JP2017189011A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力電流の上昇と出力電圧の上昇との相関関係に依らずにトランスの磁気飽和を回避することができる電力変換装置を提供する。【解決手段】複数のスイッチング素子ＳＷ１他のデューティ比を決定するデューティ制御部１５１と、複数のスイッチング素子ＳＷ１他のオン時間が所定範囲内に収まるようにスイッチング周波数を決定する周波数制御部１５２と、デューティ制御部１５１から出力されるデューティ比及び周波数制御部１５２から出力されるスイッチング周波数に基づいて、複数のスイッチング素子ＳＷ１他を駆動するパルス信号を生成する信号生成部１５３と、を設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

電力変換装置であるＤＣ／ＤＣコンバータは、入力された電圧を降圧又は昇圧して出力し、バッテリといった負荷に対して出力するものである。ＤＣ／ＤＣコンバータを構成する、トランス、半導体素子、コンデンサといった部位品は、実用上考えられる最大の負荷条件で駆動が継続した場合に耐えられるように、その仕様が決められている。

下記特許文献１では、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力が所定以上となる場合に、スイッチング素子のスイッチング周波数を上昇させることで、トランスの磁束密度の上昇を抑制し、トランスの小型化を図っている。

特開２０１０−２５２５１２号公報

上記特許文献１では、出力電流が一定値以上になるとフィードバック制御を実行し、スイッチング周波数を上昇させ、トランスの磁気飽和を回避している。これは、出力電流が上昇するのに伴って出力電流も上昇する場合には好適であるけれども、出力電流の上昇と出力電圧の上昇とがこのような相関関係にない場合には、スイッチング周波数を上昇させることができない。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、出力電流の上昇と出力電圧の上昇との相関関係に依らずにトランスの磁気飽和を回避することができる電力変換装置を提供することある。

上記課題を解決するために、本発明に係る電力変換装置は、フルブリッジ接続された複数のスイッチング素子（ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４）により、直流電圧及び直流電流を交流電圧及び交流電流に変換して出力する入力側ブリッジ回路（２１）と、前記入力側ブリッジ回路が出力する交流電圧及び交流電流が入力電圧及び入力電流として１次側に入力されると、２次側に出力電圧及び出力電流として交流電圧及び交流電流を出力するトランス（５）と、前記出力電圧の出力電圧値を検出する電圧検出部（１３）と、少なくとも前記出力電圧値に基づいて、前記複数のスイッチング素子を駆動するパルス信号を出力する制御装置（１５，１５Ａ）と、備える。前記制御装置は、少なくとも前記出力電圧値に基づいて前記複数のスイッチング素子のデューティ比を決定するデューティ制御部（１５１，１５１Ａ）と、少なくとも前記出力電圧値に基づいて前記複数のスイッチング素子のオン時間が所定範囲内に収まるように前記複数のスイッチング素子のスイッチング周波数を決定する周波数制御部（１５２，１５２Ａ）と、前記デューティ制御部から出力される前記デューティ比及び前記周波数制御部から出力される前記スイッチング周波数に基づいて、前記複数のスイッチング素子を駆動するパルス信号を生成する信号生成部（１５３）と、を有する。

本発明によれば、スイッチング周波数を少なくとも出力電圧値に基づいて変動させるフィードフォワード制御を行うことができるので、スイッチング素子のオン時間を所定範囲内に収め、トランスに流れる電流も所定範囲内に収めることができる。トランスに発生する磁束密度は流れる電流によるので、トランスに発生する磁束密度を所定範囲内に収めることができ、磁気飽和を回避することができる。

尚、「課題を解決するための手段」及び「特許請求の範囲」に記載した括弧内の符号は、後述する「発明を実施するための形態」との対応関係を示すものであって、「課題を解決するための手段」及び「特許請求の範囲」に記載の発明が、後述する「発明を実施するための形態」に限定されることを示すものではない。

本発明によれば、出力電流の上昇と出力電圧の上昇との相関関係に依らずにトランスの磁気飽和を回避することができる電力変換装置を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置のブロック構成を示す図である。 図２は、図１の変形例を示す図である。 図３は、図１及び図２に示された電力変換装置によるスイッチング制御を説明するための図である。 図３は、図１及び図２に示された電力変換装置によるスイッチング制御を説明するための図である。 図３は、比較例としてのスイッチング制御を説明するための図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

図１に示されるように、本実施形態に係る電力変換装置２は、端子Ｔａ、端子Ｔｂに供給される直流電圧を降圧又は昇圧して蓄電池１４に供給し、蓄電池１４を充電するものである。本実施形態の場合、蓄電池１４は大容量のリチウム蓄電池であって、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）が上昇すると電圧が低下する特性を持っている。端子Ｔａと端子Ｔｂとの間には、平滑用のコンデンサ３が設けられている。

端子Ｔａ，Ｔｂと電力変換用のトランス５との間には、入力側ブリッジ回路２１が設けられている。入力側ブリッジ回路２１は、４つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４から構成されるフルブリッジ回路である。一対の端子Ｔａ，Ｔｂの間において、スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２とが直列接続され、スイッチング素子ＳＷ３とスイッチング素子ＳＷ４とが直列接続されている。入力側ブリッジ回路２１は、フルブリッジ接続された４つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４により、直流電圧を交流電圧に変換してトランス５に出力する。スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４とトランス５との間には、リアクトル４が設けられている。

トランス５は、１次側コイルと、１次側コイルとコアを介して磁気的に結合する２次側コイルと、を有する。トランス５の１次側コイルは、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の間の接点と、スイッチング素子ＳＷ３，ＳＷ４の間の接点との間に接続される。トランス５は、入力側ブリッジ回路２１が出力する交流電圧を１次側コイルから入力し、１次側及び２次側コイルの巻線比に応じて、２次側コイルに伝達して、出力側の回路に出力する。トランス５は、１次側と２次側とが直流的に絶縁されている絶縁トランスである。

トランス５と負荷である蓄電池１４との間には、ダイオード６，７，８，９と、リアクトル１０と、コンデンサ１１と、が設けられている。４つのダイオード６，７，８，９及びコンデンサ１１は、コンデンサインプット型整流回路を形成している。

４つのダイオード６，７，８，９及びコンデンサ１１と、蓄電池１４の間には、電流検出部１２と、電圧検出部１３とが設けられている。

電流検出部１２は、トランス５から出力された出力電流を検出するものである。電流検出部１２が検出した出力電流は、制御装置１５に出力される。電圧検出部１３は、トランス５から出力された出力電圧を検出するものである。電圧検出部１３が検出した出力電圧は、制御装置１５に出力される。

制御装置１５は、ハードウェア的には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インターフェース等を備えたコンピュータシステムであり、電力変換装置２の全体の動作を制御するものである。

制御装置１５は、機能的な構成要素の一部として、デューティ制御部１５１と、周波数制御部１５２と、信号生成部１５３と、を備えている。デューティ制御部１５１には、電流検出部１２が検出した出力電流値及び電圧検出部１３が検出した出力電圧値が入力される。

デューティ制御部１５１は、出力電流値及び出力電圧値に基づいて、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４をスイッチングする際のデューティ比を算出している。デューティ制御部１５１は、算出したデューティ比を示す信号を、周波数制御部１５２及び信号生成部１５３に出力する。

周波数制御部１５２は、デューティ制御部１５１から出力されるデューティ比に基づいて、キャリア周波数を算出している。周波数制御部１５２は、算出したキャリア周波数に基づいて生成したキャリア信号を信号生成部１５３に出力する。

信号生成部１５３は、コンパレータであって、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４を駆動するためのＰＷＭ信号を生成し、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４に出力する。

デューティ制御部１５１及び周波数制御部１５２の変形例について、図２を参照しながら説明する。図２に示される電力変換装置２Ａは、制御装置１５Ａを備えている。制御装置１５Ａは、デューティ制御部１５１Ａと、周波数制御部１５２Ａと、信号生成部１５３と、を有している。

デューティ制御部１５１Ａには、電流検出部１２が検出した出力電流値及び電圧検出部１３が検出した出力電圧値が入力される。デューティ制御部１５１Ａは、出力電流値及び出力電圧値に基づいて、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４をスイッチングする際のデューティ比を算出している。デューティ制御部１５１Ａは、算出したデューティ比を示す信号を、信号生成部１５３に出力する。

周波数制御部１５２Ａには、電圧検出部１３が検出した出力電圧値が入力される。デューティ制御部１５１から出力されるデューティ比に基づいて、キャリア周波数を算出している。周波数制御部１５２は、算出したキャリア周波数に基づいて生成したキャリア信号を信号生成部１５３に出力する。このように、デューティ比ではなく、出力電圧でキャリア周波数を制御することもできる。

続いて、図３を参照しながら、制御装置１５，１５Ａによる制御の内容について説明する。図３では、出力電圧の変動に対して、出力電流Ｌ１、デューティ比Ｌ２、キャリア周波数Ｌ３、磁束密度Ｌ４がどのような関係になるかを示している。比較のため、図５に、本実施形態の制御を行わない場合の、出力電流Ｌ１、デューティ比Ｌ２、キャリア周波数Ｌ３ｆ、磁束密度Ｌ４ｆを示す。

図３に示されるように、本実施形態の蓄電池１４は、ＳＯＣが上昇すると電圧が下がるので、出力電圧が上昇すると、出力電流Ｌ１は下降する。デューティ比Ｌ２は、出力電流と出力電圧とから算出される。出力電流Ｌ１の特性は、蓄電池１４の特性によるので、図５に示される比較例の制御においてもその特性は変わらない。デューティ比Ｌ２も、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４の特性による半導体制御の内容によって決まるので、図５に示される比較例の制御においてもその特性は変わらない。

本実施形態では、図３に示されるキャリア周波数Ｌ３の特性に現れているように、デューティ比Ｌ２が上昇すると、キャリア周波数Ｌ３も上昇するように制御している。トランス５に流れる電流がオンされている時間は、デューティ比Ｌ２とキャリア周波数Ｌ３とによって決まる。

比較例のように、キャリア周波数Ｌ３ｆを一定のものとすると、デューティ比Ｌ２の上昇に応じて、トランス５に流れる電流がオンされている時間が長くなる。そのような電流の流し方をすると、図５に示される磁束密度Ｌ４ｆのように、出力電圧の上昇に伴って磁束密度Ｌ４ｆも上昇してしまい、トランス５を大型化する必要が生じる。

一方、本実施形態では、デューティ比Ｌ２が上昇すると、キャリア周波数Ｌ３も上昇させ、トランス５に流れる電流がオンされている時間が所定範囲に収まるようにしている。図３に示される例では、トランス５に流れる電流がオンされている時間が一定になるように制御しているので、磁束密度Ｌ４も一定のものとなっている。

このようにトランス５の磁束密度Ｌ４の変動を抑制することで、トランスの巻数を小さくすることができる。トランスの冗長設計を無くすことができるため、トランス５を小型化することができる。また、低電圧時には、キャリア周波数Ｌ３を抑制しているので、スイッチング損失を小さくすることにも貢献している。スイッチング損失を顧みなければ、キャリア周波数Ｌ３を常に高い状態に保つことで、トランス５の小型化は実現することができる。

本実施形態では、図４に示されるように、キャリア周波数Ｌ３ａに上限閾値を設定し、その上限閾値よりもキャリア周波数Ｌ３ａが増えないようにすることができる。この場合、キャリア周波数Ｌ３ａの上昇を抑制することで、磁束密度Ｌ４ａが上昇してしまう。しかしながら、磁束密度Ｌ４ａの上昇が、トランス５の特性からみて問題無い範囲であれば、このような制御を採用することができる。

上記したように本実施形態に係る電力変換装置２，２Ａは、フルブリッジ接続された複数のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４により、直流電圧及び直流電流を交流電圧及び交流電流に変換して出力する入力側ブリッジ回路２１と、入力側ブリッジ回路２１が出力する交流電圧及び交流電流が入力電圧及び入力電流として１次側に入力されると、２次側に出力電圧及び出力電流として交流電圧及び交流電流を出力するトランス５と、出力電圧の出力電圧値を検出する電圧検出部１３と、少なくとも出力電圧値に基づいて、複数のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４を駆動するパルス信号を出力する制御装置１５，１５Ａと、備える。制御装置１５，１５Ａは、少なくとも出力電圧値に基づいて複数のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４のデューティ比を決定するデューティ制御部１５１，１５１Ａと、少なくとも出力電圧値に基づいて複数のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４のオン時間が所定範囲内に収まるように複数のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４のスイッチング周波数を決定する周波数制御部１５２，１５２Ａと、デューティ制御部１５１，１５１Ａから出力されるデューティ比及び周波数制御部１５２，１５２Ａから出力されるスイッチング周波数に基づいて、複数のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４を駆動するパルス信号を生成する信号生成部１５３と、を有する。

本実施形態によれば、スイッチング周波数を少なくとも出力電圧値に基づいて変動させるフィードフォワード制御を行っているので、スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４のオン時間を所定範囲内に収め、トランス５に流れる電流も所定範囲内に収めることができる。トランス５に発生する磁束密度は流れる電流によるので、トランス５に発生する磁束密度を所定範囲内に収めることができ、磁気飽和を回避することができる。

また、本実施形態では、更に、出力電流の出力電流値を検出する電流検出部１２を備えており、デューティ制御部１５１は、出力電圧値と出力電流値とに基づいてデューティ比を決定し、周波数制御部１５２は、デューティ比に基づいて複数のスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４のオン時間が所定範囲内に収まるようにスイッチング周波数を決定している。

また、本実施形態では、トランス５の２次側には、負荷として蓄電池１４が繋がれており、蓄電池１４は、充電状態に応じて電圧変動するものである。

また、デューティ制御部１５１，１５１Ａは、出力電圧の増加に伴ってデューティ比を上昇させ、周波数制御部１５２，１５２Ａは、出力電圧の増加に伴ってスイッチング周波数を上昇させている。デューティ比の上昇に応じてスイッチング周波数を上昇させるので、トランス５に流れる電流を所定範囲に収め、トランス５に発生する磁束密度を所定範囲に収めることができる。

また、周波数制御部１５２，１５２Ａは、トランス５の磁束密度が所定範囲内に収まるようにスイッチング周波数を決定している。より好ましくは、周波数制御部１５２，１５２Ａは、トランス５の磁束密度が一定になるようにスイッチング周波数を決定する。

図４に示されるように、周波数制御部１５２，１５２Ａは、スイッチング周波数を上限閾値まで上昇させ、スイッチング周波数が上限閾値に達した後は、出力電圧値及び／又はデューティ比が上昇してもスイッチング周波数を上昇させないようにすることができる。

図４に示されるように、トランス５の磁束密度は、周波数制御部１５２，１５２Ａがスイッチング周波数を上限閾値まで上昇させる間は一定で、その後周波数制御部１５２，１５２Ａがスイッチング周波数の上昇を抑制すると上昇する。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、条件、形状などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。前述した各具体例が備える各要素は、技術的な矛盾が生じない限り、適宜組み合わせを変えることができる。

２，２Ａ：電力変換装置
ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４：スイッチング素子
２１：入力側ブリッジ回路
５：トランス
１２：電流検出部
１３：電圧検出部
１５，１５Ａ：制御装置
１５１，１５１Ａ：デューティ制御部
１５２，１５２Ａ：周波数制御部
１５３：信号生成部

Claims (9)

1. 電力変換装置（２，２Ａ）であって、
   フルブリッジ接続された複数のスイッチング素子（ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４）により、直流電圧及び直流電流を交流電圧及び交流電流に変換して出力する入力側ブリッジ回路（２１）と、
   前記入力側ブリッジ回路が出力する交流電圧及び交流電流が入力電圧及び入力電流として１次側に入力されると、２次側に出力電圧及び出力電流として交流電圧及び交流電流を出力するトランス（５）と、
   前記出力電圧の出力電圧値を検出する電圧検出部（１３）と、
   少なくとも前記出力電圧値に基づいて、前記複数のスイッチング素子を駆動するパルス信号を出力する制御装置（１５，１５Ａ）と、備え、
   前記制御装置は、少なくとも前記出力電圧値に基づいて前記複数のスイッチング素子のデューティ比を決定するデューティ制御部（１５１，１５１Ａ）と、少なくとも前記出力電圧値に基づいて前記複数のスイッチング素子のオン時間が所定範囲内に収まるように前記複数のスイッチング素子のスイッチング周波数を決定する周波数制御部（１５２，１５２Ａ）と、前記デューティ制御部から出力される前記デューティ比及び前記周波数制御部から出力される前記スイッチング周波数に基づいて、前記複数のスイッチング素子を駆動するパルス信号を生成する信号生成部（１５３）と、を有する、電力変換装置。
2. 更に、前記出力電流の出力電流値を検出する電流検出部（１２）を備え、
   前記デューティ制御部は、前記出力電圧値と前記出力電流値とに基づいて前記デューティ比を決定し、
   前記周波数制御部は、前記デューティ比に基づいて前記複数のスイッチング素子のオン時間が所定範囲内に収まるように前記スイッチング周波数を決定する、請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記トランスの２次側には、負荷として蓄電池（１４）が繋がれており、
   前記蓄電池は、充電状態に応じて電圧変動する、請求項１又は２記載の電力変換装置。
4. 前記デューティ制御部は、前記出力電圧の増加に伴って前記デューティ比を上昇させ、
   前記周波数制御部は、前記出力電圧の増加に伴って前記スイッチング周波数を上昇させる、請求項１から３いずれか１項記載の電力変換装置。
5. 前記周波数制御部は、前記トランスの磁束密度が所定範囲内に収まるように前記スイッチング周波数を決定する、請求項１から４いずれか１項記載の電力変換装置。
6. 前記周波数制御部は、前記トランスの磁束密度が一定になるように前記スイッチング周波数を決定する、請求項５記載の電力変換装置。
7. 前記周波数制御部は、前記スイッチング周波数を上限閾値まで上昇させ、前記スイッチング周波数が前記上限閾値に達した後は、前記出力電圧値及び／又は前記デューティ比が上昇しても前記スイッチング周波数を上昇させない、請求項５記載の電力変換装置。
8. 前記トランスの磁束密度は、前記周波数制御部が前記スイッチング周波数を前記上限閾値まで上昇させる間は一定で、その後前記周波数制御部が前記スイッチング周波数の上昇を抑制すると上昇する、請求項７記載の電力変換装置。
9. 前記トランスは絶縁トランスである、請求項１から８のいずれか１項記載の電力変換装置。

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