JP2011244604A

JP2011244604A - 電源装置

Info

Publication number: JP2011244604A
Application number: JP2010114893A
Authority: JP
Inventors: Shuji Koike; 秀児小池; Hitomi Yamatani; ひとみ山谷; Hitoshi Fukuda; 仁志福田
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2010-05-19
Filing date: 2010-05-19
Publication date: 2011-12-01

Abstract

【課題】フィードフォワード制御が行われる場合の高調波低減及び力率改善を図ることが可能な電源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】正弦波Ｖｓｉｎ１、１周期前の入力電圧Ｖａｃの周期Ｔ、及び１周期前の入力電圧Ｖａｃのピーク値Ｖｐｅａｋに基づいて予測用正弦波Ｖｓｉｎ２を求め、その予測用正弦波Ｖｓｉｎ２と、現在の入力電圧Ｖａｃ１の取得タイミングＴ１と、その取得タイミングＴ１から駆動信号ＳのデューティＤの設定タイミングＴ２までにかかる時間ΔＴとに基づいて設定タイミングＴ２における予測入力電圧Ｖａｃ２を予測し、その予測入力電圧Ｖａｃ２とコンバータ回路３の出力電圧Ｖｏｕｔとに基づいて駆動信号ＳのデューティＤを設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源の出力を整流及び昇圧する電源装置に関する。

交流電源の出力を整流及び昇圧する電源装置として、リアクトル、スイッチング素子、整流用ダイオード、及び平滑用コンデンサなどを備え、高調波低減及び力率改善のため、交流電源から電源装置への入力電流の波形が正弦波に近づくようにスイッチング素子のオン、オフが制御される、いわゆるＰＦＣ（Power Factor Correction）回路がある（例えば、特許文献１参照）。そして、スイッチング素子のオン、オフの制御としては、例えば、電源装置の現在の入力電圧及び出力電圧を用いてスイッチング素子のオン、オフのデューティを制御するフィードフォワード制御がある。

特開２００１−４５７６３号公報

しかしながら、フィードフォワード制御を行う場合において、電源装置の入力電圧及び出力電圧のＡ／Ｄ変換の演算処理などに時間がかかってしまうと、デューティの設定タイミングでの実際の入力電圧が取得した入力電圧と異なる値に変化して適切なデューティを設定することができない。そして、適切なデューティを設定することができない場合、電源装置への入力電流の波形が乱れ、高調波及び力率が悪化してしまう。

そこで、本発明では、フィードフォワード制御を行う場合の高調波低減及び力率改善を図ることが可能な電源装置を提供することを目的とする。

本発明の電源装置は、スイッチング素子を備え、そのスイッチング素子がオン、オフすることにより交流電源の出力を整流及び昇圧するコンバータ回路と、前記スイッチング素子のオン、オフを制御する駆動信号を生成する制御回路とを備え、前記制御回路は、正弦波が格納されている正弦波テーブルと、前記交流電源から前記コンバータ回路への入力電圧の符号が変わるタイミングから１周期前の前記入力電圧の周期及び前記１周期前の入力電圧のピーク値を記録する記録手段と、前記正弦波、前記入力電圧の周期、及び前記ピーク値に基づいて予測用正弦波を求め、その予測用正弦波と、前記入力電圧の取得タイミングと、その取得タイミングから前記駆動信号のデューティの設定タイミングまでにかかる時間とに基づいて前記デューティの設定タイミングにおける前記コンバータ回路の入力電圧を予測する電圧予測手段と、前記電圧予測手段により予測される入力電圧と前記コンバータ回路の出力電圧とに基づいて前記駆動信号のデューティを設定するデューティ設定手段と、前記デューティ設定手段により設定されるデューティに基づいて前記駆動信号を生成する駆動信号生成手段とを備える。

これにより、電源装置の入力電圧及び出力電圧のＡ／Ｄ変換の演算処理などに時間がかかる場合でも、デューティの設定時に使用される入力電圧を実際の入力電圧に近づけることができるので、適切なデューティを設定することができる。そのため、フィードフォワード制御を行う場合でも、電源装置への入力電流の波形を正弦波に近づけることができるので、高調波低減及び力率改善を図ることができる。

また、前記制御回路は、前記電圧予測手段により予測される電圧が前記取得タイミングで取得された入力電圧に近づくように前記電圧予測手段により予測される入力電圧を補正する補正手段をさらに備えるように構成してもよい。

これにより、実際の入力電圧にノイズが含まれている場合など実際の入力電圧の波形と予測用正弦波とが一致しない場合でも、補正後の予測入力電圧を実際の入力電圧に近づけることができ、適切なデューティを設定することができる。

本発明によれば、交流電源の出力を整流及び昇圧する電源装置において、フィードフォワード制御を行う場合の高調波低減及び力率改善を図ることができる。

本発明の実施形態の電源装置を示す図である。実際の入力電圧、予測入力電圧、補正後の予測入力電圧、及び予測用正弦波の一例を示す図である。

図１は、本発明の実施形態の電源装置を示す図である。
図１に示す電源装置１は、交流電源２の出力を整流及び昇圧するコンバータ回路３（ＰＦＣ回路）と、コンバータ回路３の動作を制御する制御回路４（例えば、ＣＰＵなど）とを備えて構成されている。

コンバータ回路３は、リアクトル５、６と、スイッチング素子７、８（例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）など）と、ダイオード９、１０と、整流用ダイオード１１、１２と、平滑用コンデンサ１３とを備えて構成されている。すなわち、スイッチング素子７は、リアクトル５を介して交流電源２の一方の出力端に接続されるとともに、整流用ダイオード１１を介して出力側にある平滑用コンデンサ１３に接続されている。また、スイッチング素子８は、リアクトル６を介して交流電源２の他方の出力端に接続されるとともに、整流用ダイオード１２を介して出力側にある平滑用コンデンサ１３に接続されている。また、ダイオード９は、スイッチング素子７に並列接続され、ダイオード１０は、スイッチング素子８に並列接続されている。

スイッチング素子７がオンすると、交流電源２からのエネルギーがリアクトル５に蓄積され、スイッチング素子７がオフすると、リアクトル５に蓄積されているエネルギーが整流用ダイオード１１を介して平滑用コンデンサ１３に蓄積される。また、スイッチング素子８がオンすると、交流電源２からのエネルギーがリアクトル６に蓄積され、スイッチング素子８がオフすると、リアクトル６に蓄積されているエネルギーが整流用ダイオード１２を介して平滑用コンデンサ１３に蓄積される。スイッチング素子７のオン、オフを制御する駆動信号Ｓ１及びスイッチング素子８のオン、オフを制御する駆動信号Ｓ２は制御回路４により生成される。交流電源２の出力の正負に応じてスイッチング素子７、８が交互にオンすることにより、交流電源２の出力が整流及び昇圧される。

制御回路４は、ＦＦ制御部１４と、駆動信号生成部１５（駆動信号生成手段）とを備えて構成されている。
ＦＦ制御部１４は、コンバータ回路３の入力電圧Ｖａｃ及び出力電圧ＶｏｕｔをそれぞれＡ／Ｄ変換するとともに、そのＡ／Ｄ変換後の入力電圧Ｖａｃ及び出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて駆動信号Ｓ１、Ｓ２のデューティＤを設定する。

駆動信号生成部１５は、ＦＦ制御部１４で設定されたデューティＤに基づいて駆動信号Ｓ１、Ｓ２を生成する。例えば、駆動信号生成部１５は、デューティＤが０．２５のとき、ハイレベル期間：ローレベル期間が１：３になる駆動信号Ｓ１、Ｓ２を生成する。

ＦＦ制御部９は、正弦波テーブル１６と、記録部１７（記録手段）と、電圧予測部１８（電圧予測手段）と、補正部１９（補正手段）と、デューティ設定部２０（デューティ設定手段）とを備えて構成されている。

正弦波テーブル１６は、正弦波Ｖｓｉｎ１が格納されている。
記録部１７は、入力電圧Ｖａｃの符号が負から正に変わるタイミング（ゼロクロスタイミング）から１周期前の入力電圧Ｖａｃの周期Ｔ、その１周期前の入力電圧Ｖａｃのピーク値Ｖｐｅａｋ、及び現在の入力電圧Ｖａｃ１の取得タイミングＴ１からデューティＤの設定タイミングＴ２までにかかる時間ΔＴを記録する。なお、ゼロクロスタイミングは、入力電圧Ｖａｃの符号が正から負に変わるタイミングとしてもよい。また、時間ΔＴは、記録部１７以外に記録されていてもよい。

電圧予測部１８は、正弦波テーブル１６に格納されている正弦波Ｖｓｉｎ１の周期を記録部１７に記録されている周期Ｔとするとともに、その正弦波Ｖｓｉｎ１のピーク値を正弦波テーブル１６に格納されているピーク値Ｖｐｅａｋとして予測用正弦波Ｖｓｉｎ２を求める。また、電圧予測部１８は、図２に示すように、予測用正弦波Ｖｓｉｎ２、取得タイミングＴ１、及び時間ΔＴに基づいて予測入力電圧Ｖａｃ２を求める。例えば、電圧予測部１８は、取得タイミングＴ１に時間ΔＴを加算して設定タイミングＴ２を求め、予測用正弦波Ｖｓｉｎ２において設定タイミングＴ２に対応する入力電圧Ｖａｃを予測入力電圧Ｖａｃ２とする。なお、電圧予測部１８は、例えば、予測用正弦波Ｖｓｉｎ２のゼロクロスタイミングと実際の入力電圧Ｖａｃのゼロクロスタイミングとを同期させることにより、予測用正弦波Ｖｓｉｎ２における取得タイミングＴ１を特定する。

補正部１９は、予測入力電圧Ｖａｃ２が入力電圧Ｖａｃ１に近づくように予測入力電圧Ｖａｃ２をＰＩ制御により補正する。例えば、予測入力電圧Ｖａｃ２から入力電圧Ｖａｃ１を減算して偏差ΔＶを求め、その偏差ΔＶがゼロに近づくように、補正後の予測入力電圧Ｖａｃ３＝予測入力電圧Ｖａｃ２＋Ｋｐ・ΔＶ＋Ｋｉ・ΣΔＶを計算する。なお、ＫｐをＰＩ制御の比例項の定数とし、ＫｉをＰＩ制御の積分項の定数とする。また、補正部１９は、予測入力電圧Ｖａｃ２が入力電圧Ｖａｃ１に近づくように予測入力電圧Ｖａｃ２をＰＩＤ制御により補正するように構成してもよい。

デューティ設定部２０は、補正後の予測入力電圧Ｖａｃ３と出力電圧Ｖｏｕｔとに基づいてデューティＤを設定する。例えば、デューティ設定部２０は、デューティＤ＝１−（補正後の予測入力電圧Ｖａｃ３／出力電圧Ｖｏｕｔ）を計算する。なお、デューティ設定部２０は、デューティＤ＝１−（予測入力電圧Ｖａｃ２／出力電圧Ｖｏｕｔ）を計算するように構成してもよい。

このように、本実施形態の電源装置１は、予測用正弦波Ｖｓｉｎ２を用いてデューティＤの設定タイミングＴ２に対応する予測入力電圧Ｖａｃ２を予測し、その予測入力電圧Ｖａｃ２に基づいてデューティＤを設定しているため、入力電圧Ｖａｃ及び出力電圧ＶｏｕｔのＡ／Ｄ変換の演算処理などに時間がかかる場合でも、予測入力電圧Ｖａｃ２を実際の入力電圧Ｖａｃに近づけることができるので、適切なデューティＤを設定することができる。これにより、電源装置１の入力電流の波形を正弦波に近づけることができるので、高調波低減及び力率改善を図ることができる。

また、本実施形態の電源装置１は、予測入力電圧Ｖａｃ２が入力電圧Ｖａｃ１に近づくように予測入力電圧Ｖａｃ２をＰＩ制御やＰＩＤ制御により補正しているので、実際の入力電圧Ｖａｃにノイズ（高調波成分）が含まれている場合など実際の入力電圧Ｖａｃの波形と予測用正弦波Ｖｓｉｎ２とが一致しない場合でも、補正後の予測入力電圧Ｖａｃ３を実際の入力電圧Ｖａｃに近づけることができ、適切なデューティＤを設定することができる。また、ＰＩ制御やＰＩＤ制御により予測入力電圧Ｖａｃ２を補正しているので、ノイズの大きさに伴うデューティＤの急激な変化を抑えることができる。

なお、上記実施形態では、フィードフォワード制御のみでデューティＤを設定する構成であるが、コンバータ回路３の目標出力電圧とコンバータ回路３の実際の出力電圧Ｖｏｕｔとの偏差がゼロに近づくようにデューティＤを設定するフィードバック制御をさらに追加し、フィードフォワード制御とフィードバック制御とに基づいてデューティＤを設定するように構成してもよい。

１電源装置
２交流電源
３コンバータ回路
４制御回路
５、６リアクトル
７、８スイッチング素子
９、１０ダイオード
１１、１２整流用ダイオード
１３平滑用コンデンサ
１４ＦＦ制御部
１５駆動信号生成部
１６正弦波テーブル
１７記録部
１８電圧予測部
１９補正部
２０デューティ設定部

Claims

スイッチング素子を備え、そのスイッチング素子がオン、オフすることにより交流電源の出力を整流及び昇圧するコンバータ回路と、
前記スイッチング素子のオン、オフを制御する駆動信号を生成する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
正弦波が格納されている正弦波テーブルと、
前記交流電源から前記コンバータ回路への入力電圧の符号が変わるタイミングから１周期前の前記入力電圧の周期及び前記１周期前の入力電圧のピーク値を記録する記録手段と、
前記正弦波、前記入力電圧の周期、及び前記ピーク値に基づいて予測用正弦波を求め、その予測用正弦波と、前記入力電圧の取得タイミングと、その取得タイミングから前記駆動信号のデューティの設定タイミングまでにかかる時間とに基づいて前記デューティの設定タイミングにおける前記コンバータ回路の入力電圧を予測する電圧予測手段と、
前記電圧予測手段により予測される入力電圧と前記コンバータ回路の出力電圧とに基づいて前記駆動信号のデューティを設定するデューティ設定手段と、
前記デューティ設定手段により設定されるデューティに基づいて前記駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
を備えることを特徴とする電源装置。
請求項１に記載の電源装置であって、
前記制御回路は、前記電圧予測手段により予測される電圧が前記取得タイミングで取得された入力電圧に近づくように前記電圧予測手段により予測される入力電圧を補正する補正手段をさらに備えることを特徴とする電源装置。