JP5191270B2 - Deadband compensation method and compensation device - Google Patents

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    • H02M3/1582Buck-boost converters

Description

本発明は、産業用充放電システムなどに使用するフルブリッジ形四象限チョッパにおいてデッドタイムを原因とする電圧変換率設定不能領域すなわちデッドバンドを解消する補償方法と装置に関する。   The present invention relates to a compensation method and apparatus for eliminating a voltage conversion rate unsettable region, that is, a dead band caused by a dead time in a full-bridge four-quadrant chopper used in an industrial charge / discharge system or the like.

2つの直流回路間の電力変換、蓄電設備の充放電や電力供給、電池駆動車両の駆動と回生、などには、順方向の電力フローばかりでなく逆方向の電力フローが必要となる。このような機能を備えたものに図1に示すパルス幅変調(PWM)方式の四象限チョッパがある。
図示した四象限チョッパは、半導体スイッチデバイスにダイオードを逆並列に接続したアームを2個直列に接続して形成するレグを、入力側と出力側の2カ所でそれぞれ直流回路と接地回路の間に設けて、両レグのアーム接続点の間にリアクトルを接続して形成したフルブリッジ形の四象限チョッパである。
なお、半導体スイッチデバイスには例えばIGBTやトランジスタなどがある。
For power conversion between two DC circuits, charging / discharging and power supply of power storage equipment, driving and regeneration of a battery-powered vehicle, not only forward power flow but also reverse power flow is required. A pulse width modulation (PWM) four-quadrant chopper shown in FIG. 1 is provided with such a function.
The four-quadrant chopper shown in the figure has a leg formed by connecting in series two arms each having a diode connected to a semiconductor switch device in antiparallel, between the DC circuit and the ground circuit at two locations on the input side and the output side, respectively. A full-bridge four-quadrant chopper formed by connecting a reactor between the arm connection points of both legs.
The semiconductor switch device includes, for example, an IGBT and a transistor.

入力側と出力側のレグの通流率を調整することにより入力電圧と出力電圧の比率、電圧変換率を1を挟んだ大幅な範囲で設定することができる。
たとえば、図中、入力側レグの上アームのトランジスタS1をオンにし下アームのトランジスタS2をオフにして、出力側レグの上アームトランジスタS3と下アームトランジスタS4の通流率を調整することにより、昇圧領域における電圧変換率が調整できる。一方、S3をオンにしS4をオフにしてS1,S2の通流率を調整することにより降圧領域における電圧変換率が調整できる。
The ratio of the input voltage to the output voltage and the voltage conversion rate can be set within a wide range by sandwiching 1 by adjusting the conduction ratio of the input and output legs.
For example, in the figure, by turning on the transistor S1 in the upper arm of the input side leg and turning off the transistor S2 in the lower arm, and adjusting the flow rate of the upper arm transistor S3 and the lower arm transistor S4 in the output side leg, The voltage conversion rate in the boost region can be adjusted. On the other hand, the voltage conversion rate in the step-down region can be adjusted by turning on S3 and turning off S4 and adjusting the flow rates of S1 and S2.

ただし、直流回路の短絡を防止するため、レグ内で上アームと下アームのスイッチの両方を同時にオンにすることは避けなければならない。すなわち、一方のスイッチがターンオフしてから相手方のスイッチをターンオンすることが必要であり、このため、いずれのスイッチもオフとするデッドタイムを持たせて、安全を確保する。また、実際の素子は製造上のばらつきや周囲条件に基づく性能上のバラツキがあるので、デッドタイムもそれに応じて適度の余裕を持たせる必要があり、このため余り短くすることができない。   However, to prevent a short circuit in the DC circuit, it must be avoided to turn on both the upper arm and lower arm switches simultaneously in the leg. That is, it is necessary to turn on the other party's switch after one of the switches is turned off. For this reason, a dead time for turning off either switch is provided to ensure safety. In addition, since actual devices have variations in performance based on manufacturing variations and ambient conditions, it is necessary to provide an appropriate margin for the dead time, and therefore, it is not possible to make it too short.

このデッドタイムの存在により、電圧変換率が1に近づくと電圧変換率が変化しない領域が存在することになる。この領域に入ると電圧変換率が1になってしまう。このような状況を図4に示す。電圧変換率設定値が1に近い部分に電圧変換率を調整できない領域が生ずる。この領域は、目標値を変更しても実際の制御出力が変化しない、いわゆるデッドバンドとして知られているものである。   Due to the existence of this dead time, there is a region where the voltage conversion rate does not change when the voltage conversion rate approaches 1. When entering this region, the voltage conversion rate becomes 1. Such a situation is shown in FIG. A region where the voltage conversion rate cannot be adjusted is generated in a portion where the voltage conversion rate set value is close to 1. This region is known as a so-called dead band in which the actual control output does not change even when the target value is changed.

このように電圧変換率を正しく設定できない範囲は半導体スイッチング素子の特性や制御上の余裕の大きさに依存するが、5%前後である場合が普通である。   As described above, the range in which the voltage conversion rate cannot be set correctly depends on the characteristics of the semiconductor switching element and the control margin, but is usually around 5%.

特許文献1は、半導体スイッチング素子にダイオードを逆並列に接続したアームを2個直列に接続したレグを備えたパルス幅変調方式の電力変換器におけるデッドタイム補償方法を開示するものである。開示方法は、パルス幅変調指令信号と実際の指令出力信号の差をゼロにするようにフィードバック制御してパルス幅変調指令信号を精度良く供給させるものであって、実際の信号が2値信号にならず中間電圧レベルになるのでアナログ信号としてフィードバックし予め知られた誤差要因に基づいて補償して判定するようにしたものである。   Patent Document 1 discloses a dead time compensation method in a pulse width modulation type power converter having a leg in which two arms each having a diode connected to a semiconductor switching element in antiparallel are connected in series. In the disclosed method, the pulse width modulation command signal is supplied with high accuracy by performing feedback control so that the difference between the pulse width modulation command signal and the actual command output signal is zero, and the actual signal is converted into a binary signal. Since the intermediate voltage level is obtained, it is fed back as an analog signal and compensated and determined based on a known error factor.

特許文献1における電力変換器の回路構成は本願発明の対象とするチョッパ回路と類似しているが、特許文献1は、本願発明において問題にする電圧変換率の設定ができない領域について、さらに本願発明における両レグにおける通流率を調整するという解決手段について、何ら教示も示唆もしていない。
特開平5−328745号公報
Although the circuit configuration of the power converter in Patent Document 1 is similar to the chopper circuit that is the subject of the present invention, Patent Document 1 further describes the present invention in a region where the voltage conversion rate that is a problem in the present invention cannot be set. It does not teach or suggest any solution for adjusting the flow rate in both legs.
JP-A-5-328745

本発明が解決しようとする課題は、四象限チョッパ回路においてデッドバンドを排除して連続的に電圧変換率が設定できる補償方法と装置を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide a compensation method and apparatus capable of continuously setting a voltage conversion rate by eliminating a dead band in a four-quadrant chopper circuit.

上記課題を解決するため、本発明のデッドバンド補償方法および装置は、半導体スイッチデバイスにダイオードを逆並列に接続したアームを2個直列に接続したレグを入力側と出力側でそれぞれ直流回路と接地回路の間に設けて両レグのアーム接続点の間にリアクトルを接続して形成したパルス幅変調方式のスイッチ回路において、直流回路の短絡を避けるために設けるデッドタイムTdに制約を受けて第1(第2)のレグにおける半導体スイッチデバイスをオンすることができない通流率範囲すなわちデッドバンドでは、第2(第1)のレグにおける通流率γ2(γ1)を1から下げて、これに対応して第1(第2)のレグにおける通流率γ1(γ2)を決定することにより電圧変換率を調整することを特徴とする。
上記スイッチ回路は四象限チョッパ回路であってよい。
上記第2(第1)のレグにおける通流率γ2(γ1)を下げる決定にはヒステリシスを持たせることが好ましい。
In order to solve the above-mentioned problems, the deadband compensation method and apparatus of the present invention is a grounding circuit in which two legs each having a diode connected to a semiconductor switch device connected in antiparallel are connected in series on the input side and the output side, respectively. In a pulse width modulation type switch circuit formed by connecting a reactor between the arm connection points of both legs and being provided between the circuits, the first is limited by the dead time Td provided to avoid a short circuit of the DC circuit. In the duty ratio range where the semiconductor switch device in the (second) leg cannot be turned on, that is, in the dead band, the duty ratio γ2 (γ1) in the second (first) leg is lowered from 1 to cope with this. Then, the voltage conversion rate is adjusted by determining the conduction rate γ1 (γ2) in the first (second) leg.
The switch circuit may be a four quadrant chopper circuit.
It is preferable to provide hysteresis for the determination of decreasing the flow rate γ2 (γ1) in the second (first) leg.

直流回路の短絡を避けるためにゲートをオフした時点より所定の時間遅れて相手側の半導体素子にゲート信号を与えるようにする必要がある。この時間遅れは、デッドタイムTdと称される。デッドタイムTdに制約を受けて半導体スイッチをオンすることができない結果、通流率を変更することにより電圧変換率設定値を変更しても実際の電圧変換率が変化しない領域が生じ、本明細書では、これをデッドバンドと呼ぶ。   In order to avoid a short circuit in the DC circuit, it is necessary to give a gate signal to the semiconductor element on the other side after a predetermined time from the time when the gate is turned off. This time delay is referred to as dead time Td. As a result of being unable to turn on the semiconductor switch due to restrictions on the dead time Td, there is a region where the actual voltage conversion rate does not change even if the voltage conversion rate setting value is changed by changing the conduction rate. In the book, this is called a dead band.

本発明のデッドバンド補償方法を使用することにより、電圧変換率を連続的に設定できるようになる。なお、デッドバンド以外の領域では第1のレグおよび第2のレグのどちらか一方のみで通流率比を設定するようにすれば、半導体スイッチにおけるスイッチングロスを抑制することができる。
通流率γ1およびγ2の両方を下げる決定をする領域の境界にヒステリシスを持たせることにより、境界部分における制御のバタツキが減少し安定した制御ができるようになる。
By using the dead band compensation method of the present invention, the voltage conversion rate can be set continuously. Note that switching loss in the semiconductor switch can be suppressed by setting the conduction ratio in only one of the first leg and the second leg in the region other than the dead band.
By providing hysteresis at the boundary of the region where the determination is made to reduce both the flow rates γ1 and γ2, control fluctuation at the boundary portion is reduced, and stable control can be performed.

上記四象限チョッパ回路など本発明のパルス幅変調方式のスイッチ回路は、入力側に直流電源、出力側に蓄電設備と負荷を接続して使用することができる。また、入力側に直流電源と負荷、出力側に電池を接続してもよい。各種蓄電設備の充放電や電力供給において、電圧変換率1近傍に対応する通流率における不感帯すなわちデッドバンドを解消し、電圧変換率を1近傍においても正確に設定することができる。また、デッドバンド以外の領域では一方のレグのみがスイッチするのでスイッチングロスを低く抑えることができる。   The pulse width modulation type switch circuit of the present invention, such as the above four-quadrant chopper circuit, can be used by connecting a DC power source on the input side and a storage facility and a load on the output side. Further, a DC power source and a load may be connected to the input side, and a battery may be connected to the output side. In charge / discharge and power supply of various power storage facilities, it is possible to eliminate the dead band, that is, the dead band in the conduction rate corresponding to the vicinity of the voltage conversion rate 1, and to accurately set the voltage conversion rate even in the vicinity of 1. In addition, since only one leg switches in a region other than the dead band, the switching loss can be kept low.

さらに、本発明のパルス幅変調スイッチ回路は、二次電池を搭載した電池駆動車両に対して、入力側を直流の主回路に、出力側を二次電池に接続することにより適用することができる。電圧変換率1付近に存在したデッドバンドがなくなるので、これに起因する振動が発生することなく、かつデッドバンド以外の領域におけるスイッチングロスを低く抑えながら、二次電池の充放電をすることができる。   Furthermore, the pulse width modulation switch circuit of the present invention can be applied to a battery-powered vehicle equipped with a secondary battery by connecting the input side to a DC main circuit and the output side to a secondary battery. . Since the dead band existing near the voltage conversion rate 1 is eliminated, the secondary battery can be charged / discharged without causing vibrations and suppressing the switching loss in a region other than the dead band. .

以下、図面を用いて、本発明のデッドバンド補償方法および補償装置の最良の実施形態を詳細に説明する。
図1は本実施例のデッドバンド補償方法を適用するパルス幅変調方式スイッチ回路の回路図、図2はデッドバンド補償方法を説明するグラフで電圧変換率を操作する際の通流率設定状況を表す。図3はPWM信号で上アームと下アームのトランジスタを駆動するときのデッドタイムの影響を説明する線図、図4は本実施例のデッドバンド補償方法を適用したときの通流率と電圧変換率(または昇降圧比)の関係を表したグラフ、図5は従来例における通流率と電圧変換率の関係を表したグラフ、図6は本実施例におけるスイッチ素子のスイッチ特性図、図7は本実施例のデッドバンド補償方法を電池の充放電制御装置に適用した例を示す回路図、図8は本実施例のデッドバンド補償方法を電池駆動車両に適用した例を示す回路図である。
Hereinafter, the best embodiment of a dead band compensation method and a compensation apparatus of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram of a pulse width modulation type switch circuit to which the dead band compensation method of this embodiment is applied, and FIG. 2 is a graph for explaining the dead band compensation method and shows a current flow rate setting state when operating the voltage conversion rate. Represent. FIG. 3 is a diagram for explaining the influence of dead time when the upper arm and lower arm transistors are driven by the PWM signal, and FIG. 4 is a diagram illustrating the conduction ratio and voltage conversion when the dead band compensation method of this embodiment is applied. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the conduction rate and the voltage conversion rate in the conventional example, FIG. 6 is a switch characteristic diagram of the switch element in this embodiment, and FIG. FIG. 8 is a circuit diagram showing an example in which the dead band compensation method of the present embodiment is applied to a battery charge / discharge control apparatus, and FIG. 8 is a circuit diagram showing an example in which the dead band compensation method of the present embodiment is applied to a battery-driven vehicle.

本実施例は、本発明のデッドバンド補償方法を、図1に示すパルス幅変調方式のスイッチ回路に適用したものである。
図1のスイッチ回路は、IGBTなどの半導体スイッチ素子S1,S2,S3,S4のそれぞれにダイオードD1,D2,D3,D4を逆並列に接続したアームを2個直列に接続したレグを入力側と出力側でそれぞれ直流回路と接地回路の間に設けて両レグのアーム接続点の間にリアクトルL0を接続して形成したパルス幅変調方式の四象限チョッパ回路1である。
In this embodiment, the dead band compensation method of the present invention is applied to the pulse width modulation type switch circuit shown in FIG.
The switch circuit of FIG. 1 has a leg in which two arms in which diodes D1, D2, D3, and D4 are connected in antiparallel to each of semiconductor switch elements S1, S2, S3, and S4 such as an IGBT are connected in series. This is a four-quadrant chopper circuit 1 of a pulse width modulation system which is provided between a DC circuit and a ground circuit on the output side and is formed by connecting a reactor L0 between the arm connection points of both legs.

制御回路2が附属して、四象限チョッパ回路1内の半導体スイッチ素子S1,S2,S3,S4のオンオフを制御して、直流機の正転力行、正転回生、逆転力行、逆転回生など、四象限のチョッパ制御を行う。半導体スイッチ素子を高速高頻度でオンオフするので、電流の平滑化のためリアクトルL1,L2とキャパシタC1,C2が接続されている。
図1では、四象限チョッパ回路1の入力側に直流電源装置3を接続し、出力側に蓄電設備や負荷4を接続している。
A control circuit 2 is attached to control on / off of the semiconductor switch elements S1, S2, S3, S4 in the four-quadrant chopper circuit 1, and forward rotation, forward rotation, reverse rotation, reverse rotation, etc. of the DC machine, Performs quadrant chopper control. Since the semiconductor switch element is turned on and off at high speed and high frequency, the reactors L1 and L2 and the capacitors C1 and C2 are connected to smooth the current.
In FIG. 1, a DC power supply device 3 is connected to the input side of the four-quadrant chopper circuit 1, and a power storage facility and a load 4 are connected to the output side.

高電圧の直流電源装置3から低電圧の蓄電設備4に電流を供給するときは、出力側上アームの半導体スイッチ素子S3を導通し入力側レグの半導体スイッチ素子S1,S2を断続してチョッパ出力電圧を調整し、降圧チョッパの動作をさせる。出力電圧Voの平均値は、入力電圧Viに実質的にはS1の導通率になる入力側レグの通流率γ1を掛けた値になる。すなわち、
Vo=γ1Vi
When supplying current from the high-voltage DC power supply 3 to the low-voltage power storage facility 4, the semiconductor switch element S3 on the output-side upper arm is turned on, and the semiconductor switch elements S1 and S2 on the input-side leg are intermittently connected to the chopper output. Adjust the voltage to operate the step-down chopper. The average value of the output voltage Vo is a value obtained by multiplying the input voltage Vi by the conduction rate γ1 of the input side leg which is substantially the conduction rate of S1. That is,
Vo = γ1Vi

低電圧入力を高電圧出力に変換する場合は、入力側上アームの半導体スイッチ素子S1を導通し、出力側レグの半導体スイッチ素子S3,S4を断続して昇圧チョッパとして作動させる。下アームのスイッチS4がオンのときにリアクトルL0にエネルギーを蓄積させ、オフのときに電源からのエネルギーと蓄積エネルギーを出力側に接続された負荷に供給する。リアクトルL0が十分大きく流れる電流Iが一定であるとすれば、スイッチS4がオンのときtonにリアクトルL0に蓄えられた電力がスイッチS4がオフのときtoffに負荷に放出されるので、
ViIton=(Vo−Vi)Itoff
ここで、T=ton+toff、b=toff/T、出口側レグの通流率γ2=ton/Tとすれば、
γ2+b=1
Vo=ViT/toff=Vi/(1−γ2)
When converting a low voltage input to a high voltage output, the semiconductor switch element S1 on the input side upper arm is turned on, and the semiconductor switch elements S3 and S4 on the output side leg are intermittently operated as a boost chopper. When the lower arm switch S4 is on, energy is stored in the reactor L0, and when it is off, energy and stored energy from the power source are supplied to the load connected to the output side. If the current I flowing through the reactor L0 is sufficiently constant, the power stored in the reactor L0 when the switch S4 is on is discharged to the load at toff when the switch S4 is off.
ViIton = (Vo−Vi) Itoff
Here, if T = ton + toff, b = toff / T, and the outlet leg conduction ratio γ2 = ton / T,
γ2 + b = 1
Vo = ViT / toff = Vi / (1-γ2)

そこで、四象限チョッパ回路1の昇降圧比(電圧変換率)λ=V2/V1を半導体スイッチ素子の断続により設定しようとすると、基本的には、図2のグラフに示すように、電圧変換率λが1より小さい場合に入力側レグの通流率γ1の対数と電圧変換率λが比例し、電圧変換率λが1より大きい場合に出力側レグの通流率γ2の対数と電圧変換率λが逆比例する(電圧変換率1近傍については、一点鎖線で表している)。   Therefore, when the step-up / step-down ratio (voltage conversion ratio) λ = V2 / V1 of the four-quadrant chopper circuit 1 is to be set by the intermittent connection of the semiconductor switch element, basically, as shown in the graph of FIG. Is smaller than 1, the logarithm of the input side leg γ1 is proportional to the voltage conversion rate λ, and when the voltage conversion rate λ is greater than 1, the logarithm of the output leg γ2 and the voltage conversion rate λ. Is inversely proportional (the vicinity of the voltage conversion rate 1 is represented by a one-dot chain line).

通流率γが1でない場合は、各レグの上アームと下アームのトランジスタスイッチを相互に相補的に開閉して所望の通流率を達成するが、直流回路の短絡を防ぐため同時にオンにすることができない。実際は、トランジスタが電圧素子能力を回復する時間が必要なので、ゲートをオフした時点よりデッドタイムTdだけ遅らせて相手方のトランジスタにゲート信号を与える。   When the conduction ratio γ is not 1, the upper and lower arm transistor switches of each leg are complementarily opened and closed to achieve the desired conduction ratio, but are turned on at the same time to prevent a short circuit in the DC circuit. Can not do it. Actually, since it takes time for the transistor to recover the voltage element capability, the gate signal is given to the other transistor with a delay of the dead time Td from the time when the gate is turned off.

図3はPWM信号で上アームと下アームのトランジスタを駆動するときのデッドタイムの影響を説明する線図である。
PWM信号で上アームのトランジスタのターンオフを指令したときに、下アームのトランジスタは上アームのトランジスタがオフになってもデッドタイムTdが経過するまでオンにはならない。また、PWM信号で下アームのトランジスタのターンオフを指令したときに、上アームのトランジスタは下アームのトランジスタがオフになってもデッドタイムTdが経過するまでオンにはならない。
FIG. 3 is a diagram for explaining the influence of dead time when the upper arm and lower arm transistors are driven by the PWM signal.
When the upper arm transistor is instructed to be turned off by the PWM signal, the lower arm transistor is not turned on until the dead time Td elapses even when the upper arm transistor is turned off. Further, when the turn-off of the lower arm transistor is instructed by the PWM signal, the upper arm transistor is not turned on until the dead time Td elapses even if the lower arm transistor is turned off.

このため、たとえば降圧チョッパとして作動しているときに、電圧変換率λが小さい方から1に近づいて上アームのトランジスタS1のオフ時間toffが短くなり、したがって下アームのトランジスタS2がオン時間が短くなって、ついにデッドタイムTdの関係でオンできなくなるときが来る。その結果、上アームの逆並列ダイオードD1が電流を通している場合は、四象限チョッパの入力電圧と出力電圧が等しく、電圧変換率は1となる。   For this reason, for example, when operating as a step-down chopper, the voltage conversion rate λ approaches 1 from the smaller side, and the off-time toff of the upper-arm transistor S1 becomes shorter, so the lower-arm transistor S2 becomes shorter. Finally, the time comes when it becomes impossible to turn on due to the dead time Td. As a result, when the anti-parallel diode D1 of the upper arm passes a current, the input voltage and the output voltage of the four-quadrant chopper are equal, and the voltage conversion rate is 1.

図4は、本実施例のデッドバンド補償方法を用いた場合における、電圧変換率(または昇降圧比)の設定値と実際に得られる値の関係を表すグラフで、横軸に電圧変換率の設定値、縦軸に実際に得られる電圧変換率をとったものである。設定電圧変換率は、1までは入力側通流率γ1、1以上は出力側通流率γ2を使った1/(1−γ2)で代表している。図中、破線はデッドバンド補償方法を用いない従来例による場合を参考のため示す。図5は、従来例による電圧変換率設定値と実際に得られる値の関係を表すグラフである。   FIG. 4 is a graph showing the relationship between the voltage conversion rate (or step-up / step-down ratio) setting value and the actually obtained value when the dead band compensation method of this embodiment is used, and the horizontal axis shows the voltage conversion rate setting. The value and the vertical axis represent the voltage conversion rate actually obtained. The set voltage conversion rate is represented by 1 / (1-γ2) up to 1, using the input-side flow rate γ1, and 1 or more using the output-side flow rate γ2. In the figure, the broken line shows the case of the conventional example not using the dead band compensation method for reference. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the voltage conversion rate setting value according to the conventional example and the value actually obtained.

図4において破線で示すグラフまたは図5のグラフから分かる通り、デッドバンド補償方法を用いない従来法によれば、設定値1近傍で実際の電圧変換率λが1になるデッドバンドが発生する。デッドバンドは、上記説明の通り、デッドタイムTdの影響によるものである。デッドタイムTdは、スイッチング素子のスイッチング遅れやドライブ回路などの時間遅れなどを補償できる期間である必要があり、これらの時間遅れは、素子などの特性が生産上のバラツキを持ち、温度変化や経年変化などによっても変動するため、通常5μsないし10μs程度設ける。このため、電圧変換率設定値1を挟んで5%ないし10%ほどのデッドバンドが生じることになる。   As can be seen from the graph shown by the broken line in FIG. 4 or the graph of FIG. 5, according to the conventional method not using the dead band compensation method, a dead band where the actual voltage conversion ratio λ is 1 near the set value 1 is generated. As described above, the dead band is due to the influence of the dead time Td. The dead time Td needs to be a period in which the switching delay of the switching element and the time delay of the drive circuit, etc. can be compensated for. Since it fluctuates due to changes and the like, it is usually provided at about 5 μs to 10 μs. For this reason, a dead band of about 5% to 10% occurs with the voltage conversion rate set value 1 interposed therebetween.

本実施例のデッドバンド補償装置は、電圧変換率の目標値がデッドバンドを含む調整領域にあるときに、一方のレグにおける通流率を1から下げて他方のレグにおける通流率を該一方のレグの通流率で目標の電圧変換率を割った値に基づいて設定し、電圧変換率目標値が該調整領域外にあるときには、一方のレグにおける通流率を1とし他方のレグにおける通流率を目標の電圧変換率に対応する値に設定することにより調整するデッドバンド補償装置である。すなわち、図2において前記調整領域はデッドバンドを含む領域となっており、この領域において以下の制御を行う。   When the target value of the voltage conversion rate is in the adjustment region including the dead band, the dead band compensator of the present embodiment lowers the conduction rate in one leg from 1 and reduces the conduction rate in the other leg. Is set based on a value obtained by dividing the target voltage conversion rate by the current rate of the current leg, and when the target value of the voltage conversion rate is outside the adjustment region, the current rate in one leg is set to 1 and It is a dead band compensator that adjusts by setting the conduction rate to a value corresponding to the target voltage conversion rate. That is, in FIG. 2, the adjustment region is a region including a dead band, and the following control is performed in this region.

降圧チョッパ領域のデッドバンドを含む調整領域においては、図2に示すように、従来スイッチの断続をしていない側のレグの通流率γ2を1からより小さい値γ2’に設定すると共に断続していた側のレグの通流率γ1をγ2に対応した新しい値γ1’に変化させて、両側のレグについてスイッチの断続をすることにより、電圧変換率λを調整するものである。   In the adjustment region including the dead band of the step-down chopper region, as shown in FIG. 2, the current flow rate γ2 of the leg on the side where the conventional switch is not interrupted is set from 1 to a smaller value γ2 ′ and is intermittently connected. The voltage conversion rate λ is adjusted by changing the current flow rate γ1 of the existing leg to a new value γ1 ′ corresponding to γ2 and switching the switches on both sides of the leg.

補償前の通流率γ1,γ2(=1)と補償後の通流率γ1’,γ2’の間には、
γ1=γ1’/γ2’
なる関係が成立するようにする。
すると、デッドバンド内の電圧変換率λ=Vo/Viは、γ1’/γ2’で決まるので、電圧変換率λを連続的に設定することができる。
Between the flow rates γ1, γ2 (= 1) before compensation and the flow rates γ1 ′, γ2 ′ after compensation,
γ1 = γ1 ′ / γ2 ′
To establish a relationship.
Then, since the voltage conversion rate λ = Vo / Vi in the dead band is determined by γ1 ′ / γ2 ′, the voltage conversion rate λ can be set continuously.

昇圧チョッパ領域においても同様である。
すなわち、補償前の通流率γ2,γ1(=1)と補償後の通流率γ2’,γ1’の間には、
γ2=γ2’/γ1’
なる関係が成立するようにして、デッドバンドを含む調整領域内の電圧変換率λ=Vo/Viを、γ2’/γ1’で決まるようにする。
The same applies to the boost chopper region.
That is, between the flow rates γ2, γ1 (= 1) before compensation and the flow rates γ2 ′, γ1 ′ after compensation,
γ2 = γ2 ′ / γ1 ′
Thus, the voltage conversion rate λ = Vo / Vi in the adjustment region including the dead band is determined by γ2 ′ / γ1 ′.

上記調整領域は、スイッチング素子の制御上の余裕を見込んでデッドバンドより少し広めに設定される。制御上の余裕を大きくとると、スイッチングロスが大きくなるので、デッドバンドを含むできるだけ小さい領域に上記手法を取り込むことが好ましい。
なお、本実施例のスイッチ素子のスイッチ特性を図6に示す。スイッチング周期250μsに対して、デッドタイムを5μs見込んであり、通流率γは実線で示すようになる。この結果、電圧変換率のデッドバンドの実測値は約5%となる。
スイッチング周期に対するデッドタイムの割合が4%のところ、デッドバンドが約5%となるのは、デッドタイムは制御上の設定値であり、実測値でないところに起因するもので、いわゆるアパーチャ時間の揺らぎなど、不定な遅れ時間を見込む必要があるからである。
The adjustment region is set slightly wider than the dead band in consideration of the control margin of the switching element. If the control margin is increased, the switching loss increases. Therefore, it is preferable to incorporate the above method in the smallest possible region including the dead band.
In addition, the switch characteristic of the switch element of a present Example is shown in FIG. A dead time of 5 μs is expected for a switching period of 250 μs, and the conduction ratio γ is as shown by a solid line. As a result, the measured value of the dead band of the voltage conversion rate is about 5%.
When the ratio of the dead time to the switching period is 4%, the dead band is about 5% because the dead time is a set value for control and is not a measured value, so-called fluctuation of the aperture time. This is because it is necessary to allow for an indefinite delay time.

この場合、調整領域は1%の制御上の余裕を見て電圧変換率1を挟んで±6%にとる。
デッドバンドの5%は、前述したようにスイッチ素子の整合時のバラツキや作動時の周囲条件の変動を見込み、安全を見て5μsとしたが、より小さいバラツキのスイッチ素子を使用したり、周囲条件を管理することにより、より短い時間とすることができる。すなわち、5μsは絶対的な数値ではなく、スイッチ素子のバラツキと回路の安全性のトレードオフに基づく相対的な値である。したがって、たとえば3μsなど、5μsより短くして効率を上げることも、またたとえば10μsなど、5μsより長くして、より安全を期することも可能である。
デッドタイムが変われば、これに応じてデッドバンドの大きさが変わることは前述した通りである。
In this case, the adjustment region is set to ± 6% with a voltage conversion rate of 1 in view of a control margin of 1%.
As described above, 5% of the dead band is assumed to be 5 μs for the sake of safety due to fluctuations in switch element matching and fluctuations in ambient conditions during operation, as described above. By managing the conditions, a shorter time can be achieved. That is, 5 μs is not an absolute value but a relative value based on a trade-off between the variation of the switch element and the safety of the circuit. Therefore, it is possible to increase the efficiency by making it shorter than 5 μs, for example, 3 μs, or to make it safer by making it longer than 5 μs, for example, 10 μs.
As described above, if the dead time changes, the size of the dead band changes accordingly.

同様な理屈により、調整領域をデッドバンドより±1%広くとることも絶対的なものでなく、相対的なものであり、たとえば±2%とすることも可能である。さらに、余裕なしとしてもよいことはいうまでもない。余裕を大きくとれば、デッドバンドは確実になくなり、制御系の非線形性は小さくなり、制御上の安定に資することができが、前述したようにロスが大きくなり効率が悪くなる。
なお、調整領域の境界にはヒステリシスを持たせて、片側スイッチングと両側スイッチングの遷移領域でモード選択のばたつきを防止し安定した操作をすることが好ましい。
By the same reason, it is not absolute that the adjustment region is ± 1% wider than the dead band, but it is relative, for example, ± 2%. Furthermore, it goes without saying that there may be no room. If the margin is increased, the dead band is surely eliminated and the non-linearity of the control system is reduced, which can contribute to the stability of the control. However, as described above, the loss is increased and the efficiency is deteriorated.
In addition, it is preferable to provide a hysteresis at the boundary of the adjustment region to prevent the mode selection from fluctuating in the transition region between the one-side switching and the two-side switching and perform a stable operation.

図4に実線で示す通り、本実施例のデッドバンド補償方法を用いたときの通流率による電圧変換率設定値と得られる電圧変換率の関係を表したグラフから、電圧変換率1の近傍にあったデッドバンドが解消して、電圧変換率1付近でも不感とならない電圧変換率が得られることが分かる。
このように、本実施例のデッドバンド補償法により電流変換率1近傍においても連続的に電圧変換率を設定することができるようになった。
As shown by a solid line in FIG. 4, from the graph showing the relationship between the voltage conversion rate setting value based on the conduction rate and the obtained voltage conversion rate when using the dead band compensation method of this embodiment, the vicinity of the voltage conversion rate 1 It can be seen that the dead band corresponding to the above is eliminated, and a voltage conversion rate that is not insensitive even in the vicinity of the voltage conversion rate of 1 can be obtained.
Thus, the voltage conversion rate can be continuously set even in the vicinity of the current conversion rate 1 by the dead band compensation method of the present embodiment.

また、デッドバンドにおいて通流率が1であるレグの通流率を下げる境界値に上方から近づく場合と下方から近づく場合でヒステリシスを持たせるようにすると、境界部分における揺らぎが減少し安定した運転ができるようになる。
なお、上記説明では、四象限チョッパ回路の第1象限と第2象限について説明したが、蓄電設備等から電源装置の方向に電流を供給する場合に当たる第3象限と第4象限についても全く同じ説明が可能である。
In addition, if hysteresis is provided when approaching the boundary value that lowers the conduction rate of a leg with a conduction rate of 1 in the dead band from above and from below, fluctuations at the boundary portion are reduced and stable operation is achieved. Will be able to.
In the above description, the first quadrant and the second quadrant of the four-quadrant chopper circuit have been described. However, the same explanation applies to the third quadrant and the fourth quadrant corresponding to the case where current is supplied in the direction from the power storage equipment to the power supply device. Is possible.

図7は、本実施例のデッドバンド補償方法を電池の充放電制御装置に適用した例を示す回路図である。
本実施例のデッドバンド補償装置を組み込んだ四象限チョッパ回路1の入力側に直流電源5と負荷6、出力側に二次電池7が接続されている。
本設備においては、負荷6に直流電源5が接続されていて電力が供給されるが、二次電池7も四象限チョッパ回路1を介して直流電源5および負荷6に接続されていて、バックアップ電源として作動する。
二次電池7の蓄電量が不足して電圧が低下する場合は、第1象限または第2象限チョッパ回路として動作する四象限チョッパ回路1を介して直流電源5から二次電池7に充電する。
FIG. 7 is a circuit diagram showing an example in which the deadband compensation method of this embodiment is applied to a battery charge / discharge control device.
A DC power source 5 and a load 6 are connected to the input side of the four-quadrant chopper circuit 1 incorporating the dead band compensation device of the present embodiment, and a secondary battery 7 is connected to the output side.
In this facility, the DC power source 5 is connected to the load 6 and power is supplied. However, the secondary battery 7 is also connected to the DC power source 5 and the load 6 via the four-quadrant chopper circuit 1, and the backup power source. Operates as
When the amount of power stored in the secondary battery 7 is insufficient and the voltage drops, the secondary battery 7 is charged from the DC power source 5 via the four-quadrant chopper circuit 1 that operates as the first quadrant or second quadrant chopper circuit.

一方、負荷6に対して電源装置5の供給電力が不足する場合は、第3象限または第4象限チョッパ回路として動作する四象限チョッパ回路1を介して二次電池7から負荷6に電力を供給することができる。
本実施例のデッドバンド補償法を用いるため、いずれのケースにおいても電圧変換率が1に近い場合にも正確に設定することができる。また、デッドバンドから離れた領域で充放電する場合には、一方のレグのみがスイッチするのでスイッチングロスを低く抑えることができる。
On the other hand, when the power supplied from the power supply 5 is insufficient with respect to the load 6, power is supplied from the secondary battery 7 to the load 6 via the four-quadrant chopper circuit 1 operating as the third quadrant or fourth quadrant chopper circuit. can do.
Since the dead band compensation method of the present embodiment is used, it can be accurately set even when the voltage conversion rate is close to 1 in any case. In addition, when charging / discharging in a region away from the dead band, only one leg is switched, so that the switching loss can be kept low.

図8は、本実施例のデッドバンド補償方法を電池駆動車両に適用した例を示す回路図である。
本実施例のデッドバンド補償装置を組み込んだ四象限チョッパ回路1の入力側にパンタグラフ12の電力取り込み線を接続し、出力側に二次電池15を接続する。パンタグラフ12は架線11から直流電力を取り込んで、インバータ13に供給する。インバータ13は入力された直流電力を交流に変換してモータ14に供給し、モータ14の回転により車両が運行する。
FIG. 8 is a circuit diagram showing an example in which the deadband compensation method of this embodiment is applied to a battery-powered vehicle.
The power take-in line of the pantograph 12 is connected to the input side of the four-quadrant chopper circuit 1 incorporating the dead band compensation device of this embodiment, and the secondary battery 15 is connected to the output side. The pantograph 12 takes in DC power from the overhead wire 11 and supplies it to the inverter 13. The inverter 13 converts the input DC power into AC and supplies it to the motor 14, and the vehicle is operated by the rotation of the motor 14.

二次電池15は、架線11が存在する軌道部分で第1象限または第2象限チョッパ回路として動作する四象限チョッパ回路1を介して直流の主回路から充電し、架線のない軌道部分で第3象限または第4象限チョッパ回路として動作する四象限チョッパ回路1を介して車両のインバータ13に電力を供給してモータ14の運転を維持する。もちろん、架線11の電圧が不足したりした場合にも、二次電池15から電力を補充することができる。
本実施例のデッドバンド補償法を用いてデッドバンドを解消したため、電圧変換率が1に近い場合にも正確に設定することができる。また、電圧変換率が1から離れた領域で二次電池15を充放電する場合には、片側レグのみがスイッチするのでスイッチングロスを低く抑えることができる。
The secondary battery 15 is charged from the DC main circuit via the four-quadrant chopper circuit 1 that operates as the first quadrant or second quadrant chopper circuit in the track portion where the overhead wire 11 exists, and the third battery 15 in the track portion without the overhead wire. Electric power is supplied to the inverter 13 of the vehicle through the four-quadrant chopper circuit 1 that operates as a quadrant or fourth quadrant chopper circuit, and the operation of the motor 14 is maintained. Of course, even when the voltage of the overhead wire 11 is insufficient, power can be supplemented from the secondary battery 15.
Since the dead band is eliminated by using the dead band compensation method of this embodiment, it can be accurately set even when the voltage conversion rate is close to 1. Further, when charging / discharging the secondary battery 15 in a region where the voltage conversion rate is away from 1, only one leg is switched, so that the switching loss can be kept low.

本発明の1実施例に係るデッドバンド補償方法を適用するパルス幅変調方式スイッチ回路の回路図である。1 is a circuit diagram of a pulse width modulation type switch circuit to which a dead band compensation method according to one embodiment of the present invention is applied. FIG. 本実施例に係るデッドバンド補償方法を説明するグラフである。It is a graph explaining the dead band compensation method which concerns on a present Example. PWM信号で上アームと下アームのトランジスタを駆動するときのデッドタイムの影響を説明する線図である。It is a diagram explaining the influence of dead time when driving the transistors of the upper arm and the lower arm with the PWM signal. 本実施例のデッドバンド補償方法を適用した場合の電圧変換率の設定値と達成値の関係を表したグラフである。It is the graph showing the relationship between the setting value of voltage conversion rate at the time of applying the dead band compensation method of a present Example, and an achieved value. デッドバンド補償方法を適用しない従来例における電圧変換率の設定値と達成値の関係を表したグラフである。It is a graph showing the relationship between the set value of the voltage conversion rate and the achieved value in a conventional example to which the deadband compensation method is not applied. 本実施例におけるスイッチ素子のスイッチ特性図である。It is a switch characteristic figure of the switch element in a present Example. 本実施例のデッドバンド補償方法を電池の充放電制御装置に適用した例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the example which applied the dead band compensation method of a present Example to the charging / discharging control apparatus of the battery. 本実施例のデッドバンド補償方法を電池駆動車両に適用した例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the example which applied the dead band compensation method of a present Example to the battery drive vehicle.

符号の説明Explanation of symbols

1 パルス幅変調方式四象限チョッパ回路
2 制御回路
3 直流電源装置
4 蓄電設備や負荷
5 直流電源
6 負荷
7 二次電池
11 架線
12 パンタグラフ
13 インバータ
14 モータ
15 二次電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Pulse width modulation system four quadrant chopper circuit 2 Control circuit 3 DC power supply device 4 Power storage equipment and load 5 DC power supply 6 Load 7 Secondary battery 11 Overhead wire 12 Pantograph 13 Inverter 14 Motor 15 Secondary battery

Claims (7)

半導体スイッチデバイスにダイオードを逆並列に接続したアームを2個直列に接続したレグを入力側と出力側でそれぞれ直流回路と接地回路の間に設けて両レグのアーム接続点の間にリアクトルを接続して形成した、電圧変換率を調整するパルス幅変調方式のスイッチ回路において、電圧変換率の目標値がデッドバンドを含む調整領域内にあるときには、一方のレグにおける通流率を1から下げて他方のレグにおける通流率を該一方のレグの通流率目標の電圧変換率を掛けた値に基づいて設定し、該電圧変換率目標値が該調整領域外にあるときには、一方のレグにおける通流率を1とし他方のレグにおける通流率を目標の電圧変換率に対応する値に設定することにより調整するデッドバンド補償方法。 A leg with two diodes connected in reverse parallel to a semiconductor switch device in series is provided between the DC circuit and the ground circuit on the input and output sides, and a reactor is connected between the arm connection points of both legs. In the pulse width modulation type switch circuit for adjusting the voltage conversion rate formed as described above, when the target value of the voltage conversion rate is within the adjustment region including the dead band, the conduction rate in one leg is decreased from 1. the conduction ratio in the other leg to set based on the value obtained by multiplying the voltage conversion ratio of the target to the conduction ratio of one leg said, when the voltage conversion ratio target value is outside the adjustment region, one leg A deadband compensation method for adjusting the current flow rate at 1 and setting the current flow rate at the other leg to a value corresponding to the target voltage conversion rate. 前記他方のレグにおける通流率を下げる前記調整領域の境界にはヒステリシスを持たせることを特徴とする請求項1記載のデッドバンド補償方法。 Dead band compensation method of claim 1, wherein the hysteresis is the boundary of the adjustment range of lowering the duty ratio in the other leg. 半導体スイッチデバイスにダイオードを逆並列に接続したアームを2個直列に接続したレグを入力側と出力側でそれぞれ直流回路と接地回路の間に設けて両レグのアーム接続点の間にリアクトルを接続して形成した、電圧変換率を調整するパルス幅変調方式のスイッチ回路に備えたデッドバンド補償装置であって、電圧変換率の目標値がデッドバンドを含む調整領域内にあるときに、一方のレグにおける通流率を1から下げて他方のレグにおける通流率を前記一方のレグにおける通流率目標の電圧変換率を掛けた値に基づいて設定し、該電圧変換率目標値が該調整領域外にあるときに、一方のレグにおける通流率を1とし他方のレグにおける通流率を目標の電圧変換率に対応する値に設定する制御回路を備えて、該スイッチ回路の電圧変換率を調整するデッドバンド補償装置。 A leg with two diodes connected in reverse parallel to a semiconductor switch device in series is provided between the DC circuit and the ground circuit on the input and output sides, and a reactor is connected between the arm connection points of both legs. was formed, a dead band compensating device provided in the switching circuit a pulse width modulation method for adjusting the voltage conversion ratio, when the target value of the voltage conversion ratio is within the adjustment region including the dead band, the one set based on the conduction ratio to the value obtained by multiplying the voltage conversion ratio of the target to the conduction ratio in the legs before SL one of the conduction ratio in the other leg is lowered from 1 in leg, said voltage conversion ratio target value A control circuit for setting the conduction rate in one leg to 1 and setting the conduction rate in the other leg to a value corresponding to a target voltage conversion rate when outside the adjustment region; conversion Dead band compensation device for adjusting the. 前記スイッチ回路は、四象限チョッパ回路であることを特徴とする請求項3記載のデッドバンド補償装置。   4. The dead band compensator according to claim 3, wherein the switch circuit is a four quadrant chopper circuit. 前記入力側に直流電源、前記出力側に蓄電設備または負荷を接続して使用することを特徴とする請求項3または4記載のデッドバンド補償装置。   5. The dead band compensator according to claim 3, wherein a DC power source is connected to the input side and a storage facility or a load is connected to the output side. 前記入力側に直流電源と負荷、前記出力側に蓄電設備を接続して使用することを特徴とする請求項3または4記載のデッドバンド補償装置。   5. The dead band compensator according to claim 3, wherein a DC power source and a load are connected to the input side, and a storage facility is connected to the output side. 前記入力側を直流の主回路に、前記出力側を二次電池に接続した請求項3または4記載のデッドバンド補償装置を備えた電池駆動車両。   The battery-powered vehicle provided with the dead band compensator according to claim 3 or 4, wherein the input side is connected to a DC main circuit and the output side is connected to a secondary battery.
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