PffM控制,将例如使逆变器结构开关17、18开放的情况与仅使逆变 器结构开关17导通的情况进行组合,产生与相反极性的电压Vin基本相等的电压,并以输入 功率因数大致为1的方式控制并输出电流Iin,在0<Θ<Θ1,逆变器电路14的直流电压源19 被充电。
[0093] [Θ = Θ1的情况]
[0094] 接下来,在相位Θ为Θ1的情况下,若使短路用开关21开放,则如图8所示,来自交流 电源1的电流按照交流电源1—二极管桥12—电抗器13—逆变器电路14—整流二极管20— 平滑电容器22—二极管桥12—交流电源1的路径流过。
[0095] [Θ2彡Θ彡jt/2的情况]
[0096] 接下来,在相位Θ = Θ2,若电压Vin与平滑电容器22的直流电压Vdct3相等,则短路用 开关21维持开放状态,但逆变器电路14的动作发生变化。
[0097] S卩,在相位Θ为的情况下,如图9所示,来自交流电源1的电流按照交流 电源1—二极管桥12—电抗器13—逆变器电路14—整流二极管20—平滑电容器22—二极管 桥12—交流电源1的路径流过。此外,逆变器电路14中,通过PffM控制,将例如使逆变器结构 开关17、18开放的情况与仅使逆变器结构开关18导通的情况进行组合来输出。此时,平滑电 容器22的目标电压Vdct3为Vdct3SVin,逆变器电路14中,以平滑电容器22的直流电压Vdc可维 持目标电压Vdct3的方式,以与Vin的极性相反的极性产生与Vdc—Vdct3基本相等的电压,并以 输入功率因数大致为1的方式控制并输出电流I in。在Θ 2 < Θ < jt/2,逆变器电路14产生的电 压极性与电流Iin的极性相反,因此,逆变器电路14的直流电压源19被充电。
[0098] [Ji/2彡Θ彡π的情况]
[0099] 如图6所示,在V2< θ <π的相位期间,进行与上述〇 < Θ < ji/2的相位期间对称的动 作,在的相位期间,与的相位期间相同。
[0Ί00]即,以来自交流电源1的电压Vin的相位Θ的过零点相位(θ = 〇、π) ±Θ1为特定相位 来切换短路用开关21,仅在以上述过零点相位为中央的±Θ1的相位范围(以下称为短路相 位范围)内,使短路用开关21为导通状态,绕过平滑电容器22。此时,逆变器电路14产生与相 反极性的电压Vin基本相等的电压,并以输入功率因数大致为1的方式控制并输出电流I in, 直流电压源19被充电。而且,在上述短路相位范围以外的相位,逆变器电路14将平滑电容器 22的直流电压Vdc维持在目标电压Vdct3,并以输入功率因数大致为1的方式控制并输出电流 Iin。此时,在电压Vin为平滑电容器22的目标电压Vdct3以下的情况下,直流电压源19被放 电,在电压Vin为目标电压Vdct3以上的情况下,直流电压源19被充电。
[0101] [输入电压相位Θ与直流电压Vdc的关系]
[0102] 若增大Θ1,则充电至直流电压源19的能量增大,之后放电时,能将产生电压与高电 压区域的电压Vin叠加,并能增大放电的能量。因此,能提高平滑电容器22的直流电压Vdc (目标电压Vdc°)。
[0103] 在0彡θ彡31/2的相位期间内,逆变器电路14的直流电压源19如上述那样,在0彡Θ彡 Θ1、Θ2彡Θ彡jt/2的期间内充电,在Θ15Θ5Θ2的期间内放电。若设逆变器电路14的直流电压 源19的充放电能量相等,则以下的数学式成立。其中,Vp为电压Vin的峰值电压,Ip为电流 Iin的峰值电流。
[0104][数学式2]
Figure CN104272571BD00101
[0106] 此处,若设Vin = Vp · sin9、Iin = Ip · sin9,则
[0107] Vdc0 = Vp · π/ (4cos91)
[0108] 成立。这样,平滑电容器22的目标电压VdcQ由决定短路相位范围的Θ1来决定,即, 可通过使Θ1变化来进行控制。而且,以平滑电容器22的直流电压Vdc跟随目标电压Vdct3的方 式来进行控制。
[0109] [输入电压相位Θ、直流电压Vsub、直流电压Vdc的关系]
[0110] 此外,通过将直流电压源19的电压Vsub设定为0彡Θ彡Θ1、Θ1$Θ彡02、02<0<jt/2 的各相位范围内的逆变器电路14的所希望的产生电压的大小以上,从而逆变器电路14能可 靠地进行上述所希望的控制。即,通过将电压Vsub设定成满足
[0111] [数学式3]
[0112] Vp sinBi^Vsub, (VdcO-Vp sinBi) ^Vsub, (Vp-VdcO) ^iVsub
[0113] 这三个条件,从而平滑电容器22的直流电压Vdc能维持在目标电压Vdct3,而且,能 在交流电源1的所有相位下可靠地由逆变器电路14进行控制,S卩,以输入功率因数大致为1 的方式控制电流I in。另外,直流电压源19的电压Vsub设定为电压Vin的峰值电压Vp以下。
[0114] [用于控制Vdc的逆变器的PffM控制方法]
[0115] 接下来,对于将平滑电容器22的直流电压Vdc维持在目标电压Vdc*3、并以输入功率 因数大致为1的方式控制电流Iin的逆变器电路14的控制的详细情况,以下进行说明。
[0116] 利用图10、图11所示的控制框来控制逆变器电路14。
[0117] 首先,根据DC/DC转换器部11的输出电压Vout的目标电压VoutQ52、变压器24的绕 组比(N2/N1)、以及DC/DC转换器部11的效率最高的正向转换器开关23的导通时间max,计 算平滑电容器22的直流电压Vdc的输出电压理想值Vdc_ideal60。接下来,根据数学式2、数 学式3所示的数学式,AC/DC转换器部10计算可进行电流控制的平滑电容器22的直流电压 Vdc的范围,在(输出电压理想值Vdc_ideal <该计算结果下限)的情况下,将该计算结果下 限设为输出级的平滑电容器22的目标电压Vdct3,对图5所示的比例项K使用该目标电压VckA 此外,在(输出电压理想值¥如_1(1的1>该计算结果下限)的情况下,将输出电压理想值 Vdc_ideal60设为输出级的平滑电容器22的目标电压Vdc*3。由此,能在将逆变器的直流电 压源的电压保持为一定的情况下,对AC/DC转换器部11进行电流控制,且在(输出电压理想 值Vdc_ideal >该计算结果下限)范围内,能使DC/DC转换器部11在最大效率点进行动作。
[0118] 计算以输出级的平滑电容器22的直流电压Vdc与目标电压Vdct3之差61a作为反馈 量来进行PI控制后的输出62a。此外,为了将逆变器电路14的直流电压源19的电压Vsub保持 为一定,计算以该电压Vsub与该目标电压Vsubt3之差61b作为反馈量来进行PI控制后的输出 62b,根据两输出62a、62b之和来决定电流Iin的振幅目标值63。然后,基于该振幅目标值63, 生成与电压Vin同步的正弦波的电流指令Iin%、接着,将以电流指令Iin*64与检测出的电 流Iin之差65作为反馈量来进行PI控制后的输出设为作为逆变器电路14的产生电压的目标 值的电压指令66。此时,加上与短路用开关21的导通/开放的切换时同步的前馈修正电压△ V,对电压指令65进行修正。然后,利用修正后的电压指令67,通过PWM控制来生成给逆变器 电路14的各逆变器结构开关17、18的驱动信号,使逆变器电路14进行动作。
[0119] 在来自交流电源1的输入电压的过零点相位(θ = 0、π) ±Θ1的特定相位,切换短路 用开关21的导通/开放,但逆变器电路14在将短路用开关21从导通变为开放时,从对直流电 压源19进行充电的控制切换为放电的控制,在从开放变为导通时,从对直流电压源19进行 放电的控制切换为充电的控制。如上所述,通过加上与短路用开关21的导通/开放的切换时 同步的前馈修正电压△ V,对电压指令66进行修正,从而能防止控制延迟与反馈控制的响应 时间相应的量。
[0120] 接着,对这样动作的功率转换装置300的启动方法进行阐述。
[0121] [初始充电模式的动作]
[0122] AC/DC转换器部的直流电压源19、平滑电容器22的电压必须是满足上述数学式2、 数学式3的关系的值。因此,在交流电源1与电源装置200相连接时,至少需要对平滑电容器 22进行初始充电(在直流电压源19由外部电压源构成的情况下,无需进行初始充电。在直流 电压源19由电容器构成的情况下,需要进行初始充电)。以下,对直流电压源19和平滑电容 器22初始充电时的动作进行说明。其流程图如图12所示。
[0123] 初始状态设为初始充电电路的开关36a、开关36b均处于开放状态,直流电压源19 和平滑电容器22处于非充电状态(步骤SI)。在连接交流电源1后,使初始充电电路的开关 36b为导通状态,开关36a为开放状态,逆变器结构开关17、18和正向转换器开关23开放,短 路用开关21导通。通过设为这种开关状态,从而由初始充电电路的电阻36c限制后的电流按 图13所示的路径流过,对直流电压源19进行充电(步骤S2)。判定是否直流电压源19的电压 Vsub上升至目标电压Vsub*,充电完成(Vsub = Vsub*?)(步骤S3)。若充电未完成,贝Ij返回至步 骤2,继续对直流电压源19充电。若直流电压源19的充电完成,则通过使逆变器结构开关18、 正向转换器开关23及短路用开关21开放,逆变器结构开关17导通,从而电流按图14所示的 路径流过,进行平滑电容器22的初始充电(步骤4)。
[0124] 接下来,判定平滑电容器22的电压是否满足上述数学式2、数学式3的关系(步骤 S5)。若不满足数学式2、数学式3的关系,则返回至步骤S4,继续平滑电容器22的充电。若平 滑电容器22的电压满足数学式2、数学式3的关系,则使初始充电电路的开关36a为导通状 态,并使AC/DC转换器部10在图15所示的控制下进行恒流动作,将平滑电容器22充电至目标 电压Vdf (步骤S6)。此时,如图15所示,将以初始充电时的电流指令值I in_s$与检测出的电 流Iin之差65s作为反馈量来进行PI控制后的输出设为作为逆变器电路14的产生电压的目 标值的电压指令值66 s。此时,加上与短路用开关21的导通/开放的切换时同步的前馈修正 电压AV,对电压指令值66s进行修正。然后,利用修正后的电压指令值67s,通过HVM控制来 生成给逆变器电路14的各逆变器结构开关17、18的驱动信号,使逆变器电路14进行动作。判 定平滑电容器22的电压是否达到目标电压Vdc$ (Vdc = Vdc^?)(步骤S7)。若平滑电容器22的 电压未达到目标电压Vdc'则返回至步骤S6,继续平滑电容器22的充电。若平滑电容器22的 电压达到目标电压Vdc'则转移至通常充电模式,开始对负载的供电(步骤S8)。
[0125] 若不停止DC/DC转换器部11而进行初始充电,则电流从平滑电容器22流向DC/DC转 换器部11,平滑电容器22的电压下降,无法再满足数学式2、数学式3的关系,产生浪涌电流, 有可能会使各开关、电容器产生破损。与此相对,如实施方式1所示,通过使DC/DC转换器部 停止而进行初始充电,从而能抑制浪涌电流的产生,能保护各开关、电容器不会因浪涌电流 而产生破损,从而能安全地完成初始充电。
[0126] 这样,根据实施方式1所涉及的功率转换装置,可期待如下显著效果:通过使DC/DC 转换器部停止而进行直流输入部侧的电容器的初始充电,从而能抑制浪涌电流的产生,保 护开关、电容器不会产生破损,可安全地进行初始充电,并且,由于初始充电时间较短,电阻 的功耗较小,因此,能减小电阻的额定功率,散热机构也可得到简化,可实现装置的小型化、 低成本化。
[0127] 另外,本实施方式的初始充电方法中,如图12的流程图中步骤S7所示,利用平滑电 容器22的电压来判定初始充电完成与否,但由于电容器的电压为将对流过电容器的电流值 以时间进行积分后的值除以电容器的电容而得到的值,因此,也可以通过测量初始充电时 间来进行初始充电完成的判定。
[0128] 此外,本实施方式的初始充电方法中,如图12的流程图中步骤S7所示,利用平滑电 容器22的电压来进行初始充电完成的判定,但有时会因逆变器结构开关17、18、短路用开关 21的控制误差、交流电源电压的变动而导致直流电压源19的电压变高。因此,通过利用直流 电压源19的电压(步骤S3)和平滑电容器22的电压(步骤S7)来进行初始充电完成的判定,从 而能对其进行检测,能进行可靠性进一步得到提高的判定。
[0129] 此外,本实施方式的AC/DC转换器部10中,示出了包括由多个半导体开关元件17、 18和直流电压源19构成的逆变器电路14,利用电流指令来控制逆变器电路14以使平滑电容 器22的电压Vdc追随目标电压Vd。并改善来自交流电源的输入功率因数的一个示例,但并 不限于此,即使采用逆变器电路14包括多个逆变器的结构、或不设置紧接在输入之后的二 极管桥而利用逆变器电路14的后级的二极管进行整流的结构,也可获得同样的效果。
[0130] 此外,本实施方式的AC/DC转换器部的结构并不限于上述结构,也可利用图16的结 构所示的高功率因数AC/DC转换器部100。在此情况下,由半导体开关元件(逆变器结构开 关)17a、17b、18a、18b形成的逆变器所构成的逆变器电路14经由电抗器13与交流电压源1连 接,在其后级包括将由半导体开关元件形成的短路用开关21a、21b和二极管20a、20b串联连 接而得到的桥式电路。
[0131] 此外,AC/DC转换器电路是将交流电压转换成直流电压的高功率因数转换器,只要 至少含有需要初始充电的平滑电容器,就可适用。
[0132] 此外,关于DC/DC转换器部的结构,也不限于上述结构,DC/DC转换器部并不限于正 向转换器电路,也可以是半桥式转换器等其他电路结构,通常充电模式的控制方法也不限 于上述示例。
[0133] 此外,上述实施方式中,对与单相交流电源及直流负载连接、将来自电源的交流输 入功率转换成直流功率并提供给直流负载的功率转换装置由AC/DC转换器部和DC/DC转换 器部构成的情况进行了说明,但并不限于此,与电源及负载连接、将来自电源的输入功率进 行功率转换并提供给负载的功率转换装置只要构成为电源侧的功率转换电路和负载侧的 功率转换电路相连,电源侧的功率转换电路中至少含有需要初始充电的平滑电容器,负载 侧的功率转换电路包括开关并可根据开关状态来切断来自电源侧的功率转换电路的输入 电流,例如也可以采用三相交流电源作为电源,并对来自三相交流电源的交流输入功率进 行交流直流电转换并提供给直流负载的结构。
[0134] 实施方式2
[0135] 图17是表示实施方式2所涉及的功率转换装置的电路结构的图。图18是用于说明 实施方式2所涉及的功率转换装置中的AC/DC转换器部的动作的图(其1)。图19是用于说明 实施方式2所涉及的功率转换装置中的AC/DC转换器部的动作的图(其2)。实施方式1中,从 交流电源转换成直流,而实施方式2中,从直流电源转换成交流,并对功率进行再生。此外, 实施方式1与实施方式2的电路结构上的不同点在于,实施方式1中,在交流输入部侧,初始 充电电路36设置于AC/DC转换器部10,对电容器22进行充电,与此相对,实施方式2中,在直 流输入部侧,初始充电电路37设置于DC/DC转换器部I Ia,对电容器28进行充电。另外,由于 图17的其他基本结构与图2相同,因此,省略说明。
[0136] 接着,说明实施方式2的动作。图17的电路结构中,启动时,电容器28的电压为0,电 容器22的电压等于AC电源电压峰值。首先,在连接直流电源6 (高压电池)后,利用初始充电 电路37对电容器28进行充电。电容器28的充电完成后,使逆变器结构开关40a、40b、41a、41b 进行PWM动作,降低其开关占空比,从而将流过平滑电抗器42的电流控制得较低,以低电流 对电容器22进行初始充电。
[0137] 此外,电容器22的充电完成后,开始稳定运转。控制部5对整流用开关20c、20d、短 路用开关21a、21b进行控制,使得电流从AC/DC转换器IOb向交流电源侧以功率因数1流过。 例如,在交流电源电压为正极(30a与31a的触点的电压高于20d与21b的触点的电压)、且增 加流向交流电源侧的电流的情况下,控制整流用开关20c、20d、短路用开关21a、21b,构成图 18所示的路径。此外,在交流电源电压为正极,减少流向交流电源侧的电流的情况下,控制 整流用开关20c、20d、短路用开关21a、21b,构成图19所示的电流路径。
[0138] 这样,根据实施方式2所涉及的功率转换装置,可期待如下显著效果:即使是从直 流电源向交流电源再生功率的情况下,通过使AC/DC转换器部停止而进行DC/DC转换器部的 电容器的初始充电,从而与实施方式1同样,也能抑制浪涌电流的产生,保护开关、电容器不 会产生破损,可安全地进行初始充电,并且,由于初始充电时间较短,电阻的功耗较小,因 此,能减小电阻的额定功率,散热机构也可得到简化,可实现装置的小型化、低成本化。
[0139] 另外,本发明可以在其发明范围内对各实施方式进行自由组合,或者对各实施方 式适当地进行变形、省略。
[0140]另外,在图中,相同标号表不相同或相当部分。
[0141] 标号说明
[0142] 1交流电源5控制部6高压电池
[0143] 10,10b,100 AC/DC转换器部
[0144] ll,lla DC/DC转换器部
[0145] 12二极管桥13,42电抗器
[0146] 14逆变器电路
[0147] 17,17a,17b,18,18a,18b,40a,40b,41a,41b 逆变器结构开关(半导体开关元件)
[0148] 19直流电压源(电容器)20c,20d整流用开关
[0149] 21,21a,21b 短路用开关
[0150] 22平滑电容器23正向转换器开关
[0151] 24变压器28电容器
[0152] 30,30a整流电压检测电路31,31a整流电流检测电路
[0153] 32直流电压源电压检测电路33平滑电容器电压检测电路
[0154] 34,44输出(输入)电流检测电路
[0155] 35,45输出(输入)电压检测电路
[0156] 36,37初始充电电路
[0157] 43电抗器电流检测电路
[0158] 200电源装置300功率转换装置
[0159] 400,500功率转换电路

Claims (4)

1. 一种功率转换装置,该功率转换装置(300)将交流功率转换成直流功率,其特征在 于,包括: 交流/直流转换电路部(10),其具有设置于输出部的平滑电容器(22)和对所述平滑电 容器(22)进行初始充电的初始充电电路(36),将交流功率转换成直流功率; 直流/直流转换电路部(11),其具有开关元件(23),利用所述开关元件(23)的控制对来 自所述平滑电容器(22)的直流功率进行电压转换;及 控制部⑸,其对所述交流/直流转换电路部(10)及所述直流/直流转换电路部(11)的 输入输出进行控制, 所述控制部(5)在所述交流/直流转换电路部(10)启动时,从所述初始充电电路(36)及 所述交流/直流转换电路部(10)对所述平滑电容器(22)进行规定的充电,在所述平滑电容 器(22)的充电完成后,使所述直流/直流转换电路部(11)开始动作, 所述交流/直流转换电路部(10)包括逆变器电路(14),其由具有直流电压源(19)、且具 有对所述直流电压源(19)进行充放电的多个半导体开关元件(17、18)的单个逆变器或多个 所述逆变器串联连接而构成, 利用所述平滑电容器(22)的电压及所述直流电压源(19)的电压,来判定所述平滑电容 器(22)的充电的完成。
2. 如权利要求1所述的功率转换装置,其特征在于, 所述交流/直流转换电路部(10)包括: 整流元件(20),其设置在所述逆变器电路(14)的后级; 所述平滑电容器(22),其与所述整流元件(20)连接,对所述逆变器电路(14)的输出进 行平滑并将其输出;及 短路用开关元件(21),其使流向所述平滑电容器(22)的电流绕行。
3. 如权利要求2所述的功率转换装置,其特征在于, 所述交流功率为三相交流,将各相的所述逆变器电路(14)串联连接。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的功率转换装置,其特征在于, 所述控制部(5)使所述平滑电容器(22)的电压跟随目标电压,并以来自所述交流功率 的输入功率因数接近1的方式控制输入电流。
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