JP2022067167A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体スイッチング素子の駆動信号の元となるディーティ比は所定の上限値に制限しつつ、デューティ比とデューティ比目標値との差が０に近づくようにフィードバック制御する電力変換装置において、電力変換動作が定常化するまでの時間の短縮が必要であった。【解決手段】電力変換装置の制御部は、出力電力を制御するための演算過程上の演算値に対して、第１の上限値で制限される第１の演算結果と、演算値に対して、第１の上限値よりも高い値に設定した第２の上限値で制限される第２の演算結果を生成するとともに、第２の演算結果と第２の演算結果の目標値との差分によって比例積分制御を行うようにした。【選択図】 図２

Description

本願は、電力変換装置に関するものである。
従来の電力変換装置は、交流電源の出力を交流／直流変換を行う第１の電力変換回路と、第１の電力変換回路の直流側に接続された平滑コンデンサと、平滑コンデンサに供給された電力を変換して負荷へ電力を出力する第２の電力変換回路と、入力力率を改善しつつ平滑コンデンサの電圧が所望の直流電圧になるよう第１の電力変換回路を動作させつつ、負荷へ所望の電力を供給するよう第２の電力変換回路を動作させる制御部とを備えている。
この種の電力変換装置は、例えば特許文献１に示すように、半導体スイッチング素子を備え、半導体スイッチング素子のデューティ比を制御部が制御することにより電力変換を実現している。このとき半導体スイッチング素子の安全性および制御性を確保する観点から、半導体スイッチング素子を駆動する際に、半導体スイッチング素子に所望のデューティ比に従った駆動信号を供給して駆動信号（デューティ比）の大きさを所定の上限値と下限値との間に制限することが行われている。
また、特許文献２では、予め設定されたデューティ比の目標値と演算された出力デューティ比の値との差が０に近づくようにフィードバック制御して平滑コンデンサの目標電圧を生成し、平滑コンデンサの電圧が、目標電圧に追従するように電力変換装置の入出力電流指令を生成することにより、電力変換装置の電力変換効率向上を図ることが提案されている。
特許第４８０５３０３号公報 国際公開第２０１１／１５１９４０号
ここで、半導体スイッチング素子の安全性、制御性を確保するためにデューティ比を所定の上限値に制限し、かつ、このとき演算されたデューティ比とデューティ比目標値との差が０に近づくようにフィードバック制御する場合について述べる。このとき、デューティ比目標値と上限値が近く設定されていると、演算されたデューティ比が上限値で制限されたときに目標値との差を大きくとることができず、フィードバック制御の出力も小さい値しか出力されない。これにより、平滑コンデンサの目標電圧も大きく変化させることができず、デューティ比が目標値へ収束するまで時間を要する。
すなわち、デューティ比を安全性、制御性を確保するための上限値に制限し、それをフィードバック制御に用いる場合、電力変換動作が定常化するまでに時間を要し、これにより、特に負荷がバッテリの場合には充電時間が延長するという課題があった。
本願は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、半導体スイッチング素子の駆動信号の元となるデューティ比は所定の上限値に制限しつつ、デューティ比とデューティ比目標値との差が０に近づくようにフィードバック制御する電力変換装置において、電力変換動作が定常化するまでの時間を短縮し、ひいてはバッテリの充電時間の短縮を実現する電力変換装置を提供することを目的とするものである。
本願に開示される電力変換装置は、電源と負荷との間に設けられ前記電源から供給される入力電力を変換して前記負荷へ出力電力を供給する電力変換回路と、比例積分制御を含む処理により前記電力変換回路の出力電力を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記出力電力を制御するための演算過程上の演算値に対して、第１の上限値で制限される第１の演算結果と、前記演算値に対して、前記第１の上限値よりも高い値に設定した第２の上限値で制限される第２の演算結果を生成するとともに、前記第２の演算結果と前記第２の演算結果の目標値との差分によって前記比例積分制御を行うことを特徴とする。
本願に開示される電力変換装置によれば、半導体スイッチング素子の駆動信号の元となるディーティは所定の上限値に制限しつつ、デューティ比とデューティ比目標値との差が０に近づくようにフィードバック制御する電力変換装置において、電力変換動作が定常化するまでの時間を短縮し、ひいてはバッテリの充電時間の短縮を実現することができる。
実施の形態１による電力変換装置を示す回路構成図である。 実施の形態１による電力変換装置の制御方法を示す説明図である。 実施の形態１による制御回路のハードウエアの一例を示す構成図である。
実施の形態１．
実施の形態１について、図面に基づいて説明する。なお、各図において、同一符号は各々同一または相当部分を示している。
図１は、実施の形態１における電力変換装置の概略的なの構成を示す図である。図に示すように、電力変換装置１０００は、交流‐直流変換を行う第１の電力変換回路１００と、平滑コンデンサ２と、電圧値を変換し負荷へ電力を出力する第２の電力変換回路２００と、これを制御する制御部４とを備えている。交流電源１からの入力電力を受け、出力段に接続されている負荷である高圧バッテリ３を充電する。
第１の電力変換回路１００は半導体スイッチング素子７を備え、第２の電力変換回路２００は第１～第４の半導体スイッチング素子９、１０、１１、１２を備え、半導体スイッチング素子のスイッチング動作によって電力変換を行う回路である。また、予め定めた箇所に電流検出回路または電圧検出回路が取り付けられており、検出された電流値および電圧値が制御部４へ伝えられる。制御部４は、入力電流指令値ならびに出力電流指令値を生成し、検出された電流値が電流指令値に追従するよう第１の電力変換回路１００の半導体スイッチング素子７ならびに第２の電力変換回路２００の第１～第４の半導体スイッチング素子９、１０、１１、１２をＰＷＭ制御する。
ここで、半導体スイッチング素子は、例えばソース・ドレイン間にダイオードが内蔵されたＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｅｒ）を使用する。
第１の電力変換回路１００は、交流入力電源としての交流電源１から平滑コンデンサ２までの要素で構成されている。交流電源１は入力電流検出回路２１（ＳＩ１）を介して、整流回路としてのダイオードブリッジ５に接続され、ダイオードブリッジ５に対して並列に入力電圧検出回路２０（ＳＶ１）が接続されている。
ダイオードブリッジ５の出力は、限流回路としてのリアクトル６に接続されている。リアクトル６の後段には半導体スイッチング素子７と整流ダイオード８とが接続され、整流ダイオード８のカソード側が出力段の平滑コンデンサ２の正極に接続されている。リアクトル６の後段に接続される半導体スイッチング素子７の他端は、平滑コンデンサ２の負極に接続される。また、平滑コンデンサ２に並列に、平滑コンデンサ２の電圧値を検出する直流電圧検出回路２２（ＳＶ２）が接続されている。
また、第２の電力変換回路２００は、平滑コンデンサ２から高圧バッテリ３までの要素で構成されている。平滑コンデンサ２の後段には、第１の半導体スイッチング素子９、第２の半導体スイッチング素子１０、第３の半導体スイッチング素子１１、第４の半導体スイッチング素子１２が接続されている。第１の半導体スイッチング素子９と第３の半導体スイッチング素子１１のドレインは、平滑コンデンサ２の正極側に接続され、第２の半導体スイッチング素子１０と第４の半導体スイッチング素子１２のソースは、平滑コンデンサ２の負極側に接続されている。
また、トランス１３の一次巻線の一端が、第１の半導体スイッチング素子９のソースと第２の半導体スイッチング素子１０のドレインとの接続点に接続され、他端は、第３の半導体スイッチング素子１１のソースと第４の半導体スイッチング素子１２のドレインとの接続点に接続されている。トランス１３の二次巻線には、第１の整流用ダイオード１４、第２の整流用ダイオード１５、第３の整流用ダイオード１６、第４の整流用ダイオード１７がフルブリッジ構成で接続されている。第１～第４の整流用ダイオード１４～１７の後段には、平滑用リアクトル１８と出力電流検出回路２３（ＳＩ２）と平滑用コンデンサ１９が接続されている。以降を第２の電力変換回路２００の出力として、負荷である高圧バッテリ３が接続されている。ここで、平滑用コンデンサ１９に並列して、出力電圧検出回路２４（ＳＶ３）が接続されている。
次に、第１の電力変換回路１００の半導体スイッチング素子７および第２の電力変換回路２００の半導体スイッチング素子９、１０、１１、１２をＰＷＭ制御する方法について説明する。
図２は、第１の電力変換回路１００の半導体スイッチング素子７および第２の電力変換回路２００の半導体スイッチング素子９、１０、１１、１２のＰＷＭ制御方法を示す図であって、このＰＷＭ制御は、制御部４によって実行される。
まず、第２の電力変換回路２００を制御する方法について説明する。
制御部４は、出力指令値Ｉｏｕｔ＊と出力電流検出回路２３（ＳＩ２）により検出した出力電流Ｉｏｕｔとの差４２をフィードバック量として、比例積分（ＰＩ）制御した出力を、平滑用リアクトル１８の印加電圧としての目標値である目標電圧ＶＬｏｕｔ４３とする。
ここで、半導体スイッチング素子９～１２がデューティ比Ｄ２となるよう動作するとき、トランス１３の一次側の巻き数をＮ１、二次側の巻き数をＮ２とすると、半導体スイッチング素子９～１２のスイッチング周期の１周期分について、出力電圧検出回路２４（ＳＶ３）で検出した出力電圧Ｖｏｕｔ、入力電圧検出回路２０（ＳＶ１）で検出した直流電圧Ｖｄｃ、目標電圧ＶＬｏｕｔ４３の関係は、以下の式で表される。
Ｖｏｕｔ＝Ｎ２／Ｎ１・Ｖｄｃ・Ｄ２―ＶＬｏｕｔ （１）
式（１）から、第２のデューティ比演算部２６は、以下に示される式（２）に従ってデューティ比Ｄ２（第２の電力変換回路２００用デューティ比）を演算する。
Ｄ２＝Ｎ１／Ｎ２（Ｖｏｕｔ＋ＶＬｏｕｔ）／Ｖｄｃ （２）

この値は、第２の制限部２８によって、半導体スイッチング素子の安全性、制御性を確保するよう設定された第１の上限値で制限され、第１の演算結果（第２の電力変換回路２００のデューティ比制限後１）として出力される。第２のゲート信号生成器３８は、第１の演算結果に従ってＰＷＭ制御しゲート信号を半導体スイッチング素子９～１２へそれぞれ出力する。
第１の上限値は、半導体スイッチング素子で物理的に操作可能なデューティ比として、例えば１以下（１００％以下）の値に設定する。すなわち、第１の上限値は、電力変換装置で操作可能な値となるように演算値の物理的特徴に基づいて設定するものである。
さらに、このとき制御部４は、第２のデューティ比演算部２６で演算したデューティ比Ｄ２を第３の制限部２９により第１の上限値よりも高い値に設定した第２の上限値で制限し、第２の演算結果（第２の電力変換回路２００用デューティ比制限後２）として出力する。第２の上限値は、第１の上限値に対して高い値として、例えば第１の上限値の倍の値である２以下に設定する。
次に、第１の電力変換回路１００を制御する方法について説明する。
制御部４は、第２の電力変換回路２００の半導体スイッチング素子のデューティ比Ｄ２が、その目標値（１以下の値）に追従するように、平滑コンデンサ２の直流電圧目標値Ｖｄｃ＊を調整し、これに従って入力電流を操作することにより、高効率な電力変換を実現している。
すなわち、デューティ比Ｄ２を表現した値である第２の演算結果（第２の電力変換回路２００用デューティ比制限後２）とデューティ比目標値Ｄｕｔｙ＊との差３０を比例積分制御し、その出力を平滑コンデンサ２の直流電圧目標値Ｖｄｃ＊として出力する。
ここで、制御部４は、出力電力を制御するための演算過程上の演算値に対して、第１の上限値で制限される第１の演算結果と、演算値に対して、第１の上限値よりも高い値に設定した第２の上限値で制限される第２の演算結果を生成するとともに、第２の演算結果と第２の演算結果の目標値との差分によって比例積分制御を行うものである。
そして、直流電圧検出回路２２（ＳＶ２）が検出した直流電圧Ｖｄｃと平滑コンデンサ２の直流電圧目標値Ｖｄｃ＊の差３１を比例積分制御し、その出力を電力変換装置１０００の入力電流振幅指令値３２（ＩｉｎＡＭＰ＊）として出力する。制御部４は、この入力電流振幅指令値３２と、入力電圧検出回路２０（ＳＶ１）が検出した入力電圧Ｖｉｎに同期し振幅１の信号として生成した同期正弦波３３から、入力電流指令値Ｉｉｎ＊３４を生成する。
次に、入力電流指令値Ｉｉｎ＊３４と入力電流Ｉｉｎとの差３５をフィードバック量として、比例積分制御した出力を、リアクトル６の印加電圧としての目標値である目標電圧ＶＬｉｎ３６とする。
次に、半導体スイッチング素子７が任意のデューティ比Ｄ１で動作するとき、半導体スイッチング素子７のスイッチング周期の１周期分について、入力電圧Ｖｉｎ、直流電圧Ｖｄｃ、目標電圧ＶＬｉｎ３６の関係は、次の式（３）で表される。
Ｖｉｎ＝ＶＬｉｎ＋Ｖｄｃ（１－Ｄ１） （３）
これより、第１のデューティ比演算部２５は、次に示される式（４）に従ってデューティ比Ｄ１（第１の電力変換回路１００用デューティ比）を演算する。
Ｄ１＝１－（Ｖｉｎ－ＶＬｉｎ）／Ｖｄｃ （４）
この値は第１の制限部２７により、半導体スイッチング素子の安全性、制御性を確保するよう設定された上限値で制限され、第１の電力変換回路１００用デューティ比制限後の値が出力される。第１のゲート信号生成器３７は、出力された値に従ってＰＷＭ制御しゲート信号を半導体スイッチング素子７へ出力する。
上述の通り、制御部４は、第２の演算結果（第２の電力変換回路２００用デューティ比制限後２）とデューティ比目標値Ｄｕｔｙ＊との差３０を比例積分制御し、その出力を平滑コンデンサ２の直流電圧目標値Ｖｄｃ＊として出力するよう構成されている。したがって、デューティ比目標値Ｄｕｔｙ＊（１以下の値）と第２の演算結果（第２の電力変換回路２００用デューティ比制限後２）（２以下の値）の差分を十分にとることが可能であり、これによって、直流電圧目標値Ｖｄｃ＊を大きく変化させることができる。
すなわち、制御部４は、第１の電力変換回路１００の入出力を制御するとともに、第２の電力変換回路２００の入出力を半導体スイッチング素子のデューティ比操作により制御し、かつ、半導体スイッチング素子のデューティ比が目標値に近づくよう、「デューティ比を表現した値」とその目標値との差分による比例積分制御の結果に基づいて第１の電力変換回路または第２の電力変換回路を制御して平滑コンデンサの電圧を制御するものであって、演算過程上の演算値とは、デューティ比を演算するために導出されたものであり、第１の演算結果はデューティ比を指し、第２の演算結果は「デューティ比を表現した値」を指すものである。
したがって、デューティ比Ｄ２が目標値へ収束するまで時間を短縮することができる。
以上によって、半導体スイッチング素子の駆動信号の元となるディーティ比は所定の上限値（１以下）に制限しつつ、デューティ比とデューティ比目標値との差が０に近づくようにフィードバック制御する電力変換装置において、電力変換動作が定常化するまでの時間を短縮し、ひいてはバッテリの充電時間の短縮を実現することができる。
なお、本願の説明の比例積分制御は、比例動作に積分動作を加えた制御で、所定の目標値に対して動作を追従する制御手法として一般的に行われている制御である。
なお、制御部４は、ハードウエアの構成例を図３に示すように、プロセッサ３００と記憶装置３０１から構成される。記憶装置３０１の内部の構成は図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ３００は、記憶装置３０１から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ３００にプログラムが入力される。また、プロセッサ３００は、演算結果等のデータを記憶装置３０１の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。
本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。
１ 交流電源、２ 平滑コンデンサ、３ 高圧バッテリ、４ 制御部、
５ ダイオードブリッジ、６ リアクトル、７ 半導体スイッチング素子、
８ 整流ダイオード、９ 第１の半導体スイッチング素子、
１０ 第２の半導体スイッチング素子、１１ 第３の半導体スイッチング素子、
１２ 第４の半導体スイッチング素子、１３ トランス、
１４ 第１の整流用ダイオード、１５ 第２の整流用ダイオード、
１６ 第３の整流用ダイオード、１７ 第４の整流用ダイオード、
１８ 平滑用リアクトル、１９ 平滑用コンデンサ、
２０ 入力電圧検出回路、２１ 入力電流検出回路、２２ 直流電圧検出回路、
２３ 出力電流検出回路、２４ 出力電圧検出回路、２５ 第１のデューティ比演算部、
２６ 第２のデューティ比演算部、２７ 第１の制限部、２８ 第２の制限部、
２９ 第３の制限部、３７ 第１のゲート信号生成器、３８ 第２のゲート信号生成器、１００ 第１の電力変換回路、２００ 第２の電力変換回路、３００ プロセッサ、
３０１ 記憶装置、１０００ 電力変換装置
本願に開示される電力変換装置は、電源と負荷との間に設けられ前記電源から供給される入力電力を変換して前記負荷へ出力電力を供給する電力変換回路と、比例積分制御を含む処理により前記電力変換回路の出力電力を制御する制御部とを備え、前記制御部が、電力変換回路のデューティ比を演算するデューティ比演算部を有し、前記デューティ比演算部の出力値を第１の上限値で制限した第１の演算結果を前記電力変換回路の半導体スイッチング素子の駆動信号のデューティ比として出力するとともに、前記デューティ比演算部の出力値を前記第１の上限値よりも高い値に設定された第２の上限値で制限した第２の演算結果を出力し、前記第２の演算結果と前記第２の演算結果の目標値との差分によって前記比例積分制御を行うことを特徴とする。

Claims (4)

  1. 電源と負荷との間に設けられ前記電源から供給される入力電力を変換して前記負荷へ出力電力を供給する電力変換回路と、比例積分制御を含む処理により前記電力変換回路の出力電力を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記出力電力を制御するための演算過程上の演算値に対して、第１の上限値で制限される第１の演算結果と、前記演算値に対して、前記第１の上限値よりも高い値に設定した第２の上限値で制限される第２の演算結果を生成するとともに、前記第２の演算結果と前記第２の演算結果の目標値との差分によって前記比例積分制御を行うことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記第１の上限値は、前記演算値の物理的特徴に基づいて前記電力変換装置で操作可能な値に設定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. 前記電力変換回路は、平滑コンデンサと、前記電源から供給される入力電力を変換して前記平滑コンデンサへ出力する第１の電力変換回路と、出力側に前記負荷が接続され前記平滑コンデンサの直流電力を変換する半導体スイッチング素子を備えた第２の電力変換回路とから構成されてい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. 前記制御部は、前記第１の電力変換回路の入出力を制御するとともに、前記第２の電力変換回路の入出力を前記半導体スイッチング素子のデューティ比操作により制御し、かつ、前記半導体スイッチング素子のデューティ比が目標値に近づくよう、比例積分制御の結果に基づいて前記第１の電力変換回路または前記第２の電力変換回路を制御して前記平滑コンデンサの電圧を制御し、前記演算過程上の演算値が、前記デューティ比を演算するために導出され、前記第１の演算結果が前記デューティ比であって、前記第２の演算結果が前記デューティ比を表現した値であることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
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