JP2022182239A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】デューティー比により電流値を補正することで、取得する電流の周波数成分の違いから発生する電流検出誤差を抑制する電力変換装置を得る。
【解決手段】半導体スイッチング素子１７ａ～１７ｄを有した電力変換回路１００と、電力変換回路１００の入力電流を電圧に変換して検出するためのカレントトランス１１と、カレントトランス１１の二次側の出力を平滑する平滑回路と、平滑回路の出力電圧を入力として半導体スイッチング素子１７ａ～１７ｄを駆動する信号を制御する制御部２００を有する電力変換装置において、制御部２００は半導体スイッチング素子１７ａ～１７ｄの駆動信号のデューティー比により平滑回路の出力電圧を補正する。
【選択図】図１

Description

本願は、電力変換装置に関するものである。

ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）あるいは電気自動車（ＥＶ）等に搭載される電力変換装置には小型化・低コスト化が求められる。
入力電力に基づいて出力電力を制御する車載電力変換装置においては、小型・低コスト化を目的として電流検出のためにカレントトランス（ＣＴ）が用いられる。カレントトランスの使用においては、検出される電流値が実際の電流値と乖離する場合がある。そこで、例えば、下記特許文献１には、カレントトランスを使用した電流検出回路において、検出電流による誤差を電解効果トランジスタ（ＦＥＴ）で修正する技術が開示されている。

特開２０１４－１１９３５４号公報

カレントトランスを介して電圧変換された電流値を読み取るために、通常、例えばマイクロコンピューターに組み合わされる高速ＡＤ変換器の使用を避けるため、カレントトランスの後段にフィルタ抵抗およびフィルタコンデンサで構成された平滑回路を設け、この平滑回路で平滑化された電圧をマイクロコンピューターで読み取る。しかしながら、上記技術は、この平滑フィルタにより抽出される周波数成分の違いから発生する電流検出誤差は考慮出来ておらず、誤差は依然として発生する。例えば、デューティー比が狭小の時、全体的な入力電流の高周波成分が増加し、ＡＤ変換を目的とした平滑回路によるフィルタ処理後の検出電圧値が減少する傾向にあった。

本願は上記のような問題点を解決するためのものであり、電力変換回路の半導体スィッチング素子を駆動する駆動信号のデューティー比により電流値を補正することで、取得する電流の周波数成分の違いから発生する検出誤差を抑制する電力変換装置を得ることを目的とする。

本願に開示される電力変換装置は、半導体スイッチング素子を有した電力変換回路と、電力変換回路の入力電流を電圧に変換して検出するためのカレントトランスと、カレントトランスの二次側の出力を平滑する平滑回路と、平滑回路の出力電圧を入力として半導体スイッチング素子を駆動する信号を制御する制御部を有する電力変換装置において、制御部は半導体スイッチング素子の駆動信号のデューティー比により平滑回路の出力電圧を補正する。

本願の電力変換装置によれば、正確な電流値を検出可能な電力変換装置を実現できる。

実施の形態１に係る電力変換装置の回路構成を示す図である。 実施の形態１に係る電力変換装置における入力電流の周波数スペクトル例を示す図である。 実施の形態１に係る電力変換装置における入力電流と平滑回路の出力電圧との相関関係を示す図である。 実施の形態に係る電力変換装置における制御部のハードウェア構成の一例を示す図である。

実施の形態１．
以下、実施の形態１について説明する。
図１は、実施の形態１による電力変換装置１の一例を示すブロック図である。図１に示すように、カレントトランス１１、リセット抵抗１２、分圧抵抗１３、ダイオード１４、フィルタ抵抗１５、フィルタコンデンサ１６を有し、更に、カレントトランス１１の後段に接続された半導体スイッチング素子１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄと、トランス１８と、ダイオード１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄと、平滑リアクトル２０とで構成される電力変換回路１００を備えている。電力変換回路１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータを構成しており、半導体スイッチング素子１７ａ～１７ｄのそれぞれには制御ドライバ１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ、１０１ｄが接続されている。電力変換装置１の入力側にはセンサ回路３００が接続され、その出力側にはセンサ回路４００が接続されている。

制御ドライバ１０１ａ～１０１ｄは第１の制御部２００ａから出力された駆動信号Ｄｒａ、Ｄｒｂ、Ｄｒｃ、Ｄｒｄを受け、半導体スイッチング素子１７ａ～１７ｄを駆動する。半導体スイッチング素子１７ａ～１７ｄは、例えばＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）あるいはＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の自己消弧型半導体、ワイドバンドギャップ半導体でもよい。

制御部２００は、第１の制御部２００ａと第２の制御部２００ｂとに分離されており、第２の制御部２００ｂには記憶部２００ｃを有している。
一般的に、第１の制御部２００ａは、低コスト化のために、汎用ＩＣにて構成される。汎用ＩＣでは、例えば、出力側のセンサ回路４００により得た出力電圧値Ｖｏｕｔを、第２の制御部２００ｂからの出力電圧指令値Ｖ^＊に近づけるように半導体スイッチング素子１７ａ～１７ｄの駆動信号Ｄｒａ～Ｄｒｄのデューティー比を制御する。

第１の制御部２００ａによるＰＷＭ制御により、半導体スイッチング素子１７ａ～１７ｄを駆動する。第１の制御部２００ａは駆動信号Ｄｒａ～Ｄｒｄを生成する。駆動信号Ｄｒａ～Ｄｒｄは、制御ドライバ１０１ａ～１０１ｄを介して半導体スイッチング素子のゲートに接続されている。また、第２の制御部２００ｂは、例えば、入出力電圧の過電圧検知のために、センサ回路３００で検出された入力電圧値Ｖｉｎおよびセンサ回路４００で検出された出力電圧値Ｖｏｕｔもモニタする。第２の制御部２００ｂは、例えばマイクロコンピューターである。

カレントトランス１１の電流は、分圧抵抗１３を介して電圧に変換され、フィルタ抵抗１５及びフィルタコンデンサ１６のフィルタ素子で構成された平滑回路を介して平滑化され、第２の制御部２００ｂに入力される。平滑回路によるフィルタ処理で平滑されることにより、第２の制御部２００ｂは、高速のＡＤ変換器が必要なく、低コスト化できる。第２の制御部２００ｂは、フィルタ抵抗１５及びフィルタコンデンサ１６を介して出力された電圧を、カレントトランス１１の電流値に変換し、電力変換装置１の外部へ出力する。

第２の制御部２００ｂは、平滑化された出力電圧を、カレントトランス１１の電流値に変換する際に補正をするための係数を記憶する記憶部２００ｃを具備している。

以下では、半導体スイッチング素子１７ａ～１７ｄの駆動信号Ｄｒａ～Ｄｒｄのデューティー比に対しての検出電流の補正の仕方について説明する。第２の制御部２００ｂで検出されたデューティー比が予め定められたデューティー比よりも狭小の時、検出された入力電流に対して増加させる補正を行う。デューティー比が狭小の時、入力電流は高周波成分を多く持つことになる。しかしながら、平滑回路を構成するフィルタ抵抗１５およびフィルタコンデンサ１６を介してＡＤ変換された検出入力電流値は高周波成分がカットされる（図２参照）。デューティー比狭小時、高周波の電流成分が支配的である。

検出入力電流値は、カットオフ周波数ｆｃ以下におけるスペクトルの２乗和に等しいため、検出入力電流値としては真の入力電流よりも小さい値として出力される。そこで、前述の補正により、フィルタ抵抗１５およびフィルタコンデンサ１６を介して平滑された入力電流の高周波成分を補うことで、デューティー比が狭小の時に入力電流が減少傾向に検出された問題を解決できる。

以下では、現在のデューティー比と最大デューティー比の比率を使用した検出電流の補正について説明する。入力電流値によってデューティー比が変動する一方で、入力電流の周波数成分量は、入力電流の実効値に比例するため、フィルタ抵抗１５とフィルタコンデンサ１６により削減される電流成分量はデューティー比に依存せずに一定である（図３参照）。従って、デューティー比が最大の場合との比にて補正する。

具体的には、デューティー比を最小値から最大値まで変動させた際の真の入力電流とフィルタ抵抗１５及びフィルタコンデンサ１６からなる平滑回路の出力電圧とを予め取得し、真の入力電流と前述の平滑回路の出力電圧の相関を記憶部２００ｃに記憶する。下記の式（１）に基づき、前述した方法で取得した現在のデューティー比と最大デューティー比の比率をゲインとし、平滑回路の出力電圧に本ゲインを乗算することで入力電流の検出値を補正する。
Ｖ＿ｆｌａｔ＿ｒｅａｌ＝Ｖ＿ｆｌａｔ×（ｄｕｔｙ＿ｌａｒｇｅ／ｄｕｔｙ）・・・・・（１）
上記の式（１）において、Ｖ＿ｆｌａｔ＿ｒｅａｌは真の入力電流の平滑回路の出力電圧を、Ｖ＿ｆｌａｔはデューティー比が狭小の時の平滑回路の出力電圧を、ｄｕｔｙは現在のデューティー比を、ｄｕｔｙ＿ｌａｒｇｅは最大デューティー比を示す。

以下に第２の制御部２００ｂにおけるデューティー比を測定する方法を述べる。第２の制御部２００ｂは検出された入力電圧値Ｖｉｎおよび出力電圧値Ｖｏｕｔを基に、下記の式（２）により駆動信号Ｄｒａ～Ｄｒｄのデューティー比を測定する。式（２）において、ｄｕｔｙは駆動信号Ｄｒａ～Ｄｒｄのデューティー比を、Ｖｉｎは入力電圧値を、Ｖｏｕｔは出力電圧値を示す。
ｄｕｔｙ＝１－（Ｖｉｎ／Ｖｏｕｔ）・・・・・（２）
第２の制御部２００ｂにおいて上記のようにデューティー比を測定することで、既存の検出用の回路を流用することで、デューティー比を算出するための追加部品の必要が無く、デューティー比を測定できる。

なお、本実施の形態では、デューティー比が広大な場合の時の真の入力電流と平滑回路の出力電圧との相関を基準としたが、デューティー比が狭小な場合の時の真の入力電流と平滑回路の出力電圧との相関を基準とし、検出されたデューティー比が広大な時に検出された入力電流に対して減少させる補正をかけてもよい。

本実施の形態における第１の制御部２００ａ、第２の制御部２００ｂ及び記憶部２００ｃを１つの制御部としてもよい。一般的に、デューティー比は、入出力電圧を使用した式（２）により算出されるのに加えて、回路部の電圧降下等により、出力電流が増加するに従い、大きくなる。そこで、第１の制御部２００ａ、第２の制御部２００ｂ及び記憶部２００ｃを１つの制御部とすれば、制御部２００において実際のデューティー比を知ることができるため、より精度の高い電流値の補正が可能となる。

即ち、制御部２００は、デューティー比を最小値から最大値まで変動させた際の真の入力電流と平滑回路の出力電圧とを予め取得し、真の入力電流と平滑回路の出力電圧の相関を記憶する記憶部２００ｃを有し、デューティー比が最大の場合に対する現在のデューティー比の比率をゲインとし、平滑回路の出力電圧に前記ゲインを乗算することで入力電流の検出値を補正する。

また、制御部２００は、デューティー比を最小値から最大値まで変動させた際の真の入力電流と平滑回路の出力電圧とを予め取得し、真の入力電流と平滑回路の出力電圧の相関を記憶する記憶部２００ｃを有し、デューティー比が最小の場合に対する現在のデューティー比の比率をゲインとし、平滑回路の出力電圧にゲインを乗算することで前記入力電流の検出値を補正する。

なお、実施の形態１では、電力変換回路１００としてフルブリッジＤＣ／ＤＣコンバータの例を示したが、この回路構成に限定するものではなく、ＡＤ変換に平滑回路を用いている構成であれば、ＬＬＣ方式又はハーフブリッジ型のＤＣ／ＤＣコンバータ等でもよい。

なお、制御部２００は、ハードウェアの一例を図４に示すように、プロセッサ２０１と記憶装置２０２から構成される。記憶装置２０２は、例えば、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２０１は、記憶装置２０２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２０１にプログラムが入力される。また、プロセッサ２０１は、演算結果等のデータを記憶装置２０２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 電力変換装置、１１ カレントトランス、１５ フィルタ抵抗、１６ フィルタコンデンサ、１７ａ～１７ｄ 半導体スイッチング素子、１００ 電力変換回路、２００ 制御部、２００ａ 第１の制御部、２００ｂ 第２の制御部、２００ｃ 記憶部

本願に開示される電力変換装置は、半導体スイッチング素子を有した電力変換回路と、電力変換回路の入力電流を電圧に変換して検出するためのカレントトランスと、カレントトランスの二次側の出力を平滑する平滑回路と、平滑回路の出力電圧を入力として半導体スイッチング素子を駆動する駆動信号を制御し、半導体スイッチング素子の駆動信号のデューティー比により平滑回路の出力電圧を補正する制御部を有する電力変換装置において、制御部は、デューティー比を最小値から最大値まで変動させた際の真の入力電流と平滑回路の出力電圧とを予め取得し、真の入力電流と平滑回路の出力電圧の相関を記憶した記憶部を有しており、
真の入力電流の平滑回路の出力電圧をＶ＿ｆｌａｔ＿ｒｅａｌとし、
デューティー比が狭小の時の平滑回路の出力電圧をＶ＿ｆｌａｔとし、
現在のデューティー比をｄｕｔｙとし、
最大デューティー比をｄｕｔｙ＿ｌａｒｇｅとした場合、下記の式（１）に基づき、

Ｖ＿ｆｌａｔ＿ｒｅａｌ＝Ｖ＿ｆｌａｔ×（ｄｕｔｙ＿ｌａｒｇｅ／ｄｕｔｙ）・・・・・（１）

現在のデューティー比と最大デューティー比の比率をゲインとし、平滑回路の出力電圧にゲインを乗算して入力電流に対して補正する。

Claims (8)

1. 半導体スイッチング素子を有した電力変換回路と、
   前記電力変換回路の入力電流を電圧に変換して検出するためのカレントトランスと、
   前記カレントトランスの二次側の出力を平滑する平滑回路と、
   前記平滑回路の出力電圧を入力として前記半導体スイッチング素子を駆動する駆動信号を制御する制御部を有する電力変換装置において、
   前記制御部は前記半導体スイッチング素子の前記駆動信号のデューティー比により前記平滑回路の出力電圧を補正することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御部は、前記デューティー比が予め定められたデューティー比よりも狭小である時に検出された前記入力電流を増加させる補正を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. 前記制御部は、予め定められた前記デューティー比に対して、現在の前記デューティー比が狭小である時、検出された前記入力電流に対して増加させる補正をすることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記制御部は、予め定められた前記デューティー比に対して、現在の前記デューティー比が広大である時、検出された前記入力電流に対して減少させる補正をすることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
5. 前記制御部は、前記デューティー比を最小値から最大値まで変動させた際の真の前記入力電流と前記平滑回路の出力電圧とを予め取得し、前記真の入力電流と前記平滑回路の出力電圧の相関を記憶する記憶部を有し、前記デューティー比が最大の場合に対する現在の前記デューティー比の比率をゲインとし、前記平滑回路の出力電圧に前記ゲインを乗算することで前記入力電流の検出値を補正することを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
6. 前記制御部は、前記デューティー比を最小値から最大値まで変動させた際の真の前記入力電流と前記平滑回路の出力電圧とを予め取得し、前記真の入力電流と前記平滑回路の出力電圧の相関を記憶する記憶部を有し、前記デューティー比が最小の場合に対する現在の前記デューティー比の比率をゲインとし、前記平滑回路の出力電圧に前記ゲインを乗算することで前記入力電流の検出値を補正することを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
7. 前記電力変換回路の入力電圧を検出する入力側のセンサ回路、前記電力変換回路の出力側の出力電圧を検出する出力側のセンサ回路を有し、
   前記制御部は前記センサ回路により検出した入力電圧及び出力電圧から前記半導体スイッチング素子の駆動信号のデューティー比を算出し、前記デューティー比により前記平滑回路の出力電圧を補正することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
8. 前記制御部は、前記半導体スイッチング素子を駆動する第１の制御部と前記入力電流を取得する第２の制御部とに分離していることを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。

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