JP2004015900A - プッシュプル回路方式の電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】単純な構成で、パルストランスの偏磁を防止するプッシュプル回路方式の電力変換装置を提供する。
【解決手段】プッシュプル・コンバータを構成するスイッチング素子２ａ、スイッチング素子２ｂ、パルストランスＴ、整流ダイオードＤ１、整流ダイオードＤ２、チョークコイルＬ、平滑コンデンサＣおよび偏磁防止手段３と、インバータ４を備え、偏磁防止手段３で、パルストランスＴの一次巻線Ｍ１，一次巻線Ｍ２に流れるコイル電流Ｉ１，Ｉ２を検出し、電流の多い側のスイッチング素子のオン期間を制御（短縮）し、コイル電流Ｉ１，Ｉ２のバランスを取る（Ｉ１＝Ｉ２）ことによってパルストランスＴの偏磁現象を防止する。
【選択図】 図１
【解決手段】プッシュプル・コンバータを構成するスイッチング素子２ａ、スイッチング素子２ｂ、パルストランスＴ、整流ダイオードＤ１、整流ダイオードＤ２、チョークコイルＬ、平滑コンデンサＣおよび偏磁防止手段３と、インバータ４を備え、偏磁防止手段３で、パルストランスＴの一次巻線Ｍ１，一次巻線Ｍ２に流れるコイル電流Ｉ１，Ｉ２を検出し、電流の多い側のスイッチング素子のオン期間を制御（短縮）し、コイル電流Ｉ１，Ｉ２のバランスを取る（Ｉ１＝Ｉ２）ことによってパルストランスＴの偏磁現象を防止する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池や燃料電池などの直流電源にオン／オフのスイッチングを施して高周波パルスを発生し、パルストランスを通した高周波パルスを再度整流・平滑して直流を発生するプッシュプル回路方式の電力変換装置に係り、特にプッシュプル回路の電流アンバランスに起因するパルストランスの偏磁現象を防止するプッシュプル回路方式の電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、太陽電池や燃料電池から得られる直流電源を交流電源に変換した分散型電源と商用電源を連携し、分散型電源を用いて家庭内の機器（負荷）に電力を供給し、分散型電源では電力が賄えない場合には、商用電源から電力を供給するように構成された系統連系システムと呼ばれるシステムが提供されている。
【０００３】
パワーコンディショナーは、直流電力を商用電源（例えば、ＡＣ２００Ｖ）と同期のとれた交流電力に変換する電力変換装置および商用電源の異常を検出する保護装置で構成される。
【０００４】
また、電力変換装置は、太陽電池や燃料電池などの直流をＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子で高周波パルスを発生し、発生した高周波パルスをパルストランスの一次側に印加して二次側から取り出した高周波パルスに整流・平滑を施し、再度直流を発生し、この直流をインバータを介して交流電源に変換する。
【０００５】
２つのスイッチング素子で交互にオン／オフ駆動して高周波パルスに変換し、変換した高周波パルスをパルストランスの一次側の２巻線に印加することにより、前記パルストランスの二次側の２巻線から得られる互いに極性の異なる高周波パルスに整流・平滑を施して直流を発生するＤＣ−ＤＣコンバータが用いられ、この直流電力をインバータを介して商用電源と同期（例えば、５０Ｈｚ）のとれた交流電力に変換する。
【０００６】
従来、この種の電力変換装置には、２つのスイッチング素子とパルストランスとで構成されたプッシュプル回路のＤＣ−ＤＣコンバータを用いたものが知られており、プッシュプル回路方式の電力変換装置は、回路の小型化が実現でき、電力変換効率が高いというメリットがある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のプッシュプル回路方式の電力変換装置は、プッシュプル回路を構成するスイッチング素子のオン時間が異なる場合、もしくは負荷変動により正負の電流値が変わる場合、パルストランスの鉄芯の磁束密度がオン時間の長い、または電流量の多い巻線側へ偏り、スイッチングの一周期毎に磁束密度の偏りが増加して最終的に鉄心の最大磁束密度をオーバして飽和することより、スイッチングのオン時間の長い、または電流量の多い巻線側のインダクタンスが低下してコイル電流がさらに増加する偏磁現象を生じる課題がある。
【０００８】
従来、偏磁現象を抑制または防止するため幾つかののプッシュプル回路方式の電力変換装置が実用化されているが、回路構成やパルストランスの構造が複雑になる課題がある。
【０００９】
この発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的は単純な構成で、パルストランスの偏磁を防止するプッシュプル回路方式の電力変換装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するためこの発明に係るプッシュプル回路方式の電力変換装置は、パルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流を検出し、コイル電流偏差に基づいて２つのスイッチング素子のオン期間を調整してコイル電流をバランスさせ、パルストランスの一次側巻線の偏磁を防止する偏磁防止手段を備えたことを特徴とする。
【００１１】
この発明に係るプッシュプル回路方式の電力変換装置は、パルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流を検出し、コイル電流偏差に基づいて２つのスイッチング素子のオン期間を調整してコイル電流をバランスさせ、パルストランスの一次側巻線の偏磁を防止する偏磁防止手段を備えたので、コイル電流偏差の極性（＋または−）とコイル電流偏差によってスイッチング素子を特定し、オン期間を決定してパルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流を同じにすることができ、単純な構成でパルストランスの偏磁を防止することができる。
【００１２】
また、この発明に係る偏磁防止手段は、パルストランスの一次側の２巻線を流れるコイル電流を検出する電流センサと、検出したコイル電流を所定期間積分する積分手段と、積分手段が蓄積した積分値に対応した駆動制御信号を出力する駆動制御手段と、駆動制御手段から供給される駆動制御信号に基づいて２つのスイッチング素子のオン期間を調整する駆動信号を出力する駆動手段とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
この発明に係る偏磁防止手段は、パルストランスの一次側の２巻線を流れるコイル電流を検出する電流センサと、検出したコイル電流を所定期間積分する積分手段と、積分手段が蓄積した積分値に対応した駆動制御信号を出力する駆動制御手段と、駆動制御手段から供給される駆動制御信号に基づいて２つのスイッチング素子のオン期間を調整する駆動信号を出力する駆動手段とを備えたので、検出したコイル電流に基づいて多くのコイル電流を流すスイッチング素子を特定し、特定したスイッチング素子のオン期間を調整してパルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流のバランスを取ることができ、コイル電流のアンバランスに起因するパルストランスの偏磁現象を未然に防止することができる。
【００１４】
さらに、この発明に係る電流センサは、ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｃｅ）で構成し、パルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流を互いに逆極性で検出することを特徴とする。
【００１５】
この発明に係る電流センサは、ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｃｅ）で構成し、パルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流を互いに逆極性で検出するので、１個のＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｃｅ）で２巻線に流れるコイル電流偏差を検出することができ、装置の単純化を実現することができる。
【００１６】
また、この発明に係る駆動制御手段は、積分手段が蓄積した積分値の極性に基づいてオン期間を制御する側のスイッチング素子を決定することを特徴とする。
【００１７】
この発明に係る駆動制御手段は、積分手段が蓄積した積分値の極性に基づいてオン期間を制御する側のスイッチング素子を決定するので、コイル電流を多く流すスイッチング素子のオン期間を制御することができ、パルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流をバランスさせることができる。
【００１８】
さらに、この発明に係る直流電源は、太陽電池または燃料電池であることを特徴とする。
【００１９】
この発明に係る直流電源は、太陽電池または燃料電池であるので、家庭用の電気機器が利用する分散型電源に使用する直流電源の利用範囲を広めることができ、電力変換装置の利便性を向上させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１はこの発明に係るプッシュプル回路方式の電力変換装置の実施の形態基本ブロック構成図である。図１において、電力変換装置１は、プッシュプル・コンバータを構成するスイッチング素子２ａ、スイッチング素子２ｂ、パルストランスＴ、整流ダイオードＤ１、整流ダイオードＤ２、チョークコイルＬ、平滑コンデンサＣおよび偏磁防止手段３と、インバータ４を備え、太陽電池や燃料電池などの直流電源１５（直流電圧Ｖｏ１）を高周波パルスに変換してパルストランスＴの一次側に入力し、一次側と絶縁（アイソレーション）された二次側から高周波パルスを取り出して整流・平滑を施し、直流電源（直流電圧ＶＯ２）とした後、インバータ４を通して交流電源（例えば、５０Ｈｚ／２００Ｖ）に変換する。
【００２１】
スイッチング素子２ａは、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＭＯＳ電界効果トランジスタ）等で構成し、スイッチを形成する一方の端子（例えば、ドレイン）をパルストランスＴの一次巻線Ｍ１のＰ１端子に接続し、スイッチを形成する他方の端子（例えば、ソース）を直流電源１５（直流電圧Ｖｏ１）の−（マイナス）が接続されるＸ２端子に接続する。また、制御端子（例えば、ゲート）には、偏磁防止手段３からスイッチング素子２ａのオン期間を制御する駆動信号ＳＤ１が供給される。
【００２２】
スイッチング素子２ｂは、ＭＯＳＦＥＴ等で構成し、スイッチを形成する一方の端子（例えば、ドレイン）をパルストランスＴの一次巻線Ｍ２のＰ３端子に接続し、スイッチを形成する他方の端子（例えば、ソース）を直流電源１５（直流電圧Ｖｏ１）の−（マイナス）が接続されるＸ２端子に接続する。また、制御端子（例えば、ゲート）には、偏磁防止手段３からスイッチング素子２ａのオン期間を制御する駆動信号ＳＤ２が供給される。
【００２３】
パルストランスＴは、一次側を一次巻線にセンタータップを設けて一次巻線Ｍ１と一次巻線Ｍ２の２巻線で構成し、一次巻線Ｍ１の一方をＰ１端子、一次巻線Ｍ１の他方と一次巻線Ｍ２の一方（センタータップ）を共通にしてＰ２端子、一次巻線Ｍ２の他方をＰ３端子とする。
【００２４】
また、パルストランスＴは、二次側を二次巻線にセンタータップを設けて二次巻線Ｈ１と二次巻線Ｈ２の２巻線で構成し、二次巻線Ｈ１の一方をＰ４端子、二次巻線Ｈ１の他方と二次巻線Ｈ２の一方（センタータップ）を共通にしてＰ５端子、二次巻線Ｈ２の他方をＰ６端子とする。
【００２５】
なお、一次巻線Ｍ１と一次巻線Ｍ２の巻線数（ターン数）を等しくし、二次巻線Ｈ１と二次巻線Ｈ２の巻線数（ターン数）を等しくする。
【００２６】
パルストランスＴの一次側のＰ２端子を直流電源１５（直流電圧ＶＯ１）の＋（プラス）側であるＸ１端子に接続し、スイッチング素子２ａおよびスイッチング素子２ｂのスイッチを形成する他方の端子（例えば、ＦＥＴのソース）を直流電源１５（直流電圧ＶＯ１）の−（マイナス）側であるＸ２端子に接続することにより、スイッチング素子２ａがオン／オフを繰り返す場合には、Ｘ１端子→Ｐ２端子→一次巻線Ｍ１→Ｐ１端子→スイッチング素子２ａ→Ｘ２端子の経路でパルス状のコイル電流Ｉ１が流れ、一次巻線Ｍ１に高周波パルスを発生する。
【００２７】
一方、スイッチング素子２ｂがオン／オフを繰り返す場合には、Ｘ１端子→Ｐ２端子→一次巻線Ｍ２→Ｐ３端子→スイッチング素子２ｂ→Ｘ２端子の経路でコイル電流Ｉ２が流れ、一次巻線Ｍ２に高周波パルスを発生する。
【００２８】
偏磁防止手段３からスイッチング素子２ａおよびスイッチング素子２ｂに供給される駆動信号ＳＤ１，ＳＤ２は、高周波（例えば、５０ｋＨｚ）の各周期（０．０２ｍｓ）のそれぞれ１／２周期（＝０．０１ｍｓ）を下回る時間に交互にＨレベルを出力するので、駆動信号ＳＤ１がＨレベルの期間にスイッチング素子２ａがオンとなってコイル電流Ｉ１が流れ、駆動信号ＳＤ２がＨレベルの期間にスイッチング素子２ｂがオンとなってコイル電流Ｉ２が流れる。
【００２９】
パルストランスＴの二次側のＰ４端子を整流ダイオードＤ１のアノードに接続、Ｐ６端子を整流ダイオードＤ２のアノードに接続、整流ダイオードＤ１のカソードと整流ダイオードＤ２のカソードおよびチョークコイルＬの一端を接続し、チョークコイルＬの他端と平滑コンデンサＣの＋（プラス）端およびＹ１端子を接続する。一方、Ｐ５端子と平滑コンデンサＣの−（マイナス）端およびＹ２端子を接続する。
【００３０】
このような構成により、二次巻線Ｈ１（Ｐ４端子−Ｐ５端子間）に発生した高周波パルスを整流ダイオードＤ１で整流した後、チョークコイルＬを介して平滑コンデンサＣで平滑してＹ１端子−Ｙ２端子間に直流（直流電圧ＶＯ２）を発生する。
【００３１】
一方、二次巻線Ｈ２（Ｐ６端子−Ｐ５端子間）に発生した高周波パルスを整流ダイオードＤ２で整流した後、チョークコイルＬを介して平滑コンデンサＣで平滑してＹ１端子−Ｙ２端子間に直流（直流電圧ＶＯ２）を発生する。
【００３２】
Ｙ１端子−Ｙ２端子間に発生する直流（直流電圧ＶＯ２）は、整流ダイオードＤ１および整流ダイオードＤ２で整流した後、チョークコイルＬを介して平滑コンデンサＣで平滑した合成電圧となる。
【００３３】
インバータ４は、直流−交流変換機能を備え、Ｙ１端子−Ｙ２端子間に発生した直流（直流電圧ＶＯ２）を交流（例えば、５０Ｈｚ／２００Ｖ）に変換し、分散型電源として交流電力を系統連系する。
【００３４】
偏磁防止手段３は、電流センサや、電流偏差演算機能、駆動制御機能、駆動信号発生機能等のハード構成、ソフト構成またはハード／ソフト混成構成の処理機能を備え、パルストランスＴの一次巻線Ｍ１に流れるコイル電流Ｉ１および一次巻線Ｍ２に流れるコイル電流Ｉ２を検出し、コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２の偏差を演算して一次巻線Ｍ１または一次巻線Ｍ２に偏磁が発生しているか否かを判定する。
【００３５】
偏磁の判定は、コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２のアンバランスによって行なう。例えば、コイル電流Ｉ１がコイル電流Ｉ２を超える場合（Ｉ１＞Ｉ２）、一次巻線Ｍ１による磁束が最大磁束密度をオーバして飽和状態にあると、インダクタンスが低下してコイル電流Ｉ１が増加するため、これにより偏磁現象が発生していると判断する。
【００３６】
一方、コイル電流Ｉ２がコイル電流Ｉ１を超える場合（Ｉ２＞Ｉ１）には、一次巻線Ｍ２が最大磁束密度をオーバして飽和状態にあり、インダクタンスが低下してコイル電流Ｉ２が増加する偏磁現象が発生したと判断する。
【００３７】
さらに、コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２が等しい（Ｉ１＝Ｉ２）場合、一次巻線Ｍ１または一次巻線Ｍ２のいずれにも偏磁現象が発生していないと判断する。なお、通常状態では、スイッチング素子２ａとスイッチング素子２ｂの特性（ペア性）、一次巻線Ｍ１と一次巻線Ｍ２の特性（巻線数、インダクタンス等）ならびに駆動信号ＳＤ１とＳＤ２のレベル（Ｈレベルの期間）が一致しており、偏磁現象は発生しない。また、初期状態には、駆動信号ＳＤ１とＳＤ２のレベル（Ｈレベルの期間）を調整して一次巻線Ｍ１，一次巻線Ｍ２に偏磁現象が発生しないように設定する。
【００３８】
コイル電流Ｉ１がコイル電流Ｉ２を超えて（Ｉ１＞Ｉ２）偏磁現象が発生している場合、電流偏差ΔＩ（＝Ｉ１−Ｉ２）に対応して駆動信号ＳＤ１のＨレベルの期間を短縮してスイッチング素子２ａのオン期間を短縮し、コイル電流Ｉ１を減少してコイル電流Ｉ２と一致させ、電流のバランスを取ることにより、偏磁現象を防止する。
【００３９】
以上のように、スイッチング素子（２ａ，２ｂ）のオン期間の短縮は、コイル電流（Ｉ１またはＩ２）が多く流れている側を制御することを基本とする。
【００４０】
コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２の電流偏差ΔＩ（＝Ｉ１−Ｉ２）は、コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２の流れる期間が異なる（それぞれ異なる１／２周期未満）ので、１周期分のコイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２の平均値の差分、コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２を互いに逆極性で検出して加算、またはコイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２に対応する量（例えば、積分値）の差分、加算等で検出する。また、電流偏差ΔＩ（＝Ｉ１−Ｉ２）は、所定周期の平均値でもよい。
【００４１】
駆動信号ＳＤ１とＳＤ２は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）信号やＰＷＭ信号に対応した信号で形成する。
【００４２】
なお、本実施例では、コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２の電流偏差ΔＩから偏磁現象を検出し、コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２のバランスを取ることによって偏磁現象を防止する構成としたが、偏磁現象をパルストランスＴの一次側と二次側の電力量で検出、または一次側のコイル電流の急激な増加を偏磁現象の動作として微分回路で検出し、コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２のバランスを取ることによって偏磁現象を防止する構成としてもよい。
【００４３】
このように、この発明に係る電力変換装置１は、パルストランスＴの一次側の２巻線（一次巻線Ｍ１，一次巻線Ｍ２）に流れるコイル電流（Ｉ１，Ｉ２）を検出し、コイル電流偏差（ΔＴ）に基づいて２つのスイッチング素子（２ａ，２ｂ）のオン期間を調整してコイル電流をバランス（Ｉ１＝Ｉ２）させ、パルストランスＴの一次側巻線（一次巻線Ｍ１，Ｍ２）の偏磁を防止する偏磁防止手段３を備えたので、コイル電流偏差の極性（＋または−）とコイル電流偏差によってスイッチング素子を特定し、オン期間を決定してパルストランスＴの一次側の２巻線（一次巻線Ｍ１，一次巻線Ｍ２）に流れるコイル電流（Ｉ１，Ｉ２）を同じにすることができ、単純な構成でパルストランスの偏磁を防止することができる。
【００４４】
また、この発明に係る直流電源は、太陽電池または燃料電池であるので、家庭用の電気機器が利用する分散型電源に使用する直流電源の利用範囲を広めることができ、電力変換装置の利便性を向上させることができる。
【００４５】
図２はこの発明に係る偏磁防止手段の一実施の形態要部ブロック構成図である。図２において、電力変換装置５は、プッシュプル・コンバータを構成するＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＭＯＳ電界効果トランジスタ）−Ｑ１、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２、パルストランスＴ、整流ダイオードＤ１、整流ダイオードＤ２、チョークコイルＬ、平滑コンデンサＣおよび偏磁防止手段３と、インバータ４を備える。
【００４６】
なお、電力変換装置５は、スイッチング素子２ａおよびスイッチング素子２ｂにＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１およびＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２を採用した点ならびに偏磁防止手段３に電流センサ６、積分手段７、駆動制御手段８、駆動手段９を備えた点のみ電力変換装置１と異なるので、パルストランスＴ、整流ダイオードＤ１、整流ダイオードＤ２、チョークコイルＬ、平滑コンデンサＣおよびインバータ４についての説明は省略する。
【００４７】
ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＭＯＳ電界効果トランジスタ）−Ｑ１は、ドレインをパルストランスＴの一次巻線Ｍ１のＰ１端子に接続し、ソースを直流電源１５（直流電圧Ｖｏ１）の−（マイナス）が接続されるＸ２端子に接続し、ゲートＧに偏磁防止手段３の駆動手段９からオン期間を制御する駆動信号ＳＤ１が供給されると、Ｘ１端子→Ｐ２端子→一次巻線Ｍ１→Ｐ１端子→ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１（ドレイン−ソース間）→Ｘ２端子の経路でパルス状のコイル電流Ｉ１が流れ、一次巻線Ｍ１に高周波パルスを発生する。
【００４８】
ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２は、ドレインをパルストランスＴの一次巻線Ｍ２のＰ３端子に接続し、ソースを直流電源１５（直流電圧Ｖｏ１）の−（マイナス）が接続されるＸ２端子に接続、ゲートＧに偏磁防止手段３の駆動手段９からオン期間を制御する駆動信号ＳＤ２が供給されると、Ｘ１端子→Ｐ２端子→一次巻線Ｍ２→Ｐ３端子→ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２（ドレイン−ソース間）→Ｘ２端子の経路でコイル電流Ｉ２が流れ、一次巻線Ｍ２に高周波パルスを発生する。
【００４９】
次に、偏磁防止手段３について説明する。電流センサ６は、変流器で構成し、一次巻線Ｍ１に流れるコイル電流Ｉ１と一次巻線Ｍ２に流れるコイル電流Ｉ２を互いに逆極性（±）で検出する。コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２を互いに逆極性（±）で検出するために、Ｐ１端子に接続する配線ＣＬ１を流れるコイル電流Ｉ１の方向とＰ３端子に接続する配線ＣＬ２を流れるコイル電流Ｉ２の方向とが相互に逆向きとなるように変流器内を貫通させる配線ＣＬ１と配線ＣＬ２の方向を設定する。
【００５０】
例えば、Ｐ３端子に接続する配線ＣＬ２を折り返して変流器を貫通させることにより、Ｐ１端子に接続する配線ＣＬ１に流れるコイル電流Ｉ１と、コイル電流Ｉ２の極性を互いに逆方向に設定することができる。この状態で、コイル電流Ｉ１を＋（プラス）に設定すると、コイル電流Ｉ２は−（マイナス）で検出することができる。
【００５１】
図３はこの発明に係る電流センサの一実施の形態構成図である。図３において、電流センサは、変流器（ＣＴ：Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｃｅ）１０で構成し、図２に示すパルストランスＴの一次巻線Ｍ１のＰ１端子に接続された配線ＣＬ１と一次巻線Ｍ２のＰ３端子に接続された配線ＣＬ２を変流器（ＣＴ）１０内に貫通させる。
【００５２】
配線ＣＬ１に流れるコイル電流Ｉ１を＋（プラス）に設定すると、配線ＣＬ２に流れるコイル電流Ｉ２（コイル電流Ｉ１と逆方向）は−（マイナス）となり、変流器（ＣＴ）１０の変流比ｎで決定される検出電流ｎＩ１，−ｎＩ２を取り出すことができる。
【００５３】
図４はこの発明に係る駆動信号と検出電流の関係図である。（ａ）図に駆動信号の波形、（ｂ）図に検出電流の波形を示す。（ａ）図に示す駆動信号ＳＤ１と駆動信号ＳＤ２は、それぞれ一周期Ｔの１／２周期（Ｔ／２）よりも短いＨレベルのオン信号（Ｑ１オン、Ｑ２オン）を出力する。
【００５４】
（ｂ）図に示す検出電流は、Ｈレベルのオン信号（Ｑ１オン）に対応した期間、コイル電流Ｉ１の＋（プラス）極性の検出電流ｎＩ１を出力し、続いてＨレベルのオン信号（Ｑ２オン）に対応した期間、コイル電流Ｉ２の−（マイナス）極性の検出電流−ｎＩ２を出力する。
【００５５】
変流器（ＣＴ）１０は、コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２を１個のセンサを用いるだけで逆極性（±）で検出することができるので、コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２の電流偏差ΔＩ（＝Ｉ１−Ｉ２）を容易に得ることができる。
【００５６】
このように、この発明に係る電流センサ６は、ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｃｅ）１０で構成し、パルストランスＴの一次側の２巻線（一次巻線Ｍ１，一次巻線Ｍ２）に流れるコイル電流Ｉ１，Ｉ２を互いに逆極性（±）で検出するので、１個のＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｃｅ）１０で２巻線に流れるコイル電流偏差ΔＩ（＝Ｉ１−Ｉ２）を検出することができ、装置の単純化を実現することができる。
【００５７】
図２に戻り、積分手段７は、Ｒ（抵抗器）・Ｃ（コンデンサ）積分回路で構成し、変流器（ＣＴ）１０で検出した一周期Ｔ分の検出電流ｎＩ１，−ｎＩ２を抵抗器で電圧に変換し、検出電流ｎＩ１を電圧変換した＋（プラス）のパルスを積分して＋（プラス）の積分値ＳＩ＋を得た後、検出電流−ｎＩ２を電圧変換した−（マイナス）のパルスを積分して−（マイナス）の積分値ＳＩ−を得る。
【００５８】
また、積分手段７は、加算器を備え、＋（プラス）の積分値ＳＩ＋と−（マイナス）の積分値ＳＩ−を加算して一周期Ｔ分の積分信号ＳＩ（＝ＳＩ＋＋ＳＩ−）を駆動制御手段８に供給する。
【００５９】
駆動制御手段８は、積分信号ＳＩに対するＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）増／減信号のデータテーブル、ＰＷＭ信号発生器等で構成し、積分手段７から供給される積分信号ＳＩに対応したＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）増／減信号を発生し、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）増／減信号に対応した駆動制御信号（ＰＷＭ信号）ＳＣを駆動手段９に提供する。なお、駆動制御信号（ＰＷＭ信号）ＳＣは、積分信号ＳＩの絶対値が大きい側のコイル電流（Ｉ１またはＩ２）を減少させるように、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１（またはＱ２）を決定し、オン期間を制御することによってコイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２が等しくなり、バランスするように設定する。
【００６０】
このように、この発明に係る駆動制御手段８は、積分手段７が蓄積した積分値ＳＩの極性に基づいてオン期間を制御する側のスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１，または−Ｑ２）を決定するので、コイル電流Ｉ１（またはＩ２）を多く流すスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１，または−Ｑ２）のオン期間を制御することができ、パルストランスＴの一次側の２巻線（一次巻線Ｍ１，一次巻線Ｍ２）に流れるコイル電流Ｉ１，Ｉ２をバランスさせることができる。
【００６１】
駆動手段９は、増幅器、出力回路等で構成し、駆動制御手段８から供給される駆動制御信号（ＰＷＭ信号）ＳＣに基づいてＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１およびＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２を充分に駆動（オン）できる駆動信号ＳＤ１，ＳＤ２を発生し、それぞれＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１およびＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２のゲートＧに供給する。
【００６２】
偏磁防止手段３を構成するコイル電流Ｉ１，コイル電流Ｉ２を検出する電流センサ６（変流器（ＣＴ）１０）、積分手段７、駆動制御手段８、駆動手段９、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１、ＭＯＳＦＥＴＱ２は、フィードバックループを形成し、コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２がバランスし、偏磁現象を防止するまでフィードバック制御が継続する。
【００６３】
このように、この発明に係る偏磁防止手段３は、パルストランスＴの一次側の２巻線（一次巻線Ｍ１，一次巻線Ｍ２）を流れるコイル電流Ｉ１，Ｉ２を検出する電流センサ６と、検出したコイル電流Ｉ１，Ｉ２を所定期間（一周期分）積分する積分手段７と、積分手段７が蓄積した積分値ＳＩに対応した駆動制御信号ＳＣを出力する駆動制御手段８と、駆動制御手段８から供給される駆動制御信号ＳＣに基づいて２つのスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１，ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２）のオン期間を調整する駆動信号ＳＤ１，ＳＤ２を出力する駆動手段９とを備えたので、検出したコイル電流ｎＩ１，−ｎＩ２に基づいて多くのコイル電流を流すスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１，ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２）を特定し、特定したスイッチング素子のオン期間を調整してパルストランスＴの一次側の２巻線に流れるコイル電流Ｉ１，Ｉ２のバランスを取る（Ｉ１＝Ｉ２）ことができ、コイル電流のアンバランスに起因するパルストランスの偏磁現象を未然に防止することができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係るプッシュプル回路方式の電力変換装置は、パルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流を検出し、コイル電流偏差に基づいて２つのスイッチング素子のオン期間を調整してコイル電流をバランスさせ、パルストランスの一次側巻線の偏磁を防止する偏磁防止手段を備えたので、コイル電流偏差の極性とコイル電流偏差によってスイッチング素子を特定し、オン期間を決定してパルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流を同じにすることができ、単純な構成でパルストランスの偏磁を防止することができる。
【００６５】
また、この発明に係る偏磁防止手段は、パルストランスの一次側の２巻線を流れるコイル電流を検出する電流センサと、検出したコイル電流を所定期間積分する積分手段と、積分手段が蓄積した積分値に対応した駆動制御信号を出力する駆動制御手段と、駆動制御手段から供給される駆動制御信号に基づいて２つのスイッチング素子のオン期間を調整する駆動信号を出力する駆動手段とを備えたので、検出したコイル電流に基づいて多くのコイル電流を流すスイッチング素子を特定し、特定したスイッチング素子のオン期間を調整してパルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流のバランスを取ることができ、コイル電流のアンバランスに起因するパルストランスの偏磁現象を未然に防止することができる。
【００６６】
さらに、この発明に係る電流センサは、ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｃｅ）で構成し、パルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流を互いに逆極性で検出するので、１個のＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｃｅ）で２巻線に流れるコイル電流偏差を検出することができ、装置の単純化を実現することができる。
【００６７】
また、この発明に係る駆動制御手段は、積分手段が蓄積した積分値の極性に基づいてオン期間を制御する側のスイッチング素子を決定するので、コイル電流を多く流すスイッチング素子のオン期間を制御することができ、パルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流をバランスさせることができる。
【００６８】
さらに、この発明に係る直流電源は、太陽電池または燃料電池であるので、家庭用の電気機器が利用する分散型電源に使用する直流電源の利用範囲を広めることができ、電力変換装置の利便性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るプッシュプル回路方式の電力変換装置の実施の形態基本ブロック構成図
【図２】この発明に係る偏磁防止手段の一実施の形態要部ブロック構成図
【図３】この発明に係る電流センサの一実施の形態構成図
【図４】この発明に係る駆動信号と検出電流の関係図
【符号の説明】
１，５ 電力変換装置
２ａ，２ｂ スイッチング素子
３ 偏磁防止手段
４ インバータ
６ 電流センサ
７ 積分手段
８ 駆動制御手段
９ 駆動手段
１０ 変流器（ＣＴ）
Ｔ パルストランス
Ｍ１，Ｍ２ 一次巻線
Ｈ１，Ｈ２ 二次巻線
Ｄ１，Ｄ２ 整流ダイオード
Ｌ チョークコイル
Ｃ 平滑コンデンサ
ＣＬ１，ＣＬ２ 接続線
Ｉ１，Ｉ２ コイル電流
ＳＤ１，ＳＤ２ 駆動信号
ＳＩ 積分信号
ＳＣ 駆動制御信号（ＰＷＭ信号）
【発明の属する技術分野】
本発明は太陽電池や燃料電池などの直流電源にオン／オフのスイッチングを施して高周波パルスを発生し、パルストランスを通した高周波パルスを再度整流・平滑して直流を発生するプッシュプル回路方式の電力変換装置に係り、特にプッシュプル回路の電流アンバランスに起因するパルストランスの偏磁現象を防止するプッシュプル回路方式の電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、太陽電池や燃料電池から得られる直流電源を交流電源に変換した分散型電源と商用電源を連携し、分散型電源を用いて家庭内の機器（負荷）に電力を供給し、分散型電源では電力が賄えない場合には、商用電源から電力を供給するように構成された系統連系システムと呼ばれるシステムが提供されている。
【０００３】
パワーコンディショナーは、直流電力を商用電源（例えば、ＡＣ２００Ｖ）と同期のとれた交流電力に変換する電力変換装置および商用電源の異常を検出する保護装置で構成される。
【０００４】
また、電力変換装置は、太陽電池や燃料電池などの直流をＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子で高周波パルスを発生し、発生した高周波パルスをパルストランスの一次側に印加して二次側から取り出した高周波パルスに整流・平滑を施し、再度直流を発生し、この直流をインバータを介して交流電源に変換する。
【０００５】
２つのスイッチング素子で交互にオン／オフ駆動して高周波パルスに変換し、変換した高周波パルスをパルストランスの一次側の２巻線に印加することにより、前記パルストランスの二次側の２巻線から得られる互いに極性の異なる高周波パルスに整流・平滑を施して直流を発生するＤＣ−ＤＣコンバータが用いられ、この直流電力をインバータを介して商用電源と同期（例えば、５０Ｈｚ）のとれた交流電力に変換する。
【０００６】
従来、この種の電力変換装置には、２つのスイッチング素子とパルストランスとで構成されたプッシュプル回路のＤＣ−ＤＣコンバータを用いたものが知られており、プッシュプル回路方式の電力変換装置は、回路の小型化が実現でき、電力変換効率が高いというメリットがある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のプッシュプル回路方式の電力変換装置は、プッシュプル回路を構成するスイッチング素子のオン時間が異なる場合、もしくは負荷変動により正負の電流値が変わる場合、パルストランスの鉄芯の磁束密度がオン時間の長い、または電流量の多い巻線側へ偏り、スイッチングの一周期毎に磁束密度の偏りが増加して最終的に鉄心の最大磁束密度をオーバして飽和することより、スイッチングのオン時間の長い、または電流量の多い巻線側のインダクタンスが低下してコイル電流がさらに増加する偏磁現象を生じる課題がある。
【０００８】
従来、偏磁現象を抑制または防止するため幾つかののプッシュプル回路方式の電力変換装置が実用化されているが、回路構成やパルストランスの構造が複雑になる課題がある。
【０００９】
この発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的は単純な構成で、パルストランスの偏磁を防止するプッシュプル回路方式の電力変換装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するためこの発明に係るプッシュプル回路方式の電力変換装置は、パルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流を検出し、コイル電流偏差に基づいて２つのスイッチング素子のオン期間を調整してコイル電流をバランスさせ、パルストランスの一次側巻線の偏磁を防止する偏磁防止手段を備えたことを特徴とする。
【００１１】
この発明に係るプッシュプル回路方式の電力変換装置は、パルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流を検出し、コイル電流偏差に基づいて２つのスイッチング素子のオン期間を調整してコイル電流をバランスさせ、パルストランスの一次側巻線の偏磁を防止する偏磁防止手段を備えたので、コイル電流偏差の極性（＋または−）とコイル電流偏差によってスイッチング素子を特定し、オン期間を決定してパルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流を同じにすることができ、単純な構成でパルストランスの偏磁を防止することができる。
【００１２】
また、この発明に係る偏磁防止手段は、パルストランスの一次側の２巻線を流れるコイル電流を検出する電流センサと、検出したコイル電流を所定期間積分する積分手段と、積分手段が蓄積した積分値に対応した駆動制御信号を出力する駆動制御手段と、駆動制御手段から供給される駆動制御信号に基づいて２つのスイッチング素子のオン期間を調整する駆動信号を出力する駆動手段とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
この発明に係る偏磁防止手段は、パルストランスの一次側の２巻線を流れるコイル電流を検出する電流センサと、検出したコイル電流を所定期間積分する積分手段と、積分手段が蓄積した積分値に対応した駆動制御信号を出力する駆動制御手段と、駆動制御手段から供給される駆動制御信号に基づいて２つのスイッチング素子のオン期間を調整する駆動信号を出力する駆動手段とを備えたので、検出したコイル電流に基づいて多くのコイル電流を流すスイッチング素子を特定し、特定したスイッチング素子のオン期間を調整してパルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流のバランスを取ることができ、コイル電流のアンバランスに起因するパルストランスの偏磁現象を未然に防止することができる。
【００１４】
さらに、この発明に係る電流センサは、ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｃｅ）で構成し、パルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流を互いに逆極性で検出することを特徴とする。
【００１５】
この発明に係る電流センサは、ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｃｅ）で構成し、パルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流を互いに逆極性で検出するので、１個のＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｃｅ）で２巻線に流れるコイル電流偏差を検出することができ、装置の単純化を実現することができる。
【００１６】
また、この発明に係る駆動制御手段は、積分手段が蓄積した積分値の極性に基づいてオン期間を制御する側のスイッチング素子を決定することを特徴とする。
【００１７】
この発明に係る駆動制御手段は、積分手段が蓄積した積分値の極性に基づいてオン期間を制御する側のスイッチング素子を決定するので、コイル電流を多く流すスイッチング素子のオン期間を制御することができ、パルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流をバランスさせることができる。
【００１８】
さらに、この発明に係る直流電源は、太陽電池または燃料電池であることを特徴とする。
【００１９】
この発明に係る直流電源は、太陽電池または燃料電池であるので、家庭用の電気機器が利用する分散型電源に使用する直流電源の利用範囲を広めることができ、電力変換装置の利便性を向上させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１はこの発明に係るプッシュプル回路方式の電力変換装置の実施の形態基本ブロック構成図である。図１において、電力変換装置１は、プッシュプル・コンバータを構成するスイッチング素子２ａ、スイッチング素子２ｂ、パルストランスＴ、整流ダイオードＤ１、整流ダイオードＤ２、チョークコイルＬ、平滑コンデンサＣおよび偏磁防止手段３と、インバータ４を備え、太陽電池や燃料電池などの直流電源１５（直流電圧Ｖｏ１）を高周波パルスに変換してパルストランスＴの一次側に入力し、一次側と絶縁（アイソレーション）された二次側から高周波パルスを取り出して整流・平滑を施し、直流電源（直流電圧ＶＯ２）とした後、インバータ４を通して交流電源（例えば、５０Ｈｚ／２００Ｖ）に変換する。
【００２１】
スイッチング素子２ａは、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＭＯＳ電界効果トランジスタ）等で構成し、スイッチを形成する一方の端子（例えば、ドレイン）をパルストランスＴの一次巻線Ｍ１のＰ１端子に接続し、スイッチを形成する他方の端子（例えば、ソース）を直流電源１５（直流電圧Ｖｏ１）の−（マイナス）が接続されるＸ２端子に接続する。また、制御端子（例えば、ゲート）には、偏磁防止手段３からスイッチング素子２ａのオン期間を制御する駆動信号ＳＤ１が供給される。
【００２２】
スイッチング素子２ｂは、ＭＯＳＦＥＴ等で構成し、スイッチを形成する一方の端子（例えば、ドレイン）をパルストランスＴの一次巻線Ｍ２のＰ３端子に接続し、スイッチを形成する他方の端子（例えば、ソース）を直流電源１５（直流電圧Ｖｏ１）の−（マイナス）が接続されるＸ２端子に接続する。また、制御端子（例えば、ゲート）には、偏磁防止手段３からスイッチング素子２ａのオン期間を制御する駆動信号ＳＤ２が供給される。
【００２３】
パルストランスＴは、一次側を一次巻線にセンタータップを設けて一次巻線Ｍ１と一次巻線Ｍ２の２巻線で構成し、一次巻線Ｍ１の一方をＰ１端子、一次巻線Ｍ１の他方と一次巻線Ｍ２の一方（センタータップ）を共通にしてＰ２端子、一次巻線Ｍ２の他方をＰ３端子とする。
【００２４】
また、パルストランスＴは、二次側を二次巻線にセンタータップを設けて二次巻線Ｈ１と二次巻線Ｈ２の２巻線で構成し、二次巻線Ｈ１の一方をＰ４端子、二次巻線Ｈ１の他方と二次巻線Ｈ２の一方（センタータップ）を共通にしてＰ５端子、二次巻線Ｈ２の他方をＰ６端子とする。
【００２５】
なお、一次巻線Ｍ１と一次巻線Ｍ２の巻線数（ターン数）を等しくし、二次巻線Ｈ１と二次巻線Ｈ２の巻線数（ターン数）を等しくする。
【００２６】
パルストランスＴの一次側のＰ２端子を直流電源１５（直流電圧ＶＯ１）の＋（プラス）側であるＸ１端子に接続し、スイッチング素子２ａおよびスイッチング素子２ｂのスイッチを形成する他方の端子（例えば、ＦＥＴのソース）を直流電源１５（直流電圧ＶＯ１）の−（マイナス）側であるＸ２端子に接続することにより、スイッチング素子２ａがオン／オフを繰り返す場合には、Ｘ１端子→Ｐ２端子→一次巻線Ｍ１→Ｐ１端子→スイッチング素子２ａ→Ｘ２端子の経路でパルス状のコイル電流Ｉ１が流れ、一次巻線Ｍ１に高周波パルスを発生する。
【００２７】
一方、スイッチング素子２ｂがオン／オフを繰り返す場合には、Ｘ１端子→Ｐ２端子→一次巻線Ｍ２→Ｐ３端子→スイッチング素子２ｂ→Ｘ２端子の経路でコイル電流Ｉ２が流れ、一次巻線Ｍ２に高周波パルスを発生する。
【００２８】
偏磁防止手段３からスイッチング素子２ａおよびスイッチング素子２ｂに供給される駆動信号ＳＤ１，ＳＤ２は、高周波（例えば、５０ｋＨｚ）の各周期（０．０２ｍｓ）のそれぞれ１／２周期（＝０．０１ｍｓ）を下回る時間に交互にＨレベルを出力するので、駆動信号ＳＤ１がＨレベルの期間にスイッチング素子２ａがオンとなってコイル電流Ｉ１が流れ、駆動信号ＳＤ２がＨレベルの期間にスイッチング素子２ｂがオンとなってコイル電流Ｉ２が流れる。
【００２９】
パルストランスＴの二次側のＰ４端子を整流ダイオードＤ１のアノードに接続、Ｐ６端子を整流ダイオードＤ２のアノードに接続、整流ダイオードＤ１のカソードと整流ダイオードＤ２のカソードおよびチョークコイルＬの一端を接続し、チョークコイルＬの他端と平滑コンデンサＣの＋（プラス）端およびＹ１端子を接続する。一方、Ｐ５端子と平滑コンデンサＣの−（マイナス）端およびＹ２端子を接続する。
【００３０】
このような構成により、二次巻線Ｈ１（Ｐ４端子−Ｐ５端子間）に発生した高周波パルスを整流ダイオードＤ１で整流した後、チョークコイルＬを介して平滑コンデンサＣで平滑してＹ１端子−Ｙ２端子間に直流（直流電圧ＶＯ２）を発生する。
【００３１】
一方、二次巻線Ｈ２（Ｐ６端子−Ｐ５端子間）に発生した高周波パルスを整流ダイオードＤ２で整流した後、チョークコイルＬを介して平滑コンデンサＣで平滑してＹ１端子−Ｙ２端子間に直流（直流電圧ＶＯ２）を発生する。
【００３２】
Ｙ１端子−Ｙ２端子間に発生する直流（直流電圧ＶＯ２）は、整流ダイオードＤ１および整流ダイオードＤ２で整流した後、チョークコイルＬを介して平滑コンデンサＣで平滑した合成電圧となる。
【００３３】
インバータ４は、直流−交流変換機能を備え、Ｙ１端子−Ｙ２端子間に発生した直流（直流電圧ＶＯ２）を交流（例えば、５０Ｈｚ／２００Ｖ）に変換し、分散型電源として交流電力を系統連系する。
【００３４】
偏磁防止手段３は、電流センサや、電流偏差演算機能、駆動制御機能、駆動信号発生機能等のハード構成、ソフト構成またはハード／ソフト混成構成の処理機能を備え、パルストランスＴの一次巻線Ｍ１に流れるコイル電流Ｉ１および一次巻線Ｍ２に流れるコイル電流Ｉ２を検出し、コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２の偏差を演算して一次巻線Ｍ１または一次巻線Ｍ２に偏磁が発生しているか否かを判定する。
【００３５】
偏磁の判定は、コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２のアンバランスによって行なう。例えば、コイル電流Ｉ１がコイル電流Ｉ２を超える場合（Ｉ１＞Ｉ２）、一次巻線Ｍ１による磁束が最大磁束密度をオーバして飽和状態にあると、インダクタンスが低下してコイル電流Ｉ１が増加するため、これにより偏磁現象が発生していると判断する。
【００３６】
一方、コイル電流Ｉ２がコイル電流Ｉ１を超える場合（Ｉ２＞Ｉ１）には、一次巻線Ｍ２が最大磁束密度をオーバして飽和状態にあり、インダクタンスが低下してコイル電流Ｉ２が増加する偏磁現象が発生したと判断する。
【００３７】
さらに、コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２が等しい（Ｉ１＝Ｉ２）場合、一次巻線Ｍ１または一次巻線Ｍ２のいずれにも偏磁現象が発生していないと判断する。なお、通常状態では、スイッチング素子２ａとスイッチング素子２ｂの特性（ペア性）、一次巻線Ｍ１と一次巻線Ｍ２の特性（巻線数、インダクタンス等）ならびに駆動信号ＳＤ１とＳＤ２のレベル（Ｈレベルの期間）が一致しており、偏磁現象は発生しない。また、初期状態には、駆動信号ＳＤ１とＳＤ２のレベル（Ｈレベルの期間）を調整して一次巻線Ｍ１，一次巻線Ｍ２に偏磁現象が発生しないように設定する。
【００３８】
コイル電流Ｉ１がコイル電流Ｉ２を超えて（Ｉ１＞Ｉ２）偏磁現象が発生している場合、電流偏差ΔＩ（＝Ｉ１−Ｉ２）に対応して駆動信号ＳＤ１のＨレベルの期間を短縮してスイッチング素子２ａのオン期間を短縮し、コイル電流Ｉ１を減少してコイル電流Ｉ２と一致させ、電流のバランスを取ることにより、偏磁現象を防止する。
【００３９】
以上のように、スイッチング素子（２ａ，２ｂ）のオン期間の短縮は、コイル電流（Ｉ１またはＩ２）が多く流れている側を制御することを基本とする。
【００４０】
コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２の電流偏差ΔＩ（＝Ｉ１−Ｉ２）は、コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２の流れる期間が異なる（それぞれ異なる１／２周期未満）ので、１周期分のコイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２の平均値の差分、コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２を互いに逆極性で検出して加算、またはコイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２に対応する量（例えば、積分値）の差分、加算等で検出する。また、電流偏差ΔＩ（＝Ｉ１−Ｉ２）は、所定周期の平均値でもよい。
【００４１】
駆動信号ＳＤ１とＳＤ２は、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調）信号やＰＷＭ信号に対応した信号で形成する。
【００４２】
なお、本実施例では、コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２の電流偏差ΔＩから偏磁現象を検出し、コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２のバランスを取ることによって偏磁現象を防止する構成としたが、偏磁現象をパルストランスＴの一次側と二次側の電力量で検出、または一次側のコイル電流の急激な増加を偏磁現象の動作として微分回路で検出し、コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２のバランスを取ることによって偏磁現象を防止する構成としてもよい。
【００４３】
このように、この発明に係る電力変換装置１は、パルストランスＴの一次側の２巻線（一次巻線Ｍ１，一次巻線Ｍ２）に流れるコイル電流（Ｉ１，Ｉ２）を検出し、コイル電流偏差（ΔＴ）に基づいて２つのスイッチング素子（２ａ，２ｂ）のオン期間を調整してコイル電流をバランス（Ｉ１＝Ｉ２）させ、パルストランスＴの一次側巻線（一次巻線Ｍ１，Ｍ２）の偏磁を防止する偏磁防止手段３を備えたので、コイル電流偏差の極性（＋または−）とコイル電流偏差によってスイッチング素子を特定し、オン期間を決定してパルストランスＴの一次側の２巻線（一次巻線Ｍ１，一次巻線Ｍ２）に流れるコイル電流（Ｉ１，Ｉ２）を同じにすることができ、単純な構成でパルストランスの偏磁を防止することができる。
【００４４】
また、この発明に係る直流電源は、太陽電池または燃料電池であるので、家庭用の電気機器が利用する分散型電源に使用する直流電源の利用範囲を広めることができ、電力変換装置の利便性を向上させることができる。
【００４５】
図２はこの発明に係る偏磁防止手段の一実施の形態要部ブロック構成図である。図２において、電力変換装置５は、プッシュプル・コンバータを構成するＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＭＯＳ電界効果トランジスタ）−Ｑ１、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２、パルストランスＴ、整流ダイオードＤ１、整流ダイオードＤ２、チョークコイルＬ、平滑コンデンサＣおよび偏磁防止手段３と、インバータ４を備える。
【００４６】
なお、電力変換装置５は、スイッチング素子２ａおよびスイッチング素子２ｂにＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１およびＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２を採用した点ならびに偏磁防止手段３に電流センサ６、積分手段７、駆動制御手段８、駆動手段９を備えた点のみ電力変換装置１と異なるので、パルストランスＴ、整流ダイオードＤ１、整流ダイオードＤ２、チョークコイルＬ、平滑コンデンサＣおよびインバータ４についての説明は省略する。
【００４７】
ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＭＯＳ電界効果トランジスタ）−Ｑ１は、ドレインをパルストランスＴの一次巻線Ｍ１のＰ１端子に接続し、ソースを直流電源１５（直流電圧Ｖｏ１）の−（マイナス）が接続されるＸ２端子に接続し、ゲートＧに偏磁防止手段３の駆動手段９からオン期間を制御する駆動信号ＳＤ１が供給されると、Ｘ１端子→Ｐ２端子→一次巻線Ｍ１→Ｐ１端子→ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１（ドレイン−ソース間）→Ｘ２端子の経路でパルス状のコイル電流Ｉ１が流れ、一次巻線Ｍ１に高周波パルスを発生する。
【００４８】
ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２は、ドレインをパルストランスＴの一次巻線Ｍ２のＰ３端子に接続し、ソースを直流電源１５（直流電圧Ｖｏ１）の−（マイナス）が接続されるＸ２端子に接続、ゲートＧに偏磁防止手段３の駆動手段９からオン期間を制御する駆動信号ＳＤ２が供給されると、Ｘ１端子→Ｐ２端子→一次巻線Ｍ２→Ｐ３端子→ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２（ドレイン−ソース間）→Ｘ２端子の経路でコイル電流Ｉ２が流れ、一次巻線Ｍ２に高周波パルスを発生する。
【００４９】
次に、偏磁防止手段３について説明する。電流センサ６は、変流器で構成し、一次巻線Ｍ１に流れるコイル電流Ｉ１と一次巻線Ｍ２に流れるコイル電流Ｉ２を互いに逆極性（±）で検出する。コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２を互いに逆極性（±）で検出するために、Ｐ１端子に接続する配線ＣＬ１を流れるコイル電流Ｉ１の方向とＰ３端子に接続する配線ＣＬ２を流れるコイル電流Ｉ２の方向とが相互に逆向きとなるように変流器内を貫通させる配線ＣＬ１と配線ＣＬ２の方向を設定する。
【００５０】
例えば、Ｐ３端子に接続する配線ＣＬ２を折り返して変流器を貫通させることにより、Ｐ１端子に接続する配線ＣＬ１に流れるコイル電流Ｉ１と、コイル電流Ｉ２の極性を互いに逆方向に設定することができる。この状態で、コイル電流Ｉ１を＋（プラス）に設定すると、コイル電流Ｉ２は−（マイナス）で検出することができる。
【００５１】
図３はこの発明に係る電流センサの一実施の形態構成図である。図３において、電流センサは、変流器（ＣＴ：Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｃｅ）１０で構成し、図２に示すパルストランスＴの一次巻線Ｍ１のＰ１端子に接続された配線ＣＬ１と一次巻線Ｍ２のＰ３端子に接続された配線ＣＬ２を変流器（ＣＴ）１０内に貫通させる。
【００５２】
配線ＣＬ１に流れるコイル電流Ｉ１を＋（プラス）に設定すると、配線ＣＬ２に流れるコイル電流Ｉ２（コイル電流Ｉ１と逆方向）は−（マイナス）となり、変流器（ＣＴ）１０の変流比ｎで決定される検出電流ｎＩ１，−ｎＩ２を取り出すことができる。
【００５３】
図４はこの発明に係る駆動信号と検出電流の関係図である。（ａ）図に駆動信号の波形、（ｂ）図に検出電流の波形を示す。（ａ）図に示す駆動信号ＳＤ１と駆動信号ＳＤ２は、それぞれ一周期Ｔの１／２周期（Ｔ／２）よりも短いＨレベルのオン信号（Ｑ１オン、Ｑ２オン）を出力する。
【００５４】
（ｂ）図に示す検出電流は、Ｈレベルのオン信号（Ｑ１オン）に対応した期間、コイル電流Ｉ１の＋（プラス）極性の検出電流ｎＩ１を出力し、続いてＨレベルのオン信号（Ｑ２オン）に対応した期間、コイル電流Ｉ２の−（マイナス）極性の検出電流−ｎＩ２を出力する。
【００５５】
変流器（ＣＴ）１０は、コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２を１個のセンサを用いるだけで逆極性（±）で検出することができるので、コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２の電流偏差ΔＩ（＝Ｉ１−Ｉ２）を容易に得ることができる。
【００５６】
このように、この発明に係る電流センサ６は、ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｃｅ）１０で構成し、パルストランスＴの一次側の２巻線（一次巻線Ｍ１，一次巻線Ｍ２）に流れるコイル電流Ｉ１，Ｉ２を互いに逆極性（±）で検出するので、１個のＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｃｅ）１０で２巻線に流れるコイル電流偏差ΔＩ（＝Ｉ１−Ｉ２）を検出することができ、装置の単純化を実現することができる。
【００５７】
図２に戻り、積分手段７は、Ｒ（抵抗器）・Ｃ（コンデンサ）積分回路で構成し、変流器（ＣＴ）１０で検出した一周期Ｔ分の検出電流ｎＩ１，−ｎＩ２を抵抗器で電圧に変換し、検出電流ｎＩ１を電圧変換した＋（プラス）のパルスを積分して＋（プラス）の積分値ＳＩ＋を得た後、検出電流−ｎＩ２を電圧変換した−（マイナス）のパルスを積分して−（マイナス）の積分値ＳＩ−を得る。
【００５８】
また、積分手段７は、加算器を備え、＋（プラス）の積分値ＳＩ＋と−（マイナス）の積分値ＳＩ−を加算して一周期Ｔ分の積分信号ＳＩ（＝ＳＩ＋＋ＳＩ−）を駆動制御手段８に供給する。
【００５９】
駆動制御手段８は、積分信号ＳＩに対するＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）増／減信号のデータテーブル、ＰＷＭ信号発生器等で構成し、積分手段７から供給される積分信号ＳＩに対応したＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）増／減信号を発生し、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）増／減信号に対応した駆動制御信号（ＰＷＭ信号）ＳＣを駆動手段９に提供する。なお、駆動制御信号（ＰＷＭ信号）ＳＣは、積分信号ＳＩの絶対値が大きい側のコイル電流（Ｉ１またはＩ２）を減少させるように、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１（またはＱ２）を決定し、オン期間を制御することによってコイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２が等しくなり、バランスするように設定する。
【００６０】
このように、この発明に係る駆動制御手段８は、積分手段７が蓄積した積分値ＳＩの極性に基づいてオン期間を制御する側のスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１，または−Ｑ２）を決定するので、コイル電流Ｉ１（またはＩ２）を多く流すスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１，または−Ｑ２）のオン期間を制御することができ、パルストランスＴの一次側の２巻線（一次巻線Ｍ１，一次巻線Ｍ２）に流れるコイル電流Ｉ１，Ｉ２をバランスさせることができる。
【００６１】
駆動手段９は、増幅器、出力回路等で構成し、駆動制御手段８から供給される駆動制御信号（ＰＷＭ信号）ＳＣに基づいてＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１およびＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２を充分に駆動（オン）できる駆動信号ＳＤ１，ＳＤ２を発生し、それぞれＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１およびＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２のゲートＧに供給する。
【００６２】
偏磁防止手段３を構成するコイル電流Ｉ１，コイル電流Ｉ２を検出する電流センサ６（変流器（ＣＴ）１０）、積分手段７、駆動制御手段８、駆動手段９、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１、ＭＯＳＦＥＴＱ２は、フィードバックループを形成し、コイル電流Ｉ１とコイル電流Ｉ２がバランスし、偏磁現象を防止するまでフィードバック制御が継続する。
【００６３】
このように、この発明に係る偏磁防止手段３は、パルストランスＴの一次側の２巻線（一次巻線Ｍ１，一次巻線Ｍ２）を流れるコイル電流Ｉ１，Ｉ２を検出する電流センサ６と、検出したコイル電流Ｉ１，Ｉ２を所定期間（一周期分）積分する積分手段７と、積分手段７が蓄積した積分値ＳＩに対応した駆動制御信号ＳＣを出力する駆動制御手段８と、駆動制御手段８から供給される駆動制御信号ＳＣに基づいて２つのスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１，ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２）のオン期間を調整する駆動信号ＳＤ１，ＳＤ２を出力する駆動手段９とを備えたので、検出したコイル電流ｎＩ１，−ｎＩ２に基づいて多くのコイル電流を流すスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１，ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ２）を特定し、特定したスイッチング素子のオン期間を調整してパルストランスＴの一次側の２巻線に流れるコイル電流Ｉ１，Ｉ２のバランスを取る（Ｉ１＝Ｉ２）ことができ、コイル電流のアンバランスに起因するパルストランスの偏磁現象を未然に防止することができる。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明に係るプッシュプル回路方式の電力変換装置は、パルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流を検出し、コイル電流偏差に基づいて２つのスイッチング素子のオン期間を調整してコイル電流をバランスさせ、パルストランスの一次側巻線の偏磁を防止する偏磁防止手段を備えたので、コイル電流偏差の極性とコイル電流偏差によってスイッチング素子を特定し、オン期間を決定してパルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流を同じにすることができ、単純な構成でパルストランスの偏磁を防止することができる。
【００６５】
また、この発明に係る偏磁防止手段は、パルストランスの一次側の２巻線を流れるコイル電流を検出する電流センサと、検出したコイル電流を所定期間積分する積分手段と、積分手段が蓄積した積分値に対応した駆動制御信号を出力する駆動制御手段と、駆動制御手段から供給される駆動制御信号に基づいて２つのスイッチング素子のオン期間を調整する駆動信号を出力する駆動手段とを備えたので、検出したコイル電流に基づいて多くのコイル電流を流すスイッチング素子を特定し、特定したスイッチング素子のオン期間を調整してパルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流のバランスを取ることができ、コイル電流のアンバランスに起因するパルストランスの偏磁現象を未然に防止することができる。
【００６６】
さらに、この発明に係る電流センサは、ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｃｅ）で構成し、パルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流を互いに逆極性で検出するので、１個のＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｃｅ）で２巻線に流れるコイル電流偏差を検出することができ、装置の単純化を実現することができる。
【００６７】
また、この発明に係る駆動制御手段は、積分手段が蓄積した積分値の極性に基づいてオン期間を制御する側のスイッチング素子を決定するので、コイル電流を多く流すスイッチング素子のオン期間を制御することができ、パルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流をバランスさせることができる。
【００６８】
さらに、この発明に係る直流電源は、太陽電池または燃料電池であるので、家庭用の電気機器が利用する分散型電源に使用する直流電源の利用範囲を広めることができ、電力変換装置の利便性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係るプッシュプル回路方式の電力変換装置の実施の形態基本ブロック構成図
【図２】この発明に係る偏磁防止手段の一実施の形態要部ブロック構成図
【図３】この発明に係る電流センサの一実施の形態構成図
【図４】この発明に係る駆動信号と検出電流の関係図
【符号の説明】
１，５ 電力変換装置
２ａ，２ｂ スイッチング素子
３ 偏磁防止手段
４ インバータ
６ 電流センサ
７ 積分手段
８ 駆動制御手段
９ 駆動手段
１０ 変流器（ＣＴ）
Ｔ パルストランス
Ｍ１，Ｍ２ 一次巻線
Ｈ１，Ｈ２ 二次巻線
Ｄ１，Ｄ２ 整流ダイオード
Ｌ チョークコイル
Ｃ 平滑コンデンサ
ＣＬ１，ＣＬ２ 接続線
Ｉ１，Ｉ２ コイル電流
ＳＤ１，ＳＤ２ 駆動信号
ＳＩ 積分信号
ＳＣ 駆動制御信号（ＰＷＭ信号）
Claims (5)
- 直流電源を２つのスイッチング素子で交互にオン／オフ駆動して高周波パルスに変換し、変換した高周波パルスをパルストランスの一次側の２巻線に印加することにより、前記パルストランスの二次側の２巻線から得られる互いに極性の異なる高周波パルスに整流・平滑を施して直流を発生し、発生した直流を交流電源に変換するプッシュプル回路方式の電力変換装置において、
前記パルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流を検出し、コイル電流偏差に基づいて前記２つのスイッチング素子のオン期間を調整してコイル電流をバランスさせ、前記パルストランスの一次側巻線の偏磁を防止する偏磁防止手段を備えたことを特徴とするプッシュプル回路方式の電力変換装置。 - 前記偏磁防止手段は、前記パルストランスの一次側の２巻線を流れるコイル電流を検出する電流センサと、検出したコイル電流を所定期間積分する積分手段と、前記積分手段が蓄積した積分値に対応した駆動制御信号を出力する駆動制御手段と、前記駆動制御手段から供給される駆動制御信号に基づいて前記２つのスイッチング素子のオン期間を調整する駆動信号を出力する駆動手段と、を備えたことを特徴とする請求項１記載のプッシュプル回路方式の電力変換装置。
- 前記電流センサは、ＣＴ（Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｔｒａｎｃｅ）で構成し、前記パルストランスの一次側の２巻線に流れるコイル電流を互いに逆極性で検出することを特徴とする請求項２記載のプッシュプル回路方式の電力変換装置。
- 前記駆動制御手段は、前記積分手段が蓄積した積分値の極性に基づいてオン期間を制御する側の前記スイッチング素子を決定することを特徴とする請求項２記載のプッシュプル回路方式の電力変換装置。
- 前記直流電源は、太陽電池または燃料電池であることを特徴とする請求項１記載のプッシュプル回路方式の電力変換装置。
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