JP2018148641A - コンバータ及びコンバータ制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
スイッチ素子を上下アームとする第1レグと第2レグとが並列に接続され、前記第1レグの上アーム又は下アームのスイッチ素子と前記第2レグの下アーム又は上アームのスイッチ素子とをそれぞれ組として動作する第1回路と、
一方向性素子を上下アームとする第3レグと第4レグとが並列に接続され、前記第3レグもしくは前記第4レグの上下アーム又は前記第3レグ、前記第4レグの上アーム同士もしくは下アーム同士を構成する前記一方向性素子にそれぞれ並列にスイッチ素子が接続される第2回路と、
1次巻線側に前記第1回路が接続され、2次巻線側に前記第2回路が接続されるトランスと、
前記1次巻線側又は前記2次巻線側に接続されるインダクタンス手段と、
制御対象を検出する制御対象検出手段と、
前記スイッチ素子に与える駆動信号を形成する制御回路と、を備えたコンバータであって、
前記制御回路は、前記制御対象検出手段によって検出した前記コンバータの制御対象検出値と予め定めた基準値との差に対応する誤差増幅信号を求め、前記第1回路のそれぞれ組となるスイッチ素子のうちの一方のスイッチ素子用の第1の三角波状信号、前記第1回路のそれぞれ組となるスイッチ素子のうちの他方のスイッチ素子用の第2の三角波状信号、及び前記第2回路のスイッチ素子用の第3の三角波状信号を、前記第2の三角波状信号の平均信号レベルが前記第1の三角波状信号の平均信号レベルよりも大きく、前記第3の三角波状信号の平均信号レベルが第2の三角波状信号の平均信号レベルよりも大きく、前記第2の三角波状信号の最大信号レベルが前記第3の三角波状信号の最小信号レベルよりも大きくなるように、且つ前記誤差増幅信号が変動する範囲に前記第1、第2及び第3の三角波状信号が存在するように形成し、前記誤差増幅信号と前記第1、第2又は第3の三角波状信号とを比較し、
前記誤差増幅信号が前記第1の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第1の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第1回路の組となる一方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させ、
前記誤差増幅信号が前記第2の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第2の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第1回路の組となる他方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させ、
前記誤差増幅信号が前記第3の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第3の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第2回路のスイッチ素子用のパルス状の駆動信号を位相変調させることを特徴とする。
スイッチ素子を上下アームとする第1レグと第2レグとが並列に接続された第1回路は前記第1レグの上アーム又は下アームのスイッチ素子と前記第2レグの下アーム又は上アームのスイッチ素子とをそれぞれ組として動作し、
一方向性素子を上下アームとする第3レグと第4レグとが並列に接続される第2回路は前記第3レグもしくは前記第4レグの上下アーム又は前記第3レグ、前記第4レグの上アーム同士もしくは下アーム同士を構成する前記一方向性素子にそれぞれ並列にスイッチ素子が接続され、
前記第1回路に接続されたトランスの1次巻線側に又は前記第2回路に接続された前記トランスの2次巻線側にインダクタンス手段が接続され、
制御対象を検出し、
検出した前記制御対象の検出値と予め定めた基準値との差に対応する誤差増幅信号を求め、前記第1回路のそれぞれ組となるスイッチ素子のうちの一方のスイッチ素子用の第1の三角波状信号、前記第1回路のそれぞれ組となるスイッチ素子のうちの他方のスイッチ素子用の第2の三角波状信号、及び前記第2回路のスイッチ素子用の第3の三角波状信号を、前記第2の三角波状信号の平均信号レベルが前記第1の三角波状信号の平均信号レベルよりも大きく、前記第3の三角波状信号の平均信号レベルが第2の三角波状信号の平均信号レベルよりも大きく、前記第2の三角波状信号の最大信号レベルが前記第3の三角波状信号の最小信号レベルよりも大きくなるように、且つ前記誤差増幅信号が変動する範囲に前記第1、第2及び第3の三角波状信号が存在するように形成し、前記誤差増幅信号と前記第1、第2又は第3の三角波状信号とを比較し、
前記誤差増幅信号が前記第1の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第1の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第1回路の組となる一方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させ、
前記誤差増幅信号が前記第2の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第2の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第1回路の組となる他方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させ、
前記誤差増幅信号が前記第3の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第3の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第2回路のスイッチ素子用のパルス状の駆動信号を位相変調させることを特徴とする。
図1〜図5によって本発明に関連する実施形態のコンバータについて説明する。図1に、本発明に関連する実施形態(関連形態)に係るコンバータの構成図を示す。関連形態に係るコンバータは、第1回路1と、第2回路2と、第1回路1に1次巻線11aが接続されると共に、第2回路2に2次巻線11bが接続されるトランス11と、1次巻線11aに直列接続されたインダクタンス手段Lと、制御対象を検出する制御対象検出手段18と、第1回路1、第2回路2のスイッチ素子に与える駆動信号を形成する制御回路3とを備える。
制御対象を電流とする場合は、電流検出手段を備える。また、制御対象を電力とする場合は、電圧と電流をそれぞれ検出し、検出した電圧信号と電流検出信号とを乗算することにより、電力検出信号を求めることができる。
条件(1)第1、第2、第3の三角波状信号x1、x2、x3それぞれの信号レベルは、三角波状信号x1、x2、x3の順で大きくなる。つまり、第2の三角波状信号を第1の三角波状信号よりも大きく、かつ、第3の三角波状信号を第2の三角波状信号よりも大きく設定する。
条件(2)第1、第2、第3の三角波状信号x1、x2、x3は重ならない。図2を例にすると、三角波状信号x1の最大値p1xより第2の三角波状信号x2の最小値p2nの方が大きく、三角波状信号x2の最大値p2xよりも第3の三角波状信号x3の最小値p3nの方が大きい。
条件(3)誤差増幅信号x0の変動する範囲に第1、第2、第3の三角波状信号x1、x2、x3が存在する。このため、誤差増幅信号x0は、同一時刻において、第1、第2、第3の三角波状信号x1、x2、x3のいずれか一つの三角波状信号と交わるときは、他の三角波状信号とは交わらない。
誤差増幅信号x0が、第2の三角波状信号x2と交わり、三角波状信号x1、x3と交わらない大きさとなる場合を、区間(2)とする。区間(2)では、誤差増幅信号x0と第2の三角波状信号x2とに対応して第1回路の組となる他方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させる。
誤差増幅信号x0が、第1の三角波状信号x1と交わり、第2、第3の三角波状信号x2、x3と交わらない大きさとなる場合を、区間(3)とする。区間(3)では、誤差増幅信号x0と第3の三角波状信号x3とに対応して第1回路の組となる一方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させる。
図3は、誤差増幅信号x0が第3の三角波状信号x3と交わる区間(1)の動作を説明するための図である。図4は、図2において、第2の三角波状信号x2と交わる信号レベルにある区間(2)の動作を説明するための図である。また、図5は、図2において、第1の三角波状信号x1と交わる信号レベルにある区間(3)の動作を説明するための図である。
鎖線dは第2回路2のスイッチ素子Q5、Q6の動作停止レベルを示し、誤差増幅信号x0が鎖線dを下回るときにはスイッチ素子Q5、Q6をオフのままの状態に保持する。鎖線eは、第1の三角波状信号x1の最大値p1xと最小値p1nとの間に位置し、第1レグ12のスイッチ素子Q1、Q2のパルス幅の上限値(最大パルス幅)を決定する。
第3、第4端子T3とT4との間の出力電圧(制御対象)が低下することによって、誤差増幅信号x0が大きくなり、図3に示すように誤差増幅信号x0が第3の三角波状信号x3と交わった状態にあるとする。この状態では、誤差増幅信号x0は、第1の三角波状信号x1の制限値(最大パルス幅)を示す鎖線e及び第2の三角波状信号x2の制限値(最大パルス幅)を示す鎖線cを超えている。
誤差増幅信号x0が、図4に示す第2の三角波状信号x2と交わる信号レベルまで低下したものとする。この状態では、誤差増幅信号x0は、第1の三角波状信号x1の制限値(最大パルス幅)を示す鎖線eを超えており、かつ第2回路2のスイッチ素子Q5、Q6の動作停止レベルを示す鎖線dよりも上にある。
図5に示すように、誤差増幅信号x0が第1の三角波状信号x1と交わった状態にあるとする。この状態では、誤差増幅信号x0は、第1の三角波状信号x1の制限値である鎖線eよりも下側にある。このため、制御回路3は、組となる他方のスイッチ素子Q3、Q4及び第2回路2のスイッチ素子Q5、Q6をオンオフ動作させずに停止状態とし、組となる一方のスイッチ素子Q1、Q2だけを制御する。
関連形態のコンバータは、上記条件(2)と(3)により各三角波信号を図2のように配置していた。このため、誤差増幅信号x0のレベルが上昇し、誤差増幅信号x0が第2の三角波信号x2と交わる区間(2)から第3の三角波信号x3と交わる区間(3)へ移行するときに、コンバータの出力電力が上昇しない時間が存在していた。このときの動作を図8から図15で説明する。図8から図15には、誤差増幅信号x0、第2の三角波信号x2、及び第3の三角波信号x3を示し、誤差増幅信号x0のレベルによる各スイッチ素子の駆動信号とコンバータが出力する電力のイメージのタイミングを示している。なお、図8から図15では、第2の三角波信号x2の最大値と第3の三角波信号x3の最小値のレベルが一致するように第3の三角波信号x3のレベルを最も下げている。
本実施形態のコンバータは、上記関連形態のコンバータの応答速度低下という課題に対し、第2の三角波状信号x2と第3の三角波状信号x3とを一部重複させることとしている。本実施形態のコンバータの電気回路図は図1と同じである。しかし、制御回路3が、「第2の三角波状信号x2の平均信号レベルが第1の三角波状信号x1の平均信号レベルよりも大きく、第3の三角波状信号x3の平均信号レベルが第2の三角波状信号の平均信号レベルよりも大きく、第2の三角波状信号x2の最大信号レベルが第3の三角波状信号x3の最小信号レベルよりも大きくなるように、且つ前記誤差増幅信号が変動する範囲に前記第1、第2及び第3の三角波状信号が存在するように形成(条件(4))」していることが上記関連形態のコンバータとの相違点である。
図6に、本発明の第2の実施形態に係る電圧モード制御を行う双方向のコンバータの電気回路図を示す。図6の双方向のコンバータは、第1回路1側から入力される電力を第2回路2側に供給する(順方向給電)動作と、第2回路2側から入力される電力を第1回路1側に供給する(逆方向給電)動作とを実現する。前者の動作は、第1の実施形態において説明しているため説明を省略する。以下では、主に第1の実施形態に係るコンバータと異なる構成及び電圧モード制御について説明する。
第1及び第2の実施形態では、出力電圧を検出して電圧モード制御を行うコンバータについて述べたが、本実施形態では、出力電流を検出して電流モード制御を行うコンバータについて説明する。このコンバータは、図7に示すように、制御対象となる第3端子T3、第4端子T4を通して流れる電流を検出するための第1の電流検出手段20を備える。また、第3の実施形態に係るコンバータでは、電流モード制御を行うため、第1回路1の第2レグ13のスイッチ素子Q4を通して流れる電流を検出する第2の電流検出手段21及び第2回路2のスイッチ素子Q6を通して流れる電流を検出する第3の電流検出手段22を備える。図7に示した第3の実施形態は、コンバータの制御対象を電流とし、電流モード制御を行うことから電流検出手段20〜22を備える点が、図1及び図6に示した、制御対象を電圧とし電圧モード制御を行う第1及び第2の実施形態のコンバータと異なる。
第2の三角波状信号x2と誤差増幅信号x0とが交わる時点で、スイッチ素子Q3、Q4の駆動信号がオフするタイミングが決定する。スイッチ素子Q3、Q4がオフすると、第2の三角波状信号x2として用いるスイッチ素子Q3、Q4の電流はこのオフした時点で最大値となるので、第2の三角波状信号x2の最大値で誤差増幅信号x0と交わる。なお、関連形態や第1の実施形態の場合とは異なり、最大パルス幅を決定する値は、第2の三角波状信号23を形成する組となる他方のスイッチ素子Q3、Q4の電流値以外の方法で定める。
制御対象を、第3端子T3、第4端子T4間又は第1端子T1、第2端子T2間の電力とする場合には、第3端子T3、第4端子T4間の電圧の検出電圧信号と電流検出信号とを乗算し、又は第1端子T1、第2端子T2間の電圧の検出信号と電流の検出信号とを乗算して、第3端子T3、第4端子T4間又は第1端子T1、第2端子T2間の電力検出信号を求めることができる。制御回路3は、それぞれの電力検出信号と電力基準値とを比較して誤差増幅信号を求め、この誤差増幅信号と前述したような三角波状信号とを比較する。上述の区間(1)〜(3)の制御を切替えることにより、第3端子T3、第4端子T4間又は第1端子T1、第2端子T2間の電力を目標値に近づけることができる。よって、本発明のコンバータは広範囲の出力電力又は入力電力に対応できる。なお、双方向に動作させる場合についても同様に、制御対象は、順方向供給又は逆方向供給において、出力電圧、電流もしくは電力又は入力電圧、電流、もしくは電力のいずれかを採用でき、順方向、逆方向において同じ制御対象、例えば出力電圧同士、出力電流同士を用いなくてもよい。
Claims (8)
- スイッチ素子を上下アームとする第1レグと第2レグとが並列に接続され、前記第1レグの上アーム又は下アームのスイッチ素子と前記第2レグの下アーム又は上アームのスイッチ素子とをそれぞれ組として動作する第1回路と、
一方向性素子を上下アームとする第3レグと第4レグとが並列に接続され、前記第3レグもしくは前記第4レグの上下アーム又は前記第3レグ、前記第4レグの上アーム同士もしくは下アーム同士を構成する前記一方向性素子にそれぞれ並列にスイッチ素子が接続される第2回路と、
1次巻線側に前記第1回路が接続され、2次巻線側に前記第2回路が接続されるトランスと、
前記1次巻線側又は前記2次巻線側に接続されるインダクタンス手段と、
制御対象を検出する制御対象検出手段と、
前記スイッチ素子に与える駆動信号を形成する制御回路と、を備えたコンバータであって、
前記制御回路は、前記制御対象検出手段によって検出した前記コンバータの制御対象検出値と予め定めた基準値との差に対応する誤差増幅信号を求め、前記第1回路のそれぞれ組となるスイッチ素子のうちの一方のスイッチ素子用の第1の三角波状信号、前記第1回路のそれぞれ組となるスイッチ素子のうちの他方のスイッチ素子用の第2の三角波状信号、及び前記第2回路のスイッチ素子用の第3の三角波状信号を、前記第2の三角波状信号の平均信号レベルが前記第1の三角波状信号の平均信号レベルよりも大きく、前記第3の三角波状信号の平均信号レベルが第2の三角波状信号の平均信号レベルよりも大きく、前記第2の三角波状信号の最大信号レベルが前記第3の三角波状信号の最小信号レベルよりも大きくなるように、且つ前記誤差増幅信号が変動する範囲に前記第1、第2及び第3の三角波状信号が存在するように形成し、前記誤差増幅信号と前記第1、第2又は第3の三角波状信号とを比較し、
前記誤差増幅信号が前記第1の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第1の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第1回路の組となる一方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させ、
前記誤差増幅信号が前記第2の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第2の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第1回路の組となる他方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させ、
前記誤差増幅信号が前記第3の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第3の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第2回路のスイッチ素子用のパルス状の駆動信号を位相変調させることを特徴とするコンバータ。 - 前記制御回路は、
前記第1の三角波状信号の最大値から次の最大値までの幅を前記組となる一方のスイッチ素子の半周期とし、
前記第2の三角波状信号は、前記第2の三角波状信号と前記誤差増幅信号又は前記第2の三角波状信号の制限値とに対応して定まる前記第1回路の他方のスイッチ素子用の駆動信号を前記第1の三角波状信号と前記第1の三角波状信号の制限値とに対応して定まる前記第1回路の一方のスイッチ素子用の駆動信号よりも先にオフさせる波形とし、
前記第3の三角波状信号は、前記第3の三角波状信号と前記誤差増幅信号又は前記第3の三角波状信号の制限値とに対応して定まる前記第2回路のスイッチ素子をオン状態とする駆動信号を、前記第1の三角波状信号及び前記第2の三角波状信号によって定まる前記第1回路の一方及び他方のスイッチ素子用の駆動信号がオン状態となる駆動信号のときに与えるとともに、前記第2の三角波状信号によって定まる前記第1回路の他方のスイッチ素子用の駆動信号をオフするタイミング以降に前記第2回路のスイッチ素子をオフさせる波形とすることを特徴とする請求項1に記載のコンバータ。 - 前記制御回路は、
前記誤差増幅信号が前記第1の三角波状信号と交わるときは前記誤差増幅信号と前記第1の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第1回路の組となる一方のスイッチ素子について少なくともオン又はオフするタイミングを決定し、
前記誤差増幅信号が前記第2の三角波状信号と交わるときは前記誤差増幅信号と前記第2の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第1回路の組となる他方のスイッチ素子がオフするタイミングを決定し、
前記誤差増幅信号が前記第3の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第3の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第2回路のスイッチ素子用の駆動信号がオフするタイミングを決定することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のコンバータ。 - 前記制御回路は、
前記誤差増幅信号が前記第2の三角波状信号の最大値と交わるときに前記第2回路のスイッチ素子をオフするタイミングが前記第1回路の一方のスイッチ素子用の駆動信号をオフするタイミングと同時又は以降となるように、前記第2の三角波状信号の最大信号レベルが前記第3の三角波状信号の最小信号レベルよりも大きく設定することを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載のコンバータ。 - 前記制御回路は、
前記第2の三角波状信号を少なくとも前記第1回路の組となる他方のスイッチ素子に流れる電流の検出値によって得られる波形とし、
前記第3の三角波状信号を少なくとも前記第2回路のスイッチ素子に流れる電流の検出値によって得られる波形とすることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載のコンバータ。 - 前記制御回路は、
前記コンバータの制御対象を出力電圧、電流もしくは電力又は入力電圧、電流、もしくは電力とすることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のコンバータ。 - 前記第2回路側から入力される電力を前記第1回路側に供給する場合は、前記第2回路は、前記第3レグ及び第4レグの上下アームを少なくともスイッチ素子で構成し、前記第3レグの上アーム又は下アームのスイッチ素子と前記第4レグの下アーム又は上アームのスイッチ素子とがそれぞれ前記第2回路の組として動作し、
前記制御回路は、
前記第1の三角波状信号を前記第2回路の組となるスイッチ素子のうちの一方のスイッチ素子用、前記第2の三角波状信号を前記第2回路の組となるスイッチ素子のうちの他方のスイッチ素子用、及び、前記第3の三角波状信号を前記第1レグもしく前記第2レグの上下アーム又は前記第1レグ、前記第2レグの上アーム同士もしくは下アーム同士のスイッチ素子用として、前記第1、第2又は第3の三角波状信号と前記誤差増幅信号とを比較し、
前記誤差増幅信号が前記第1の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第1の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第2回路の組となる一方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させ、
前記誤差増幅信号が前記第2の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第2の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第2回路の組となる他方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させ、
前記誤差増幅信号が前記第3の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第3の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第1回路のスイッチ素子用の駆動信号をパルス幅変調させることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載のコンバータ。 - スイッチ素子を上下アームとする第1レグと第2レグとが並列に接続された第1回路は前記第1レグの上アーム又は下アームのスイッチ素子と前記第2レグの下アーム又は上アームのスイッチ素子とをそれぞれ組として動作し、
一方向性素子を上下アームとする第3レグと第4レグとが並列に接続される第2回路は前記第3レグもしくは前記第4レグの上下アーム又は前記第3レグ、前記第4レグの上アーム同士もしくは下アーム同士を構成する前記一方向性素子にそれぞれ並列にスイッチ素子が接続され、
前記第1回路に接続されたトランスの1次巻線側に又は前記第2回路に接続された前記トランスの2次巻線側にインダクタンス手段が接続され、
制御対象を検出し、
検出した前記制御対象の検出値と予め定めた基準値との差に対応する誤差増幅信号を求め、前記第1回路のそれぞれ組となるスイッチ素子のうちの一方のスイッチ素子用の第1の三角波状信号、前記第1回路のそれぞれ組となるスイッチ素子のうちの他方のスイッチ素子用の第2の三角波状信号、及び前記第2回路のスイッチ素子用の第3の三角波状信号を、前記第2の三角波状信号の平均信号レベルが前記第1の三角波状信号の平均信号レベルよりも大きく、前記第3の三角波状信号の平均信号レベルが第2の三角波状信号の平均信号レベルよりも大きく、前記第2の三角波状信号の最大信号レベルが前記第3の三角波状信号の最小信号レベルよりも大きくなるように、且つ前記誤差増幅信号が変動する範囲に前記第1、第2及び第3の三角波状信号が存在するように形成し、前記誤差増幅信号と前記第1、第2又は第3の三角波状信号とを比較し、
前記誤差増幅信号が前記第1の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第1の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第1回路の組となる一方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させ、
前記誤差増幅信号が前記第2の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第2の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第1回路の組となる他方のスイッチ素子の駆動信号をパルス幅変調させ、
前記誤差増幅信号が前記第3の三角波状信号と交わるときは、前記誤差増幅信号と前記第3の三角波状信号とが交わる時点に対応して前記第2回路のスイッチ素子用のパルス状の駆動信号を位相変調させることを特徴とするコンバータの制御方法。
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