JP2019057978A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
上アームスイッチQ3、Q4のソース端子及び下アームスイッチQ1、Q2のドレイン端子は、それぞれ、第1一次コイル21及び第2一次コイル22のスイッチ側端部23、24に接続される。クランプコンデンサC2は、上アームスイッチQ3、Q4のドレイン端子と、低電位入力端12との間に接続される。
本発明は上述の課題に鑑みて創作されたものであり、その目的は、アクティブクランプ式プッシュプル回路を用いた電力変換装置において、偏磁電流を抑制する電力変換装置を提供することにある。
平滑コンデンサは、直流電源(10)の入力電圧が印加される高電位入力端(11)及び低電位入力端(12)の間に接続される。
第1一次コイル及び第2一次コイルは、高電位入力端に接続された共通のセンタタップに一端が接続され、トランス(20)の一次側を構成する。
二次コイルは、トランスの二次側を構成し、負荷(C3)が接続される。
第3スイッチ(Q3)及び第4スイッチ(Q4)は、一方の端子が第1一次コイル及び第2一次コイルのスイッチ側端部にそれぞれ接続されてブリッジ回路の上アームを構成する。第3スイッチ及び第4スイッチは、第1スイッチ及び第2スイッチと同じスイッチング周期で交互に動作する。
クランプコンデンサは、第3スイッチ及び第4スイッチの他方の端子と低電位入力端との間に接続される。
スイッチ電流センサは、ブリッジ回路スイッチを流れるスイッチ電流について、第1スイッチを流れる第1スイッチ電流(Iq1)及び第2スイッチを流れる第2スイッチ電流(Iq2)を検出する。又は、スイッチ電流センサは、第3スイッチを流れる第3スイッチ電流(Iq3)及び第4スイッチを流れる第4スイッチ電流(Iq4)を検出する。
入力電流センサ(77、78)は、高電位入力端から高電位ラインを経由してセンタタップに流れる入力電流(Iinv)を検出する。
本実施形態の電力変換装置は、トランスの一次側に入力される直流電力をプッシュプル回路のスイッチング動作により変換し、二次側に交流電力を出力するインバータである。例えば二次側に容量性の負荷が接続される場合、負荷に流れる出力電流が二次回路のLC成分によって共振することで共振インバータが構成される。
最初に、本実施形態のインバータの構成及び動作について、図1〜図4を参照して説明する。図1では、後述する電流センサ配置を特定しない包括的なインバータの符号として「100」を付す。また、包括的な制御器の符号として「40」を付す。
図1に示すように、インバータ100は、一端が共通のセンタタップ25に接続された二つの一次コイル21、22、及び、二次コイル26を含むトランス20を備える。第1一次コイル21、第2一次コイル22のセンタタップ25とは反対側の端部を、それぞれスイッチ側端部23、24と記す。
トランス20のセンタタップ25は、高電位ラインPを介して高電位入力端11に接続される。また、低電位入力端12に接続される経路を低電位ラインNと記す。低電位入力端12が設置される構成では、低電位ラインNをグランドラインと言い換えてもよい。
平滑コンデンサC1は、高電位入力端11及び低電位入力端12の間に接続され、バッテリ10の入力電圧を平滑化する。平滑コンデンサC1は、高電位側電極17及び低電位側電極18を有し、比較的容量が大きい。
第1スイッチQ1及び第2スイッチQ2は、ブリッジ回路の下アームを構成するため、「下アームスイッチQ1、Q2」ともいう。第3スイッチQ3及び第4スイッチQ4は、ブリッジ回路の上アームを構成するため、「上アームスイッチQ3、Q4」ともいう。また、上下アームのスイッチを包括して「ブリッジ回路スイッチQ1−Q4」という。
第2スイッチQ2は、ドレイン端子が第2一次コイル22のスイッチ側端部24に接続され、ソース端子が低電位入力端12に接続される。
第1スイッチQ1及び第2スイッチQ2は、図2等に参照される所定のスイッチング周期Tsで交互に動作する。これにより、第1一次コイル21及び第2一次コイル22に、互いに逆向きの第1コイル電流IL1及び第2コイル電流IL2が流れ、それに伴ってトランス20の二次側に、方向が交番する出力電流Ioが流れる。
第4スイッチQ4は、ソース端子が第2一次コイル22のスイッチ側端部24、及び、第2スイッチQ2のドレイン端子に接続される。
第3スイッチQ3及び第4スイッチQ4は、第1スイッチQ1及び第2スイッチQ2と同じスイッチング周期Tsで交互に動作する。動作の詳細については後述する。
スイッチング周期Tsの半周期毎に現れる入力電流Iinvの最大値と最小値との差、すなわち入力電流Iinvの振幅が、理論的な意味での入力電流差ΔIinvである。一方、制御面からは、後述のように、「スイッチ電流の検出タイミングと同時に入力電流センサにより検出された入力電流の差」が入力電流差ΔIinvと定義される。
図1では、下アームスイッチQ1、Q2を流れる第1スイッチ電流Iq1及び第2スイッチ電流Iq2を実線矢印で示し、上アームスイッチQ3、Q4を流れる第3スイッチ電流Iq3及び第4スイッチ電流Iq4を破線矢印で示す。
DUTY比を調整する技術的意義や具体的な調整方法については後述する。また、入力電流Iinv及びスイッチ電流Iq1−Iq4を検出する電流センサの具体的な設置構成についても実施形態毎に後述する。
ここで、第1スイッチQ1及び第4スイッチQ4がオンする第1期間T1と、第2スイッチQ2及び第3スイッチQ3がオンする第2期間T2とは交互に切り替わるものとし、デッドタイムは無視する。
第1期間T1中のタイミングA、Bでは、それぞれ第2コイル電流IL2が正から負、負から正にゼロクロスする。第1期間T1から第2期間T2に移行するタイミングCでは、増加する第2コイル電流IL2と減少する第1コイル電流IL1とがクロスする。
第2期間T2中のタイミングD、Eでは、それぞれ第1コイル電流IL1が正から負、負から正にゼロクロスする。第2期間T2から第1期間T1に移行するタイミングFでは、増加する第1コイル電流IL1と減少する第2コイル電流IL2とがクロスする。
平滑コンデンサC1及びクランプコンデンサC2において、低電位電極18、28から高電位電極17、27に向かう矢印は放電を意味し、高電位電極17、27から低電位電極18、28に向かう矢印は充電を意味する。
また、スイッチQ1−Q4を流れるスイッチ電流の向きについて、ドレインからソースに流れる向きを順方向、ソースからドレインに流れる向きを逆方向と記す。
それに対しアクティブクランプ式のプッシュプル回路では、タイミングA〜B及びD〜Eの期間に、平滑コンデンサC1の放電により発生する電流と、クランプコンデンサC2の放電により発生する電流との両方が一次コイル21、22を流れる。そのため、平滑コンデンサC1による放電の負担が軽減され、リップル電流を低減することができる。
まず、電界Hと磁束密度Bとの関係を示す図5を参照し、偏磁現象について説明する。電界Hは、コイル電流ILと等価であると考えられる。トランス20の一次コイル21、22に流れる第1コイル電流IL1及び第2コイル電流IL2が均等である場合、電界Hと磁束密度Bとの特性線は、実線で示すように原点に対して対称に現れる。しかし、偏磁により第1コイル電流IL1及び第2コイル電流IL2に不均衡が生じると、破線で示すように、電界Hと磁束密度Bとの特性線が片側にシフトする。仮に磁束密度Bが飽和磁束密度Bmax以上になると、インダクタンス(すなわち磁気抵抗)がゼロとなって短絡電流が生じ、最悪の場合、回路破壊に至るおそれがある。
第1コイル電流IL1及び第2コイル電流IL2のピーク値を合わせることで、コイル21、22間の平均電流IL1ave、IL2aveの差をゼロにすることができる。したがって、例えば特許文献1(特開平5−68381号公報)の従来技術により偏磁抑制制御が可能である。なお、図6〜図8における時間軸のt11、t21、t12、t22は、後述の図9の図示と整合させるためのものであり、ここでの説明には用いられない。
ΔIL=ΔIinv/2 ・・・(1.1)
また、電流の符号が適宜設定されるものとし、絶対値を用いて式(1.2)のように表してもよい。
|IL1−IL2|=|ΔIinv|/2 ・・・(1.2)
この制御では、スイッチQ1−Q4のオン時間のばらつき等による影響も入力電流Iinvに現れるものの、その影響は偏磁制御によりオン時間が調整されることで無くなる。一方、漏れインダクタンスのばらつきは、励磁電流の直流成分が無くなったとしても残り続けるため、偏磁制御に利用することができる。
ΔIq=ΔIinv/2 ・・・(2.1)
また、電流の符号が適宜設定されるものとし、絶対値を用いて式(2.2)のように表してもよい。
|Iq1−Iq2|=|ΔIinv|/2 ・・・(2.2)
例えば図11に示すスイッチ電流センサ75の設置構成を採用すれば、一つの電流センサで、第1スイッチ電流Iq1及び第2スイッチ電流Iq2を検出することができる。
第1実施形態のインバータ101における電流センサの設置箇所について図11を参照する。各実施形態のインバータの図では、図1において制御器40に入力される入力電圧及び要求出力の図示を省略する。
図11に示すように、第1実施形態のインバータ101は、第1スイッチQ1及び第2スイッチQ2のソース端子の接続点と、クランプコンデンサC2の低電位電極28との間に、スイッチ電流センサ75が設置されている。スイッチ電流センサ75は、スイッチング周期Tsの半周期毎に第1スイッチ電流Iq1及び第2スイッチ電流Iq2を交互に検出する。これにより、第4実施形態に比べ電流センサを一つ削減可能であり、また、二つの電流センサ間でのオフセット誤差の影響を回避することができる。
入力電流センサ77は、トランス20のセンタタップ25と平滑コンデンサC1との間の高電位ラインPに設置される。
制御器401は、スイッチ電流差算出器41、入力電流差算出器42、狙い比率乗算器43、偏差算出器44、PI制御器45、第1スイッチDUTY比調整器47及び第2スイッチDUTY比調整器48を含む。
スイッチ電流差算出器41は、第1スイッチ電流Iq1から第2スイッチ電流Iq2を減じたスイッチ電流差ΔIqを算出する。入力電流差算出器42は、第1スイッチ電流Iq1と同時に検出された入力電流Iinv1から、第2スイッチ電流Iq2と同時に検出された入力電流Iinv2を減じた入力電流差ΔIinvを算出する。狙い比率乗算器43は、入力電流差ΔIinvに狙い比率αである「0.5」を乗ずる。
第1スイッチDUTY比調整器47は、DUTY比算出値から調整DUTY比を減じた値を第1スイッチQ1及び第4スイッチQ4に出力する。第2スイッチDUTY比調整器48は、DUTY比算出値に調整DUTY比を加えた値を第2スイッチQ2及び第3スイッチQ3に出力する。例えば第1スイッチ電流Iq1が第2スイッチ電流Iq2より大きく(すなわちΔIq>0)、調整DUTY比が正の場合、第1スイッチQ1のDUTY比は減少し、第2スイッチQ2のDUTY比は増加するように調整される。
第1実施形態の制御器401は、下アームスイッチQ1、Q2のDUTY比をそれぞれ増加又は減少させることにより、偏磁電流をゼロにすることができる。
(第2実施形態)
図13に示す第2実施形態の制御器402は、第1スイッチQ1又は第2スイッチQ2のうちいずれか一方のDUTY比を増加又は減少させる。図13の例では、第1スイッチQ1及び第4スイッチQ4の組に対してのみ、DUTY比算出値から調整DUTY比が減算された値が出力される。一方、第2スイッチQ2及び第3スイッチQ3の組に対してはDUTY比算出値がそのまま出力される。つまり、第1スイッチQ1及び第4スイッチQ4の一方の組のみのDUTY比が調整される。図13の例とは逆に、第2スイッチQ2及び第3スイッチQ3の組のみのDUTY比が調整されてもよい。第2実施形態では、片方の組のみのスイッチのDUTY比を調整すればよいため、制御が簡易になる。
図14に示す第3実施形態の制御器403は、第1スイッチQ1又は第2スイッチQ2のうちスイッチ電流が大きい方のスイッチを判定する大電流スイッチ判定部46をさらに備える。制御器403は、大電流スイッチ判定部46によって判定された、スイッチ電流が大きい方のスイッチのDUTY比を減少させる。ここで、PI制御器45が演算した調整DUTY比は絶対値、すなわち0または正の値として出力される。
大電流スイッチ判定部46は、スイッチ電流差ΔIqが0より大きいか否か判定する。
ΔIq>0(すなわち、Iq1>Iq2)のとき、第1スイッチQ1及び第4スイッチQ4の組に対し、DUTY比算出値から調整DUTY比が減算された値が出力される。
ΔIq≦0(すなわち、Iq1≦Iq2)のとき、第2スイッチQ2及び第3スイッチQ3の組に対し、DUTY比算出値から調整DUTY比が減算された値が出力される。
第3実施形態では、常にDUTY比を減らす側に調整するため、デッドタイム増加側の変更となり、安全性が確保される。
(第4実施形態)
図15に示すように、第4実施形態のインバータ104は、第1スイッチQ1のソース側、及び、第2スイッチQ2のソース側に、それぞれ、スイッチ電流センサ71、72が設置されている。スイッチ電流センサ71は第1スイッチ電流センサIq1を検出し、スイッチ電流センサ72は第2スイッチ電流センサIq2を検出する。なお、各スイッチQ1、Q2のソース側でなくドレイン側にスイッチ電流センサを設置してもよい。
第4実施形態では、個別に検出されたスイッチ電流Iq1、Iq2に基づき、第1スイッチQ1及び第2スイッチQ2の故障検出を兼ねることができる。
図16に示すように、第5実施形態のインバータ105は、クランプコンデンサC2の低電位電極28と低電位入力端12との間に、入力電流センサ78が設置されている。この構成ではグランド電位での電流検出が可能であるため、入力電流センサ78は、ハイサイドの検出が不要であり、ローサイドタイプのセンサを用いることができる。
なお、図16に例示した第1実施形態のスイッチ電流センサ75に限らず、どの箇所に設置されるスイッチ電流センサと入力電流センサ78とが組み合わされてもよい。
第6実施形態について、図17〜図19を参照して説明する。
実質的に図8(a)と同一である図17において、第1コイル電流IL1の正側のピークは第1スイッチ電流Iq1のピークに相当し、負側のピークは第3スイッチ電流Iq3のピークに相当する。第2コイル電流IL2の正側のピークは第2スイッチ電流Iq2のピークに相当し、負側のピークは第4スイッチ電流Iq4のピークに相当する。ここで、第3スイッチ電流Iq3及び第4スイッチ電流Iq4は、コイル電流IL1、IL2の負方向、すなわち図17の下向きが正となる。したがって、偏磁が抑制された段階では、式(3.1)が成り立つ。
Iq1−Iq2=Iq3−Iq4 ・・・(3.1)
また、電流の符号が適宜設定されるものとし、絶対値を用いて式(3.2)のように表してもよい。
|Iq1−Iq2|=|Iq3−Iq4| ・・・(3.2)
ΔIq>0(すなわち、Iq3>Iq4)のとき、第1スイッチQ1及び第4スイッチQ4の組に対し、DUTY比算出値から調整DUTY比が減算された値が出力される。
ΔIq≦0(すなわち、Iq3≦Iq4)のとき、第2スイッチQ2及び第3スイッチQ3の組に対し、DUTY比算出値から調整DUTY比が減算された値が出力される。
図20に示すように、第7実施形態のインバータ107は、第3スイッチQ3のドレイン側、及び、第4スイッチQ4のドレイン側に、それぞれ、スイッチ電流センサ73、74が設置されている。スイッチ電流センサ73は第3スイッチ電流Iq3を検出し、スイッチ電流センサ74は第4スイッチ電流Iq4を検出する。なお、各スイッチQ3、Q4のドレイン側でなくソース側にスイッチ電流センサを設置してもよい。
第4実施形態と同様に第7実施形態では、個別に検出されたスイッチ電流Iq3、Iq4に基づき、第3スイッチQ3及び第4スイッチQ4の故障検出を兼ねることができる。
上述の説明では、実際の制御で適用可能な狙い比率αの値として、理想的な0.5に対し「0<α<1」の範囲に拡張して解釈可能であることが提言されている。より好ましくは、実際のインバータの仕様に基づく実験やシミュレーションにより狙い比率αと偏磁電流ΔILとの相関を求めてもよい。それにより、例えば「0.3≦α≦0.7」或いは「0.4≦α≦0.6」というような範囲を適宜設定してもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
10・・・バッテリ(直流電源)、
11・・・高電位入力端、 12・・・低電位入力端、
20・・・トランス、 21・・・第1一次コイル、 22・・・第2一次コイル、
23、24・・・スイッチ側端部、 25・・・センタタップ、
26・・・二次コイル、
40(401−403、406)・・・制御器、
71−76・・・スイッチ電流センサ、 77、78・・・入力電流センサ、
C1・・・平滑コンデンサ、 C2・・・クランプコンデンサ、
Q1−Q4・・・第1−第4スイッチ(ブリッジ回路スイッチ)。
Claims (9)
- 直流電源(10)の入力電圧が印加される高電位入力端(11)及び低電位入力端(12)の間に接続される平滑コンデンサ(C1)と、
前記高電位入力端に接続された共通のセンタタップ(25)に一端が接続され、トランス(20)の一次側を構成する第1一次コイル(21)及び第2一次コイル(22)と、
前記トランスの二次側を構成し、負荷(C3)が接続される二次コイル(26)と、
高電位側の端子が前記第1一次コイル及び前記第2一次コイルの前記センタタップとは反対側の端部であるスイッチ側端部(23、24)にそれぞれ接続され、低電位側の端子が前記低電位入力端に接続されてブリッジ回路の下アームを構成し、所定のスイッチング周期(Ts)で交互に動作する第1スイッチ(Q1)及び第2スイッチ(Q2)と、
一方の端子が前記第1一次コイル及び前記第2一次コイルの前記スイッチ側端部にそれぞれ接続されてブリッジ回路の上アームを構成し、前記スイッチング周期で交互に動作する第3スイッチ(Q3)及び第4スイッチ(Q4)と、
前記第3スイッチ及び第4スイッチの他方の端子と前記低電位入力端との間に接続されるクランプコンデンサ(C2)と、
前記第1スイッチ、前記第2スイッチ、前記第3スイッチ及び前記第4スイッチからなるブリッジ回路スイッチについて、前記スイッチング周期に対する各前記ブリッジ回路スイッチのオン時間の比であるDUTY比を算出し、各前記ブリッジ回路スイッチにゲート信号を出力する制御器(40)と、
前記ブリッジ回路スイッチを流れるスイッチ電流について、前記第1スイッチを流れる第1スイッチ電流(Iq1)及び前記第2スイッチを流れる第2スイッチ電流(Iq2)を検出し、又は、前記第3スイッチを流れる第3スイッチ電流(Iq3)及び前記第4スイッチを流れる第4スイッチ電流(Iq4)を検出するスイッチ電流センサ(71−76)と、
前記高電位入力端から高電位ラインを経由して前記センタタップに流れる入力電流(Iinv)を検出する入力電流センサ(77、78)と、
を備え、
前記スイッチング周期における所定のタイミングで前記スイッチ電流センサにより検出された前記第1スイッチ電流と前記第2スイッチ電流との差、又は、前記第3スイッチ電流と前記第4スイッチ電流との差をスイッチ電流差(ΔIq)とし、
前記スイッチ電流の検出タイミングと同時に前記入力電流センサにより検出された入力電流の差を入力電流差(ΔIinv)とすると、
前記制御器は、前記入力電流差に0より大きく1より小さい値である所定の狙い比率を乗じた値に前記スイッチ電流差が近づくよう、前記ブリッジ回路スイッチのDUTY比を調整する電力変換装置。 - 前記狙い比率は0.5である請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記制御器(401)は、前記入力電流差に前記狙い比率を乗じた値に前記スイッチ電流差が近づくよう、前記第1スイッチ及び第2スイッチのDUTY比をそれぞれ増加又は減少させる請求項1または2に記載の電力変換装置。
- 前記制御器(402)は、前記入力電流差に前記狙い比率を乗じた値に前記スイッチ電流差が近づくよう、前記第1スイッチ又は第2スイッチのうちいずれか一方のDUTY比を増加又は減少させる請求項1または2に記載の電力変換装置。
- 前記制御器(403)は、前記入力電流差に前記狙い比率を乗じた値に前記スイッチ電流差が近づくよう、前記第1スイッチ又は第2スイッチのうち前記スイッチ電流が大きい方のスイッチのDUTY比を減少させる請求項4に記載の電力変換装置。
- 前記スイッチ電流センサは、前記第1スイッチ及び第2スイッチ、又は、前記第3スイッチ及び第4スイッチのオフタイミングに対し所定の微小時間前のタイミングに前記スイッチ電流を検出する請求項1〜5のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 前記スイッチ電流センサは、前記スイッチ電流がピークとなるタイミングに前記スイッチ電流を検出する請求項1〜5のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 前記スイッチ電流センサ(75)は、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチのソース端子の接続点と前記クランプコンデンサの低電位電極(28)との間に設置される請求項1〜7のいずれか一項に記載の電力変換装置。
- 前記入力電流センサ(77)は、前記センタタップと前記平滑コンデンサとの間の前記高電位ラインに設置される請求項1〜8のいずれか一項に記載の電力変換装置。
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