JP2017060366A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電力変換装置は電力変換回路と制御部とを有し、第1、第2スイッチと第3、第4スイッチとを直列接続し、第1、第3スイッチと第2、第4スイッチとを接続して閉ループを形成し、第3、第4スイッチの中点に第1キャパシタを接続し、交流電源と第1インダクタとの直列接続を、第1、第2スイッチの中点と第3、第4スイッチの中点とに接続し、負荷回路に第2キャパシタと第2インダクタを接続し、第3、第4スイッチとの中点と第3キャパシタと第3インダクタと負荷回路に接続する。制御部は、交流電源に流れる電流が電圧と同位相の正弦波になるようにパルス幅を変調した駆動信号で第1及び第2スイッチを制御し、負荷回路に印加する電圧が一定になるように周波数変調した駆動信号で第3及び第4スイッチを制御する。
【選択図】図1
Description
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係る電力変換装置100の構成例を示す図である。
電力変換装置100は、交流電源からの交流電圧を高周波交流電圧に変換する装置である。例えば、電力変換装置100に負荷として接続する負荷回路30において、ヒーター抵抗などの負荷を接続して使用する。あるいは、負荷回路を高周波交流を整流平滑して直流電圧に変換するものとみなせば、全体として交流から直流を生成する電源が構成できる。
負荷回路30は、抵抗負荷でも良いし、電圧変換を行う回路と負荷の組み合わせなどであっても良い。例えば、負荷回路30は、インバータ回路、コンバータ回路、モーター駆動回路、あるいは、定電流供給回路などである。
以下、図1に示す回路において無効電流経路が無い場合の動作と無効電流経路がある場合の動作とについて説明する。無効電流経路は、図1に示す電力変換装置100の電力変換回路110において、第3キャパシタC3と第3インダクタL3とで構成する経路である。
図2及び図3は、図1に示す回路から無効電流経路を省いた回路(又は図1に示す回路の無効電流経路を遮断した場合)の各部における各種の波形の例を示す図である。
ここでは、図2(a)乃至(h)は、図1に示す回路から無効電流経路を省いた回路を200Vの交流電源Vacに接続した場合の各波形の例を示すものとする。
図3(a)乃至(h)は、図1に示す回路から無効電流経路を省いた回路を100Vの交流電源Vacに接続した場合の各波形の例を示すものとする。
ここで、図4(a)乃至(h)は、図1に示す無効電流経路がある電力変換回路110を100Vの交流電源Vacに接続した場合の各波形の例を示すものとする。図5(a)乃至(h)は、図1に示す無効電流経路がある電力変換回路110を200Vの交流電源Vacに接続した場合の各波形の例を示すものとする。
図6は、第1実施形態に係る電力変換装置100における制御部120が備える構成(機能)の例を示すブロック図である。
制御部120は、絶対値変換部201、第1増幅率調整部202、乗算部203、極性判定部204、平均値算出部205、第1差分出力部206、第1リファレンス電圧設定部207、第2増幅率調整部211、第2差分出力部212、三角波生成部213、PWM生成部214、セレクタ部215、第3増幅率調整部216、第3差分出力部217、異常判定部218、第2リファレンス電圧設定部221、第4差分出力部222、周波数変調部223、および、矩形パルス生成部224を備える。これら各部は、ハードウエアで実現しても良いし、ソフトウエアで実現しても良い。例えば、上記各部の一部又は全部は、DSPにより実現しても良い。
異常判定部218は、上記判定タイミングにおいて、第3差分出力部217の差分値がIS1の絶対値(第1電流絶対値)<IS2の絶対値(第2電流絶対値)を示す値であれば、正常と判断する。つまり、異常判定部218は、駆動パルスP3、P4がオフからオンに切り替わるときに、IS1の絶対値<IS2の絶対値であれば、右側回路の電流がZVS条件を満たす正常状態と判断する。
これにより、異常判定部218が異常と判定した場合、駆動パルスP1〜P4の全ての出力が停止し、スイッチS1〜S4の駆動が停止する。この結果として、電力変換装置の回路の破損などを防止することができる。
次に、第2実施形態について説明する。
第2実施形態に係る電力変換装置は、第1実施形態で説明した電力変換装置10に無効電流経路をオンオフする構成を追加したものである。すなわち、第2実施形態に係る電力変換装置は、無効電流経路をオンオフする以外の構成は第1実施形態で説明した電力変換装置と同様な構成で実現できる。
図7に示す電力変換装置300の電力変換回路310は、図1に示す電力変換装置100の電力変換回路110にスイッチS5を追加した構成を有する。また、電力変換装置300の制御部320は、第1実施形態で説明した電力変換装置100の制御部120と同様な制御に加えて、スイッチS5のオンオフを制御する。なお、図7に示す構成において、図1に示す構成と同様なものについては同一箇所に同一符号を付して詳細な説明を省略するものとする。
図8に示すように、電力変換装置300の制御部320は、図6に示す第1実施形態で説明した電力変換装置100の制御部120に電圧区分判定部401を追加した構成を有する。なお、図8に示す構成において、図6に示す構成と同様なものについては同一箇所に同一符号を付して詳細な説明を省略するものとする。
図9に示す電力変換装置500は、インバータ回路を応用して絶縁の直流電圧を発生させる回路を含む。電力変換装置500は、例えば、スイッチング電源に応用できる。
電力変換装置500の電力変換回路510は、図7に示す電力変換装置300の電力変換回路310の構成に加えて、トランスT、ダイオードD1、D2、第4キャパシタC3を有する。また、電力変換装置500は、制御部320に代えて制御部520を有する。電力変換装置500において、第2キャパシタC2、第2インダクタL2、トランスT、ダイオードD1、D2、第4キャパシタC3、および、負荷電圧検出部105は、LLC回路511を構成する。
なお、図9において、図7に示す回路と同様な構成については、同一箇所に同一符号を付して詳細な説明を省略するものとする。
また、上述した実施形態では、負荷回路としてLLC回路を採用した例を説明したが、負荷回路は、これに限定するものではない。負荷回路は、高周波電圧を利用して電力を伝達するものであれば何でもよい。
例えば、PWM生成方法として三角波を用いた場合を説明したが、この方法に限定するものではなく、例えば鋸波を用いて生成してもかまわない。
また、入力電流目標値として交流電源電圧を正弦波と見立ててこれに相似形の電流になるような制御論理を記載したが、これに限るものではなく、例えば制御ブロック内部で独自に基準正弦波を生成してもよい。
また、上述の実施形態においては、スイッチS3、S4の駆動信号は周波数変調により生成するものとして説明したが、周波数変調にさらに若干のパルス幅変調を加味してもよい。例えば、U点の平均電圧が高い場合にはV点の平均電圧が下がるように時比率を変動させると、交流電源の電圧に対する許容範囲をより広くできる。
Claims (5)
- 第1スイッチと第2スイッチとを直接接続し、第3スイッチと第4スイッチとを直列接続し、前記第1スイッチと前記第3スイッチとを接続するとともに前記第2スイッチと前記第4スイッチとを接続して閉ループを形成し、前記第3スイッチと第4スイッチとの直列接続の両端に第1キャパシタを接続し、
交流電源と第1インダクタとの直列接続を、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチの接続点と前記第3スイッチ及び前記第4スイッチの接続点との間に接続し、
負荷回路と第2キャパシタと第2インダクタとの直列接続を、前記第3スイッチと前記第4スイッチとの接続点と前記第1キャパシタの一端との間に接続し、
第3キャパシタと第3インダクタとの直列接続を、前記第2キャパシタと前記第2インダクタと前記負荷回路とからなる直列接続に並列接続する電力変換回路と、
前記交流電源に流れる電流が電圧と同位相の正弦波になるようにパルス幅を変調した駆動信号で前記第1及び第2スイッチを制御し、前記負荷回路に印加する電圧が一定になるように周波数変調した駆動信号で前記第3及び第4スイッチを制御する制御部と、
を具備する電力変換装置。 - さらに、前記第3キャパシタと前記第3インダクタとを直列接続した電流の経路を遮断する遮断スイッチを有し、
前記制御部は、前記交流電源からの入力電圧実効値に応じて前記遮断スイッチをオン状態で保持またはオフ状態で保持するかの制御を行う、
請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、前記交流電源からの入力電圧実効値が閾値以上であるか否かを判断し、前記入力電圧実効値が前記閾値以上であると判断した場合には前記遮断スイッチをオフし、前記入力電圧実効値が前記閾値未満であると判断した場合には前記遮断スイッチをオンする、
請求項2に記載の電力変換装置。 - さらに、前記交流電源に流れる電流を検出する第1電流検出部と、
前記負荷回路に流れる電流と前記第3インダクタに流れる電流との総和を検出する第2電流検出部と、を有し、
前記制御部は、前記第3スイッチまたは前記第4スイッチをオンするタイミングにおいて、前記第2電流検出部が検出する第2電流絶対値より前記第1電流検出部が検出する第1電流絶対値が大きい場合には、前記第1、2、3及び4スイッチの動作を停止させる、
請求項1乃至3の何れか1項に記載の電力変換装置。 - さらに、前記交流電源に流れる電流を検出する第1電流検出部と、
前記負荷回路に流れる電流と前記第3インダクタに流れる電流との総和を検出する第2電流検出部と、を有し、
前記制御部は、前記第2電流検出部が検出する第2電流絶対値より前記第1電流検出部が検出する第1電流絶対値が大きい事を所定回数以上検出した場合、前記第1、2、3及び4スイッチの動作を停止させる、
請求項1乃至3の何れか1項に記載の電力変換装置。
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