JP2010161843A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過電流保護のためのパルスオフによって生じる正負のゲートパルスのアンバランスに起因する瞬時的で変動の大きい偏磁に対して出力電圧の変動を抑えつつ、すばやく応答して偏磁を抑制する。
【解決手段】過電流検出部１４からの過電流検出信号が出力された時点の次の半周期の半導体スイッチング素子２、３、４、５のゲートのオン期間を、ゲートパルス信号のオフタイミングをずらすことによって、過電流を検出して強制的にオフにしたときのゲートのオン期間に等しくするように調整し、調整後のゲートパルス信号を半導体スイッチング素子２、３、４、５のゲートへ出力するゲートパルス信号調整部１８を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、絶縁形直流-直流電力変換装置における変圧器の偏磁に対する保護技術に係り、特に過電流検出によりインバータのゲートを強制的にオフする際の偏磁の発生を防ぐことのできる電力変換装置に関する。

図１１に従来の電力変換装置の回路を示す。図１１において、電力変換装置５１は、直流電圧を印加する直流電圧入力端子１９、この直流電圧入力端子１９を介して供給される入力電流を平滑する入力側平滑コンデンサ１、半導体スイッチング素子２，３の直列接続回路、半導体スイッチング素子４，５の直列接続回路、半導体スイッチング素子２，３の直列接続接点と、半導体スイッチング素子４，５の直列接続接点との間に一次巻線が接続された変圧器６、変圧器６の二次巻線に接続され、変圧器二次側から出力される交流電流を整流するダイオード７〜１０からなる整流回路、この整流回路の出力を平滑するに平滑リアクトル１１、この平滑リアクトル１１に接続する負荷１２、負荷１２にかかる直流出力電圧を検出し、内蔵する誤差増幅器により直流出力電圧と指令値との誤差に基づいて、ゲートパルス信号のパルス幅指令値を決定するパルス幅制御部１６、このパルス幅指令値にしたがって、半導体スイッチング素子２〜５のゲートのオン，オフを行うゲートパルス信号を出力するゲートパルス信号発生部１５、変圧器６の一次側に接続された電流検出器１３を介して入力される変圧器６の入力電流を監視し、過電流を検出する過電流検出部１４、および、過電流検出部１４が過電流を検出したときに、ゲートパルス信号発生部１５から出力されるゲートパルス信号を強制的にオフする過電流保護部１７から構成されている。

この構成において、図中上側の直流電圧入力端子１９を正にして直流電圧を印加し、半導体スイッチング素子３と４とをオフにして半導体スイッチング素子２と５とをオンすると変圧器６に正の電圧が印加され、逆に半導体スイッチング素子２と５とをオフにして半導体スイッチング素子３と４とをオンすると負の電圧が印加される。正負の電圧を交互に印加することで高周波の交流を変圧器６に入力する。

変圧器６によってこれを変圧、絶縁した後ダイオード整流器７〜１０により整流し、平滑リアクトル１１により平滑することで負荷１２に直流電圧が印加される。負荷１２に印加される電圧はパルス幅制御部１６、ゲートパルス信号発生部１５により半導体スイッチング素子２〜５がオンする時比率(デューティ比)を変えることで制御可能である。

ここで、負荷１２の急変などによって大きな電流が流れ、スイッチング素子が破壊されるのを防ぐために、電流検出器１３によって変圧器６に流れる電流を監視し、過電流検出部１４で大きな電流が流れたことを検知して過電流保護部１７でゲートパルスを強制オフして電流を絞るという方法が一般的に行われている。

ところが、この過電流保護部１７が動作してゲートパルスを強制的にオフすると、これにより生じる正負のパルスのアンバランスに起因する偏磁が発生する。偏磁が起こると、場合によっては、変圧器６が磁気飽和を起こして装置に大きな電流が流れる。この場合には、たとえ過電流保護部１７がパルスをオフしたとしても電流を絞ることができずに装置が破壊されてしまう可能性があるので、この過電流保護部１７の動作に伴う偏磁の発生を防止する必要がある。

従来提案されている過電流保護のためにゲートパルスを強制的にオフすることによって生ずる偏磁を抑制する技術として、特許文献１では、変圧器一次側に設けられた交流電流検出器により検出された交流出力電流が過電流保護レベルに達したことが検出されたときは、一方のアームをゲートブロックした後、ゲートデブロックする際に変圧器の残留磁束に見合った期間だけ、もう一方のアームに与える最初のゲートパルスのパルス幅を短くするという思想が開示されている。

特開２００８−２２８４９１号公報

しかしながら、特許文献１に記載されているデブロック後の最初のゲートパルスは、本来のゲートパルスのオンタイミングを後ろにずらすものであるため、特に過電圧発生時にゲートのオン期間が短く高負荷時においては出力電圧が不安定になる可能性がある。

本発明は、上述のかかる事情に鑑みてなされたものであり、過電流保護のためのパルスオフによって生じる正負のゲートパルスのアンバランスに起因する瞬時的で変動の大きい偏磁に対して出力電圧の変動を抑えつつ、すばやく応答して偏磁を抑制することのできる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係わる電力変換装置は、半導体スイッチング素子により構成され、該半導体スイッチング素子のゲートをオン、オフすることにより直流電圧を交流電圧に変換し、該交流電圧を正負の電圧パルスとして交互に出力するインバータと、インバータの出力に接続され、電圧パルスを印加される変圧器と、変圧器の出力に接続される整流回路と、整流回路の出力に接続される平滑リアクトルと負荷との直列接続回路と、負荷にかかる直流出力電圧を検出し、誤差増幅器により直流出力電圧と指令値との誤差に基づき、電圧パルスのパルス幅指令値を決定するパルス幅制御部と、パルス幅指令値にしたがって、半導体スイッチング素子のゲートのオン、オフを行うためのゲートパルス信号を所定の周期で出力するゲートパルス信号発生部と、変圧器の入力電流を検出して所定のしきい値と比較して過電流を検出すると過電流検出信号を出力する過電流検出部と、過電流検出信号が出力された時点の半周期の間、ゲートパルス信号の出力を強制的にオフする過電流保護部とを有する電力変換装置において、過電流検出信号が出力された時点の次の半周期のゲートのオン期間を、ゲートパルス信号発生部から出力されるゲートパルス信号のオフタイミングをずらすことによって、過電流を検出して強制的にオフにしたときのゲートのオン期間に等しくするように調整し、調整後のゲートパルス信号を半導体スイッチング素子のゲートへ出力するゲートパルス信号調整部を備えることを特徴とする。

本発明では、過電流検出部が過電流を検出した次の半周期のゲートパルスを、過電流を検出して強制的にオフにしたゲートパルスのオン期間に等しくなる期間だけオンにした後強制的にオフするゲートパルス信号調整部を有することにより、パルスのアンバランスを解消し正負のパルス幅のアンバランスで生じる変圧器の偏磁を、次の半周期のパルス幅を調整して解消させ偏磁の発生を防ぐことができる。

特に、過電流検出時にゲートパルスを強制的にオフすることに合わせて、その半周期後のゲートパルスのオフタイミングを調整することによって両ゲートパルスの幅を等しくするように制御するので、オン・オフ周期を大きく乱すことがなく、より安定した出力電圧を得ることができる。

なお、ゲートパルス信号調整部は、ゲートパルスの立ち上がりで起動し該ゲートパルスのオン期間中カウントアップを行うパルス幅計測カウンタと、設定値からカウントダウンを開始し、零になった時点でゲートパルス信号をオフ状態にするパルスマスク信号を発生するパルスマスク発生タイマとを設け、過電流検出信号が出力された時点のパルス幅計測カウンタのカウント値をパルスマスク発生タイマの設定値としてセットし、ゲートパルス信号発生部からのゲートパルス信号とパルスマスク信号との論理積を調整後のゲートパルス信号として出力することによって実現することができる。

また、本発明に係わる電力変換装置は、過電流検出信号が出力されるまでのオン期間を計測してパルス幅指令値として出力するパルス幅計測カウンタを有し、さらに、過電流検出信号が出力された時点の次の半周期のみ、パルス幅計測カウンタから出力されるパルス幅指令値に相当するオン期間とパルス幅制御部で決定されたパルス幅指令値に相当するオン期間との差分だけゲートパルス信号発生部から出力されるゲートパルス信号の周期を短くするゲートパルス周期調整部を備えることを特徴とする。

本発明では、ゲートパルスのオン期間が短くなるのに伴って全体の周期も短くするのでオン・オフ比率の変化によって出力電圧が変動することを防止することができる。

以上、本発明によれば、ゲートパルス信号のオフタイミングをずらすことによって、過電流が検出された次の半周期のゲートのオン期間を過電流検出によって強制的にオフにしたときのゲートのオン期間に等しくするように調整するので、出力電圧の変動を抑えつつ、過電流保護のためのパルスオフによって生じる瞬時的な正負のゲートパルスのアンバランを解消し、偏磁を防止することができる。

また、ゲートパルスのオン期間が短くなるのに伴い全体の周期も短くすることにより、ゲートパルスのアンバランスを解消したことによるデューティ比の変化を防止し、出力電圧変動の抑制効果を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態による電力変換装置の構成図である。 図１の各部の通常時の波形を示す図である。 図１のゲートパルス信号調整部１８が無い場合の、各部の過電流発生時の波形図である。 図１のゲートパルス信号調整部１８が有る場合の、各部の過電流発生時の波形図である。 図１のゲートパルス信号調整部１８の一実施例による回路構成図である。 図１のゲートパルス信号調整部１８の動作を説明するための各部の波形図である。 図１のゲートパルス信号調整部１８の他の実施例による回路構成図である。 本発明の第２の実施の形態による電力変換装置の構成図である。 図８の電力変換装置の動作を説明するための各部の波形図である。 図８のゲートパルス周期調整部２０の構成図である。 従来技術による電力変換装置の構成図である。

以下、本発明の第１の実施の形態を説明する。図１は、第１の実施の形態による電力変換装置５０の構成図である。図１１の構成に対して、過電流検出部１４が過電流を検出して過電流保護部１７がゲートパルスを強制オフした次の半周期のゲートパルスのパルス幅を調整するゲートパルス信号調整部１８を追加している。

次に、上記の構成を有する電力変換装置５０の動作を説明する。
まず、通常動作においては、インバータを構成する半導体スイッチング素子２と５と、半導体スイッチング素子３と４とを交互にオンすることによって高周波の交流を変圧器６に入力する。変圧器６によってこれを変圧、絶縁した後ダイオード整流器７〜１０により整流し、平滑リアクトル１１により平滑することで負荷１２に直流電圧を印加する。負荷１２に印加する電圧はパルス幅制御部１６により決定された指令値をもとにゲートパルス信号発生部１５が発生するゲートパルスによって半導体スイッチング素子２〜５がオンする時比率を変えることで制御を行う。

図２に正常時の各部の波形を示す。この図において、（１）は過電流保護部１７から出力される半導体スイッチング素子２，５へのゲートパルス（以下パルス２，５という。）、（２）は半導体スイッチング素子３，４へのゲートパルス（以下、パルス３，４という。）、（３）は変圧器６の一次電圧、（４）は変圧器６の一次電流、（５）は平滑リアクトル１１の出力電流を表している。

正常時は、変圧器６の一次電流は過電流検出レベルを超えないので、過電流保護部１７、ゲートパルス信号調整部１８は単にゲートパルス信号発生部１５から出力されるゲートパルスを順次そのまま伝達して、半導体スイッチング素子２〜５をオン・オフする。

次に、過電流が発生した場合に、ゲートパルス信号調整部１８がなかった場合の波形を、図３に示す。この図では、時刻ｔ１で正側の電流が検出レベルを超え（図３（４））、これによって過電流保護部がパルス２，５を強制的にオフにする。パルス幅が短くなったことにより、電流が抑えられ、次にパルス３，４を発生する時には負側の電流は検出レベルを下回り、通常通りのパルスが発生する。電流が抑えられるので、保護の目的は達成しているが、時刻ｔ１を含む１周期分のパルス幅が正負アンバランスになり、ここで偏磁が起きる。

図４は、ゲートパルス信号調整部１８がある場合の波形で、この場合には、時刻ｔ３から始まる負側のパルス３，４のオン時間が、ｔ１−ｔ０に等しくなる時刻ｔ４になった時点で、パルス３，４をオフにする。これにより、正負のパルス幅のバランスが保たれ、偏磁を防止することができる。

図５は、ゲートパルス信号調整部１８を、カウンタ、タイマと論理積ゲートで構成した例である。また、この構成例での各部の動作を図６に示す。この例では、パルス幅計測カウンタ１８ａが、ゲートパルスがオンの間カウントアップしている（図６（３））。時刻ｔ１で過電流が発生すると、その時点でのパルス幅計測カウンタのカウント値がパルスマスク発生タイマ１８ｂに設定される（図６（４））。そして、次の半周期の開始である時刻ｔ３からパルスマスク発生タイマ１８ｂが設定値からカウントダウンを開始し、０になった時刻ｔ４でパルスマスク信号を発生させる（図６（５））。その後、論理積ゲート１８ｃによってゲートパルス信号（図６（２））とパルスマスク信号（図６（５））とで論理積をとった信号が、最終的な調整済ゲートパルスとして負側の半導体スイッチング素子３，４をオンすることになる（図６（６））。

なお、図５では、ハードウェア構成のような表現になっているが、この部分は、ハードウェアで構成することも可能であるし、マイコンの機能を用いて一部または全てをソフトウェアで実現することも可能である。図７は、ゲートパルス信号調整部１８の別の構成例で、この例では、パルス幅計測カウンタ１８ａで計測した過電流検出時点までのオン期間をパルス幅指令値として、パルス幅制御部１６から出力される通常時のパルス幅指令値と切り替え器１８ｄで切り替えて、ゲートパルス信号発生部１５への指令値として出力する構成となっている。この例の場合も、ハードウェアでもソフトウェアでも実現可能である。

以上、本実施の形態によれば、過電流検出時にゲートパルスをオフにする過電流保護に合わせて、その半周期後のゲートパルスのオンタイミングは変えずに、過電流検出時のパルスのパルス幅に合わせてオフタイミングを調整するようにしたので、ゲートオフ期間が必要以上に長くならず、高負荷時にも出力電圧を安定化させることができる。

次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
図８は第２の実施の形態による電力変換装置５０の構成図である。この構成の場合の動作は、図９のようになる。すなわち、時刻ｔ１で過電流が検出されて正側のパルス２，５が強制オフされ、次の負側のパルス３，４がゲートパルス信号調整部１８によって時刻ｔ４で強制オフされるまでは、図４と同じである。その後、ゲートパルス周期調整部２０によって、正側パルスで本来ゲートパルスがオフするはずだった時刻ｔ２と、実際ゲートパルスがオフになった時刻ｔ１との差(すなわち、ゲートパルス強制オフによってパルスが短くなった時間)の分だけ本来の次の正側のゲートパルスがオンになる時刻ｔ７より早い時刻ｔ６でその周期が終了し、次の正側のゲートパルスがオンになる。これにより、パルスのオン期間とオフ期間の比(デューティ比)が保たれ、出力電圧の変動が抑えられる。図１０は、ゲートパルス周期調整部２０を、演算器によって構成した例である。この例では、ゲートパルス信号調整部１８で計測したパルス幅を、演算器２０ａでパルス幅指令値から減算してパルスが短くなった時間を算出し、さらにその値を、演算器２０ｂであらかじめ規定されているパルス発生周期から減算した値を周期の設定値としてゲートパルス信号発生部１５に設定し、その設定値に従ってゲートパルス信号発生部１５にてゲートパルスを出力することで、図９の動作が実現できる。この例の場合も、図１０の構成をマイコンに搭載されるソフトウェアで実現することも可能である。

以上、本実施の形態によれば、ゲートパルス周期調整部によって、ゲートパルスのオン期間が短くなるのに伴い全体の周期も短くすることにより、ゲートパルスのアンバランスを解消したことによるデューティ比の変化を防止するので、出力電圧の変動を抑制することができる。

１ ・・・・・・・・・ 入力側平滑コンデンサ
２〜５ ・・・・・・・・・ 電力変換半導体スイッチング素子
６ ・・・・・・・・・ 変圧器
７〜１０ ・・・・・・・・・ 出力側整流ダイオード
１１ ・・・・・・・・・ 平滑リアクトル
１２ ・・・・・・・・・ 負荷
１３ ・・・・・・・・・ 電流検出器
１４ ・・・・・・・・・ 過電流検出部
１５ ・・・・・・・・・ ゲートパルス信号発生部
１６ ・・・・・・・・・ パルス幅制御部
１７ ・・・・・・・・・ 過電流保護部
１８ ・・・・・・・・・ ゲートパルス信号調整部
１８ａ ・・・・・・・・・ パルス幅計測カウンタ
１８ｂ ・・・・・・・・・ パルスマスク発生タイマ
１８ｃ ・・・・・・・・・ 論理積ゲート
１８ｄ ・・・・・・・・・ パルス幅指令切り替え器
１９ ・・・・・・・・・ 入力電圧端子
２０ ・・・・・・・・・ ゲートパルス周期調整部
２０ａ、ｂ ・・・・・・・・・ 演算器
５０ ・・・・・・・・・ 電力変換装置
５１ ・・・・・・・・・ 従来の電力変換装置

Claims (3)

1. 半導体スイッチング素子により構成され、該半導体スイッチング素子のゲートをオン、オフすることにより直流電圧を交流電圧に変換し、該交流電圧を正負の電圧パルスとして交互に出力するインバータと、
   前記インバータの出力に接続され、前記電圧パルスを印加される変圧器と、
   前記変圧器の出力に接続される整流回路と、
   前記整流回路の出力に接続される平滑リアクトルと負荷との直列接続回路と、
   前記負荷にかかる直流出力電圧を検出し、誤差増幅器により前記直流出力電圧と指令値との誤差に基づき、前記電圧パルスのパルス幅指令値を決定するパルス幅制御部と、
   前記パルス幅指令値にしたがって、前記半導体スイッチング素子のゲートのオン、オフを行うためのゲートパルス信号を所定の周期で出力するゲートパルス信号発生部と、
   前記変圧器の入力電流を検出して所定のしきい値と比較して過電流を検出すると過電流検出信号を出力する過電流検出部と、
   前記過電流検出信号が出力された時点の半周期の間、前記ゲートパルス信号の出力を強制的にオフする過電流保護部とを有する電力変換装置において、
   前記過電流検出信号が出力された時点の次の半周期のゲートのオン期間を、前記ゲートパルス信号発生部から出力されるゲートパルス信号のオフタイミングをずらすことによって、過電流を検出して強制的にオフにしたときのゲートのオン期間に等しくするように調整し、調整後のゲートパルス信号を前記半導体スイッチング素子のゲートへ出力するゲートパルス信号調整部を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記ゲートパルス信号調整部は、ゲートパルスの立ち上がりで起動し該ゲートパルスのオン期間中カウントアップを行うパルス幅計測カウンタと、設定値からカウントダウンを開始し、零になった時点でゲートパルス信号をオフ状態にするパルスマスク信号を発生するパルスマスク発生タイマとを備え、前記過電流検出信号が出力された時点の前記パルス幅計測カウンタのカウント値を前記パルスマスク発生タイマの設定値としてセットし、前記ゲートパルス信号発生部からのゲートパルス信号と前記パルスマスク信号との論理積を前記調整後のゲートパルス信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記過電流検出信号が出力されるまでのオン期間を計測してパルス幅指令値として出力するパルス幅計測カウンタを有し、さらに
   前記過電流検出信号が出力された時点の次の半周期のみ、前記パルス幅計測カウンタから出力されるパルス幅指令値に相当するオン期間と前記パルス幅制御部で決定されたパルス幅指令値に相当するオン期間との差分だけ前記ゲートパルス信号発生部から出力されるゲートパルス信号の周期を短くするゲートパルス周期調整部を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

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