JP2009201242A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、出力電力を精度良く制御することができる、電力変換装置の提供を目的とする。
【解決手段】第1のトランス20Cと、互いにトランス結合された制御コイル21Dと作用コイル22Dとを有し、第1のトランス20Cの二次巻線22Cに作用コイル22Dが直列接続された第2のトランス20Dと、第2のトランス20Dの制御コイル21Dに励磁電流を供給するコントローラ10とを備え、第1のトランス20Cの一次巻線21Cの両端に、直流を交流に変換する第1の電圧変換器20Aの出力端が接続され、第1のトランス20Cの二次巻線22Cと作用コイル22Dとの直列回路の両端に、交流を直流に変換する第2の電圧変換器20Bの入力端が接続される、電力変換装置。
【選択図】図1

Description

本発明は、トランスを備える電力変換装置に関する。
従来、スイッチング素子がスイッチングすることにより、脈動電圧が印加されるインダクタの両端に発生した電圧を整流し、平滑化して直流電圧を生成する直流電圧生成部と、前記インダクタに電磁結合する2次巻線とを備える、コンバータが知られている(例えば、特許文献1参照)。このコンバータは、前記スイッチング素子のオフ時に、前記2次巻線の両端に発生する電圧を前記インダクタの昇圧量として検出する昇圧量検出部を備えるものである。
また、制御コイルに接続された制御電源が所定の電流パターンで通電を行うことにより、作用コイルのインダクタンスを可変とする可変インダクタンス装置が知られている(例えば、特許文献2参照)。
特許3988724号公報 特開2007−123671号公報
ところで、図2に示されるように、トランスを備える電力変換装置で扱う電力を、トランスの一次側に接続された一次側変換器とトランスの二次側に接続された二次側変換器の位相差とに基づいて制御する方式がある。この電力変換装置の最大出力電力はトランスのインダクタンスの大きさに応じて変化する。図2のpの出力電力の波形は、qの出力電力の波形よりインダクタンスが大きい場合の波形である。
しかしながら、図2に示されるように、位相差に対して出力電力は放物線状に変化するため、出力電力が小さくなるにつれて(つまり、位相差が小さくなるにつれて)、単位位相差当たりの出力電力の変化量は大きくなる。したがって、位相差が大きい領域に比べ小さい領域の方が出力電力制御の分解能が大きく、特に、出力電力が小さい領域では出力電力を精度良く制御することができない。
そこで、本発明は、出力電力を精度良く制御することができる、電力変換装置の提供を目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る電力変換装置は、
直流電圧を交流電圧に変換する第1の電圧変換手段と、
一次コイルと二次コイルとを有し、前記第1の電圧変換手段によって変換された交流電圧が前記一次コイルに印加される第1のトランスと、
互いにトランス結合された制御コイルと作用コイルとを有し、前記二次コイルに前記作用コイルが直列接続された第2のトランスと、
前記二次コイルと前記作用コイルとの直列回路の両端電圧を直流電圧に変換する第2の電圧変換手段と、
前記制御コイルに流れる励磁電流の電流値を制御する励磁電流制御手段とを備えることを特徴とする。
ここで、本発明に係る電力変換装置は、例えば、前記第2の電圧変換手段によって変換された直流電圧の出力電力は、前記第1の電圧変換手段の電圧変換動作を駆動する第1の駆動信号と前記第2の電圧変換手段の電圧変換動作を駆動する第2の駆動信号との位相差に応じて、制御される。
また、前記励磁電流制御手段は、前記電流値の可変範囲を、前記励磁電流の供給により変化するインダクタンスの変化量が他の電流値範囲より大きくなる範囲に制限すると好適である。
本発明によれば、出力電力を精度良く制御することができる。
以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。図1は、本発明の一実施形態である電力変換装置100の構成図である。電力変換装置100は、低電圧系の低圧側蓄電装置4の低電圧を高電圧系の高圧側蓄電装置7の高電圧に昇圧する電圧変換を行う。蓄電装置4,5の具体例として、鉛バッテリ、リチウムイオンバッテリ、キャパシタなどが挙げられる。電力変換装置100は、コントローラ10と、位相制御式DC−DCコンバータ20とを備える。
コントローラ10は、DC−DCコンバータ20の出力電力や電圧変換効率などを最大にする電圧変換制御を実行するための制御プログラムやその制御データを記憶するROM、制御プログラムの処理データなどを一時的に記憶するRAM、制御プログラムを処理するCPU、外部と情報をやり取りするための入出力インターフェースなど、複数の回路要素によって構成されたコンピュータである。コントローラ10は、一つとは限らず、制御が分担されるように複数のコントローラで構成されてもよい。
また、コントローラ10は、低圧側蓄電装置4と置換して接続又は低圧側蓄電装置4に並列に接続された熱電モジュール(Bi−Te系、Si−Ge系の半導体材料からなる熱電素子が複数接続されて構成されたもの)の発電電力や発電効率などを最大にする発電制御を実行するための制御プログラム等を記憶するROMなどを備えるコンピュータであってもよい。熱電モジュールの熱源は、車両のエンジンの排気管を通る排ガスその他の熱エネルギーを有するものである。
なお、電圧変換制御や発電制御は、周知の技術を利用するものであってよく、任意の適切な制御であればよいため、特に詳細な説明は記載しない。
コントローラ10は、DC−DCコンバータ20の電圧変換動作を制御することによって、DC−DCコンバータの出力側から出力される出力電力や熱電モジュールに流れる電流などを所定の最適値に調整する。コントローラ10は、低圧側蓄電装置4の出力電流であって低圧側蓄電装置4からDC−DCコンバータ20に入力される入力電流IinやDC−DCコンバータ20から出力されて高圧側蓄電装置7に流れる出力電流Ioutなどの情報を電流センサから取得する。
また、コントローラ10は、車両のエンジンを制御するエンジンコンピュータなどの他のコンピュータや計測センサから、エンジンの出力トルクや回転数などの負荷情報、車速などの車両状態情報を取得してもよい。
コントローラ10は、これらの取得情報に基づいて、目標入力電流Itgtなどを演算し、その演算結果に基づいて、DC−DCコンバータ20に対して電圧変換動作の指令信号を出力する。
一方、DC−DCコンバータ20は、シリーズレギュレータやスイッチングレギュレータなどの電圧変換回路を備え、その入出力間の電圧を変換する電圧変換装置である。DC−DCコンバータ20の入力側に入力電流Iinが入力され、DC−DCコンバータ20の出力側からその電圧変換回路によって電圧変換された電流Ioutが出力される。したがって、DC−DCコンバータ20がコントローラ10の指令信号に従って出力電力Pを電圧変換動作によって調整することによって、DC−DCコンバータ20の出力側から任意の電力を取り出すことができる。
例えば、コントローラ10がDC−DCコンバータ20から取り出される電力が最大となる目標出力電力Ptgtなどを演算し、その演算値に基づいて生成された指令信号に従ってDC−DCコンバータ20の電圧変換動作が制御されることによって、DC−DCコンバータ20での最大発電電力をその出力側から蓄電装置7に供給することができる。また、例えば、コントローラ10が熱電モジュール4から取り出される電力が最大となる目標動作電流Itgtなどを演算し、その演算値に基づいて生成された指令信号に従ってDC−DCコンバータ20の電圧変換動作が制御されることによって、熱電モジュール4での最大発電電力をDC−DCコンバータ20を介してその出力側から蓄電装置7に供給することができる。
DC−DCコンバータ20は、コントローラ10からの指令信号に従って、低圧側蓄電装置4が接続される低圧系の回路の低圧側電圧(すなわち、DC−DCコンバータ20の入力側の一次側電圧)を高圧側蓄電装置7が接続される高圧系の回路の高圧側電圧(すなわち、DC−DCコンバータ20の出力側の二次側電圧)に昇圧する。
DC−DCコンバータ20は、低圧側蓄電装置4の直流電圧を交流電圧に変換する低圧側変換器20Aと、低圧側変換器20Aによって変換された交流電圧を昇圧する電圧変換部30と、電圧変換部30によって昇圧された交流電圧を高圧側蓄電装置7の直流電圧に変換する高圧側変換器20Bとを有する。電圧変換部30は、トランス20Cとトランス20Dとを有する。
低圧側変換器20Aは、FETやIGBTなどの4つのスイッチング素子21A,22A,23A,24Aから構成されるブリッジ回路と、DC−DCコンバータ20の入力側から入力される入力電流Iinを検出する電流センサ25Aと、DC−DCコンバータ20の入力側の入力電圧Vin(低圧側蓄電装置4の出力電圧に相当)を検出する電圧センサ26Aとを備える。低圧側変換器20Aは、低圧側蓄電装置4と電圧変換部30との間に設けられ、入力電圧Vinが低圧側変換器20Aの入力電圧として印加され、低圧側変換器20Aの出力電圧が電圧変換部30内のトランス20Cの一次巻線21Cに印加される。低圧側変換器20Aの出力端27a,28aが一次巻線21Cの両端に接続される。出力端27aは、ハイサイドのスイッチング素子21Aとローサイドのスイッチング素子23Aとの接続点であり、出力端28aは、ハイサイドのスイッチング素子22Aとローサイドのスイッチング素子24Aとの接続点である。低圧側変換器20Aは、コントローラ10からの指令信号に従い、ブリッジ回路の周知のスイッチング動作によって、直流を交流に変換する。すなわち、直流の入力電流Iinは交流電流に変換される。なお、電流センサ25Aと電圧センサ26Aは、低圧側変換器20AやDC−DCコンバータ20に内蔵されるものでなくてもよい。
高圧側変換器20Bは、FETやIGBTなどの4つのスイッチング素子21B,22B,23B,24Bから構成されるブリッジ回路と、DC−DCコンバータ20の出力側から出力される出力電流Ioutを検出する電流センサ25Bと、DC−DCコンバータ20の出力側の出力電圧Vin(高圧側蓄電装置7の印加電圧に相当)を検出する電圧センサ26Bとを備える。高圧側変換器20Bは、電圧変換部30と高圧側蓄電装置7との間に設けられ、トランス20Cの二次巻線22Cとトランス20Dの作用コイル22Dとの直列回路の出力電圧が高圧側変換器20Bの入力電圧として印加され、高圧側変換器20Bの出力電圧が蓄電装置7に印加される。高圧側変換器20Bの入力端27b,28bが二次巻線22Cと作用コイル22Dとの直列回路の両端に接続される。入力端27bは、ハイサイドのスイッチング素子21Bとローサイドのスイッチング素子23Bとの接続点であり、入力端28bは、ハイサイドのスイッチング素子22Bとローサイドのスイッチング素子24Bとの接続点である。高圧側変換器20Bは、コントローラ10からの指令信号に従い、ブリッジ回路の周知のスイッチング動作によって、電圧変換部30によって昇圧された交流を直流に変換する(整流する)。すなわち、電圧変換部30から出力される交流の出力電流は直流電流に変換される。なお、電流センサ25Bと電圧センサ26Bは、高圧側変換器20BやDC−DCコンバータ20に内蔵されるものでなくてもよい。
電圧変換部30は、トランス20Cとトランス20Dとを有する。トランス20Cは、一次巻線21Cと二次巻線22Cとを構成し、それらがトランス結合している。トランス20Dは、制御コイル21Dと作用コイル22Dとを構成し、それらがトランス結合している。一次巻線21Cは、低圧側変換器20Aのブリッジ回路に接続され、二次巻線22Cは、トランス20Dの作用コイル22Dを介して、高圧側変換器20Bのブリッジ回路に接続される。電圧変換部30は、トランス20Cの一次巻線21C及び二次巻線22Cとトランス20Dの制御コイル21D及び作用コイル22Dとの関係で定まる昇圧比に応じて、低圧側変換器20Aのブリッジ回路の出力端27a−28a間の電圧(交流電圧)を昇圧し、その昇圧電圧を高圧側変換器20Bのブリッジ回路の入力端27b−28b間に印加するように出力する。
図1の構成のDC−DCコンバータ20において、その出力側から出力される出力電力Pと出力電流I(実効電流irms)は、
Figure 2009201242
によって得られる。Eは高圧側電圧、E´は低圧側電圧、Tは低圧側駆動信号及び高圧側駆動信号の周期、Lは電圧変換器30全体としてのインダクタンス、Tは位相差(時間)、δは位相差(角度)を表す。上式で表される特性を図2に示す。図2は、DC−DCコンバータ20の位相差δに対する、出力電力Pの特性図である。式(1)から明らかなように出力電力Pは位相差T(位相差δ)の二次関数で表されるので、図2に示されるように、位相差T(位相差δ)を増加させることによって出力電力P(出力電流I)を増加させることができ、dP/dT=0を満たす位相差T(位相差δ)で出力電力Pは最大となる。
すなわち、コントローラ10は、低圧側変換器20Aのブリッジ回路を駆動する低圧側駆動信号(低圧側指令信号)と高圧側変換器20Bのブリッジ回路を駆動する高圧側駆動信号(高圧側指令信号)とを出力するが、低圧側駆動信号と高圧側駆動信号の位相差(低圧側駆動信号に対する高圧側駆動信号の位相ずれ)に応じて、DC−DCコンバータ20の出力側から出力される出力電力Pや出力電流Iを調整することができる。なお、低圧側駆動信号と高圧側駆動信号は、互いに同一のデューティ比である(例えば、50%)。
また、コントローラ10は、直流の励磁信号を制御コイル21Dに出力する。コントローラ10は、励磁信号に係る励磁電流を制御コイル21Dに流すことによって、磁性体であるコア内の磁場の透磁率が変化するので、作用コイル22Dのインダクタンスを変化させることができる。作用コイル22Dのインダクタンスを変化させることによって、作用コイル22Dと二次巻線22Cとの直列回路のインダクタンスを変化させることができる。これにより、電圧変換部30全体としてのインダクタンスも変化して、その昇圧比を可変させることができる。
なお、インダクタンスLは、『L=μAN/l』という関係が成立する。ここで、μは透磁率、Aはコア断面積、Nは巻線の巻数、lはコアの磁路長である。
図3は、励磁信号に係る励磁電流の電流値と作用コイル22Dのインダクタンスとの関係を示した図である。コントローラ10は、励磁電流の電流値を増加させることによって作用コイル22Dのインダクタンスを変化させる。コントローラ10は、図示の周波数i以上i以下の使用範囲内で励磁電流の電流値を可変させる。図示の使用範囲は、電流値に対するインダクタンスの変化率が所定値以上になる電流値範囲に相当する。このような範囲に電流値の可変範囲を限定することによって、電流値を小さく変化させただけで、インダクタンスを大きく変化させることができ、インダクタンスを効率よく変化させることができる。すなわち、電流値iより小さい又は電流値iより大きい範囲で電流値を可変させても、インダクタンスをほとんど変化させることができない。
したがって、上述の実施例によれば、コントローラ10によって電圧変換部30のインダクタの磁束密度を制御することによりそのインダクタンスを図3のように増減することによって、低圧側変換器20Aや高圧側変換器20Bのスイッチング素子をオフさせて高圧側へのエネルギー伝送を中断させることなく、DC−DCコンバータ20の最大出力を連続的且つ精度良く制御することができる。つまり、半導体スイッチによってインダクタンスを切り替える制御では、瞬時のエネルギー伝送の中断が発生するのに対し、上述の実施例では連続的にインダクタンスを変化させることができるので、そのようなエネルギー伝送の中断もなく精度良く出力電力を制御することができる。
また、図2に示されるように、単位位相差に対する電力制御の分解能は、インダクタンスが小さい場合に比べ大きい方がよくなるため、上述の実施例のようにインダクタンスを連続的に増加させることによって、出力電力が小さい領域でも出力電力を精度良く調整することができる。
また、コントローラ10は、例えば、中央演算装置やメモリなどを有するマイクロコンピュータを備える。位相差δは、マイクロコンピュータのカウンタによって制御される。したがって、図2に示されるように、位相差が小さくなるにつれて単位位相差当たりの出力電力の変化量は大きくなるので、コントローラ10が制御可能な最小単位である単位位相差T(δ)の大きさ(カウンタの分解能)によっては、出力電力が小さい領域での出力電力を精度良く制御することができなくなるおそれがある。しかしながら、本実施例によれば、インダクタンスを連続的に変化させることができるので、出力電力が大きい領域に比べ単位位相差当たりの出力電力の変化量が大きくても、出力電力が小さい領域で出力電力を精度良く制御することができる。
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、DC−DCコンバータ20は、昇圧する場合を例示したが、降圧する場合でもよい。
本発明の一実施形態である電力変換装置100の構成図である。 DC−DCコンバータ20の位相差δに対する、出力電力Pの特性図である。 励磁信号に係る励磁電流の電流値とインダクタンスとの関係図である。
符号の説明
4 低圧側蓄電装置(熱電モジュール)
7 高圧側蓄電装置
10 コントローラ
20 DC−DCコンバータ
20A 低圧側変換器
20B 高圧側変換器
20C、20D トランス
21C 一次巻線
22C 二次巻線
21D 制御コイル
22D 作用コイル
100 電力変換装置

Claims (3)

  1. 直流電圧を交流電圧に変換する第1の電圧変換手段と、
    一次コイルと二次コイルとを有し、前記第1の電圧変換手段によって変換された交流電圧が前記一次コイルに印加される第1のトランスと、
    互いにトランス結合された制御コイルと作用コイルとを有し、前記二次コイルに前記作用コイルが直列接続された第2のトランスと、
    前記二次コイルと前記作用コイルとの直列回路の両端電圧を直流電圧に変換する第2の電圧変換手段と、
    前記制御コイルに流れる励磁電流の電流値を制御する励磁電流制御手段とを備える、電力変換装置。
  2. 前記第2の電圧変換手段によって変換された直流電圧の出力電力は、前記第1の電圧変換手段の電圧変換動作を駆動する第1の駆動信号と前記第2の電圧変換手段の電圧変換動作を駆動する第2の駆動信号との位相差に応じて、制御される、請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 前記励磁電流制御手段は、前記電流値の可変範囲を、前記励磁電流の供給により変化するインダクタンスの変化量が他の電流値範囲より大きくなる範囲に制限する、請求項1又は2に記載の電力変換装置。
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