JP2006254518A

JP2006254518A - チョッパ装置とその制御方法

Info

Publication number: JP2006254518A
Application number: JP2005063223A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Sakurai; 繁櫻井
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2005-03-08
Filing date: 2005-03-08
Publication date: 2006-09-21

Abstract

【課題】単純な構成のインダクタを使用した双方向チョッパ装置とその制御方法を提供する。
【解決手段】還流ダイオードを持った第１から第４のスイッチング素子を備え、直流電源と負荷との双方向に電力を変換するチョッパ装置において、直流電源の正極端子を第１コンデンサ６の一端と第１スイッチング素子１のコレクタに接続し、第１スイッチング素子のエミッタと第２スイッチング素子２のコレクタとを接続し、第２スイッチング素子のエミッタを第２コンデンサ７の一端と負荷の負極端子に接続し、負荷の正極端子を第２コンデンサの他端と第３スイッチング素子３のコレクタに接続し、第３スイッチング素子のエミッタと第４スイッチング素子４のコレクタとを接続し、第４スイッチング素子のエミッタを直流電源の負極端子と第１コンデンサの他端へ接続し、第１スイッチング素子のエミッタと第２スイッチング素子のコレクタとの接続点と、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子のコレクタとの接続点とをインダクタを介して接続した。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電源電圧を異なる直流電源電圧に変換する双方向チョッパ装置とその制御方法に関する。

従来の双方向チョッパ装置には、例えば特許文献１がある。図３は特許文献１で開示された従来技術である。図３において、１０１は第１インダクタ、１０２は第１トランジスタ、１０３は第１ダイオード、１０４は第1コンデンサ、１０５は直流電源、１０６は第２トランジスタ、１０７は第２ダイオード、１０８は第２コンデンサ、１０９は第２インダクタ、１１３は制御回路である。第１インダクタと第２インダクタは同一鉄心に巻かれており、密結合されている。直流電源１０５から第1コンデンサに電荷をチャージする動作を説明する。まず、第１トランジスタをオンさせて直流電源１０５で第１インダクタに電流を流し、インダクタの鉄心に磁束をチャージする。次に第１トランジスタをオフして、鉄心に蓄えられた磁束を第２インダクタと第１、第２ダイオードを通して第1コンデンサにディスチャージし、第1コンデンサに電荷を蓄える。この動作を繰り返すことにより直流電源から第１コンデンサに持続的にエネルギーを供給する。第１トランジスタのオン、オフの時間を制御回路１３で制御することにより、第１コンデンサの電圧が制御される。次に、第１コンデンサから直流電源に電荷をディスチャージする動作を説明する。第１コンデンサの電圧が直流電源よりも高い場合は第２トランジスタをオンすることにより、第１コンデンサの電荷は、第２トランジスタ、第２インダクタ、第１インダクタを介して直流電源に放電する。次に第２トランジスタをオフすると第１、第２インダクタの共通鉄心に蓄えられた磁束が第１ダイオード、第１インダクタを介してディスチャージされ電流は減少しながら直流電源を充電する。この動作を繰り返すことにより第1コンデンサから直流電源に持続的にエネルギーを移動することができる。制御回路１３で第２トランジスタのオン、オフを制御することにより第1コンデンサの電圧を制御できるというものである。

特開２００１−２２４１６４号公報（図１）

しかしながら従来の双方向チョッパ装置は、同一鉄心にコイルを巻いた第１インダクタと第２インダクタを使用しなければならず、インダクタのサイズが大きくなるばかりか、第１インダクタと第２インダクタを密に結合させることは困難であり、リーケージインダクタンスが存在し、第１トランジスタをオフしたときに第１インダクタから第２インダクタに完全には転流できず、スパイク電圧が発生し、ノイズの原因になるという問題があった。図１４は、従来の双方向チョッパ装置のシミュレーション結果で、条件は第１インダクタと第２インダクタの自己インダクタンスが２ｍＨ、相互インダクタンスが１．９９ｍＨ、第１コンデンサの容量２０００μＦ、直流電源の電圧２４Ｖである。第１トランジスタがオンからオフになる時、第１インダクタの電流が第２インダクタに転流するが、オフ時の電流降下率と漏れインダクタンスの影響で第１トランジスタのコレクタに２００Ｖのスパイク電圧が発生している。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、単純な構成のインダクタを使用した小形でノイズを低減できる双方向チョッパ装置とその制御方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、還流ダイオードを持った第１から第４のスイッチング素子を備え、直流電源と負荷との双方向に電力を変換するチョッパ装置において、前記直流電源の正極端子を第１コンデンサの一端と第１スイッチング素子のコレクタに接続し、前記第１スイッチング素子のエミッタと第２スイッチング素子のコレクタとを接続し、前記第２スイッチング素子のエミッタを第２コンデンサの一端と負荷の負極端子に接続し、前記負荷の正極端子を前記第２コンデンサの他端と第３スイッチング素子のコレクタに接続し、前記第３スイッチング素子のエミッタと第４スイッチング素子のコレクタとを接続し、前記第４スイッチング素子のエミッタを前記直流電源の負極端子と前記第１コンデンサの他端へ接続し、前記第１スイッチング素子のエミッタと第２スイッチング素子のコレクタとの接続点と、前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子のコレクタとの接続点とをインダクタを介して接続したことを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のチョッパ装置において、前記負荷の電圧を検出し電圧信号を生成する電圧検出器と、前記インダクタの電流を検出し、電流信号を生成する電流検出器と、電圧指令と前記電圧信号から電流指令を生成する電圧制御器と、前記電流指令と前記電流信号からオンオフ信号を生成し、前記第１乃至第４スイッチング素子をオンオフ制御する電流制御器と、を備えることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のチョッパ装置において、前記電圧制御器は、前記電圧指令と前記電圧信号の誤差をＰＩＤ処理するＰＩＤ制御器であることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載のチョッパ装置において、前記電流制御器は、前記電流指令が正のときは前記第４スイッチング素子をオンさせ、前記電流信号が前記電流指令よりも小さいときは第１スイッチング素子をオンさせ、大きいときは前記第１スイッチング素子を所定の時間オフさせることを特徴とするものである。
請求項５に記載の発明は、請求項２に記載のチョッパ装置において、記載前記電流制御器は、前記電流指令に所定の微小電流指令を加算して第１電流指令を生成し、前記電流指令に所定の微小電流指令を減算して第２電流指令を生成し、前記電流信号が前記第１電流指令よりも小さいときは前記第１スイッチング素子をオンし、前記電流信号が前記第１電流指令よりも大きいときは前記第１スイッチング素子をオフし、前記電流信号が前記第２電流指令よりも小さくなったときは再び前記第１スイッチング素子をオンすることを特徴とするものである。
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のチョッパ装置において、前記電流制御器は、前記電流指令が負のときは第２スイッチング素子をオンさせ、前記電流信号が前記電流指令よりも大きいときは第３スイッチング素子をオンさせ、小さいときは前記第３スイッチング素子を所定の時間オフさせることを特徴とするものである。
請求項７に記載の発明は、請求項５に記載のチョッパ装置において、前記電流制御器は、前記電流指令に所定の微小電流指令を減算して第３電流指令を生成し、前記電流指令に所定の微小電流指令加算して第４電流指令を生成し、前記電流信号が前記第３電流指令よりも大きいときは第３スイッチング素子をオンし、前記電流信号が前記第３電流指令よりも小さいときは前記第３スイッチング素子をオフし、前記電流信号が前記第４電流指令よりも大きくなったときは再び前記第３スイッチング素子をオンすることを特徴とするものである。
請求項８に記載の発明は、請求項２に記載のチョッパ装置において、前記電流制御器は、前記電流信号が前記第１電流指令よりも小さいときは前記第１スイッチング素子と前記第４のスイッチング素子をオンし、前記電流信号が前記第１電流指令よりも大きいときは前記第１スイッチング素子と前記第４スイッチング素子をオフし、前記電流信号が前記第２電流指令よりも小さくなったときは再び前記第１スイッチング素子と前記第4スイッチング素子をオンすることを特徴とするものである。
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載のチョッパ装置において、前記電流制御器は、前記電流指令に所定の微小電流指令を減算して第３電流指令を生成し、前記電流指令に所定の微小電流指令加算して第４電流指令を生成し、前記電流信号が前記第３電流指令よりも大きいときは第２スイッチング素子と第３スイッチング素子をオンし、前記電流信号が前記第３電流指令よりも小さいときは前記第２スイッチング素子と前記第３スイッチング素子をオフし、前記電流信号が前記第４電流指令よりも大きくなったときは再び前記第２スイッチング素子と前記第３スイッチング素子をオンすることを特徴とするものである。
請求項１０に記載の発明は、請求項２に記載のチョッパ装置において、前記直流電源の負極端子と、前記負荷の負極端子を接続し、前記電流制御器は、前記電流指令に所定の微小電流指令を加算して第１電流指令を生成し、前記電流指令に所定の微小電流指令を減算して第２電流指令を生成し、前記電流信号が第１電流指令よりも小さいときは前記第１スイッチング素子と前記第４のスイッチング素子をオンし、前記電流信号が前記第１電流指令よりも大きいときは前記第１スイッチング素子と前記第４スイッチング素子をオフし、前記電流信号が第２電流指令よりも小さくなったときは再び前記第１スイッチング素子と前記第4スイッチング素子をオンし、前記電流指令に所定の微小電流指令を減算して第３電流指令を生成し、前記電流指令に所定の微小電流指令加算して第４電流指令を生成し、前記電流信号が前記第３電流指令よりも大きいときは第２スイッチング素子と第３スイッチング素子をオンし、前記電流信号が前記第３電流指令よりも小さいときは前記第２スイッチング素子と前記第３スイッチング素子をオフし、前記電流信号が前記第４電流指令よりも大きくなったときは再び前記第２スイッチング素子と前記第３スイッチング素子をオンすることを特徴とするものである。

請求項１１に記載の発明は、還流ダイオードを持った第１から第４のスイッチング素子を備え、直流電源と負荷との双方向に電力を変換するチョッパ装置であり、前記直流電源の正極端子を第１コンデンサの一端と第１スイッチング素子のコレクタに接続し、前記第１スイッチング素子のエミッタと第２スイッチング素子のコレクタとを接続し、前記第２スイッチング素子のエミッタを第２コンデンサの一端と負荷の負極端子に接続し、前記負荷の正極端子を前記第２コンデンサの他端と第３スイッチング素子のコレクタに接続し、前記第３スイッチング素子のエミッタと第４スイッチング素子のコレクタとを接続し、前記第４スイッチング素子のエミッタを前記直流電源の負極端子と前記第１コンデンサの他端へ接続し、前記第１スイッチング素子のエミッタと第２スイッチング素子のコレクタとの前記接続点と、前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子のコレクタとの前記接続点とをインダクタを介して接続したチョッパ装置の制御方法において、前記第２電源の電圧を検出し電圧信号を生成するステップと、前記インダクタの電流を検出し、電流信号を生成するするステップと、電圧指令と前記電圧信号から電流指令を生成するステップと、前記電流指令と前記電流信号からオンオフ信号を生成するステップと、前記オンオフ信号で前記第１乃至第４スイッチング素子をオンオフ制御するステップと、を備えることを特徴とするものである。
請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載のチョッパ装置の制御方法において、前記電流指令を生成するステップは、前記電圧指令と前記電圧信号の誤差をＰＩＤ処理することを特徴とするものである。
請求項１３に記載の発明は、請求項１１に記載のチョッパ装置の制御方法において、前記電流指令が正のときは前記第４スイッチング素子をオンするステップと、前記電流信号が前記電流指令よりも小さいときは第１スイッチング素子をオンするステップと、前記電流信号が前記電流指令よりも大きいときは前記第１スイッチング素子を所定の時間オフするステップと、を備えることを特徴とするものである。
請求項１４に記載の発明は、請求項１１に記載のチョッパ装置の制御方法において、前記電流指令に所定の微小電流指令を加算して第１電流指令を生成するステップと、前記電流指令に所定の微小電流指令を減算して第２電流指令を生成するステップと、前記電流信号が前記第１電流指令よりも小さいときは前記第１スイッチング素子をオンするステップと、前記電流信号が前記第１電流指令よりも大きいときは前記第１スイッチング素子をオフするステップと、前記電流信号が前記第２電流指令よりも小さくなったときは再び前記第１スイッチング素子をオンするステップと、を備えることを特徴とするものである。
請求項１５に記載の発明は、請求項１４に記載のチョッパ装置の制御方法において、前記電流指令が負のときは第２スイッチング素子をオンするステップと、前記電流信号が前記電流指令よりも大きいときは第３スイッチング素子をオンするステップと、前記電流信号が前記電流指令よりも小さいときは前記第３スイッチング素子を所定の時間オフするステップと、を備えることを特徴とするものである。
請求項１６に記載の発明は、請求項１４に記載のチョッパ装置の制御方法において、前記電流指令に所定の微小電流指令を減算して第３電流指令を生成するステップと、前記電流指令に所定の微小電流指令を加算して第４電流指令を生成するステップと、前記電流信号が前記第３電流指令よりも大きいときは前記第３スイッチング素子をオンするステップと、前記電流信号が前記第３電流指令よりも小さいときは前記第３スイッチング素子をオフするステップと、前記電流信号が前記第４電流指令よりも大きくなったときは再び前記第３スイッチング素子をオンするステップと、を備えることを特徴とするものである。
請求項１７に記載の発明は、請求項１１に記載のチョッパ装置の制御方法において、前記直流電源の負極端子と、前記負荷の負極端子を接続し、前記電流指令に所定の微小電流指令を加算して第１電流指令を生成するステップと、前記電流指令に所定の微小電流指令を減算して第２電流指令を生成するステップと、前記電流信号が第１電流指令よりも小さいときは前記第１スイッチング素子と前記第４のスイッチング素子をオンするステップと、前記電流信号が前記第１電流指令よりも大きいときは前記第１スイッチング素子と前記第４スイッチング素子をオフするステップと、前記電流信号が第２電流指令よりも小さくなったときは再び前記第１スイッチング素子と前記第4スイッチング素子をオンするステップと、前記電流指令に所定の微小電流指令を減算して第３電流指令を生成するステップと、
前記電流指令に所定の微小電流指令を加算して第４電流指令を生成するステップと、前記電流信号が前記第３電流指令よりも大きいときは第２スイッチング素子と第３スイッチング素子をオンするステップと、前記電流信号が前記第３電流指令よりも小さいときは前記第２スイッチング素子と前記第３スイッチング素子をオフするステップと、前記電流信号が前記第４電流指令よりも大きくなったときは再び前記第２スイッチング素子と前記第３スイッチング素子をオンするステップと、を備えることを特徴とするものである。

本発明によると、単純な構成のインダクタを使用した小形でノイズを低減した双方向チョッパ装置とその制御方法を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の第１の実施例を示すブロック図である。図１において、１は第１スイッチング素子、２は第２スイッチング素子、３は第３スイッチング素子、４は第４スイッチング素子、５はインダクタ、６は第１コンデンサ、７は第２コンデンサ、８は電圧検出器、９は電流検出器である。また、１０は電圧制御器、１１は電流制御器、１２は第１電流制御器、１３は第２電流制御器、１４は電流指令極性判別器、１５はゲート信号生成器、１６はゲートドライブ、１７はスルーアップ・ダウン信号生成器である。また、３１〜３４はそれぞれ第１〜第４ダイオード、５１は直流電源、５２は負荷である。

次に動作について、説明する。スルーアップ・ダウン信号生成器１７は外部または、内部で設定された電圧指令Ｖｒｅｆを所定の時間傾斜をもつ第1電圧指令を生成する。電圧制御器１０は、第１電圧指令Ｖｒｅｆ１と電圧信号Ｖｆｂの差をとり電圧誤差信号ΔＶを生成し、内部のＰＩＤ処理器１８で電圧誤差信号をＰＩＤ処理して電流指令Ｉｒｅｆを生成し、さらに内部の電流制限器１９でリミットをかけあらたな電流指令Ｉｒｅｆを生成する。ＰＩＤ処理は電圧制御比例ゲインｋｖと電圧制御積分時定数Ｔｖｉと電圧制御微分時定数Ｔｖｄからなり、制御時間をＴｓｐｌ、今回の制御回数をｋ番目とすると、電流指令Ｉｒｅｆ（ｋ）は、Ｉｒｅｆ（ｋ）＝ｋｖ＊（ΔＶ（ｋ）＋ΣΔＶ（ｋ）／Ｔｖｉ＋Ｔｖｄ＊（ΔＶ（ｋ）−ΔＶ（ｋ−１））／Ｔｓｐｌ）となる。電流制御器１１は電流指令Ｉｒｅｆと電流信号Ｉｆｂからゲート信号を生成する。電流制御器１１の内部の電流指令極性判別器１４は電流指令Ｉｒｅｆの極性が正であれば、第４スイッチング素子４をオンさせる信号第１ゲート信号Ｇ１を生成する。また、第１電流制御器１２は電流指令が正であれば、電流指令Ｉｒｅｆに所定の電流指令ΔＩｒｅｆを加算して第１電流指令Ｉｒｐを生成し、電流指令Ｉｒｅｆから所定の電流指令ΔＩｒｅｆを減算して第２電流指令Ｉｒｐを生成し、電流信号が第１電流指令Ｉｒｐよりも小さければ第１スイッチング素子１をオンさせ、大きければオフさせ、次に第２電流指令Ｉｒｖよりも小さくなれば再びオンさせる第３のゲート信号Ｇ３を生成する。また、第２電流制御器１３は、電流指令Ｉｒｅｆが負であれば、電流指令Ｉｒｅｆに所定の電流指令ΔＩｒｅｆ減算して第３電流指令Ｉｒｐを生成し、電流指令Ｉｒｅｆから所定の電流指令ΔＩｒｅｆを減算して第４電流指令Ｉｒｐを生成し、電流信号が第１電流指令Ｉｒｐよりも大きければ第３スイッチング素子３をオンさせ、小さければオフさせ、次に第４電流指令Ｉｒｖよりも大きくなれば再びオンさせる第４ゲート信号Ｇ４を生成する。ゲート信号生成器１５は第１ゲート信号Ｇ１を反転させ第２スイッチング素子をオンさせる第２ゲート信号Ｇ２を生成するとともに、外部から全てのスイッチング素子をオフさせる第５ゲート信号Ｇ５とのＡＮＤをとり、第１スイッチング素子１〜第４スイッチング素子４を制御する第１〜第４ゲートドライブ信号ＧＤ１〜ＧＤ４を生成し、ゲートドライブ回路１６で絶縁増幅してスイッチング素子をオン・オフさせる。

次に電流指令Ｉｒｅｆが正のときのチョッパ動作を説明する。電流信号Ｉｆｂが第１電流指令Ｉｒｐよりも小さければ、第１スイッチング素子がオンされて、第１スイッチグ素子と第４スイッチング素子を経由して直流電源電圧Ｖｄがインダクタに印加され、インダクタの電流が上昇する。電流検出器９はインダクタの電流を電流信号Ｉｆｂを生成する。ＩｆｂがＩｒｐを超えると第１スイッチング素子１はオフし、インダクタ５の電流は第２ダイオード３２、第３ダイオード３３を経由して第２コンデンサ７を充電しながら減少する。電流信号Ｉｆｂが第２電流信号Ｉｒｖよりも小さくなると再び第１スイッチング素子１がオンし、直流電源電圧Ｖｄが印加されてインダクタ５の電流は上昇する。この動作を繰り返して第２コンデンサ７の電圧Ｖｃは、負荷電流Ｉｌｏａｄの差で充電され、コンデンサ電圧Ｖｃが上昇する。電圧検出器８は第２コンデンサ７の電圧を検出して電圧信号Ｖｆｂを生成する。電圧制御器１８は電圧指令Ｖｒｅｆと電圧信号Ｖｆｂの誤差が小さくなると、電流指令Ｉｒｅｆも減少し、第１スイッチング素子１のオン時間が減少して、第２コンデンサ７の電圧が制御されることになる。

図４は、図１をシミュレーションしたタイムチャートである。図４は、直流電源電圧Ｖｄ＝２４Ｖ、電圧制御比例ゲインｋｖ＝２Ａ／Ｖ、電圧制御積分時定数Ｔｖｉ＝１ｓ、電圧制御微分時定数Ｔｖｄ＝０.１ｍｓ、電流制限Ｉｍａｘ＝３０Ａ、所定の電流指令ΔＩｒｅｆ＝３Ａ、インダクタのインダクタンスＬ＝２ｍＨ、第２コンデンサＣ１＝２０００μＦ、負荷は抵抗負荷でＲＬ＝２００Ω、電圧指令Ｖｒｅｆ＝２００Ｖ、スルーアップ・ダウン時間Ｔａｃ＝Ｔｄｃ＝０．１ｓである。図５は、同様に図１のシミュレーションで、負荷抵抗ＲＬ＝５０Ω、電流制限Ｉｍａｘ＝５０Ａとしている。いずれも、電流制限がかかり、第２コンデンサの電圧の振動やオーバシュートは発生していない。

図２は、本発明の第２実施例を示すブロック図である。第１の実施例と異なるのは、直流電源の負極と負荷の負極が接続されている点と、第1スイッチング素子と第４スイッチング素子が第１電流制御器の第３ゲート信号Ｇ３に従って同時にオン・オフする点と、第２スイッチング素子が第２電流制御器の第４ゲート信号Ｇ４に従って同時にオン・オフする点である。他の動作は第１の実施例と同じ動作であるので説明は省略する。

図６は本発明の第３実施例を示すブロック図である。第１の実施例とは電流制御器の構成が異なる。図６で２１は第１電流比較器で電流指令Ｉｒｅｆと電流信号Ｉｆｂを比較し、電流信号Ｉｆｂが電流指令Ｉｒｅｆよりも小さいときは第１スイッチング素子をオンし、電流信号Ｉｆｂが電流指令Ｉｒｅｆを超えるオフする信号を生成する。２２はオフ信号をトリガとして第１スイッチング素子を所定時間オフする信号を生成するオフ時間生成器であり、所定時間経過すると再びオンする信号を生成する。また２３は第２電流比較器で電流信号Ｉｆｂが電流指令Ｉｒｅｆよりも大きいときは第３スッチング素子をオンし、電流信号Ｉｆｂが電流指令Ｉｒｅｆを超えて小さくなるオフする信号を生成する。２４はオフ信号をトリガとして第３スイッチング素子を所定時間オフする信号を生成する第２オフ時間生成器であり、所定時間経過すると再びオン信号を生成する。

図７は図６をシミュレーションしたタイムチャートである。条件は図４と同様であるがオフする所定時間をＴｏｆｆ＝４０μｓに設定している。また、図８は図５と同様の条件で、図７動揺Ｔｏｆｆ＝４０μｓである。

図９は本発明のチョッパ装置の制御方法の第４実施例を示すフローチャートである。ステップＳＡ１では第２電源の電圧を検出し電圧信号を生成し、ステップＳＡ２でインダクタの電流を検出し、電流信号を生成し、ステップＳＡ３で電圧指令Ｖｒｅｆと電圧信号Ｖｆｂから電流指令Ｉｒｅｆを生成し、ステップＳＡ４で電流指令Ｉｒｅｆと電流信号Ｉｆｂからオンオフ信号を生成し、ステップＳＡ５でオンオフ信号で第１乃至第４スイッチング素子をオンオフ制御する。

図１０は本発明のチョッパ装置の制御方法の第５実施例を示すフローチャートである。ステップＳＢ１で電流指令Ｉｒｅｆが正か負か判断し、正ならばステップＳＢ２へ移行し、負ならば図１２のフローチャートへ移行する。ステップＳＢ２では第４スイッチング素子をオンし、ステップＳＢ３で電流信号Ｉｆｂが電流指令Ｉｒｅｆよりも大きいか小さいかを判断し、電流指令Ｉｒｅｆよりも小さければステップＳＢ５へ移行し、大きければステップＳＢ４へ移行する。ステップＳＢ４ではタイマカウンタをクリアし、ステップＳＢ５へ移行する。ステップＳＢ５ではタイマカウンタのカウント値が所定時間Ｔｏｆｆよりも大きいか小さいかを判定し、大きければステップＳＢ６へ移行し、小さければステップＳＢ７へ移行する。ステップＳＢ６では第１スイッチング素子をオンし、ステップＳＢ７では第１スイッチング素子をオフする。第１スイッチングをオフし、ステップＳＢ５でタイムカウントをスタートする。ステップＳＢ８ではタイマカウンタをカウントアップして終了する。この動作は制御時間ごとに行われ、電流信号Ｉｆｂが電流指令Ｉｒｅｆを超えると第１スイッチング素子を所定時間Ｔｏｆｆだけオフすることができる。ただし、Ｔｏｆｆは制御時間よりも長くなくてはならない。

図１１は本発明のチョッパ装置の制御方法の第６実施例を示すフローチャートである。ステップＳＣ１で電流指令Ｉｒｅｆが正か負か判定し、正ならばステップＳＣ２へ移行し、負ならば図１３のフローチャートへ移行する。図１３のフローチャートとは対をなしている。ステップＳＣ２では電流指令Ｉｒｅｆに所定の微小電流指令ΔＩｒｅｆを加算して第１電流指令Ｉｒｐを生成し、電流指令Ｉｒｅｆに所定の微小電流指令ΔＩｒｅｆを減算して第２電流指令Ｉｒｖを生成する。次に、ステップＳＣ３で電流信号Ｉｆｂが第２電流指令Ｉｒｖよりも小さいか、大きいかを判定し、小さいときはステップＳＣ４に移行し、大きいときはステップＳＣ５に移行する。ステップＳＣ５では電流信号Ｉｆｂと第１電流指令Ｉｒｐよりも小さいか、大きいかを判定し、小さいときはステップＳＣ６へ移行し、大きいときはステップＳＣ７へ移行する。ステップＳＣ６では第１スイッチング素子がオンしているかどうかを判定し、オンしていればステップＳＣ４へ移行し、オフしていればステップＳＣ７へ移行する。ステップＳＣ４では第１スイッチンング素子をオンし、ステップＳＣ７では第１スイッチング素子をオフする。これら一連の動作は制御周期ごとに行われる。

図１２は本発明のチョッパ装置の制御方法の第７の実施例を示すフローチャートであり、図１０のフローチャートと対をなすものである。ステップＳＤ１では電流指令が負か正か判定し、負ならばステップＳＤ２へ移行し、正ならば図１０のフローチャートへ移行する。ステップＳＤ２では第２スイッチング素子をオンする。次にステップＳＤ３で、電流信号Ｉｆｂが電流指令Ｉｒｅｆよりも大きいが小さいかを判定し大きければステップＳＤ５へ移行し、小さければステップＳＤ４へ移行する。ステップＳＤ４ではタイムカウンタをクリアし、ステップＳＤ５へ移行する。ステップＳＤ５ではタイムカウント値が所定時間よりも大きいか小さいかを判定し、大きければステップＳＤ６へ移行し、小さければステップＳＤ７へ移行する。ステップＳＤ６では第２スイッチング素子をオンし、ステップＳＤ７では第２スイッチング素子をオフする。電流指令Ｉｒｅｆが負のときは第２スイッチング素子をオンし、ステップＳＤ２で電流信号Ｉｆｂが電流指令Ｉｒｅｆよりも大きいときは第３スイッチング素子をオンし、ステップＳＤ４で電流信号Ｉｆｂが電流指令Ｉｒｅｆよりも小さいときは第３スイッチング素子を所定の時間オフする。これら一連の動作は制御周期ごとに行われ、制御時間はＴｏｆｆよりも小さくなくてはならない。

図１３は本発明のチョッパ装置の制御方法の第８の実施例を示すフローチャートである。ステップＳＥ１で電流指令Ｉｒｅｆが負か正か判定し、負ならばステップＳＥ２へ移行し、正ならば図１１のフローチャートへ移行する。図１１のフローチャートとは対をなしている。ステップＳＥ２では電流指令Ｉｒｅｆに所定の微小電流指令ΔＩｒｅｆを減算して第３電流指令Ｉｒｐを生成し、電流指令Ｉｒｅｆに所定の微小電流指令ΔＩｒｅｆを加算して第４電流指令Ｉｒｖを生成する。次に、ステップＳＥ３で電流信号Ｉｆｂが第４電流指令Ｉｒｖよりも大きいか、小さいかを判定し、大きいときはステップＳＥ４に移行し、小さいときはステップＳＥ５に移行する。ステップＳＥ５では電流信号Ｉｆｂと第３電流指令Ｉｒｐよりも大きいか、小さいかを判定し、大きいときはステップＳＥ６へ移行し、小さいときはステップＳＥ７へ移行する。ステップＳＥ６では第３スイッチング素子がオンしているかどうかを判定し、オンしていればステップＳＥ４へ移行し、オフしていればステップＳＥ７へ移行する。ステップＳＥ４では第３スイッチンング素子をオンし、ステップＳＥ７では第３スイッチング素子をオフする。これら一連の動作は制御周期ごとに行われる。

本発明によると、単純な構成のインダクタを使用した双方向チョッパ装置とその制御方法を提供できるので、負荷にインバータを使用する用途である一般産業機械への適用が期待できる。

本発明の第１実施例を示すチョッパ装置のブロック図本発明の第２実施例を示すチョッパ装置のブロック図従来技術の構成を示すブロック図第１実施例のシミュレーション結果を示すタイムチャート第１実施例のシミュレーション結果を示すタイムチャート本発明の第３実施例を示すチョッパ装置のブロック図第３実施例のシミュレーション結果を示すタイムチャート第３実施例のシミュレーション結果を示すタイムチャート本発明の方法の第４実施例を示すフローチャート本発明の方法の第５実施例を示すフローチャート本発明の方法の第６実施例を示すフローチャート本発明の方法の第７実施例を示すフローチャート本発明の方法の第８実施例を示すフローチャート従来技術のシミュレーション結果を示すタイムチャート

符号の説明

１第１スイッチング素子
２第２スイッチング素子
３第３スイッチング素子
４第４スイッチング素子
５インダクタ
６第１コンデンサ
７第２コンデンサ
８電圧検出器
９電流検出器
１０電圧制御器
１１電流制御器
１２第１電流制御器
１３第２電流制御器
１４電流指令極性判別器
１５ゲート信号生成器
１６ゲートドライブ
１７スルーアップ・ダウン信号生成器
１８ＰＩＤ処理器
１９電流制限器
３１第１ダイオード
３２第２ダイオード
３３第３ダイオード
３４第４ダイオード
５１直流電源
５２負荷

Claims

還流ダイオードを持った第１から第４のスイッチング素子を備え、直流電源と負荷との双方向に電力を変換するチョッパ装置において、
前記直流電源の正極端子を第１コンデンサの一端と第１スイッチング素子のコレクタに接続し、前記第１スイッチング素子のエミッタと第２スイッチング素子のコレクタとを接続し、前記第２スイッチング素子のエミッタを第２コンデンサの一端と負荷の負極端子に接続し、前記負荷の正極端子を前記第２コンデンサの他端と第３スイッチング素子のコレクタに接続し、前記第３スイッチング素子のエミッタと第４スイッチング素子のコレクタとを接続し、前記第４スイッチング素子のエミッタを前記直流電源の負極端子と前記第１コンデンサの他端へ接続し、前記第１スイッチング素子のエミッタと第２スイッチング素子のコレクタとの接続点と、前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子のコレクタとの接続点とをインダクタを介して接続したことを特徴とするチョッパ装置。
前記負荷の電圧を検出し電圧信号を生成する電圧検出器と、
前記インダクタの電流を検出し、電流信号を生成する電流検出器と、
電圧指令と前記電圧信号から電流指令を生成する電圧制御器と、
前記電流指令と前記電流信号からオンオフ信号を生成し、前記第１乃至第４スイッチング素子をオンオフ制御する電流制御器と、
を備えることを特徴とする請求項1記載のチョッパ装置。
前記電圧制御器は、前記電圧指令と前記電圧信号の誤差をＰＩＤ処理するＰＩＤ制御器であることを特徴とする請求項２記載のチョッパ装置。
前記電流制御器は、前記電流指令が正のときは前記第４スイッチング素子をオンさせ、前記電流信号が前記電流指令よりも小さいときは第１スイッチング素子をオンさせ、大きいときは前記第１スイッチング素子を所定の時間オフさせることを特徴とする請求項２記載のチョッパ装置。
前記電流制御器は、前記電流指令に所定の微小電流指令を加算して第１電流指令を生成し、前記電流指令に所定の微小電流指令を減算して第２電流指令を生成し、前記電流信号が前記第１電流指令よりも小さいときは前記第１スイッチング素子をオンし、前記電流信号が前記第１電流指令よりも大きいときは前記第１スイッチング素子をオフし、前記電流信号が前記第２電流指令よりも小さくなったときは再び前記第１スイッチング素子をオンすることを特徴とする請求項２記載のチョッパ装置。
前記電流制御器は、前記電流指令が負のときは第２スイッチング素子をオンさせ、前記電流信号が前記電流指令よりも大きいときは第３スイッチング素子をオンさせ、小さいときは前記第３スイッチング素子を所定の時間オフさせることを特徴とする請求項５記載のチョッパ装置。
前記電流制御器は、前記電流指令に所定の微小電流指令を減算して第３電流指令を生成し、前記電流指令に所定の微小電流指令加算して第４電流指令を生成し、前記電流信号が前記第３電流指令よりも大きいときは第３スイッチング素子をオンし、前記電流信号が前記第３電流指令よりも小さいときは前記第３スイッチング素子をオフし、前記電流信号が前記第４電流指令よりも大きくなったときは再び前記第３スイッチング素子をオンすることを特徴とする請求項５記載のチョッパ装置。
前記電流制御器は、前記電流信号が前記第１電流指令よりも小さいときは前記第１スイッチング素子と前記第４のスイッチング素子をオンし、前記電流信号が前記第１電流指令よりも大きいときは前記第１スイッチング素子と前記第４スイッチング素子をオフし、前記電流信号が前記第２電流指令よりも小さくなったときは再び前記第１スイッチング素子と前記第4スイッチング素子をオンすることを特徴とする請求項２記載のチョッパ装置。
前記電流制御器は、前記電流指令に所定の微小電流指令を減算して第３電流指令を生成し、前記電流指令に所定の微小電流指令加算して第４電流指令を生成し、前記電流信号が前記第３電流指令よりも大きいときは第２スイッチング素子と第３スイッチング素子をオンし、前記電流信号が前記第３電流指令よりも小さいときは前記第２スイッチング素子と前記第３スイッチング素子をオフし、前記電流信号が前記第４電流指令よりも大きくなったときは再び前記第２スイッチング素子と前記第３スイッチング素子をオンすることを特徴とする請求項８記載のチョッパ装置。
直流電源の負極端子と、負荷の負極端子を接続し、
前記電流制御器は、前記電流指令に所定の微小電流指令を加算して第１電流指令を生成し、前記電流指令に所定の微小電流指令を減算して第２電流指令を生成し、前記電流信号が第１電流指令よりも小さいときは前記第１スイッチング素子と前記第４のスイッチング素子をオンし、前記電流信号が前記第１電流指令よりも大きいときは前記第１スイッチング素子と前記第４スイッチング素子をオフし、前記電流信号が第２電流指令よりも小さくなったときは再び前記第１スイッチング素子と前記第4スイッチング素子をオンし、前記電流指令に所定の微小電流指令を減算して第３電流指令を生成し、前記電流指令に所定の微小電流指令加算して第４電流指令を生成し、前記電流信号が前記第３電流指令よりも大きいときは第２スイッチング素子と第３スイッチング素子をオンし、前記電流信号が前記第３電流指令よりも小さいときは前記第２スイッチング素子と前記第３スイッチング素子をオフし、前記電流信号が前記第４電流指令よりも大きくなったときは再び前記第２スイッチング素子と前記第３スイッチング素子をオンすることを特徴とする請求項２記載のチョッパ装置。
還流ダイオードを持った第１から第４のスイッチング素子を備え、直流電源と負荷との双方向に電力を変換するチョッパ装置であり、前記直流電源の正極端子を第１コンデンサの一端と第１スイッチング素子のコレクタに接続し、前記第１スイッチング素子のエミッタと第２スイッチング素子のコレクタとを接続し、前記第２スイッチング素子のエミッタを第２コンデンサの一端と負荷の負極端子に接続し、前記負荷の正極端子を前記第２コンデンサの他端と第３スイッチング素子のコレクタに接続し、前記第３スイッチング素子のエミッタと第４スイッチング素子のコレクタとを接続し、前記第４スイッチング素子のエミッタを前記直流電源の負極端子と前記第１コンデンサの他端へ接続し、前記第１スイッチング素子のエミッタと第２スイッチング素子のコレクタとの前記接続点と、前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子のコレクタとの前記接続点とをインダクタを介して接続したチョッパ装置の制御方法において、
前記第２電源の電圧を検出し電圧信号を生成するステップと、
前記インダクタの電流を検出し、電流信号を生成するするステップと、
電圧指令と前記電圧信号から電流指令を生成するステップと、
前記電流指令と前記電流信号からオンオフ信号を生成するステップと、
前記オンオフ信号で前記第１乃至第４スイッチング素子をオンオフ制御するステップと、を備えることを特徴とするチョッパ装置の制御方法。
前記電流指令を生成するステップは、前記電圧指令と前記電圧信号の誤差をＰＩＤ処理することを特徴とする請求項１１記載のチョッパ装置の制御方法。
前記電流指令が正のときは前記第４スイッチング素子をオンするステップと、
前記電流信号が前記電流指令よりも小さいときは第１スイッチング素子をオンするステップと、
前記電流信号が前記電流指令よりも大きいときは前記第１スイッチング素子を所定の時間オフするステップと、
を備えることを特徴とする請求項１１記載のチョッパ装置の制御方法。
前記電流指令に所定の微小電流指令を加算して第１電流指令を生成するステップと、
前記電流指令に所定の微小電流指令を減算して第２電流指令を生成するステップと、
前記電流信号が前記第１電流指令よりも小さいときは前記第１スイッチング素子をオンするステップと、
前記電流信号が前記第１電流指令よりも大きいときは前記第１スイッチング素子をオフするステップと、
前記電流信号が前記第２電流指令よりも小さくなったときは再び前記第１スイッチング素子をオンするステップと、
を備えることを特徴とする請求項１１記載のチョッパ装置の制御方法。
前記電流指令が負のときは第２スイッチング素子をオンするステップと、
前記電流信号が前記電流指令よりも大きいときは第３スイッチング素子をオンするステップと、
前記電流信号が前記電流指令よりも小さいときは前記第３スイッチング素子を所定の時間オフするステップと、
を備えることを特徴とする請求項１４記載のチョッパ装置の制御方法。
前記電流指令に所定の微小電流指令を減算して第３電流指令を生成するステップと、
前記電流指令に所定の微小電流指令を加算して第４電流指令を生成するステップと、
前記電流信号が前記第３電流指令よりも大きいときは前記第３スイッチング素子をオンするステップと、
前記電流信号が前記第３電流指令よりも小さいときは前記第３スイッチング素子をオフするステップと、
前記電流信号が前記第４電流指令よりも大きくなったときは再び前記第３スイッチング素子をオンするステップと、
を備えることを特徴とする請求項１４記載のチョッパ装置の制御方法。
前記直流電源の負極端子と、前記負荷の負極端子を接続し、
前記電流指令に所定の微小電流指令を加算して第１電流指令を生成するステップと、
前記電流指令に所定の微小電流指令を減算して第２電流指令を生成するステップと、
前記電流信号が第１電流指令よりも小さいときは前記第１スイッチング素子と前記第４のスイッチング素子をオンするステップと、
前記電流信号が前記第１電流指令よりも大きいときは前記第１スイッチング素子と前記第４スイッチング素子をオフするステップと、
前記電流信号が第２電流指令よりも小さくなったときは再び前記第１スイッチング素子と前記第4スイッチング素子をオンするステップと、
前記電流指令に所定の微小電流指令を減算して第３電流指令を生成するステップと、
前記電流指令に所定の微小電流指令を加算して第４電流指令を生成するステップと、
前記電流信号が前記第３電流指令よりも大きいときは第２スイッチング素子と第３スイッチング素子をオンするステップと、
前記電流信号が前記第３電流指令よりも小さいときは前記第２スイッチング素子と前記第３スイッチング素子をオフするステップと、
前記電流信号が前記第４電流指令よりも大きくなったときは再び前記第２スイッチング素子と前記第３スイッチング素子をオンするステップと、
を備えることを特徴とする請求項１１記載のチョッパ装置の制御方法。