JP2018133987A - 電力変換装置 - Google Patents

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智之 溝尻
Tomoyuki Mizojiri
智之 溝尻
克則 戸田
Katsunori Toda
克則 戸田
秀章 川口
Hideaki Kawaguchi
秀章 川口
敦志 川▲崎▼
Atsushi Kawasaki
敦志 川▲崎▼
祐甫 谷
Yusuke Tani
祐甫 谷
浩光 宮嶋
Hiromitsu Miyajima
浩光 宮嶋
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Abstract

【課題】並列に接続された各スイッチング回路から負荷装置に流れる電流を均等化することができ、かつ、負荷装置から並列に接続された各スイッチング回路に流れる電流を均等化することができる電力変換装置を提供する。【解決手段】並列接続の各スイッチング回路20A,20Bは、スイッチ素子21,22が第1中間点M1で接続された第1レグL1と、スイッチ素子23,24が第2中間点M2で接続された第2レグL2とを備える。各第1中間点M1は、負荷装置Lの一端に繋がる第1合流点C1で接続され、各第2中間点M2は、負荷装置Lの他端に繋がる第2合流点C2で接続される。制御部5は、第1合流点C1と各第1中間点M1とを繋ぐ電路に設けられた第1電流検出部31,33と、第2合流点C2と各第2中間点M2とを繋ぐ電路に設けられた第2電流検出部32,34とによる電流の検出結果に基づき、スイッチング回路20A,20Bを制御する。【選択図】図1

Description

本発明は、並列に接続されたスイッチング回路を含む変換回路により直流の電力を所望の電力に変換して負荷装置に出力する電力変換装置に関する。
従来から、外部の電源から供給される交流の電力から直流の電力を生成する整流回路、整流回路で生成した直流の電力を所望の電力に変換して負荷装置に出力する変換回路、および、変換回路と負荷装置とを繋ぐ電路における電流の大きさを検出するための電流検出回路等を備えた電力変換装置が知られている(例えば特許文献1参照)。
図11は、従来の電力変換装置の一例を示している。
図11に示す電力変換装置は、外部の電源Sに接続された整流回路101と、並列に接続されたスイッチング回路120A,120Bを含む変換回路102と、変換回路102と負荷装置Lとを繋ぐ電路に設けられた電流検出回路103と、スイッチング回路120A,120Bの動作を制御する制御部105とを備えている。
スイッチング回路120A,120Bの各々は、2つのスイッチ素子121,122が第1中間点M1で直列に接続されて形成された第1レグL1と、他の2つのスイッチ素子123,124が第2中間点M2で直列に接続されて形成された第2レグL2とを備えている。複数の第1中間点M1は、第1合流点C1で負荷装置Lの一端と電気的に接続され、複数の第2中間点M2は、第2合流点C2で負荷装置Lの他端と電気的に接続されている。また、電流検出回路103は、第1合流点C1と複数の第1中間点M1の各々とを繋ぐ電路に設けられた複数の変流器131,132を備えている。
制御部105は、複数の変流器131,132による電流の大きさの検出結果に基づき、複数のスイッチング回路120A,120Bをフィードバック制御することにより、スイッチング回路120Aから負荷装置Lに流れる電流の大きさと、スイッチング回路120Bから負荷装置Lに流れる電流の大きさとの差を小さくするように構成されている。
特開2009−213239号公報(図10参照)
しかしながら、図11の電力変換装置においては、スイッチング回路120A,120Bから負荷装置Lに流れる電流を均等化することができるものの、負荷装置Lから各スイッチング回路120A,120Bに流れる電流を均等化することができないという問題がある。そのため、負荷装置Lからスイッチング回路120A,120Bの一方に過電流が流れ、例えば、第2レグL2を構成するスイッチ素子124の破壊や劣化が生じるおそれがある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、並列に接続された各スイッチング回路から負荷装置に流れる電流を均等化することができ、かつ、負荷装置から並列に接続された各スイッチング回路に流れる電流を均等化することができる電力変換装置を提供することを課題とする。
上記課題を解決するため、請求項1に記載の電力変換装置は、直流の電力を所望の電力に変換して負荷装置に出力する変換回路と、前記変換回路と前記負荷装置とを繋ぐ電路に設けられ、当該電路における電流の大きさを検出するための電流検出回路と、前記変換回路の動作を制御する制御部と、を備え、前記変換回路は、並列に接続された複数のスイッチング回路を備え、複数の前記スイッチング回路の各々は、一方の2つのスイッチ素子が第1中間点で直列に接続されて形成された第1レグと、他方の2つのスイッチ素子が第2中間点で直列に接続されて形成された第2レグとを備え、複数の前記スイッチング回路の各々の前記第1中間点は、前記負荷装置の一端と繋がる第1合流点で電気的に接続され、複数の前記スイッチング回路の各々の前記第2中間点は、前記負荷装置の他端と繋がる第2合流点で電気的に接続され、前記電流検出回路は、前記第1合流点と複数の前記第1中間点の各々とを繋ぐ電路に設けられた複数の第1電流検出部と、前記第2合流点と複数の前記第2中間点の各々とを繋ぐ電路に設けられた複数の第2電流検出部とを含み、前記制御部は、複数の前記第1電流検出部と複数の前記第2電流検出部とによる電流の大きさの検出結果に基づき、複数の前記スイッチング回路を制御することを特徴とする。
上記構成によれば、複数の第1電流検出部を用いて、各スイッチング回路から負荷装置に流れる電流の大きさを検出することができ、複数の第2電流検出部を用いて、負荷装置から各スイッチング回路に流れる電流の大きさを検出することができる。したがって、第1電流検出部および第2電流検出部による電流の大きさの検出結果に基づいてスイッチング回路が制御されることで、並列に接続された各スイッチング回路から負荷装置に流れる電流を均等化することができ、かつ、負荷装置から並列に接続された各スイッチング回路に流れる電流を均等化することができる。
また、請求項2に記載の電力変換装置は、請求項1に記載の電力変換装置において、前記制御部は、複数の前記第1電流検出部の各々により検出される電流の大きさの差が小さくなるとともに複数の前記第2電流検出部の各々により検出される電流の大きさの差が小さくなるように複数の前記スイッチング回路を制御することを特徴とする。
また、請求項3に記載の電力変換装置は、請求項1または2に記載の電力変換装置において、前記電流検出回路は、前記負荷装置と前記第1合流点または前記第2合流点とを繋ぐ電路に設けられた第3電流検出部をさらに含み、前記制御部は、前記第3電流検出部による電流の大きさの検出結果と、複数の前記第1電流検出部と複数の前記第2電流検出部とによる電流の大きさの検出結果とに基づき、複数の前記スイッチング回路を制御することを特徴とする。この構成によれば、第1および第2電流検出部のみを用いて制御する構成に比べて、負荷装置に流れる電流の制御と、複数のスイッチング回路の各レグに流れる電流の均等化とを、精確に行うことができる。
また、請求項4に記載の電力変換装置は、請求項1〜3のいずれか一項に記載の電力変換装置において、外部の電源から供給される交流の電力から直流の電力を生成する整流回路を備え、複数の前記整流回路が並列に接続されるとともに、当該整流回路の各々は、1つ以上の前記変換回路を介して共通の前記負荷装置に接続されることを特徴とする。この構成によれば、1つの整流回路で直流の電力を生成する構成に比べて、整流回路の各々に流れる電流を小さくすることができ、整流回路および変換回路の構成部品として小型の電気部品を採用することができる。
また、請求項5に記載の電力変換装置は、請求項1〜4のいずれか一項に記載の電力変換装置において、前記スイッチング回路の制御を調整するための操作を受け付ける操作入力部をさらに備え、前記制御部は、前記電流検出回路による電流の大きさの検出結果と、前記操作入力部から入力される入力信号とに基づいて、複数の前記スイッチング回路を制御することを特徴とする。この構成によれば、各スイッチング回路から負荷装置に流れる電流、および、負荷装置から各スイッチング回路に流れる電流を、オペレータの手動操作により微調整することが可能となる。
本発明によれば、並列に接続された各スイッチング回路から負荷装置に流れる電流を均等化することができ、かつ、負荷装置から並列に接続された各スイッチング回路に流れる電流を均等化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。
本発明の第1実施形態に係る電力変換装置の概略構成図である。 同実施形態に係る電力変換装置が備える制御部のブロック図である。 本発明の第2実施形態に係る電力変換装置の概略構成図である。 同実施形態に係る電力変換装置が備える制御部のブロック図である。 本発明の第3実施形態に係る電力変換装置が備える制御部のブロック図である。 本発明の第4実施形態に係る電力変換装置が備える制御部のブロック図である。 一変形例に係る電力変換装置が備える制御部のブロック図である。 一変形例に係る電力変換装置が備える制御部のブロック図である。 一変形例に係る電力変換装置が備える制御部のブロック図である。 一変形例に係る電力変換装置のブロック図である。 従来例に係る電力変換装置の概略構成図である。
(第1実施形態)
図1および図2を参照して、本発明の第1実施形態に係る電力変換装置について説明する。図1は、第1実施形態に係る電力変換装置の全体構成を示している。
図1に示すように、電力変換装置は、整流回路1と、変換回路2と、電流検出回路3と、制御部5とを備えている。電力変換装置は、商用交流電源等の外部の電源Sから供給される電力を所望の電力に変換して負荷装置Lに出力する。
整流回路1は、電源Sに接続され、電源Sから交流の電力を受電する。整流回路1は、電源Sから供給される交流の電力から直流の電力を生成する。
変換回路2は、整流回路1と負荷装置Lとを繋ぐ電路に設けられている。変換回路2は、整流回路1で生成された直流の電力を所望の電力に変換して負荷装置Lに出力する。変換回路2は、並列に接続された複数のスイッチング回路20A,20Bを備えている。
スイッチング回路20A,20Bの各々は、2つのスイッチ素子21,22が第1中間点M1で直列に接続されて形成された第1レグL1と、他の2つのスイッチ素子23,24が第2中間点M2で直列に接続されて形成された第2レグL2とを備えている。各スイッチング回路20A,20Bの第1中間点M1は、負荷装置Lの一端と繋がる第1合流点C1で電気的に接続されている。また、各スイッチング回路20A,20Bの第2中間点M2は、負荷装置Lの他端と繋がる第2合流点C2で電気的に接続されている。
各スイッチ素子21〜24は、半導体スイッチング素子を含んでいる。具体的には、スイッチ素子21〜24の各々は、半導体スイッチング素子であるIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)と、当該IGBTに並列に接続された還流ダイオードとにより構成されている。
電流検出回路3は、変換回路2と負荷装置Lとを繋ぐ電路に設けられている。電流検出回路3は、第1合流点C1と複数の第1中間点M1の各々とを繋ぐ電路に設けられた複数の第1電流検出部31,33と、第2合流点C2と複数の第2中間点M2の各々とを繋ぐ電路に設けられた複数の第2電流検出部32,34とを含んでいる。
各電流検出部31〜34は、カレントトランス(変流器)により構成されている。一方の第1電流検出部31は、スイッチング回路20Aの第1レグL1と負荷装置Lの一端とを繋ぐ電路に設けられ、他方の第1電流検出部33は、スイッチング回路20Bの第1レグL1と負荷装置Lの一端とを繋ぐ電路に設けられている。また、一方の第2電流検出部32は、スイッチング回路20Aの第2レグL2と負荷装置Lの他端とを繋ぐ電路に設けられ、他方の第2電流検出部34は、スイッチング回路20Bの第2レグL2と負荷装置Lの他端とを繋ぐ電路に設けられている。
また、電流検出回路3は、負荷装置Lに流れる電流の大きさを検出するための第3電流検出部41をさらに含んでいる。第3電流検出部41は、各電流検出部31〜34よりも大型のカレントトランスであって、負荷装置Lと第2合流点C2とを繋ぐ電路に設けられている。
制御部5は、変換回路2の動作を制御する。制御部5は、電流検出回路3による電流の大きさの検出結果(すなわち、第1電流検出部31,33と第2電流検出部32,34と第3電流検出部41とによる電流の大きさの検出結果)に基づいて、複数のスイッチング回路20A,20Bを制御する。具体的には、制御部5は、第1電流検出部31,33の各々により検出される電流の大きさの差を小さくし、かつ、第2電流検出部32,34の各々により検出される電流の大きさの差を小さくするように、スイッチング回路20A,20Bをフィードバック制御する。
以上のように構成された電力変換装置においては、各スイッチ素子21,24がオン状態(閉状態)となり、各スイッチ素子22,23がオフ状態(開状態)となることで、各第1レグL1から負荷装置Lに電流が流れるとともに負荷装置Lから各第2レグL2に電流が流れる。また、各スイッチ素子21,24がオフ状態(開状態)となり、各スイッチ素子22,23がオン状態(閉状態)となることで、各第2レグL2から負荷装置Lに電流が流れるとともに負荷装置Lから各第1レグL1に電流が流れる。
次に、図2を参照して、制御部5の構成を説明するとともに、制御部5によるスイッチング回路20A,20Bの制御の一例を説明する。
図2に示すように、制御部5は、移動平均算出部51,53と、制御信号生成部52と、平均算出部54と、補正量算出部55と、制御信号補正部56と、PWM信号生成部57とにより構成されている。
移動平均算出部51は、第3電流検出部41から入力される電流Iについて、A/D変換を行って電流値の移動平均を算出することで、負荷装置Lに流れる電流の移動平均Iaを算出する。
制御信号生成部52は、負荷装置Lに所望の電流を流すためのフィードバック制御を行うために、移動平均Iaに基づいて基本となるゲート信号を生成する。具体的には、制御信号生成部52は、ゲート信号として、スイッチング回路20Aの第1レグL1を制御する制御信号G1bと、スイッチング回路20Aの第2レグL2を制御する制御信号G2bと、スイッチング回路20Bの第1レグL1を制御する制御信号G3bと、スイッチング回路20Bの第2レグL2を制御する制御信号G4bとを生成する。
移動平均算出部53は、各電流検出部31〜34(第1電流検出部31,33および第2電流検出部32,34)から入力される電流I1〜I4の各々について、A/D変換を行って電流値の移動平均を算出することで、スイッチング回路20Aの第1レグL1に流れる電流の移動平均I1aと、スイッチング回路20Aの第2レグL2に流れる電流の移動平均I2aと、スイッチング回路20Bの第1レグL1に流れる電流の移動平均I3aと、スイッチング回路20Bの第2レグL2に流れる電流の移動平均I4aとを算出する。
平均算出部54は、電流I1〜I4の偏差を算出する際の基準値を算出する。具体的には、平均算出部54は、移動平均I1a〜I4aの相加平均を算出することで、基準値として、各レグL1,L2に流れる電流の平均Avgを算出する。
補正量算出部55は、移動平均I1a〜I4aに基づいて、基本となるゲート信号に対して補正すべき補正量を算出する。具体的には、補正量算出部55は、補正量として、平均Avgに対する移動平均I1aの偏差Df1と、平均Avgに対する移動平均I2aの偏差Df2と、平均Avgに対する移動平均I3aの偏差Df3と、平均Avgに対する移動平均I4aの偏差Df4とを算出する。
制御信号補正部56は、各レグL1,L2に流れる電流を均等化するために、偏差Df1〜Df4に基づいてゲート信号を補正する。具体的には、制御信号補正部56は、偏差Df1に基づいて制御信号G1bを補正し、偏差Df2に基づいて制御信号G2bを補正し、偏差Df3に基づいて制御信号G3bを補正し、偏差Df4に基づいて制御信号G4bを補正する。こうして、偏差Df1〜Df4に応じて制御信号G1b〜G4bが補正されることで、当該偏差Df1〜Df4を0に近づけるフィードバック制御が実行される。
PWM信号生成部57は、スイッチング回路20A,20Bを駆動するために、補正後の制御信号G1〜G4について、D/A変換を行って三角波比較方式により変調することでPWM信号を生成する。具体的には、PWM信号生成部57は、スイッチング回路20Aの第1レグL1を駆動するPWM信号P1と、スイッチング回路20Aの第2レグL2を駆動するPWM信号P2と、スイッチング回路20Bの第1レグL1を駆動するPWM信号P3と、スイッチング回路20Bの第2レグL2を駆動するPWM信号P4とを生成する。
以上のようにして生成されたPWM信号P1〜P4が、スイッチング回路20A,20Bの各スイッチ素子21〜24に入力されることによって、当該スイッチ素子21〜24のオン状態およびオフ状態の切り替えが制御され、各電流検出部31〜34が設けられた電路に流れる電流の大きさが均等化される。
本実施形態によれば以下の効果を奏する。
(1)複数の第1電流検出部31,33を用いて、各スイッチング回路20A,20Bの第1レグL1に流れる電流の大きさを検出することができ、複数の第2電流検出部32,34を用いて、各スイッチング回路20A,20Bの第2レグL2に流れる電流の大きさを検出することができる。したがって、第1電流検出部31,33および第2電流検出部32,34による電流の大きさの検出結果に基づいてスイッチング回路20A,20Bが制御されることで、並列に接続された各スイッチング回路20A,20Bから負荷装置Lに流れる電流を均等化することができ、かつ、負荷装置Lから並列に接続された各スイッチング回路20A,20Bに流れる電流を均等化することができる。
(2)制御部5は、第1電流検出部31,33および第2電流検出部32,34による電流の大きさの検出結果に基づいて制御信号G1b〜G4bを生成し、第3電流検出部41による電流の大きさの検出結果に基づいて制御信号G1b〜G4bを補正する。すなわち、制御部5は、第3電流検出部41による電流の大きさの検出結果と、第1および第2電流検出部31〜34による電流の大きさの検出結果とに基づき、スイッチング回路20A,20Bを制御する。このため、第1および第2電流検出部31〜34のみを用いて制御する構成に比べて、負荷装置Lに流れる電流の制御と、スイッチング回路20A,20Bの各レグL1,L2に流れる電流の均等化とを、精確に行うことができる。
(第2実施形態)
図3および図4を参照して、本発明の第2実施形態に係る電力変換装置について説明する。図3は、第2実施形態に係る電力変換装置の全体構成を示している。なお、第1実施形態と同様の構成については同様の符号を付して説明を省略する。
図3に示すように、電力変換装置は、複数の整流回路1A,1Bと、複数の変換回路2A,2Bと、電流検出回路3と、制御部7とを備えている。
並列に接続された整流回路1A,1Bの各々は、共通の電源Sに接続されるとともに、1つ以上の変換回路2A,2Bを介して共通の負荷装置Lに接続されている。
変換回路2Aは、整流回路1Aと負荷装置Lとを繋ぐ電路に設けられ、変換回路2Bは、整流回路1Bと負荷装置Lとを繋ぐ電路に設けられている。変換回路2A,2Bの各々は、上記変換回路2と同様の構成を備えており、直流の電力を所望の電力に変換して共通の負荷装置Lに出力する。
各変換回路2A,2Bのスイッチング回路20A,20Bが備える第1中間点M1は、負荷装置Lの一端と繋がる第1合流点C1,C3で電気的に接続されており、各変換回路2A,2Bのスイッチング回路20A,20Bが備える第2中間点M2は、負荷装置Lの他端と繋がる第2合流点C2,C4で電気的に接続されている。また、第1合流点C1と第1合流点C3は、負荷装置Lの一端と繋がる第1全体合流点D1に繋がっており、第2合流点C2と第2合流点C4は、負荷装置Lの他端と繋がる第2全体合流点D2に繋がっている。
電流検出回路3は、第1合流点C1,C3と変換回路2A,2Bの各々の第1中間点M1とを繋ぐ電路に設けられた複数の第1電流検出部31,33,35,37と、第2合流点C2,C4と変換回路2A,2Bの各々の第2中間点M2とを繋ぐ電路に設けられた複数の第2電流検出部32,34,36,38と、第3電流検出部41とを備えている。
一方の第1電流検出部31,33は、第1合流点C1と変換回路2Aに含まれる複数の第1中間点M1の各々とを繋ぐ電路に設けられ、他方の第1電流検出部35,37は、第1合流点C3と変換回路2Bに含まれる複数の第1中間点M1の各々とを繋ぐ電路に設けられている。一方の第2電流検出部32,34は、第2合流点C2と変換回路2Aに含まれる複数の第2中間点M2の各々とを繋ぐ電路に設けられ、他方の第2電流検出部36,38は、第2合流点C4と変換回路2Bに含まれる複数の第2中間点M2の各々とを繋ぐ電路に設けられている。第3電流検出部41は、負荷装置Lと第2全体合流点D2とを繋ぐ電路に設けられている。
制御部7は、メイン制御回路70と、複数のサブ制御回路70A,70Bとにより構成されている。制御部7は、第1電流検出部31,33と第2電流検出部32,34と第3電流検出部41とによる電流の大きさの検出結果に基づいて、変換回路2Aのスイッチング回路20A,20Bを制御し、第1電流検出部35,37と第2電流検出部36,38と第3電流検出部41とによる電流の大きさの検出結果に基づいて、変換回路2Bのスイッチング回路20A,20Bを制御する。具体的には、制御部7は、第1電流検出部31,33の各々により検出される電流の大きさの差と、第2電流検出部32,34の各々により検出される電流の大きさの差と、第1電流検出部35,37の各々により検出される電流の大きさの差と、第2電流検出部36,38の各々により検出される電流の大きさの差を小さくするように、各変換回路2A,2Bのスイッチング回路20A,20Bをフィードバック制御する。
次に、図4を参照して、制御部7の構成を説明するとともに、制御部7によるスイッチング回路20A,20Bの制御の一例を説明する。
図4に示すように、メイン制御回路70は、指令値記憶部71と、移動平均算出部72と、PWM信号生成部73とにより構成されている。
指令値記憶部71は、指令値Rが予め記憶されているメモリにより構成される。指令値Rは、例えば電路のインピーダンスを加味して、オペレータの手動操作または遠隔操作によって予め設定されている任意の値である。
移動平均算出部72は、指令値Rに基づいて、後述する移動平均I1a〜I4a,I5a〜I8aに基づき算出される平均Avg1,Avg2の目標値を算出する。具体的には、移動平均算出部72は、平均Avg1,Avg2の目標値として、指令値Rの移動平均Raを算出する。
PWM信号生成部73は、第3電流検出部41から入力される電流Iと、指令値Rの移動平均Raとに基づいて、基本となるPWM信号を生成する。具体的には、PWM信号生成部73は、変換回路2Aの各レグL1,L2を駆動するPWM信号P1b〜P4bを生成するとともに、変換回路2Bの各レグL1,L2を駆動するPWM信号P5b〜P8bを生成する。また、PWM信号生成部73は、定常偏差を取り除き、各PWM信号P1b〜P8bを生成する。
サブ制御回路70A,70Bの各々は、移動平均算出部74と、平均算出部75と、補正信号生成部76と、PWM信号補正部77とにより構成されている。サブ制御回路70Aは、各電流検出部31〜34から入力される電流I1〜I4に基づいて、PWM信号P1b〜P4bを補正する。また、サブ制御回路70Bは、各電流検出部35〜38から入力される電流I5〜I8に基づいて、PWM信号P5b〜P8bを補正する。
移動平均算出部74は、移動平均算出部53と同様にして、各電流検出部31〜38から入力される電流I1〜I8に基づき、各電流検出部31〜38が設けられた電路に流れる電流の移動平均I1a〜I8aを算出する。
平均算出部75は、平均算出部54と同様に、移動平均I1a〜I4aの相加平均を算出することで、変換回路2Aの各レグL1,L2に流れる電流の平均Avg1を算出し、移動平均I5a〜I8aの相加平均を算出することで、変換回路2Bの各レグL1,L2に流れる電流の平均Avg2を算出する。
補正信号生成部76は、指令値Rの移動平均Raと、各電流検出部31〜38が設けられた電路に流れる電流の移動平均I1a〜I8aとに基づいて、PWM信号に対する補正信号E1,E2を生成する。具体的には、例えば、サブ制御回路70Aの補正信号生成部76は、平均Avg1を指令値Rの移動平均Raに収束させ、かつ、平均Avg1に対する各移動平均I1a〜I4aの偏差を0にするための補正信号E1を生成する。また、サブ制御回路70Bの補正信号生成部76は、平均Avg2を指令値Rの移動平均Raに収束させ、かつ、平均Avg2に対する各移動平均I5a〜I8aの偏差を0にするための補正信号E2を生成する。
PWM信号補正部77は、補正信号E1,E2に基づいて、PWM信号P1b〜P8bを補正する。具体的には、PWM信号補正部77は、補正信号E1に基づいてPWM信号P1b〜P4bを補正し、補正信号E2に基づいてPWM信号P5b〜P8bを補正する。また、PWM信号補正部77は、各レグL1,L2における短絡を防ぐデッドタイムを設ける処理をPWM信号P1b〜P8bに対して行う。こうして、補正信号E1,E2に応じてPWM信号P1b〜P8bが補正されることで、各電流検出部31〜38が設けられた電路に流れる電流を同じ大きさにするフィードバック制御が実行されるように構成されている。
以上のようにして補正されたPWM信号P1〜P8が、変換回路2A,2Bの各スイッチ素子21〜24に入力されることによって、当該スイッチ素子21〜24のオン状態およびオフ状態の切り替えが制御され、各電流検出部31〜38が設けられた電路に流れる電流の大きさが均等化される。
本実施形態によれば、上記(1),(2)と同様の効果を奏するとともに、以下の効果を奏する。
(3)整流回路1A,1Bの各々は、1つ以上の変換回路2A,2Bを介して共通の負荷装置Lに接続されている。このため、1つの整流回路1で直流の電力を生成する構成に比べて、整流回路1A,1Bの各々に流れる電流を小さくすることができ、整流回路1A,1Bおよび変換回路2A,2Bの構成部品として小型の電気部品を採用することができる。
(第3実施形態)
図5を参照して、本発明の第3実施形態に係る電力変換装置について説明する。なお、本実施形態に係る電力変換装置の全体構成は、第1実施形態の構成(図1参照)と同じである。第1実施形態と同様の構成については同様の符号を付して説明を省略する。
図5に示すように、本実施形態に係る制御部5は、移動平均算出部51,53と、制御信号生成部52と、平均算出部54と、補正量算出部55と、制御信号補正部56と、PWM信号生成部57と、偏差算出部81と、加重平均算出部82とにより構成されている。
偏差算出部81は、平均算出部54によって算出された平均Avgに基づいて、移動平均I1a〜I4aの偏差を算出する。具体的には、偏差算出部81は、平均Avgに対する移動平均I1aの偏差Df1と、平均Avgに対する移動平均I2aの偏差Df2と、平均Avgに対する移動平均I3aの偏差Df3と、平均Avgに対する移動平均I4aの偏差Df4とを算出する。
加重平均算出部82は、偏差Df1〜Df4を重みとして、移動平均I1a〜I4aの加重平均を算出する。具体的には、加重平均算出部82は、「WA=(Df1×I1a+Df2×I2a+Df3×I3a+Df4×I4a)/(|Df1|+|Df2|+|Df3|+|Df4|)」の式に従って、移動平均I1a〜I4aの加重平均WAを算出する。
補正量算出部55は、ゲート信号に対して補正すべき補正量として、加重平均WAに対する移動平均I1aの偏差WD1と、加重平均WAに対する移動平均I2aの偏差WD2と、加重平均WAに対する移動平均I3aの偏差WD3と、加重平均WAに対する移動平均I4aの偏差WD4とを算出する。
制御信号補正部56は、各レグL1,L2に流れる電流を均等化するために、偏差WD1〜WD4に基づいてゲート信号を補正する。具体的には、制御信号補正部56は、偏差WD1に基づいて制御信号G1bを補正し、偏差WD2に基づいて制御信号G2bを補正し、偏差WD3に基づいて制御信号G3bを補正し、偏差WD4に基づいて制御信号G4bを補正する。こうして、偏差WD1〜WD4に応じて制御信号G1b〜G4bが補正されることで、偏差WD1〜WD4を0に近づけるフィードバック制御が実行される。
本実施形態によれば、上記(1),(2)に準じた効果を奏するとともに、以下の効果を奏する。
(4)例えば温度変化によって、各電流検出部31〜34から得られる電流I1〜I4に誤差が生じ、それらの相対誤差(誤差率)が異なる場合には、平均Avgに対する移動平均I1a〜I4aの偏差Df1〜Df4を0に近づけても、各電流検出部31〜34が設けられた電路に流れる電流の大きさを均等化できない場合がある。そこで、本実施形態においては、加重平均WAに対する移動平均I1a〜I4aの偏差WD1〜WD4を0に近づける制御を行うことで、電流I1〜I4の相対誤差が異なる場合にも、各電流検出部31〜34が設けられた電路に流れる電流の大きさを均等化することができる。したがって、各スイッチング回路20A,20Bから負荷装置Lに流れる電流、および、負荷装置Lから各スイッチング回路20A,20Bに流れる電流を、精度良く均等化することができる。
(第4実施形態)
図6を参照して、本発明の第4実施形態に係る電力変換装置について説明する。なお、本実施形態に係る電力変換装置の全体構成は、第1実施形態の構成(図1参照)と同じである。第1実施形態と同様の構成については同様の符号を付して説明を省略する。
図6に示すように、本実施形態に係る制御部5は、移動平均算出部51,53と、制御信号生成部52と、補正量算出部55と、制御信号補正部56と、PWM信号生成部57と、変化率算出部83と、平均算出部84と、偏差算出部85と、加重平均算出部86とにより構成されている。
変化率算出部83は、各電流検出部31〜34から入力される電流I1〜I4の各々について、A/D変換を行って微小時間当たりの電流値の変化率を算出することで、スイッチング回路20Aの第1レグL1に流れる電流の変化率R1と、スイッチング回路20Aの第2レグL2に流れる電流の変化率R2と、スイッチング回路20Bの第1レグL1に流れる電流の変化率R3と、スイッチング回路20Bの第2レグL2に流れる電流の変化率R4とを算出する。なお、変化率算出部83は、変化率R1〜R4が所定値よりも大きい場合には、各電流検出部31〜34から入力される電流I1〜I4にノイズが生じていると判定し、所定値よりも大きい変化率R1〜R4を平均算出部84および偏差算出部85に出力しない。
平均算出部84は、変化率R1〜R4の偏差を算出する際の基準値を算出する。具体的には、平均算出部84は、変化率R1〜R4の相加平均を算出することで、基準値として、各レグL1,L2に流れる電流の変化率の平均RAを算出する。
偏差算出部85は、平均算出部84によって算出された平均RAに基づいて、電流I1〜I4の変化率の偏差を算出する。具体的には、偏差算出部85は、平均RAに対する変化率R1の偏差RD1と、平均RAに対する変化率R2の偏差RD2と、平均RAに対する変化率R3の偏差RD3と、平均RAに対する変化率R4の偏差RD4とを算出する。
加重平均算出部86は、偏差RD1〜RD4を重みとして、移動平均I1a〜I4aの加重平均を算出する。具体的には、加重平均算出部86は、「WA=(RD1×I1a+RD2×I2a+RD3×I3a+RD4×I4a)/(|RD1|+|RD2|+|RD3|+|RD4|)」の式に従って、移動平均I1a〜I4aの加重平均WAを算出する。
補正量算出部55は、第3実施形態と同様に、加重平均WAに対する移動平均I1aの偏差WD1と、加重平均WAに対する移動平均I2aの偏差WD2と、加重平均WAに対する移動平均I3aの偏差WD3と、加重平均WAに対する移動平均I4aの偏差WD4とを算出する。
制御信号補正部56は、第3実施形態と同様に、偏差WD1に基づいて制御信号G1bを補正し、偏差WD2に基づいて制御信号G2bを補正し、偏差WD3に基づいて制御信号G3bを補正し、偏差WD4に基づいて制御信号G4bを補正する。こうして、偏差WD1〜WD4に応じて制御信号G1b〜G4bが補正されることで、偏差WD1〜WD4を0に近づけるフィードバック制御が実行される。
本実施形態によれば、上記(1),(2),(4)に準じた効果を奏するとともに、以下の効果を奏する。
(5)例えば、第3実施形態において電流I1〜I4にノイズが生じた場合には、移動平均算出部53による移動平均点数を増やすことで、電流I1〜I4に生じるノイズの影響を低減することができるものの、加重平均WAに係る重み(偏差Df1〜Df4)の算出時間が長くなるという問題がある。そこで、本実施形態においては、移動平均処理を行うことなく加重平均WAに係る重み(偏差RD1〜RD4)を算出することで、加重平均WAの更新頻度を高め、加重平均WAに対する移動平均I1a〜I4aの偏差WD1〜WD4を0に近づける制御の処理時間を短くすることができる。
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、上記構成を適宜変更することもできる。例えば、上記実施形態を、以下のように変更して実施してもよく、以下の変更を組み合わせて実施してもよい。
図7に示すように、第3実施形態に記載した偏差算出部81および加重平均算出部82を、第2実施形態に記載の制御部7に組み込んでもよい。本変形例に係るサブ制御回路70A,70Bの各々は、移動平均算出部74と、平均算出部75と、補正信号生成部76と、PWM信号補正部77と、偏差算出部81と、加重平均算出部82とにより構成されている。サブ制御回路70Aが備える偏差算出部81は、平均Avg1に対する移動平均I1a〜I4aの偏差Df1〜Df4を算出し、サブ制御回路70Bが備える偏差算出部81は、平均Avg2に対する移動平均I5a〜I8aの偏差Df5〜Df8を算出する。また、サブ制御回路70Aが備える加重平均算出部82は、偏差Df1〜Df4を重みとする移動平均I1a〜I4aの加重平均WA1を算出し、サブ制御回路70Bが備える加重平均算出部82は、偏差Df5〜Df8を重みとする移動平均I5a〜I8aの加重平均WA2を算出する。そして、本変形例においては、サブ制御回路70Aの補正信号生成部76は、加重平均WA1に対する各移動平均I1a〜I4aの偏差を0にするための補正信号E1を生成し、サブ制御回路70Bの補正信号生成部76は、加重平均WA2に対する各移動平均I5a〜I8aの偏差を0にするための補正信号E2を生成する。なお、図7に示すメイン制御部70の構成は、第2実施形態に記載の構成(図4)と同じである。本変形例によれば、上記(1)〜(4)に準じた効果を奏する。
また、図8に示すように、第4実施形態に記載した変化率算出部83、平均算出部84、偏差算出部85、および、加重平均算出部86を、第2実施形態の記載の制御部7に組み込んでもよい。本変形例に係るサブ制御回路70A,70Bの各々は、移動平均算出部74と、補正信号生成部76と、PWM信号補正部77と、変化率算出部83と、平均算出部84と、偏差算出部85と、加重平均算出部86とにより構成されている。サブ制御回路70Aが備える変化率算出部83は、電流検出部31〜34から入力される電流I1〜I4の各々の変化率R1〜R4を算出し、サブ制御回路70Bが備える変化率算出部83は、電流検出部35〜38から入力される電流I5〜I8の各々の変化率R5〜R8を算出する。また、サブ制御回路70Aが備える平均算出部84は、変換回路2Aの各レグL1,L2に流れる電流の変化率の平均RA1を算出し、サブ制御回路70Bが備える平均算出部84は、変換回路2Bの各レグL1,L2に流れる電流の変化率の平均RA2を算出する。また、サブ制御回路70Aが備える偏差算出部85は、平均RA1に対する変化率R1〜R4の偏差RD1〜RD4を算出し、サブ制御回路70Bが備える偏差算出部85は、平均RA2に対する変化率R5〜R8の偏差RD5〜RD8を算出する。また、サブ制御回路70Aが備える加重平均算出部86は、偏差RD1〜RD4を重みとする移動平均I1a〜I4aの加重平均WA1を算出し、サブ制御回路70Bが備える加重平均算出部86は、偏差RD5〜RD8を重みとする移動平均I5a〜I8aの加重平均WA2を算出する。そして、上記変形例と同様に、サブ制御回路70Aの補正信号生成部76は、加重平均WA1に対する各移動平均I1a〜I4aの偏差を0にするための補正信号E1を生成し、サブ制御回路70Bの補正信号生成部76は、加重平均WA2に対する各移動平均I5a〜I8aの偏差を0にするための補正信号E2を生成する。なお、図8に示すメイン制御部70の構成は、第2実施形態に記載の構成(図4)と同じである。本変形例によれば、上記(1)〜(5)に準じた効果を奏する。
また、図9に示すように、電力変換装置は、スイッチング回路20A,20B(図1参照)の制御を調整するための操作を受け付ける操作入力部6をさらに備え、制御部5は、電流検出回路3(図1参照)による電流の大きさの検出結果と、操作入力部6から入力される入力信号Mとに基づいて、スイッチング回路20A,20Bを制御してもよい。
操作入力部6は、電力変換装置のオペレータにより操作されるマンマシンインタフェース(例えば押しボタンやタッチパネル)により構成されており、スイッチング回路20A,20Bの制御を調整するための操作を受け付ける。具体的には、オペレータが操作入力部6を操作することで、当該操作に応じた入力信号Mが操作入力部6から制御部5の制御信号補正部56に入力され、制御信号補正部56が、入力信号Mに基づいて制御信号G1b〜G4bの補正度合いを個別に調整する。この構成によれば、各スイッチング回路20A,20Bから負荷装置Lに流れる電流、および、負荷装置Lから各スイッチング回路20A,20Bに流れる電流を、オペレータの手動操作により調整することが可能となる。したがって、スイッチング回路20A,20Bを構成するスイッチ素子21〜24における電流および電圧を微調整することができる。
また、電力変換装置を構成する制御部5,7の構成を適宜変更してもよい。具体的には、例えば図10に示すように、複数の変換回路2A,2Bの各スイッチング回路20A,20B(図3参照)を制御する制御部7が、1つの制御装置に収納される制御回路70により構成され、制御回路70が、移動平均Ra,I1a〜I8aを算出する移動平均算出部91と、平均Avg1,Avg2を算出する平均算出部92とを備えていてもよい。この構成によれば、第2実施形態のメイン制御回路70およびサブ制御回路70A,70Bを構成する移動平均算出部72,74(図4参照)を共通化することができ、第2実施形態のサブ制御回路70A,70Bを構成する平均算出部75(図4参照)を共通化することができる。また、例えば図10に示すように、補正信号生成部76に指令値Rの移動平均Raを入力しないように構成し、補正信号生成部76が、指令値Rの移動平均Raに基づかずに、PWM信号に対する補正信号E1,E2を生成してもよい。上記構成によれば、制御部7の構成を簡略化することができる。さらに、例えば、補正量算出部55等で定常偏差を取り除く処理を行ってもよく、また、PWM信号生成部73で定常偏差を取り除く処理を行わないように構成してもよい。
また、第2実施形態に記載した指令値記憶部71および移動平均算出部72を、第1実施形態に記載の制御部5に組み込んでもよい。本変形例によれば、制御信号補正部56は、偏差Df1〜Df4に基づいて制御信号G1b〜G4bを補正できない場合であっても、指令値Rの移動平均Raに基づいて制御信号G1b〜G4bを補正することができる。
また、電力変換装置を構成する変換回路2,2A,2Bの構成を適宜変更してもよい。例えば、変換回路が、並列に接続された3つ以上のスイッチング回路を備えていてもよい。また、3つ以上の整流回路を並列に接続し、整流回路の各々を、3つ以上の変換回路を介して共通の負荷装置に接続してもよい。
また、第3電流検出部41を、負荷装置Lと第1合流点C1とを繋ぐ電路に設けてもよい。また、第3電流検出部41を省略し、第1電流検出部31,32または第2電流検出部33,34による電流の大きさ検出結果に基づき、負荷装置Lに流れる電流の大きさを検出してもよい。
また、各電流検出部31〜38,41を、カレントトランスに代えて、その他の電流センサにより構成してもよい。また、スイッチ素子21〜24を構成する半導体スイッチング素子は、IGBT以外の半導体素子であってもよい。
1,1A,1B 整流回路
2,2A,1B 変換回路
3 電流検出回路
5 制御部
6 操作入力部
7 制御部
20A,20B,20C,20D スイッチング回路
21,22,23,24 スイッチ素子
31,33,35,37 第1電流検出部
32,34,36,38 第2電流検出部
41 第3電流検出部
C1,C3 第1合流点
C2,C4 第2合流点
L 負荷装置
L1 第1レグ
L2 第2レグ
M1 第1中間点
M2 第2中間点
S 電源

Claims (5)

  1. 直流の電力を所望の電力に変換して負荷装置に出力する変換回路と、
    前記変換回路と前記負荷装置とを繋ぐ電路に設けられ、当該電路における電流の大きさを検出するための電流検出回路と、
    前記変換回路の動作を制御する制御部と、を備え、
    前記変換回路は、並列に接続された複数のスイッチング回路を備え、
    複数の前記スイッチング回路の各々は、一方の2つのスイッチ素子が第1中間点で直列に接続されて形成された第1レグと、他方の2つのスイッチ素子が第2中間点で直列に接続されて形成された第2レグとを備え、
    複数の前記スイッチング回路の各々の前記第1中間点は、前記負荷装置の一端と繋がる第1合流点で電気的に接続され、複数の前記スイッチング回路の各々の前記第2中間点は、前記負荷装置の他端と繋がる第2合流点で電気的に接続され、
    前記電流検出回路は、前記第1合流点と複数の前記第1中間点の各々とを繋ぐ電路に設けられた複数の第1電流検出部と、前記第2合流点と複数の前記第2中間点の各々とを繋ぐ電路に設けられた複数の第2電流検出部とを含み、
    前記制御部は、複数の前記第1電流検出部と複数の前記第2電流検出部とによる電流の大きさの検出結果に基づき、複数の前記スイッチング回路を制御する
    ことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記制御部は、複数の前記第1電流検出部の各々により検出される電流の大きさの差が小さくなるとともに複数の前記第2電流検出部の各々により検出される電流の大きさの差が小さくなるように複数の前記スイッチング回路を制御する
    ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 前記電流検出回路は、前記負荷装置と前記第1合流点または前記第2合流点とを繋ぐ電路に設けられた第3電流検出部をさらに含み、
    前記制御部は、前記第3電流検出部による電流の大きさの検出結果と、複数の前記第1電流検出部と複数の前記第2電流検出部とによる電流の大きさの検出結果とに基づき、複数の前記スイッチング回路を制御する
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の電力変換装置。
  4. 外部の電源から供給される交流の電力から直流の電力を生成する整流回路を備え、
    複数の前記整流回路が並列に接続されるとともに、当該整流回路の各々は、1つ以上の前記変換回路を介して共通の前記負荷装置に接続される
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  5. 前記スイッチング回路の制御を調整するための操作を受け付ける操作入力部をさらに備え、
    前記制御部は、前記電流検出回路による電流の大きさの検出結果と、前記操作入力部から入力される入力信号とに基づいて、複数の前記スイッチング回路を制御する
    ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の電力変換装置。
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