JP2011151911A - Voltage converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電動機と直流電源との間で電圧変換を行う電圧変換器に関する。 The present invention relates to a voltage converter that performs voltage conversion between an electric motor and a DC power source.
近年、自動車等の車両の駆動源としてモータ等の電動機が使用され、この電動機の電力供給源としてリチウムイオン電池等の充放電可能な直流電源が使用されている。 In recent years, an electric motor such as a motor is used as a drive source for a vehicle such as an automobile, and a chargeable / dischargeable DC power source such as a lithium ion battery is used as a power supply source for the electric motor.
直流電源と電動機との間には双方向コンバータまたは二象限チョッパ回路とも呼ばれる電圧変換器が設けられている。この電圧変換器は力行時、すなわち直流電源から電動機に電力が供給される時には直流電源の電圧(例えば約200V)を電動機の駆動に要する電圧(例えば、約200V〜650V)に昇圧する昇圧コンバータとして機能する。また、車両の減速時等、電動機が発電機として作動し、電動機から直流電源に電力を送る回生時には電動機の電圧を降圧する降圧コンバータとして機能する。 Between the DC power source and the electric motor, a voltage converter called a bidirectional converter or a two-quadrant chopper circuit is provided. This voltage converter is a step-up converter that boosts the voltage of the DC power source (for example, about 200V) to the voltage required for driving the motor (for example, about 200V to 650V) during powering, that is, when power is supplied from the DC power source to the motor. Function. In addition, when the vehicle is decelerating, the motor operates as a generator, and functions as a step-down converter that reduces the voltage of the motor when regenerating power from the motor to a DC power source.
ここで、電圧変換器について図24を用いて説明する。電圧変換器1は直流電源20と電動機30との間に接続されている。電圧変換器1は、第1のスイッチング素子2と、第1のスイッチング素子2に直列接続された第2のスイッチング素子3とを備えている。さらに、第1のスイッチング素子2には第1のダイオード4が並列接続され、第2のスイッチング素子3には第2のダイオード5が並列接続されている。ここで、スイッチング素子とダイオードとの組み合わせは「アーム」と呼ばれる。図24においては第1のスイッチング素子2と第1のダイオードの組み合わせは下アーム6と呼ばれ、第2のスイッチング素子3と第2のダイオードの組み合わせは上アーム7と呼ばれる。また、下アーム6と上アーム7とを繋ぐ配線にリアクトル12が接続されている。
Here, the voltage converter will be described with reference to FIG. The
さらに第1のスイッチング素子2および第2のスイッチング素子3は制御部9に接続されている。制御部9は信号生成部10と、信号補正部11とを備えている。
Further, the
上述した構成において、力行時に直流電源20の電圧を昇圧する昇圧回路は第1のスイッチング素子2、第2のダイオード5、リアクトル12によって構成される。一方、回生時に電動機30の電圧を降圧する降圧回路は第2のスイッチング素子3、第1のダイオード4、リアクトル12によって構成される。
In the configuration described above, the booster circuit that boosts the voltage of the
ここで、直流電源20の電圧を昇圧する割合は第1のスイッチング素子2のオン/オフ比によって定まる。一方、電動機30からの電圧を降圧する割合は第2のスイッチング素子3のオン/オフ比によって定まる。第1のスイッチング素子2のオン/オフ比は制御部9の信号生成部10で生成されるスイッチング信号Tr1によって定まり、第2のスイッチング素子3のオン/オフ比は信号生成部10で生成されるスイッチング信号Tr2によって定まる。ここで、スイッチング信号はオンとオフの2値からなる信号であり、任意の周期における第1または第2のスイッチング素子2、3のオン時間とオフ時間とを定めた信号である。
Here, the rate of boosting the voltage of the
信号生成部10には電動機30の出力要求を行うパワーマネジメントコントローラ(図示せず)から指令電圧Sが送られる。信号生成部10では指令電圧Sを出力するために必要な第1のスイッチング素子2のスイッチング信号Tr10および第2のスイッチング素子3のスイッチング信号Tr20を公知の方法、例えば三角波比較法等により生成する。
A command voltage S is sent to the
さらに信号生成部10は、スイッチング信号Tr10およびTr20にデットタイムTdと呼ばれる区間を挿入したスイッチング信号Tr11およびTr21を生成する。これは第1のスイッチング素子2と第2のスイッチング素子3とが同時にオンになることによる短絡を防ぐためのものであり、このデッドタイムTd期間は第1のスイッチング素子2と第2のスイッチング素子3の両方がオフになる。以上のようにして生成されたスイッチング信号Tr11、Tr21に基づき、制御部9は第1のスイッチング素子2および第2のスイッチング素子3のオン/オフ制御を行う。
Further, the
ここで、指令電圧Sをもとに生成されたスイッチング信号Tr10、Tr20にデッドタイムTdが挿入されたスイッチング信号Tr11、Tr21に基づいて第1、第2のスイッチング素子2、3のオン/オフ制御が行われることにより、電圧変換器1の出力電圧VOは指令電圧Sとは異なるものとなる。具体的には昇圧時(力行時)には昇圧の度合いが所定割合で弱められ、出力電圧VOは指令電圧Sより低い値にしか昇圧されないことが知られている。また降圧時(回生時)には降圧の度合いが所定割合で強められ、出力電圧VOは指令電圧Sよりも低くなることが知られている。
Here, based on the switching signals Tr1 1 and Tr2 1 in which the dead time Td is inserted into the switching signals Tr1 0 and Tr2 0 generated based on the command voltage S, the first and
そこで特許文献1においては制御部9に信号補正部11を設け、フィードバック制御により指令電圧Sと出力電圧VOとの差異を軽減している。すなわち、信号補正部11は電圧変換器1の出力電圧VOを受信し、出力電圧VOと指令電圧Sとの差異を算出するとともにこの差異に基づいて出力電圧Sを増減させている。
Therefore, in
特開2003−309997号公報 JP 2003-309997 A
しかし、フィードバック制御は積分時間等の確保のため応答に遅れが生じる。例えばスイッチング周期について数周期分の遅れが生じる。したがって、例えば車両がスリップし、急に力行過程から回生過程に切り替わった時など、遅れ時間中に指令電圧Sの値が急変した場合に指令電圧Sと電圧変換器の出力電圧VOとの差が大きくなることがあった。 However, the feedback control is delayed in response to ensure the integration time. For example, a delay of several cycles occurs with respect to the switching cycle. Therefore, for example, when the value of the command voltage S suddenly changes during the delay time, such as when the vehicle slips and suddenly switches from the power running process to the regeneration process, the difference between the command voltage S and the output voltage V O of the voltage converter. Sometimes increased.
そこで本発明は、従来のフィードバック制御に代えて、遅れ時間の発生が無いフィードフォワード制御による電圧補正を行う電圧変換器を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a voltage converter that performs voltage correction by feedforward control that does not generate a delay time, instead of the conventional feedback control.
請求項1に係る発明は、直流電源と電動機との間に接続され、電圧の昇圧及び降圧を行う電圧変換器であって、オン時間に電流を流すとともにオフ時間に電流を遮断する第1のスイッチング素子と、前記第1のスイッチング素子に並列接続された第1のダイオードと、からなる下アームと、第2のスイッチング素子と、前記第2のスイッチング素子に並列接続された第2のダイオードと、からなり、前記下アームに直列接続する上アームと、前記上アームまたは前記下アームに流れる電流の方向を判定する電流方向判定器と、出力電圧を示す電圧指令を受信すると共に、前記電流方向判定器から前記電流方向の判定信号を受信し、前記電圧指令と前記判定信号とに基づいて前記第1及び第2のスイッチング素子のオン時間及びオフ時間を定めたスイッチング信号を生成して前記第1及び第2のスイッチング素子のオン/オフ制御を行う制御部と、を備えたことを特徴とする、電圧変換器である。
The invention according to
また、請求項2に係る発明は、請求項1記載の電圧変換器であって、前記制御部は、信号生成部と信号補正部とを備え、前記信号生成部では、前記電圧指令に基づいて前記第1のスイッチング素子のオン時間及びオフ時間が定められた第1のスイッチング信号と前記第2のスイッチング素子のオン時間及びオフ時間が定められた第2のスイッチング信号が生成され、前記信号補正部では、前記判定信号に基づいて前記第1のスイッチング信号及び第2のスイッチング信号が補正され、前記制御部は、補正後の前記第1のスイッチング信号及び第2のスイッチング信号に基づいて前記第1及び第2のスイッチング素子のオン/オフ制御を行う、ことを特徴とする、電圧変換器である。
The invention according to
また、請求項3に係る発明は、請求項2記載の電圧変換器であって、前記信号補正部は、前記上アームと下アームとを繋ぐ接点から前記下アームまたは前記上アームに向かって電流が流れているときには、前記第1のスイッチング信号のオン時間および前記第2のスイッチング信号のオフ時間を予め定めた時間延長する補正を行い、前記下アームまたは上アームから前記接点に向かって電流が流れているときには、前記第1のスイッチング信号のオン時間および前記第2のスイッチング信号のオフ時間を予め定めた時間短縮する補正を行うことを特徴とする、電圧変換器である。
The invention according to
また、請求項4に係る発明は、請求項3に記載の電圧変換器であって、前記上アームと下アームとを繋ぐ配線を流れる電流の微分値を検出する検出手段を設け、前記電流方向判定器は、前記検出手段が検出した電流の微分値を受信すると共に、前記信号生成部から前記第1及び第2のスイッチング信号を受信し、受信した前記第1及び第2のスイッチング信号のオン/オフの切り替わりと前記電流の微分値とに基づいて、前記上アーム又は下アームに流れる電流の方向を検知することを特徴とする、電圧変換器である。
Further, the invention according to
また、請求項5に係る発明は、請求項3に記載の電圧変換器であって、前記接点と下アームとを繋ぐ配線を流れる電流の微分値を検出する検出手段を設け、前記電流方向判定器は、前記検出手段が検出した電流の微分値を受信すると共に、前記信号生成部から前記第1のスイッチング信号を受信し、受信した前記第1のスイッチング信号のオン/オフの切り替わりと前記電流の微分値とに基づいて、前記下アームに流れる電流の方向を検知することを特徴とする、電圧変換器である。
Further, the invention according to
デッドタイムの影響により昇圧時には昇圧の度合いが所定割合で弱められ、降圧時には降圧の度合いが所定割合で強められることから、昇圧時であるか降圧時であるかを判定することによりスイッチング信号の補正を行うことが可能となる。本願発明者らは、電圧変換器の上アームまたは下アームに流れる電流の方向から昇圧時であるか降圧時であるかを判定することができ、さらにこの判定及び当該判定に基づくスイッチング信号の補正が電圧を出力する前に行えることを見出した。これによりデッドタイムの影響を予め取り除いた状態で電圧を出力するフィードフォワード制御が可能となる。したがって、従来のフィードバック制御のような応答遅れが発生せず、急激な電圧の変化にも対応することができる。 Due to the effect of dead time, the degree of boosting is weakened at a predetermined rate at the time of boosting, and the degree of stepping down is strengthened at a predetermined rate at the time of stepping down. Can be performed. The inventors of the present application can determine whether the current is flowing up or down from the direction of the current flowing through the upper or lower arm of the voltage converter, and further, this determination and the correction of the switching signal based on the determination. Found that can be done before the voltage is output. As a result, feedforward control that outputs a voltage in a state in which the influence of the dead time is removed in advance can be performed. Therefore, a response delay unlike the conventional feedback control does not occur, and a sudden voltage change can be dealt with.
図1に本実施形態に係る電圧変換器およびその周辺回路を示す。まず電圧変換器1の周辺回路構成について説明する。電圧変換器1は直流電源20および電動機30の間に接続されている。直流電源20はリチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池から構成されている。また電動機30は永久磁石モータ等のモータから構成されている。
FIG. 1 shows a voltage converter and its peripheral circuits according to this embodiment. First, the peripheral circuit configuration of the
さらに電圧変換器1と直流電源20との間には電源側コンデンサ21が直流電源20から見て電圧変換器1と並列に接続されている。
Further, a power
また電圧変換器1と電動機30との間にはインバータ25および負荷側コンデンサ22が、電動機30から見てそれぞれ電圧変換器1と並列に接続されている。
Further, between the
次に電圧変換器1の構成について説明する。電圧変換器1は、第1のスイッチング素子2と、第1のスイッチング素子2に直列に接続された第2のスイッチング素子3を備えている。第1のスイッチング素子2および第2のスイッチング素子3はIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)等の電圧制御型のトランジスタから構成され、オン時間にはコレクタ−エミッタ間に電流が流れ、オフ時間には当該電流の流れが遮断される。
Next, the configuration of the
さらに第1のスイッチング素子2および第2のスイッチング素子3は制御部9に接続されている。制御部9は信号生成部10及び信号補正部11を備えている。
Further, the
また、第1のスイッチング素子2には第1のダイオード4が逆並列に、すなわち第1のスイッチング素子2のエミッタ側からコレクタ側に向かう方向をダイオードの順方向とするように並列に接続され、同様に第2のスイッチング素子3には第2のダイオード5が逆並列に接続されている。なお、第1のスイッチング素子2と第1のダイオード4との組み合わせは下アーム6と呼ばれ、第2のスイッチング素子3と第2のダイオード5との組み合わせは上アーム7と呼ばれる。
The
また、上アーム7と下アーム6とを繋ぐ接点(ノード)13にはコイル等からなるリアクトル12が接続されている。
A
さらに、上アーム7と下アーム6とを繋ぐ配線のうち、接点13よりも下アーム6側の配線には電流計等からなる電流検知器14が設けられている。この電流検知器14は制御部9の信号補正部11に電流方向を示す判定信号を送信可能になっている。
Further, among the wires connecting the
以上、電圧変換器1とその周辺の回路構成について説明した。次に、第1のスイッチング素子2および第2のスイッチング素子3のオン/オフ時間を決めるスイッチング信号の生成過程について説明し、さらに生成されたスイッチング信号に基づく電圧変換器1の昇圧動作および降圧動作について説明する。
The
スイッチング信号は制御部9にて生成される。制御部9の信号生成部10には、図示しないパワーマネジメントコントローラから電動機30を駆動させるための指令電圧Sが送られる。信号生成部10は指令電圧Sに基づいて公知の三角波比較法等により第1のスイッチング素子2のオン/オフ時間を定めたスイッチング信号Tr10を生成する。さらにスイッチング信号Tr10の逆信号、すなわちオン時間とオフ時間とを逆転させた信号を生成し、これを第2のスイッチング素子3のスイッチング信号Tr20とする。ここで、スイッチング信号Tr20はスイッチング信号Tr10の逆信号であることから、両信号の周期T0は等しくなる。
The switching signal is generated by the
さらに信号生成部10は図2に示すように、スイッチング信号Tr10、Tr20の周期T0中に2回のデッドタイムTdを挿入したスイッチング信号Tr11およびTr21を生成する。デッドタイムTdの挿入により、スイッチング信号Tr11およびTr21の周期T1はスイッチング信号Tr10およびTr20の周期T0よりも2Td分長くなる。
Further, as shown in FIG. 2, the
ここで、スイッチング信号Tr11に基づいて第1のスイッチング素子2のオン/オフ制御を行い、またスイッチング信号Tr21に基づいて第2のスイッチング素子3のオン/オフ制御を行った場合における、電圧変換器1の昇圧動作又は降圧動作について説明する。まず降圧時(回生時)における電圧変換器1の動作について説明する。回生時、すなわち電動機30から直流電源20に電力が送られる際に、電圧変換器1は降圧コンバータとして作用する。降圧回路は第2のスイッチング素子3、第1のダイオード4、およびリアクトル12から構成される。
Here, in the case of performing a first on / off
降圧回路においては、第2のスイッチング素子3のオン時間に電動機30から電流が流れ、この電流は図3に示すように電動機30→第2のスイッチング素子3→接点13→リアクトル12→直流電源20→電動機30の経路を流れる。このときリアクトル12には電磁エネルギが蓄積される。次に第2のスイッチング素子3のオフ時間(デッドタイムを含む)には、電動機30からの電流の供給が遮断されるとともにリアクトル12に起電力が発生して図4に示すようにリアクトル12→直流電源20→第1のダイオード4→電流検知器14→接点13→リアクトル12の経路を電流が流れる。
In the step-down circuit, a current flows from the
降圧回路における降圧の割合は、第2のスイッチング素子3のオン時間T2ONの、スイッチング周期T1に対する比で表すことができることが知られている。すなわち、電動機30の電圧をVH、デッドタイム、つまり第1のスイッチング素子2も第2のスイッチング素子3もオフになっている時間をTd、第2のスイッチング素子のみがオフになっている時間をT2OFFとすると、図2から、直流電源20に加えられる電圧VLは以下の数式1により求められる。
It is known that the step-down ratio in the step-down circuit can be expressed by the ratio of the ON time T 2ON of the
上記数式1を参照すると、分母にデッドタイムTdの項があり、その分降圧の度合いが強められる、すなわち直流電源20に加えられる電圧VLが指令電圧Sよりも低くなることが理解される。
Referring to
次に昇圧時における電圧変換器1の動作について説明する。力行時、すなわち直流電源20から電動機30に電力が送られる際に、電圧変換器1は昇圧コンバータとして作用する。昇圧回路は第1のスイッチング素子2、第2のダイオード5、およびリアクトル12から構成される。
Next, the operation of the
昇圧回路においては、第1のスイッチング素子2のオン時間には、図5に示すように直流電源20→リアクトル12→接点13→電流検知器14→第1のスイッチング素子2→直流電源20の経路で電流が流れる。このとき、リアクトル12には電磁エネルギが蓄積される。次に第1のスイッチング素子3のオフ時間(デッドタイムを含む)には、リアクトル12に蓄積された電磁エネルギが直流電源20の電圧に加算された状態で図6に示すように第2のダイオード5を経て電動機30に送られる。
In the step-up circuit, during the ON time of the
昇圧回路の昇圧の割合は、スイッチング周期T1の、第1のスイッチング素子2のオフ時間に対する比によって求められることが知られている。すなわち、第1のスイッチング素子2のオン時間をT1ON、第1のスイッチング素子2のみがオフになっている時間をT1OFFとすると、図2から、電動機30に加えられる電圧VHは以下の数式2により求められる。
Ratio of the step-up of the booster circuit, the switching period T 1, is known to be determined by the ratio to the first off-time of the
ここで、最右辺について、T1ON+T1OFF>T1OFFであるから、 Here, for the rightmost side, T 1ON + T 1OFF > T 1OFF ,
すなわち、上記数3に示されるように、デッドタイムTdが挿入されている分、昇圧の割合は弱められ、電動機30に加えられる電圧VHは指令電圧Sよりも低くなる。
That is, as shown in the
以上説明したようにスイッチング信号Tr11、Tr21に補正が加えられない状態で第1および第2のスイッチング素子2、3のオン/オフ制御を行うと、電圧変換器1は降圧過程(回生時)、昇圧過程(力行時)ともにデッドタイムTdの影響を受ける。そこで制御部9の信号補正部11はスイッチング信号Tr11、Tr21を補正し、デッドタイムの影響Tdを取り除いている。以下、スイッチング信号Tr11、Tr21の補正について説明する。
As described above, when the on / off control of the first and
降圧時(回生時)における電圧変換器1の電流の流れは、図3に示したように、第2のスイッチング素子3がオンのとき、電流は電動機30→第2のスイッチング素子3→接点13→リアクトル12→直流電源20→電動機30の経路を流れる。また図4に示すように、第2のスイッチング素子3がオフ(デッドタイムを含む)のとき、電流はリアクトル12→直流電源20→第1のダイオード4→電流検知器14→接点13→リアクトル12の経路を流れる。
As shown in FIG. 3, the current flow of the
ここで、電流検知器14に流れる電流、すなわちリアクトル12が接続された接点13から下アーム6に流れる電流I1(以下、電流I1を「下アーム電流」と呼ぶ。)の流れに着目する。接点13から下アーム6への流れ方向を正とすると、回生時には下アーム電流I1は負方向(下アーム6→接点13)に流れるか、または流れがなくなる(0になる)かのいずれかであり、正の方向には流れないことが理解される。
Here, attention is focused on the current flowing through the
一方、昇圧時(力行時)における電圧変換器1の電流の流れは、図5に示すように、第1のスイッチング素子2がオンのとき、電流は直流電源20→リアクトル12→接点13→電流検知器14→第1のスイッチング素子2→直流電源20の経路を流れる。また図6に示すように、第1のスイッチング素子2がオフ(デッドタイムを含む)のとき、電流は直流電源20→リアクトル12→接点13→第2のダイオード5→電動機30→直流電源20の経路を流れる。このとき、下アーム電流I1は正方向(接点13→下アーム6)に流れるか、または流れがなくなる(0になる)かの何れかであり、負の方向には流れないことが理解される。
On the other hand, the current flow of the
以上から、下アーム電流I1が正方向に流れれば昇圧時(力行時)であり、負方向に流れれば降圧時(回生時)であることが理解される。電流検知器14は、下アーム電流I1の電流値を測定することにより下アーム電流I1の流れ方向が正方向であるか負方向であるかを示す判定信号を制御部9の信号補正部11に送信する。信号補正部11では電流検知器14からの判定信号を受けて電動機30が昇圧時であるか降圧時であるかを判定する。さらにこの判定結果に基づいてスイッチング信号Tr11、Tr21を補正する。以下に、信号補正部11が行うスイッチング信号Tr11、Tr21の補正について説明する。
From the above, the lower arm current I 1 is at the boost it flows through the forward direction (during power running), it is understood that the time of buck when flows through the negative direction (during regeneration).
信号補正部11は、電流検知器14から下アーム電流I1の流れ方向を通知する信号を受信すると、電動機30が昇圧時であるか降圧時であるかを判定する。この判定後、信号補正部11は、昇圧時であるときには昇圧の度合いを増加させる補正を、また降圧時であるときには降圧の度合いを低減させる補正をスイッチング信号Tr11、Tr21に行う。
When the
すなわち、信号補正部11は降圧時(回生時)においては上述した数式1に基づき、スイッチング信号Tr21のオフ時間T2OFFを予め定めた時間短縮する補正を行う。さらにこの補正にあわせてスイッチング信号Tr11のオン時間T1ONを予め定めた時間短縮する補正を行う。補正前のスイッチング信号Tr11、Tr21を図7の上段に、補正後のスイッチング信号Tr12、Tr22を下段に示す。
That is, the
例えば信号補正部11は、スイッチング信号Tr21のオフ時間T2OFFおよびスイッチング信号Tr11のオン時間T1ONを2Td分減じる補正を行う。この補正を数式に表すと下記数式4のようになる。
For example, the
数式4に示されるように、補正によりデッドタイムTdの影響が取り除かれることが理解される。
As shown in
また、信号補正部11は昇圧時(力行時)においては上述した数式2に基づき、スイッチング信号Tr11のオン時間T1ONを予め定めた時間延長する補正を行う。さらにこの補正にあわせてスイッチング信号Tr21のオフ時間T2OFFを予め定めた時間延長する補正を行う。補正前のスイッチング信号Tr11、Tr21を図8の上段に、補正後のスイッチング信号Tr12、Tr22を下段に示す。
The
例えば信号補正部11は、スイッチング信号Tr11のオン時間T1ONに、(2Td×T1ON)/T1OFFを加える。この補正を下記数式5に示す。またこの補正にあわせてスイッチング信号Tr21のオフ時間T2OFFに(2Td×T2OFF)/T2ONを加える。
For example, the
数式5に示されるように、補正によりデッドタイムTdの影響が取り除かれることが理解される。
As shown in
ここで、スイッチング信号Tr11、Tr21の補正のタイミングについて説明する。信号補正部11は、スイッチング信号Tr11、Tr21の周期T1中にスイッチング信号Tr11、Tr21を補正している。言い換えれば、スイッチング信号Tr11、Tr21に基づいて第1および第2のスイッチング素子2、3のオン/オフ制御をしている最中に当該スイッチング信号Tr11、Tr21を補正している。
Here, the correction timing of the switching signals Tr1 1 and Tr2 1 will be described. Signal correcting
図9には降圧時(回生時)におけるスイッチング信号Tr11、Tr21の補正動作の概略が示されている。上述のように、降圧時にはスイッチング信号Tr21がオン時間T2Onからオフ時間T2Offに切り替わると下アーム電流I1が0からマイナスの値に切り替わる。電流検知器14は下アーム電流I1が0からマイナスに切り替わったときに下アーム電流I1が負方向に流れている旨の判定信号を信号補正部11に送る。または負の値の電流値を判定信号としてそのまま信号補正部11に送る。この電流検知器14から信号補正部11への送信はスイッチング信号Tr21のオフ時間T2Off中に行われる。さらに信号補正部11では下アーム電流I1の流れ方向または負の電流値に基づいて降圧時であると判断し、スイッチング信号Tr21のオフ時間T2Off中に当該オフ時間T2offおよびスイッチング信号Tr11のオン時間T1Onを所定量低減させる。これにより、スイッチング周期T1中にスイッチング信号Tr11、Tr21が補正される。
FIG. 9 shows an outline of the correction operation of the switching signals Tr1 1 and Tr2 1 at the time of step-down (regeneration). As mentioned above, during the step-down switching from the lower arm current I 1 if the switching signal Tr2 1 is switched from the on-time T 2on off time T 2off is 0 to a negative value.
また、図10には昇圧時(力行時)におけるスイッチング信号Tr11、Tr21の補正動作の概略が示されている。上述のように、昇圧時にはスイッチング信号Tr11がオフ時間T1Offからオン時間T1Onに切り替わると下アーム電流I1は0からプラスの値に切り替わる。電流検知器14は下アーム電流I1が0からプラスに切り替わったときに下アーム電流I1が正方向に流れている旨の判定信号を信号補正部11に送る。または電流値を判定信号としてそのまま信号補正部11に送る。この電流検知器14から信号補正部11への送信はスイッチング信号Tr11のオン時間T1On中に行われる。さらに信号補正部11では下アーム電流I1の流れ方向に基づいて昇圧時であると判断し、スイッチング信号Tr11のオン時間T1On中に当該オン時間T1onおよびスイッチング信号Tr21のオフ時間T2Offを所定量増加させる。これにより、スイッチング周期T1中にスイッチング信号Tr11、Tr21が補正される。
FIG. 10 shows an outline of the correction operation of the switching signals Tr1 1 and Tr2 1 during boosting (powering). As described above, the lower arm current I 1 if the switching signal Tr1 1 during the boost is switched from OFF time T 1Off ON time T 1ON switches from 0 to a positive value.
以上のようにスイッチング信号Tr11、Tr21が補正されると、制御部9は補正されたスイッチング信号Tr12、Tr22に基づいて第1のスイッチング素子2および第2のスイッチング素子3のオン/オフ動作を制御する。デッドタイムTdの影響が取り除かれた補正後のスイッチング信号Tr12、Tr22に基づいて昇圧、降圧を行うので電圧変換器1の出力電圧VOと指令電圧Sとの差は低減される。
When the switching signals Tr1 1 and Tr2 1 are corrected as described above, the
このように、本実施形態においては下アーム電流I1の流れ方向に基づいて昇圧時であるか降圧時であるかを判定し、この判定結果に基づいてスイッチング信号Tr11、Tr21を補正している。この補正はスイッチング信号Tr11、Tr21の周期T1中、つまり電圧の出力前に行われるため、デッドタイムTdの影響を取り除いた状態で電圧が出力される。このように本実施形態では予めデッドタイムTdの影響を取り除いた状態で電圧を出力するフィードフォワード制御による電圧補正を行っているので、原理的にフィードバック制御時に発生する応答遅れは生じない。したがって従来、応答遅れが原因で電圧補正が間に合わなかった急激な電圧の変化が生じても本実施形態では迅速に対応することができる。 Thus, it is determined whether the time of step-down or a voltage step-up based on the flow direction the lower arm current I 1 in this embodiment, to correct the switching signal Tr1 1, Tr2 1 based on the determination result ing. Since this correction is performed during the period T 1 of the switching signals Tr1 1 and Tr2 1 , that is, before the voltage is output, the voltage is output with the influence of the dead time Td removed. As described above, in this embodiment, voltage correction is performed by feedforward control that outputs a voltage in a state in which the influence of the dead time Td is removed in advance, so that in principle there is no response delay that occurs during feedback control. Therefore, in the present embodiment, it is possible to quickly cope with a sudden change in voltage that cannot be corrected in time due to a response delay.
なお、図1の実施形態では電流検知器14は下アーム電流I1の方向を検知していたが、接点13と上アーム7との間に電流検知器14を設け、接点13から上アーム7に向かう流れを正とする上アーム電流I2の方向を検知するようにしてもよい。このとき、図4から、降圧時(回生時)には上アーム電流I2は負方向か、または流れがなくなる(0になる)かの何れかであり、正の方向には流れないことが理解される。また図5から、昇圧時(力行時)には上アーム電流I2は正方向に流れるか、または流れがなくなる(0になる)かの何れかであり、負の方向には流れないことが理解される。つまり上アーム電流I2が正方向に流れれば昇圧時であり、負方向に流れれば降圧時である。この流れの傾向をもとに、信号補正部11はスイッチング信号Tr11、Tr21の補正を行う。
In the embodiment of FIG. 1, the
以上、本実施形態に係る電圧変換器における電圧補正について説明した。なお、上述の実施形態においては電流検知器14として電流計を使用し、下アーム電流I1または上アーム電流I2の流れ方向を直接検知していたが、これに代えて接点13と下アーム6または上アーム7との間の配線にコイル32を設け、当該コイル32の電圧VRの変化と、スイッチング信号Tr11、Tr21のオン/オフの切り替わりとに基づいて間接的に下アーム電流I1または上アーム電流I2の流れ方向を検知してもよい。以下、この検知方法について説明する。
The voltage correction in the voltage converter according to the present embodiment has been described above. Incidentally, using an ammeter as a
図11に示す電圧変換器1には、図1で示した電流検知器14に代えて、接点13と下アーム6との間の配線31の周囲に、誘導起電圧を利用して当該配線31を流れる電流の微分値を検出する検出手段が設けられている。図11においては検出手段としてロゴスキーコイル等のコイル32を設け、さらにコイル32から電圧値VRを受信し、さらに信号生成部10からスイッチング信号Tr11、Tr21を受信する電流方向判定器33が設けられている。
In the
上述したとおり、昇圧時(力行時)においてはスイッチング信号Tr11がオフからオンに切り替わる(立ち上がる)ときに下アーム電流I1が0から正の値に切り替わる。このとき、下アーム電流I1が流れる配線の周囲に設けられたコイル32の電圧VRは下アーム電流I1の変化(微分値)に応じて0から正の値に立ち上がり、その後にまた0に戻る。つまり、スイッチング信号スイッチング信号Tr11の立ち上りとコイル32の電圧VRの0から正の値への切り替わりが同時に起こったときに下アーム電流I1が正方向に流れることが理解される。このようにしてスイッチング信号Tr11のオン/オフの切り替わりとコイル電圧VRの変化を測定することで下アーム電流I1の流れ方向を間接的に知ることができる。
As described above, the switching signal Tr1 1 at the time of boosting (power running) is switched from OFF to ON (rising) the lower arm current I 1 is changed from 0 to a positive value when. At this time, rising from 0 according to the voltage V R is the change in the lower arm current I 1 of the
なお、一般的に同時に発生する変化を捉える際には同時の定義(任意の猶予時間を設定し、当該猶予時間内の変化を同時とみなす)等を設定する煩雑さがある。したがって、同時に発生する変化を捉えるよりも順次発生する変化を捉えることの方が判定過程としては簡便である。そこで、スイッチング信号Tr11のオン/オフの切り替わりとコイル電圧VRの変化を測定する代わりにスイッチング信号Tr21の立下りとコイル電圧VRの変化を測定しても良い。 In general, when capturing changes that occur at the same time, there is the complexity of setting a simultaneous definition (arbitrary grace time is set and changes within the grace time are regarded as simultaneous). Therefore, it is simpler as a determination process to catch the sequentially occurring changes than to catch the simultaneously occurring changes. Therefore, it may be measured changes falling and the coil voltage V R of the switching signal Tr2 1 instead of measuring the change in switching the coil voltage V R of the switching signal Tr1 1 on / off.
図12に昇圧時(力行時)のスイッチング信号Tr11、Tr11との切り替わりと、コイル電圧VRのタイミングチャートを示す。スイッチング信号Tr21が立ち下がり(オンからオフに切り替わる)、デッドタイムTdが経過した後にスイッチング信号Tr11が立ち上がり(オフからオンに切り替わる)、これと同時に下アーム電流I1の値が0から正の値に立ち上がる。このことから、昇圧時(力行時)において下アーム電流I1が正方向に流れるときには、スイッチング信号Tr21立ち下がり→デッドタイムTd→コイル電圧VR立ち上がりという変化が順次見られることが理解される。この順次発生する変化を追うことで昇圧時における下アーム電流I1の流れ方向を間接的に検知することができる。
Figure shows 12 during boosting and switching of the
また、降圧時(回生時)においては図13に示すように、スイッチング信号Tr21が立ち上がると同時に下アーム電流I1の負方向への流れが0になる。このとき下アーム電流I1の流れの変化の影響を受けて、コイル32の電圧VRは0から正の値に立ち上がった後にまた0に戻る。つまりスイッチング信号Tr21の立ち上がりと同時にコイル電圧VRが立ち上がる。
Further, as at the time of step-down (during regeneration) illustrated in FIG. 13, the flow in the negative direction of the switching signal Tr2 1 rises when the lower arm current I 1 at the same time becomes zero. At this time under the influence of a stream of the lower arm current I 1 varies, the voltage V R of the
上述の変化をスイッチング信号Tr11の立下りのタイミングを用いて言い換えると、第1のスイッチング素子2のスイッチング信号Tr11が立ち下がり、デッドタイムが経過した後にスイッチング信号Tr21が立ち上がり、それと同時に下アーム電流I1の値が負から0に切り替わる。この切り替わりの際にコイル電圧VRが立ち上がる。したがって、降圧時(回生時)において下アーム電流I1が負方向に流れるときには、スイッチング信号Tr11立ち下がり→デッドタイムTd→コイル電圧VR立ち上がりという変化が順次見られることが理解される。この順次発生する変化を追うことで降圧時における下アーム電流I1の流れ方向を間接的に検知することができる。 In other words a change in the above with reference to the timing of the falling edge of the switching signal Tr1 1, first falls switching signal Tr1 first switching element 2, a switching signal Tr2 1 rises after the dead time has elapsed, the same lower time the value of the arm current I 1 is changed to 0 from a negative. Coil voltage V R at the time of this switching rises. Therefore, the lower arm current I 1 at the time of buck (during regeneration) is as it flows in the negative direction, the change of the switching signal Tr1 1 falling → dead time Td → coil voltage V R rise is understood that are sequentially observed. It may indirectly detect the flow direction of the lower arm current I 1 at the time of buck by track changes to this sequence occurs.
スイッチング信号Tr11、Tr21の立下りのタイミングと、コイル電圧VRの立ち上がりのタイミングとに基づいて下アーム電流I1の流れ方向を判定するフローチャートを図14に示す。電流方向判定器33はこのフローチャートに則って電流方向を判定し、判定結果として下アーム電流I1の流れ方向を示す電流方向判定信号SGNを生成する。本実施形態においては、下アーム電流I1が正方向を流れていると判定したときには電流方向判定信号SGNの値を1とし、また、下アーム電流I1が負方向を流れていると判定したときには電流方向判定信号SGNの値を−1としている。このように生成された電流方向判定信号SGNは信号補正部11に送信される。
The timing of the
図14のフローチャートについて、まず昇圧時(力行時)について説明する。電流方向判定器33は、スイッチング信号の立下りを検知し(S1)、立ち下がった信号がスイッチング信号Tr11であるかTr21であるかを判定する(S2)。立ち下がった信号がTr21である場合、デッドタイムTd後にコイル電圧Vrが正の値に立ち上がるか否かを判定する(S4)。コイル電圧Vrが0から正の値に立ち上がった場合、上述したように下アーム電流I1は正方向に流れているから、電流方向判定器33は電流方向判定信号SGNの値を1にセットする(S5)。また、デッドタイム後にコイル電圧Vrが正の値に立ち上がらない場合には電流方向判定信号SGNの値を0にセットする(S6)。このように生成された電流方向判定信号SGNの波形を、スイッチング信号Tr11、Tr21、コイル電圧Vr、下アーム電流I1の波形とともに図15に示す。
The flowchart of FIG. 14 will be described first at the time of boosting (powering). The current
次に降圧時(回生時)について説明する。電流方向判定器33は、スイッチング信号の立下りを検知し(S1)、立ち下がった信号がTr11である場合(S2)、デッドタイムTd後にコイル電圧Vrが正の値に立ち上がるか否かを判定する(S7)。コイル電圧Vrが立ち上がった場合、上述したように下アーム電流I1は負方向に流れたことになるから、電流方向判定器33は電流方向判定信号SGNの値を−1にセットする(S8)。また、デッドタイム後にコイル電圧Vrが正の値に立ち上がらない場合には電流方向判定信号SGNの値を0にセットする(S6)。このように生成された電流方向判定信号SGNの波形を、スイッチング信号Tr11、Tr21、コイル電圧Vr、下アーム電流I1の波形とともに図16に示す。
Next, a description will be given of when the pressure is lowered (during regeneration). Current
上述のように生成された電流方向判定信号SGNに基づき、信号補正部11は電動機30が昇圧時であるか降圧時であるかを判断し、当該判断結果に基づいてスイッチング信号Tr11、Tr21の補正を行う。電流方向判定信号SGN生成のきっかけとなるスイッチング信号Tr11、Tr21の立下りはスイッチング信号Tr11、Tr21の半周期ごとに現れるから、スイッチング信号Tr11、Tr21の周期T1単位で下アーム電流I1の流れ方向を検知することができる。したがって、スイッチング信号Tr11、Tr21の補正をスイッチング信号Tr11、Tr21の周期T1内で行うことが可能となり、電圧の出力前にデッドタイムTdの影響を取り除くフィードフォワード制御を行うことができる。
Based on the current direction determination signal SGN generated as described above, the
なお、上述の実施形態では下アーム電流I1の変化に着目していたが、接点13と上アーム7との間の配線にコイル32を配置し、上アーム電流I2の変化に着目して電圧補正を行ってもよい。
In the above-described embodiment, attention is paid to the change in the lower arm current I 1. However, the
ここで、電流方向判定器33を用いて行った電圧補正の結果を図17に示す。図17は、車両のスリップ等によりフィードバック制御における応答遅れ時間中に電動機30が力行過程から回生過程に急に切り替わったときにおける、従来のフィードバック制御による電圧補正と本実施形態の電圧補正とを比較したものである。
Here, the result of the voltage correction performed using the
図17では、左側が従来のフィードバック制御による電圧補正を示し、右側が本実施形態による電圧補正を示している。電動機30の電力変化が最上段に示されており、電力値が正(力行)から負(回生)に急激に切り替わっている。さらに2段目にはスイッチング信号Tr11、Tr21に補正が行われたか否かが示されている。また、3段目のグラフにはリアクトル12を流れるリアクトル電流ILの変化が示され、4段目のグラフは負荷側コンデンサ22の電圧変化が示されている。
In FIG. 17, the left side shows voltage correction by conventional feedback control, and the right side shows voltage correction by this embodiment. The electric power change of the
ここで、リアクトル電流ILについて説明する。リアクトル12には下アーム電流I1と上アーム電流I2とが流れることから、リアクトル電流ILは下アーム電流I1と上アーム電流I2の和を表している。具体的には図3、図4に示したように、降圧時(回生時)においては第2のスイッチング素子3がオンの時にはリアクトル12に上アーム電流I2が流れ、オフの時には下アーム電流I1が流れる。また図5、図6に示したように、昇圧時(力行時)においては第1のスイッチング素子2がオンの時にはリアクトル12に下アーム電流I1が流れ、オフの時には上アーム電流I2が流れる。
It will now be described reactor current I L. Since the flow and the lower arm current I 1 and the upper arm current I 2 in the
ところで、上述の図15、16等では下アーム電流I1の波形について、力行時には0と所定のプラスの二値、回生時には0と所定のマイナスの値の所定のマイナスの二値しか取らないパルス状であるように記載したが、実際にはわずかな値の増減がある。具体的には、昇圧時(力行時)にはスイッチング信号Tr11がオンのときに下アーム電流I1が流れ、このときにリアクトル12に電磁エネルギが溜められるため、下アーム電流I1の値は上昇傾向となる。スイッチング信号Tr11がオフになると上アーム電流I2が流れ、このときにリアクトル12から電磁エネルギが放出されるため、上アーム電流I2の値は下降傾向となる。したがって、下アーム電流I1と上アーム電流I2が合成されたリアクトル電流ILは、図18に示すように鋸状の波形となる。
By the way, in the above-described FIGS. 15 and 16 and the like, the waveform of the lower arm current I 1 is a pulse that takes only a predetermined negative binary value of 0 and a predetermined positive binary value during power running, and 0 and a predetermined negative value during regeneration. However, there is a slight increase / decrease in value. Specifically, the boost at the lower arm current I 1 flows when the switching signal Tr1 1 is ON (the power running), the electromagnetic energy is accumulated in the
また降圧時(回生時)にはスイッチング信号Tr21がオンのときに上アーム電流I2が流れ、このときにリアクトル12に電磁エネルギが溜められるため、上アーム電流I2の値は上昇傾向となる。スイッチング信号Tr21がオフになると下アーム電流I1が流れ、このときにリアクトル12に電磁エネルギが放出されるため、下アーム電流I1の値は下降傾向となる。したがって、この場合においてもリアクトル電流ILは鋸状の波形となる。
Since the upper arm current I 2 flows, electromagnetic energy is accumulated in the
図17に戻り、従来のフィードバック制御について説明する。図17に示した電力変化は応答遅れの期間中に起こっているため、従来のフィードバック制御ではスイッチング信号を補正することができない。したがって力行時においても回生時においても指令電圧Sよりも出力電圧VOが低くなる。この影響を受けリアクトル電流ILは電動機30が力行から回生に切り替わる際に0A付近で停滞する。また、指令電圧Sと出力電圧VOとの間に差異があるため、この差異を平滑するために負荷側コンデンサ22に電荷が溜め込まれる。
Returning to FIG. 17, the conventional feedback control will be described. Since the power change shown in FIG. 17 occurs during the response delay period, the conventional feedback control cannot correct the switching signal. Therefore, the output voltage V O is lower than the command voltage S both during power running and during regeneration. Reactor current I L affected by this
一方、本実施形態に係る電圧補正について説明すると、電動機30の電力変化に応じて信号補正部11はスイッチング信号Tr11、Tr21を補正している。図17の右側2段目のグラフに示すように、力行時においては下アーム電流I1が正方向であることを検知し、昇圧の度合いを増加させる補正をスイッチング信号Tr11、Tr21に対して行い、また回生時であるときには下アーム電流I1が負方向であることを検知し降圧の度合いを低減させる補正をスイッチング信号Tr11、Tr21に対して行う。その結果、リアクトル電流ILは電動機30の電力変化に沿うようにスロープ状に変化し、0A付近の停滞は見られない。また、スイッチング信号Tr11、Tr21の補正が行われることによって指令電圧Sと出力電圧VOとの差異が低減するので負荷側コンデンサ22の電荷の溜め込みが少量で済む。
On the other hand, the voltage correction according to the present embodiment will be described. The
このように、本実施形態における電圧補正を行うことでスイッチング信号Tr11、Tr21の補正を迅速に行うことが可能となる。特に、本実施形態では負荷側コンデンサ22の電荷の溜め込みが少量で済むため、従来よりも容量の小さいコンデンサを使用することができる。これによりコンデンサのコストを低減することが可能となる。
As described above, it is possible to quickly correct the switching signals Tr1 1 and Tr2 1 by performing voltage correction in the present embodiment. In particular, in the present embodiment, since a small amount of charge is stored in the
なお、図17の右側2段目のスイッチング信号補正のグラフについて、リアクトル電流ILの値が0付近にあるとき(したがって下アーム電流I1の値も上アーム電流I2の値も0付近である)には電流方向判定器33は電流方向についての判定を休止している。これは、リアクトル電流ILの値が0付近にあるときには電流方向判定器33が電流方向の判定信号として0を継続して出力していることによる。
Note that the graph of the right second-stage switching signal correction of FIG. 17, when the value of the reactor current I L is near 0 (hence the value of the upper arm current I 2 the values of the lower arm current I 1 in the vicinity of 0 In other words, the
リアクトル電流ILが0付近にあるときには、図18に示すように、リアクトル電流ILの波形における山の頂点が正の値、谷の頂点が負の値を取り、山の頂点と谷の頂点との間で電流値が0となる。一方、リアクトル電流ILが0付近にないときには、図15、図16に示したように、スイッチング信号Tr11、Tr21の切り替わり(すなわち山の頂点または谷の頂点)と同時に下アーム電流I1及び上アーム電流I2の値が0になる。すなわち、リアクトル電流ILが0付近にあるときとないときとでは電流値が0になるタイミングが異なるものとなる。これを受けて、コイル電圧Vrの立ち上がりもリアクトル電流ILが0付近にあるときとないときとではタイミングが異なるものとなる。
When the reactor current I L is near 0, as shown in FIG. 18, the reactor current I vertices positive value of the mountain of the waveform of the L, root apex of takes a negative value, the vertex of the vertex of the peaks and valleys The current value becomes zero. On the other hand, when the reactor current I L is not near zero, 15, as shown in FIG. 16, the
その結果、リアクトル電流ILが0付近にあるときには、図14に示すフローチャートにおけるタイミングとは異なるタイミングでコイル電圧Vrが立ち上がる。すなわちスイッチング信号Tr11またはTr21が立ち下がった後のデッドタイム後にはコイル電圧Vrは立ち上がらず、電流方向判定信号SGNとして0が出力される(S6)。電流方向の判定信号として0が継続して出力されることにより、信号補正部11ではスイッチング信号Tr11、Tr21の補正が休止される。
As a result, when the reactor current I L is near 0, the coil voltage V r rises at a timing different from the timing in the flowchart shown in FIG. 14. That does not rise in the coil voltage V r after the dead time after the switching signal Tr1 1 or Tr2 1 falls, it is 0 as a current direction determination signal SGN output (S6). By continuously outputting 0 as the determination signal in the current direction, the
なお、リアクトル電流ILの値0付近にあるときに電流方向の判定を休止する態様につき、図1の電流検知器14を備えた実施形態においても同様の操作を行うことは可能である。すなわち、電流検知器14に予め閾値を定め、電流値が閾値以内にあるときは電流方向を判定しない等の処理を行うことで電流方向の判定を休止させることができる。
Note that every aspect to pause the determination of the current direction when in the vicinity of a
以上、スイッチング信号Tr11、Tr21のオン/オフの切り替わりと、コイル電圧VRの変化とによって間接的に下アーム電流I1または上アーム電流I2の流れ方向を判定する方法について説明した。なお、上述の実施形態においては、スイッチング信号Tr11、Tr21の両信号の立下りを検知していたが、スイッチング信号Tr21の立下りの検知を省略し、スイッチング信号Tr11の立下りのみを検知するようにしても良い。このとき、図13に照らしてスイッチング信号Tr11立ち下がり→デッドタイムTd→コイル電圧VR立ち上がりと順次変化したときには下アーム電流I1は負方向に流れている、つまり降圧時(回生時)であると判定し、デッドタイム後Tdにコイル電圧のVRの立ち上がりがない場合には図12に照らして下アーム電流I1は正方向に流れている、つまり昇圧時(力行時)であると判定する。 Above, the switching of the switching signal Tr1 1, Tr2 1 ON / OFF has been described indirect method of determining the flow direction of the lower arm current I 1 or the upper arm current I 2 by the change in the coil voltage V R. In the above-described embodiment, the falling edges of both the switching signals Tr1 1 and Tr2 1 are detected. However, the detection of the falling edge of the switching signal Tr2 1 is omitted, and only the falling edge of the switching signal Tr1 1 is detected. May be detected. At this time, the lower arm current I 1 when the sequentially changed switching signal Tr1 1 falling → dead time Td → coil voltage V R rise with reference to Figure 13 is flowing in the negative direction, i.e. at the time of step-down (during regeneration) there a determination, the lower arm current I 1 with reference to Figure 12 when there is no rise of V R of the coil voltage in the dead time after Td is flowing in the positive direction, that is, when is a voltage step-up (power running) judge.
なお、この態様においては、下アーム電流I1が0付近にあるとき(図18参照)には、上述したようにデッドタイムTd経過後のコイル電圧VRの立ち上がりがないから、下アーム電流I1が正方向に流れているものと判定される。このように、スイッチング信号Tr11の立下りのみを検知する場合においては、スイッチング信号Tr11とTr21の両方の立下りを検知する場合と比較して下アーム電流I1が0付近にあるときの電圧補正の精度が低くなるが、両者ともフィードフォワード制御を行うことが可能であり、応答遅れの無い電圧補正を行うことができる。さらに前者はスイッチング信号Tr11のみの立下りを検知するだけで良いので判定処理が簡便となる。 Incidentally, in this embodiment, the (see FIG. 18) when the lower arm current I 1 is near 0, because there is no rise of the coil voltage V R after the dead time Td elapses, as described above, the lower arm current I It is determined that 1 is flowing in the positive direction. Thus, in a case of detecting only the falling edge of the switching signal Tr1 1, when the lower arm current I 1 as compared with the case of detecting the falling edge of both of the switching signals Tr1 1 and Tr2 1 is near 0 However, both can perform feedforward control and can perform voltage correction without a response delay. Furthermore former determining process is simple since it is only necessary to detect the fall of only the switching signals Tr1 1.
ところで、スイッチング信号Tr11、Tr21の周波数が高くなると、コイル電圧VRの波形は第1および第2のスイッチング素子2、3の寄生インダクタンスの影響を受ける。例えば図19に示すように、コイル電圧VRの波形にはリンギング波形と呼ばれる振動波形が重畳する。このリンギング波はデッドタイムTdよりも短い期間で減衰して0になる。
Meanwhile, when the
通常の力行時(図15を参照)であれば、第1のスイッチング信号Tr11の立下り後にコイル電圧VRが立ち上がることはないが、このリンギング波がコイル電圧VRに重畳することにより第1のスイッチング信号Tr11の立下り後であってもコイル電圧VRは一度負の値に立ち下がった後に急激に正の値に立ち上がってしまう。そうなると図14の判定フローにおいて本来であれば電流方向判定信号SGNの値が0となる(S6)べきところが1(S5)の値が出力されてしまう。
If normal power running (see FIG. 15), first by but never coil voltage V R rises after the first falling switching signal Tr1 1, this ringing wave is superimposed on the
そこで本実施態様においてはスイッチング信号Tr11、Tr21の立下りタイミングを検知する代わりに、スイッチング信号Tr11の立ち上がり及び立下りのタイミングに基づいて下アーム電流I1の流れ方向を判定する。 Therefore, in this embodiment, instead of detecting the falling timings of the switching signals Tr1 1 and Tr2 1 , the flow direction of the lower arm current I 1 is determined based on the rising and falling timings of the switching signal Tr1 1 .
図19に示すように、リンギング波は下アーム電流I1の切り替わりと同時に発生する。下アーム電流I1の切り替わりは第1のスイッチング素子2および第2のスイッチング素子3のゲート電圧の切り替わりによって生じる。第1のスイッチング素子2および第2のスイッチング素子3のゲート電圧はスイッチング信号Tr11、Tr21によって切り替わる。スイッチング信号Tr11、Tr21は制御部9から第1のスイッチング素子2および第2のスイッチング素子3に送られる。このとき、制御部9から第1のスイッチング素子2および第2のスイッチング素子3にスイッチング信号Tr11、Tr21が届き、第1のスイッチング素子2および第2のスイッチング素子3のゲート電圧が切り替わるまでにはわずかな遅延時間が生じる。このことから、制御部9においてスイッチング信号Tr11、Tr21が切り替わった時から遅延時間を経過した後にリンギング波が発生することになる。
As shown in FIG. 19, the ringing wave is generated simultaneously with the switching of the lower arm current I 1 . The switching of the lower arm current I 1 is caused by switching of the gate voltages of the
この現象を利用すると、力行時にはスイッチング信号Tr11が立ち上がった後、遅延時間経過後に下アーム電流I1が0から正方向に流れ、これと同時にコイル電圧VRが立ち上がる。したがって、スイッチング信号Tr11立ち上がり→コイル電圧VR立ち上がりという変化を順次検知することにより下アーム電流I1の正方向の流れを検知することが可能となる。 Utilizing this phenomenon, after the time of power running has risen switching signal Tr1 1, the lower arm current I 1 flows in the positive direction from zero after the lapse of a delay time, which the coil voltage V R rises at the same time. Therefore, it is possible to detect the positive direction of the flow of the lower arm current I 1 by sequentially detecting a change of the switching signal Tr1 1 rise → coil voltage V R rise.
また、スイッチング信号Tr11が立ち下がった後、遅延時間経過後に下アーム電流I1の流れが遮断され、これと同時にコイル電圧VRが立ち下がる。したがって、スイッチング信号Tr11立ち下がり→コイル電圧VR立ち下がりという変化を順次検知することにより下アーム電流I1の正方向の流れが0になったことを検知することが可能となる。 Further, after the fall of the switching signal Tr1 1 is, the flow of the lower arm current I 1 is interrupted after a lapse of a delay time, which the coil voltage V R falls simultaneously. Therefore, it is possible to detect that the positive direction of flow of the lower arm current I 1 becomes 0 by sequentially detecting a change of the switching signal Tr1 1 falling → coil voltage V R falling.
一方、回生時においては、スイッチング信号Tr11が立ち下がり、デッドタイムTd経過後にスイッチング信号Tr21が立ち上がり、さらに遅延時間経過後に下アーム電流I1の負方向の流れが遮断される。これと同時にコイル電圧VRが立ちあがる。したがって、スイッチング信号Tr11立ち下がり→コイル電圧VR立ち上がりとの変化を順次検知することにより、下アーム電流I1の負方向の流れが0になったことを検知することが可能となる。 On the other hand, during regeneration, falling switching signal Tr1 1 is, the switching signal Tr2 1 rises after the lapse dead time Td, is more negative direction of flow of the lower arm current I 1 after a lapse of the delay time is cut off. At the coil voltage V R rises at the same time. Accordingly, by sequentially detecting a change in the switching signal Tr1 1 falling → coil voltage V R rise, it is possible to detect that a negative direction of flow of the lower arm current I 1 becomes 0.
また、スイッチング信号Tr21が立ち下がった後、遅延時間経過後に下アーム電流I1が0から負方向に流れ、これと同時にコイル電圧VRにはリンギング波形が生じる。その後デッドタイムTdを経てスイッチング信号Tr11が立ち上がる。このとき、コイル電圧VRのリンギング波はデッドタイムTd中に減衰しているので、スイッチング信号Tr11が立ち上がるときにはコイル電圧VRは0になっている。したがって、スイッチング信号Tr11立ち上がり→コイル電圧VR変化なし(0を維持)というシーケンスにより下アーム電流I1の負方向の流れを検知することが可能となる。 Also, after the switching signal Tr2 1 falls, the flow from the lower arm current I 1 0 after a lapse of a delay time in the negative direction, which a ringing waveform generated in the coil voltage V R at the same time. Then the switching signal Tr1 1 rises through the dead time Td. At this time, the ringing wave of the coil voltage V R so is attenuated during the dead time Td, the coil voltage V R when the switching signal Tr1 1 rises is 0. Therefore, it is possible to detect the negative direction of the flow of the lower arm current I 1 by a sequence of no switching signal Tr1 1 rise → coil voltage V R changes (maintaining 0).
また、上述した電流方向の判定方法に代えて、スイッチング信号Tr11の立ち上がりと、第1のダイオード4のリカバリ電流を検知できる精度のコイル32を使用することによっても下アーム電流I1の流れ方向を検知することができる。
Further, instead of the method for determining the current direction described above, the flow direction of the lower arm current I 1 can also be obtained by using the
まず、リカバリ電流について説明する。ダイオードに順方向の電流を流した後急に逆方向の電圧を掛けた場合、ダイオードのp型領域に注入されていた電子がn型領域に移動したり、n型領域に注入されていた正孔がp型領域に移動し、順方向とは逆方向に電流が流れる。この電流をリカバリ電流と呼び、力行時においては第1のスイッチング素子2がオフからオンに切り替わったときに発生する。このときの下アーム電流I1の波形を図20の左側2段目に示す。リカバリ電流の影響を受けて、第1のスイッチング素子2がオンになった後に、下アーム電流I1の値は一時的に大きく立ち上がった後に立ち下がり、安定した正の値となる。この電流変化を受けて、コイル電圧VRの値は0から正に立ち上がった後直ちに負の値に変化し、その後0の値を示す。すなわち、スイッチング信号Tr11およびコイル32には、スイッチング信号Tr11立ち上がり→コイル電圧VR:0→正→負、という変化が現れる。この変化を検知することで、下アーム電流I1が正方向に流れていることを判断することができる。
First, the recovery current will be described. When a reverse voltage is applied suddenly after a forward current is passed through the diode, electrons injected into the p-type region of the diode move to the n-type region, or positive electrons that have been injected into the n-type region. The hole moves to the p-type region, and current flows in the direction opposite to the forward direction. This current is called a recovery current, and is generated when the
一方、回生時の下アーム電流I1の波形を図20の右側2段目に示す。この波形に示されるように、回生時においてはスイッチング信号Tr11が立ち上がったときにはリカバリ電流は発生せず、スイッチング信号Tr11が立ち下がったときにリカバリ電流が発生する。すなわち、スイッチング信号Tr11立ち上がり→コイル電圧VR変化無しの場合には下アーム電流I1が負方向に流れていると判定することができる。 On the other hand, it shows a lower arm current I 1 of the waveform at the time of regeneration to the second stage the right side of FIG. 20. As shown in the waveform, the recovery current when during regeneration which has risen switching signal Tr1 1 is not generated, the recovery current is generated when the switching signal Tr1 1 falls. That is, in the case of the switching signal Tr1 1 rise → coil voltage V R no change can be determined that the lower arm current I 1 flows in the negative direction.
次に、電流方向判定器33から送られた電流方向判定信号SGNに基づき、信号補正部11がスイッチング信号Tr11、Tr21を補正する補正値DIRを出力する処理について説明する。
Next, a process in which the
信号補正部11には、電流方向判定器33から送られた電流方向判定信号SGNが送られる他にも、信号生成部10がスイッチング信号Tr10、Tr20の生成に用いた三角波(キャリア信号)が送られる。信号補正部11は、三角波の谷の頂点および山の頂点と電流判定信号SGNの瞬時値について、
(1)三角波の谷の頂点のときに電流方向判定信号SGNの瞬時値が正であれば、スイッチング信号Tr11のオン時間T1ONおよびスイッチング信号Tr21のオフ時間T2OFFを所定量増やす補正値DIRを出力する。
(2)三角波の谷の頂点のときに電流方向判定信号SGNの瞬時値が0であれば補正値DIRは0とする。
(3)三角波の山の頂点のときに電流方向判定信号SGNの瞬時値が負であれば、スイッチング信号Tr21のオフ時間T2OFFおよびスイッチング信号Tr11のオン時間T1ONを所定量減じる補正値DIRを出力する。
(4)三角波の山の頂点のときに電流方向判定信号SGNの瞬時値が0であれば補正値DIRは0とする
との比較を行う。この結果を図21に示す。上段に三角波、中段に電流方向判定信号SGN、下段に補正信号DIRの波形を示す。三角波の周期はスイッチング信号の周期T1に等しく、三角波の山と谷とに応じて補正値DIRを出力することにより、スイッチング信号Tr11、Tr21の周期Tt中に補正を行うことができる。
In addition to the current direction determination signal SGN sent from the
(1) If the instantaneous value of the current direction determination signal SGN is positive at the apex of the valley of the triangular wave, a correction value that increases the on time T 1ON of the switching signal Tr1 1 and the off time T 2OFF of the switching signal Tr2 1 by a predetermined amount. DIR is output.
(2) If the instantaneous value of the current direction determination signal SGN is 0 at the apex of the valley of the triangular wave, the correction value DIR is set to 0.
(3) If the instantaneous value of the current direction determination signal SGN is negative at the top of the peak of the triangular wave, a correction value for reducing the OFF time T 2OFF of the switching signal Tr2 1 and the ON time T 1ON of the switching signal Tr1 1 by a predetermined amount. DIR is output.
(4) If the instantaneous value of the current direction determination signal SGN is 0 at the peak of the triangular wave peak, the correction value DIR is compared to 0. The result is shown in FIG. The upper row shows the triangular wave, the middle row shows the current direction determination signal SGN, and the lower row shows the waveform of the correction signal DIR. The period of the triangular wave is equal to the period T 1 of the switching signal, and correction can be performed during the period T t of the switching signals Tr1 1 and Tr2 1 by outputting the correction value DIR according to the peak and valley of the triangular wave. .
さらに、図22に示すように補正信号DIRの1周期中の最大点をサンプリングしてスイッチング周期中の代表値とする演算を行ってもよい。また、最大値のサンプリングの代わりに図23に示すように平均化処理を行っても良い。 Furthermore, as shown in FIG. 22, the maximum point in one period of the correction signal DIR may be sampled to perform a calculation as a representative value in the switching period. Further, instead of sampling the maximum value, an averaging process may be performed as shown in FIG.
なお、上述した実施形態においては、力行過程に昇圧を行い、回生過程に降圧を行っていたが、この本発明はこの態様に限られない。例えば電源電圧が電動機等の負荷の電圧よりも高い場合には力行過程に降圧が行われ、回生過程に昇圧が行われる。このような回路においても本発明を適用することが可能である。 In the above-described embodiment, the pressure is increased in the power running process and the pressure is decreased in the regeneration process. However, the present invention is not limited to this aspect. For example, when the power supply voltage is higher than the voltage of a load such as an electric motor, the voltage is lowered during the power running process, and the voltage is raised during the regeneration process. The present invention can also be applied to such a circuit.
1 電圧変換器、2 第1のスイッチング素子、3 第2のスイッチング素子、4 第1のダイオード、5 第2のダイオード、6 下アーム、7 上アーム、9 制御部、10 信号生成部、11 信号補正部、12 リアクトル、13 接点、14 電流検知器、20 直流電源、21 電源側コンデンサ、22 負荷側コンデンサ、25 インバータ、30 電動機、32 コイル、33 電流方向判定器。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
オン時間に電流を流すとともにオフ時間に電流を遮断する第1のスイッチング素子と、前記第1のスイッチング素子に並列接続された第1のダイオードと、からなる下アームと、
第2のスイッチング素子と、前記第2のスイッチング素子に並列接続された第2のダイオードと、からなり、前記下アームに直列接続する上アームと、
前記上アームまたは前記下アームに流れる電流の方向を判定する電流方向判定器と、
出力電圧を示す電圧指令を受信すると共に、前記電流方向判定器から前記電流方向の判定信号を受信し、前記電圧指令と前記判定信号とに基づいて前記第1及び第2のスイッチング素子のオン時間及びオフ時間を定めたスイッチング信号を生成して前記第1及び第2のスイッチング素子のオン/オフ制御を行う制御部と、
を備えたことを特徴とする、電圧変換器。 A voltage converter that is connected between a DC power source and an electric motor and performs voltage step-up and step-down.
A lower arm comprising: a first switching element that passes current during on-time and interrupts current during off-time; and a first diode connected in parallel to the first switching element;
An upper arm consisting of a second switching element and a second diode connected in parallel to the second switching element, and connected in series to the lower arm;
A current direction determiner for determining a direction of a current flowing through the upper arm or the lower arm;
While receiving the voltage command which shows output voltage, the determination signal of the said current direction is received from the said current direction determination device, and the ON time of the said 1st and 2nd switching element based on the said voltage command and the said determination signal And a controller for generating on / off control of the first and second switching elements by generating a switching signal defining an off time;
A voltage converter characterized by comprising:
前記制御部は、信号生成部と信号補正部とを備え、
前記信号生成部では、前記電圧指令に基づいて前記第1のスイッチング素子のオン時間及びオフ時間が定められた第1のスイッチング信号と前記第2のスイッチング素子のオン時間及びオフ時間が定められた第2のスイッチング信号が生成され、
前記信号補正部では、前記判定信号に基づいて前記第1のスイッチング信号及び第2のスイッチング信号が補正され、
前記制御部は、補正後の前記第1のスイッチング信号及び第2のスイッチング信号に基づいて前記第1及び第2のスイッチング素子のオン/オフ制御を行う、
ことを特徴とする、電圧変換器。 The voltage converter according to claim 1,
The control unit includes a signal generation unit and a signal correction unit,
In the signal generator, a first switching signal in which an on time and an off time of the first switching element are determined based on the voltage command, and an on time and an off time of the second switching element are determined. A second switching signal is generated;
The signal correction unit corrects the first switching signal and the second switching signal based on the determination signal,
The control unit performs on / off control of the first and second switching elements based on the corrected first switching signal and second switching signal;
A voltage converter characterized by that.
前記信号補正部は、前記上アームと下アームとを繋ぐ接点から前記下アームまたは前記上アームに向かって電流が流れているときには、前記第1のスイッチング信号のオン時間および前記第2のスイッチング信号のオフ時間を予め定めた時間延長する補正を行い、前記下アームまたは上アームから前記接点に向かって電流が流れているときには、前記第1のスイッチング信号のオン時間および前記第2のスイッチング信号のオフ時間を予め定めた時間短縮する補正を行うことを特徴とする、電圧変換器。 The voltage converter according to claim 2, wherein
When the current is flowing from the contact connecting the upper arm and the lower arm toward the lower arm or the upper arm, the signal correction unit is configured to turn on the first switching signal and the second switching signal. When the current is flowing from the lower arm or the upper arm toward the contact point, the ON time of the first switching signal and the second switching signal are A voltage converter characterized by performing a correction to shorten the off time by a predetermined time.
前記上アームと下アームとを繋ぐ配線を流れる電流の微分値を検出する検出手段を設け、
前記電流方向判定器は、
前記検出手段が検出した電流の微分値を受信すると共に、前記信号生成部から前記第1及び第2のスイッチング信号を受信し、
受信した前記第1及び第2のスイッチング信号のオン/オフの切り替わりと前記電流の微分値とに基づいて、前記上アーム又は下アームに流れる電流の方向を検知することを特徴とする、電圧変換器。 The voltage converter according to claim 3, wherein
A detecting means for detecting a differential value of a current flowing through a wiring connecting the upper arm and the lower arm;
The current direction determiner is
While receiving the differential value of the current detected by the detection means, receiving the first and second switching signals from the signal generation unit,
The voltage conversion characterized by detecting the direction of the current flowing through the upper arm or the lower arm based on the ON / OFF switching of the first and second switching signals received and the differential value of the current. vessel.
前記接点と下アームとを繋ぐ配線を流れる電流の微分値を検出する検出手段を設け、
前記電流方向判定器は、
前記検出手段が検出した電流の微分値を受信すると共に、前記信号生成部から前記第1のスイッチング信号を受信し、
受信した前記第1のスイッチング信号のオン/オフの切り替わりと前記電流の微分値とに基づいて、前記下アームに流れる電流の方向を検知することを特徴とする、電圧変換器。
The voltage converter according to claim 3, wherein
A detecting means for detecting a differential value of a current flowing through a wiring connecting the contact and the lower arm;
The current direction determiner is
While receiving the differential value of the current detected by the detection means, receiving the first switching signal from the signal generation unit,
A voltage converter for detecting a direction of a current flowing through the lower arm based on on / off switching of the received first switching signal and a differential value of the current.
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