JP3349213B2 - 自制式変換装置の制御回路 - Google Patents

自制式変換装置の制御回路

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JP3349213B2
JP3349213B2 JP23541793A JP23541793A JP3349213B2 JP 3349213 B2 JP3349213 B2 JP 3349213B2 JP 23541793 A JP23541793 A JP 23541793A JP 23541793 A JP23541793 A JP 23541793A JP 3349213 B2 JP3349213 B2 JP 3349213B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、共振形DC−DCコン
バータを複数台使用する電源装置,複数台の共振形イン
バータを並列運転するモータ駆動装置など、2台の自制
式変換器を同期・同調運転する広い分野に適用される自
制式変換装置の制御回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】スイッチング素子のオンオフ動作により
電力変換を行う半導体電力変換器には、スイッチング素
子のオン指令信号やオフ指令信号が外部の発振器などか
ら与えられ、したがって動作周波数がこの発振器により
一義的に定まってしまう他制式と、オンオフ指令信号が
自己の回路状態に応じて発生される自制式とがある。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】自制式変換器において
は、電源電圧変動や負荷変動により回路状態が大きく変
化して、動作周波数も大巾に変動するが一般的である。
一方、電力変換器は大容量化,電圧・電流波形の低リッ
プル化,低高調波化等を図るため、複数台を同調運転す
ることが広く行われている。この場合、それぞれの変換
器の動作周波数が異なるとビート現象などによる大巾な
攪乱などの発生があるため、動作周波数は完全に一致さ
せる必要がある。
【0004】他制式変換器では外部発振器などにより周
波数が定まるためこのような同調運転は容易に実現でき
るが、自制式変換器においては各変換器の回路状態によ
りそれぞれの動作周波数が定まっており、また運転状況
により大巾な周波数変動があるため、同調運転は非常に
難しいものとなっていた。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明はこのような点に
鑑みなされたものであり、その目的とするところは簡便
な構成により自制式変換器の同調運転を行い得る制御回
路を提供することにある。なお、説明の便宜上、2台の
自制式変換器の場合について述べるが、これにとらわれ
るものではなく、容易に3台以上の場合について拡張す
ることが可能である。さらに、自制式変換器の具体例と
して、電圧共振昇降圧形DC−DCコンバータを取りあ
げる。以下に、後述する図1を参照して説明する。
【0006】図1においては、 100, 300は変換器主回
路部である。ここで、変換器主回路部 100において、 1
01は直流電源、 102は共振コンデンサ、 103はバイポー
ラやFETなどの各種トランジスタも多用される自己消
弧形サイリスタで例示のスイッチング素子、 104はダン
パダイオードと言われる逆並列ダイオード、 105は共振
リアクトル、 106はトランス、 107は整流ダイオード、
108は平滑コンデンサ、 109は負荷である。
【0007】この回路の動作はよく知られており本発明
の主旨でなく詳述はしないが、スイッチング素子 103,
303のオンオフ動作により、直流電源 101, 301からト
ランス 106, 306を介して、整流ダイオード 107, 307
と平滑コンデンサ 108, 308で整流平滑されて負荷 10
9, 309へ電力が供給される。負荷 109, 309は個別に
示してあるが、同調運転される場合には、電力はトラン
ス 106, 306の2次側で合成され、同一負荷に供給され
る場合が多い。
【0008】図2は図1の変換器主回路部 100, 300の
各部動作波形を示したものであり、上段は変換器主回路
部 100のもの、下段は変換器主回路部 300のものであ
る。つぎに変換器主回路部 100を例にとり動作説明する
が、変換器主回路部 300についても同様である。
【0009】図2において、時刻T0 以前ではスイッチ
ング素子 103がオンしており、 直流電源 101の陽極→スイッチング素子 103→共振リア
クトル 105→トランス106 の1次巻線→直流電源 101の
陰極 のルートで電流が供給され、トランス 106の2次巻線に
は電流が流れていないものとする。時刻T0 においてス
イッチング素子 103に図示の如きオフ指令が与えられる
と、スイッチング素子 103はオフされてその電流は急速
に零となる。
【0010】このオフ指令信号は 103電流がある所定値
のピーク電流IPに達したこと、あるいはスイッチング
素子 103のオン時間がある所定値TONに達したことなど
の条件により発生され、IPやTONの調整により電力制
御が行なわれる。かようにオフ指令信号が発生されるタ
イミングは、変換器回路自から動作状態により決定さ
れ、外部より与えられるものではない。
【0011】時刻T0 にてスイッチング素子 103がオフ
されると、その電流は共振コンデンサ 102に転流し共振
リアクトル 105とともに直列共振回路を形成し、その電
圧は正弦波状の共振波形となる。時刻T1 になり 102電
圧がある値まで上昇すると、トランス 106の2次巻線電
圧が負荷電圧を越え、整流ダイオード 107に電流が流れ
て負荷側回路に電力を供給する。
【0012】この電流は時刻T3 において零となるが、
動作モードによっては、(T2 <T3 <T4 )ではな
く、(T3 <T2 )となったり(T4 <T3 )となった
り、各種形態をとる。時刻T2 において 102電圧が零と
なると、トランス 106の1次巻線電流方向は逆転し、ダ
ンパダイオード 104を流れるようになる。
【0013】時刻T4 においてこの電流も零となるが、
この時点においてスイッチング素子103にオン指令信号
を与えれば、スイッチング素子 103はこれ以後オン状態
となってその電流は上昇を始める。時刻T5 において電
流がIPに達するかオン時間がTONに達するかすると、
オフ指令信号が発生され、以下同様の動作を繰り返え
す。
【0014】そのオン指令信号を与えるタイミングは正
確に時刻T4 である必要はないが、時刻T4 以後あるい
は時刻T2 以前であると、 102電圧が零でなく短絡によ
る過電流が発生するため、時刻T2 以後時刻T4 以前と
する必要がある。このようにオフ指令信号だけでなくオ
ン指令信号のタイミングも回路動作に影響されるため、
周期(T=T5 −T0 )すなわち動作周波数Fsは一定
とはならない。変換器主回路部 300動作も同様である
が、図示例は変換器主回路部 100と 180度位相差をもっ
た場合で示してある。
【0015】しかして、図1にて構成部分 200〜 213に
よる制御手段をなすものであり、かかる構成につき実施
例にて詳細説明する。
【0016】
【作用】さらには、本作用の説明も実施例にて具体的に
詳述する。
【0017】
【実施例】以下、図1に基づいて説明する。図1におい
ては、 201, 209はそれぞれスイッチング素子 103, 3
03を駆動するためのゲートアンプであり、ゲートアンプ
201, 209は制御アンプ 202, 208よりオン指令信号 2
10, 212とオフ指令信号 211, 213を受けてそれぞれ素
子駆動する。
【0018】制御アンプ 202は必要に応じて各種の形態
を取り得るが、一例として図示せぬ負荷電圧の指令値と
負荷電圧,スイッチング素子電流の検出値を入力して所
定の演算を行い、負荷電圧が指令値と一致するようIP
なりTONを調整してオフ指令信号 211を発生する。オン
指令信号 210は、例えばダンパダイオード 104電流が負
から零になったことなどにより、発生する。制御アンプ
208はオン指令信号 212のみ発生し、変換器主回路部 3
00側のオフ指令信号は後述の位相同期回路より与えられ
る。
【0019】200がこの位相同期回路であり、位相同期
回路 200は位相検出器 203,ローパスフイルタ 206,電
圧制御発振器 207よりなる。また、 204はバイアス信号
発生器であり、バイアス信号発生器 204の出力が加算器
205により位相検出器 203出力と加算され、加算器 205
出力がローパスフイルタ 206へ与えられる。
【0020】位相同期回路 200自体の動作はいわゆるフ
ェーズロックループとして知られている。まず、バイア
ス信号発生器 204出力の電圧VBが零の場合について考
えると、位相検出器 203は2つの入力である変換器主回
路部 100のオフ指令信号 211と電圧制御発振器 207の出
力の位相を比較し、その位相差Δθに比例したパルス巾
をもつパルスを出力し、ローパスフイルタ 206にて直流
電圧VLに変換する。この部分の特性の一例を示すと図
3の如くである。
【0021】ここで、位相差Δθが零のとき直流電圧V
Lも零であるが、Δθの増加に伴ってVLも増加し、
(Δθ=π)で最高値V1 に達する。Δθがπを越える
と(VL=V1 )と急変し、以下、同様な特性の繰り返
しとなる。Δθの負領域でも同様である。
【0022】ローパスフイルタ 206出力の直流電圧は電
圧制御発振器 207にてこれに応じた周波数Fをもつ信号
に変換される。オフ指令信号 211の周波数Fsとし、い
ま(Fs>F)であったとすると、ΔθがすなわちVL
が増加して周波数Fを上昇させ、最終的は(Fs=F)
となるよう動作する。一度、(Fs=F)の状態となる
と、以後は多少Fsが変動してもFもこれに追随して
(Fs=F)の状態を保つ。
【0023】電圧制御発振器 207出力は位相検出器 203
の入力にフィードバックされると同時に、図1に示した
如く変換器主回路部 300のオフ指令信号としても用いら
れ、2台の変換器主回路部 100, 300のオフ指令信号は
完全に同期し、同一周波数で運転されるものとなる。な
お、オン指令信号は制御アンプ 202, 208にて別個に作
成されるため同一時刻となるとは限らないが、オフ時点
で2台の変換器が同期するため、必らず同一周波数運転
とすることができる。
【0024】つぎに、バイアス信号発生器 204出力のV
Bが零でない場合を考える。一般にローパスフイルタ 2
06には積分特性をもたせてあり、したがって定常的には
その入力は零となる。よって、VBが零でない場合、位
相検出器 203はこれを打ち消すパルス巾をもつパルスを
出力する必要があり、このため入力信号の位相差Δθも
零でではなく、VBに応じた値をもつようになる。
【0025】図3によりこの関係を説明すると、(Δθ
=θB)にて位相検出器 203はローパルスフイルタ出力
換算でVBに相当するパルス巾をもつ信号を出力するも
のとする。バイアス信号発生器 204がVBを出力した場
合Δθはこれを打ち消す(−VB)を発生すべく(−θ
B)となる。すなわち、2台の変換器主回路部 100, 3
00は(−θB)の位相差を保って運転されるようになっ
ている。バイアス信号発生器 204出力のVBを調整する
ことにより、この位相差を任意に変化することができ
る。
【0026】かように所定の位相差が零付近であれば図
3の特性でさしつかえないが、図2例の如き 180度位相
差で運転したい場合は、この点で特性が急変するため不
安定となる。180度位相差運転はリップルの低減を図る
ためしばし必要となることがある。このような場合には
位相検出器 203の入力信号の一方を 180度移相させて、
ローパスフイルタ 206出力までの特性を図4のようにす
ることで対処できる。かように図4にみられるように、
180度付近で特性急変がないため、安定動作が可能であ
る。
【0027】かくの如く、変換器主回路部 100は、制御
アンプ 202にてそのオフ指令信号の発生のタイミングを
調整し電力制御を行っているため、所望の変換器特性、
例えば高精度の負荷電圧制御などを行うことができる。
しかし、変換器主回路部 300においては、そのオフ指令
信号発生タイミングは変換器主回路部 100に支配されて
いるため、希望する特性が得られない場合も生じる。例
えば、負荷 309の電圧制御が行えないなどである。
【0028】負荷 109, 309が共通の場合でも、変換器
主回路部 100, 300の電力バランスがくずれることが考
えられる。このような場合には、制御アンプ 202への入
力信号を変換器主回路部 100, 300双方より取り、双方
の演算結果により変換器主回路部 100のオフ指令信号を
発生させることで、ある程度解決することができる。例
えば、負荷 109, 309の定電圧制御を行う場合、負荷 1
09電圧と負荷 309電圧の平均値を、指令値と一致させる
よう制御するなどである。
【0029】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、外
部信号によらず自らの回路状況によりその動作周波数が
定まる2台の自制式変換器を、位相同期回路を用いて完
全に同一周波数にて同期運転することができ、必要であ
れば任意の位相差をもたせて運転することも可能となる
装置を提供できる。
【0030】なお、自制式変換器の一例として半波電圧
共振昇降圧形DC−DCコンバータを取りあげて説明し
たが、この形式の変換器はスイッチング素子のオフ位置
により電力を制御し、オン位置には自由度がないためオ
フ位置が同期する例によるものとした。しかし、電流共
振形コンバータのようにオン位置により電力制御を行う
タイプの変換器もあり、その場合にはここで述べたもの
と同様の手段によりオン位置にて同期をとることも可能
である。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は本発明の技術思想の理解を容易にするた
め示した本発明の一実施例の要部構成を示す図である。
【図2】図2は図1回路の各部波形を示す図である。
【図3】図3は位相同期回路の一特性例を示す図であ
る。
【図4】図4は位相同期回路の別な特性例を示す図であ
る。
【符号の説明】
100 変換器主回路部 300 変換器主回路部 101 直流電源 102 共振コンデンサ 103 スイッチング素子 104 逆並列ダイオード 105 共振リアクトル 106 トランス 107 整流ダイオード 108 平滑コンデンサ 109 負荷 200 位相同期回路 201 ゲートアンプ 202 制御アンプ 203 位相検出器 204 バイアス信号発生器 206 ローパスフイルタ 207 電圧制御発振器 208 制御アンプ 209 ゲートアンプ 210 オン指令信号 211 オフ指令信号 212 オン指令信号 213 オフ指令信号
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI H02P 7/74 H02P 7/74 G

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 スイッチング素子のオンオフ動作により
    電力変換を行う第1の自制式変換器および第2の自制式
    変換器を具備する自制式変換装置において、前記第1の
    自制式変換器内スイッチング素子のオンオフ動作を指令
    するオン指令信号またはオフ指令信号を、位相検出器と
    ローパスフイルタと電圧制御発振器によりなる位相同期
    回路に入力するとともに、該位相同期回路の出力を前記
    第2の自制式変換器内スイッチング素子のオン指令信号
    またはオフ指令信号とすることを特徴とする自制式変換
    装置の制御回路。
  2. 【請求項2】 前記位相同期回路のローパスフイルタ入
    力にバイアス信号を与えることを特徴とする請求項1記
    載の自制式変換装置の制御回路。
  3. 【請求項3】 前記第1の自制式変換器のオン指令信号
    またはオフ指令信号の発生条件を、前記第1の自制式変
    換器と第2の自制式変換器双方の状態に関連づけたこと
    を特徴とする請求項1記載の自制式変換装置の制御回
    路。
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