JP2013192340A - Power conversion device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power conversion device having improved versatility using a switching element for use in a circuit not restricted to a specific element, with the reduction of a current detection point to one point.SOLUTION: A first current value is detected in a period when the switching elements 105a and 105b are in on states or off states. A difference, which is a target current value, between the first current value and a second current value is converted into a first voltage value having a scale that can be compared with the peak value of a triangle wave, a carrier wave, so as to be compared with the triangle wave peak value. The power conversion device includes a PFC control unit 110 for driving switching elements 105a and 105b, on the basis of a pulse width modulation signal generated by the comparison between the first voltage value and the triangle wave peak value.

Description

本発明は、力率改善(Power Factor Correction;略称PFC)回路を使用した電力変換装置に関する。   The present invention relates to a power conversion apparatus using a power factor correction (abbreviated as PFC) circuit.

図8は、従来技術の電力変換装置200の構成を示す電気回路図であり、この従来技術はたとえば特許文献1に記載されている。サイリスタやトライアックなどの半導体素子を用いた半導体制御に起因する高調波電流を抑制し、力率を改善する力率改善(Power Factor Correction;略称PFC)回路は、インダクタやダイオードブリッジ、高速ダイオード、スイッチング素子を備え、回路中に流れる電流値を検出し、リファレンス電流と比較した上で、前記各スイッチング素子にパルス幅変調(略称PWM)信号を入力する。それらのスイッチング素子によるスイッチング動作によって、各出力端に出力される電圧および電流を目標波形に整形する。   FIG. 8 is an electric circuit diagram showing a configuration of a conventional power converter 200, and this conventional technique is described in, for example, Patent Document 1. Power factor correction (abbreviated as PFC) circuit that suppresses harmonic currents caused by semiconductor control using semiconductor elements such as thyristors and triacs and improves power factor is an inductor, diode bridge, high-speed diode, switching A current value flowing through the circuit is detected, compared with a reference current, and a pulse width modulation (abbreviated as PWM) signal is input to each of the switching elements. By the switching operation by these switching elements, the voltage and current output to each output terminal are shaped into a target waveform.

前記PFC制御回路211のうち、ダイオードブリッジを用いずに力率改善を行うブリッジレス回路については、導通損失を低減し、力率の改善に特に効果がある。その一例として、特許文献1が挙げられる。図8に示す電力変換装置200は、商用交流電源201が接続されて交流電源電圧が印加される第1および第2の入力端子P11,P12、負荷208が接続される第1および第2の出力端子P21,P22、インダクタ202、第1の整流用ダイオード203a、第2の整流用ダイオード203b、第1のスイッチング素子204a、第2のスイッチング素子204b、第1の検出用ダイオード205a、第2の検出用ダイオード205b、第1電流検出抵抗206a、第2の電流検出抵抗206b、平滑コンデンサ207、入力電圧検出回路209、出力電圧検出回路210、ならびにPFC制御回路211を含む。   Of the PFC control circuit 211, a bridgeless circuit that improves power factor without using a diode bridge is particularly effective in reducing conduction loss and improving power factor. As an example, Patent Document 1 is cited. The power converter 200 shown in FIG. 8 includes first and second outputs to which a commercial AC power supply 201 is connected and to which an AC power supply voltage is applied, and first and second input terminals P11 and P12 and a load 208 are connected. Terminals P21, P22, inductor 202, first rectifier diode 203a, second rectifier diode 203b, first switching element 204a, second switching element 204b, first detection diode 205a, second detection Diode 205b, first current detection resistor 206a, second current detection resistor 206b, smoothing capacitor 207, input voltage detection circuit 209, output voltage detection circuit 210, and PFC control circuit 211.

このような電力変換装置200において、半サイクルごとに第1の電流検出抵抗206aおよび第2の電流検出抵抗206bの2箇所で電流検出を行う。そして、PFC制御回路211からのパルス幅変調(略称;PWM)信号によって、第1のスイッチング素子204aおよび第2のスイッチング素子204bの制御を行い、力率改善を行う。   In such a power conversion device 200, current detection is performed at two locations of the first current detection resistor 206a and the second current detection resistor 206b every half cycle. Then, the first switching element 204a and the second switching element 204b are controlled by a pulse width modulation (abbreviation: PWM) signal from the PFC control circuit 211 to improve the power factor.

しかしながら、前記ブリッジレス型電力変換装置200は、前記各スイッチング素子204a,204bの下段で電流を検出する必要があるため、高コストになり、かつ電流検出に複雑な制御法が必要である。よって、低コストでかつ簡単な制御法が求められている。このような従来技術の課題を解決する他の従来技術は、たとえば特許文献2に記載されている。   However, since the bridgeless power conversion device 200 needs to detect current at the lower stage of each of the switching elements 204a and 204b, the cost is high and a complicated control method is required for current detection. Therefore, a low-cost and simple control method is required. Another conventional technique for solving such a problem of the conventional technique is described in Patent Document 2, for example.

図9は、他の従来技術の電力変換装置200aを示す電気回路図である。なお、前述の従来技術と対応する部分には同一の参照符を付す。この従来技術の電力変換装置200aでは、PFC制御回路211、第1のインダクタ212a、第2のインダクタ212b、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)によって実現される第1のスイッチング素子213a、IGBTによって実現される第2のスイッチング素子213b、第1の高速ダイオード205a、第2の高速ダイオード205bbを備える。   FIG. 9 is an electric circuit diagram showing another conventional power conversion device 200a. Note that the same reference numerals are given to the portions corresponding to the above-described conventional technology. In this conventional power conversion device 200a, the PFC control circuit 211, the first inductor 212a, the second inductor 212b, and the first switching element 213a and IGBT realized by an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) are realized. A second switching element 213b, a first high speed diode 205a, and a second high speed diode 205bb are provided.

PFC制御回路211は、交流電源201に同期した信号を掛算器に入力して相似波形を得ることができるように構成されている。そして、前記相似波形と第1および第2のスイッチング素子213a,213bのそれぞれと、並列に接続された第1および第2のダイオード205a,205bと直列接続されたシャント抵抗214に生じる電圧との差がゼロになるように、正弦波を制御する。このとき、前記シャント抵抗214では、交流電源201のローレベル信号線およびハイレベル信号線から出力される電流に対して、第1および第2のスイッチング素子213a,213bがオフ状態のときとオン状態のとき、それぞれ2つの状況に対して電流検出を行う。このような手法は、各スイッチング素子213a,213bとしてIGBTを用いた場合のスイッチングのみに可能な手段である。   The PFC control circuit 211 is configured to obtain a similar waveform by inputting a signal synchronized with the AC power supply 201 to the multiplier. The difference between the similar waveform and the voltage generated in each of the first and second switching elements 213a and 213b and the shunt resistor 214 connected in series with the first and second diodes 205a and 205b connected in parallel. The sine wave is controlled so that becomes zero. At this time, in the shunt resistor 214, when the first and second switching elements 213a and 213b are in the OFF state and in the ON state with respect to the current output from the low level signal line and the high level signal line of the AC power supply 201. In this case, current detection is performed for each of two situations. Such a method is a means that can be used only for switching when an IGBT is used as each of the switching elements 213a and 213b.

特開2011-152017号公報JP 2011-152017 A 特開2003-158878号公報JP 2003-158878 A

特許文献1に記載される従来技術のように、ブリッジレス電力変換装置においては、その回路動作を制御するために、少なくとも2か所の電流値を検出する必要がある。そのため、制御が複雑になることに加え、検出回路コストが増大するという課題がある。   As in the prior art described in Patent Document 1, in the bridgeless power converter, it is necessary to detect at least two current values in order to control the circuit operation. Therefore, there is a problem that the control circuit becomes complicated and the detection circuit cost increases.

また、特許文献2に記載される他の従来技術では、1か所の電流値を検出することで制御を行う技術が提案されているが、IGBTではないFET(Field Effect Transistor)のスイッチング素子を用いた場合では、ダイオードで電流値を検出することができないため、回路に用いるスイッチング素子が特定素子に限定され、汎用性が低いという課題がある。   In addition, in another conventional technique described in Patent Document 2, a technique for performing control by detecting a current value at one place has been proposed, but a switching element of an FET (Field Effect Transistor) that is not an IGBT is used. When used, the current value cannot be detected by a diode, so that the switching element used in the circuit is limited to a specific element, and there is a problem that versatility is low.

本発明の目的は、前述の課題を解決し、電流検出箇所を1箇所に削減するとともに、回路に用いるスイッチング素子を特定素子に限定しない汎用性の向上された電力変換装置を提供することである。   An object of the present invention is to solve the above-described problems, to reduce the number of current detection points to one, and to provide a power conversion device with improved versatility that does not limit a switching element used in a circuit to a specific element. .

本発明は、商用交流電源が接続される交流電圧入力部と、
パルス幅変調信号によって駆動されるスイッチング素子を含み、交流電圧入力部に入力された交流電圧を直流電圧に変換する整流部と、
スイッチング素子のオン状態またはオフ状態における前記整流部の出力電流の電流値を検出する出力電流検出部と、
前記出力電流検出部によって検出された電流値である第1の電流値と、予め定める目標電流値である第2の電流値との差分を、キャリア波である三角波の波高値と比較可能な第1の電圧値に変換して前記三角波の波高値と比較し、前記第1の電圧値と三角波の波高値との比較結果に基づいて、前記スイッチング素子を駆動するパルス幅変調信号を生成するパルス幅変調信号生成部とを含むことを特徴とする電力変換装置である。
The present invention includes an AC voltage input unit to which a commercial AC power supply is connected,
A rectifying unit that includes a switching element driven by a pulse width modulation signal, and that converts an AC voltage input to the AC voltage input unit into a DC voltage;
An output current detector for detecting a current value of an output current of the rectifier in an on state or an off state of the switching element;
A difference between a first current value that is a current value detected by the output current detection unit and a second current value that is a predetermined target current value can be compared with a peak value of a triangular wave that is a carrier wave. A pulse that is converted into a voltage value of 1 and compared with the peak value of the triangular wave, and generates a pulse width modulation signal for driving the switching element based on the comparison result between the first voltage value and the peak value of the triangular wave It is a power converter characterized by including a width modulation signal generation part.

また本発明は、前記第2の電流値が、前記整流部の出力電圧と、交流電圧入力部の入力電圧とに基づいて換算された電流基準値であることを特徴とする。なお、以下前記電流基準値をリファレンスと呼ぶ。   Further, the present invention is characterized in that the second current value is a current reference value converted on the basis of the output voltage of the rectifying unit and the input voltage of the AC voltage input unit. Hereinafter, the current reference value is referred to as a reference.

また本発明は、前記出力電流検出部が、前記スイッチング素子のオフ状態で前記電流を検出することを特徴とする。   Further, the present invention is characterized in that the output current detection unit detects the current when the switching element is in an OFF state.

また本発明は、前記パルス幅変調信号生成部が、前記三角波の波高値が前記第1の電圧値を超えたタイミングにおいて、前記スイッチング素子のオフ信号を出力することを特徴とする。   In the invention, it is preferable that the pulse width modulation signal generation unit outputs an off signal of the switching element at a timing when a peak value of the triangular wave exceeds the first voltage value.

また本発明は、前記出力電流検出部が、カレントトランスであることを特徴とする。
また本発明は、前記整流部が、ブリッジレス型力率改善回路またはインターリーブ型力率改善回路あることを特徴とする。
According to the present invention, the output current detector is a current transformer.
The rectifying unit may be a bridgeless power factor correction circuit or an interleaved power factor correction circuit.

本発明によれば、スイッチング素子がオン状態またはオフ状態における第1の電流値が検出され、第1の電流値と目標電流値である第2の電流値との誤差値を、キャリア波である三角波の波高値と比較可能なスケールの第1の電圧値に変換して前記三角波の波高値と比較し、第1の電圧値と三角波の波高値との比較により生成されるパルス幅変調信号に基づいてスイッチング素子を駆動するように構成されるので、従来の電力変換装置に比べて電流値の検出手段の数を減らすことが可能となる。また、使用可能なスイッチング素子の種類が限定されず、回路構成を複雑化することなく簡素な構成で電流を検出することができる。   According to the present invention, the first current value when the switching element is in the on state or the off state is detected, and an error value between the first current value and the second current value that is the target current value is a carrier wave. The pulse width modulation signal generated by comparing the first voltage value with the triangular wave peak value is converted into a first voltage value on a scale comparable to the triangular wave peak value and compared with the triangular wave peak value. Since the switching element is configured to be driven based on this, the number of current value detection means can be reduced as compared with the conventional power converter. The types of switching elements that can be used are not limited, and the current can be detected with a simple configuration without complicating the circuit configuration.

これによって、電流の検出箇所を1箇所にすることができ、コストの面で低コスト化を図ることができる。また制御の面においても、複雑な制御を要することなく、高い力率と効率を実現することができる。さらにスイッチング素子としてIGBTだけでなく低価格のMOSFETを用いても、適切な制御を可能とし、特定のスイッチング素子に限定せずに、力率の改善を図ることができる。   As a result, the number of current detection points can be reduced to one, and the cost can be reduced. In terms of control, high power factor and efficiency can be realized without requiring complicated control. Furthermore, even if not only IGBT but also low-cost MOSFET is used as a switching element, appropriate control can be performed, and the power factor can be improved without being limited to a specific switching element.

また本発明によれば、前記第2の電流値は、前記直流出力端子の出力電圧と、交流電圧入力部の入力電圧より換算されたリファレンス値とすることで、効率よく力率の改善が可能となる。   According to the present invention, the second current value is a reference value converted from the output voltage of the DC output terminal and the input voltage of the AC voltage input unit, so that the power factor can be improved efficiently. It becomes.

また本発明によれば、前記第1の電流値の検出手段は、前記スイッチング素子オフ時のタイミングの電流を検出すること、前記PWM信号は、前記三角波の波高値が前記第1の電圧値を超えたタイミングにおいて、前記スイッチング素子のオフ信号を出力することで、前記スイッチング素子のオン信号を検出する場合に比べて、第1の電流値の検出手段、すなわち電流検出部の数をより減らすことが可能となる。   Further, according to the present invention, the first current value detecting means detects a current at a timing when the switching element is turned off, and the PWM signal has a peak value of the triangular wave equal to the first voltage value. By outputting an off signal of the switching element at a timing exceeding, it is possible to further reduce the number of first current value detection means, that is, current detection units, as compared with the case of detecting the on signal of the switching element. Is possible.

また本発明によれば、前記第1の電流値の検出手段がカレントトランスによって実現されるので、簡易に電流を検出することができる。   According to the present invention, since the first current value detecting means is realized by a current transformer, the current can be easily detected.

また本発明によれば、前記整流回路を、ブリッジレス型力率改善回路またはインターリーブ型力率改善回路とすることで、第1の電流値の検出手段、電流検出部の数の削減効果が大きくなり、より一層低コスト化を図ることができる。   According to the present invention, the rectifier circuit is a bridgeless power factor correction circuit or an interleaved power factor correction circuit, so that the effect of reducing the number of first current value detection means and the number of current detection units is great. Thus, the cost can be further reduced.

本発明の一実施形態の電力変換装置100の構成を示す電気回路図である。1 is an electric circuit diagram illustrating a configuration of a power conversion device 100 according to an embodiment of the present invention. 図1に示す電力変換装置100のPFC制御回路Bにおける電流Iの流れを示す図である。Is a diagram showing the flow of current I A in PFC control circuit B of the power conversion apparatus 100 shown in FIG. 図1に示す電力変換装置100のPFC制御回路Bにおける電流Iの流れを示す図である。Is a diagram showing the flow of current I B in the PFC control circuit B of the power conversion apparatus 100 shown in FIG. PFC制御回路Bの検出電流を示す波形図である。6 is a waveform diagram showing a detected current of a PFC control circuit B. FIG. PFC制御部110の構成を示すブロック図である。2 is a block diagram showing a configuration of a PFC control unit 110. FIG. 電力変換装置の制御動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating control operation of a power converter device. 電力変換装置100の制御による力率改善結果を示す図である。It is a figure which shows the power factor improvement result by control of the power converter device. 本発明の他の実施形態の電力変換装置100aの構成を示す電気回路図である。It is an electric circuit diagram which shows the structure of the power converter device 100a of other embodiment of this invention. 従来技術の電力変換装置200の構成を示す電気回路図である。It is an electric circuit diagram which shows the structure of the power converter device 200 of a prior art. 他の従来技術の電力変換装置200aの構成を示す電気回路図である。It is an electric circuit diagram which shows the structure of the power converter device 200a of another prior art.

図1は、本発明の一実施形態の電力変換装置100の構成を示す電気回路図である。本実施形態の電力変換装置100は、交流電源101が接続される交流電源電圧入力端子P11,P12と、直流電圧を出力する直流電圧出力端子P21,P22と、直流電圧出力端子P21,P22間に接続された平滑コンデンサ107と、交流電源電圧入力端子P11,P12および直流電圧出力端子P21,P22の間に直列的に接続されたインダクタ103と、交流電源電圧の正の半サイクル期間中に順方向電圧が印加されて高周波のスイッチングを行い、第1のスイッチング素子105aが導通状態、すなわちオン状態のときにインダクタ103に電流を発生させる第1のスイッチング手段S1と、第1のスイッチング素子105aが非導通状態、すなわちオフ状態のときにインダクタ103に生じた逆起電力によって発生する電流によって平滑コンデンサ107を充電する電流経路を形成する第1の高速ダイオード104aと、交流電源電圧Vacの負の半サイクル期間中に、順方向電圧が印加されて高周波のスイッチングを行い、第2のスイッチング素子105bがオン状態のときにインダクタ103に電流を発生させる第2のスイッチング手段S2とを含む。   FIG. 1 is an electric circuit diagram showing a configuration of a power conversion device 100 according to an embodiment of the present invention. The power conversion apparatus 100 of this embodiment includes AC power supply voltage input terminals P11 and P12 to which an AC power supply 101 is connected, DC voltage output terminals P21 and P22 that output a DC voltage, and DC voltage output terminals P21 and P22. Smoothing capacitor 107 connected, inductor 103 connected in series between AC power supply voltage input terminals P11 and P12 and DC voltage output terminals P21 and P22, and forward direction during the positive half cycle of AC power supply voltage A first switching means S1 that performs high-frequency switching by applying a voltage and generates a current in the inductor 103 when the first switching element 105a is in a conductive state, that is, an on state, and the first switching element 105a are not Electricity generated by the back electromotive force generated in the inductor 103 in the conductive state, that is, in the off state. During the negative half cycle of the AC power supply voltage Vac, the first high-speed diode 104a that forms a current path for charging the smoothing capacitor 107 by the forward voltage is applied to perform high-frequency switching, and the second switching Second switching means S2 for generating a current in the inductor 103 when the element 105b is on.

前記電力変換装置100は、さらに、第2のスイッチング素子105aがオフ状態のときにインダクタ103に生じた逆起電力によって発生する電流で、平滑コンデンサ107を充電する電流経路を形成する第2の高速ダイオード104bと、出力端子P21,P22に出力される出力を検出する出力電圧検出手段109と、入力端子P11,P12に入力される電圧を検出する入力電圧検出手段102と、第1および第2の高速ダイオード104a,104bと平滑コンデンサ107との間にカレントトランスを用いて電流を検出する電流検出部106と、出力電圧検出手段109によって検出された出力電圧と、入力電圧検出手段102によって検出された入力電圧と、電流検出部106によって検出された電流値とを入力とし、第1および第2のスイッチング素子105a,105bを駆動するためのPWM信号を生成するPFC制御部110とを含む。   The power converter 100 further forms a second high-speed path that charges the smoothing capacitor 107 with a current generated by a back electromotive force generated in the inductor 103 when the second switching element 105a is in an OFF state. A diode 104b; an output voltage detection means 109 for detecting an output output to the output terminals P21 and P22; an input voltage detection means 102 for detecting a voltage input to the input terminals P11 and P12; A current detection unit 106 that detects current using a current transformer between the high speed diodes 104a and 104b and the smoothing capacitor 107, an output voltage detected by the output voltage detection unit 109, and an input voltage detection unit 102 Using the input voltage and the current value detected by the current detection unit 106 as inputs, And a PFC control unit 110 that generates a PWM signal for driving the second switching elements 105a and 105b.

前記交流電源101と、各交流電源電圧入力端子P11,P12と、入力電圧検出手段102とを含んで、電圧入力部Aを構成する。また、前記直流電圧出力端子P21,P22と、電流検出手段106と、平滑コンデンサ107と、インダクタ103と、第1のスイッチング手段S1と、第1の高速ダイオード104aと、第2のスイッチング手段S2と、PFC制御部110とを含んで、PFC制御回路Bを構成する。さらに、出力負荷108と、出力電圧検出手段109とを含んで、電圧出力部Cを構成する。   The AC power supply 101, the AC power supply voltage input terminals P11 and P12, and the input voltage detection means 102 are included in the voltage input unit A. The DC voltage output terminals P21 and P22, the current detecting means 106, the smoothing capacitor 107, the inductor 103, the first switching means S1, the first high-speed diode 104a, and the second switching means S2. The PFC control circuit B is configured including the PFC control unit 110. Further, the voltage output unit C includes the output load 108 and the output voltage detection means 109.

次に、電力変換装置100の動作について説明する。
まず、電力変換装置100における電流経路について、図2Aおよび図2Bを用いて説明する。交流電源101の正の半サイクルにおいて、図2Aの参照符Iで示すように、第1のスイッチング素子105aがオン状態のとき、交流電源101からインダクタ103、各スイッチング素子105a,105bを通り、交流電源101に戻る。
Next, the operation of the power conversion apparatus 100 will be described.
First, the current path in the power converter 100 will be described with reference to FIGS. 2A and 2B. In the positive half cycle of the AC power supply 101, as indicated by reference symbol I A of FIG. 2A, the first switching element 105a is the on state, the inductor 103 from the AC power supply 101, the switching elements 105a, through 105b, Return to AC power supply 101.

続いて、第1のスイッチング素子105aがオフ期間のとき、図2Bの参照符Iで示すように、交流電源101からインダクタ103、第1の高速ダイオード104a、電流検出部106、第2のスイッチング素子105bを通り、交流電源101に戻る。 Subsequently, when the first switching element 105a is off period, as indicated by reference symbol I B in FIG. 2B, the inductor 103 from the AC power supply 101, a first high speed diode 104a, a current detection unit 106, a second switching It returns to the AC power source 101 through the element 105b.

次に、交流電源101の負の半サイクルにおいて、前述の正の半サイクルと同様、第2のスイッチング素子105bがオン状態のとき、交流電源101から、第2のスイッチング素子105b、第1のスイッチング素子105a、インダクタ103を通り、交流電源101に戻る。   Next, in the negative half cycle of the AC power supply 101, when the second switching element 105b is in the ON state, the second switching element 105b and the first switching are switched from the AC power supply 101 when the second switching element 105b is in the ON state. It returns to the AC power source 101 through the element 105a and the inductor 103.

続いて、第2のスイッチング素子105bがオフ状態のとき、交流電源101から、第2の高速ダイオード104b、電流検出部106、第1のスイッチング素子105a、インダクタ103を通り、交流電源101に戻る。   Subsequently, when the second switching element 105 b is in an OFF state, the AC power supply 101 returns to the AC power supply 101 through the second high-speed diode 104 b, the current detection unit 106, the first switching element 105 a, and the inductor 103.

この際、正負それぞれの半サイクルにおいて、第1および第2のスイッチング素子105a,105bがオン状態のとき、インダクタ103にエネルギが蓄積される。オフ状態のとき、インダクタ103に蓄積されたエネルギが出力負荷108に放出され、出力直流電圧は昇圧される。   At this time, in the positive and negative half cycles, when the first and second switching elements 105a and 105b are in the on state, energy is stored in the inductor 103. In the off state, the energy accumulated in the inductor 103 is released to the output load 108, and the output DC voltage is boosted.

また、このような電流経路を通るため、本発明では、電流検出部106は正負それぞれの半サイクルにおいて、第1および第2のスイッチング素子105a,105bがオフ状態のときの電流値である第1の電流値を検出する。   Further, in order to pass through such a current path, in the present invention, the current detection unit 106 is the first current value when the first and second switching elements 105a and 105b are in the OFF state in each of the positive and negative half cycles. The current value of is detected.

PFC制御部110は、検出した前記第1の電流値を目標波形と相似形になるように、第1および第2のスイッチング素子105a,105bのオン/オフ制御を行う。従来の制御方法では、図3に示すように、第1のスイッチング素子105aがオン状態の期間W1の電流I1を検出し、次にオフ状態の期間W2の電流I2を検出することによって、リファレンスの波形に近づき、力率が改善されるよう適切な制御を行っている。しかし本発明においては、従来の制御方法では、図2Bに示すように、電流検出部106においてオフ状態の期間W2の電流値、すなわち第1の電流値は計測できるが、オン状態の期間W1の電流値は、実際にはI1として流れているにもかかわらず、電流検出部106を電流が流れないために検出することができない。よって、図3に参照符I3として示すように、オン状態の期間W1のタイミングを認識することができないことになる。   The PFC control unit 110 performs on / off control of the first and second switching elements 105a and 105b so that the detected first current value is similar to the target waveform. In the conventional control method, as shown in FIG. 3, the first switching element 105a detects the current I1 during the on-state period W1, and then detects the current I2 during the off-state period W2, thereby Appropriate control is performed to approach the waveform and improve the power factor. In the present invention, however, in the conventional control method, as shown in FIG. 2B, the current detection unit 106 can measure the current value of the off-state period W2, that is, the first current value. Although the current value actually flows as I1, the current value cannot be detected because the current does not flow through the current detection unit 106. Therefore, as indicated by the reference symbol I3 in FIG. 3, the timing of the on-state period W1 cannot be recognized.

本発明は、スイッチング素子105a,105bがオフ状態のときの電流値だけで、PFC制御部110は制御を行う。   In the present invention, the PFC control unit 110 performs control only by the current value when the switching elements 105a and 105b are in the off state.

図4は、PFC制御部110の構成を示すブロック図である。前記PFC制御部110は、出力電圧誤差検出部116、リファレンス生成部115、電流誤差検出部117、誤差制限部118、およびPWM信号生成部119を含む。   FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration of the PFC control unit 110. The PFC controller 110 includes an output voltage error detector 116, a reference generator 115, a current error detector 117, an error limiter 118, and a PWM signal generator 119.

出力電圧誤差検出部116は、出力電圧検出手段109で得られた出力結果を定数倍した結果と、目標出力電圧を同様に定数倍した直流電圧との誤差を一定時間積分した結果を出力する。   The output voltage error detection unit 116 outputs a result obtained by integrating an error between a result obtained by multiplying the output result obtained by the output voltage detection unit 109 by a constant and a DC voltage obtained by multiplying the target output voltage by a constant for a certain period of time.

次に、リファレンス生成部115では、入力電圧検出手段102で検出した入力電圧を定数倍した結果と、前記出力電圧誤差検出部116からの結果とを乗算した値を電流基準値すなわちリファレンスとして出力する。このリファレンスを本発明のPFC制御部110の目標波形、すなわち第2の電流値とする。   Next, the reference generator 115 outputs a value obtained by multiplying the input voltage detected by the input voltage detector 102 by a constant and the result from the output voltage error detector 116 as a current reference value, that is, a reference. . This reference is the target waveform of the PFC control unit 110 of the present invention, that is, the second current value.

電流誤差検出部117では、前記リファレンスである第2の電流値と電流検出部106からの検出結果とを比較した誤差に対して、一定時間積分を行った結果を出力し、後述するキャリア波である三角波の波高値と比較可能な電圧値に変換する。   The current error detection unit 117 outputs a result obtained by performing integration for a certain time with respect to an error obtained by comparing the second current value as the reference and the detection result from the current detection unit 106, and a carrier wave to be described later. It is converted into a voltage value that can be compared with the peak value of a certain triangular wave.

結果として、電流検出部106からの結果がリファレンスより小さい場合、各スイッチング素子105a,105bをオン状態にし、リファレンスに近づける。 As a result, when the result from the current detection unit 106 is smaller than the reference, the switching elements 105a and 105b are turned on and brought closer to the reference.

電流検出部106からの結果がリファレンスより大きい場合、各スイッチング素子105a,105bをオフ状態にし、リファレンスに近づけるような制御をし力率改善を行う。具体的には、リファレンスからの誤差値の大きさによってPWMのデューティー比を制御する。 When the result from the current detection unit 106 is larger than the reference, each switching element 105a, 105b is turned off, and the power factor is improved by performing control so as to approach the reference. Specifically, the PWM duty ratio is controlled according to the magnitude of the error value from the reference.

次に、誤差制限部118では、前記電流誤差検出部117の出力結果に対して、積分結果が過大にならない様に制限値を設け、後述するキャリア波である三角波の波高値と比較可能な値、すなわち第1の電圧値に変換し、PWM信号生成部119へ出力する。   Next, the error limiting unit 118 provides a limit value for the output result of the current error detection unit 117 so that the integration result does not become excessive, and a value that can be compared with the peak value of a triangular wave that is a carrier wave described later. That is, it is converted into a first voltage value and output to the PWM signal generation unit 119.

PWM信号生成部119では、誤差制限部118からの結果を一方の入力とし、各スイッチング素子105a,105bのスイッチング周波数を決定するキャリア波である三角波とを比較することで、出力電圧および電流がリファレンスと相似波形になるような、PWM信号を各スイッチング素子105a,105bに出力し制御を行う。   The PWM signal generation unit 119 uses the result from the error limiting unit 118 as one input, and compares the output voltage and current with reference to a triangular wave that is a carrier wave that determines the switching frequency of each switching element 105a, 105b. The PWM signal is output to each of the switching elements 105a and 105b so as to obtain a waveform similar to the above.

次に、PWM信号生成部119についての動作説明を行う。
図5は、PWM信号生成部119の制御動作を説明するための図である。前記従来技術では、図5(a)に示すように、各スイッチング素子105a,105bが、オン状態とオフ状態の電流値を検出するため、オンとオフを行う時間を認識している。その状態で、電流値をリファレンスの波形に近づけるために、誤差制限部118の制限結果の値のピーク値120を三角波121のピーク値(波高値)と同じ値にすることで、振れ幅122の間を誤差制限部118の結果が上下し、各スイッチング素子105a,105bをスイッチング周期T127に対して0から100%の時間、スイッチングをオン状態にできるようなPWM信号123を出力して制御を行い、電流値をリファレンスにいち早く近づける。しかし、本発明ではオン状態の電流値を検出しておらず、制御不能に陥る。
Next, the operation of the PWM signal generation unit 119 will be described.
FIG. 5 is a diagram for explaining the control operation of the PWM signal generation unit 119. In the prior art, as shown in FIG. 5 (a), each switching element 105a, 105b recognizes the time to turn on and off in order to detect the current value of the on state and the off state. In this state, in order to bring the current value closer to the reference waveform, the peak value 120 of the limit result value of the error limiter 118 is set to the same value as the peak value (peak value) of the triangular wave 121, thereby The result of the error limiting unit 118 goes up and down, and the switching is performed by outputting the PWM signal 123 so that the switching elements 105a and 105b can be switched on for 0 to 100% of the switching period T127. The current value is brought closer to the reference quickly. However, in the present invention, the on-state current value is not detected, and control is lost.

次に、本発明の制御方法を図5(b)に示す。本発明では誤差制限部118から出力される結果を、PWM信号生成部119における三角波121の最大値より小さい値に制限することで、三角波121よりも誤差制限部118の結果のピーク値120が小さくなる部分124を作り出す。このような制限を行うことにより、強制的にPWM信号123にオフ状態の時間125を作り出す。   Next, the control method of the present invention is shown in FIG. In the present invention, by limiting the result output from the error limiting unit 118 to a value smaller than the maximum value of the triangular wave 121 in the PWM signal generating unit 119, the peak value 120 of the result of the error limiting unit 118 is smaller than the triangular wave 121. A portion 124 is created. By performing such a restriction, the PWM signal 123 is forcibly created with an off state time 125.

PWM信号123オフ状態の時間125を作り出すことで、 定期的に回路中の電流値を検出することが可能となり、オフ状態の電流値の検出結果のみからスイッチングのオン/オフを制御することができる。すなわち、オフ状態の電流値の検出結果をリファレンスと比較し、各スイッチング素子105a,105bの制御を行い、力率改善を行うことが可能となる。   By creating the time 125 in which the PWM signal 123 is off, it is possible to periodically detect the current value in the circuit, and it is possible to control the on / off of switching from only the detection result of the off-state current value. . That is, it is possible to compare the detection result of the off-state current value with the reference, control the switching elements 105a and 105b, and improve the power factor.

図6は電力変換装置100の制御における力率改善結果を示す図である。同図から力率は97.4%、入出力電力効率は98.5%となった。本発明における電流検出箇所で、特許文献1並びに特許文献2に示す手法で行った場合では制御が行えないが、本発明によれば、簡易にかつ低コストで電圧Vin、電流Iinを検出し、高い力率と効率を実現し、制御可能であることを示している。   FIG. 6 is a diagram illustrating a power factor improvement result in the control of the power conversion apparatus 100. From the figure, the power factor was 97.4% and the input / output power efficiency was 98.5%. In the current detection location in the present invention, control cannot be performed when the method shown in Patent Document 1 and Patent Document 2 is used, but according to the present invention, the voltage Vin and current Iin are detected easily and at low cost. It shows high power factor and efficiency and is controllable.

なお、本実施形態では、電流検出部106をオフ電流側、すなわち高速ダイオード104a,104bの後段に設けたが、電流検出部106をオン電流側、すなわち各スイッチング素子105a,105b各々の後段または前段に設けることも可能である。   In the present embodiment, the current detection unit 106 is provided on the off-current side, that is, the rear stage of the high-speed diodes 104a and 104b. However, the current detection unit 106 is provided on the on-current side, that is, the rear stage or front stage of each switching element 105a, 105b. It is also possible to provide it.

ただし、オフ電流側に設ける場合、電流検出部106は1つでよいが、電流検出部106をオン電流側に設ける場合は、電流検出部106は2つ必要となる。   However, when the current detection unit 106 is provided on the off-current side, only one current detection unit 106 is required. However, when the current detection unit 106 is provided on the on-current side, two current detection units 106 are required.

また、上の説明では、誤差制限部118から出力される結果を、PWM信号生成部119における三角波121の最大値より小さい値に制限することで、三角波121よりも誤差制限部118の結果のピーク値120が小さくなる部分124を作り出し、三角波121が誤差制限部118の結果のピーク値120を超えたタイミングを、強制的にPWM信号123のオフ状態の時間125とした。これを演算により、三角波121が誤差制限部の結果のピーク値120を超えたタイミングを、強制的にPWM信号のオン状態の時間とする制御も可能である。   In the above description, the result output from the error limiting unit 118 is limited to a value smaller than the maximum value of the triangular wave 121 in the PWM signal generation unit 119, so that the peak of the result of the error limiting unit 118 is higher than the triangular wave 121. A portion 124 in which the value 120 is reduced is created, and the timing at which the triangular wave 121 exceeds the peak value 120 of the result of the error limiting unit 118 is forcibly set as the time 125 in which the PWM signal 123 is off. By calculating this, it is possible to control the timing at which the triangular wave 121 exceeds the peak value 120 as a result of the error limiting unit to forcibly set the PWM signal ON state time.

図7は、本発明の他の実施形態の電力変換装置100aの構成を示す電気回路図である。なお、前述の実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付す。本実施形態の電力変換装置100aは、商用交流電源の交流入力電圧Vacを整流するダイオードブリッジ130の出力端子には、第1のインダクタ103aと第1のスイッチング素子105aとからなる第1の直列回路、および第2のインダクタ103bと第2のスイッチング素子105bとからなる第2の直列回路が接続される。第1のスイッチング素子105aおよび第1のインダクタ103aの接続点と、平滑コンデンサ107との間には、第1のダイオード104aが接続され、第2のスイッチング素子105bおよび第2のインダクタ103bの接続点と平滑コンデンサ107との間には、第2のダイオード104bが接続される。平滑コンデンサ107の両端には、出力負荷108が並列に接続される。   FIG. 7 is an electric circuit diagram showing a configuration of a power conversion device 100a according to another embodiment of the present invention. Note that the same reference numerals are given to portions corresponding to the above-described embodiment. In the power converter 100a of the present embodiment, a first series circuit including a first inductor 103a and a first switching element 105a is provided at an output terminal of a diode bridge 130 that rectifies an AC input voltage Vac of a commercial AC power supply. And a second series circuit composed of the second inductor 103b and the second switching element 105b is connected. A first diode 104a is connected between the connection point of the first switching element 105a and the first inductor 103a and the smoothing capacitor 107, and a connection point of the second switching element 105b and the second inductor 103b. And the smoothing capacitor 107 is connected with a second diode 104b. An output load 108 is connected in parallel across the smoothing capacitor 107.

インターリーブ型PFC制御部110aは、電源を複数系統(2相)に分けて、各相に位相差をもたせ、リップルなどを互いに打ち消す制御方式であって、電流位相が180°の位相差を持つことによって、リップルが相殺される。このPFC制御部110aは、各スイッチング素子105a,105bを位相差180°で交互にオン/オフする(インターリーブ方式)。   The interleaved PFC control unit 110a is a control system in which the power source is divided into a plurality of systems (two phases), each phase has a phase difference, and ripples cancel each other, and the current phase has a phase difference of 180 °. Ripple cancels out. The PFC control unit 110a turns on / off the switching elements 105a and 105b alternately with a phase difference of 180 ° (interleave method).

このようなPFC制御部110aは、インダクタ電流を検出し、入力電流誤差に応じたパルス幅のゲート制御電圧を発生する。各スイッチング素子105a,105bの電流が順方向に流れるスイッチング素子の電流値を、そのスイッチング素子に流れる実際の電流値としてそのまま検出し、電流が逆方向に流れるスイッチング素子の電流値を、そのスイッチング素子に流れる実際の電流値よりも小さく検出するように、インダクタ電流検出器を構成することによって、スイッチング制御部の構成を複雑化せずに、ブリッジレス電力変換装置100aを実現することができ、前述の実施形態の電力変換装置100と同様な効果を達成することができる。   The PFC control unit 110a detects the inductor current and generates a gate control voltage having a pulse width corresponding to the input current error. The current value of the switching element in which the current of each switching element 105a, 105b flows in the forward direction is detected as it is as the actual current value flowing in the switching element, and the current value of the switching element in which the current flows in the reverse direction is detected as the switching element. By configuring the inductor current detector so as to detect smaller than the actual current value flowing through the bridge, the bridgeless power conversion device 100a can be realized without complicating the configuration of the switching control unit. The effect similar to the power converter device 100 of embodiment can be achieved.

100,100a 電力変換装置
101 交流電源
102 入力電圧検出手段
103 インダクタ
104a 第1の高速ダイオード
104b 第2の高速ダイオード
105a 第1のスイッチング素子
105b 第2のスイッチング素子
106 電流検出手段
107 平滑コンデンサ
109 出力電圧検出手段
110、110a PFC制御部
115 リファレンス生成部
116 出力電圧誤差検出部
117 電流誤差検出部
118 誤差制限部
119 PWM生成部
121 三角波
123 PWM信号
A 電圧入力部
B PFC制御回路
C 電圧出力部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100,100a Power converter 101 AC power supply 102 Input voltage detection means 103 Inductor 104a 1st high speed diode 104b 2nd high speed diode 105a 1st switching element 105b 2nd switching element 106 Current detection means 107 Smoothing capacitor 109 Output voltage Detection means 110, 110a PFC control unit 115 Reference generation unit 116 Output voltage error detection unit 117 Current error detection unit 118 Error limit unit 119 PWM generation unit 121 Triangular wave 123 PWM signal A Voltage input unit B PFC control circuit C Voltage output unit

Claims (6)

商用交流電源が接続される交流電圧入力部と、
パルス幅変調信号によって駆動されるスイッチング素子を含み、交流電圧入力部に入力された交流電圧を直流電圧に変換する整流部と、
スイッチング素子のオン状態またはオフ状態における前記整流部の出力電流の電流値を検出する出力電流検出部と、
前記出力電流検出部によって検出された電流値である第1の電流値と、予め定める目標電流値である第2の電流値との差分を、キャリア波である三角波の波高値と比較可能な第1の電圧値に変換して前記三角波の波高値と比較し、前記第1の電圧値と三角波の波高値との比較結果に基づいて、前記スイッチング素子を駆動するパルス幅変調信号を生成するパルス幅変調信号生成部とを含むことを特徴とする電力変換装置。
An AC voltage input unit to which a commercial AC power supply is connected;
A rectifying unit that includes a switching element driven by a pulse width modulation signal, and that converts an AC voltage input to the AC voltage input unit into a DC voltage;
An output current detector for detecting a current value of an output current of the rectifier in an on state or an off state of the switching element;
A difference between a first current value that is a current value detected by the output current detection unit and a second current value that is a predetermined target current value can be compared with a peak value of a triangular wave that is a carrier wave. A pulse that is converted into a voltage value of 1 and compared with the peak value of the triangular wave, and generates a pulse width modulation signal for driving the switching element based on the comparison result between the first voltage value and the peak value of the triangular wave A power conversion device comprising: a width modulation signal generation unit.
前記第2の電流値は、前記整流部の出力電圧と、交流電圧入力部の入力電圧とに基づいて換算されたリファレンス値であることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。   2. The power conversion device according to claim 1, wherein the second current value is a reference value converted based on an output voltage of the rectifying unit and an input voltage of an AC voltage input unit. 前記出力電流検出部は、前記スイッチング素子のオフ状態で前記電流を検出することを特徴とする請求項1または2に記載の電力変換装置。   The power conversion device according to claim 1, wherein the output current detection unit detects the current when the switching element is in an off state. 前記パルス幅変調信号生成部は、前記三角波の波高値が前記第1の電圧値を超えたタイミングにおいて、前記スイッチング素子のオフ信号を出力することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の電力変換装置。   The pulse width modulation signal generation unit outputs an off signal of the switching element at a timing when a peak value of the triangular wave exceeds the first voltage value. The power converter described in one. 前記出力電流検出部は、カレントトランスであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の電力変換装置。   The power converter according to any one of claims 1 to 4, wherein the output current detection unit is a current transformer. 前記整流部は、ブリッジレス型力率改善回路またはインターリーブ型力率改善回路あることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の電力変換装置。   The power converter according to claim 1, wherein the rectifying unit is a bridgeless power factor correction circuit or an interleaved power factor correction circuit.
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