JP2016073173A - Power supply system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電源システムに関し、より特定的には、2つの直流電源と共通の電力線との間に接続された電力変換器を含んで構成された電源システムの制御に関する。 The present invention relates to a power supply system, and more particularly to control of a power supply system including a power converter connected between two DC power supplies and a common power line.
複数の電源と負荷の間に接続された電力変換器を用いて、複数の電源を組み合わせて負荷へ電源を供給する電源システムが用いられている。 2. Description of the Related Art A power supply system that uses a power converter connected between a plurality of power sources and a load to supply power to the load by combining the plurality of power sources is used.
たとえば、特開2009−11021号公報(特許文献1)には、エンジン発電機およびダイオードコンバータからなる直流電源と、蓄電器によって構成される直流電源との各々に対して設けられたコンバータ(昇圧コンバータおよび昇降圧コンバータ)を並列に接続した、クレーン等の設備に利用されるハイブリッド電源装置が記載されている。 For example, Japanese Patent Laying-Open No. 2009-11021 (Patent Document 1) discloses a converter (a boost converter and a converter) provided for each of a DC power source composed of an engine generator and a diode converter and a DC power source composed of a capacitor. A hybrid power supply device used in equipment such as a crane, in which a step-up / down converter is connected in parallel, is described.
また、特開2013−13234号公報(特許文献2)には、複数のスイッチング素子のスイッチングパターンを切換えることよって、2つの直流電源を直列接続した状態でDC/DC変換を行なう動作モード(直列接続モード)と、2つの直流電源を並列に使用する状態でDC/DC変換を行なう動作モード(並列接続モード)とを切替えることが可能な電力変換器の構成が記載されている。 Japanese Patent Laid-Open No. 2013-13234 (Patent Document 2) discloses an operation mode (series connection) in which DC / DC conversion is performed in a state where two DC power supplies are connected in series by switching switching patterns of a plurality of switching elements. Mode) and a configuration of a power converter capable of switching between an operation mode (parallel connection mode) in which DC / DC conversion is performed in a state where two DC power supplies are used in parallel.
特許文献1のハイブリッド電源装置では、2個のコンバータが並列接続される構成であるため、負荷電圧が高い領域では、各コンバータでの昇圧比を高くせざるを得ない。このため、コンバータ中のリアクトルでの損失が増大するため、高効率化が困難である。また、エンジン発電機によって発電された交流電力は、ダイオードコンバータによってAC/DC変換された後、さらに、昇圧コンバータによってDC/DC変換されるため、電力変換の際の電力損失によっても、高効率化が阻害される。
Since the hybrid power supply apparatus of
これに対して、特許文献2に記載された電源システムでは、負荷電圧が高い領域では、直列接続モードの適用により昇圧比を抑制することができる。しかしながら、特許文献2の回路構成では、第1の直流電源の電力変換のための電流と、第2の直流電源の電力変換のための電流とが、共通のスイッチング素子を重なって流れる現象が生じる。これにより、通過電流量に依存するスイッチング素子の導通損失が、特許文献1と比較して増加することが懸念される。
On the other hand, in the power supply system described in
また、特許文献2の構成では、電力変換器を8個の半導体素子(スイッチング素子およびダイオード)によって構成するが、電力変換器を構成する素子数を削減できれば、電力損失の低減および製造コストの低減を図ることが可能となる。
In the configuration of
この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、2つの直流電源を備えた電源システムにおいて、使用する半導体素子数を抑制することによって、電力損失の低減による高効率化および製造コストの低減を実現することが可能な電力変換器の回路構成を提供することである。 The present invention has been made to solve such problems, and its object is to reduce power loss by suppressing the number of semiconductor elements used in a power supply system having two DC power supplies. It is an object of the present invention to provide a circuit configuration of a power converter capable of realizing high efficiency and reduction in manufacturing cost.
この発明のある局面では、電源システムは、高電圧側の第1の電力線および低電圧側の第2の電力線の間に接続された負荷へ供給される直流電圧を制御する。電源システムは、第1の直流電源と、第2の直流電源と、電力変換器と、電力変換器の動作を制御するための制御装置とを備える。電力変換器は、第1および第2の直流電源と第1および第2の電力線との間で直流電圧変換を実行するように構成される。電力変換器は、第1から第6の半導体素子と、第1および第2のリアクトルとを含む。第1の半導体素子は、第1のノードから第2のノードへ向かう電流経路を形成するために、第1および第2のノードの間に接続される。第2の半導体素子は、第2の電力線から第2のノードへ向かう電流経路を形成するために、第2のノードおよび第2の電力線の間に接続される。第3の半導体素子は、第2のノードから第2の電力線へ向かう電流経路を形成するために、第2のノードおよび第2の電力線の間に第2の半導体素子と逆並列に接続される。第4の半導体素子は、第2のノードから第1のノードへ向かう電流経路を形成するために、第1のノードおよび第2のノード間に第1の半導体素子と逆並列に接続される。第5の半導体素子は、第1のノードから第1の電力線へ向かう電流経路を形成するために、第1の電力線および第1のノードの間に接続される。第6の半導体素子は、第1の電力線から第1のノードへ向かう電流経路を形成するために、第1の電力線および第1のノードの間に第5の半導体素子と逆並列に接続される。第1のリアクトルは、第2のノードおよび第2の電力線の間に第1の直流電源と直列に接続される。第2のリアクトルは、第1のノードおよび第2のノードの間に第2の直流電源と直列に接続される。第1から第6の半導体素子の各々は、電流経路のオンオフを制御可能なスイッチング素子またはダイオードによって構成される。第1から第6の半導体素子のうち、少なくとも第1、第3および第6の半導体素子はスイッチング素子によって構成される。制御装置は、各スイッチング素子のオンオフを制御する。電力変換器は、制御装置によるスイッチング素子のオンオフ制御の態様を切換えることによって、直流電圧変換の態様が異なる複数の動作モードを切換えて動作する。 In one aspect of the present invention, the power supply system controls a DC voltage supplied to a load connected between the first power line on the high voltage side and the second power line on the low voltage side. The power supply system includes a first DC power supply, a second DC power supply, a power converter, and a control device for controlling the operation of the power converter. The power converter is configured to perform DC voltage conversion between the first and second DC power supplies and the first and second power lines. The power converter includes first to sixth semiconductor elements, and first and second reactors. The first semiconductor element is connected between the first and second nodes to form a current path from the first node to the second node. The second semiconductor element is connected between the second node and the second power line to form a current path from the second power line to the second node. The third semiconductor element is connected in antiparallel with the second semiconductor element between the second node and the second power line in order to form a current path from the second node to the second power line. . The fourth semiconductor element is connected in antiparallel with the first semiconductor element between the first node and the second node to form a current path from the second node to the first node. The fifth semiconductor element is connected between the first power line and the first node in order to form a current path from the first node toward the first power line. The sixth semiconductor element is connected in antiparallel with the fifth semiconductor element between the first power line and the first node in order to form a current path from the first power line to the first node. . The first reactor is connected in series with the first DC power source between the second node and the second power line. The second reactor is connected in series with the second DC power source between the first node and the second node. Each of the first to sixth semiconductor elements is configured by a switching element or a diode capable of controlling on / off of the current path. Of the first to sixth semiconductor elements, at least the first, third and sixth semiconductor elements are constituted by switching elements. The control device controls on / off of each switching element. The power converter operates by switching a plurality of operation modes having different DC voltage conversion modes by switching the mode of on / off control of the switching elements by the control device.
好ましくは、複数の動作モードは、直列接続モードと、並列接続モードとを含む。直列接続モードにおいて、電力変換器は、第1および第2の直流電源が直列に接続された状態で、直流電圧を電圧指令値に制御するように第1および第2の直流電源と第1および第2の電力線との間で直流電圧変換を実行する。並列接続モードにおいて、電力変換器は、直流電圧を電圧指令値に制御するように、第1の直流電源と第1および第2の電力線との間の直流電圧変換、ならびに、第2の直流電源と第1および第2の電力線との間の直流電圧変換を並列に実行する。 Preferably, the plurality of operation modes include a series connection mode and a parallel connection mode. In the series connection mode, the power converter includes the first and second DC power supplies and the first and second DC power supplies so as to control the DC voltage to the voltage command value with the first and second DC power supplies connected in series. DC voltage conversion is performed with the second power line. In the parallel connection mode, the power converter converts the DC voltage between the first DC power source and the first and second power lines, and the second DC power source so as to control the DC voltage to the voltage command value. DC voltage conversion between the first and second power lines is performed in parallel.
さらに好ましくは、制御装置は、直列接続モードにおいて、負荷の回生動作時には第6の半導体素子による電流経路を常時形成する一方で、負荷の力行動作時には第6の半導体素子による電流経路を常時遮断する。 More preferably, in the serial connection mode, the control device always forms a current path by the sixth semiconductor element during the regenerative operation of the load, and always interrupts the current path by the sixth semiconductor element during the power running operation of the load. .
あるいはさらに好ましくは、制御装置は、並列接続モードにおいて、負荷の回生動作時には、第3および第4の半導体素子による電流経路を遮断状態に固定して第1の直流電源を充電する一方で第2の直流電源を放電する第1の充電動作と、第1および第2の半導体素子による電流経路を遮断状態に固定して第1の直流電源を放電する一方で第2の直流電源を充電する第2の充電動作との一方を選択的に実行するように電力変換器の動作を制御する。 Alternatively, more preferably, in the parallel connection mode, the control device charges the first DC power supply while fixing the current path by the third and fourth semiconductor elements in a cut-off state during the regenerative operation of the load. A first charging operation for discharging the first DC power supply, and a first charging operation for discharging the first DC power supply while fixing the current path by the first and second semiconductor elements in a cut-off state while charging the second DC power supply. The operation of the power converter is controlled so as to selectively execute one of the two charging operations.
また好ましくは、複数の動作モードは、第1の直接給電モードをさらに含む。第1の直接給電モードにおいて、電力変換器は、第1および第2の直流電源が第1および第2の直流電源の間に直列に接続された状態が維持されるようにスイッチング素子のオンオフの組み合わせが固定される。 Preferably, the plurality of operation modes further include a first direct power supply mode. In the first direct power supply mode, the power converter is configured to turn on / off the switching element so that the first and second DC power supplies are connected in series between the first and second DC power supplies. The combination is fixed.
さらに好ましくは、制御装置は、第1の直接給電モードにおいて、負荷の回生動作時には第6の半導体素子による電流経路を形成状態に維持する一方で、負荷の力行動作時には第6の半導体素子による電流経路を遮断状態に維持する。 More preferably, in the first direct power supply mode, the control device maintains the current path formed by the sixth semiconductor element during the load regenerative operation, while maintaining the current path generated by the sixth semiconductor element during the power running operation of the load. Keep the route in a blocked state.
あるいは好ましくは、電源システムにおいて、第1および第2の直流電源のうちの一方の直流電源は、交流電圧を出力する発電機構および発電機構から出力された交流電圧を直流電圧に変換するためのAC/DC変換器を含む可変電圧直流電源として構成される。複数の動作モードは、第2の直接給電モードをさらに含む。第2の直接給電モードにおいて、電力変換器は、第1および第2の直流電源のうちの他方の直流電源のみ、または、他方の直流電源および可変電圧直流電源が直列に第1および第2の電力線の間に電気的に接続された状態が維持されるようにスイッチング素子のオンオフの組み合わせが固定される。 Alternatively, preferably, in the power supply system, one of the first and second DC power supplies includes a power generation mechanism that outputs an AC voltage, and an AC that converts the AC voltage output from the power generation mechanism into a DC voltage. It is configured as a variable voltage DC power source including a DC / DC converter. The plurality of operation modes further include a second direct power supply mode. In the second direct power supply mode, the power converter includes only the other DC power source of the first and second DC power sources, or the other DC power source and the variable voltage DC power source in series. The on / off combination of the switching elements is fixed so that the state of being electrically connected between the power lines is maintained.
さらに好ましくは、可変電圧直流電源は、発電機構の出力電圧を可変制御することによって一方の直流電源の直流電圧を上限電圧以下の電圧範囲で可変制御するように構成される。制御装置は、負荷の動作状態に応じて設定される直流電圧の要求電圧よりも、他方の直流電源の出力電圧と一方の直流電源の上限電圧との和が高い場合に、第2の直接給電モードを選択する。制御装置は、第2の直接給電モードの選択時において、要求電圧が他方の電源電圧の出力電圧よりも低い場合には発電機構の動作を停止した状態で他方の直流電源のみを第1および第2の電力線の間に電気的に接続する。一方で、制御装置は、要求電圧が他方の直流電源の出力電圧よりも高い場合には、他方の直流電源および可変電圧直流電源が直列に第1および第2の電力線の間に電気的に接続された状態で要求電圧と他方の直流電源の出力電圧との電圧差に応じて発電機構の出力電圧を制御する。 More preferably, the variable voltage DC power source is configured to variably control the DC voltage of one DC power source within a voltage range equal to or lower than the upper limit voltage by variably controlling the output voltage of the power generation mechanism. When the sum of the output voltage of the other DC power source and the upper limit voltage of the one DC power source is higher than the required voltage of the DC voltage set according to the operating state of the load, the control device performs the second direct power supply. Select a mode. When the second direct power supply mode is selected, if the required voltage is lower than the output voltage of the other power supply voltage, the control device stops the operation of the power generation mechanism and only the other DC power supply is used. Electrical connection between the two power lines. On the other hand, when the required voltage is higher than the output voltage of the other DC power supply, the control device electrically connects the other DC power supply and the variable voltage DC power supply between the first and second power lines in series. In this state, the output voltage of the power generation mechanism is controlled according to the voltage difference between the required voltage and the output voltage of the other DC power source.
さらに好ましくは、制御装置は、他方の直流電源の出力電圧および上限電圧の和よりも要求電圧が高い場合には、直列接続モードを選択する。 More preferably, the control device selects the series connection mode when the required voltage is higher than the sum of the output voltage and the upper limit voltage of the other DC power supply.
好ましくは、制御装置は、負荷の動作状態に応じて設定される直流電圧の要求電圧に応じて、複数の動作モードのうちのいずれか1つの動作モードを選択する。電圧指令値は、要求電圧以上の電圧に設定される。 Preferably, the control device selects any one of a plurality of operation modes according to a required voltage of a DC voltage set according to an operation state of the load. The voltage command value is set to a voltage higher than the required voltage.
さらに好ましくは、制御装置は、第1および第2の直流電源の出力電圧の和よりも要求電圧が高い場合には、直列接続モードを選択する。 More preferably, the control device selects the series connection mode when the required voltage is higher than the sum of the output voltages of the first and second DC power supplies.
好ましくは、制御装置は、第1の直流電源からの出力を制御するための第1のデューティ比および第2の直流電源からの出力を制御するための第2のデューティ比を演算するための手段と、第1のキャリア波および第1のデューティ比の比較、ならびに、第2のキャリア波および第2のデューティ比の比較によるパルス幅変調に従ってそれぞれ得られた第1および第2の制御パルス信号に基づいて、第1から第6の半導体素子のうちのスイッチング素子のオンオフ制御信号を生成するための手段とを含む。第1のキャリア波と第2のキャリア波との位相差は、第1のリアクトルの電流の変曲点と、第2のリアクトルの電流の変曲点とが時間軸上で重なるように、第1および第2のデューティ比に応じて可変に制御される。 Preferably, the control device calculates a first duty ratio for controlling the output from the first DC power source and a second duty ratio for controlling the output from the second DC power source. And the first and second control pulse signals obtained in accordance with the comparison of the first carrier wave and the first duty ratio and the pulse width modulation by the comparison of the second carrier wave and the second duty ratio, respectively. And means for generating an on / off control signal for a switching element among the first to sixth semiconductor elements. The phase difference between the first carrier wave and the second carrier wave is such that the inflection point of the current of the first reactor and the inflection point of the current of the second reactor overlap on the time axis. It is variably controlled according to the first and second duty ratios.
さらに好ましくは、第1および第2のキャリア波の位相差は、負荷の力行動作時において、第1のリアクトルの電流の極大点と第2のリアクトルの電流の極小点とが時間軸上で重なるように、または、第1のリアクトルの電流の極小点と第2のリアクトルの電流の極大点とが時間軸上で重なるように制御される。 More preferably, the phase difference between the first and second carrier waves is such that the maximum point of the first reactor current and the minimum point of the second reactor current overlap on the time axis during the powering operation of the load. Alternatively, control is performed so that the minimum point of the current of the first reactor and the maximum point of the current of the second reactor overlap on the time axis.
また、さらに好ましくは、第1および第2のキャリア波の位相差は、負荷の回生動作時において、第1のリアクトルの電流の極大点と第2のリアクトルの電流の極大点とが時間軸上で重なるように、または、第1のリアクトルの電流の極小点と第2のリアクトルの電流の極小点とが時間軸上で重なるように制御される。 More preferably, the phase difference between the first and second carrier waves is such that the maximum point of the current of the first reactor and the maximum point of the current of the second reactor are on the time axis during the regeneration operation of the load. Or the local minimum point of the first reactor current and the local minimum point of the second reactor are controlled to overlap on the time axis.
好ましくは、第1から第6のスイッチング素子の各々は、スイッチング素子によって構成される。 Preferably, each of the first to sixth switching elements is constituted by a switching element.
さらに好ましくは、制御装置は、第1から第6のスイッチング素子のうちの1つのスイッチング素子をターンオフする際に、当該1つのスイッチング素子と交互にオンオフされる他のスイッチング素子のターンオン指令の発生から所定期間経過後に、1つのスイッチング素子ターンオフ指令を生成する。 More preferably, when the control device turns off one of the first to sixth switching elements, from the generation of a turn-on command for another switching element that is alternately turned on / off with the one switching element. One switching element turn-off command is generated after elapse of a predetermined period.
また好ましくは、第1、第3および第6の半導体素子は、スイッチング素子によって構成され、第2、第4および第5の半導体素子は、ダイオードによって構成される。 Preferably, the first, third and sixth semiconductor elements are constituted by switching elements, and the second, fourth and fifth semiconductor elements are constituted by diodes.
この発明によれば、2つの直流電源を備えた電源システムにおいて、使用する半導体素子数を抑制することによって、電力損失の低減による高効率化および製造コストの低減を実現することが可能な電力変換器の回路構成を提供することができる。 According to the present invention, in a power supply system including two DC power supplies, by reducing the number of semiconductor elements to be used, it is possible to realize power conversion capable of realizing high efficiency and reduction in manufacturing cost by reducing power loss. The circuit configuration of the vessel can be provided.
以下に本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。 Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In the following, the same or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated in principle.
[実施の形態1]
(回路構成)
図1は、本発明の実施の形態に従う電源システムの構成を示す回路図である。
[Embodiment 1]
(Circuit configuration)
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a power supply system according to an embodiment of the present invention.
図1を参照して、電源システム5は、直流電源B1と、直流電源B2と、電力変換器10と、制御装置100とを備える。
Referring to FIG. 1,
本実施の形態において、直流電源B1およびB2は、二次電池や電気二重層キャパシタ等の蓄電装置によって構成される。たとえば、直流電源B1は、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池のような二次電池で構成される。また、直流電源B2は、たとえば、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等の出力特性に優れた直流電圧源要素により構成される。直流電源B1および直流電源B2は、「第1の直流電源」および「第2の直流電源」にそれぞれ対応する。 In the present embodiment, DC power supplies B1 and B2 are constituted by power storage devices such as secondary batteries and electric double layer capacitors. For example, DC power supply B1 is comprised with secondary batteries, such as a lithium ion secondary battery and a nickel metal hydride battery. The DC power source B2 is constituted by a DC voltage source element having excellent output characteristics such as an electric double layer capacitor and a lithium ion capacitor. The DC power supply B1 and the DC power supply B2 correspond to “first DC power supply” and “second DC power supply”, respectively.
電力変換器10は、高電圧側の電力線PLおよび低電圧側の電力線NLの間の直流電圧VH(以下、出力電圧VHとも称する)を制御するように構成される。電力線NLは、代表的には、接地配線で構成される。
The
負荷30は、電力変換器10の出力電圧VHを受けて動作する。出力電圧VHの電圧指令値VH*は、負荷30の動作に適した電圧に設定される。電圧指令値VH*は、負荷30の状態に応じて可変に設定されてもよい。さらに、負荷30は、回生発電等によって、直流電源B1および/またはB2の充電電力を発生可能に構成されてもよい。
The
電力変換器10は、電力用半導体スイッチング素子S1〜S6と、リアクトルL1,L2とを含む。本実施の形態において、電力用半導体スイッチング素子(以下、単に「スイッチング素子」とも称する)としては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、電力用MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタあるいは電力用バイポーラトランジスタ等を用いることができる。
スイッチング素子S1〜S6は、制御装置100からの制御信号SG1〜SG5にそれぞれ応答して、オンオフを制御される。以下では、スイッチング素子S1〜S6は、制御信号SG1〜SG6が論理ハイレベル(以下、「Hレベル」とも表記する)のときにそれぞれオン状態となって、電流経路を形成可能な状態となる。一方で、スイッチング素子S1〜S6は、制御信号SG1〜SG6が論理ローレベル(以下、「Lレベル」とも表記する)のときにオフ状態となって、当該電流経路を遮断する状態となる。
Switching elements S1 to S6 are controlled to be turned on and off in response to control signals SG1 to SG5 from
スイッチング素子S1は、ノードN1およびノードN2の間に電気的に接続される。スイッチング素子S1は、オン時にノードN1からノードN2へ向かう電流経路を形成する一方で、オフ時に当該電流経路を遮断する。スイッチング素子S4は、スイッチング素子S1に対して逆並列に、ノードN1およびノードN2の間に電気的に接続される。スイッチング素子S1は、オン時にノードN2からノードN1へ向かう電流経路を形成する一方で、オフ時に当該電流経路を遮断する。 Switching element S1 is electrically connected between nodes N1 and N2. The switching element S1 forms a current path from the node N1 to the node N2 when turned on, and blocks the current path when turned off. Switching element S4 is electrically connected between nodes N1 and N2 in antiparallel with switching element S1. The switching element S1 forms a current path from the node N2 to the node N1 when turned on, and blocks the current path when turned off.
直流電源B2およびリアクトルL2は、ノードN1およびN2の間に、互いに直列に電気的に接続される。同様に、直流電源B1およびリアクトルL1は、ノードN2および電力線NLの間に、互いに直列に電気的に接続される。 DC power supply B2 and reactor L2 are electrically connected in series between nodes N1 and N2. Similarly, DC power supply B1 and reactor L1 are electrically connected in series between node N2 and power line NL.
スイッチング素子S3は、ノードN2および電力線NLの間に電気的に接続される。スイッチング素子S3は、オン時にノードN2から電力線NLへ向かう電流経路を形成する一方で、オフ時に当該電流経路を遮断する。スイッチング素子S2は、スイッチング素子S3に対して逆並列に、ノードN2および電力線NLの間に電気的に接続される。スイッチング素子S2は、オン時に電力線NLからノードN2へ向かう電流経路を形成する一方で、オフ時に当該電流経路を遮断する。 Switching element S3 is electrically connected between node N2 and power line NL. The switching element S3 forms a current path from the node N2 to the power line NL when turned on, and cuts off the current path when turned off. Switching element S2 is electrically connected between node N2 and power line NL in antiparallel with switching element S3. The switching element S2 forms a current path from the power line NL to the node N2 when turned on, and blocks the current path when turned off.
スイッチング素子S5は、ノードN1および電力線PLの間に電気的に接続される。スイッチング素子S5は、オン時にノードN1から電力線PLへ向かう電流経路を形成する一方で、オフ時に当該電流経路を遮断する。スイッチング素子S5は、負荷30へ供給される力行電流をオンオフするスイッチとして機能する。
Switching element S5 is electrically connected between node N1 and power line PL. Switching element S5 forms a current path from node N1 to power line PL when turned on, and blocks the current path when turned off. The switching element S5 functions as a switch that turns on and off the power running current supplied to the
スイッチング素子S6は、スイッチング素子S5に対して逆並列に、ノードN1および電力線PLの間に電気的に接続される。スイッチング素子S6は、オン時に電力線PLからノードN1へ向かう電流経路を形成する一方で、オフ時に当該電流経路を遮断する。スイッチング素子S5は、負荷30から供給される回生電流をオンオフするスイッチとして機能する。
Switching element S6 is electrically connected between node N1 and power line PL in antiparallel with switching element S5. Switching element S6 forms a current path from power line PL to node N1 when turned on, and blocks the current path when turned off. The switching element S5 functions as a switch for turning on and off the regenerative current supplied from the
図1の構成例において、スイッチング素子S1〜S6は「第1の半導体素子」〜「第6の半導体素子」にそれぞれ対応する。図1の構成例では、「第1の半導体素子」〜「第6の半導体素子」の各々が、電流経路の形成および遮断を制御可能なスイッチング素子によって構成される。リアクトルL1およびL2は「第1のリアクトル」および「第2のリアクトル」にそれぞれ対応する。 In the configuration example of FIG. 1, the switching elements S1 to S6 correspond to “first semiconductor element” to “sixth semiconductor element”, respectively. In the configuration example of FIG. 1, each of “first semiconductor element” to “sixth semiconductor element” is configured by a switching element capable of controlling the formation and blocking of a current path. Reactors L1 and L2 correspond to “first reactor” and “second reactor”, respectively.
また、図1の構成例では、逆並列に接続された、スイッチング素子S1およびS4のペア、スイッチング素子S2およびS3のペア、ならびに、スイッチング素子S5およびS6のペアの各々は、逆阻止IGBTモジュール等の双方向スイッチ11〜13によって、1モジュールで構成することも可能である。
Further, in the configuration example of FIG. 1, each of the pair of switching elements S1 and S4, the pair of switching elements S2 and S3, and the pair of switching elements S5 and S6 connected in antiparallel is a reverse blocking IGBT module or the like. The
制御装置100は、たとえば、図示しないCPU(Central Processing Unit)およびメモリを有する電子制御ユニット(ECU)によって構成される。制御装置100は、メモリに記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、各センサによる検出値を用いた演算処理を行なうように構成される。あるいは、制御装置100の少なくとも一部は、電子回路等のハードウェアにより所定の数値・論理演算処理を実行するように構成されてもよい。
The
制御装置100は、出力電圧VHを電圧指令値VH*に従って制御するために、スイッチング素子S1〜S6のオンオフを制御する制御信号SG1〜SG6を生成する。なお、図1では図示を省略しているが、直流電源B1の電圧(V1と表記する)および電流(I1と表記する)、直流電源B2の電圧(V2と表記する)および電流(I2と表記する)、ならびに、出力電圧VHの検出器(電圧センサ)が設けられている。これらの検出器の出力は、制御装置100へ与えられる。
図2は、図1に示された負荷30の構成例を示す概略図である。
図2を参照して、負荷30は、たとえば電動車両の走行用電動機を含むように構成される。負荷30は、平滑コンデンサCHと、インバータ32と、モータジェネレータ35と、動力伝達ギヤ36と、駆動輪37とを含む。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration example of the
Referring to FIG. 2, load 30 is configured to include, for example, a traveling motor for an electric vehicle.
モータジェネレータ35は、車両駆動力を発生するための走行用電動機であり、たとえば、複数相の永久磁石型同期電動機で構成される。モータジェネレータ35の出力トルクは、減速機や動力分割機構によって構成される動力伝達ギヤ36を経由して、駆動輪37へ伝達される。駆動輪37に伝達されたトルクにより電動車両が走行する。また、モータジェネレータ35は、電動車両の回生制動時には、駆動輪37の回転力によって発電する。この発電電力は、インバータ32によってAC/DC変換される。この直流電力は、電源システム5に含まれる直流電源B1,B2の充電電力として用いることができる。
The
モータジェネレータの他にエンジン(図示せず)が搭載されたハイブリッド自動車では、このエンジンおよびモータジェネレータ35を協調的に動作させることによって、電動車両に必要な車両駆動力が発生される。この際には、エンジンの回転による発電電力を用いて直流電源B1,B2を充電することも可能である。
In a hybrid vehicle in which an engine (not shown) is mounted in addition to the motor generator, vehicle driving force required for the electric vehicle is generated by cooperatively operating the engine and the
このように、電動車両は、走行用電動機を搭載する車両を包括的に示すものであり、エンジンおよび電動機を搭載したハイブリッド自動車と、エンジンを搭載しない電気自動車および燃料電池車との両方を含むものである。 As described above, the electric vehicle comprehensively represents a vehicle equipped with a traveling motor, and includes both a hybrid vehicle equipped with an engine and an electric motor, an electric vehicle not equipped with an engine, and a fuel cell vehicle. .
(電力変換器の動作)
電力変換器10は、特許文献2に記載された電力変換器と同様に、直流電源B1,B2と電力線PL,NLとの間での直流電力変換(DC/DC変換)の態様が異なる複数の動作モードを有する。これらの動作モードは、スイッチング素子のオンオフ制御の態様を切換えることによって選択的に適用される。
(Operation of power converter)
Similarly to the power converter described in
実施の形態1では、電力変換器10が有する複数の動作モードの各々について、力行動作(負荷30に対する電流供給時)の回路動作を説明する。
In the first embodiment, a circuit operation of a power running operation (at the time of supplying current to the load 30) is described for each of a plurality of operation modes of the
図3には、本実施の形態に従う電源システムにおける電力変換器の動作モード選択のためのブロック図が示される。さらに、図4には、図1に示した電力変換器が有する複数の動作モードを説明するための図表が示される。 FIG. 3 shows a block diagram for selecting an operation mode of the power converter in the power supply system according to the present embodiment. Furthermore, FIG. 4 shows a chart for explaining a plurality of operation modes of the power converter shown in FIG.
図3を参照して、制御装置100は、要求電圧設定部102と、モード選択部104とを有する。なお、図3を始めとする各ブロック図中の各機能ブロックは、制御装置100(ECU)による、所定プログラムの実行によるソフトウェア処理および/または専用の電子回路によるハードウェア処理によって、その機能が実現されるものとする。
Referring to FIG. 3,
要求電圧設定部102は、負荷30の動作状態に応じて、負荷要求電圧VHrqを設定する。
The required voltage setting unit 102 sets the required load voltage VHrq according to the operating state of the
ここで、負荷30へ供給される出力電圧VHは、負荷30の動作状態に応じて、一定電圧以上に設定することが必要となる。図2に例示するように、負荷30が、モータジェネレータ35を含んで構成される場合には、インバータ32の直流リンク側電圧に相当する出力電圧VHが、モータジェネレータ35のコイル巻線(図示せず)に生じる誘起電圧以上であることが必要である。
Here, the output voltage VH supplied to the
さらに、モータジェネレータ35のトルク制御において、同一トルクを出力する際の電流位相は、インバータ32の直流リンク電圧(出力電圧VH)によって変化する。また、モータジェネレータ35での電流振幅に対する出力トルクの比、すなわち、モータ効率は、電流位相に応じて変化する。したがって、モータジェネレータ35のトルク指令値が設定されると、当該トルク指令値に対応させて、モータジェネレータ35での効率が最大、すなわち、モータジェネレータ35での電力損失が最小となる最適な電流位相、および、この最適な電流位相を実現するための出力電圧VHを定めることができる。
Further, in the torque control of the
これらの要素を考慮して、負荷30の動作状態として、モータジェネレータ35の回転数およびトルクに基づいて、出力電圧VHに関する負荷要求電圧VHrqを設定することができる。上述のように、モータジェネレータ35の誘起電圧を考慮すると、負荷30の制御のためには、少なくともVH≧VHrqの範囲とすることが必要である。さらに、VH=VHrqとすれば、負荷30での損失を抑制することができる。なお、負荷30の動作状態としては、モータジェネレータ35が搭載された電動車両の動作状態(車速、アクセル開度等)を用いて負荷要求電圧VHrqを設定することも可能である。
Considering these factors, the load request voltage VHrq relating to the output voltage VH can be set as the operating state of the
モード選択部104は、負荷の30の動作状態に応じて求められた負荷要求電圧VHrqおよび負荷電力指令値PL*と、直流電源B1,B2の動作状態(電源状態)とに基づいて動作モードを選択する。モード選択部104は、動作モードの選択結果を示すモード選択信号MDを生成する。
The
なお、負荷電力指令値PL*は、負荷30が動作指令に従って動作した場合の負荷電力PLに相当する。たとえば、負荷電力指令値PL*は、モータジェネレータ35の回転数およびトルク指令値から求めることができる。実施の形態1では、力行動作のみを説明するので、PL*>0である。
The load power command value PL * corresponds to the load power PL when the
図4を参照して、モード選択信号MDによって選択される複数の動作モードは、並列接続モード(以下、PBモードとも称する)と、直列接続モード(以下、SBモードとも称する)と、直接給電モード(以下、DSモードとも称する)とを含む。電力変換器10におけるDSモードは、「第1の直接給電モード」に対応する。
Referring to FIG. 4, a plurality of operation modes selected by mode selection signal MD include a parallel connection mode (hereinafter also referred to as PB mode), a series connection mode (hereinafter also referred to as SB mode), and a direct power supply mode. (Hereinafter also referred to as DS mode). The DS mode in the
PBモードでは、直流電源B1およびB2と電力線PL,NLとの間で並列なDC/DC変換が実行される。PBモードでは、出力電圧VHは、max(V1,V2)から出力電圧VHの制御上限値である上限電圧VHmaxまでの範囲内で制御することができる(max(V1,V2)≦VH≦VHmax)。なお、max(V1,V2)について、V1>V2のときはmax(V1,V2)=V1であり、V2>V1のときはmax(V1,V2)=V2である。また、上限電圧VHmaxは、部品の耐圧等を考慮して定められる上限値である。 In the PB mode, parallel DC / DC conversion is performed between the DC power supplies B1 and B2 and the power lines PL and NL. In the PB mode, the output voltage VH can be controlled within a range from max (V1, V2) to an upper limit voltage VHmax that is a control upper limit value of the output voltage VH (max (V1, V2) ≦ VH ≦ VHmax). . For max (V1, V2), when V1> V2, max (V1, V2) = V1, and when V2> V1, max (V1, V2) = V2. Further, the upper limit voltage VHmax is an upper limit value determined in consideration of the breakdown voltage of the component.
SBモードでは、直列接続された直流電源B1およびB2と電力線PL,NLとの間でDC/DC変換が実行される。SBモードでは、出力電圧VHは(V1+V2)よりも低く設定することができないので、出力電圧VHは、(V1+V2)から上限電圧VHmaxまでの範囲内で制御することができる(V1+V2<VH≦VHmax)。 In the SB mode, DC / DC conversion is performed between the DC power supplies B1 and B2 connected in series and the power lines PL and NL. In the SB mode, since the output voltage VH cannot be set lower than (V1 + V2), the output voltage VH can be controlled within the range from (V1 + V2) to the upper limit voltage VHmax (V1 + V2 <VH ≦ VHmax). .
なお、PBモードおよびSBモードでは、電力線PL,NL間の出力電圧VHは、スイッチング素子S1〜S6のオンオフ制御を伴って、電圧指令値VH*に従って制御される。各モードにおけるスイッチング素子S1〜S6のオンオフ制御については後述する。 In PB mode and SB mode, output voltage VH between power lines PL and NL is controlled according to voltage command value VH * with on / off control of switching elements S1 to S6. The on / off control of the switching elements S1 to S6 in each mode will be described later.
一方、DSモードでは、直流電源B1およびB2を電力線PLおよびNLの間に直列に接続した状態が維持されるように、スイッチング素子S1〜S6のオンオフは固定される。DSモードでは、出力電圧VHは、直流電源B1,B2の電圧V1,V2に依存して決まるため、直接制御することができなくなる(VH=V1+V2に固定)。 On the other hand, in the DS mode, on / off of switching elements S1 to S6 is fixed so that DC power supplies B1 and B2 are connected in series between power lines PL and NL. In the DS mode, the output voltage VH is determined depending on the voltages V1 and V2 of the DC power supplies B1 and B2, and thus cannot be directly controlled (fixed to VH = V1 + V2).
このため、DSモードでは、出力電圧VHが負荷30の動作に適した電圧に設定できなくなることにより、負荷30での電力損失が増加する可能性がある。一方で、DSモードでは、スイッチング素子S1〜S6がオンオフされないため、電力変換器10の電力損失が大幅に抑制される。したがって、負荷30の動作状態によっては、DSモードの適用によって、負荷30の電力損失増加量よりも電力変換器10での電力損失減少量が多くなることにより、電源システム5全体での電力損失が抑制できる可能性がある。
For this reason, in the DS mode, the output voltage VH cannot be set to a voltage suitable for the operation of the
たとえば、モード選択部104は、各動作モードでの出力可能なVH範囲の制限を考慮して、VH≧VHreqとできる動作モードのうちから、電源システム5全体の損失が最小となるように、動作モードを選択することができる。
For example, the
次に、各動作モードにおける電力変換器10の回路動作を説明する。まず、PBモードでの回路動作および制御について、図5〜図12を用いて説明する。
Next, the circuit operation of the
(PBモードにおける回路動作および制御)
図5および図6には、直流電源B1の出力制御(第1の直流電源)のための動作が示される。
(Circuit operation and control in PB mode)
5 and 6 show an operation for output control (first DC power supply) of the DC power supply B1.
図5を参照して、スイッチング素子S3をオンすることにより、直流電源B1に対して、昇圧チョッパの下アームをオンしたときの電流経路61を形成することができる。電流経路61は、直流電源B1、リアクトルL1、ノードN2、スイッチング素子S3(オン)および電力線NLを経由してリアクトルL1の電流IL1(以下、リアクトル電流IL1とも称する)が流れるように形成される。これにより、直流電源B1から出力された電力が、電磁エネルギとしてリアクトルL1に蓄積される。
Referring to FIG. 5, by turning on switching element S3, a
図6を参照して、スイッチング素子S3をオフする一方でスイッチング素子S4およびS5をオンすることにより、直流電源B2に対して、昇圧チョッパの上アームをオンしたときの電流経路63を形成することができる。これにより、直流電源B1から出力された電力と、上アームオン期間にリアクトルL1に蓄積された電磁エネルギによる電力との和が、電力線PLへ出力される。
Referring to FIG. 6, by turning off switching element S3 while turning on switching elements S4 and S5,
図7および図8には、直流電源B2(第2の直流電源)の出力制御のための動作が示される。 7 and 8 show operations for output control of the DC power supply B2 (second DC power supply).
図7を参照して、スイッチング素子S1をオンすることにより、直流電源B2に対して、昇圧チョッパの下アームをオンしたときの電流経路62を形成することができる。電流経路62は、直流電源B2、リアクトルL2、ノードN1、スイッチング素子S1(オン)およびノードN2を経由してリアクトルL2の電流IL2(以下、リアクトル電流IL2とも称する)が流れるように形成される。これにより、直流電源B2から出力された電力が、電磁エネルギとしてリアクトルL2に蓄積される。
Referring to FIG. 7, by turning on switching element S1, it is possible to form a
図8を参照して、スイッチング素子S1をオフする一方でスイッチング素子S2およびS5をオンすることにより、直流電源B2に対して、昇圧チョッパの上アームをオンしたときの電流経路64を形成することができる。これにより、直流電源B2ら出力された電力と、上アームオン期間にリアクトルL2に蓄積された電磁エネルギによる電力との和が、電力線PLへ出力される。
Referring to FIG. 8, switching element S1 is turned off while switching elements S2 and S5 are turned on to form a
図5〜図8から理解されるように、直流電源B1に対しては、スイッチング素子S3が下アーム素子を形成する一方で、スイッチング素子S4が上アーム素子を形成する。同様に、直流電源B2に対しては、スイッチング素子S1が下アーム素子を形成する一方で、スイッチング素子S2が上アーム素子を形成する。スイッチング素子S5は、直流電源B1,B2から負荷30への力行電流をオンオフするためのスイッチ(力行スイッチ)を構成する。 As understood from FIGS. 5 to 8, for DC power supply B <b> 1, switching element S <b> 3 forms a lower arm element, while switching element S <b> 4 forms an upper arm element. Similarly, for DC power supply B2, switching element S1 forms a lower arm element, while switching element S2 forms an upper arm element. Switching element S5 constitutes a switch (powering switch) for turning on / off the powering current from DC power supplies B1, B2 to load 30.
図9には、PBモードにおけるスイッチング素子の制御動作例を説明するための波形図が示される。図9には、直流電源B1およびB2のPWM制御には共通(同一周波数および同一位相)のキャリア波CWが設けられる。 FIG. 9 is a waveform diagram for explaining an example of the control operation of the switching element in the PB mode. In FIG. 9, a common (same frequency and same phase) carrier wave CW is provided for PWM control of the DC power sources B1 and B2.
図9を参照して、直流電源B1の出力を制御するためのデューティ比DT1と、キャリア波CWとの電圧比較に基づいて、制御パルス信号SD1が生成される。同様に、直流電源B2の出力を制御するためのデューティ比DT2と、キャリア波CWとの比較に基づいて制御パルス信号SD2が生成される。制御パルス信号/SD1,/SD2は、それぞれ制御パルス信号SD1,SD2の反転信号である。なお、デューティ比DT1,DT2の演算例については、後程説明する。 Referring to FIG. 9, control pulse signal SD1 is generated based on a voltage comparison between duty ratio DT1 for controlling the output of DC power supply B1 and carrier wave CW. Similarly, control pulse signal SD2 is generated based on a comparison between duty ratio DT2 for controlling the output of DC power supply B2 and carrier wave CW. Control pulse signals / SD1, / SD2 are inverted signals of control pulse signals SD1, SD2, respectively. An example of calculating the duty ratios DT1 and DT2 will be described later.
図10には、PBモードにおける各スイッチング素子の制御信号を設定するためのゲート論理式が示される。 FIG. 10 shows a gate logical expression for setting a control signal for each switching element in the PB mode.
制御パルス信号SD1は、デューティ比DT1がキャリア波CWよりも高電圧であるときにHレベルに設定される。このため、直流電源B1に対して下アーム素子を形成するスイッチング素子S3の制御信号SG3は、制御パルス信号SD1に従って設定される。これに対して、直流電源B1に対して上アーム素子を形成するスイッチング素子S4の制御信号SG4は、制御パルス信号/SD1に従って設定される。 Control pulse signal SD1 is set to H level when duty ratio DT1 is higher than carrier wave CW. For this reason, the control signal SG3 of the switching element S3 that forms the lower arm element with respect to the DC power supply B1 is set according to the control pulse signal SD1. On the other hand, the control signal SG4 of the switching element S4 that forms the upper arm element with respect to the DC power supply B1 is set according to the control pulse signal / SD1.
同様に、制御パルス信号SD2は、デューティ比DT2がキャリア波CWよりも高電圧であるときにHレベルに設定される。このため、直流電源B2に対して下アーム素子を形成するスイッチング素子S1の制御信号SG1は、制御パルス信号SD2に従って設定される。これに対して、直流電源B2に対して上アーム素子を形成するスイッチング素子S2の制御信号SG2は、制御パルス信号/SD2に従って設定される。 Similarly, control pulse signal SD2 is set to H level when duty ratio DT2 is higher than carrier wave CW. For this reason, the control signal SG1 of the switching element S1 that forms the lower arm element with respect to the DC power supply B2 is set according to the control pulse signal SD2. On the other hand, control signal SG2 of switching element S2 that forms the upper arm element with respect to DC power supply B2 is set according to control pulse signal / SD2.
実施の形態1では、負荷30の力行モードでの動作を説明するので、スイッチング素子S5はオンに固定される一方で、スイッチング素子S6はオフに固定される。したがって、スイッチング素子S5の制御信号SG5は、Hレベルに固定される一方で、スイッチング素子S6の制御信号SG6は、Lレベルに固定される。
In the first embodiment, since the operation of the
このように、PBモードでは、直流電源B1,B2と負荷30(電力線PL,NL)との間で並列に直流電力を入出力するDC/DC変換を実行した上で、出力電圧VHを電圧指令値VH*に制御することができる。また、直流電源B1のDC/DC変換と直流電源B2のDC/DC変換とは独立に制御できるので、PBモードでは、総電力PHに対する、直流電源B1,B2の間での電力配分比kを設定することができる。ここでは、k=P1/PHと定義する。電力配分比kは、0≦k≦1.0の任意の値に設定することができる。 As described above, in the PB mode, DC / DC conversion for inputting / outputting DC power in parallel between the DC power supplies B1, B2 and the load 30 (power lines PL, NL) is executed, and then the output voltage VH is set to a voltage command. It can be controlled to the value VH *. In addition, since the DC / DC conversion of the DC power supply B1 and the DC / DC conversion of the DC power supply B2 can be controlled independently, the power distribution ratio k between the DC power supplies B1 and B2 with respect to the total power PH is set in the PB mode. Can be set. Here, it is defined as k = P1 / PH. The power distribution ratio k can be set to an arbitrary value of 0 ≦ k ≦ 1.0.
次に、図11および図12を用いて、PBモードにおける電力変換器の制御を説明する。図11は、PBモードにおける電力変換器10による電圧制御を説明する概念図であり、図12は、電力変換器制御のための制御演算を説明するブロック図が示される。
Next, control of the power converter in the PB mode will be described using FIG. 11 and FIG. FIG. 11 is a conceptual diagram illustrating voltage control by the
図11を参照して、直流電源B1の電力P1および直流電源B2の電力P2の各々は、放電時に正値(P1>0,P2>0)で示され、充電時には負値(P1<0,P2<0)で示されるものとする。負荷30が消費する負荷電力PLについても、負荷30の力行動作時には正値(PL>0)で示される一方で、負荷30の回生動作時には負値(PL<0)で示される。直流電源B1およびB2の総電力PHは、電力P1およびP2の和で示される(PH=P1+P2)。
Referring to FIG. 11, each of electric power P1 of DC power supply B1 and electric power P2 of DC power supply B2 is shown as a positive value (P1> 0, P2> 0) during discharging, and is negative (P1 <0, It is assumed that P2 <0). The load power PL consumed by the
出力電圧VHは、電力線PL,NL間に接続された平滑コンデンサCHにおける電力授受に着目すると、総電力PHが負荷電力PLよりも大きい状態(PH>PL)では上昇する一方で、PH<PLの状態では低下する。したがって、PBモードにおける電力変換器制御では、出力電圧VHの電圧指令値VH*に対する電圧偏差ΔVHに応じて総電力PHの指令値が設定される。さらに、電力配分比kに従って総電力PHを電力P1およびP2の間で分配することにより、各直流電源B1,B2の出力を電力制御(電流制御)することができる。 Focusing on the power transfer in the smoothing capacitor CH connected between the power lines PL and NL, the output voltage VH rises when the total power PH is larger than the load power PL (PH> PL), while PH <PL Decreases in condition. Therefore, in the power converter control in the PB mode, the command value of the total power PH is set according to the voltage deviation ΔVH of the output voltage VH with respect to the voltage command value VH *. Furthermore, by distributing the total power PH between the powers P1 and P2 according to the power distribution ratio k, the outputs of the DC power supplies B1 and B2 can be power controlled (current controlled).
図12を参照して、PBモードにおいて電力変換器10を制御するための制御部150aは、電圧制御器152と、電力分配率設定部155と、乗算部158と、減算部159,166,168と、除算部160,165と、電流制御器170,175と、PWM制御部200aとを含む。
Referring to FIG. 12,
電圧制御器152は、出力電圧VHの電圧偏差(ΔVH=VH*−VH)に基づいて、電圧制御のために要求される、総電力PHの電力指令値PH*を算出する。たとえば、電圧制御器152は、PI演算によって、下記(1)式に従ってPH*を設定する。
Based on the voltage deviation (ΔVH = VH * −VH) of the output voltage VH, the
PH*=Kp・ΔVH+Σ(Ki・ΔVH) …(1)
式(1)中のKpは比例制御ゲインであり、Kiは積分制御ゲインである。これらの制御ゲインには、平滑コンデンサCHの容量値も反映される。式(1)に従って電力指令値PH*を設定することにより、電圧偏差ΔVHを低減するためのフィードバック制御を実現できる。
PH * = Kp · ΔVH + Σ (Ki · ΔVH) (1)
In Expression (1), Kp is a proportional control gain, and Ki is an integral control gain. These control gains also reflect the capacitance value of the smoothing capacitor CH. By setting power command value PH * in accordance with equation (1), feedback control for reducing voltage deviation ΔVH can be realized.
あるいは、負荷30の動作状態から負荷電力PLを予測できる場合には、この予測値PL*をさらに反映して、式(2)に従って電力指令値PH*を設定することも可能である。このようにすると、負荷30での電力消費をフィードフォワードする形で出力電圧VHを制御することができる。
Alternatively, when the load power PL can be predicted from the operating state of the
PH*=Kp・ΔVH+Σ(Ki・ΔVH)+PL* …(2)
電力分配率設定部155は、PBモードにおける電力配分比kを設定する。電力配分比kは、予め定められたマップ等に従って、直流電源B1,B2の状態(たとえば、SOC(State of Charge)あるいは充放電上限電力のバランス)または、出力電力レベル(PH)等に基づいて決めることができる。
PH * = Kp · ΔVH + Σ (Ki · ΔVH) + PL * (2)
The power distribution
乗算部158は、電圧制御器152によって設定された電力指令値PH*と、電力分配率設定部155によって設定された電力配分比kとの乗算に従って、直流電源B1の電力指令値P1*を算出する。減算部159は、電力指令値PH*から電力指令値P1*を減算することによって、直流電源B2の電力指令値P2*を算出する。このように、直流電源B1,B2の電力指令値P1*,P2*が設定される。
なお、直流電源B1,B2の電力P1,P2については、SOCおよび温度等から、充電電力および放電電力の上限値がそれぞれ設定されることが一般的である。したがって、図示は省略しているが、電力指令値P1*,P2*については、直流電源B1,B2の充放電電力の上限値を超えない範囲内に制限して設定される。また、電力指令値PH*については、直流電源B1,B2の充放電電力の上限値のそれぞれの和で規定される上限範囲を超えないように制限して設定される
除算部160は、電力指令値P1*を直流電源B1の電圧V1で除算することによって、直流電源B1の電流指令値I1*を算出する。同様に、除算部165は、電力指令値P2*を直流電源B2の電圧V2で除算することによって、直流電源B2の電流指令値I2*を算出する。
In general, for power P1 and P2 of DC power supplies B1 and B2, upper limit values of charging power and discharging power are respectively set based on SOC, temperature, and the like. Therefore, although not shown, the power command values P1 * and P2 * are set so as to be within a range not exceeding the upper limit value of the charge / discharge power of the DC power sources B1 and B2. In addition, power command value PH * is set so as not to exceed the upper limit range defined by the sum of the upper limit values of the charge / discharge power of DC power supplies B1 and B2. The current command value I1 * of the DC power supply B1 is calculated by dividing the value P1 * by the voltage V1 of the DC power supply B1. Similarly,
減算部166は、直流電源B1の電流I1および電流指令値I1*の電流偏差ΔI1(ΔI1=I1*−I1)を算出する。減算部168は、直流電源B2の電流I2および電流指令値I2*の電流偏差ΔI2(ΔI2=I2*−I2)を算出する。
電流制御器170,175は、電流偏差ΔI1,ΔI2に基づく電流フィードバック制御により、直流電源B1,B2の出力をそれぞれ制御するためのデューティ比DT1,DT2を算出する。たとえば、デューティ比DT1,DT2は、PI演算を伴う下記(3)式、(4)式に従って算出される。
DT1=Kp・ΔI1+Σ(Ki・ΔI1)+Dff1 …(3)
DT2=Kp・ΔI2+Σ(Ki・ΔI2)+Dff2 …(4)
式(3),(4)中のKpは比例制御ゲインであり、Kiは積分制御ゲインである。これらの制御ゲインは、式(1),(2)とは別個に設定できる。また、Dff1およびDff2は、昇圧チョッパでの理論昇圧比に従うフィードフォワード項であり、たとえば、Dff1=1.0−(V1/VH*),Dff2=1.0−(V2/VH*)である。
DT1 = Kp · ΔI1 + Σ (Ki · ΔI1) + Dff1 (3)
DT2 = Kp · ΔI2 + Σ (Ki · ΔI2) + Dff2 (4)
In equations (3) and (4), Kp is a proportional control gain, and Ki is an integral control gain. These control gains can be set separately from the equations (1) and (2). Dff1 and Dff2 are feedforward terms according to the theoretical step-up ratio in the step-up chopper, for example, Dff1 = 1.0− (V1 / VH *), Dff2 = 1.0− (V2 / VH *). .
PWM制御部200aは、電流制御器170,172によって設定されたデューティ比DT1,DT2およびキャリア波CWに基づいて、図9で説明したパルス幅変調制御によって、制御パルス信号SD1,SD2を生成する。さらに、図10に示したゲート論理式に従って、スイッチング素子S1〜S6の制御信号SG1〜SG6が、制御パルス信号SD1(/SD1)およびSD2(/SD2)に従って生成される。
The
このようにして、電力変換器10は、PBモードでのDC/DC変換において、出力電圧VHの電圧偏差を電力指令値に変換して、各直流電源B1,B2の出力を電流制御することによって、出力電圧VHを電圧指令値VH*に制御することができる。また、直流電源B1,B2間での電力配分比kを簡易に制御することができる。
In this way, the
あるいは、PBモードでは、特許文献2に記載されるように、直流電源B1およびB2の一方の出力を、出力電圧VHの電圧偏差ΔVH(ΔVH=VH*−VH)を補償するように制御(電圧制御)するとともに、直流電源B1およびB2の他方の出力を、電流I1またはI2の電流偏差を補償するように制御(電流制御)することも可能である。この際にも、電流制御の指令値(I1*またはI2*)は、当該電源の出力電力を制御するように設定することができるので、直流電源B1,B2間での電力配分比kを制御することが可能である。
Alternatively, in the PB mode, as described in
さらに、直流電源B1の下アームオン期間(図5)と直流電源B2の上アームオン期間(図8)とが重なっても、電流経路61,64が重なるノードN2および電力線NL間において、それぞれの電流方向は反対であるので、スイッチング素子S2,S3での導通損失が低下する。同様に、直流電源B2の下アームオン期間(図7)と直流電源B1の上アームオン期間(図6)とが重なっても、電流経路62,63が重なるノードN1およびノードN2間において、それぞれの電流方向は反対であるので、スイッチング素子S1,S4での導通損失が低下する。
Furthermore, even if the lower arm on period (FIG. 5) of the DC power supply B1 and the upper arm on period (FIG. 8) of the DC power supply B2 overlap, the current directions between the node N2 and the power line NL where the
また、直流電源B1およびB2の間で上アームオン期間(図6,図8)が重なっても、電流経路63および64は、力行スイッチであるスイッチング素子S6以外では重ならない。同様に、直流電源B1およびB2の間で下アームオン期間(図5,図7)が重なっても、電流経路61および62は、互いに重ならない。
Further, even if the upper arm on period (FIGS. 6 and 8) overlaps between DC power supplies B1 and B2,
このように、本実施の形態に従う電力変換器10では、PBモードにおいて、直流電源B1に係るDC/DC変換による電流と、直流電源B2に係るDC/DC変換による電流が、共通のスイッチング素子を重なって流れることによって、スイッチング素子の導通損失が増加する現象は発生しない。したがって、高効率にDC/DC変換を実行することができる。
Thus, in
(SBモードにおける回路動作および制御)
次に、図13〜図18により、SBモードでの回路動作および制御について説明する。
(Circuit operation and control in SB mode)
Next, the circuit operation and control in the SB mode will be described with reference to FIGS.
図13〜図15は、SBモードでの電力変換器の動作を説明するための回路図である。 図13を参照して、スイッチング素子S1,S3をオンすることによって、直列接続された直流電源B1,B2のそれぞれについて、リアクトルL1,L2にエネルギを蓄積するための電流経路61および62が形成される。電流経路61および62は、図5および図7に示したのと同様である。この結果、直列接続された直流電源B1,B2に対して、昇圧チョッパ回路の下アーム素子をオンした状態が形成される
図14を参照して、スイッチング素子S1,S3をオフして、スイッチング素子S2,S4,S5をオンすることによって、電流経路65が形成される。これにより、直列接続された直流電源B1,B2からのエネルギと、リアクトルL1,L2に蓄積されたエネルギとの和が電力線PLへ出力される。この結果、直列接続された直流電源B1,B2に対して、昇圧チョッパ回路の上アーム素子をオンした状態が形成される。
13 to 15 are circuit diagrams for explaining the operation of the power converter in the SB mode. Referring to FIG. 13, by turning on switching elements S1 and S3,
電流経路65は、IL1=IL2のときの電流経路である。このときには、スイッチング素子S2、S4には電流が流れない。
The
しかしながら、電圧V1およびV2が異なるときや、リアクトルL1,L2のインダクタンス値が異なる場合には、スイッチング素子S1,S3をターンオフして、スイッチング素子S2,S4,S5をターンオンした時点において、リアクトル電流IL1およびIL2は異なる値であることが考えられる。 However, when the voltages V1 and V2 are different, or when the inductance values of the reactors L1 and L2 are different, the reactor current IL1 is turned on when the switching elements S1, S3 are turned off and the switching elements S2, S4, S5 are turned on. And IL2 are considered to be different values.
たとえば、図15に示されるように、IL1>IL2の場合には、スイッチング素子S4のオンによる電流経路67によって、リアクトル電流IL1の経路が確保される。
For example, as shown in FIG. 15, when IL1> IL2, the path of the reactor current IL1 is secured by the
このように、SBモードでは、直流電圧(Va+Vb)と、出力電圧VHとの間のDC/DC変換が、図13〜図15に示された昇圧チョッパ回路によって実行される。したがって、SBモードのDC/DC変換では、直流電源B1,B2の電圧V1,V2および出力電圧VHの間には、下記(3)式に示す関係が成立する。(5)式では、下アーム素子(スイッチング素子S1,S3)のオン期間のデューティ比をDsとする。 As described above, in the SB mode, DC / DC conversion between the DC voltage (Va + Vb) and the output voltage VH is executed by the boost chopper circuit shown in FIGS. Therefore, in the SB mode DC / DC conversion, the relationship expressed by the following equation (3) is established between the voltages V1 and V2 of the DC power supplies B1 and B2 and the output voltage VH. In equation (5), the duty ratio of the lower arm elements (switching elements S1, S3) during the ON period is Ds.
VH=1/(1−Ds)・(V1+V2) …(5)
図16には、SBモードにおけるスイッチング素子の制御動作例を説明するための波形図が示される。
VH = 1 / (1-Ds). (V1 + V2) (5)
FIG. 16 is a waveform diagram for explaining an example of the control operation of the switching element in the SB mode.
図16を参照して、SBモードでは、出力電圧VHを電圧指令値VH*に制御するためのデューティ比DTsとキャリア波CWとの比較に基づいて、制御パルス信号SDsが生成される。制御パルス信号/SDsは、制御パルス信号SDsの反転信号である。 Referring to FIG. 16, in the SB mode, control pulse signal SDs is generated based on a comparison between duty ratio DTs for controlling output voltage VH to voltage command value VH * and carrier wave CW. The control pulse signal / SDs is an inverted signal of the control pulse signal SDs.
図17には、SBモードにおける各スイッチング素子の制御信号を設定するためのゲート論理式が示される。 FIG. 17 shows a gate logical expression for setting a control signal for each switching element in the SB mode.
図17を参照して、制御パルス信号SDsは、デューティ比DTsがキャリア波CWよりも高電圧であるときにHレベルに設定される。このため、直列接続された直流電源B1,B2に対して下アーム素子を形成するスイッチング素子S1,S3の制御信号SG1,SG3は、制御パルス信号SDsに従って設定される。これに対して、直列接続された直流電源B1,B2に対して上アーム素子を形成するスイッチング素子S2,S4の制御信号SG2,SG4は、制御パルス信号/SDsに従って設定される。 Referring to FIG. 17, control pulse signal SDs is set to the H level when duty ratio DTs is higher than carrier wave CW. For this reason, control signals SG1 and SG3 of switching elements S1 and S3 that form lower arm elements for DC power supplies B1 and B2 connected in series are set according to control pulse signal SDs. In contrast, control signals SG2 and SG4 of switching elements S2 and S4 that form upper arm elements for DC power supplies B1 and B2 connected in series are set according to control pulse signal / SDs.
実施の形態1で説明される負荷30の力行モードでは、PBモードと同様に、力行スイッチを構成するスイッチング素子S5がオンに固定される一方で、回生スイッチを構成するスイッチング素子S6はオフに固定される。したがって、SBモードにおいても、スイッチング素子S5の制御信号SG5は、Hレベルに固定される一方で、スイッチング素子S6の制御信号SG6は、Lレベルに固定される。
In the powering mode of the
図16には、下アーム素子(スイッチング素子S1,S3)のオン期間において、実線で示したリアクトル電流IL1の上昇レートの方が、点線で示したリアクトル電流IL2の上昇レートよりも高いときの動作例が示される。 FIG. 16 shows the operation when the rising rate of reactor current IL1 indicated by the solid line is higher than the rising rate of reactor current IL2 indicated by the dotted line during the on period of the lower arm elements (switching elements S1 and S3). An example is shown.
このときには、下アーム素子(スイッチング素子S1,S3)のターンオフおよび上アーム素子(スイッチング素子S2,S4)のターンオンに応じて、リアクトル電流IL1,IL2が低下に転じると、IL1>IL2のため、図15に示された電流経路67および65を、リアクトル電流IL1およびIL2が流れる。そして、リアクトル電流IL1はIL2に徐々に近づいていき、IL1=IL2となると、図14に示された電流経路65のみが形成されるようになる。なお、図示は省略するが。反対に、IL1<IL2の場合には、スイッチング素子S2のオンによって形成される電流経路によって、リアクトル電流IL2の経路が確保されることになる。
At this time, if the reactor currents IL1 and IL2 turn down in response to the turn-off of the lower arm elements (switching elements S1 and S3) and the turn-on of the upper arm elements (switching elements S2 and S4), IL1> IL2. Reactor currents IL1 and IL2 flow through
図18は、SBモードにおける電力変換器制御のための制御演算を説明するブロック図である。 FIG. 18 is a block diagram illustrating a control calculation for power converter control in the SB mode.
図18を参照して、SBモードにおいて電力変換器10を制御するための制御部150bは、減算部192と、電圧制御器195と、PWM制御部200bとを含む。
Referring to FIG. 18,
減算部192は、出力電圧VHおよび電圧指令値VH*の電圧偏差ΔVH(ΔVH=VH*−VH)を算出する。
The
電圧制御器195は、電圧V1,V2および電圧指令値VH*によって式(5)に従ったフィードフォワード制御によるデューティ比Dsと、電圧偏差ΔVHを補償するためのフィードバック制御によるデューティ比との組み合わせによって、SBモードにおけるデューティ比DTsを算出することができる。
The
PWM制御部200bは、電圧制御器195によって設定されたデューティ比DTsおよびキャリア波CWに基づいて、図16で説明したパルス幅変調制御によって、制御パルス信号SDsを生成する。さらに、図17に示したゲート論理式に従って、スイッチング素子S1〜S6の制御信号SG1〜SG6が、制御パルス信号SDs,/SDsに従って生成される。
The
このようにして、電力変換器10は、SBモードでは、電圧(V1+V2)からの昇圧比の制御により、出力電圧VHを電圧指令値VH*に制御できる。SBモードにおける昇圧比(VH/V1+V2)は、PBモードにおける昇圧比VH/V1,VH/V2よりも抑制されるので、電流リップルの低減によってリアクトルL1,L2での損失を抑制することができる。この結果、電力変換器10でのDC/DC変換の効率を高めることができる。
Thus, in the SB mode,
なお、SBモードでは、直流電源B1およびB2が直列接続された状態で、電力線PL(負荷30)との間でDC/DC変換が実行されるので、直流電源B1の電力P1および直流電源B2の電力P2を直接制御することができない。すなわち、直流電源B1,B2の電力P1,P2の比は、電圧V1,V2の比によって、下記(6)式に従って自動的に決まる。 In the SB mode, DC / DC conversion is performed with the power line PL (load 30) in a state where the DC power sources B1 and B2 are connected in series. Therefore, the power P1 of the DC power source B1 and the DC power source B2 The power P2 cannot be directly controlled. That is, the ratio of the electric power P1 and P2 of the DC power supplies B1 and B2 is automatically determined according to the following equation (6) according to the ratio of the voltages V1 and V2.
P1:P2=V1:V2 …(6)
(DSモードにおける回路動作および制御)
図19は、DSモードにおける電力変換器の動作を説明するための回路図であり、図20は、DSモードにおける各スイッチング素子の制御信号を設定するためのゲート論理式を説明する図表である。さらに、図21には、DSモードにおける電力変換器10の等価回路図が示される。
P1: P2 = V1: V2 (6)
(Circuit operation and control in DS mode)
FIG. 19 is a circuit diagram for explaining the operation of the power converter in the DS mode, and FIG. 20 is a chart for explaining a gate logical expression for setting a control signal of each switching element in the DS mode. Furthermore, FIG. 21 shows an equivalent circuit diagram of the
図19を参照して、DSモードでは、スイッチング素子S1〜S4およびS6をオフに固定するとともに、スイッチング素子S5のみがオンに固定される。これにより、図21の等価回路図に示されるように、直列接続された直流電源B1,B2が電力線PL,NL間に電気的に接続された状態が維持されて、電流経路65が継続的に形成される。
Referring to FIG. 19, in the DS mode, switching elements S1 to S4 and S6 are fixed to off, and only switching element S5 is fixed to on. As a result, as shown in the equivalent circuit diagram of FIG. 21, the state where the DC power sources B1 and B2 connected in series are electrically connected between the power lines PL and NL is maintained, and the
したがって、図20に示されるように、DSモードでは、スイッチング素子S1〜S4,S6の制御信号SG1〜SG4,SG6は、Lレベルに固定される。一方で、スイッチング素子S5の制御信号SG5は、Hレベルに固定される。 Therefore, as shown in FIG. 20, in the DS mode, control signals SG1 to SG4 and SG6 of switching elements S1 to S4 and S6 are fixed to the L level. On the other hand, the control signal SG5 of the switching element S5 is fixed at the H level.
DSモードでは、出力電圧VHは、直流電源B1,B2の電圧V1,V2に依存して決まるため(VH=V1+V2)、直接制御することができない。しかしながら、スイッチング素子S1〜S6のオンオフが固定されるため、電力変換器10では、スイッチング素子のオンオフによる損失(スイッチング損失)が発生しない。また、スイッチング素子の導通損失についても、1個のスイッチング素子(S6)にしか発生しない。このため、DSモードでは、電力変換器10における損失が大幅に抑制されることにより、高効率化を図ることができる。
In the DS mode, the output voltage VH is determined depending on the voltages V1 and V2 of the DC power supplies B1 and B2 (VH = V1 + V2) and cannot be directly controlled. However, since ON / OFF of switching elements S1 to S6 is fixed, in
以上、実施の形態1で説明したように、本実施の形態に従う電力変換器10の構成によれば、特許文献2と比較して少ない個数の半導体素子によって、複数の動作モード(PBモード、SBモードおよびDSモード)を切換えたDC/DC変換を、少なくとも負荷30の力行動作に対応して、高効率に実行することができる。特に、各モードにおいて、特許文献2の電力変換器と比較して、電力変換器での損失(特に、導通損失)を抑制することで、効率を高めることが可能である。
As described above in the first embodiment, according to the configuration of
[実施の形態1の変形例]
実施の形態1の変形例では、直流電源B1,B2の両方を出力制御を実行するPBモードでのパルス幅変調制御におけるキャリア波の位相制御(以下、キャリア位相制御)について説明する。
[Modification of Embodiment 1]
In the modification of the first embodiment, carrier wave phase control (hereinafter referred to as carrier phase control) in pulse width modulation control in PB mode in which output control is performed on both DC power supplies B1 and B2 will be described.
図22には、キャリア位相制御の適用時におけるPBモードでの電力変換器のスイッチング素子の制御動作例が示される。 FIG. 22 shows a control operation example of the switching element of the power converter in the PB mode when the carrier phase control is applied.
図22を参照して、キャリア位相制御が適用される実施の形態1の変形例では、直流電源B1のPWM制御のためのキャリア波CW1と、直流電源B2のPWM制御のためのキャリア波CW2とは、同一周波数の別個の信号として発生される。さらに、キャリア波CW1,CW2の間の位相差φが調整される。これに対して、図9に示された波形図は、φ=0度のときに相当する。 Referring to FIG. 22, in the modification of the first embodiment to which carrier phase control is applied, carrier wave CW1 for PWM control of DC power supply B1 and carrier wave CW2 for PWM control of DC power supply B2 Are generated as separate signals of the same frequency. Further, the phase difference φ between the carrier waves CW1 and CW2 is adjusted. On the other hand, the waveform diagram shown in FIG. 9 corresponds to φ = 0 degrees.
キャリア波CW1,CW2の位相を変化させても、デューティ比DT1,DT2との比較によって得られる制御パルス信号SD1,SD2のHレベル期間の比率は変化しない。したがって、リアクトル電流IL1およびIL2の各々の平均値は変わらない。すなわち、直流電源B1,B2の出力は、デューティ比DT1,DT2によって制御されるものであり、キャリア波CW1,CW2の位相差φを変化させても影響が生じない。 Even if the phases of the carrier waves CW1 and CW2 are changed, the ratio of the H level period of the control pulse signals SD1 and SD2 obtained by comparison with the duty ratios DT1 and DT2 does not change. Therefore, the average values of reactor currents IL1 and IL2 do not change. That is, the outputs of DC power supplies B1 and B2 are controlled by duty ratios DT1 and DT2, and there is no effect even if phase difference φ between carrier waves CW1 and CW2 is changed.
一方で、キャリア波CW1,CW2の間の位相差φを変化させることにより、リアクトル電流IL1およびリアクトル電流IL2の位相関係(電流位相)が変化することが理解される。このため、実施の形態1の変形例では、PBモードにおいて、キャリア波CW1およびCW2の間の位相差φを適切に調整するキャリア位相制御によって、スイッチング素子S1〜S6における電力損失の低減を図る。 On the other hand, it is understood that the phase relationship (current phase) between reactor current IL1 and reactor current IL2 changes by changing phase difference φ between carrier waves CW1 and CW2. For this reason, in the modification of the first embodiment, in the PB mode, power loss in switching elements S1 to S6 is reduced by carrier phase control that appropriately adjusts phase difference φ between carrier waves CW1 and CW2.
デューティ比DT1,DT2に従う制御パルス信号SD1(/SD1),SD2(/SD2)のエッジに応答して、リアクトル電流IL1,IL2に変曲点が生じる。制御パルス信号SD1がLレベルからHレベルに転じるエッジにおいて、リアクトル電流IL1の極小点(電流が低下から上昇に転じる変曲点)が生じ、HレベルからLレベルへ遷移するエッジにおいてリアクトル電流IL1の極大点(電流が上昇から低下に転じる変曲点)が発生する。 Inflection points occur in reactor currents IL1 and IL2 in response to the edges of control pulse signals SD1 (/ SD1) and SD2 (/ SD2) according to duty ratios DT1 and DT2. At the edge where the control pulse signal SD1 changes from the L level to the H level, the minimum point of the reactor current IL1 (inflection point where the current changes from the decrease to the increase) occurs, and at the edge where the current changes from the H level to the L level, A local maximum point (an inflection point where the current turns from rising to lowering) occurs.
同様に、制御パルス信号SD2がLレベルからHレベルに遷移するエッジに対応して、リアクトル電流IL2の極小点が発生し、HレベルからLレベルへ遷移するエッジに対応して、リアクトル電流IL2の極大点が発生する。 Similarly, a minimum point of reactor current IL2 is generated corresponding to the edge at which control pulse signal SD2 transitions from the L level to the H level, and in response to the edge transitioning from the H level to the L level, reactor current IL2 A maximum point is generated.
図23〜図25には、図22の各期間における電流経路を説明するための回路図が示される。 23 to 25 are circuit diagrams for explaining current paths in each period of FIG.
図23は、図22における時刻ta〜tb間、すなわち、リアクトル電流IL1が低下する一方でリアクトル電流IL2が上昇する期間における電流経路を説明する図である。 FIG. 23 is a diagram illustrating a current path between time ta and tb in FIG. 22, that is, a period in which reactor current IL2 increases while reactor current IL1 decreases.
図23を参照して、リアクトル電流IL1に対しては、スイッチング素子S4のオンにより、昇圧チョッパの上アーム素子をオンしたときの電流経路63が形成される。一方で、リアクトル電流IL2に対しては、スイッチング素子S1のオンにより、昇圧チョッパの下アーム素子をオンしたときの電流経路62が形成される。さらに、力行スイッチに相当するスイッチング素子S5もオンされる。
Referring to FIG. 23, for reactor current IL1, a
図23の状態では、並列接続されたスイッチング素子S1,S4において、互いに反対方向の電流が通過するので、導通損失およびスイッチング損失を低減できることが理解される。スイッチング素子S5には、総電力PHに応じた電流が流れる。一方で、スイッチング素子S2,S3,S6には電流が流れていないので、導通損失は発生しない。 In the state of FIG. 23, it is understood that the conduction loss and the switching loss can be reduced because the currents in the opposite directions pass through the switching elements S1 and S4 connected in parallel. A current corresponding to the total power PH flows through the switching element S5. On the other hand, since no current flows through the switching elements S2, S3, S6, no conduction loss occurs.
図24には、図22における時刻tb〜tc間、すなわち、リアクトル電流IL1が上昇する一方で、リアクトル電流IL2が低下する期間の電流経路が示される。 FIG. 24 shows a current path between time tb and tc in FIG. 22, that is, a period in which reactor current IL1 rises while reactor current IL2 falls.
図24を参照して、リアクトル電流IL1に対しては、スイッチング素子S3のオンにより、昇圧チョッパの下アーム素子をオンしたときの電流経路61が形成される。一方で、リアクトル電流IL2に対しては、スイッチング素子S2をオンすることにより、上アーム素子をオンした時の電流経路64が形成される。
Referring to FIG. 24, for reactor current IL1, a
図24の状態では、並列接続されたスイッチング素子S2,S3において、互いに異なる方向の電流が流れる。したがって、スイッチング素子S2,S3における導通損失およびスイッチング損失が低減する。一方で、スイッチング素子S1,S4,S6には、導通損失が発生しない。 In the state of FIG. 24, currents in different directions flow in switching elements S2 and S3 connected in parallel. Therefore, conduction loss and switching loss in the switching elements S2 and S3 are reduced. On the other hand, no conduction loss occurs in the switching elements S1, S4, and S6.
図25には、図22での時刻tc〜td間、すなわち、リアクトル電流IL1およびIL2の両方が上昇している期間における電流波形が示される。 FIG. 25 shows a current waveform between times tc and td in FIG. 22, that is, a period in which both reactor currents IL1 and IL2 are rising.
図25を参照して、スイッチング素子S1,S3をオンすることにより、リアクトル電流IL1およびILの各々に対して、昇圧チョッパの下アーム素子をオンしたときの電流経路61および62がそれぞれ形成されている。このとき、スイッチング素子S1およびS2には、リアクトル電流IL2およびIL1に相当する導通損失が発生する。一方で、その他のスイッチング素子に対しては、電流が流れていないため導通損失は発生しない。
Referring to FIG. 25, by turning on switching elements S1 and S3,
図23〜図25の比較により、図23および図24のような、リアクトル電流IL1およびIL2の傾きの極性が反対である期間においては、リアクトル電流IL1,IL2が打ち消し合う方向に重なる経路が形成されることにより、導通損失およびスイッチング損失の低下を図ることができる。したがって、力行動作時のPBモードでは、図23または図24に示された期間が長くなるように、リアクトル電流IL1,IL2の位相を、それぞれの極大点と極小点とが時間軸上で一致するように位相差φを制御することで、スイッチング素子での電力損失を抑制することができる。 23 to 25, a path is formed in which the reactor currents IL1 and IL2 cancel each other in a period in which the polarities of the slopes of the reactor currents IL1 and IL2 are opposite as shown in FIGS. As a result, the conduction loss and the switching loss can be reduced. Therefore, in the PB mode during the power running operation, the phases of reactor currents IL1 and IL2 are matched on the time axis with respect to the phases of reactor currents IL1 and IL2, so that the period shown in FIG. Thus, by controlling the phase difference φ, power loss in the switching element can be suppressed.
たとえば、図22に示されたように、リアクトル電流IL1の極小点とリアクトル電流IL2の極大点とが一致するような電流位相となるように、キャリア波の位相差φを制御することができる。このようにすると、キャリア波CW1、CW2の1周期において、時刻ta〜tcの期間にわたって、リアクトル電流IL1およびIL2の傾きの特性が反対となる期間を最大限確保できる。 For example, as shown in FIG. 22, the phase difference φ of the carrier wave can be controlled so that the current phase is such that the minimum point of reactor current IL1 and the maximum point of reactor current IL2 coincide. In this way, in one cycle of carrier waves CW1 and CW2, it is possible to secure the maximum period during which the characteristics of the slopes of reactor currents IL1 and IL2 are opposite over the period from time ta to tc.
また、図23〜図25を通じて、電力変換器10のPBモードにおいて、スイッチング素子S1〜S6のいずれにおいても、リアクトル電流IL1およびIL2が強め合うように重なることによって導通損失が増加する現象は発生しないことが理解される。
Further, through FIGS. 23 to 25, in the PB mode of the
なお、図22の波形図では、上記のような位相差φの制御を行なった結果、リアクトル電流IL1,IL2の両方が低下する期間、すなわち、リアクトル電流IL1およびIL2の各々に対して、昇圧チョッパの上アーム素子をオンする期間が存在していない。このような期間では、図6に示した電流経路63と、図8に示した電流経路64とが形成されることになる。
In the waveform diagram of FIG. 22, as a result of controlling the phase difference φ as described above, a boost chopper is provided for each period during which both reactor currents IL1 and IL2 decrease, that is, reactor currents IL1 and IL2. There is no period for turning on the upper arm element. In such a period, the
この場合においても、リアクトル電流IL1がスイッチング素子S4,S5を流れる一方で、リアクトル電流IL2は、S2,S5を流れる。したがって、図25に示された、リアクトル電流IL1およびIL2の両方が上昇する期間と同様に、リアクトル電流IL1,IL2の打ち消し合いによる導通損失の抑制効果は生じないものの、力行スイッチとなるスイッチング素子S5を除けば、リアクトル電流IL1,IL2が重なることにより導通損失の増大は発生しないことが理解される。 Also in this case, reactor current IL1 flows through switching elements S4 and S5, while reactor current IL2 flows through S2 and S5. Therefore, as in the period in which both reactor currents IL1 and IL2 rise as shown in FIG. 25, the effect of suppressing conduction loss due to cancellation of reactor currents IL1 and IL2 does not occur, but switching element S5 serving as a power running switch Except for, it is understood that the conduction loss does not increase due to the overlap of reactor currents IL1 and IL2.
図26は、実施の形態1の変形例に従うキャリア位相制御を適用したPWM制御に関連する構成を説明するための機能ブロック図である。 FIG. 26 is a functional block diagram for illustrating a configuration related to PWM control to which carrier phase control according to the modification of the first embodiment is applied.
図26を参照して、実施の形態1の変形例では、図12の構成に加えて、キャリア位相制御部190がさらに設けられる。キャリア位相制御部190は、図22に示されたキャリア波CW1およびCW2を、位相差φを調整した上で生成する。
Referring to FIG. 26, in the modification of the first embodiment, a carrier
図22からも理解されるように、制御パルス信号SD1,SD2は、デューティ比DT1,DT2によって変化する。したがって、図22のような電流位相が実現できる位相差φについても、デューティ比DT1,DT2に応じて決定できることが理解できる。このため、リアクトル電流IL1の極大点およびリアクトル電流IL2の極小点、または、リアクトル電流IL1の極小点およびリアクトル電流IL2の極大点が時間軸上で一致するような電流位相を実現するための位相差φと、デューティ比DT1,DT2との関係を予め求めるとともに、当該対応関係を予めマップあるいは関数式として格納することが可能である。 As understood from FIG. 22, the control pulse signals SD1 and SD2 change according to the duty ratios DT1 and DT2. Therefore, it can be understood that the phase difference φ capable of realizing the current phase as shown in FIG. 22 can be determined according to the duty ratios DT1 and DT2. Therefore, a phase difference for realizing a current phase such that the maximum point of reactor current IL1 and the minimum point of reactor current IL2 or the minimum point of reactor current IL1 and the maximum point of reactor current IL2 coincide on the time axis. It is possible to obtain the relationship between φ and the duty ratios DT1 and DT2 in advance and store the correspondence as a map or a function expression in advance.
キャリア位相制御部190は、PWMモードにおける電力変換器制御(図12)に従って算出されたデューティ比DT1,DT2に基づいて、当該マップまたは関係式に従って、適切な位相差φを設定し、当該位相差φに従ってキャリア波CW1およびCW2を生成することができる。
The carrier
PWM制御部200aは、図22に示されたPWM制御によって、制御パルス信号SD1(/SD1),SD2(/SD2)を生成する。すなわち、制御パルス信号SD1(/SD1)は、デューティ比DT1とキャリア波CW1の電圧比較に基づいて生成され、制御パルス信号SD2(/SD2)は、デューティ比DT2およびキャリア波CW2の電圧比較に従って生成される。
The
これにより、実施の形態1の変形例に従う電源システムでは、図22に示したような電流位相が実現するためのキャリア位相制御の適用によって、力行動作時のPBモードにおけるDC/DC変換でのスイッチング素子の損失(導通損失および/またはスイッチング損失)を低下することにより、電力変換をさらに高効率化することが可能である。 Thus, in the power supply system according to the modification of the first embodiment, the switching in the DC / DC conversion in the PB mode during the power running operation is performed by applying the carrier phase control for realizing the current phase as shown in FIG. By reducing the element loss (conduction loss and / or switching loss), it is possible to further increase the efficiency of power conversion.
[実施の形態2]
実施の形態1では、電力変換器10の各動作モードでの力行動作について説明した。電力変換器10は、以下に説明するような回路動作によって、負荷30の回生動作に対応して、直流電源B1および/またはB2の充電を伴うDC/DC変換も実行することができる。実施の形態2では、実施の形態1で説明した、DSモード、SBモードおよびPBモードのそれぞれにおける回生時の回路動作および制御について説明する。
[Embodiment 2]
In the first embodiment, the power running operation in each operation mode of the
(DSモードにおける回生動作)
図27は、DSモードの回生動作時における電流経路を説明するための回路図である。
(Regenerative operation in DS mode)
FIG. 27 is a circuit diagram for explaining a current path during the regenerative operation in the DS mode.
図27を参照して、DSモードの回生動作時には、直列接続された直流電源B1およびB2の両方が、負荷30からの回生電流によって充電される。すなわち、図19に示された電流経路65と電流方向が逆方向となる、リアクトル電流IL1=IL2となる電流経路65rが形成される。
Referring to FIG. 27, during the regenerative operation in DS mode, both DC power supplies B1 and B2 connected in series are charged by the regenerative current from
図28には、DSモードの回生動作時におけるスイッチング素子S1〜S6の制御信号SG1〜SG6のゲート論理式が示される。 FIG. 28 shows gate logical expressions of control signals SG1 to SG6 of switching elements S1 to S6 during the regenerative operation in the DS mode.
図28を参照して、図27に示した電流経路65rが形成されるように、スイッチング素子S6をオン状態に固定するように制御信号SG6がHレベルに固定される。一方で、スイッチング素子S1〜S5はすべてオフされるので、制御信号SG1〜SG5はLレベルに固定される。
Referring to FIG. 28, control signal SG6 is fixed at the H level so as to fix switching element S6 to the on state so that
このように、図28の制御信号SG1〜SG6に従ってスイッチング素子S1〜S6のオンオフを固定することにより、直列接続された直流電源B1,B2を、負荷30からの回生電流によって充電できる。このときに、電力線PLの出力電圧VHは、VH=V1+V2となり、電圧指令値VH*に従って自由に制御することができなくなる。この点は、DSモードの力行動作時と同様である。
In this manner, the DC power sources B1 and B2 connected in series can be charged by the regenerative current from the
(SBモードにおける回生動作)
図29および図30には、SBモードの回生動作時における電流経路を示すための回路図が示される。また、図31には、SBモードの回生動作時における制御信号SG1〜SG6のゲート論理比が示す図表が示される。
(Regenerative operation in SB mode)
29 and 30 are circuit diagrams for showing current paths during the regeneration operation in the SB mode. FIG. 31 shows a chart showing the gate logic ratios of the control signals SG1 to SG6 during the regeneration operation in the SB mode.
図29および図30を参照して、SBモードの回生動作時には、図29に示した電流経路65rが形成される期間と、図30に示した電流経路61rおよび62rが形成される期間とが交互に実現するようにスイッチング素子S1〜S6のオンオフが制御される。
Referring to FIGS. 29 and 30, during the regeneration operation in the SB mode, the period in which
SBモードでは、出力電圧VHを電圧指令値VH*に制御するために、回生スイッチであるスイッチング素子S6のデューティ比が制御される。一方で、スイッチング素子S5(力行スイッチ)はオフ状態に維持される。 In the SB mode, in order to control the output voltage VH to the voltage command value VH *, the duty ratio of the switching element S6 that is a regenerative switch is controlled. On the other hand, the switching element S5 (power running switch) is maintained in the off state.
図29には、スイッチング素子S6のオン時における電流経路が示される。スイッチング素子S6のオン時には、スイッチング素子S6を通過した負荷30からの回生電流が、ノードN1および電力線NLの間に直列接続された直流電源B1およびB2を充電するように、電流経路65rが形成される。電流経路65rでは、リアクトル電流IL1およびIL2は共通である。電流経路65rを形成するためには、スイッチング素子S6のみがオンされて、スイッチング素子S1〜S5はオフされていればよい。
FIG. 29 shows a current path when the switching element S6 is on. When switching element S6 is on,
図30には、スイッチング素子S6のオフ時における電流経路が示される。スイッチング素子S6のオフ時には、負荷30からの回生電流の供給が停止された状態で、リアクトル電流IL1およびIL2の経路が必要となる。したがって、スイッチング素子S2およびS4をオンすることによって、リアクトル電流IL1,IL2の電流経路61r,62rが確保される。
FIG. 30 shows a current path when the switching element S6 is off. When the switching element S6 is turned off, the paths of the reactor currents IL1 and IL2 are required while the supply of the regenerative current from the
電流経路61rは、直流電源B1に対して昇圧チョッパの下アーム素子をオンしたときの電流経路61(図13)と電流方向が反対となる電流経路である。同様に、電流経路62rは、直流電源B2に対して昇圧チョッパの下アーム素子をオンしたときの電流経路62(図13)と電流方向が反対となる電流経路である。電流経路61r,62rを形成するためにスイッチング素子S2,S4がオンされる一方で、スイッチング素子S1,S3はオフされている。
The
したがって、図31に示されるように、SBモードの回生動作時には、スイッチング素子S6の制御信号SG6は、図18に示された制御部150bからの制御パルス信号/SDsに応じて設定される。一方で、オフ状態に固定されるスイッチング素子S5の制御信号SG5は、Lレベルに固定される。SBモードにおけるデューティ比DTsは、図18と同様に、出力電圧VHを電圧指令値VH*に制御するように設定され、制御パルス信号SDsは、デューティ比DTsに従って生成される。
Therefore, as shown in FIG. 31, during the regeneration operation in the SB mode, control signal SG6 of switching element S6 is set according to control pulse signal / SDs from
さらに、スイッチング素子S2,S4の制御信号SG2,SG4は、電流経路61r,62rを形成するために、図18に示された制御部150bからの制御パルス信号SDsに従って設定される。また、オフ状態に固定されるスイッチング素子S1,S3の制御信号SG1,SG3は、Lレベルに固定される。
Furthermore, the control signals SG2 and SG4 of the switching elements S2 and S4 are set according to the control pulse signal SDs from the
このように、SBモードの回生動作時には、スイッチング素子S6をデューティ比DTsに従ってオンオフ制御することにより、出力電圧VHを電圧指令値VH*に制御しながら、直流電源B1およびB2を直列に、回生電流によって充電することが可能である。 Thus, during the regenerative operation in the SB mode, the DC power supplies B1 and B2 are connected in series with the regenerative current while controlling the output voltage VH to the voltage command value VH * by controlling the switching element S6 according to the duty ratio DTs. It is possible to charge by.
(PBモードにおける回生動作1)
次に、PBモードにおける回生動作について説明する。本実施の形態に従う電力変換器10では、PBモードの回生動作においては、直流電源B1およびB2の一方のみが充電対象となり、他方の直流電源は放電することになる。まず、図32〜図37を用いて、直流電源B1を充電対象とする回生動作について説明する。
(
Next, the regenerative operation in the PB mode will be described. In
図32は、直流電源B1を充電対象とするPBモードの回生動作時におけるスイッチング素子S1〜S6の制御信号SG1〜SG6のゲート論理式を説明する図表である。 FIG. 32 is a table for explaining gate logical expressions of control signals SG1 to SG6 of switching elements S1 to S6 during a regenerative operation in the PB mode in which DC power supply B1 is charged.
図32を参照して、制御パルス信号SD1,/SD1,SD2,/SD2は、PBモードの力行動作時と同様に、図22に示された制御部150aによって、出力電圧VHを電圧指令値VH*に制御するように生成される。
Referring to FIG. 32, control pulse signals SD1, / SD1, SD2, and / SD2 are output from output voltage VH to voltage command value VH by
直流電源B1を充電対象とするPBモードの回生動作時には、回生スイッチであるスイッチング素子S6は、直流電源B1の上アーム素子として動作する必要がある。したがって、スイッチング素子S6の制御信号SG6は、図22に示された制御部150aからの制御パルス信号/SD1に従って設定される。
During the regenerative operation in the PB mode in which the DC power supply B1 is charged, the switching element S6 that is a regenerative switch needs to operate as an upper arm element of the DC power supply B1. Therefore, control signal SG6 of switching element S6 is set according to control pulse signal / SD1 from
力行スイッチに相当するスイッチング素子S5は、放電対象となる直流電源B2の上アーム素子として機能する必要がある。したがって、スイッチング素子S5の制御信号SG5は、制御部150a(図22)からの制御パルス信号/SD2に従って設定される。
The switching element S5 corresponding to the power running switch needs to function as an upper arm element of the DC power source B2 to be discharged. Therefore, control signal SG5 of switching element S5 is set according to control pulse signal / SD2 from
スイッチング素子S2は、スイッチング素子S6をオフした時のリアクトル電流IL1の経路を確保するために、スイッチング素子S6と交互にオンオフされる必要がある。さらに、スイッチング素子S2は、放電対象である直流電源B2の上アーム素子としても機能する必要がある。したがって、スイッチング素子S2の制御信号SG2は、図22に示された制御部150aからの制御パルス信号SD1および/SD2の論理和(OR)に従って設定される。
The switching element S2 needs to be turned on and off alternately with the switching element S6 in order to secure a path for the reactor current IL1 when the switching element S6 is turned off. Furthermore, the switching element S2 needs to function as an upper arm element of the DC power source B2 to be discharged. Therefore, control signal SG2 of switching element S2 is set according to the logical sum (OR) of control pulse signals SD1 and / SD2 from
スイッチング素子S1は、放電対象である直流電源B2の下アーム素子として機能するとともに、充電対象である直流電源B1の上アーム素子として動作する必要がある。したがって、スイッチング素子S1の制御信号SG1は、図22に示された制御部150aからの制御パルス信号/SD1およびSD2の論理和(OR)に従って設定される。
The switching element S1 functions as a lower arm element of the DC power supply B2 to be discharged and needs to operate as an upper arm element of the DC power supply B1 to be charged. Therefore, control signal SG1 of switching element S1 is set according to the logical sum (OR) of control pulse signals / SD1 and SD2 from
これに対して、充電対象となる直流電源B1に対しては、リアクトルL1にエネルギを蓄積するための電流経路61(図5)を形成する必要がない。したがって、電流経路61を形成するためのスイッチング素子S3はオフ状態に維持される。この結果、制御信号SG3はLレベルに固定される。
On the other hand, it is not necessary to form the current path 61 (FIG. 5) for storing energy in the reactor L1 for the DC power source B1 to be charged. Therefore, the switching element S3 for forming the
同様に、放電対象となる直流電源B2に対しては、電流経路62(図7)と逆方向の電流経路を形成する必要がない。したがって、スイッチング素子S4はオフ状態に維持されるので、制御信号SG4はLレベルに固定される。 Similarly, it is not necessary to form a current path in the opposite direction to the current path 62 (FIG. 7) for the DC power source B2 to be discharged. Therefore, since switching element S4 is maintained in the OFF state, control signal SG4 is fixed at the L level.
図33には、直流電源B1を充電対象とするPBモードの回生動作時における動作波形図が示される。図33では、比較のために、キャリア位相制御によって図22と同様に電流位相(位相差φ)が制御されたときの波形図が示される。 FIG. 33 shows an operation waveform diagram during the regenerative operation in the PB mode in which the DC power supply B1 is a charge target. In FIG. 33, for comparison, a waveform diagram when the current phase (phase difference φ) is controlled by the carrier phase control as in FIG. 22 is shown.
図33において、充電対象である直流電源B1のリアクトル電流IL1は、回生電流、すなわち負電流(IL1<0)である。したがって、時刻ta〜tbにおいて、リアクトル電流IL1が低下しているが、この期間では充電電流(絶対値)は増大している。反対に、時刻tb〜tdでは、リアクトル電流IL1は上昇しているが、この期間では充電電流(絶対値)は減少していることになる。一方で、直流電源B2のリアクトル電流IL2は、力行電流、すなわち正電流(IL2>0)である。 In FIG. 33, the reactor current IL1 of the DC power supply B1 to be charged is a regenerative current, that is, a negative current (IL1 <0). Therefore, the reactor current IL1 decreases from time ta to tb, but the charging current (absolute value) increases during this period. On the other hand, the reactor current IL1 increases from time tb to td, but the charging current (absolute value) decreases during this period. On the other hand, reactor current IL2 of DC power supply B2 is a power running current, that is, a positive current (IL2> 0).
以降では、リアクトル電流IL1の回生時においても、図33の波形図において、時刻tbにおけるリアクトル電流IL2は極小点(電流が低下から上昇に転じる変曲点)であり、時刻tbにおけるリアクトル電流IL1は極大点(電流が上昇から低下に転じる変曲点)と表記する。 Thereafter, even during the regeneration of the reactor current IL1, in the waveform diagram of FIG. 33, the reactor current IL2 at the time tb is a minimum point (an inflection point where the current starts to increase from the decrease), and the reactor current IL1 at the time tb is It is expressed as a local maximum point (an inflection point at which the current turns from rising to lowering).
図34〜図36には、図33の各期間における電流経路を説明するための回路図が示される。 34 to 36 are circuit diagrams for explaining current paths in each period of FIG.
図34には、図33における時刻ta〜tb間、すなわち、リアクトル電流IL1が減少する(充電電流は増加)一方で、リアクトル電流IL2が上昇する(放電電流は増加)期間の電流経路が示される。 FIG. 34 shows a current path between time ta and tb in FIG. 33, that is, a period during which reactor current IL1 decreases (charge current increases) while reactor current IL2 increases (discharge current increases). .
図34を参照して、負荷30からの回生電流によって充電対象である直流電源B1を充電するためのリアクトル電流IL1の電流経路63rが、スイッチング素子S1,S6のオンによって形成される。電流経路63rは、力行動作時の直流電源B1の上アーム素子のオン期間に形成される電流経路63(図6)とは電流方向が逆である。これにより、直流電源B1の充電電流が増加する。すなわち、リアクトル電流IL1は、図33に示したように低下する。
Referring to FIG. 34, a current path 63r of reactor current IL1 for charging DC power supply B1 to be charged by a regenerative current from
これに対して、放電対象である直流電源B2については、下アーム素子に相当するスイッチング素子S1がオンされることにより、図7と同様の電流経路62が形成される。すなわち、時刻ta〜tbの期間では、直流電源B1(充電)に対して上アーム素子がオンされ、直流電源B2(放電)に対して下アーム素子がオンされるので、スイッチング素子S1およびS6はオンされる一方で、他のスイッチング素子S2〜S5はオフされている。
On the other hand, for the DC power source B2 to be discharged, the
図35には、図33における時刻tb〜tc間、すなわち、リアクトル電流IL1が上昇する(充電電流は減少)一方で、リアクトル電流IL2が低下する(放電電流は減少)期間の電流経路が示される。 FIG. 35 shows a current path between time tb and tc in FIG. 33, that is, a period during which reactor current IL1 increases (charge current decreases) while reactor current IL2 decreases (discharge current decreases). .
図35を参照して、時刻tb〜tcでは、スイッチング素子S6がオフされることにより、直流電源B1の充電が中止される。リアクトル電流IL1は、スイッチング素子S2のオンによって形成される電流経路61rを流れる。電流経路61rは、力行動作時の直流電源B1の下アーム素子のオン期間に形成される電流経路61(図5)とは電流方向が逆である。これにより、直流電源B1の充電電流が減少する。すなわち、リアクトル電流IL1は、図33に示したように上昇する。
Referring to FIG. 35, from time tb to tc, switching element S6 is turned off, so that charging of DC power supply B1 is stopped. Reactor current IL1 flows through
一方で、放電対象である直流電源B2に対しては、上アーム素子に相当するスイッチング素子S2,S5がオンされることにより、図8と同様の電流経路64が形成される。図33の時刻tb〜tc間では、直流電源B1に対しては下アーム素子がオンされる一方で直流電源B2に対しては上アーム素子がオンされる期間であるので、スイッチング素子S2およびS5がオンされる一方で、その他のスイッチング素子S1,S3,S4,S6はオフされている。
On the other hand, for the DC power source B2 to be discharged, switching elements S2 and S5 corresponding to the upper arm elements are turned on to form a
図36には、図33における時刻tc〜td間、すなわち、リアクトル電流IL1が上昇(充電電流は減少)するとともに、リアクトル電流IL2が上昇(放電電流は増加)する期間の電流経路が示される。 FIG. 36 shows a current path between time tc and td in FIG. 33, that is, a period during which reactor current IL1 increases (charge current decreases) and reactor current IL2 increases (discharge current increases).
図36を参照して、時刻tc〜tdでは、スイッチング素子S6がオフされる一方で、スイッチング素子S2がオンされることにより、図35(時刻tb〜tc)と同様に、リアクトル電流IL1は、電流経路61rを流れる。これにより、リアクトル電流IL1は上昇を続ける。
Referring to FIG. 36, at time tc to td, switching element S6 is turned off, while switching element S2 is turned on, so that reactor current IL1 is similar to FIG. 35 (time tb to tc). It flows through the
一方で、放電対象の直流電源B2に対しては、図34(時刻ta〜tb)と同様に、リアクトル電流IL2は、電流経路62を流れる。これにより、リアクトル電流IL2は上昇する。すなわち、図33の時刻tc〜td間では、直流電源B1およびB2の両方に対して下アーム素子がオンされるので、スイッチング素子S1およびS2がオンされる一方で、その他のスイッチング素子S3〜S6はオフされている。
On the other hand, for DC power source B2 to be discharged, reactor current IL2 flows through
なお、図33では、図22と同様に、リアクトル電流IL1が低下(充電電流が増加)するとともに、リアクトル電流IL2が低下(放電電流が減少)する期間が存在していない。しかしながら、直流電源B1,B2の両方に対して昇圧チョッパの上アーム素子をオンするように制御することにより、図34に示した電流経路63rと、図35に示した電流経路64とを形成することができる。具体的には、制御パルス信号/SD1,/SD2に応じて、スイッチング素子S1,S2,S5,S6がオンされることになる。
In FIG. 33, as in FIG. 22, there is no period during which reactor current IL1 decreases (charge current increases) and reactor current IL2 decreases (discharge current decreases). However, the current path 63r shown in FIG. 34 and the
このような図32に従ったスイッチング素子S1〜S6のオンオフ制御によって、PBモードにおいて、負荷30の回生動作に応じた直流電源B1の充電と直流電源B2の放電とを並列に実行しながら、出力電圧VHを電圧指令値VH*に制御することができる。
With such on / off control of the switching elements S1 to S6 according to FIG. 32, in the PB mode, the charging of the DC power supply B1 and the discharging of the DC power supply B2 according to the regenerative operation of the
なお、図34の電流経路62,63rでは、PBモードの力行動作時とはリアクトル電流IL1の電流方向が反対となることにより、スイッチング素子S1に、リアクトル電流IL1,IL2が同一方向に流れてしまう。これにより、スイッチング素子S1での導通損失が増加することが理解される。同様に、図35の電流経路61r,64では、スイッチング素子S2に、リアクトル電流IL1,IL2が同一方向に流れてしまう。これにより、スイッチング素子S1での導通損失が増加することが理解される。
In the
これに対して、図36の電流経路61r,62では、スイッチング素子S1〜S6の各々に、リアクトル電流IL1およびIL2の重なり合いは生じない。また、図示を省略した電流経路63r,64が形成される期間でも、スイッチング素子S1〜S4ではリアクトル電流IL1およびIL2の重なり合いは生じず、かつ、並列接続されたスイッチング素子S5,S6において、互いに異なる方向の電流が流れることが理解される。
In contrast, in
したがって、PBモードの回生動作時には、力行動作時とは異なり、リアクトル電流IL1およびIL2の傾きの極性が同一であるリアクトル電流IL1およびIL2の両方が低下する期間、あるいは、リアクトル電流IL1およびIL2の両方が上昇する期間において、スイッチング素子S1〜S6での損失(導通損失および/またはスイッチング損失)を低下できる。 Therefore, during the regenerative operation in the PB mode, unlike the power running operation, both reactor currents IL1 and IL2 in which the polarities of the gradients of reactor currents IL1 and IL2 are the same, or both reactor currents IL1 and IL2 are reduced. In the period when the voltage rises, the loss (conduction loss and / or switching loss) in the switching elements S1 to S6 can be reduced.
(PBモードにおける回生動作2)
次に、直流電源B2を対象としたときのPBモードの回生動作について説明する。
(
Next, the regenerative operation in the PB mode when the DC power source B2 is targeted will be described.
図37は、直流電源B2を充電対象とするPBモードの回生動作時におけるスイッチング素子S1〜S6の制御信号SG1〜SG6のゲート論理式を説明する図表である。 FIG. 37 is a chart for explaining gate logical expressions of control signals SG1 to SG6 of switching elements S1 to S6 during a regenerative operation in the PB mode in which DC power supply B2 is charged.
図37を参照して、制御パルス信号SD1,/SD1,SD2,/SD2は、図22に示された制御部150aによって、出力電圧VHを電圧指令値VH*に制御するように生成される。
Referring to FIG. 37, control pulse signals SD1, / SD1, SD2, / SD2 are generated by
直流電源B2を充電対象とするPBモードの回生動作時には、回生スイッチであるスイッチング素子S6は、直流電源B2の上アーム素子として動作する必要がある。したがって、スイッチング素子S6の制御信号SG6は、図22に示された制御部150aからの制御パルス信号/SD2に従って設定される。
During the regenerative operation in the PB mode in which the DC power supply B2 is charged, the switching element S6 that is a regenerative switch needs to operate as an upper arm element of the DC power supply B2. Therefore, control signal SG6 of switching element S6 is set according to control pulse signal / SD2 from
力行スイッチに相当するスイッチング素子S5は、放電対象となる直流電源B1の上アーム素子として機能する必要がある。したがって、スイッチング素子S5の制御信号SG5は、制御部150a(図22)からの制御パルス信号/SD1に従って設定される。
The switching element S5 corresponding to the power running switch needs to function as an upper arm element of the DC power source B1 to be discharged. Therefore, control signal SG5 of switching element S5 is set according to control pulse signal / SD1 from
スイッチング素子S4は、スイッチング素子S6をオフした時のリアクトル電流IL2の経路を確保するために、スイッチング素子S6と交互にオンオフされる必要がある。さらに、スイッチング素子S4は、放電対象である直流電源B1の上アーム素子としても機能する必要がある。したがって、スイッチング素子S2の制御信号SG2は、図22に示された制御部150aからの制御パルス信号/SD1およびSD2の論理和(OR)に従って設定される。
The switching element S4 needs to be turned on and off alternately with the switching element S6 in order to secure a path for the reactor current IL2 when the switching element S6 is turned off. Further, the switching element S4 needs to function as an upper arm element of the DC power source B1 that is a discharge target. Therefore, control signal SG2 of switching element S2 is set according to the logical sum (OR) of control pulse signals / SD1 and SD2 from
スイッチング素子S3は、放電対象である直流電源B1の下アーム素子として機能するとともに、充電対象である直流電源B2の直流電源B2の上アーム素子として動作する必要がある。したがって、スイッチング素子S1の制御信号SG1は、図22に示された制御部150aからの制御パルス信号SD1および/SD2の論理和(OR)に従って設定される。
The switching element S3 functions as a lower arm element of the DC power supply B1 to be discharged and needs to operate as an upper arm element of the DC power supply B2 of the DC power supply B2 to be charged. Therefore, control signal SG1 of switching element S1 is set according to the logical sum (OR) of control pulse signals SD1 and / SD2 from
これに対して、充電対象となる直流電源B2に対しては、リアクトルL2にエネルギを蓄積するための電流経路62(図7)を形成する必要がない。したがって、電流経路62を形成するためのスイッチング素子S1はオフ状態に維持される。この結果、制御信号SG1はLレベルに固定される。
On the other hand, it is not necessary to form the current path 62 (FIG. 7) for accumulating energy in the reactor L2 for the DC power source B2 to be charged. Therefore, the switching element S1 for forming the
同様に、放電対象となる直流電源B1に対しては、電流経路61r(図35)を形成する必要がない。したがって、スイッチング素子S2はオフ状態に維持されるので、制御信号SG2はLレベルに固定される。
Similarly, it is not necessary to form the
図38には、直流電源B2を充電対象とするPBモードの回生動作時における動作波形図が示される。図38においても、比較のために、キャリア位相制御によって図22および図33と同様に電流位相(位相差φ)が制御されたときの波形図が示される。 FIG. 38 shows an operation waveform diagram during the regenerative operation in the PB mode in which the DC power supply B2 is charged. Also in FIG. 38, for comparison, a waveform diagram when the current phase (phase difference φ) is controlled by the carrier phase control as in FIGS. 22 and 33 is shown.
図38において、充電対象である直流電源B2のリアクトル電流IL2は、回生電流、すなわち負電流(IL2<0)である。したがって、時刻ta〜tbにおいて、リアクトル電流IL2が上昇しているが、この期間では、充電電流(絶対値)は減少している。反対に、時刻tb〜tcでは、リアクトル電流IL2は低下しているが、この期間では充電電流(絶対値)は増大していることになる。一方で、直流電源B1のリアクトル電流IL1は、力行電流、すなわち正電流(IL1>0)である。 In FIG. 38, the reactor current IL2 of the DC power supply B2 to be charged is a regenerative current, that is, a negative current (IL2 <0). Therefore, the reactor current IL2 increases from time ta to tb, but the charging current (absolute value) decreases during this period. On the other hand, the reactor current IL2 decreases from time tb to tc, but the charging current (absolute value) increases during this period. On the other hand, the reactor current IL1 of the DC power supply B1 is a power running current, that is, a positive current (IL1> 0).
図39〜図41には、図38の各期間における電流経路を説明するための回路図が示される。 39 to 41 are circuit diagrams for explaining current paths in each period of FIG.
図39には、図38における時刻ta〜tb間、すなわち、リアクトル電流IL2が上昇(充電電流は減少)する一方で、リアクトル電流IL1が低下(放電電流は減少)する期間の電流経路が示される。 FIG. 39 shows a current path between time ta and tb in FIG. 38, that is, a period during which reactor current IL2 increases (charge current decreases) while reactor current IL1 decreases (discharge current decreases). .
図39を参照して、時刻ta〜tbでは、直流電源B2に対して下アーム素子がオンされる一方で、直流電源B1に対して上アーム素子がオンされた状態となる。これにより、スイッチング素子S6がオフされるとともに、スイッチング素子S4がオンされる。ことにより、直流電源B2の充電が中止されるとともに、リアクトル電流IL2は、スイッチング素子S4のオンによって形成される電流経路62rを流れる。これにより、直流電源B2の充電電流が減少する。すなわち、リアクトル電流IL2は、図33に示したように上昇する。
Referring to FIG. 39, from time ta to tb, the lower arm element is turned on for DC power supply B2, while the upper arm element is turned on for DC power supply B1. Thereby, the switching element S6 is turned off and the switching element S4 is turned on. As a result, charging of the DC power supply B2 is stopped, and the reactor current IL2 flows through a
一方で、放電対象である直流電源B1に対しては、上アーム素子に相当するスイッチング素子S4,S5がオンされることにより、図35と同様の電流経路63が形成される。この結果、スイッチング素子S4およびS5がオンされる一方で、その他のスイッチング素子S1〜S3,S6はオフされている。
On the other hand, for DC power supply B1 to be discharged, switching elements S4 and S5 corresponding to the upper arm elements are turned on to form a
図40には、図38おける時刻tb〜tc、すなわち、リアクトル電流IL2が低下する(充電電流は増加)一方で、リアクトル電流IL1が上昇(放電電流は増加)する期間の電流経路が示される。 FIG. 40 shows a current path from time tb to tc in FIG. 38, that is, a period in which reactor current IL2 decreases (charge current increases) while reactor current IL1 increases (discharge current increases).
図40を参照して、負荷30からの回生電流によって充電対象である直流電源B2を充電するためのリアクトル電流IL2の電流経路64が、スイッチング素子S3,S6のオンによって形成される。これにより、直流電源B2の充電電流が増加する。すなわち、リアクトル電流IL2は、図38に示したように低下する。
Referring to FIG. 40, a
これに対して、放電対象である直流電源B1については、下アーム素子に相当するスイッチング素子S3がオンされることにより、図5と同様の電流経路61が形成される。すなわち、時刻tb〜tcの期間では、直流電源B2(充電)に対して上アーム素子がオンされ、直流電源B1(放電)に対して下アーム素子がオンされるので、スイッチング素子S3およびS6はオンされる一方で、他のスイッチング素子S1,S2,S4,S5はオフされている。
On the other hand, for the DC power source B1 that is a discharge target, the
図41には、図38における時刻tc〜td間、すなわち、リアクトル電流IL1が上昇(放電電流は増加)するとともに、リアクトル電流IL2が上昇(充電電流は減少)する期間の電流経路が示される。 FIG. 41 shows a current path between time tc and td in FIG. 38, that is, a period during which reactor current IL1 rises (discharge current increases) and reactor current IL2 rises (charge current decreases).
図41を参照して、時刻tc〜tdでは、スイッチング素子S6がオフされる一方で、スイッチング素子S4がオンされることにより、図39(時刻ta〜tb)と同様に、リアクトル電流IL2は、電流経路62rを流れる。これにより、リアクトル電流IL2は上昇する。
Referring to FIG. 41, from time tc to td, switching element S6 is turned off, while switching element S4 is turned on, so that reactor current IL2 is similar to FIG. 39 (time ta to tb). It flows through the
一方で、放電対象の直流電源B1に対しては、図40(時刻tb〜tc)と同様に、リアクトル電流IL1は、電流経路61を流れる。これにより、リアクトル電流IL1は上昇を続ける。すなわち、図38の時刻tc〜td間では、直流電源B1およびB2の両方に対して下アーム素子がオンされるので、スイッチング素子S3およびS4がオンされる一方で、その他のスイッチング素子S1,S2,S5,S6はオフされる。
On the other hand, for DC power source B1 to be discharged, reactor current IL1 flows through
なお、図38では、図22および図33と同様に、リアクトル電流IL2が低下(充電電流が増加)するとともに、リアクトル電流IL1が低下(放電電流が減少)する期間が存在していない。しかしながら、直流電源B1,B2の両方に対して昇圧チョッパの上アーム素子をオンするように制御することにより、図40に示した電流経路64rと、図39に示した電流経路63とを形成することができる。具体的には、制御パルス信号/SD1,/SD2に応じて、スイッチング素子S3〜S6がオンされることになる。
In FIG. 38, as in FIGS. 22 and 33, there is no period in which reactor current IL2 decreases (charge current increases) and reactor current IL1 decreases (discharge current decreases). However, the
このような図38に従ったスイッチング素子S1〜S6のオンオフ制御によって、PBモードにおいて、負荷30の回生動作に応じた直流電源B2の充電と直流電源B1の放電とを並列に実行しながら、出力電圧VHを電圧指令値VH*に制御することができる。
With such on / off control of the switching elements S1 to S6 according to FIG. 38, in the PB mode, the charging of the DC power supply B2 and the discharging of the DC power supply B1 corresponding to the regenerative operation of the
また、直流電源B2を充電対象とするPBモードにおいても、図39の電流経路62r,63ではスイッチング素子S4において、図40の電流経路61r,64ではスイッチング素子S3において、リアクトル電流IL1,IL2が同一方向に流れてしまう。これにより、スイッチング素子での導通損失が増加することが理解される。
Also in the PB mode in which DC power supply B2 is charged, reactor currents IL1 and IL2 are the same in switching element S4 in
これに対して、図41の電流経路61,62rでは、スイッチング素子S1〜S6の各々に、リアクトル電流IL1およびIL2の重なり合いは生じない。また、図示を省略した電流経路63,64rが形成される期間でも、スイッチング素子S1〜S4ではリアクトル電流IL1およびIL2の重なり合いは生じず、かつ、並列接続されたスイッチング素子S5,S6において、互いに異なる方向の電流が流れることが理解される。
On the other hand, in
したがって、直流電源B2が充電対象であるときにも、PBモードの回生動作時には、リアクトル電流IL1およびIL2の傾きの極性が同一である期間、具体的には、リアクトル電流IL1およびIL2の両方が低下する期間、あるいは、リアクトル電流IL1およびIL2の両方が上昇する期間において、スイッチング素子S1〜S6での損失(導通損失および/またはスイッチング損失)を低下できる。 Therefore, even when DC power supply B2 is a charge target, during the regenerative operation in PB mode, the period in which the polarities of reactor currents IL1 and IL2 have the same polarity, specifically, both reactor currents IL1 and IL2 decrease. The loss (conduction loss and / or switching loss) in the switching elements S1 to S6 can be reduced during the period during which the reactor currents IL1 and IL2 increase.
このように、実施の形態1の変形例で説明したキャリア位相制御をPBモードの回生動作時に適用するときには、充電対象が直流電源B1,B2のいずれであっても、リアクトル電流IL1の極小点とリアクトル電流IL2の極小点とが時間軸上で一致するような、あるいは、リアクトル電流IL1の極大点とリアクトル電流IL2の極大点とが時間軸上で一致するような電流位相となるように、キャリア波の位相差φを制御することが好ましい。このようにすると、キャリア波CW1,CW2の1周期において、リアクトル電流IL1およびIL2の傾きの極性が同一となる期間を最大限確保できる。 As described above, when the carrier phase control described in the modification of the first embodiment is applied during the regenerative operation in the PB mode, the minimum point of the reactor current IL1 is determined regardless of whether the charging target is the DC power supply B1 or B2. The carrier is such that the minimum point of the reactor current IL2 matches on the time axis, or the current phase is such that the maximum point of the reactor current IL1 and the maximum point of the reactor current IL2 match on the time axis. It is preferable to control the wave phase difference φ. In this way, it is possible to secure the maximum period during which the polarities of the gradients of reactor currents IL1 and IL2 are the same in one cycle of carrier waves CW1 and CW2.
このように、本実施の形態に従う電力変換器10は、複数の動作モード(PBモード、SBモードおよびDSモード)を切換えたDC/DC変換を、負荷30の回生動作時にも、高効率に実行することができる。すなわち、電力変換器10は、PBモード、SBモードおよび、DSモードの各々において、負荷30の力行動作および回生動作の両方に対応して、DC/DC変換を実行することができる。さらに、PBモードの回生動作時にも、キャリア位相制御の適用により、スイッチング素子での損失をさらに低減することが可能である。
Thus,
図42には、各動作モードの負荷30の力行/回生動作時における直流電源B1およびB2の制御が示される。
FIG. 42 shows control of DC power supplies B1 and B2 during powering / regenerative operation of
図42を参照して、PBモードでは、負荷30の力行動作時には、直流電源B1,B2の両方が放電するように、直流電源B1およびB2と、負荷30との間で並列にDC/DC変換が実行される。これに対して、PBモードで負荷30が回生動作するときには、直流電源B1およびB2のいずれか一方を充電対象として、電力変換器10が動作する。
Referring to FIG. 42, in the PB mode, DC / DC conversion is performed in parallel between DC power supplies B1 and B2 and load 30 such that both DC power supplies B1 and B2 are discharged during powering operation of
すなわち、負荷30の回生動作時には、出力電圧VHを電圧指令値VH*に制御しながら、直流電源B1を充電する一方で直流電源B2を放電するようなDC/DC変換を、直流電源B1およびB2と負荷30との間で並列に実行することができる。あるいは、出力電圧VHを電圧指令値VH*に制御しながら、直流電源B2を充電する一方で直流電源B1を放電するようなDC/DC変換を、直流電源B1およびB2と負荷30との間で並列に実行することができる。この両者は、スイッチング素子S1〜S6のスイッチングパターンを図32および図37の間で切換えることにより、使い分けられる。
That is, during the regenerative operation of the
なお、PBモードでは、力行動作および回生動作(直流電源B1またはB2を充電)を通じて、制御パルス信号SD1(/SD1),SD2(/SD2)を生成するためのデューティ比DT1,DT2は、出力電圧VHを制御するための、共通の制御ロジック(たとえば図12)に従って算出することができる。 In the PB mode, duty ratios DT1 and DT2 for generating control pulse signals SD1 (/ SD1) and SD2 (/ SD2) through powering operation and regenerative operation (charging DC power supply B1 or B2) are output voltages. It can be calculated according to a common control logic (eg, FIG. 12) for controlling VH.
なお、回生動作時における充電対象の選択は、直流電源B1およびB2の状態、たとえば、充電量(SOC)や温度に基づいて実行することができる。また、直流電源B1およびB2の両方が満充電状態等により充電禁止となった場合には、負荷30の回生動作が禁止される。
The selection of the charging target during the regenerative operation can be executed based on the state of the DC power sources B1 and B2, for example, the amount of charge (SOC) and the temperature. Further, when both DC power sources B1 and B2 are prohibited from being charged due to a fully charged state or the like, the regenerative operation of the
SBモードでは、負荷30の力行動作時には、直列接続されたB1,B2の両方を放電する態様で、出力電圧VHを電圧指令値VH*に制御するようにDC/DC変換を実行することができる。一方で、負荷30が回生動作するときには、直列接続された直流電源B1,B2の両方を充電する態様で、出力電圧VHを電圧指令値VH*に制御するようにDC/DC変換を実行することができる。
In the SB mode, DC / DC conversion can be executed so that the output voltage VH is controlled to the voltage command value VH * in a mode in which both B1 and B2 connected in series are discharged during the power running operation of the
さらに、DSモードでは、負荷30の力行動作時には、直流電源B1,B2を直列接続した状態で放電することによって、負荷30に電力を供給できる。一方で、負荷30の回生動作時には、直流電源B1,B2を直列接続した状態で充電することによって、負荷30からの回生電力を回収することができる。
Further, in the DS mode, when the
SBモードおよびDSモードでは、直流電源B1およびB2の少なくとも一方が満充電状態等により充電禁止となった場合には、負荷30の回生動作が禁止される。
In the SB mode and the DS mode, when at least one of the DC power sources B1 and B2 is prohibited from being charged due to a fully charged state or the like, the regenerative operation of the
なお、上述のように、PBモードおよびSBモードでは、負荷30の力行動作時および回生動作時の間で、スイッチング素子S1〜S6のスイッチングパターンが異なっている。このスイッチングパターン(ゲート論理式)の切り換えについては、たとえば、負荷30の動作指令値に基づいて判断することができる。
As described above, in the PB mode and the SB mode, the switching patterns of the switching elements S1 to S6 are different between the power running operation and the regenerative operation of the
たとえば、負荷30がモータジェネレータ35(図2)を含む場合には、モータジェネレータ35のトルク指令値と回転数(正転または逆転)との積(PL*)に従って、モータジェネレータ35が力行動作(PL*>0)および回生動作(PL*<0)のいずれであるかに応じて、スイッチングパターンを切換えるように制御することができる。
For example, when
なお、PBモードでは、実施の形態1の変形例で説明したキャリア位相制御を組合せることによって、負荷30の力行動作時および回生動作時を通じて、スイッチング素子での損失をさらに抑制することができる。ただし、上述のように、力行動作時および回生動作時の間では、好ましいリアクトル電流の電流位相が異なってくる。したがって、上述したキャリア位相制御のための位相差φを設定するためのマップや関係式についても、回生動作時および負荷動作時でそれぞれ独立に設定することが好ましい。
In the PB mode, the loss in the switching element can be further suppressed during the power running operation and the regenerative operation of the
[実施の形態3]
実施の形態3では、直流電源B1,B2のうちの一方が発電機を含む可変直流電圧源として構成された場合の電源システムの構成および動作について説明する。
[Embodiment 3]
In the third embodiment, the configuration and operation of a power supply system when one of DC power supplies B1 and B2 is configured as a variable DC voltage source including a generator will be described.
図43は、実施の形態3に従う電源システム5♯の構成を示す回路図である。
図43を参照して、実施の形態3に従う電源システム5♯では、直流電源B1およびB2の一方が可変直流電圧源によって構成される。図23の構成例では、図1の直流電源B1が可変直流電圧源で構成された場合が示される。以下では、可変直流電圧源によって構成された直流電源B1について、直流電源B1♯と表記する。
FIG. 43 is a circuit diagram showing a configuration of
Referring to FIG. 43, in
直流電源B1♯は、AC電圧を発生する発電機構110と、AC/DC変換器120と、平滑キャパシタ130とを有する。発電機構110が発生するAC電圧は、電圧指令値Vac*に従って可変制御される。
DC power supply B1 # includes a
図44および図45は、直流電源B1♯の構成例を示す回路図である。
図44を参照して、発電機構110は、エンジン112および発電機115を含む。
44 and 45 are circuit diagrams showing configuration examples of DC power supply B1 #.
Referring to FIG. 44,
エンジン112の動作は、交流電圧指令Vac*に応じて設定される出力指令(エンジントルクおよびエンジン回転数)に従って制御される。発電機115は、エンジン112の出力によって発電することにより、AC電圧を出力する。発電機115の出力電圧は、エンジン112のトルクおよび回転数に従って変化する。このため、電圧指令Vac*に従ってエンジンの出力指令(トルク、回転数)を適切に設定することにより、発電機115からのAC電圧Vacを、制御指令Vac*に従って制御することができる。
The operation of
AC/DC変換器120は、ダイオードブリッジ121によって構成される。ダイオードブリッジ121は、発電機115からのAC電圧を整流して、直流電圧V1♯を出力する。
The AC /
AC電圧についての各相の振幅電圧Vpおよび角周波数ωを用いて、出力電圧V1♯は、下記(7)式で示すことができる。 Using the amplitude voltage Vp and the angular frequency ω of each phase for the AC voltage, the output voltage V1 # can be expressed by the following equation (7).
V1♯=(3√3/π)・Vp・sin(ωt) …(7)
すなわち、直流電源B1♯の電圧V1♯は、電圧指令値Vac*に従って発電機115が出力するAC電圧によって制御することができる。したがって、電圧V1♯の指令値に従って電圧指令Vac*を適切に設定することにより、電圧V1♯を可変に制御することができる。
V1 # = (3√3 / π) · Vp · sin (ωt) (7)
That is, voltage V1 # of DC power supply B1 # can be controlled by the AC voltage output from
図45を参照して、AC/DC変換器120は、PWM整流器122によって構成することも可能である。
Referring to FIG. 45, AC /
PWM整流器122は、三相のAC/DC変換器であり、スイッチング素子および逆並列ダイオードによって構成されたスイッチングモジュールが各相の上アームおよび下アームに配置されている。
The
PWM整流器122によれば、スイッチング素子のオンオフ制御により、出力電圧V1♯を可変制御することができる。すなわち、図45に示した直流電源B1♯では、発電機115からのAC電圧を制御するためのエンジン出力指令と、PWM整流器122への制御指令によって、出力電圧V1♯が制御される。これにより、発電機115からのAC電圧に電圧指令値Vac*からの誤差が生じても、出力電圧V1♯を指令値に従って制御することが可能となる。
According to
図44および図45の構成における、エンジン112および発電機115によって構成される発電機構110は、たとえば、ハイブリッド車に搭載される。
The
再び図43を参照して、実施の形態3に従う電源システムでは、発電機構110を含む直流電源B1♯は力行(放電)動作のみを実行する。したがって、実施の形態に従う電源システム5♯では、DSモードおよびSBモードは、力行動作のみが適用されることになる。なお、電力変換器10♯におけるDSモードは、「第2の直接給電モード」に対応する。
Referring to FIG. 43 again, in the power supply system according to the third embodiment, DC power supply B1 # including
一方で、PBモードでは、負荷30の力行動作時には、直流電源B1♯および直流電源B2の両方が放電対象となる一方で、負荷30の回生動作時には、直流電源B2が固定的に充電対象とされる。すなわち、直流電源B2が満充電状態等により充電禁止となった場合には、負荷30の回生動作は禁止される。
On the other hand, in the PB mode, both the DC power supply B1 # and the DC power supply B2 are targets for discharging during the power running operation of the
図46は、実施の形態3に従う電源システム5♯における動作モード選択を説明するための概念図である。電源システム5♯においても、動作モードは、負荷要求電圧VHrqに応じて、VH≧VHrqとなるように選択する必要がある。
FIG. 46 is a conceptual diagram for illustrating operation mode selection in
図46では、時間経過に伴って、負荷要求電圧VHrqが、点線で示すようにVHrq=0から徐々に上昇するときの動作モード選択が示される。 FIG. 46 shows operation mode selection when the required load voltage VHrq gradually increases from VHrq = 0 as shown by the dotted line as time elapses.
図46を参照して、時刻t0〜t1では、VHrq≦V2である。この領域では、発電機構110を停止して、直流電源B1♯の出力電圧V1♯=0の状態で、直流電源B2のみを用いたDSモードが適用される。
Referring to FIG. 46, VHrq ≦ V2 at times t0 to t1. In this region, the
このDSモードでは、負荷30の力行動作時には、スイッチング素子S2,S5をオンに固定(スイッチング素子S1,S3,S4,S6はオフに固定)することにより、直流電源B2のみを電力線PLおよびNLの間に電気的に接続することが好ましい。同様に、
負荷30の回生動作時には、スイッチング素子S3,S6をオンに固定(スイッチング素子S1,S2,S4,S5はオフに固定)することにより、直流電源B2のみを電力線PLおよびNLの間に電気的に接続することが好ましい。これにより、負荷要求電圧VHrqよりも高い出力電圧(VH=V2)に固定して、負荷30を動作させることができる。
In this DS mode, during the power running operation of the
During regenerative operation of the
時刻t1でVHrq>V2となると、発電機構110を作動させることにより、直流電源B1の電圧V1♯>0とすることができる。発電機構110の作動時には、電圧指令値Vac*の設定によって、電圧V1♯を0<V1♯<V1maxの範囲内で制御することができる。なお、直流電源B1からの上限電圧V1maxは、発電機構110からの最大出力電圧に対応して決まる。
When VHrq> V2 is satisfied at time t1, by operating the
したがって、V2<VHrq<V3(V3=V2+V1max)の範囲となる時刻t1〜t2では、直流電源B1♯の電圧V1♯を、(VHrq−V2)に可変制御することにより、負荷要求電圧VHrqに制御された出力電圧VHによって、負荷30を作動することができる。このDSモードでは、実施の形態1または2で説明したのと同様に、電力変換器10では、負荷30の力行動作時には、スイッチング素子S5がオンされる(スイッチング素子S1〜S4,S6はオフ)一方で、負荷30の回生動作時には、スイッチング素子S6がオン(スイッチング素子S1〜S5はオフ)される。
Therefore, at times t1 to t2 in the range of V2 <VHrq <V3 (V3 = V2 + V1max), the voltage V1 # of the DC power supply B1 # is variably controlled to (VHrq−V2), thereby controlling the load request voltage VHrq. The
負荷要求電圧VHrqがさらに上昇してVHrq>V3になると(時刻t2)、DSモードでは、出力電圧VHをVH≧VHrqに制御することができない。したがって、V3<VHrq<VHmaxの範囲となる時刻t2〜t3では、SDモードからSBモードに動作モードが切換えられる。 When the required load voltage VHrq further rises to VHrq> V3 (time t2), the output voltage VH cannot be controlled to VH ≧ VHrq in the DS mode. Therefore, the operation mode is switched from the SD mode to the SB mode at times t2 to t3 where V3 <VHrq <VHmax.
SBモードでは、直流電源B1♯がV1♯=V1maxに制御された状態で、電圧指令値VH*=VHrqに設定される。この結果、図18に示された制御部150bによるデューティ比DTsに従って、出力電圧VHが電圧指令値VH*に制御されるように、スイッチング素子S1〜S6のオンオフが制御される。具体的には、スイッチング素子S1〜S6のオンオフは、デューティ比DTsに基づく制御パルス信号SDs(/SDs)に応じて、図17(負荷30の力行動作時)または図31(負荷30の回生動作時)のスイッチングパターン(ゲート論理式)に従って制御される。
In the SB mode, voltage command value VH * = VHrq is set while DC power supply B1 # is controlled to V1 # = V1max. As a result, on / off of switching elements S1 to S6 is controlled such that output voltage VH is controlled to voltage command value VH * according to duty ratio DTs by
これにより、SBモードでは、電圧(V2+V1max)を昇圧することによって、出力電圧VHが電圧指令値VH*に制御されるので、昇圧比が抑制される。これにより、リアクトルL1,L2での鉄損や銅損の交流抵抗損失を低減できるので、電力変換器10の効率を高めることができる。
Thereby, in the SB mode, the output voltage VH is controlled to the voltage command value VH * by boosting the voltage (V2 + V1max), so that the boost ratio is suppressed. Thereby, since the AC resistance loss of the iron loss and copper loss in reactor L1, L2 can be reduced, the efficiency of
また、実施の形態3に従う電源システム5♯では、直流電源B1♯の電圧V1♯を可変制御することにより、電力変換器10の損失が小さいDSモードが適用できる電圧範囲を拡大することができる。これにより、電源システム5♯の効率を高めることができる。さらに、DSモードにおける出力電圧VHおよび負荷要求電圧VHrqの電圧差の発生を抑制することができる。
In
また、DSモードにおける発電機構110(直流電源B1♯)の作動を、VHrq>V2の電圧領域に限定することにより、発電機構110からの出力電圧を低くしても、広い電圧範囲に対応することができる。このため、発電機構110を構成するエンジン112の小型化によって、低コスト化を図ることができる。
Further, by limiting the operation of power generation mechanism 110 (DC power supply B1 #) in the DS mode to a voltage range of VHrq> V2, it is possible to cope with a wide voltage range even if the output voltage from
なお、図43の構成例では、直流電源B1を可変直流電圧源B1♯によって構成したが、図47に示されるように、直流電源B2を可変直流電圧源B2♯(直流電源B2♯)で構成することも可能である。この場合には、直流電源B2♯の出力電圧V2♯が発電機構110への電圧指令値Vac*に応じて制御される。図47に示された電源システム5♯においても、負荷要求電圧VHrqと、直流電源B1の電圧V1および直流電源B2♯の上限電圧V2maxとの関係に応じて、図46と同様に、発電機構110が停止されたDSモード(V2♯=0)、発電機構110が作動するDSモード(0<V2♯≦V2max)および、SBモード(V2♯=V2max)を選択的に適用することができる。
In the configuration example of FIG. 43, the DC power source B1 is configured by the variable DC voltage source B1 #. However, as shown in FIG. 47, the DC power source B2 is configured by the variable DC voltage source B2 # (DC power source B2 #). It is also possible to do. In this case, output voltage V2 # of DC power supply B2 # is controlled according to voltage command value Vac * to
[実施の形態4]
実施の形態4では、電力変換器10における誤動作の発生を防止するためのスイッチング素子のオンオフ切換時の制御について説明する。
[Embodiment 4]
In the fourth embodiment, control at the time of switching on and off of a switching element for preventing occurrence of malfunction in
一般に、通常の昇圧チョッパの制御では、電力線PL,NL間の短絡経路が生じないように、上下アーム素子間でオンオフを切換える際には、両者がオフ状態とされる、いわゆるデッドタイムと呼ばれる期間を意図的に設けることが公知である。 In general, in normal boost chopper control, when switching on and off between the upper and lower arm elements so as not to cause a short-circuit path between the power lines PL and NL, a period called a so-called dead time in which both are turned off. It is known to intentionally provide.
本実施の形態に従う電力変換器10では、たとえば、PBモード(図10,図17)において、スイッチング素子S3,S4が交互にオンオフする。上述のように、負荷30の力行動作時において、スイッチング素子S3およびS4は、直流電源B1に対して、下アーム素子および上アーム素子としてそれぞれ機能する。一方で、負荷30の回生動作時には、スイッチング素子S3およびS4は、直流電源B2に対して、上アーム素子および下アーム素子としてそれぞれ機能する。また、SBモードの力行動作時においても(図17)においても、スイッチング素子S3およびS4は、交互にオンオフされる。
In
図48には、電力変換器10のPBモードにおいてデッドタイムを設けてスイッチング素子S3およびS4をオンオフしたときのスイッチング素子の波形図が示される。
FIG. 48 shows a waveform diagram of the switching elements when the switching elements S3 and S4 are turned on / off by providing a dead time in the PB mode of the
図48を参照して、スイッチング素子S3の制御信号SG3と、スイッチング素子S4の制御信号SG4は、制御パルス信号SD1および/SD1に従って、基本的には相補のレベルに設定される。 Referring to FIG. 48, control signal SG3 of switching element S3 and control signal SG4 of switching element S4 are basically set to complementary levels according to control pulse signals SD1 and / SD1.
デッドタイムTdは、スイッチング素子S3およびS4が同時にオンしないように、制御信号SG3およびSG4の両方がLレベルに設定されるように設けられる。したがって、デッドタイム期間では、スイッチング素子S3およびS4の両方がオフされる。 Dead time Td is provided such that both control signals SG3 and SG4 are set to the L level so that switching elements S3 and S4 are not turned on simultaneously. Therefore, in the dead time period, both switching elements S3 and S4 are turned off.
スイッチング素子S3がターンオフされると、スイッチング素子S3の電流I(S3)が急激に減少する。しかしながら、この時点において、スイッチング素子S4はオフ状態であるので、スイッチング素子S4の電流I(S4)=0である。すなわち、スイッチング素子S3のターンオフ時に、リアクトル電流IL1がスイッチング素子S4を流れることができない。このとき、リアクトルL1に蓄えられたエネルギが、リアクトルL2に蓄えられたエネルギよりも低いと、リアクトル電流IL1の経路が確保できないので、リアクトル電流IL1が急激に低下する。 When the switching element S3 is turned off, the current I (S3) of the switching element S3 rapidly decreases. However, since the switching element S4 is in the off state at this time, the current I (S4) of the switching element S4 = 0. That is, reactor current IL1 cannot flow through switching element S4 when switching element S3 is turned off. At this time, if the energy stored in reactor L1 is lower than the energy stored in reactor L2, the path of reactor current IL1 cannot be secured, and thus reactor current IL1 rapidly decreases.
一方で、デッドタイムTdの経過によりスイッチング素子S4がオンすると、リアクトル電流IL1の経路が確保されることにより、電流I(S4)は急激に上昇する。この結果、リアクトル電流IL1は、デッドタイムTdの期間中に非連続となり、電流振動が発生してしまう。 On the other hand, when the switching element S4 is turned on as the dead time Td elapses, the path of the reactor current IL1 is secured, so that the current I (S4) increases rapidly. As a result, the reactor current IL1 becomes discontinuous during the dead time Td, and current oscillation occurs.
同様の現象は、スイッチング素子S1およびS2の間にも発生する。すなわち、スイッチング素子S1およびS2のオンオフ切換え時にデッドタイムを設けると、リアクトル電流IL2が非連続となって電流振動が発生する。 A similar phenomenon occurs between the switching elements S1 and S2. That is, if a dead time is provided when switching elements S1 and S2 are switched on and off, reactor current IL2 becomes discontinuous and current oscillation occurs.
図49には、図48でのデッドタイムに代えて実施の形態4に従うスイッチング制御によってオーバーラップタイムを設けた場合のスイッチング素子の波形図が示される。 FIG. 49 shows a waveform diagram of the switching element when an overlap time is provided by switching control according to the fourth embodiment in place of the dead time in FIG.
図49を参照して、実施の形態4に従うスイッチング制御では、スイッチング素子S3およびS4のオンオフを切換える際に、スイッチング素子S3およびS4の両方がオンするオーバーラップタイムTaが設けられる。 Referring to FIG. 49, in the switching control according to the fourth embodiment, when switching on / off of switching elements S3 and S4, an overlap time Ta at which both of switching elements S3 and S4 are turned on is provided.
したがって、スイッチング素子S3のターンオフ時には、制御信号SG3がHレベルの状態で制御信号SG4をLレベルからHレベルに変化させ、かつ、このタイミングからオーバーラップタイムTaが経過すると、制御信号SG3をHレベルからLレベルに変化させる。 Therefore, when the switching element S3 is turned off, the control signal SG3 is changed from the L level to the H level while the control signal SG3 is at the H level, and when the overlap time Ta elapses from this timing, the control signal SG3 is changed from the H level. Change to L level.
これにより、スイッチング素子S3がターンオフされて電流I(S3)が急激に減少する期間においても、スイッチング素子S4が既にオンされているため、電流I(S4)によってリアクトル電流IL1の経路が確保できる。この結果、リアクトル電流IL1は非連続とはなることなく、電流振動も発生しない。 As a result, even during a period in which the switching element S3 is turned off and the current I (S3) rapidly decreases, the switching element S4 is already turned on, so that the path of the reactor current IL1 can be secured by the current I (S4). As a result, the reactor current IL1 does not become discontinuous and no current oscillation occurs.
同様に、スイッチング素子S4のターンオフ時には、制御信号SG4がHレベルの状態で制御信号SG3をLレベルからHレベルに変化させ、かつ、このタイミングからオーバーラップタイムTaが経過すると、制御信号SG4をHレベルからLレベルに変化させる。これにより、スイッチング素子S4がターンオフされて電流I(S4)が急激に減少する期間においても、スイッチング素子S3が既にオンされているため、電流I(S3)によってリアクトル電流IL1の経路が確保できる。この結果、リアクトル電流IL1に電流振動は発生しない。 Similarly, when the switching element S4 is turned off, the control signal SG3 is changed from L level to H level while the control signal SG4 is at H level, and when the overlap time Ta elapses from this timing, the control signal SG4 is changed to H level. To L level. As a result, even during a period in which the switching element S4 is turned off and the current I (S4) rapidly decreases, the switching element S3 is already turned on, so that the path of the reactor current IL1 can be secured by the current I (S3). As a result, no current oscillation occurs in reactor current IL1.
図50は、本実施の形態4に従うスイッチング制御を適用した場合の電源システムの動作波形図である。図50には、PBモードの力行動作時において、図37と同様のPWM制御が適用されたときの動作波形が一例として示される。 FIG. 50 is an operation waveform diagram of the power supply system when the switching control according to the fourth embodiment is applied. FIG. 50 shows, as an example, an operation waveform when the PWM control similar to that in FIG. 37 is applied during the power running operation in the PB mode.
図50を参照して、直流電源B1に対して上アーム素子および下アーム素子としてそれぞれ機能するスイッチング素子S3およびS4のオンオフを切換える際には、制御信号SG3およびSG4の間に、オーバーラップタイムTaが設けられる。これにより、リアクトル電流IL1の変曲点(極大点または極小点)において、図48で説明した不連続性は発生せず、リアクトル電流IL1は安定的に推移する。 Referring to FIG. 50, when switching on and off switching elements S3 and S4 functioning as the upper arm element and the lower arm element, respectively, with respect to DC power supply B1, overlap time Ta is set between control signals SG3 and SG4. Provided. Thereby, the discontinuity described in FIG. 48 does not occur at the inflection point (maximum point or minimum point) of reactor current IL1, and reactor current IL1 changes stably.
同様に、直流電源B2に対して上アーム素子および下アーム素子としてそれぞれ機能するスイッチング素子S1およびS2のオンオフを切換える際には、制御信号SG1およびSG2の間に、オーバーラップタイムTaが設けられる。これにより、リアクトル電流IL2の変曲点(極大点または極小点)において不連続性は発生せず、リアクトル電流IL2は安定的に推移する。 Similarly, an overlap time Ta is provided between control signals SG1 and SG2 when switching on and off switching elements S1 and S2 that function as an upper arm element and a lower arm element, respectively, with respect to DC power supply B2. Thereby, discontinuity does not occur at the inflection point (maximum point or minimum point) of reactor current IL2, and reactor current IL2 changes stably.
図51は、実施の形態4に従うスイッチング制御のための制御構成を説明するブロック図である。 FIG. 51 is a block diagram illustrating a control configuration for switching control according to the fourth embodiment.
図51を参照して、制御信号生成部205は、図12、図18および図26の構成に加えて設けることができる。制御信号生成部205は、PBモードでの制御パルス信号SD1(/SD1)およびSD2(/SD2)、ならびに、SBモードでの制御パルス信号SDs(/SDs)に従って、スイッチング素子S1〜S6の制御信号SG1〜SG6を生成する。
Referring to FIG. 51, control
PBモードでは、制御信号生成部205は、図10(力行動作)、図32(回生動作)、または図37(回生動作)のゲート論理式を用いて、制御パルス信号SD1(/SD1)およびSD2(/SD2)に従って、制御信号SG1〜SG6を生成する。このとき、LレベルからHレベルに変化する際には、オーバーラップ期間Ta分だけLレベル期間が延長されるように、一方で、HレベルからLレベルに変化する際に、オーバーラップ期間Ta分だけHレベル期間がそれぞれ延長されるように、制御信号SG1〜SG6は生成すされる。
In the PB mode, the control
同様に、SBモードでは、制御信号生成部205は、図17(力行動作)または図31(回生動作)のゲート論理式を用いて、制御パルス信号SDs(/SDs)に従って、制御信号SG1〜SG6を生成する。このとき、HレベルからLレベルへの変化の際に、オーバーラップ期間Ta分だけHレベル期間が延長されるように、制御信号SG1〜SG6は生成される。
Similarly, in the SB mode, the control
これにより、実施の形態4に従うスイッチング制御によれば、本実施の形態に従う電力変換器10の回路構成に適合させて、リアクトル電流IL1,IL2に不連続が生じることを回避した上で、PBモードおよびSBモードでの動作によるDC/DC変換を安定化することができる。
Thereby, according to the switching control according to the fourth embodiment, it is adapted to the circuit configuration of
[実施の形態5]
実施の形態5では、本実施の形態に従う電力変換器の回路構成の変形例について説明する。
[Embodiment 5]
In the fifth embodiment, a modified example of the circuit configuration of the power converter according to the present embodiment will be described.
図52は、実施の形態5に従う電源システムでは、図1に示された電力変換器10に代えて電力変換器10♯が配置される。電力変換器10♯は、図1に示された電力変換器10と比較して、スイッチング素子S2,S4,S5に代えて、ダイオードD2,D4,D5が配置される点で異なる。その他の部分の構成については電力変換器10であるので詳細な説明は繰返さない。
52, in the power supply system according to the fifth embodiment,
ダイオードD2,D4,D5は、電力変換器10でのスイッチング素子S2,S4,S5と、同一方向の電流経路を形成するために配置される。ダイオードD2,D4,D5は、制御装置100からの制御信号に応じて電流経路を遮断する機能は有さないが、順バイアスの印可時にスイッチング素子S2,S4,S5と同様の電流経路を形成することができる。
Diodes D2, D4, and D5 are arranged to form a current path in the same direction as switching elements S2, S4, and S5 in
したがって、PBモードでは、図10(力行動作)、図32(回生動作)、または図37(回生動作)のゲート論理式を用いて、スイッチング素子S1,S3,S6をオンオフ制御することによって、制御信号SG2,SG4,SG5がHレベルに設定されるべき期間では、ダイオードD2,D4,D5によって、リアクトル電流IL1,IL2の電流経路を確保することができる。 Therefore, in the PB mode, the switching elements S1, S3, and S6 are controlled on and off by using the gate logical expressions of FIG. 10 (power running operation), FIG. 32 (regenerative operation), or FIG. 37 (regenerative operation). During the period in which the signals SG2, SG4, and SG5 are to be set to the H level, the current paths of the reactor currents IL1 and IL2 can be secured by the diodes D2, D4, and D5.
同様に、SBモードにおいても、図31(力行動作)または図32(回生動作)のゲート論理式を用いて、スイッチング素子S1,S3,S6をオンオフ制御することによって、制御信号SG2,SG4,SG5がHレベルに設定されるべき期間では、ダイオードD2,D4,D5によって、リアクトル電流IL1,IL2の電流経路を確保することができる。 Similarly, in the SB mode, the control signals SG2, SG4, SG5 are controlled by turning on / off the switching elements S1, S3, S6 by using the gate logical expression of FIG. 31 (power running operation) or FIG. 32 (regenerative operation). In the period in which is set to H level, the current paths of reactor currents IL1 and IL2 can be secured by diodes D2, D4 and D5.
また、DSモードについても、ダイオードD5によって負荷30の力行動作時の電流経路が確保できるとともに、スイッチング素子S6のオンにより、負荷30の回生動作時の電流経路を確保することができる。
In the DS mode, the diode D5 can secure a current path during the power running operation of the
このように、電力変換器10♯によっても、負荷30の力行動作および回生動作の各々に対応した、PBモード、SBモードおよびDSモードを選択的に適用したDC/DC変換を電力変換器10と同様に実行することができる。
Thus,
なお、電力変換器10♯では、スイッチング素子S1,S3,S6が、「第1の半導体素子」、「第3の半導体素子」および「第6の半導体素子」にそれぞれ対応する一方で、ダイオードD2,D4、D5が、「第2の半導体素子」、「第4の半導体素子」および「第5の半導体素子」にそれぞれ対応する。なお、電力変換器10♯では、実施の形態4で説明したオーバーラップタイムを設けなくても、リアクトル電流IL1,IL2は不連続になることはない。
In
なお、本実施の形態では、電力変換器10,10♯の構成について、スイッチング素子S1〜S6およびリアクトルL1,L2の接続関係を図示して説明したが、電力変換器10,10♯の構成要素が、これらの素子に限定されることを意味するものではない。すなわち、本実施の形態において、構成要素同士が「電気的に接続される」との記載は、両要素間に他の回路要素やコネクタ端子が存在し、当該他の回路要素を経由して上記成要素間に電気的な接続が確保されることを含むものとする。
In the present embodiment, the configuration of
また、負荷30および発電機構110について、本実施の形態では、電動車両の走行用電動機、あるいは、エンジンを含む構成を例示したが、本発明の適用はこのような場合に限定されるものではない。すなわち、負荷30は、直流電圧VHによって動作する機器であれば、任意の機器によって構成できる。また、発電機構110についても、AC/DC変換器との組み合わせによって、あるいは、DC/DC変換器との組み合わせによって可変直流電圧源を構成可能であれば、任意の発電要素によって構成することができる。
Further, in the present embodiment, the
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
5 電源システム、10 電力変換器、11〜13 双方向スイッチ、30 負荷、32 インバータ、35 モータジェネレータ、36 動力伝達ギヤ、37 駆動輪、61,61r,62,62r,63,63r,64,64r,65,65r,67 電流経路、100 制御装置、102 要求電圧設定部、104 モード選択部、110 発電機構、112 エンジン、115 発電機、120 変換器、121 ダイオードブリッジ、122 整流器、130 平滑キャパシタ、150a,150b 制御部、152,195 電圧制御器、155 電力分配率設定部、158 乗算部、159,166,168,192 減算部、160,165 除算部、170,172,175 電流制御器、190 キャリア位相制御部、200a,200b PWM制御部、205 制御信号生成部、B1,B2 直流電源、B1♯,B2♯ 可変直流電圧源、CH 平滑コンデンサ、CW,CW1,CW2 キャリア波、D2,D4,D5 ダイオード、DT1,DT2,DTs デューティ比、I1 電流(直流電源B1)、I2 電流(直流電源B2)、I1*,I2* 電流指令値、IL1,IL2 リアクトル電流、L1,L2 リアクトル、MD モード選択信号、N1,N2 ノード、NL,PL 電力線、P1*、P2* 電力指令値、PH* 電力指令値(総電力)、S1〜S6 電力用半導体スイッチング素子、SD1,SD2,SDs,/SD1,/SD2,/SDs 制御パルス信号、SG1〜SG6 制御信号、Ta オーバーラップタイム、Td デッドタイム、V1max,V2max 上限電圧(出力電圧V1♯,V2♯)、VHmax 上限電圧(出力電圧VH)、V1 電圧(直流電源B1)、V1♯ 出力電圧(直流電源B1♯)、V2 電圧(直流電源B2)、V2♯ 出力電圧(直流電源B2♯)、VH 出力電圧、VH* 電圧指令値(出力電圧VH)、VHrq 負荷要求電圧、k 電力配分比。 5 Power System, 10 Power Converter, 11-13 Bidirectional Switch, 30 Load, 32 Inverter, 35 Motor Generator, 36 Power Transmission Gear, 37 Drive Wheel, 61, 61r, 62, 62r, 63, 63r, 64, 64r , 65, 65r, 67 Current path, 100 control device, 102 required voltage setting unit, 104 mode selection unit, 110 power generation mechanism, 112 engine, 115 generator, 120 converter, 121 diode bridge, 122 rectifier, 130 smoothing capacitor, 150a, 150b control unit, 152, 195 voltage controller, 155 power distribution ratio setting unit, 158 multiplication unit, 159, 166, 168, 192 subtraction unit, 160, 165 division unit, 170, 172, 175 current controller, 190 Carrier phase control unit, 200a, 200b PWM control unit, 205 control signal generation unit, B1, B2 DC power supply, B1 #, B2 # variable DC voltage source, CH smoothing capacitor, CW, CW1, CW2 carrier wave, D2, D4, D5 diode, DT1, DT2, DTs Duty ratio, I1 current (DC power supply B1), I2 current (DC power supply B2), I1 *, I2 * current command value, IL1, IL2 reactor current, L1, L2 reactor, MD mode selection signal, N1, N2 node, NL , PL power line, P1 *, P2 * power command value, PH * power command value (total power), S1 to S6 power semiconductor switching elements, SD1, SD2, SDs, / SD1, / SD2, / SDs control pulse signal, SG1 to SG6 control signal, Ta overlap time, Td dead time, V1max, V2m x upper limit voltage (output voltage V1 #, V2 #), VHmax upper limit voltage (output voltage VH), V1 voltage (DC power supply B1), V1 # output voltage (DC power supply B1 #), V2 voltage (DC power supply B2), V2 # Output voltage (DC power supply B2 #), VH output voltage, VH * voltage command value (output voltage VH), VHrq load required voltage, k power distribution ratio.
Claims (17)
第1の直流電源と、
第2の直流電源と、
前記第1および第2の直流電源と前記第1および第2の電力線との間で直流電圧変換を実行するための電力変換器と、
前記電力変換器の動作を制御するための制御装置とを備え、
前記電力変換器は、
第1のノードから第2のノードへ向かう電流経路を形成するために、前記第1および第2のノードの間に電気的に接続された第1の半導体素子と、
前記第2の電力線から前記第2のノードへ向かう電流経路を形成するために、前記第2のノードおよび前記第2の電力線の間に接続された第2の半導体素子と、
前記第2のノードから前記第2の電力線へ向かう電流経路を形成するために前記第2のノードおよび前記第2の電力線の間に前記第2の半導体素子と逆並列に接続された第3の半導体素子と、
前記第2のノードから前記第1のノードへ向かう電流経路を形成するために、前記第1のノードおよび前記第2のノード間に前記第1の半導体素子と逆並列に接続された第4の半導体素子と、
前記第1のノードから前記第1の電力線へ向かう電流経路を形成するために、前記第1の電力線および前記第1のノードの間に接続された第5の半導体素子(S5,D5)と、
前記第1の電力線から前記第1のノードへ向かう電流経路を形成するために、前記第1の電力線および前記第1のノードの間に前記第5の半導体素子と逆並列に接続された、第6の半導体素子と、
前記第2のノードおよび前記第2の電力線の間に前記第1の直流電源と直列に接続された第1のリアクトルと、
前記第1のノードおよび前記第2のノードの間に第2の直流電源と直列に接続された第2のリアクトルとを含み、
前記第1から第6の半導体素子の各々は、電流経路のオンオフを制御可能なスイッチング素子またはダイオードによって構成され、
前記第1から第6の半導体素子のうち、少なくとも前記第1、第3および第6の半導体素子は前記スイッチング素子によって構成され、
前記制御装置は、各前記スイッチング素子のオンオフを制御し、
前記電力変換器は、前記制御装置による前記スイッチング素子のオンオフ制御の態様を切換えることによって、前記直流電圧変換の態様が異なる複数の動作モードを切換えて動作する、電源システム。 A power supply system for controlling a DC voltage supplied to a load connected between a first power line on a high voltage side and a second power line on a low voltage side,
A first DC power supply;
A second DC power source;
A power converter for performing DC voltage conversion between the first and second DC power sources and the first and second power lines;
A control device for controlling the operation of the power converter,
The power converter is
A first semiconductor element electrically connected between the first and second nodes to form a current path from the first node to the second node;
A second semiconductor element connected between the second node and the second power line to form a current path from the second power line to the second node;
A third node connected in anti-parallel with the second semiconductor element between the second node and the second power line to form a current path from the second node to the second power line; A semiconductor element;
In order to form a current path from the second node to the first node, a fourth connected in antiparallel with the first semiconductor element between the first node and the second node. A semiconductor element;
A fifth semiconductor element (S5, D5) connected between the first power line and the first node to form a current path from the first node to the first power line;
In order to form a current path from the first power line to the first node, the fifth semiconductor element is connected in anti-parallel with the fifth semiconductor element between the first power line and the first node. 6 semiconductor elements;
A first reactor connected in series with the first DC power source between the second node and the second power line;
A second reactor connected in series with a second DC power source between the first node and the second node;
Each of the first to sixth semiconductor elements is constituted by a switching element or a diode capable of controlling on / off of a current path,
Of the first to sixth semiconductor elements, at least the first, third and sixth semiconductor elements are constituted by the switching elements,
The control device controls on / off of each of the switching elements,
The power converter operates by switching a plurality of operation modes having different DC voltage conversion modes by switching a mode of on / off control of the switching element by the control device.
前記電力変換器が、前記第1および第2の直流電源が直列に接続された状態で、前記直流電圧を電圧指令値に制御するように前記第1および第2の直流電源と前記第1および第2の電力線との間で前記直流電圧変換を実行する直列接続モードと、
前記電力変換器が、前記直流電圧を電圧指令値に制御するように、前記第1の直流電源と前記第1および第2の電力線との間の前記直流電圧変換、ならびに、前記第2の直流電源と前記第1および第2の電力線との間の前記直流電圧変換を並列に実行する並列接続モードとを含む、請求項1記載の電源システム。 The plurality of operation modes are:
The power converter is configured to control the DC voltage to a voltage command value in a state where the first and second DC power supplies are connected in series, and the first and second DC power supplies and the first and second DC power supplies. A serial connection mode for performing the DC voltage conversion with a second power line;
The DC voltage conversion between the first DC power source and the first and second power lines, and the second DC so that the power converter controls the DC voltage to a voltage command value. The power supply system according to claim 1, further comprising: a parallel connection mode in which the DC voltage conversion between a power supply and the first and second power lines is performed in parallel.
前記第1および第2の直流電源が前記第1および第2の直流電源の間に直列に接続された状態が維持されるように前記スイッチング素子のオンオフの組み合わせが固定される第1の直接給電モードをさらに含む、請求項2記載の電源システム。 The plurality of operation modes are:
A first direct power supply in which the on / off combination of the switching elements is fixed so that the state in which the first and second DC power supplies are connected in series between the first and second DC power supplies is maintained. The power supply system according to claim 2, further comprising a mode.
前記複数の動作モードは、
前記第1および第2の直流電源のうちの他方の直流電源のみ、または、前記他方の直流電源および前記可変電圧直流電源が直列に前記第1および第2の電力線の間に電気的に接続された状態が維持されるように前記スイッチング素子のオンオフの組み合わせが固定される第2の直接給電モードをさらに含む、請求項2記載の電源システム。 One DC power source of the first and second DC power sources includes a power generation mechanism that outputs an AC voltage, and an AC / DC converter that converts the AC voltage output from the power generation mechanism into a DC voltage. Configured as a variable voltage DC power supply,
The plurality of operation modes are:
Only the other DC power source of the first and second DC power sources, or the other DC power source and the variable voltage DC power source are electrically connected in series between the first and second power lines. The power supply system according to claim 2, further comprising a second direct power supply mode in which a combination of on and off of the switching elements is fixed so that a maintained state is maintained.
前記制御装置は、前記負荷の動作状態に応じて設定される直流電圧の要求電圧よりも、前記他方の直流電源の出力電圧と前記一方の直流電源の前記上限電圧との和が高い場合に、前記第2の直接給電モードを選択可能であり、
前記制御装置は、前記第2の直接給電モードの選択時において、前記要求電圧が前記他方の電源電圧の出力電圧よりも低い場合には前記発電機構の動作を停止した状態で前記他方の直流電源のみを前記第1および第2の電力線の間に電気的に接続する一方で、前記要求電圧が前記他方の直流電源の出力電圧よりも高い場合には、前記他方の直流電源および前記可変電圧直流電源が直列に前記第1および第2の電力線の間に電気的に接続された状態で前記要求電圧と前記他方の直流電源の出力電圧との電圧差に応じて前記発電機構の出力電圧を制御する、請求項7記載の電源システム。 The variable voltage DC power supply is configured to variably control the DC voltage of the one DC power supply in a voltage range equal to or lower than an upper limit voltage by variably controlling the output voltage of the power generation mechanism.
When the sum of the output voltage of the other DC power source and the upper limit voltage of the one DC power source is higher than the required voltage of the DC voltage set according to the operating state of the load, the control device, The second direct power supply mode is selectable;
When the second direct power supply mode is selected, the control device stops the operation of the power generation mechanism when the required voltage is lower than the output voltage of the other power supply voltage. Only when the required voltage is higher than the output voltage of the other DC power source, the other DC power source and the variable voltage DC The output voltage of the power generation mechanism is controlled in accordance with the voltage difference between the required voltage and the output voltage of the other DC power source with a power source electrically connected in series between the first and second power lines. The power supply system according to claim 7.
前記電圧指令値は、前記要求電圧以上の電圧に設定される、請求項2〜4のいずれか1項に記載の電源システム。 The control device selects one of the plurality of operation modes according to a required voltage of a DC voltage set according to an operation state of the load,
The power supply system according to any one of claims 2 to 4, wherein the voltage command value is set to a voltage equal to or higher than the required voltage.
前記第1の直流電源からの出力を制御するための第1のデューティ比および前記第2の直流電源からの出力を制御するための第2のデューティ比を演算するための手段と、
第1のキャリア波および前記第1のデューティ比の比較、ならびに、第2のキャリア波および前記第2のデューティ比の比較によるパルス幅変調に従ってそれぞれ得られた第1および第2の制御パルス信号に基づいて、前記第1から第6の半導体素子のうちの前記スイッチング素子のオンオフ制御信号を生成するための手段とを含み、
前記第1のキャリア波と前記第2のキャリア波との位相差は、前記第1のリアクトルの電流の変曲点と、前記第2のリアクトルの電流の変曲点とが時間軸上で重なるように、前記第1および第2のデューティ比に応じて可変に制御される、請求項2記載の電源システム。 The controller is
Means for calculating a first duty ratio for controlling an output from the first DC power source and a second duty ratio for controlling an output from the second DC power source;
First and second control pulse signals obtained according to the comparison of the first carrier wave and the first duty ratio, and the pulse width modulation by the comparison of the second carrier wave and the second duty ratio, respectively. Based on the first to sixth semiconductor elements for generating an on / off control signal of the switching element,
The phase difference between the first carrier wave and the second carrier wave is such that the inflection point of the current of the first reactor and the inflection point of the current of the second reactor overlap on the time axis. The power supply system according to claim 2, wherein the power supply system is variably controlled according to the first and second duty ratios.
前記第2、第4および第5の半導体素子は、前記ダイオードによって構成される、請求項1〜14のいずれか1項に記載の電源システム。 The first, third and sixth semiconductor elements are constituted by the switching elements,
The power supply system according to claim 1, wherein the second, fourth, and fifth semiconductor elements are configured by the diode.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2014203731A JP2016073173A (en) | 2014-10-02 | 2014-10-02 | Power supply system |
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JP2014203731A JP2016073173A (en) | 2014-10-02 | 2014-10-02 | Power supply system |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2019043943A1 (en) * | 2017-09-04 | 2019-03-07 | 株式会社島津製作所 | High-voltage power supply device |
CN111527690A (en) * | 2017-12-27 | 2020-08-11 | 日本电产株式会社 | Motor control device |
-
2014
- 2014-10-02 JP JP2014203731A patent/JP2016073173A/en active Pending
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WO2019043943A1 (en) * | 2017-09-04 | 2019-03-07 | 株式会社島津製作所 | High-voltage power supply device |
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