JP2013219982A - Dc−acインバータ - Google Patents

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Abstract

【課題】DC−DC変換部にフィードバック制御を用いることなく、広いDC入力の電圧範囲に対応できるDC−ACインバータを提供する。
【解決手段】絶縁型DC−DC変換部20は、絶縁型DC−DC変換部20に入力される直流電圧に応じて絶縁型DC−DC変換部20のスイッチングデューティを調整して絶縁型DC−DC変換部20による変換後の電圧を制御する制御回路29を有する。DC−AC変換部30は、絶縁型DC−DC変換部20による変換後の電圧に応じてDC−AC変換部30のスイッチングデューティを調整してDC−AC変換部30から出力される交流電圧の実効値を制御する制御回路36を有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、DC−ACインバータに関するものである。
DC−ACインバータは、内部でDC−DC変換部とDC−AC変換部とに分かれており、DC−DC変換部では、DC入力をAC電圧の生成に必要なDC高電圧に変換し、DC−AC変換部でDC高電圧からAC電圧を作っている。特許文献1においてはワイドレンジの入力電圧を扱うことができるDC−DCコンバータが開示されている。
特表2005−529578号公報
DC電圧(直流電圧)からAC電圧(交流電圧)を生成するDC−ACインバータは、出力波形によって主に2種類に分類される。一つは、出力のAC電圧波形が商用AC電圧と同じように正弦波であるもので、もう一つは、出力のAC電圧波形が矩形波(擬似正弦波)であるものである。回路の簡易性から、AC電圧波形が矩形波であるものが多く用いられている。
AC電圧波形が矩形波であるDC−ACインバータ(以下、矩形波DC−ACインバータと呼ぶ)には、そのDC−AC変換部で、DC高電圧の値により矩形波のデューティを制御して、AC電圧の実効値が所定の範囲内に入るように制御するものもある。DC高電圧の値をVhとすると、AC電圧の実効値は√(D)×Vhで与えられる。ここで、Dは矩形波AC電圧のデューティである。
以上のような矩形波DC−ACインバータでは、そのDC−DC変換部の出力電圧(DC高電圧)を一定の値に制御する必要がないため、DC−DC変換部に出力電圧のフィードバックを設ける必要がなく、特に、DC−DC部の入力と出力とを絶縁する必要がある場合に有利である。一方、このような構成の矩形波DC−ACインバータの入力電圧範囲は、以下のような理由により限定される。
すなわち、AC電圧の実効値が仕様の範囲内に入るようにするためには、DC高電圧の値VhがAC電圧の実効値の仕様範囲の下限以上の値であることが必要となる。これは、AC電圧波形(矩形波)の実効値の最大値が1であることから直ちに導かれる。また、DC−ACインバータに接続される家電製品を壊してはいけないので、AC電圧の最大値(DC高電圧の値)は家電製品の入力電圧範囲によって決まる。
一例を示すと、家電製品の入力電圧が100V±15V、DC−ACインバータのDC入力の最大値が16Vであると仮定すると、家電製品への許容入力電圧の最大値は、
(100V+15V)×√(2)=162V
となる。DC入力が16VのときにもDC高電圧がこの値を超えないようにする必要があるので、トランスの巻比は、
16V:162V=1:10
以下にしなければならない。トランス巻比を1:10として、家電製品への入力電圧の下限が85Vであることから、DC入力が8.5V以下となると、AC電圧の実効値が家電製品の入力電圧の許容範囲の下限を下回ることになる。すなわち、このDC−ACインバータのDC入力の許容範囲は8.5Vから16Vとなる。
より広いDC入力の範囲に対してAC電圧の実効値を許容範囲内に入れるために、DC−DC変換部においてDC高電圧をフィードバックしてDC−DC変換部のスイッチングデューティを制御(調整)することが考えられる。この場合、広いDC入力の電圧範囲に対してDC高電圧をほぼ一定の値にでき、AC電圧の実効値も許容範囲内に入れることができる。
しかし、この方法ではフィードバック回路を設ける必要があり、特にDC−DC変換部の入出力を絶縁する場合には、フィードバック信号も絶縁して伝えなければならなくなる。
以上のように、DC入力の電圧範囲を広くすることにより問題が生じる点は、矩形波DC−ACインバータに特有のものではなく、AC電圧が正弦波であるDC−ACインバータにも問題は生じる。すなわち、より広いDC入力の電圧範囲に対応する場合、DC入力の電圧が高いときに、DC−DC変換部またはDC−AC変換部のスイッチングデューティが極めて小さくなり、制御性が劣化したり、AC電圧の歪んだりする。
本発明の目的は、DC−DC変換部にフィードバック制御を用いることなく、広いDC入力の電圧範囲に対応できるDC−ACインバータを提供することにある。
請求項1に記載の発明では、直流電圧源から直流電圧が入力され、当該直流電圧とは異なる直流電圧に変換するDC−DC変換部と、DC−DC変換部の後段に設けられ、変換後の直流電圧を入力して交流電圧を出力するDC−AC変換部と、を備えたDC−ACインバータにおいて、DC−DC変換部は、DC−DC変換部に入力される直流電圧に応じてDC−DC変換部のスイッチングデューティを調整してDC−DC変換部による変換後の電圧を制御する第1の制御手段を有し、DC−AC変換部は、DC−DC変換部による変換後の電圧に応じてDC−AC変換部のスイッチングデューティを調整してDC−AC変換部から出力される交流電圧の実効値を制御する第2の制御手段を有することを要旨とする。
請求項1に記載の発明によれば、第1の制御手段により、DC−DC変換部に入力される直流電圧に応じてDC−DC変換部のスイッチングデューティが調整されてDC−DC変換部による変換後の電圧が制御される。第2の制御手段により、DC−DC変換部による変換後の電圧に応じてDC−AC変換部のスイッチングデューティが調整されてDC−AC変換部から出力される交流電圧の実効値が制御される。
このようにして、DC−DC変換部においてフィードバック制御を用いることなく、広い入力電圧範囲に対応できる。
DC−DC変換部において、出力電圧をフィードバックしないと、回路や入出力、周囲環境等の条件により、同じ入力電圧に対しても出力電圧が異なることがある。しかし、DC−AC変換部において、第2の制御手段がDC−DC変換部による変換後の電圧に応じてスイッチングデューティを調整して出力される交流電圧の実効値を制御するため、最終的な交流電圧の実効値を精度良く制御できる。
請求項2に記載の発明では、DC−DC変換部が、入出力間が絶縁された絶縁型DC−DC変換部であることを要旨とする。
請求項2に記載の発明によれば、絶縁型DC−DC変換部を有するDC−ACインバータにおいて、絶縁を伴うフィードバックが不要となる。
請求項3に記載の発明では、直流電圧源は、エンジンスタータが接続された車載用補機バッテリであることを要旨とする。
請求項3に記載の発明によれば、エンジン始動時に車載用補機バッテリの電圧が一時的に低下しても、DC−ACインバータの出力である交流電圧の安定化を図ることができる。
請求項4に記載の発明では、アイドルストップ機能を有する車に搭載されたことを要旨とする。
請求項4に記載の発明によれば、エンジンの自動停止後の再始動時、即ち、アイドルストップ状態からエンジン再始動時にも出力の安定化を図ることができる。
ここで、アイドルストップ機能とは、エンジン(ガソリンエンジン等)を備えた自動車に搭載され、一定時間自動車が停止しているか一定速度以下になった場合に、エンジンを自動的に停止し、運転者がブレーキペダルを戻すかクラッチペダルを踏み込む等の操作をすることによりエンジンを再始動するようなシステムを指す。
本発明によれば、DC−DC変換部にフィードバック制御を用いることなく、広いDC入力の電圧範囲に対応できる。
実施形態におけるDC−ACインバータの電気的構成を示す回路図。 入力電圧に対するDC−DC変換部のスイッチングデューティの関係を示す特性図。 DC高電圧に対するDC−AC変換部のスイッチングデューティの関係を示す特性図。 DC−ACインバータの作用を説明するためのタイムチャート。 DC−ACインバータの作用を説明するためのタイムチャート。
以下、本発明を車載DC−ACインバータに具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図1に示すように、DC−ACインバータ10は、自動車に搭載されている。当該自動車はアイドルストップ機能を有している。つまり、車両の停止や車速の低下を検知してエンジンを自動停止するとともに、ブレーキペダルを戻す、クラッチペダルを踏み込む等の運転者の発進操作を検知してスタータモータを駆動してエンジンを再始動する(エンジンの自動停止後におけるエンジンの再始動は自動で行う)。
DC−ACインバータ10は、直流電圧源としての車載用バッテリ50に接続される絶縁型DC−DC変換部20と、負荷70が接続されるDC−AC変換部30を備えている。車載用バッテリ50は12ボルト仕様である。入出力間が絶縁された絶縁型DC−DC変換部20は、車載用バッテリ50から直流電圧が入力され、当該直流電圧とは異なる直流電圧に変換する。具体的には、100ボルト程度に昇圧して出力する。
絶縁型DC−DC変換部20は、トランス21と、スイッチング素子22と、整流回路23と、平滑回路26と、制御回路29を備えている。トランス21における1次巻線21aの一端には入力端子が接続されている。入力端子には車載用バッテリ50の正極端子が接続される。また、トランス21における1次巻線21aの他端はスイッチング素子22を介して接地されている。
整流回路23はダイオード24,25を有している。トランス21における2次巻線21bの一端はダイオード24のアノードと接続されている。トランス21における2次巻線21bの他端はダイオード25のアノードと接続されている。ダイオード24のカソードとダイオード25のカソードは接続されている。
平滑回路26は、コイル27とコンデンサ28を有している。コイル27の一端がダイオード24,25のカソードに接続されている。コイル27の他端はコンデンサ28の一端と接続されている。コンデンサ28の他端はダイオード25のアノードおよびトランス21の2次巻線21bの他端と接続されている。
以上のように、絶縁型DC−DC変換部20として、いわゆるシングルエンディッド・フォワード型の回路を採用している。簡単のため、図1中にはトランスのリセット回路は記載されていないが、実際の回路ではトランスのリセット回路も付け加えられる。
制御回路29にはスイッチング素子22の制御端子が接続されている。制御回路29によりスイッチング素子22がオンオフされる。このオンオフ制御の際において、制御回路29によりスイッチング素子22のデューティを調整することができるようになっている。また、制御回路29は入力端子と接続され、制御回路29は入力電圧Vinを検知している。
DC−AC変換部30は、絶縁型DC−DC変換部20の後段に設けられ、変換後の直流電圧、即ち、昇圧後の直流(DC高電圧Vh)を入力して交流電圧を出力する。具体的には、負荷70に対し50〜60Hzの交流を出力する。DC−AC変換部30はHブリッジ回路31を具備しており、Hブリッジ回路31にはスイッチング素子32,33,34,35が設けられている。つまり、正極ラインと負極ラインとの間においてスイッチング素子32,33が直列に接続されているとともにスイッチング素子34,35が直列に接続されている。スイッチング素子32とスイッチング素子33との間の接続点が第1の出力端子に接続されているとともにスイッチング素子34とスイッチング素子35との間の接続点が第2の出力端子に接続されている。DC−ACインバータ10の出力端子には負荷70が接続される。負荷70は例えば家電製品(例えばゲーム機等)である。
制御回路36にはスイッチング素子32,33,34,35の制御端子が接続されている。制御回路36によりスイッチング素子32,33,34,35がオンオフされる。即ち、スイッチング素子32,35とスイッチング素子33,34とが交互にオンオフされる。このオンオフ制御の際において、制御回路36によりスイッチング素子32,33,34,35のデューティを調整することができるようになっている。また、制御回路36はDC高電圧(昇圧後の直流)Vhを検知することができるようになっている。
制御回路29は、スイッチング素子22をオンオフ制御する際において、入力電圧Vinに応じた絶縁型DC−DC変換部のスイッチングデューティを設定する。詳しくは、図2に示すように、入力電圧Vinが低いほど絶縁型DC−DC変換部のスイッチングデューティを大きくする。
制御回路36は、スイッチング素子32,33,34,35をオンオフ制御する際において、DC高電圧Vhに応じたDC−AC変換部のスイッチングデューティを設定する。詳しくは、図3に示すように、DC高電圧Vhが低いほどDC−AC変換部のスイッチングデューティを大きくする。
なお、図2、図3において、それぞれ入力電圧VinとDC−DC変換部のスイッチングデューティとの関係、DC高電圧VhとDC−AC変換部のスイッチングデューティとの関係が線形(直線的)であるように示されているが、線形である必要はなく、要求仕様に応じて適当な入力電圧VinとDC−DC変換部のスイッチングデューティとの関係、DC高電圧VhとDC−AC変換部のスイッチングデューティとの関係を定めればよい。
図1において、車載用バッテリ50は車載用補機バッテリであって、車載用バッテリ50にはエンジンスタータとしてのスタータモータ60が接点61を介して接続されている。そして、エンジンの始動時には接点61が閉じられてスタータモータ60が駆動される。つまり、エンジンは車載用バッテリ50にて駆動されるスタータモータ60を有し、スタータモータ60の駆動によりエンジンを始動することができる。
なお、車載用バッテリ50にはスタータモータ60以外にもオーディオ機器等が接続されている。
次に、このように構成したDC−ACインバータ10の作用について説明する。
絶縁型DC−DC変換部20において、制御回路29は、スイッチング素子22を高周波でスイッチングし、トランス21を介して電力を伝達し、整流回路23および平滑回路26によってDC高電圧を発生させる。ここで、制御回路29はスイッチング素子22のデューティを調整することによりDC高電圧Vhの値を制御する。
つまり、スイッチング素子22のデューティが入力電圧Vinに応じて変えられることにより、DC高電圧Vhの値を入力電圧Vinの値に関わらずほぼ一定に制御することができる。
具体的に説明する。
図4において、t1のタイミングにおいてスタータモータ60の駆動が行われたものとする。つまり、エンジンの自動停止後におけるエンジンの自動での再始動が行われたものとする。
スタータモータ60の駆動に伴い入力電圧Vinが低下する。すると、制御回路29において、入力電圧Vinが低いほど絶縁型DC−DC変換部のスイッチングデューティが大きくされる。これにより、絶縁型DC−DC変換部20における出力電圧であるDC高電圧Vhの値がほぼ一定になる。
また、t2のタイミングにおいて入力電圧Vinが高くなった場合には、制御回路29において、入力電圧Vinが高いほど絶縁型DC−DC変換部のスイッチングデューティが小さくされる。これにより、絶縁型DC−DC変換部20における出力電圧であるDC高電圧Vhの値がほぼ一定になる。
このようにして、DC高電圧Vhの値を用いて絶縁型DC−DC変換部のスイッチングデューティを変えていないので、絶縁を伴う信号伝達の必要がない。
また、DC高電圧Vhの値の精度は高くないが、DC−AC変換部30において制御回路36はDC−AC変換部のスイッチングデューティをDC高電圧Vhの値に応じて変える。これにより、AC出力電圧Voutの実効値が許容範囲内に収まる。
具体的に説明する。
図5に示すように、入力電圧Vinが一定で、t10のタイミングにおいて負荷が重くなったものとする。出力電流(負荷に流れる電流)の増加に伴いDC高電圧Vhが低下する。すると、制御回路36において、DC高電圧Vhが低いほどDC−AC変換部のスイッチングデューティが大きくされる。これにより、DC−AC変換部30における出力電圧であるAC出力電圧の実効値を許容範囲内に収めることができる。
このように、絶縁型DC−DC変換部20は、昇圧後の直流の一定化を図るべく、入力に応じてトランス21の1次巻線21aに接続したスイッチング素子22のデューティを調整する(絶縁型DC−DC変換部の出力をフィードフォワード制御する)。また、DC−AC変換部30は、出力する交流(AC出力電圧Vout)の実効値を許容範囲内に入れるべく、昇圧後の直流(高電圧Vh)に応じてHブリッジ回路31に設けたスイッチング素子32,33,34,35のデューティを調整する。
即ち、入力電圧Vinによって絶縁型DC−DC変換部のスイッチングデューティを決め、DC高電圧Vhがほぼ一定になるようにする。つまり、DC高電圧Vhの値を用いて絶縁型DC−DC変換部のスイッチングデューティを決めていない。この場合、負荷の状態等により、DC高電圧の値は多少変化する。DC−AC変換部30においては、DC高電圧Vhの値に応じてスイッチングデューティを制御(調整)して、出力のAC電圧の実効値が許容範囲内に入るようにする。
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
(1)DC−ACインバータ10の構成として、絶縁型DC−DC変換部20は、絶縁型DC−DC変換部20に入力される直流電圧に応じて絶縁型DC−DC変換部20のスイッチングデューティを調整して絶縁型DC−DC変換部20による変換後の電圧を制御する第1の制御手段としての制御回路29を有する。DC−AC変換部30は、絶縁型DC−DC変換部20による変換後の電圧に応じてDC−AC変換部30のスイッチングデューティを調整してDC−AC変換部30から出力される交流電圧の実効値を制御する第2の制御手段としての制御回路36を有する。よって、DC−DC変換部20においてフィードバック制御を用いることなく、広い入力電圧範囲に対応できる。DC−DC変換部20において、出力電圧をフィードバックしないと、回路や入出力、周囲環境等の条件により、同じ入力電圧に対しても出力電圧が異なることがある。しかし、DC−AC変換部30において、第2の制御手段としての制御回路36がDC−DC変換部20による変換後の電圧に応じてDC−AC変換部30のスイッチングデューティを調整してDC−AC変換部30から出力される交流電圧の実効値を制御するため、最終的な交流電圧の実効値を精度良く制御できる。
(2)DC−DC変換部20が、入出力間が絶縁された絶縁型DC−DC変換部であるので、絶縁型DC−DC変換部を有するDC−ACインバータにおいて、絶縁を伴うフィードバックが不要となる。
(3)直流電圧源は、エンジンスタータ(スタータモータ60)が接続された車載用補機バッテリであるので、エンジン始動時に車載用補機バッテリの電圧が一時的に低下しても、DC−ACインバータの出力である交流電圧の安定化を図ることができる。
(4)アイドルストップ機能を有する車に搭載されているので、エンジンの自動停止後の再始動時、即ち、アイドルストップ状態からエンジン再始動時にも出力の安定化を図ることができる。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・DC−ACインバータ10は自動車に搭載されていたが、これに限ることはない。
・車載用バッテリ50にはスタータモータ60が接続されていたが、これに限ることはない。
・DC−DC変換部の回路は、シングルエンディッド・フォワード型に限らない。プッシュ・プル型、フルブリッジ(Hブリッジ)型、ハーフブリッジ型等、公知のDC−DC変換回路を用いることができる。採用する回路に従って、整流回路も図1に示す整流回路以外の回路を用いることができる。
・DC−DC変換部は、絶縁型DC−DC変換部に限らず、非絶縁型DC−DC変換部を用いることもできる。
・DC−AC変換部として、いわゆる矩形波DC−AC変換部に限らず、正弦波を生成するDC−AC変換部を用いることもできる。この場合、Hブリッジ回路31と負荷70との間にフィルタ回路が設けられる。
10…DC−ACインバータ、20…絶縁型DC−DC変換部、21…トランス、22…スイッチング素子、29…制御回路、30…DC−AC変換部、32,33,34,35…スイッチング素子、36…制御回路、50…車載用バッテリ、60…スタータモータ、70…負荷。

Claims (4)

  1. 直流電圧源から直流電圧が入力され、当該直流電圧とは異なる直流電圧に変換するDC−DC変換部と、
    前記DC−DC変換部の後段に設けられ、前記変換後の直流電圧を入力して交流電圧を出力するDC−AC変換部と、
    を備えたDC−ACインバータにおいて、
    前記DC−DC変換部は、前記DC−DC変換部に入力される直流電圧に応じて前記DC−DC変換部のスイッチングデューティを調整して前記DC−DC変換部による変換後の電圧を制御する第1の制御手段を有し、
    前記DC−AC変換部は、前記DC−DC変換部による変換後の電圧に応じて前記DC−AC変換部のスイッチングデューティを調整して前記DC−AC変換部から出力される交流電圧の実効値を制御する第2の制御手段を有することを特徴とするDC−ACインバータ。
  2. 前記DC−DC変換部が、入出力間が絶縁された絶縁型DC−DC変換部であることを特徴とする請求項1に記載のDC−ACインバータ。
  3. 前記直流電圧源は、エンジンスタータが接続された車載用補機バッテリであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載のDC−ACインバータ。
  4. アイドルストップ機能を有する車に搭載されたことを特徴とする請求項3に記載のDC−ACインバータ。
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