JP2022076532A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出力電圧の安定化を図ることができる電力変換装置を提供する。【解決手段】電圧変換装置１は、第１スイッチング素子Ｑ１のオンオフ制御及び第２スイッチング素子Ｑ２のボディダイオードＤを利用したダイオード整流と、第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２のオンオフ制御による同期整流とを切替可能ものであって、電力変換後における出力電流値を検出する出力電流検出部３０と、第２スイッチング素子Ｑ２をオンオフすることなくダイオード整流を行った場合に電流が不連続となる不連続モードと電流が連続となる連続モードとの境界となる臨界電流値を求める臨界電流値演算部と、出力電流検出部３０により検出された出力電流値が臨界電流値演算部により求められた臨界電流値に基づく切替電流値を超える場合に、ダイオード整流と同期整流とを切り替える制御部５０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

従来、電力変換を行う電力変換装置が知られている。この電力変換装置には、ソフトスタート期間においてダイオード整流を行い、ソフトスタート期間の完了後において同期整流を行うものが提案されている（特許文献１，２参照）。さらに、電流検出回路により検出された入力電流の検出信号と、電圧検出回路により検出された入力電圧の検出信号とに基づく合成信号に基づいて、整流回路内のスイッチング素子のオンオフ状態を制御することにより、整流モードの切り換えを行うものも提案されている（特許文献３参照）。

特開２０１４－１９７９４２号公報 特開２０１４－１９７９４３号公報 特開２０２０－２０６８５８号公報

しかし、特許文献１，２に記載の電力変換装置は、ソフトスタート期間の完了前後で整流モードを切り替えているため、例えばソフトスタート期間の完了時点においてダイオード整流の不連続モードであるときには同期整流に切り替えたときにデューティ比が大きく変化してしまい、出力電圧ドロップが発生してしまう。特許文献３においても合成信号に基づいて切替を行うことから、同様に出力電圧ドロップが発生してしまう可能性がある。

なお、この問題はスタート時に限らず、ストップ時においても発生する問題であって、ストップ時に同期整流からダイオード整流に切り替えたときに不連続モードであると、デューティ比が大きく変化してしまい、出力電圧上昇が発生してしまう。

本発明はこのような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、出力電圧の安定化を図ることができる電力変換装置を提供することにある。

本発明に係る電力変換装置は、第１スイッチング素子と、ボディダイオードを有した第２スイッチング素子とを備え、前記第１スイッチング素子のオンオフ制御及び前記ボディダイオードを利用したダイオード整流と、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子のオンオフ制御による同期整流とを切替可能な電力変換装置であって、電力変換後における出力電流値を検出する出力電流検出手段と、前記第２スイッチング素子をオンオフすることなく前記ダイオード整流を行った場合に電流が不連続となる不連続モードと電流が連続となる連続モードとの境界となる臨界電流値を求める臨界電流値演算手段と、前記出力電流検出手段により検出された出力電流値が前記臨界電流値演算手段により求められた臨界電流値に基づく切替電流値を超える場合に、前記ダイオード整流と前記同期整流とを切り替える制御手段とを備える。

本発明によれば、出力電圧の安定化を図ることができる電力変換装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成図である。 図１に示した制御部の詳細を示すブロック図である。 本実施形態に係る電力変換装置の整流モードの切替の様子を示すタイミングチャートであって、ソフトスタート時の様子を示している。 本実施形態に係る電力変換装置の整流モードの切替の様子を示すタイミングチャートであって、ソフトストップ時の様子を示している。 本実施形態に係る電力変換装置による電力変換方法を示す第１のフローチャートである。 本実施形態に係る電力変換装置による電力変換方法を示す第２のフローチャートであって、ソフトスタート時の処理を示している。 本実施形態に係る電力変換装置による電力変換方法を示す第３のフローチャートであって、ソフトストップ時の処理を示している。

以下、本発明を好適な実施形態に沿って説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す実施形態においては、一部構成の図示や説明を省略している箇所があるが、省略された技術の詳細については、以下に説明する内容と矛盾が発生しない範囲内において、適宜公知又は周知の技術が適用されていることはいうまでもない。

図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成図である。図１に示すように、電力変換装置１は、例えば第１バッテリＢ１の電力を利用して第２バッテリＢ２の充電を行うものであって、入力端子Ｔ１と、出力端子Ｔ２と、正極側ラインＬ１と、負極側ラインＬ２と、平滑コンデンサＣ１，Ｃ２と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、平滑インダクタンスＬと、入力電圧検出部１０と、駆動部２０と、出力電流検出部（出力電流検出手段）３０と、出力電圧検出部４０と、制御部（制御手段）５０とを備えている。

入力端子Ｔ１は第１バッテリＢ１が接続される部位であり、出力端子Ｔ２は第２バッテリＢ２が接続される部位である。正極側ラインＬ１及び負極側ラインＬ２は、電力変換装置１内において入力端子Ｔ１と出力端子Ｔ２とをつなぐ導電ラインである。

第１平滑コンデンサＣ１は、正極側ラインＬ１と負極側ラインＬ２とを接続する第１接続線ＣＬ１上に設けられており、第２平滑コンデンサＣ２は、正極側ラインＬ１と負極側ラインＬ２とを接続する第２接続線ＣＬ２上に設けられている。第１接続線ＣＬ１は、第２接続線ＣＬ２よりも入力端子Ｔ１側に設けられている。

第１及び第２スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、Ｎチャンネル型ＦＥＴ（Field-Effect Transistor）である。第１スイッチング素子Ｑ１は、正極側ラインＬ１のうち第１接続線ＣＬ１と第２接続線ＣＬ２との間に該当する部分に設けられており、ゲートが駆動部２０に接続され、ドレインが入力端子Ｔ１側に接続され、ソースが出力端子Ｔ２側に接続されている。第２スイッチング素子Ｑ２は、正極側ラインＬ１と負極側ラインＬ２とを接続する第３接続線ＣＬ３に設けられており、ゲートが駆動部２０に接続され、ドレインが正極側ラインＬ１側に接続され、ソースが負極側ラインＬ２側に接続されている。第３接続線ＣＬ３は、第１接続線ＣＬ１と第２接続線ＣＬ２とに挟まれるように配置されており、且つ、第３接続線ＣＬ３の一端（正極側ラインＬ１側）は第１スイッチング素子Ｑ１よりも出力端子Ｔ２側に接続されている。

平滑インダクタンスＬは、正極側ラインＬ１のうち第３接続線ＣＬ３と第２接続線ＣＬ２との間に該当する部分に設けられている。また、第１及び第２スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、ボディダイオードＤを有している（第１スイッチング素子Ｑ１のボディダイオードについては図示を省略する）。

このような回路構成において第１平滑コンデンサＣ１と、第１及び第２スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、平滑インダクタンスＬとは電力変換部ＰＣを構成している。電力変換部ＰＣにおいては、第２スイッチング素子Ｑ２をオフ状態とし、第１スイッチング素子Ｑ１のみをスイッチングすることで、ダイオード整流を行うことができる。一方、電力変換部ＰＣは、タイミングをずらして第１スイッチング素子Ｑ１及び第２スイッチング素子Ｑ２をオンオフ制御することで、同期整流を行うことができる。

入力電圧検出部１０は、第１平滑コンデンサＣ１よりも入力端子Ｔ１側となる箇所の電圧、すなわち電力変換部ＰＣへの入力電圧を検出するものである。駆動部２０は、電力変換部ＰＣを構成する第１及び第２スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオンオフ制御するためのものである。

出力電流検出部３０は、平滑インダクタンスＬよりも出力端子Ｔ２側となる箇所の電流、すなわち電力変換部ＰＣの出力電流（電力変換後の出力電流）を検出するものである。出力電圧検出部４０は、平滑インダクタンスＬよりも出力端子Ｔ２側となる箇所の電圧、すなわち電力変換部ＰＣへの出力電圧を検出するものである。

制御部５０は、本実施形態に係る電力変換装置１の全体を制御するものであって、入力電圧検出部１０、出力電流検出部３０及び出力電圧検出部４０からの情報を入力し、入力した情報に基づいて、第１及び第２スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が適切にスイッチングされるように駆動部２０に対して指令するものである。

図２は、図１に示した制御部５０の詳細を示すブロック図である。図２に示すように、制御部５０は、制御量演算部５１と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）設定部５２と、ＤＡコンバータ５３とを備えている。

制御量演算部５１は、出力電圧検出部４０により検出された出力電圧が、上位機器等から送信される電圧指令値に近づくように制御量（デューティ比）を演算するものであり、ＰＷＭ設定部５２は、制御量演算部５１により演算された制御量が実現されるＰＷＭの設定を行うものである。ＤＡコンバータ５３は、ＰＷＭ設定部５２からのデジタル信号のＰＷＭの設定に基づいて、アナログの指令値を駆動部２０に対して送信する。

さらに、本実施形態に係る制御部５０は、臨界電流値演算部（臨界電流値演算手段）５４と、整流モード判定部５５とを備えている。臨界電流値演算部５４は、第２スイッチング素子Ｑ２をオンオフすることなくダイオード整流を行った場合に電流が不連続となる不連続モードと電流が連続となる連続モードとの境界となる臨界電流値を求めるものである。この臨界電流値演算部５４は、入力電圧検出部１０により検出された入力電圧と出力電圧検出部４０により検出された出力電圧とに基づいて、臨界電流値を求める。具体的に臨界電流値演算部５４は、以下の演算式を記憶しており、この式に入力電圧と出力電圧とを当てはめることで臨界電流値を求める。

ここで、Ｖｏは出力電圧であり、Ｖｉは入力電圧であり、Ｌは平滑インダクタンスＬのインダクタンス値である。また、Ｔｓはスイッチング周期であり、Ｔｏｆｆは第２スイッチング素子Ｑ２がオンしている時間である。

整流モード判定部５５は、ダイオード整流すべきか、同期整流すべきかを判定するものである。この整流モード判定部５５は、出力電流検出部３０により検出された出力電流の値Ｉｏが臨界電流値演算部５４により求められた臨界電流値に基づく切替電流値Ｉｔｈ１を超える場合に、ダイオード整流と同期整流とを切り替える。

ここで、ダイオード整流には、電圧が不連続となる不連続モードが存在する。このような不連続モードに対応する電流領域をＤＣＭ（Discontinuous Conduction Mode）領域という。そして、ダイオード整流において不連続モードであるときに同期整流に切り替えてしまうと、また、同期整流からダイオード整流に切り替えたときに不連続モードであると、デューティ比に大きな変化が発生することがあり、電圧変動が大きくなってしまう。

そこで、本実施形態に係る整流モード判定部５５は、臨界電流値にマージンを加えた値を切替電流値Ｉｔｈ１とし、出力電流が切替電流値Ｉｔｈ１を超える場合にしか、ダイオード整流と同期整流との切替を行わないようにしている。これにより、ＤＣＭ領域内での切替に基づく電圧変動を抑えるようにしている。

図３は、本実施形態に係る電力変換装置１の整流モードの切替の様子を示すタイミングチャートであって、ソフトスタート時の様子を示している。図３に示すように、まず時刻ｔ１１において制御部５０は第１スイッチング素子Ｑ１のみをオンオフ制御して、ダイオード整流を行う。これにより、出力電圧が立上り始める。その後、出力電流値Ｉｏが上昇し始める。

また、制御部５０は、出力電流検出部３０からの情報に基づいて出力電流値Ｉｏを監視している。ここで、例えば時刻ｔ１２のように出力電流値Ｉｏが切替電流値Ｉｔｈ１を上回っておらずＤＣＭ領域に収まっているときに、同期整流を開始してしまうと、図３に示す出力電圧のように大きな電圧ドロップが発生してしまう。

これに対して、本実施形態に係る電力変換装置１の制御部５０は出力電流値Ｉｏが切替電流値Ｉｔｈ１を上回るか否かを判断している。そして、制御部５０は、時刻ｔ１３に示すように出力電流値Ｉｏが切替電流値Ｉｔｈ１を上回るときに第２スイッチング素子Ｑ２についてもオンオフ制御を開始して同期整流を行う。すなわち、制御部５０は、時刻ｔ１３においてダイオード整流から同期整流に切り替える。ここで、同期整流に切り替えた時刻ｔ１３では出力電流値ＩｏがＤＣＭ領域に入っていない。よって、ダイオード整流の不連続モードから同期整流に切り替えてしまうことを回避でき、デューティ比の変化を抑えて出力電圧の変化についても抑えることができる。

図４は、本実施形態に係る電力変換装置１の整流モードの切替の様子を示すタイミングチャートであって、ソフトストップ時の様子を示している。まず、制御部５０は、出力電流検出部３０からの情報に基づいて出力電流値Ｉｏを監視している。次いで、制御部５０は、出力電流値Ｉｏが切替電流値Ｉｔｈ１を超え、且つ、所定電流値Ｉｔｈ２未満であるかを判断する。

制御部５０は、時刻ｔ２１に示すように、出力電流値Ｉｏが切替電流値Ｉｔｈ１を超え、且つ、所定電流値Ｉｔｈ２未満であるときに、第２スイッチング素子Ｑ２のオンオフ制御を停止する。すなわち、制御部５０は、第１スイッチング素子Ｑ１のみをオンオフ制御して同期整流からダイオード整流に切り替える。このとき、出力電流値ＩｏがＤＣＭ領域に入っていないことから、同期整流からダイオード整流に切り替えたときに不連続モードとなってしまうことを回避できる。よって、図４に示すように、デューティ比の変化を抑えて出力電圧の変化についても抑えることができる。その後、時刻ｔ２３に示すように制御部５０は第１スイッチング素子Ｑ１のオンオフ制御についても停止する。

一方、時刻ｔ２２のように出力電流値Ｉｏが切替電流値Ｉｔｈ１と所定電流値Ｉｔｈ２との間に入っておらずＤＣＭ領域に収まっているときに、ダイオード整流を開始してしまうと、ダイオード整流が不連続モードで行われてしまう。よって、デューティ比の変化が大きくなることから、図４に示す出力電圧のように大きな電圧上昇が発生してしまう。

なお、出力電流値Ｉｏが所定電流値Ｉｔｈ２を上回るときに同期整流からダイオード整流に切り替えても電圧上昇を抑えることができるが、この場合には効率の低下を招くことから、出力電流値Ｉｏが所定電流値Ｉｔｈ２未満となるときに切り替えることが好ましい。

図５は、本実施形態に係る電力変換装置１による電力変換方法を示す第１のフローチャートである。なお、図５に示す処理は電力変換装置１の電源がオフされるまで、繰り返し実行される。

まず、図５に示すように、制御部５０は、各検出部１０，３０，４０を通じて各検出値を検出する（Ｓ１）。次に、制御部５０の制御量演算部５１はステップＳ１において検出された出力電圧と電圧指令値とに基づいてデューティ比を算出する（Ｓ２）。ここで、算出されたデューティ比に基づいてＰＷＭ設定部５２、及びＤＡコンバータ５３を通じて駆動部２０が制御され、駆動部２０はスイッチングを行うこととなる。

また、臨界電流値演算部５４は、ステップＳ１において検出された入力電圧及び出力電圧等と、上記した演算式とに基づいて臨界電流値演算を求める（Ｓ３）。その後、図５に示す処理を終了する。

図６は、本実施形態に係る電力変換装置１による電力変換方法を示す第２のフローチャートであって、ソフトスタート時の処理を示している。なお、図６に示す処理においては既に電源が投入されてダイオード整流が実行されているものとする。

まず、図６に示すように、整流モード判定部５５は、出力電流値Ｉｏを検出すると共に臨界電流値演算部５４から臨界電流値の情報を取得する（Ｓ１１）。次に、整流モード判定部５５は、臨界電流値にマージンを加算して切替電流値Ｉｔｈ１を求め、出力電流値Ｉｏが切替電流値Ｉｔｈ１を超えるかを判断する（Ｓ１２）。

出力電流値Ｉｏが切替電流値Ｉｔｈ１を超える場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、整流モード判定部５５は、同期整流に切り替えると判断する（Ｓ１３）。これにより、制御部５０は、第２スイッチング素子Ｑ２についてもオンオフ制御して同期整流を実行することとなる。その後、図６に示す処理は終了する。

一方、出力電流値Ｉｏが切替電流値Ｉｔｈ１を超えない場合（Ｓ１２：ＮＯ）、整流モード判定部５５は、ダイオード整流を維持すると判断する（Ｓ１４）。すなわち、出力電流値ＩｏがＤＣＭ領域に収まっている可能性があることから、ダイオード整流を維持して大きな電圧ドロップを防止することとなる。その後、図６に示す処理は終了する。

図７は、本実施形態に係る電力変換装置１による電力変換方法を示す第３のフローチャートであって、ソフトストップ時の処理を示している。なお、図７に示す処理においては既に同期整流が実行されているものとする。

まず、図７に示すように、整流モード判定部５５は、出力電流値Ｉｏを検出すると共に臨界電流値演算部５４から臨界電流値の情報を取得する（Ｓ２１）。次いで、整流モード判定部５５は、臨界電流値にマージンを加算して切替電流値Ｉｔｈ１を求めると共に、さらに所定値を加算して所定電流値Ｉｔｈ２を求める。

次に、整流モード判定部５５は、出力電流値Ｉｏが切替電流値Ｉｔｈ１を超えると共に所定電流値Ｉｔｈ２未満となるかを判断する（Ｓ２２）。出力電流値Ｉｏが切替電流値Ｉｔｈ１を超えると共に所定電流値Ｉｔｈ２未満となる場合（Ｓ２２：ＹＥＳ）、整流モード判定部５５は、ダイオード整流に切り替えると判断する（Ｓ２３）。これにより、制御部５０は、第２スイッチング素子Ｑ２のオンオフ制御を停止してダイオード整流を実行することとなる。その後、制御部５０は電源を遮断し、図７に示す処理は終了する。

一方、出力電流値Ｉｏが切替電流値Ｉｔｈ１を超えず又は所定電流値Ｉｔｈ２未満とならない場合（Ｓ２２：ＮＯ）、整流モード判定部５５は、同期整流を維持すると判断する（Ｓ２４）。すなわち、出力電流値Ｉｏが高すぎでダイオード整流に切り替えると効率が悪くなる場合や、出力電流値ＩｏがＤＣＭ領域に収まっている可能性がある場合に、同期整流を維持して大きな電圧上昇を防止することとなる。その後、図７に示す処理は終了する。

このようにして、本実施形態に係る電力変換装置１によれば、不連続モードと連続モードとの境界となる臨界電流値に基づく切替電流値Ｉｔｈ１を超える場合にダイオード整流と同期整流とを切り替えるため、ダイオード整流で連続モードとなるときや、不連続モードであっても連続モードに近い状態のときに整流モードを切り替えることが可能となり、切替時におけるデューティ比の変化を抑えて出力電圧の安定化を図ることができる。

また、電源投入後にダイオード整流を行い、検出された出力電流値Ｉｏが切替電流値Ｉｔｈ１を超える場合にダイオード整流から同期整流に切り替えるため、ソフトスタートを行いつつも切替時における電圧ドロップを抑えて出力電圧の安定化を図ることができる。

また、同期整流を行い、検出された出力電流値Ｉｏが切替電流値Ｉｔｈ１を超え、且つ、切替電流値Ｉｔｈ１よりも高い所定電流値Ｉｔｈ２未満となる場合に同期整流からダイオード整流に切り替え、その後、電源を遮断するため、ソフトストップを行いつつも切替時における電圧上昇を抑えて出力電圧の安定化を図ることができる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、周知及び公知の技術を組み合わせてもよい。

例えば本実施形態においては、降圧チョッパ型の電力変換装置１を例に説明したが、特にこれに限らず、ダイオード整流と同期整流とを切り替える電力変換装置１であれば、図１に示したものに限られるものではない。

さらに、本実施形態に係る電力変換装置１は、臨界電流値に正の値となるマージンを加えて切替電流値Ｉｔｈ１を求めることを想定しているが、これに限らず、例えばマージンの値はゼロであってもよいし、大きな値でなければ負の値であってもよい。

１ ：電力変換装置
３０ ：出力電流検出部（出力電流検出手段）
５０ ：制御部（制御手段）
５４ ：臨界電流値演算部（臨界電流値演算手段）
Ｄ ：ボディダイオード
Ｉｏ ：出力電流値
Ｉｔｈ１ ：切替電流値
Ｉｔｈ２ ：所定電流値
Ｑ１ ：第１スイッチング素子
Ｑ２ ：第２スイッチング素子

Claims (3)

1. 第１スイッチング素子と、ボディダイオードを有した第２スイッチング素子とを備え、前記第１スイッチング素子のオンオフ制御及び前記ボディダイオードを利用したダイオード整流と、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子のオンオフ制御による同期整流とを切替可能な電力変換装置であって、
   電力変換後における出力電流値を検出する出力電流検出手段と、
   前記第２スイッチング素子をオンオフすることなく前記ダイオード整流を行った場合に電流が不連続となる不連続モードと電流が連続となる連続モードとの境界となる臨界電流値を求める臨界電流値演算手段と、
   前記出力電流検出手段により検出された出力電流値が前記臨界電流値演算手段により求められた臨界電流値に基づく切替電流値を超える場合に、前記ダイオード整流と前記同期整流とを切り替える制御手段と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御手段は、電源投入後に前記ダイオード整流を行い、前記出力電流検出手段により検出された出力電流値が前記切替電流値を超える場合に、前記ダイオード整流から前記同期整流に切り替える
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御手段は、前記同期整流を行い、前記出力電流検出手段により検出された出力電流値が前記切替電流値を超え、且つ、前記切替電流値よりも高い所定電流値未満となる場合に、前記同期整流から前記ダイオード整流に切り替え、その後、電源を遮断する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
   

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