JP2022101013A - 電力変換装置、電力変換装置の制御装置及び制御方法 - Google Patents

電力変換装置、電力変換装置の制御装置及び制御方法 Download PDF

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Daigoro Ebisumoto
真吾 長岡
Shingo Nagaoka
貴之 川本
Takayuki Kawamoto
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Abstract

【課題】絶縁型DC/DCコンバータなどの電力変換装置において、入力電圧の低下時であっても逆流の発生を停止して出力電圧を所定の電圧で保持する。【解決手段】電力変換装置は、共振トランス回路の1次側に設けられた第1のスイッチング回路と、共振トランス回路の2次側に設けられた第2のスイッチング回路を備え、第1のスイッチング回路により直流の入力電圧を交流電圧に変換した後、共振トランス回路を介して第2のスイッチング回路に送り、変換された交流電圧を直流の出力電圧に変換して出力する。電力変換装置は、出力電圧を検出して、出力電圧を所定の目標値に保持する制御回路を備え、制御回路は、入力電圧が第2のスイッチング回路において逆流が発生する所定の基準値以下であることを検知したとき、第2のスイッチング回路に対する駆動を停止することで第2のスイッチング回路における逆流の発生を停止しかつ出力電圧を所定の電圧で保持する。【選択図】図1

Description

本発明は、例えば絶縁型DC/DCコンバータ装置などの電力変換装置と、電力変換装置の制御装置及び制御方法に関する。
特許文献1において、一般的な絶縁型DC/DCコンバータが開示されている。当該絶縁型DC/DCコンバータはスイッチング回路を含み、当該スイッチング回路は、互いに並列に接続された第1及び第2のハーフブリッジ回路と、分圧回路と、DC入力電力とを備えて構成される。ここで、第1のハーフブリッジ回路は、直列接続されたスイッチの第1の対を含み、第2のハーフブリッジ回路は、直列接続されたスイッチの第2の対を含むことを特徴としている。
また、特許文献2において、種々の動作モードでも電流の逆流を防止し、安定した同期整流機能が実現できるスイッチング電源装置が開示されている。当該スイッチング電源装置は、
(1)入力直流電圧が直列共振回路に印加され、トランスを介して所定の出力電圧を発生し、負荷に電力供給するスイッチング電源装置において、
(2)電流共振インダクタと電流共振コンデンサを有する直列共振回路と、
(3)交互にオンオフして前記直列共振回路の電流経路を切り換える複数の主スイッチ素子もしくは主スイッチ素子群と、
(4)前記主スイッチ素子もしくは主スイッチ素子群を一次側でオンオフ制御することにより前記直列共振回路から二次側に電流を誘起させるトランスと、
(5)内蔵ダイオードが並列に接続され、それぞれ前記複数の主スイッチ素子もしくは主スイッチ素子群のいずれかに対応してオンオフして前記トランスの二次電流を整流する複数の同期整流用スイッチ素子と、
(6)前記主スイッチ素子もしくは主スイッチ素子群のオンタイミングに同期して前記同期整流用スイッチ素子に対する最大オン幅の開始を指示するとともに、所定時間後に前記最大オン幅の終了を指示する最大オン幅制御回路と、
(7)前記最大オン幅制御回路が前記最大オン幅の開始を指示するタイミング、あるいは前記同期整流用スイッチ素子の端子間電圧信号により検出される前記内蔵ダイオードの導通タイミングのいずれか遅いタイミングに同期して前記同期整流用スイッチ素子をターンオンさせるとともに、前記主スイッチ素子もしくは主スイッチ素子群のオフタイミング、あるいは前記最大オン幅制御回路が前記最大オン幅の終了を指示するタイミングのいずれか早いタイミングに同期して前記同期整流用スイッチ素子をターンオフさせるように、前記同期整流用スイッチ素子のオン期間を制御する同期制御回路と、
を備えたことを特徴としている。
国際公開第2018/006961号パンフレット 特開2010-098935号公報
しかしながら、特許文献1において、入力電圧を下げてゆくと、電源装置側に逆流するという問題点があった。
また、特許文献2では、出力電力に応じて2次側スイッチング回路の駆動パターンを変えることで、電流の逆流を防止することができる。しかし、入力電圧の低下時には逆流を抑制することができないという問題点があった。
本発明の目的は以上の問題点を解決し、例えば絶縁型DC/DCコンバータなどの電力変換装置において、入力電圧の低下時であっても、逆流の発生を停止しかつ出力電圧を所定の電圧で保持することができる電力変換装置と、電力変換装置の制御装置及び制御方法とを提供することにある。
本発明の一態様に係る電力変換装置は、
共振トランス回路の1次側に設けられた第1のスイッチング回路と、前記共振トランス回路の2次側に設けられた第2のスイッチング回路を備え、前記第1のスイッチング回路により直流の入力電圧を交流電圧に変換した後、前記共振トランス回路を介して前記第2のスイッチング回路に送り、前記変換された交流電圧を直流の出力電圧に変換して出力する電力変換装置であって、
前記出力電圧を検出して、前記出力電圧を所定の目標値に保持する制御回路を備え、
前記制御回路は、
(1)前記入力電圧が前記第2のスイッチング回路において逆流が発生する所定の基準値以下であることを検知すること、
(2)前記第1のスイッチング回路からの出力電流が前記第2のスイッチング回路において逆流が発生する所定の基準値以下であることを検知すること、
(3)前記第1のスイッチング回路からの出力電圧に対する出力電流の位相が前記第2のスイッチング回路において逆流が発生する所定の基準値以下であることを検知すること、
(4)前記第1のスイッチング回路からの出力電流の周波数を測定し、測定した周波数が所定の基準周波数以下であることを検知すること、
のいずれかであるときに、
(A)前記第2のスイッチング回路に対する駆動を停止し、もしくは
(B)前記第2のスイッチング回路に対する駆動信号の時間幅を正常時に比較して短縮することで、
前記第2のスイッチング回路における逆流の発生を停止しかつ出力電圧を所定の電圧で保持することを特徴とする。
従って、本発明に係る電力変換装置によれば、例えば絶縁型DC/DCコンバータなどの電力変換装置において、入力電圧の低下時であっても、逆流の発生を停止しかつ出力電圧を所定の電圧で保持することができる。
実施形態1に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。 図1の絶縁型DC/DCコンバータ3の構成例を示すブロック図である。 図2の平常時のスイッチング回路21,22におけるゲート制御信号G1~G12の動作を示すタイミングチャートである。 図1の絶縁型DC/DCコンバータ3における課題及び動作を示す各電圧のタイミングチャートである。 従来例の絶縁型DC/DCコンバータにおいて入力電圧が低下したときの電流波形図である。 実施形態1に係る絶縁型DC/DCコンバータ3において入力電圧が低下したときの電流波形図である。 実施形態1の変形例に係る絶縁型DC/DCコンバータ3における動作を示す各電圧及び信号を示すタイミングチャートである。 実施形態2に係る電力変換装置の絶縁型DC/DCコンバータ3Aの構成例を示すブロック図である。 実施形態3に係る電力変換装置の絶縁型DC/DCコンバータ3Bの構成例を示すブロック図である。
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、同一又は同様の構成要素については同一の符号を付している。
(実施形態1)
図1は実施形態1に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。図1において、電力変換装置は、PFC回路付きAC/DCコンバータ2と、絶縁型DC/DCコンバータ3とを備えて構成される。PFC回路付きAC/DCコンバータ2は、交流電圧1からの交流電圧を、PFC回路により力率を改善しながら所定の直流電圧に変換して絶縁型DC/DCコンバータ3に出力する。次いで、絶縁型DC/DCコンバータ3は、図2を参照して詳細後述するように共振トランス回路31,32,33を有し、入力される直流電圧Vinを交流電圧に変換した後、共振トランス回路31,32,33を介して得た交流電圧を所定の直流電圧Voutに変換して負荷4に出力する。
図2は図1の絶縁型DC/DCコンバータ3の構成例を示すブロック図である。図2において、絶縁型DC/DCコンバータ3は、スイッチング回路21と、共振トランス回路31,32,33と、スイッチング回路22と、平滑キャパシタ23と、制御回路10とを備えて構成される。ここで、制御回路10は例えばデジタル計算機等で構成されて絶縁型DC/DCコンバータ3の全体の動作を制御し、具体的には、誤差増幅器11と、電圧制御発振器(VCO)12と、スイッチング駆動回路13,14と、逆流検知回路15とを備えて構成される。
図3は図2の平常時のスイッチング回路21,22における、周期T0を有するゲート制御信号G1~G12の動作を示すタイミングチャートである。
スイッチング回路21は例えばMOS電界効果トランジスタである6個のスイッチング素子Q1~Q6を備え、いわゆる3相フルブリッジ型インバータ回路であって、スイッチング駆動回路13からのゲート制御信号(PFM制御信号)G1~G6(図3参照)に従って、入力される直流電圧Vinを3相シフトでパルス幅変調(PFM)することにより、3個の高周波交流電圧V1,V2,V3を発生してそれぞれ共振トランス回路31,32,33を介してスイッチング回路22に出力する。
共振トランス回路31は、絶縁用トランスTR1と、インダクタL1,L11と、共振キャパシタCr1とを備えて構成され、ここで、インダクタL1及び共振キャパシタCr1はトランスTR1の1次巻線と直列に接続され、インダクタL11はトランスTR1の1次巻線と並列に接続される。また、共振トランス回路32は、絶縁用トランスTR2と、インダクタL2,L12と、共振キャパシタCr2とを備えて構成され、ここで、インダクタL2及び共振キャパシタCr2はトランスTR2の1次巻線と直列に接続され、インダクタL12はトランスTR2の1次巻線と並列に接続される。さらに、共振トランス回路33は、絶縁用トランスTR3と、インダクタL3,L13と、共振キャパシタCr3とを備えて構成され、ここで、インダクタL3及び共振キャパシタCr3はトランスTR3の1次巻線と直列に接続され、インダクタL13はトランスTR3の1次巻線と並列に接続される。なお、各共振キャパシタCr1,Cr2,Cr3の他端は共に接続される。
共振トランス回路31は、入力される高周波交流電圧V1を所定の共振周波数の共振状態で高周波交流電圧V11に変換した後、スイッチング回路22に出力する。また、共振トランス回路32は、入力される高周波交流電圧V2を所定の共振周波数の共振状態で高周波交流電圧V12に変換した後、スイッチング回路22に出力する。さらに、共振トランス回路33は、入力される高周波交流電圧V3を所定の共振周波数の共振状態で高周波交流電圧V13に変換した後、スイッチング回路22に出力する。
スイッチング回路22は例えばMOS電界効果トランジスタである6個のスイッチング素子Q7~Q12を備え、いわゆる3相フルブリッジ型インバータ回路であって、スイッチング駆動回路14からのゲート制御信号(PFM制御信号)G7~G12(図3参照)に従って、入力される直流電圧Vinを3相シフトでPFMすることにより、交流電圧を発生して平滑キャパシタ23を介して所定の直流出力電圧Voutに変換した後、負荷4に出力する。
制御回路10の誤差増幅器11は直流出力電圧Voutを所定の目標電圧Vtargetと比較して、比較結果の誤差電圧を電圧制御発振器(VCO)12に出力する。電圧制御発振器12は、入力される誤差電圧に応じて発振周波数を変化して発振信号を発生してスイッチング駆動回路13,14に出力する。各スイッチング駆動回路13,14は、入力される発振信号に応じてゲート制御信号G1~G6、G7~G12の周波数を変化させる。具体的には例えば、直流出力電圧Voutが目標電圧Vtargetよりも高くなり、誤差電圧がプラス方向で大きくなれば、発振信号の発振周波数を高くし、ゲート制御信号G1~G6、G7~G12の周波数を高くする一方、直流出力電圧Voutが目標電圧Vtargetよりも低くなり、誤差電圧がマイナス方向で大きくなれば、発振信号の発振周波数を低くし、ゲート制御信号G1~G6、G7~G12の周波数を低くする。
逆流検知回路15は本実施形態の特徴となる回路であって、入力電圧Vinを検出し、入力電圧Vinを所定の基準値Vrefと比較して、入力電圧Vinが基準値Vref以下となったことを検知したとき、駆動停止信号をスイッチング駆動回路14に出力する。スイッチング駆動回路14は、駆動停止信号に応答してゲート制御信号G7~G17の出力を停止する。なお、基準値Vrefは、実際に作成した電力変換装置において、逆流するときの入力電圧Vinの基準値を測定することにより予め設定される。なお、出願人が作成した試作機によれば、正常時の入力電圧Vinが400Vのとき、基準値Vrefは310Vであった。
次いで、前記逆流検知回路15の動作の意義について以下に説明する。
図4は図1の絶縁型DC/DCコンバータ3における課題及び動作を示す各電圧のタイミングチャートであり、図5は従来例の絶縁型DC/DCコンバータにおいて入力電圧が低下したときの電流波形図の一例である。また、実施形態1に係る絶縁型DC/DCコンバータ3において入力電圧が低下したときの電流波形図の一例である。
交流電源1の停電などの異常で電力供給が止まった場合、電力変換装置である絶縁型DC/DCコンバータ3の出力電圧Voutを所定の電圧に保持する必要があり、出力電圧の保持によりこの間に接続している負荷4の機器の誤動作防止制御やコンピュータのバックアップを行うことができる。
すなわち、例えば図4に示すように、停電により入力電圧Vinが低下したときに、一定時間出力電圧を図4の電圧Voutidealのように保持しないといけないが、実際は図4の電圧Voutrealのように異常時に入力電圧Vinが低下したときに、スイッチング素子Q7~Q12に逆流(図5のIq参照)が発生し、当該逆流により出力電圧Voutが下がっていき、図4に示すように保持時間Trealが理想時間Tidealより短くなる。本実施形態では、逆流発生条件である「入力電圧Vinが基準値Vref以下となったときにスイッチング駆動回路22のスイッチング素子Q7~Q12に対する駆動を停止する。これにより、スイッチング素子Q7~Q12において逆流は発生しなくなり(図6)、入力電圧Vinが低下しても逆流しない。
以上説明したように、本実施形態によれば、入力電圧Vinが所定の基準値Vref以下となったときに駆動停止信号Sstopを発生してスイッチング駆動回路14の駆動を停止する逆流検知回路15を備える。従って、交流電源1の停電などの異常で電力供給が止まった場合であっても、電力変換装置である絶縁型DC/DCコンバータ3の出力電圧Voutを、従来例よりも長い時間期間において、所定の電圧に保持するころができ、出力電圧の保持によりこの間に接続している負荷4の機器の誤動作防止制御やコンピュータのバックアップを行うことができる。
(実施形態1の変形例)
図7は実施形態1の変形例に係る絶縁型DC/DCコンバータ3における動作を示す各電圧及び信号を示すタイミングチャートである。
実施形態1では、入力電圧Vinが所定の基準値Vref以下となったときに駆動停止信号Sstopを発生してスイッチング駆動回路14の駆動を停止している。本発明はこれに限らず、入力電圧Vinが所定の基準値Vref以下となったときに、スイッチング回路22に対するゲート制御信号G7~G12のオン時間を通常動作時に比較して短くするように構成してもよい。この変形例は、実施形態1のみならず、後述する実施形態2~4に適用することができる。
この場合においても、交流電源1の停電などの異常で電力供給が止まった場合であっても、電力変換装置である絶縁型DC/DCコンバータ3の出力電圧Voutを、従来例よりも長い時間期間において、所定の電圧に保持するころができ、出力電圧の保持によりこの間に接続している負荷4の機器の誤動作防止制御やコンピュータのバックアップを行うことができる。
(実施形態2)
図8は実施形態2に係る電力変換装置の絶縁型DC/DCコンバータ3Aの構成例を示すブロック図である。実施形態2に係る絶縁型DC/DCコンバータ3Aは、図2の絶縁型DC/DCコンバータ3に比較して、以下の相違点を有する。
(1)図2の入力電圧Vinの電圧検出に代えて、スイッチング回路21から出力される高周波交流電圧V1,V2,V3により流れる高周波電流I1,I2,I3を検出する電圧検出器CS1,CS2,CS3を備える。
(2)図2の逆流検知回路15に代えて、逆流検知回路15Aを備える。逆流検知回路15Aは、電圧検出器CS1,CS2,CS3によりそれぞれ検出された電流I1,I2,I3の各周波数を、内蔵する周波数カウンタを用いて測定し、測定した電流I1の周波数f1、電流I2の周波数f2、電流I3の周波数f3のうちの少なくとも1つが、所定の基準周波数fref以下になったときに、駆動停止信号Sstopをスイッチング駆動回路14に出力する。
出願人が作成した試作機によれば、正常時の周波数f1,f2,f3が100kHzのとき、基準値frefは72kHzであった。
以上のように構成された実施形態2によれば、逆流検知回路15Aを備えることで、実施形態1と同様の作用効果を有する。
(実施形態3)
図9は実施形態3に係る電力変換装置の絶縁型DC/DCコンバータ3Bの構成例を示すブロック図である。実施形態3に係る絶縁型DC/DCコンバータ3Bは、図2の絶縁型DC/DCコンバータ3に比較して、以下の相違点を有する。
(1)図2の入力電圧Vinの電圧検出に代えて、スイッチング回路21から出力される高周波交流電圧V3により流れる高周波電流I3を検出する電圧検出器CSを備える。
(2)図2の逆流検知回路15に代えて、逆流検知回路15Bを備える。逆流検知回路15Bは、前記高周波交流電圧V3に対する、電圧検出器CSにより検出された電流I3の位相を検出し、検出した位相が、所定の基準値θRef以下になったときに、駆動停止信号Sstopをスイッチング駆動回路14に出力する。
なお、検出する電流及び高周波交流電圧は、電圧V1又はV2に係る電流及び電圧であってもよい。出願人が作成した試作機によれば、正常時の位相が45゜のとき、基準値θrefは30゜であった。
以上のように構成された実施形態3によれば、逆流検知回路15Bを備えることで、実施形態1と同様の作用効果を有する。
(変形例)
以上の実施形態においては、電流検出器CS,CS1~CS3を用いて、電流を検出しているが、本発明はこれに限らず、電流センサ又は電流検出ICを用いて電流を検出してもよい。
以上詳述したように、本発明によれば、逆流検知回路15,15A~15Cを備えることで、例えば絶縁型DC/DCコンバータなどの電力変換装置において、入力電圧の低下時であっても、逆流の発生を停止しかつ出力電圧を所定の電圧で保持することができる。
1 交流電源
2 PFC回路付きAC/DCコンバータ
3,3A,3B,3C 絶縁型DC/DCコンバータ
4 負荷
10,10A,10B,10C 制御回路
11 誤差増幅器
12 電圧制御発振器(VCO)
13,14,14C スイッチング駆動回路
15,15A、15B, 逆流検知回路
21,22 スイッチング回路
23 平滑キャパシタ
31~33 共振トランス回路
Cr1~Cr3 共振キャパシタ
CS,CS1~CS3 電流検出器
G1~G12 ゲート制御信号
L1~L13 インダクタ
Q1~Q12 スイッチング素子
TR1~TR3 絶縁トランス
(実施形態1)
図1は実施形態1に係る電力変換装置の構成例を示すブロック図である。図1において、電力変換装置は、PFC回路付きAC/DCコンバータ2と、絶縁型DC/DCコンバータ3とを備えて構成される。PFC回路付きAC/DCコンバータ2は、交流電1からの交流電圧を、PFC回路により力率を改善しながら所定の直流電圧に変換して絶縁型DC/DCコンバータ3に出力する。次いで、絶縁型DC/DCコンバータ3は、図2を参照して詳細後述するように共振トランス回路31,32,33を有し、入力される直流電圧Vinを交流電圧に変換した後、共振トランス回路31,32,33を介して得た交流電圧を所定の直流電圧Voutに変換して負荷4に出力する。

Claims (3)

  1. 共振トランス回路の1次側に設けられた第1のスイッチング回路と、前記共振トランス回路の2次側に設けられた第2のスイッチング回路を備え、前記第1のスイッチング回路により直流の入力電圧を交流電圧に変換した後、前記共振トランス回路を介して前記第2のスイッチング回路に送り、前記変換された交流電圧を直流の出力電圧に変換して出力する電力変換装置であって、
    前記出力電圧を検出して、前記出力電圧を所定の目標値に保持する制御回路を備え、
    前記制御回路は、
    (1)前記入力電圧が前記第2のスイッチング回路において逆流が発生する所定の基準値以下であることを検知すること、
    (2)前記第1のスイッチング回路からの出力電流が前記第2のスイッチング回路において逆流が発生する所定の基準値以下であることを検知すること、
    (3)前記第1のスイッチング回路からの出力電圧に対する出力電流の位相が前記第2のスイッチング回路において逆流が発生する所定の基準値以下であることを検知すること、
    (4)前記第1のスイッチング回路からの出力電流の周波数を測定し、測定した周波数が所定の基準周波数以下であることを検知すること、
    のいずれかであるときに、
    (A)前記第2のスイッチング回路に対する駆動を停止し、もしくは
    (B)前記第2のスイッチング回路に対する駆動信号の時間幅を正常時に比較して短縮することで、
    前記第2のスイッチング回路における逆流の発生を停止しかつ出力電圧を所定の電圧で保持することを特徴とする電力変換装置。
  2. 共振トランス回路の1次側に設けられた第1のスイッチング回路と、前記共振トランス回路の2次側に設けられた第2のスイッチング回路を備え、前記第1のスイッチング回路により直流の入力電圧を交流電圧に変換した後、前記共振トランス回路を介して前記第2のスイッチング回路に送り、前記変換された交流電圧を直流の出力電圧に変換して出力する電力変換装置の制御回路であって、
    前記制御回路は、前記出力電圧を検出して、前記出力電圧を所定の目標値に保持し、
    前記制御回路は、
    (1)前記入力電圧が前記第2のスイッチング回路において逆流が発生する所定の基準値以下であることを検知すること、
    (2)前記第1のスイッチング回路からの出力電流が前記第2のスイッチング回路において逆流が発生する所定の基準値以下であることを検知すること、
    (3)前記第1のスイッチング回路からの出力電圧に対する出力電流の位相が前記第2のスイッチング回路において逆流が発生する所定の基準値以下であることを検知すること、
    (4)前記第1のスイッチング回路からの出力電流の周波数を測定し、測定した周波数が所定の基準周波数以下であることを検知すること、
    のいずれかであるときに、
    (A)前記第2のスイッチング回路に対する駆動を停止し、もしくは
    (B)前記第2のスイッチング回路に対する駆動信号の時間幅を正常時に比較して短縮することで、
    前記第2のスイッチング回路における逆流の発生を停止しかつ出力電圧を所定の電圧で保持することを特徴とする電力変換装置の制御回路。
  3. 共振トランス回路の1次側に設けられた第1のスイッチング回路と、前記共振トランス回路の2次側に設けられた第2のスイッチング回路を備え、前記第1のスイッチング回路により直流の入力電圧を交流電圧に変換した後、前記共振トランス回路を介して前記第2のスイッチング回路に送り、前記変換された交流電圧を直流の出力電圧に変換して出力する電力変換装置の制御方法であって、
    前記電力変換装置は、前記出力電圧を検出して、前記出力電圧を所定の目標値に保持する制御回路を備え、
    前記制御方法は、前記制御回路が、
    (1)前記入力電圧が前記第2のスイッチング回路において逆流が発生する所定の基準値以下であることを検知すること、
    (2)前記第1のスイッチング回路からの出力電流が前記第2のスイッチング回路において逆流が発生する所定の基準値以下であることを検知すること、
    (3)前記第1のスイッチング回路からの出力電圧に対する出力電流の位相が前記第2のスイッチング回路において逆流が発生する所定の基準値以下であることを検知すること、
    (4)前記第1のスイッチング回路からの出力電流の周波数を測定し、測定した周波数が所定の基準周波数以下であることを検知すること、
    のいずれかであるときに、
    (A)前記第2のスイッチング回路に対する駆動を停止し、もしくは
    (B)前記第2のスイッチング回路に対する駆動信号の時間幅を正常時に比較して短縮することで、
    前記第2のスイッチング回路における逆流の発生を停止しかつ出力電圧を所定の電圧で保持するステップを含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
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