JP5570338B2 - 多重チョッパ装置 - Google Patents

Description

この発明は、半導体素子とリアクトルを組み合わせたチョッパ装置を複数並列接続した多重チョッパ装置に関し、特には互いに並列接続された各チョッパ装置の相互間の電流アンバランスの低減技術に関するものである。

従来、低圧側から高圧側や、高圧側から低圧側への直流変換に用いられる多重チョッパ装置として、半導体素子とリアクトルを組み合わせた複数のチョッパ装置を並列接続し、各チョッパ装置を２π／並列数の位相差を設けて駆動するものが知られている。このような多重チョッパ装置は、各チョッパ装置相互間で位相差を設けて駆動することにより、並列接続しない場合に比べてリップルが低減されるため、コンデンサ等の小型化が可能となる。

しかしながら、複数のチョッパ装置を並列接続する場合には、スイッチング素子やゲートドライバ、リアクトル等の特性バラツキや、駆動信号の誤差等に起因して、各チョッパ装置の相互間で電流アンバランスが生じる。そして、電流アンバランスが生じると、電流集中による過電流破壊や、温度が上昇することによる過温度破壊につながるため、各チョッパ装置間で電流を均等化する必要がある。

この問題を解決するために、従来、各チョッパ装置毎に個別に電流検出器を設けてチョッパ装置相互間の電流偏差を検出し、この電流偏差を零にするように補正することで電流の均等化を図った多重チョッパ装置が提案されている（例えば、下記の特許文献１等参照）。

特開平９−２１５３２２号公報

しかしながら、上記特許文献１記載の従来技術の多重チョッパ装置にあっては、チョッパ装置相互間の電流の均等化を図ることができるものの、各チョッパ装置毎に個別に電流検出器を用いる必要があるので、装置全体の大型化や、高コストに繋がるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、互いに並列接続された各チョッパ装置の相互間の電流アンバランスの低減を図るとともに、従来よりも小型、低コスト化が可能な多重チョッパ装置を提供することを目的とする。

この発明に係わる多重チョッパ装置は、低圧側に接続されたリアクトルと上記リアクトルに接続されたスイッチング素子とダイオードとからなるチョッパ装置を複数台並列に接続し、各チョッパ装置のスイッチング素子を、互いに位相差をもたせてオン／オフすることにより、低圧側と高圧側の直流変換を行う多重チョッパ装置において、次の構成を採用している。

すなわち、第１の発明では、各々の上記チョッパ装置から高圧側に流れる全電流を検出する電流検出器と、各々の上記チョッパ装置の運転に同期した複数のサンプリング期間を設定するサンプリング回路と、上記サンプリング回路によって設定された複数のサンプリング期間中に、上記電流検出器で得られる電流を抽出するサンプリング期間電流抽出回路と、上記サンプリング期間電流抽出回路で抽出された上記電流検出器の電流に基づいて上記チョッパ装置の間の電流偏差を求める演算比較回路と、
上記演算比較回路からの出力に基づいて上記チョッパ装置の間の電流アンバランスを抑制する補正を行う補正回路と、を有し、上記サンプリング期間は各々の上記チョッパ装置の内の複数台から高圧側へ電流が流れる期間が含まれることを特徴としている。

また、第２の発明では、各々の上記チョッパ装置から高圧側に流れる全電流を検出する第１の電流検出器と、複数台の内の１台の上記チョッパ装置から高圧側に流れる電流を検出する第２の電流検出器と、各々の上記チョッパ装置の運転に同期した複数のサンプリング期間を設定するサンプリング回路と、各々の上記サンプリング回路によって設定された複数のサンプリング期間中に、上記第１、第２の各電流検出器で得られる電流をそれぞれ抽出するサンプリング期間電流抽出回路と、上記サンプリング期間電流抽出回路で抽出された上記第１、第２の電流検出器の各電流に基づいて上記チョッパ装置の間の電流偏差を求める演算比較回路と、上記演算比較回路からの出力に基づいて上記チョッパ装置の間の電流アンバランスを抑制する補正を行う補正回路と、を有することを特徴としている。

第１の発明によれば、従来のようにチョッパ装置毎に電流検出器を設けなくても、各チョッパ装置から高圧側に流れる全電流を検出する単一の電流検出器を設けるだけで電流アンバランスを抑制することができる。このため、チョッパ装置間の電流アンバランスの低減を図るだけでなく、装置の小型化や低コスト化が可能になるといった従来にない顕著な効果を奏する。

また、第２の発明によれば、各チョッパ装置から高圧側に流れる全電流を検出する第１の電流検出器だけでは、電流アンバランスを十分に抑制できない場合でも、更に複数台の内の１台のチョッパ装置から高圧側に流れる電流を検出する第２の電流検出器を別途設けることで、電流アンバランスを抑制することができる。また、この場合でも、従来のようにチョッパ装置毎に電流検出器を設ける場合に比べて、電流検出器の数は少なくて済むので、装置の小型化、低コスト化が可能になるといった従来にない顕著な効果を奏する。

本発明の実施の形態１における多重チョッパ装置を示す回路構成図である。 同装置を構成する各チョッパ装置のスイッチング素子をデューティ５０％以上で駆動する場合のタイムチャートである。 同装置を構成する各チョッパ装置のスイッチング素子をデューティ５０％未満で駆動する場合のタイムチャートである。 本発明の実施の形態２における多重チョッパ装置のサンプリング期間電流抽出回路、および演算比較回路の詳細を示す回路構成図である。 同装置を構成する各チョッパ装置のスイッチング素子をデューティ６６％以上で駆動する場合のタイムチャートである。 同装置を構成する各チョッパ装置のスイッチング素子をデューティ６６％未満、３３％以上で駆動する場合のタイムチャートである。 同装置を構成する各チョッパ装置のスイッチング素子をデューティ３３％未満で駆動する場合のタイムチャートである。 本発明の実施の形態３における多重チョッパ装置を示す回路構成図である。 同装置を構成する各チョッパ装置のスイッチング素子をデューティ５０％で駆動する場合のタイムチャートである。 本発明の実施の形態１、２の構成を一般化した多重チョッパ装置を示す回路構成図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における多重チョッパ装置を示す回路構成図である。

この実施の形態１における多重チョッパ装置は、低圧側の直流電源１から高圧側の負荷２への昇圧、および高圧側の負荷２から低圧側の直流電源１への回生動作を行うものである。この多重チョッパ装置は、互いに並列に接続された２台のチョッパ装置１００Ａ、１００Ｂを有し、これらの各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂが平滑用コンデンサ３、４を介して上記の直流電源１と負荷２に接続されている。さらに、この多重チョッパ装置は、電流検出器１１、制御回路１２、補正回路１３、サンプリング回路１４Ａ、１４Ｂ、サンプリング期間電流抽出回路１５Ａ、１５Ｂ、および演算比較回路１６を備えている。

ここに、各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂは、リアクトル５Ａ、５Ｂ、上アームのスイッチング素子６Ａ、６Ｂ、下アームのスイッチング素子７Ａ、７Ｂをそれぞれ備え、各スイッチング素子６Ａ、６Ｂ、７Ａ、７Ｂにはそれぞれ並列にダイオード８Ａ、８Ｂ、９Ａ、９Ｂが接続されている。

そして、各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂのスイッチング素子６Ａ、７Ａ、６Ｂ、７Ｂにはドライバ１０Ａ、１０Ｂが接続されており、昇圧および回生動作は、制御回路１２からの制御信号に応じてドライバ１０Ａ、１０Ｂがスイッチング素子６Ａ、７Ａ、６Ｂ、７Ｂをオン／オフ駆動することで行われる。この場合、各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂは２台なので、２π／２＝１８０°の位相差を設けて駆動される。

また、電流検出器（ＣＴ）１１は、負荷２側の平滑コンデンサ４とチョッパ装置１００Ａ、１００Ｂとの間に設けられており、この電流検出器１１がチョッパ装置１００Ａ、１００Ｂから負荷２側に流れる全電流を検出する。

サンプリング回路１４Ａ、１４Ｂは、実際のスイッチングまでの遅れ時間やデッドタイム等を考慮して、各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂを駆動する制御信号に同期した複数のサンプリング期間を設定するものである。

各サンプリング期間電流抽出回路１５Ａ、１５Ｂは、各サンプリング回路１４Ａ、１４Ｂによって設定された各サンプリング期間中に、電流検出器１１で得られる電流を抽出するものである。そして、各サンプリング期間電流抽出回路１５Ａ、１５Ｂは、例えば増幅回路１７Ａ、１７Ｂ、サンプリング回路１４Ａ、１４Ｂからのサンプリング信号に応じてオン／オフするスイッチ１８Ａ、１８Ｂ、およびフィルタ１９Ａ、１９Ｂを備える。

演算比較回路１６は、例えば差動増幅回路からなり、各サンプリング期間電流抽出回路１５Ａ、１５Ｂで抽出された各サンプリング期間中の電流の偏差を演算し、この電流偏差を補正回路１３へ出力するものである。

制御回路１２は、負荷２に加わる電圧が所定の電圧になるように各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂの昇圧、回生動作に応じて各スイッチング素子６Ａ、７Ａ、６Ｂ、７Ｂを駆動するための所要の制御信号（ゲートパルス）を生成するものである。

補正回路１３は、演算比較回路１６からの出力に基づき、制御回路１２から出力される制御信号の一周期内のハイレベル期間の割合（以下、デューティという）を補正する。そして、補正回路１３は、このデューティ補正後の制御信号を各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂのドライバ１０Ａ、１０Ｂへ出力すると共に、この制御信号に同期したサンプリング信号をサンプリング回路１４Ａ、１４Ｂに出力する。

次に、上記構成を有する多重チョッパ装置において、各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂの相互間で電流アンバランスが生じている場合に、その電流アンバランスを抑制するための制御動作について、図２および図３に示すタイムチャートを参照して説明する。

図２は低圧側の直流電源１と高圧側の負荷２の電圧比が２倍以上で昇圧する場合を示している。

この場合、図２（ａ）に示すように、各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂの下アームの各スイッチング素子７Ａ、７Ｂが制御信号によって１８０°の位相差ΔＴをつけてオン／オフされ、下アームの各スイッチング素子７Ａ、７Ｂがそれぞれオフしている期間中に負荷２側に電流が流れる。また、この場合の制御信号のデューティは、５０％以上になる。なお、ここでは発明の理解を容易にするため、一例として図２（ｂ）に示すように、一方のチョッパ装置１００Ａのリアクトル５Ａに流れる電流Ｉ_ＬＡが他方のチョッパ装置１００Ｂのリアクトル５Ｂに流れる電流Ｉ_ＬＢよりも大きくて、各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂ間で電流アンバランスが生じている状態を示している。

このように、両チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂが１８０°の位相差ΔＴをつけて運転された状態で電圧比が２倍以上の場合は、下アームのスイッチング素子７Ａ、７Ｂに加わる制御信号のデューティは５０％以上となるので、図２（ａ）から分かるように、下アームの各スイッチング素子７Ａ、７Ｂがそれぞれオフとなる期間、つまり各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂから負荷２側へ電流が単独に流れることになる期間は互いに重ならない。

したがって、下アームの各スイッチング素子７Ａ、７Ｂのオフ期間ごとに負荷２側に流れる電流を検出すれば、各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂから単独に負荷２側に流れる電流Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂが分かるので、両電流Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂの偏差を求めることで各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂ相互間の電流アンバランスを検出することができる。

そこで、図２に示すような場合には、サンプリング回路１４Ａ、１４Ｂは、補正回路１３からの出力を受けて、各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂから負荷２側へ電流が流れる期間、すなわち、図２（ａ）において、下アームの各スイッチング素子７Ａ、７Ｂがそれぞれオフとなる期間に同期して図２（ｄ）に示すようにそれぞれサンプリング信号Ａ、Ｂを出力する。

その際、電流検出器１１からの出力は、各サンプリング期間電流抽出回路１５Ａ、１５Ｂの各増幅回路１７Ａ、１７Ｂにより増幅された後、サンプリング回路１４Ａ、１４Ｂからのサンプリング信号Ａ、Ｂに合わせてスイッチ１８Ａ、１８Ｂがオンされる期間に抽出され、フィルタ１９Ａ、１９Ｂを通過して演算比較回路１６に入力される。

演算比較回路１６は、一方のチョッパ装置１００Ａから負荷２側へ流れる期間の電流Ｉ_Ａと、他方のチョッパ装置１００Ｂから負荷２側へ流れる期間の電流Ｉ_Ｂとを比較することにより電流偏差を検出する。そして、この電流偏差の情報を補正回路１３に出力する。

補正回路１３は、演算比較回路１６からの出力を受けて制御回路１２から出力される制御信号のデューティの調整を行う。すなわち、ここでは、一方のチョッパ装置１００Ａのリアクトル５Ａに流れる電流Ｉ_ＬＡが、他方のチョッパ装置１００Ｂのリアクトル５Ｂに流れる電流Ｉ_ＬＢよりも大きいので、一方のチョッパ装置１００Ａの下アームのスイッチング素子７Ａに加える制御信号のデューティを下げて電流Ｉ_ＬＡが他方のチョッパ装置１００Ｂの電流Ｉ_ＬＢに近付くように調整する。これにより、両チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂの電流アンバランスが抑制される。

図３は、低圧側の直流電源１と高圧側の負荷２の電圧比が２倍未満の場合を示している。

この場合、図３（ａ）に示すように、各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂの下アームの各スイッチング素子７Ａ、７Ｂが制御信号によって１８０°の位相差ΔＴをつけてオン／オフされ、下アームの各スイッチング素子７Ａ、７Ｂがそれぞれオフしている期間中に負荷２側に電流が流れるが、その際の制御信号のデューティは５０％未満となる。なお、この場合も、一例として、一方のチョッパ装置１００Ａのリアクトル５Ａに流れる電流Ｉ_ＬＡが他方のチョッパ装置１００Ｂのリアクトル５Ｂに流れる電流Ｉ_ＬＢよりも大きくて、各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂ間で電流アンバランスが生じている状態を示している。

このように、両チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂが１８０°の位相差ΔＴをつけて運転された状態で電圧比が２倍未満の場合は、下アームのスイッチング素子７Ａ、７Ｂに加わる制御信号のデューティは５０％未満となるので、図３（ａ）から分かるように、下アームの各スイッチング素子７Ａ、７Ｂがそれぞれオフとなる期間、つまり各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂから負荷２側へ電流が流れる期間が互いに重なる部分が生じる。

したがって、各スイッチング素子７Ａ、７Ｂがそれぞれオフ状態となる期間に応じて負荷２側に流れる電流を単純に電流検出器１１で検出すると、各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂの両方から負荷２側に電流が流れる期間が含まれることになるため、各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂから単独に負荷２側に流れる電流を個別に抽出することができず、チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂ相互間の電流アンバランスの補正精度が低下する。

そこで、図３に示すような場合には、サンプリング回路１５Ａ、１５Ｂは、補正回路１３からの出力を受けて、各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂからそれぞれ単独に負荷２側へ電流が流れる期間、すなわち、図３（ａ）において、下アームの各スイッチング素子７Ｂ、７Ａがそれぞれオンとなるタイミングに合わせて図３（ｄ）に示すようにそれぞれサンプリング信号Ａ、Ｂを出力する。

これにより、各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂから単独に負荷２側に流れる電流Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂが個別に抽出されるので、両電流Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂの偏差を求めることで各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂ相互間の電流アンバランスを検出することができる。以降のサンプリング期間電流抽出回路１５Ａ、１５Ｂ、演算比較回路１６、および補正回路１３の動作は、図２で説明した場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

以上のように、この実施の形態１では、従来のように各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂごとに電流検出器を設けなくても、各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂから高圧側に流れる全電流を検出する単一の電流検出器１１を設け、各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂの運転タイミングに同期したサンプリング期間を適切に設定して、電流検出器１１の検出した電流を抽出するだけで各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂの電流アンバランスを確実に検出することができる。このため、電流アンバランスを精度良く抑制できるだけでなく、従来に比べて小型で低コストな多重チョッパ装置を提供することが可能となる。

実施の形態２．
図４は本発明の実施の形態２における多重チョッパ装置のサンプリング期間電流抽出回路、および演算比較回路の詳細を示す回路構成図である。

この実施の形態２における多重チョッパ装置は、図示しないが、３台のチョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃが並列に接続されて構成されている。そのため、この実施の形態２では、３つのサンプリング回路１４Ａ〜１４Ｃ、および３つのサンプリング期間電流抽出回路１５Ａ〜１５Ｃが設けられるとともに、各サンプリング期間電流抽出回路１５Ａ〜１５Ｃの出力に基づいて各チョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃ間の電流偏差を求める演算比較回路１６を備えている。

ここに、各サンプリング期間電流抽出回路１５Ａ〜１５Ｃは、実施の形態１の場合と同様に、例えば増幅回路１７Ａ〜１７Ｃ、スイッチ１８Ａ〜１８Ｃ、およびフィルタ１９Ａ〜１９Ｃにより構成されている。

また、演算比較回路１６は、各サンプリング期間電流抽出回路１５Ａ〜１５Ｃの出力を増幅する３つの増幅回路２１Ａ〜２１Ｃ、各サンプリング期間電流抽出回路１５Ａ〜１５Ｃの出力を加算増幅する１つの加算増幅回路２２、および各増幅回路２１Ａ〜２１Ｃと加算増幅回路２２との差分を求める３つの差動増幅回路２３Ａ〜２３Ｃにより構成されている。

ここで、実施の形態１のように２台のチョッパ装置１００Ａ、１００Ｂを並列接続している場合は、演算比較回路１６として差動増幅回路２０を用いて各サンプリング期間電流抽出回路１５Ａ、１５Ｂによる各サンプリング期間中の電流偏差を直接に求めることができる。しかし、この実施の形態２のように、３台のチョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃを並列接続した場合には、チョッパ装置から負荷２側に流れる電流の平均値を利用して、各チョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃ間の電流偏差を検出するようにしている。

次に、上記構成を有する多重チョッパ装置において、各チョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃの相互間で電流アンバランスが生じている場合に、その電流アンバランスを抑制するための制御動作について、図５ないし図７に示すタイムチャートを参照して説明する。

図５は、低圧側の直流電源１と高圧側の負荷２の電圧比が３倍以上で昇圧する場合を示している。

この場合、図５（ａ）に示すように、各チョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃの下アームの各スイッチング素子７Ａ〜７Ｃが制御信号によって１２０°の位相差ΔＴをつけてオン／オフされ、下アームの各スイッチング素子７Ａ〜７Ｃがそれぞれオフしている期間中に負荷２側に電流が流れる。また、この場合の制御信号のデューティは、６７％以上になる。なお、ここでは発明の理解を容易にするため、一例として図５（ｂ）に示すように、各チョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃのリアクトルに流れる電流Ｉ_ＬＡ〜Ｉ_ＬＣに電流アンバランスが生じている状態を示している。

このように、各チョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃが１２０°の位相差ΔＴをつけて運転された状態で、電圧比が３倍以上の場合は、下アームのスイッチング素子７Ａ〜７Ｃに加わる制御信号のデューティは６７％以上となるので、図５（ａ）から分かるように、下アームの各スイッチング素子７Ａ〜７Ｃがオフとなる期間、つまり各チョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃから負荷２側へ電流が流れる期間は互いに重ならない。

したがって、図５（ｄ）に示すように、下アームの各スイッチング素子７Ａ〜７Ｃの各オフ期間に同期して各サンプリング信号Ａ、Ｂ、Ｃを出力して電流検出器１１で得られる電流を抽出すれば、各チョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃから単独に負荷２側に流れる電流Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂ、Ｉ_Ｃが得られる。その結果、これらの各電流Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂ、Ｉ_Ｃとその平均値とを比較して各電流偏差を求めることで各チョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃ相互間の電流アンバランスを検出することができる。

具体的には、各サンプリング回路１４Ａ〜１４Ｃは、下アームの各スイッチング素子７Ａ〜７Ｃがオフとなる期間のタイミングに合わせてそれぞれサンプリング信号Ａ、Ｂ、Ｃを出力する。各サンプリング期間電流抽出回路１５Ａ〜１５Ｃは、これらの各サンプリング信号Ａ、Ｂ、Ｃに応じて電流検出器１１で得られる電流Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂ、Ｉ_Ｃをそれぞれ抽出する。

続いて、演算比較回路１６の各増幅回路２１Ａ〜２１Ｃは、サンプリング期間電流抽出回路１５Ａ〜１５Ｃの出力をそれぞれ個別に増幅する。一方、加算増幅回路２２は、各サンプリング期間電流抽出回路１５Ａ〜１５Ｃからの出力を加算した後、加算後の増幅率を例えば他の増幅回路２１Ａ〜２１Ｃの増幅率の１／３に調整することにより各電流の平均値（＝（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）／３）を算出する。

次いで、次段の各差動増幅回路２３Ａ〜２３Ｃにより各々抽出後の電流Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂ、Ｉ_Ｃと、加算増幅回路２２で得られた各電流の平均値（＝（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）／３）とを比較して各チョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃ相互間の各電流偏差を求める。補正回路１３は、その電流偏差に基づいて下アームの各スイッチング素子７Ａ〜７Ｃに加える制御信号のデューティの調整を行う。

図６は、低圧側の直流電源１と高圧側の負荷２の電圧比が３倍未満、１．５倍以上で昇圧する場合を示している。

この場合、図６（ａ）に示すように、各チョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃの下アームの各スイッチング素子７Ａ〜７Ｃが制御信号によって１２０°の位相差ΔＴをつけてオン／オフされ、下アームの各スイッチング素子７Ａ〜７Ｃがそれぞれオフしている期間中に負荷２側に電流が流れる。そして、この場合の制御信号のデューティは６７％未満、３３％以上となるので、図６（ａ）から分かるように、下アームの各スイッチング素子７Ａ〜７Ｃがオフとなる期間、つまり各チョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃから負荷２側へ電流が流れる期間が互いに重ならず、単独に電流Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂ、Ｉ_Ｃが流れる部分が存在する。

したがって、図６（ｄ）に示すように、各サンプリング回路１４Ａ〜１４Ｃは、各チョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃから負荷２側へ電流が流れる期間が互いに重ならず、単独に電流Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂ、Ｉ_Ｃが流れる部分が存在するタイミングに合わせてサンプリング信号Ａ、Ｂ、Ｃをそれぞれ出力する。サンプリング期間電流抽出回路１５Ａ〜１５Ｃは、その各サンプリング信号Ａ、Ｂ、Ｃに応じて各電流Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂ、Ｉ_Ｃを抽出する。以降の、演算比較回路１６、および補正回路１３の動作は、図５に関して説明した場合と同様であるから、ここでは詳しい説明は省略する。

図７は、低圧側の直流電源１と高圧側の負荷２の電圧比が３倍未満で昇圧する場合を示している。

この場合、図７（ａ）に示すように、各チョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃの下アームの各スイッチング素子７Ａ〜７Ｃが制御信号によって１２０°の位相差ΔＴをつけてオン／オフされ、下アームの各スイッチング素子７Ａ〜７Ｃがそれぞれオフしている期間中に負荷２側に電流が流れる。そして、この場合の制御信号のデューティは３３％未満となる。このため、図７（ａ）から分かるように、下アームの各スイッチング素子７Ａ〜７Ｃがオフとなる期間、つまり各チョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃから負荷２側へ電流が流れる期間は必ず２つ以上重なり、各チョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃから負荷２側へ単独に電流が流れる期間が存在しない。すなわち、３台のチョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃの内、２台または３台から負荷２側へ電流が流れる。

そこで、図７に示すような場合、図７（ｄ）に示すように、各サンプリング回路１４Ａ〜１４Ｃは、３台のチョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃの内の１台分からは高圧側の負荷２側へ電流が流れない期間（換言すれば、２台のチョッパ装置から負荷２側に電流が流れる期間）のタイミングに合わせてそれぞれサンプリング信号Ａ〜Ｃを出力する。なお、このサンプリング信号Ａ〜Ｃの出力タイミングは、図７（ａ）において、下アームの各スイッチング素子７Ａ〜７Ｃのオン期間に対応している。

これにより、上記の各サンプリング信号Ａ、Ｂ、Ｃに応じて電流検出器１１で得られる電流を抽出すれば、２台のチョッパ装置から負荷２側に同時に流れる各合計電流（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ）、（Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）、（Ｉ_Ｃ＋Ｉ_Ｄ）がそれぞれ得られる。そのため、これらの各合計電流（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ）、（Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）、（Ｉ_Ｃ＋Ｉ_Ｄ）に基づいて各電流偏差を求めることで各チョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃ相互間の電流アンバランスを検出することができる。

具体的には、各サンプリング回路１４Ａ〜１４Ｃは、２台のチョッパ装置から負荷２側に電流が流れる期間のタイミングに合わせてそれぞれ図７（ｄ）に示すサンプリング信号Ａ〜Ｃを出力する。各サンプリング期間電流抽出回路１５Ａ〜１５Ｃは、各サンプリング信号Ａ、Ｂ、Ｃに応じて電流検出器１１で得られる各合計電流（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ）、（Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）、（Ｉ_Ｃ＋Ｉ_Ｄ）をそれぞれ抽出する。

続いて、演算比較回路１６の各増幅回路２１Ａ〜２１Ｃは、サンプリング期間電流抽出回路１５Ａ〜１５Ｃの出力をそれぞれ個別に増幅する。一方、加算増幅回路２２は、各サンプリング期間電流抽出回路１５Ａ〜１５Ｃからの出力を加算した後、加算後の増幅率を例えば他の増幅回路２１Ａ〜２１Ｃの増幅率の１／３に調整することにより、各チョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃから単独に負荷２側に流れる場合の各電流の加算値を、例えば次式により求める。
｛（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ）＋（Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）＋（Ｉ_Ｃ＋Ｉ_Ｄ）｝／３＝２（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）／３

次いで、次段の各差動増幅回路２３Ａ〜２３Ｃにより、先に抽出された各合計電流（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ）、（Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）、（Ｉ_Ｃ＋Ｉ_Ｄ）と加算増幅回路２２で得られた加算値２（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）／３とを比較演算して各チョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃ相互間の電流偏差を求める。すなわち、
（Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）−２（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）／３＝（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）／３−Ｉ_Ａ
（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｃ）−２（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）／３＝（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）／３−Ｉ_Ｂ
（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ）−２（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）／３＝（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）／３−Ｉ_Ｃ
というように平均電流（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）／３との電流偏差を求める。

補正回路１３は、その電流偏差に基づいて下アームの各スイッチング素子７Ａ〜７Ｃに加える制御信号のデューティの調整を行う。ただし、各差動増幅回路２３Ａ〜２３Ｃからの出力の符号はデューティ３３％以上の場合と逆になる。例えば、Ｉ_Ａに関して言えば、差動増幅回路２３Ａで比較演算された値はデューティ３３％以上の場合はＩ_Ａ−（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）に対し、デューティ３３％未満の場合は（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）／３−Ｉ_Ａとなる。そのため、デューティ３３％以上とデューティ３３％未満の両方で用いる場合にはサンプリング期間の切換にあわせ、補正の方向が逆になるよう切り替えて用いる。

このように、３台のチョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃで電圧比が３倍未満で昇圧する場合のように、デューティが低くて全期間にわたって複数台のチョッパ装置から同時に負荷２側に流れる場合には、２台のチョッパ装置から負荷２側に電流が流れる期間のタイミングに合わせてサンプリング信号Ａ〜Ｃを出力して電流検出器１１で得られる電流を抽出するようにすれば、各チョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃ相互間の電流アンバランスを確実に抑制することができる。

以上のように、この実施の形態２では、３台のチョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃが並列接続された多重チョッパ装置によって、図５〜図７に示したように異なる電圧比で昇圧する場合でも、従来よりも小型で低コスト化を図りながら、各チョッパ装置１００Ａ〜１００Ｃ間の電流アンバランスを確実に抑制することができる。

実施の形態３．
図８は本発明の実施の形態３における多重チョッパ装置を示す回路構成図である。

この実施の形態３の多重チョッパ装置は、４台のチョッパ装置１００Ａ〜１００Ｄが並列接続されている。なお、図８では初段のチョッパ装置１００Ａと後段のチョッパ装置１００Ｄのみを示し、その中間のチョッパ装置１００Ｂ、１００Ｃは省略している。また、負荷２側への全電流を検出する第１の電流検出器１１に加えて、４台のチョッパ装置１００Ａ〜１００Ｄの内の１台のチョッパ装置（本例では初段のチョッパ装置１００Ａ）から負荷２側に流れる電流のみを検出する第２の電流検出器２４を設けている。

また、４台のチョッパ装置１００Ａ〜１００Ｄを備えることから、他の実施の形態１、２と同様、これに併せて４つのサンプリング回路１４Ａ〜１４Ｄ、および４つのサンプリング期間電流抽出回路１５Ａ〜１５Ｄが設けられている。さらに、この実施の形態３では、第２の電流検出器ＣＴ２４を追加して設けたので、これに応じて、第２の電流検出器２４のサンプリング期間を設定するサンプリング回路２５、およびサンプリング期間電流抽出回路２６が追加されている。なお、各サンプリング期間電流抽出回路１５Ａ〜１５Ｄ、サンプリング期間電流抽出回路２６としては、実施の形態１、２の場合と同様な構成のものを採用することができる。

このように、この実施の形態３では、第１の電流検出器１１に加え、４台のチョッパ装置１００Ａ〜１００Ｄの内の１台のチョッパ装置１００Ａから負荷２側に流れる電流のみを検出する第２の電流検出器２４を設け、これに応じて、第２の電流検出器２４のサンプリング期間を設定するサンプリング回路２５、およびサンプリング期間電流抽出回路２６を追加しているのは、次の理由による。

図９は、低圧側の直流電源１と高圧側の負荷２の電圧比を２倍で昇圧する場合を示している。

この場合、各チョッパ装置１００Ａ〜１００Ｄの下アームの各スイッチング素子７Ａ〜７Ｄが制御信号によって９０°の位相差をつけてオン／オフされ、下アームの各スイッチング素子７Ａ〜７Ｄがそれぞれオフしている期間中に負荷２側に電流が流れる。そして、この場合の制御信号のデューティは５０％となるので、図９（ｂ）に示すように、負荷２側に流れる電流は、どのタイミングでも２台のチョッパ装置からの電流を合計したものとなる。すなわち、２台のチョッパ装置１００Ａ、１００Ｂからの合計電流（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ）、２台のチョッパ装置１００Ｂ、１００Ｃからの合計電流（Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）、２台のチョッパ装置１００Ｃ、１００Ｄからの合計電流（Ｉ_Ｃ＋Ｉ_Ｄ）、２台のチョッパ装置１００Ｄ、１００Ａからの合計電流（Ｉ_Ｄ＋Ｉ_Ａ）となる。

したがって、図９（ａ）に示すように、２台のチョッパ装置１００Ａ、１００Ｃのリアクトル５Ａ、５Ｃに流れる電流Ｉ_ＬＡ、Ｉ_ＬＣ同士が略同じで、また、２台のチョッパ装置１００Ｂ、１００Ｄのリアクトル５Ｂ、５Ｄに流れる電流Ｉ_ＬＢ、Ｉ_ＬＤ同士が略同じであるが、前者の電流Ｉ_ＬＡ、Ｉ_ＬＣが後者の電流Ｉ_ＬＢ、Ｉ_ＬＤに比べて大きくて電流アンバランスが生じている場合を想定すると、第１の電流検出器１１で検出される各２台のチョッパ装置１００Ａと１００Ｂ、１００Ｂと１００Ｃ、１００Ｃと１００Ｄ、１００Ａと１００Ｄの各々の合計電流（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ）、（Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）、（Ｉ_Ｃ＋Ｉ_Ｄ）、（Ｉ_Ｄ＋Ｉ_Ａ）は、見かけ上、全ての期間を通じて等しくなる現象が生じる。このため、負荷２側に流れる全電流を検出する第１の電流検出器１１の検出出力のみを抽出しても電流偏差を検出できないので、電流アンバランスを適切に抑制することが難しい。

そこで、この実施の形態３では、サンプリング回路１４Ａ〜１４Ｄにより、各２台のチョッパ装置１００Ａと１００Ｂ、１００Ｂと１００Ｃ、１００Ｃと１００Ｄ、１００Ａと１００Ｄから同時に負荷２側に各合計電流（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ）、（Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）、（Ｉ_Ｃ＋Ｉ_Ｄ）、（Ｉ_Ｄ＋Ｉ_Ａ）が流れるタイミングに合わせてサンプリング信号Ａ〜Ｄを出力する。そして、これらの各サンプリング信号Ａ〜Ｄに応じて、次段の各サンプリング期間電流抽出回路１５Ａ〜１５Ｄで第１の電流検出器１１で得られる各合計電流（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ）、（Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）、（Ｉ_Ｃ＋Ｉ_Ｄ）、（Ｉ_Ｄ＋Ｉ_Ａ）を抽出する。

また、サンプリング回路２５により、チョッパ装置１００Ａから負荷２側に電流Ｉ_Ａが流れるタイミングに合わせてサンプリング信号を出力し、このサンプリング信号に応じて次段のサンプリング期間電流抽出回路２６で第２の電流検出器２４で得られる電流Ｉ_Ａを抽出する。

そして、演算比較回路１６において、各々の合計電流（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ）、（Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）、（Ｉ_Ｃ＋Ｉ_Ｄ）、（Ｉ_Ｄ＋Ｉ_Ａ）と第２の電流検出器２４で得られる電流Ｉ_Ａを用いて、各チョッパ装置１００Ａ〜１００Ｄ相互間の電流偏差を演算で求める。例えば、（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ）−Ｉ_Ａ＝Ｉ_Ｂ、（Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ）−Ｉ_Ｂ＝Ｉ_Ｃ、（Ｉ_Ｃ＋Ｉ_Ｄ）−Ｉ_Ｃ＝Ｉ_Ｄというようにして、各電流Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂ、Ｉ_Ｃ、Ｉ_Ｄを求めると共に、平均電流（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ＋Ｉ_Ｄ）／４を算出し、これらを比較することで電流偏差が求まる。

補正回路１３は、その電流偏差に基づいて下アームの各スイッチング素子７Ａ〜７Ｄに加える制御信号のデューティの調整を行う。

以上のように、この実施の形態３では、４台のチョッパ装置１００Ａ〜１００Ｄが並列接続された多重チョッパ装置によって直流電圧を昇圧する場合に、各チョッパ装置１００Ａ〜１００Ｄから高圧の負荷２側に流れる全電流を検出する第１の電流検出器１１に加えて、１台のチョッパ装置から負荷２側に流れる電流を検出する第２の電流検出器２４を別途設けることで、電流アンバランスを確実に抑制することができる。この場合、２つの電流検出器１１、２４が必要となるものの、従来のように個々のチョッパ装置１００Ａ〜１００Ｄに電流検出器を配置する場合に比べれば、電流検出器の全数は少なくて済み、装置の小型化、低コスト化が可能となる。

なお、この実施の形態３では、４台のチョッパ装置１００Ａ〜１００Ｄを並列接続した場合について説明したが、６台、８台、９台、…など、５台、７台等の素数を除いた場合、すなわち、１と並列接続台数以外の整数で割り切れる台数分のチョッパ装置を並列接続した構成の場合にも、負荷２側への全電流を検出する第１の電流検出器１１を設けただけでは各チョッパ装置相互間の電流アンバランスを適切に補正できない場合があるので、その際には、この実施の形態３のように複数台の内の１台のチョッパ装置から高圧側に流れる電流を検出する第２の電流検出器２４を設けることで電流アンバランスを確実に抑制することが可能になる。

次に、上記の実施の形態１〜３についての変形例や応用例について説明する。
上記の各実施の形態１〜３では、発明の理解を図るためと説明の便宜上、２台〜４台のチョッパ装置１００Ａ〜１００Ｄを並列に接続した場合について説明したが、本発明において、チョッパ装置の台数はこのような２台〜４台のものに限定されるものではなく、一般的な構成として、例えばＮ台（Ｎ≧５）のチョッパ装置１００Ａ〜１００Ｎを並列に接続した場合についても適用できるのは勿論である。例えば、実施の形態１、２の構成を一般化して図１０に示すような構成とすることも可能である。また、実施の形態３で説明したように、全電流を検出する電流検出器１１を設けただけでは各チョッパ装置相互間の電流アンバランスを適切に補正できない場合には、図１０の構成に加えて、複数台の内の１台のチョッパ装置から高圧側に流れる電流を検出する第２の電流検出器２４を設けることが望ましい。

また、上記の実施の形態１〜３では、直流電源１から負荷２へ電流を供給する昇圧時について詳細に説明したが、負荷２から直流電源１への回生時にも適用できる。その場合には、各チョッパ装置１００Ａ、１００Ｂ、…の上アームのスイッチング素子６Ａ、６Ｂ、…のオン期間を元にサンプリング期間を設定する。

また、上アームのスイッチング素子６Ａ、６Ｂ、…と下アームのスイッチング素子７Ａ、７Ｂ、…とを交互にオン／オフする同期整流を用いる場合は、デッドタイムを除いて上アームのスイッチング素子６Ａ、６Ｂ、…のオン期間と下アームのスイッチング素子７Ａ、７Ｂ、…のオフ期間が重なるため、昇圧時、回生時にかかわらず、デッドタイムを除いてサンプリング期間としては同じ設定を用いることができる。

また、上記の実施の形態１〜３では、上アームと下アームのどちらにもスイッチング素子６Ａ、６Ｂ、…、７Ａ、７Ｂ、…を用い、昇圧および回生が可能な構成の多重チョッパ装置を示したが、下アーム７Ａ、７Ｂ、…にのみスイッチング素子を用いた昇圧チョッパ装置や、上アームのみにスイッチング素子６Ａ、６Ｂ、…を用いた降圧チョッパ装置についても本発明を適用することが可能である。

また、上記の実施の形態１〜３における各スイッチング素子６Ａ、６Ｂ、…、７Ａ、７Ｂ、…としては、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等オン、オフ制御が可能な半導体素子が用いられ、また、ダイオードを使用する場合には、ＰｉＮダイオードやショットキーバリアダイオードの他、例えばＭＯＳＦＥＴのボディダイオード等を用いてもよい。

また、各スイッチング素子６Ａ、６Ｂ、…、７Ａ、７Ｂ、…や、各ダイオードは、珪素によって形成されたものの他、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成してもよい。この場合のワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。このようなワイドバンドギャップ半導体を用いた場合には損失が低いため、より一層の装置の小型化が可能となる。

１００Ａ〜１００Ｎ チョッパ装置、５Ａ〜５Ｎ リアクトル、
６Ａ〜６Ｎ，７Ａ〜７Ｎ スイッチング素子、８Ａ〜８Ｎ，９Ａ〜９Ｎ ダイオード、
１１ 電流検出器（第１の電流検出器）、１３ 補正回路、
１４Ａ〜１４Ｎ，２５ サンプリング回路、
１５Ａ〜１５Ｎ，２６ サンプリング期間電流抽出回路、１６ 演算比較回路、
２４ 第２の電流検出器。

Claims (4)

1. 低圧側に接続されたリアクトルと上記リアクトルに接続されたスイッチング素子とダイオードとで構成されるチョッパ装置を複数台並列に接続し、各々の上記チョッパ装置の上記スイッチング素子を、互いに位相差をもたせてオン／オフすることにより、低圧側と高圧側との間で直流変換を行う多重チョッパ装置において、
   各々の上記チョッパ装置から高圧側に流れる全電流を検出する電流検出器と、
   各々の上記チョッパ装置の運転に同期した複数のサンプリング期間を設定するサンプリング回路と、
   上記サンプリング回路によって設定された複数のサンプリング期間中に、上記電流検出器で得られる電流を抽出するサンプリング期間電流抽出回路と、
   上記サンプリング期間電流抽出回路で抽出された上記電流検出器の電流に基づいて上記チョッパ装置の間の電流偏差を求める演算比較回路と、
   上記演算比較回路からの出力に基づいて上記チョッパ装置の間の電流アンバランスを抑制する補正を行う補正回路と、を有し、
   上記サンプリング期間は各々の上記チョッパ装置の内の複数台から高圧側へ電流が流れる期間が含まれる多重チョッパ装置。
2. 低圧側に接続されたリアクトルと上記リアクトルに接続されたスイッチング素子とダイオードとで構成されるチョッパ装置を複数台並列に接続し、各々の上記チョッパ装置の上記スイッチング素子を、互いに位相差をもたせてオン、オフすることにより、低圧側と高圧側との間で直流変換を行う多重チョッパ装置において、
   各々の上記チョッパ装置から高圧側に流れる全電流を検出する第１の電流検出器と、
   複数台の内の１台の上記チョッパ装置から高圧側に流れる電流を検出する第２の電流検出器と、
   各々の上記チョッパ装置の運転に同期した複数のサンプリング期間を設定するサンプリング回路と、
   各々の上記サンプリング回路によって設定された複数のサンプリング期間中に、上記第１、第２の各電流検出器で得られる電流をそれぞれ抽出するサンプリング期間電流抽出回路と、
   上記サンプリング期間電流抽出回路で抽出された上記第１、第２の電流検出器の各電流に基づいて上記チョッパ装置の間の電流偏差を求める演算比較回路と、
   上記演算比較回路からの出力に基づいて上記チョッパ装置の間の電流アンバランスを抑制する補正を行う補正回路と、
   を有する多重チョッパ装置。
3. 上記サンプリング期間は、各々の上記チョッパ装置の内の１台分からは高圧側へ電流が流れない期間である請求項１または請求項２に記載の多重チョッパ装置。
4. 上記スイッチング素子をワイドバンドギャップ半導体で形成した請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の多重チョッパ装置。

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