JP4718598B2 - 電力変換装置及び方法並びに三角波発生回路 - Google Patents
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Description
図34に、この種の従来の電力変換装置200の構成を示す。同図において、コイル100は発電機のコイルであり、この発電機の回転軸が駆動されることによりコイル100に交流電力が誘導される。サイリスタ201、抵抗202、ダイオード203、ツェナーダイオード204,205、ダイオード206は、本電力変換装置200を構成し、基本的には半波整流回路として実現されている。
図35Aは、発電機の回転数が低い場合を示し、図35Bは、発電機の回転数が高い場合を示す。なお、説明の便宜上、バッテリ300の端子電圧の初期値は目標電圧VTよりも低いものとする。
このように、出力電圧VOが目標電圧VTを下回った場合に、交流電圧VAの正相の期間にサイリスタ201がオン状態になってバッテリ300を充電する。
しかしながら、この従来装置によれば、実効値Vrmsが低いので、負荷として接続された電子機器が動作しないという問題がある。または、発電機の出力をグランドに短絡するので、電力変換効率が低下するという問題がある。
上記電力変換装置において、前記三角波の波高値をHとし、前記増幅回路の増幅率をMとし、前記目標電圧をVTとし、前記スイッチ部を介して前記負荷に供給される電圧の制御幅をWとすると、Wは、VTからVT+(H/M)の範囲の値であることを特徴とする。
図1に、本実施形態に係る電力変換装置1000の構成を示す。図1において、前述の図34に示す従来装置の構成要素と共通する要素には同一符号を付す。
ゲート制御部1100は、サイリスタ201の導通を制御するものであり、電圧変換回路1110、基準電圧発生回路1120、差動回路1130、増幅回路1140、三角波発生回路1150、比較回路1160から構成される。ここで、電圧変換回路1110は、上記接続点Pに現れる電圧VRを、その実効値または平均値を表す電圧VR’に変換するものであり、その入力部には上記接続点Pが接続されると共に、その出力部は差動回路1130の一方の入力部に接続される。この電圧VR’は、上記バッテリ300に供給される出力電圧VOに対応しており、出力電圧VOの検出値として取り扱われる。
電圧VRの実効値および平均値を生成するための構成としては公知技術を利用できる。
図3Aは発電機の回転数が低い場合を示し、図3Bは発電機の回転数が高い場合を示すが、ここでは、初期状態で発電機の回転が停止した状態にあるものとし、この初期状態から順に説明する。
一般には発電機が出力する交流電圧の周波数は急激に変化しないので、1サイクル前の波形と現在のサイクルの波形はほとんど同じと考えることができる。例えば、図4において、波形2が現在のサイクルの波形だとすれば、波形2の半周期T2と、その1サイクル前の波形1の半周期T1とはほとんど同じである。
(手順1) 図4に示すように、波形1のサイクルにおいて、発電機が出力する交流電圧VAから方形波Sを生成する。この波形1に対応する方形波Sの半周期は、波形1のサイクルにおける交流電圧VAの半周期T1と一致する。
(手順2) 続いて、方形波Sの半周期T1の時間をカウントする。
(手順4) 続いて、三角波電圧VBのピーク電圧Vpを所定の分解能nで除算して、電圧v1(=Vp/n)を得る。
(手順5) 続いて、図5に示すように、次のサイクルの波形2の立ち上がりタイミング(T2をカウントし始めるタイミング)で、上記電圧v1だけ三角波電圧VBを上昇させ、この三角波電圧VBを上記時間t1の間だけ維持する。
以上の手順により、1サイクル前の交流電圧VAの波形を用いて、交流電圧VAの各周期に対応した三角波電圧であって、ピーク電圧Vpが一定の電圧波形を生成する。
図6Aは、増幅回路1140の増幅度である倍率係数Mを「1」とした場合の三角波電圧VBと差分電圧VD’(=VD)との相対的な関係を示している。図6Aにおいて、区間W1は、三角波電圧VBが差分電圧VD’を上回る期間、即ちサイリスタ201がオン状態に制御される期間を示す。また、図6Bは、倍率係数Mを「2」に設定した場合の三角波電圧VBと差分電圧VD’(=2×VD)との相対的な関係を示している。図6Bに示すように倍率係数Mを「2」に設定して差分電圧VDを2倍に増幅すると、図6Aに示す区間W1と比較して、サイリスタ201のオン状態に対応する区間W2の変動量が2倍になり、これにより、出力電圧VOの変動量に対してパルス信号VSCRの応答量(感度)が2倍になる。
図7に示す電力変換装置2070は、ランプLを負荷としてオープン制御するように構成したものであり、サイリスタ2071とゲート制御部2072から構成される。ここで、サイリスタ2071のアノードはランプLに接続され、そのカソードは発電機のコイル100に接続されている。これにより、結果的には、発電機が出力する交流電圧VAの負相の各周期において、サイリスタ2073の導通が制御されることになる。
例えば、図1ないし図6を参照した実施形態では、発電機から出力される交流電力の正相成分についてのみサイリスタ201を介して負荷に供給するものとし、発電機の出力を半波整流する場合を説明したが、これに限定されることなく、発電機から出力された交流電力の負相成分について同様に半波整流することにより、全波整流するように構成することもできる。
また、図1ないし図6を参照した実施形態では、負荷に供給するサイリスタ201のターンオンのタイミングを制御するように構成したが、負荷に供給しないで、発電機を短絡させるサイリスタのターンオンのタイミングを制御するように構成してもよい。
更に、図1ないし図6を参照した実施形態では、電圧変換回路1110を設けたが、直流を制御する場合にはこれを省略することができる。
本実施形態は、実施形態1に係る電力変換装置1000において、ゲート制御部1100の構成をさらに改良した例である。
図17に示す例でも、左端が発電機の発電開始タイミングである。発電機の発電が開始されると、三角波発生回路1150への交流電圧VAの入力が開始される。スタート回路1240はこれを検出し、リミット電圧発生回路1220にリミット電圧VLの出力を開始させる。
本実施形態は、実施形態2に係るゲート制御部1100の変形例である。
図19に示す例でも、左端が発電機の発電開始タイミングである。発電機の発電が開始されると、三角波発生回路1150への交流電圧VAの入力が開始される。スタート回路1240はこれを検出し、リミット電圧発生回路1220にリミット電圧VLの出力を開始させる。
リミット電圧発生回路1220から出力されるリミット電圧VLの電圧値は、上述したように、次第に低下する。初めのうち、リミット電圧VLが十分大きな値となるように設計すれば、出力電圧VOが一気に上昇してしまうことが防止される。一方で、リミット電圧VLが低下するに従い、電圧VD’がリミット電圧VLを上回りやすくなるので、例えばバッテリ300が古いなどの理由により、出力電圧VOがなかなか大きくならない場合であっても、適切に出力電圧VOを上昇させることができるようになる。
本実施形態は、実施形態2に係る電力変換装置1000において、ゲート制御部1100の構成をさらに改良した例である。
図22に示すように、バッテリが外れると、交流電圧VAの負サイクルで、出力電圧VOが0になる。バッテリ外れ検出回路1260は、この状態を検出する。そして、上述したようにして、リミット電圧VLを作動させる。リミット電圧VLは充電時間の上限値を規制するものであり、図22にも示されるように、これらの処理によって充電時間が長くなることが防止される。
本実施形態は、実施形態4と同様、バッテリ300が外れたことによって充電時間が長くなることを防止するものであるが、実施形態4とは異なり、目標電圧VTを下げることによってこれを実現する。以下、詳細に説明する。
本実施形態は、実施形態1に係る電力変換装置1000における三角波発生回路1150の変形例である。
ここで、一般に、コンデンサ(静電容量C)の充電電流Iと、その端子間電圧V(t)との間には、式(1)の関係がある。ただし、tは充電時間である。
定電流源11502は、式(3)により得られる一定の電流値IDの電流を発生し、スイッチSW3の一端に流す。
ところで、コンデンサC2の端子間電圧V2は、充電時間がT2時間であるとすると、式(1)〜式(4)を用いて、次の式(5)で表される。
図28は、発電機が発電を開始した直後から交流電圧VA6周期分のコンデンサC1の両端にかかる電圧の波形(C1電圧波形)及びコンデンサC2の両端にかかる電圧の波形(C2電圧波形)を示している。また、同図に示す矩形波電圧VA’は、交流電圧VAが正の値のときにハイレベル、交流電圧VAが負の値のときにローレベルを取るものであり、説明のために仮想的に導入したものである。
本実施形態は、実施形態1に係る電力変換装置1000を三相全波整流を行う回路に適用した例である。
まず、比較回路1160−Uが出力したパルス信号VSCR−Uは、パワーMOSFETQ1のゲートに入力される。パワーMOSFETQ1は、ゲートに入力されるパルス信号VSCR−Uがハイレベルである場合のみ、ソースとドレイン間を導通させる。パワーMOSFETQ1のソースには交流電圧VA−Uが入力されているので、パルス信号VSCR−Uがハイレベルである場合のみ、パワーMOSFETQ1を通して、バッテリ300及び負荷303のプラス端に交流電圧VA−Uが印加される。図31の4段目には、このとき印加される交流電圧VA−Uが示されている。
Claims (13)
- 発電機から出力された交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置であって、
前記発電機の出力部と前記負荷との間に接続されたスイッチ部と、
前記スイッチ部の導通状態を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記発電機から出力された1サイクル前の交流電圧の波形を用いて、該交流電圧の各周期に対応しピーク電圧が一定の三角波電圧を生成する三角波発生回路と、
前記スイッチ部を介して前記負荷に供給される電圧の実効値または平均値を表す電圧と所定の目標電圧とを入力してこれらの差分電圧を生成する差動回路と、
前記差動回路により生成された前記差分電圧と前記三角波電圧とを比較し、該比較の結果に基づき前記スイッチ部の導通タイミングを規定するパルス信号を生成して該スイッチ部に供給し、前記スイッチ部の導通状態を制御する比較回路と、
を備える、
電力変換装置。 - 前記制御部は、
所定電圧を発生する電圧発生回路と、
前記電圧発生回路により発生された所定電圧と、前記差動回路により生成された差分電圧と、の大小関係に基づき、前記所定電圧と前記差分電圧とのいずれかを選択して前記比較回路に出力する選択回路と、
を備え、
前記比較回路は、前記選択回路から入力された所定電圧又は差分電圧と、前記三角波電圧と、を比較し、該比較の結果に基づき前記スイッチ部の導通タイミングを規定するパルス信号を生成して該スイッチ部に供給する、
請求項1記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、
クロック数をカウントし、カウント結果がしきい値を上回った場合に、前記差動回路により生成された差分電圧を出力するよう、前記選択回路の出力を制御するカウンタ回路、
を備える、
請求項2記載の電力変換装置。 - 前記電圧発生回路はコンデンサと抵抗を含むCR回路を含み、前記コンデンサに蓄積された電荷の放電により、前記所定電圧を発生する、
請求項2記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、
前記発電機から出力される交流電力と、前記スイッチ部の出力と、に基づき前記負荷の外れを検出し、前記負荷の外れを検出した場合に、前記電圧発生回路により発生された所定電圧を出力するよう、前記選択回路の出力を制御する負荷外れ検出回路、
を備える、
請求項2ないし4の何れか1項記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、
前記発電機から出力される交流電力と、前記スイッチ部の出力と、に基づき前記負荷の外れを検出し、前記負荷の外れを検出した場合に、前記所定の目標電圧の電圧値を下げるための処理を行う負荷外れ検出回路、
を備える、
請求項1ないし4の何れか1項記載の電力変換装置。 - 前記差分電圧を増幅して前記比較回路に供給する増幅回路を更に備えた請求項1ないし6の何れか1項記載の電力変換装置。
- 前記三角波の波高値をHとし、前記増幅回路の増幅率をMとし、前記目標電圧をVTとし、前記スイッチ部を介して前記負荷に供給される電圧の制御幅をWとすると、
Wは、VTからVT+(H/M)の範囲の値である請求項7記載の電力変換装置。 - 前記三角波発生回路は、
前記発電機が出力する第1サイクルの交流電圧波形の半周期の時間をカウントするカウンタ部と、
前記カウンタ部によるカウント数を所定値で除算する除算部と、
前記第1サイクル後の第2サイクルにおいて、前記第1サイクルでの前記除算部の除算結果で示される時間の経過ごとに所定電圧分だけ上昇する階段状の電圧波形を生成する波形生成部とを備え、
前記階段状の電圧波形を前記三角波電圧の波形として出力する請求項1ないし8の何れか1項記載の電力変換装置。 - 前記三角波発生回路は、
前記発電機が出力する交流電圧が正サイクル又は負サイクルである間、所定電流値の定電流によって第1のコンデンサを充電する第1の充電部と、
前記サイクル終了後の前記第1のコンデンサの端子間電圧に応じた電流値の定電流によって第2のコンデンサを充電する第2の充電部と、
を更に備えることで、
前記第2の充電部による充電を、前記交流電圧のサイクル又は前記第2のコンデンサの端子間電圧に基づいて終了させ、
前記第2のコンデンサの端子間電圧を、前記三角波電圧の波形として出力する、
請求項1ないし8の何れか1項記載の電力変換装置。 - 発電機から出力された三相交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置であって、
前記発電機の各相出力部と前記負荷の各端との間にそれぞれ接続された複数のスイッチ部と、
前記発電機から出力された各相の交流電力の各周期に対応し、かつピーク電圧が一定の三角波電圧を相ごとに生成すると共に、前記スイッチ部を介して前記負荷に供給される電圧と所定の目標電圧との差分電圧を生成し、相ごとに、他の相について生成された前記三角波電圧と、前記差分電圧と、に基づき該相出力部に接続された前記各スイッチ部の導通状態を制御する制御部と、
を備える電力変換装置。 - 前記制御部は、
前記発電機から出力されたW相の交流電力の各周期に対応し、かつピーク電圧が一定のW相三角波電圧を生成すると共に、前記スイッチ部を介して前記負荷に供給される電圧と所定の目標電圧との差分電圧を生成し、生成された前記W相三角波電圧と、前記差分電圧と、に基づきU相出力部に接続された前記各スイッチ部の導通状態を制御し、
前記発電機から出力されたU相の交流電力の各周期に対応し、かつピーク電圧が一定のU相三角波電圧を生成すると共に、前記スイッチ部を介して前記負荷に供給される電圧と所定の目標電圧との差分電圧を生成し、生成された前記U相三角波電圧と、前記差分電圧と、に基づきV相出力部に接続された前記各スイッチ部の導通状態を制御し、
前記発電機から出力されたV相の交流電力の各周期に対応し、かつピーク電圧が一定のV相三角波電圧を生成すると共に、前記スイッチ部を介して前記負荷に供給される電圧と所定の目標電圧との差分電圧を生成し、生成された前記V相三角波電圧と、前記差分電圧と、に基づきW相出力部に接続された前記各スイッチ部の導通状態を制御する、
請求項11記載の電力変換装置。 - 発電機から出力された交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置においてスイッチ素子の導通を制御するための三角波電圧を生成する三角波発生回路であって、
前記発電機が出力する交流電圧が正サイクル又は負サイクルである間、所定電流値の定電流によって第1のコンデンサを充電する第1の充電部と、
前記サイクル終了後の前記第1のコンデンサの端子間電圧に応じた電流値の定電流によって第2のコンデンサを充電する第2の充電部と、
前記第2の充電部による充電を、前記交流電圧のサイクル又は前記第2のコンデンサの端子間電圧に基づいて終了させる制御部と、
を備え、
前記第2のコンデンサの端子間電圧を、前記三角波電圧の波形として出力する、
三角波発生回路。
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