JP5803945B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
図1において、本発明を適用した第1実施形態は、充電回路1である。充電回路1は、電力変換装置2を備える。充電回路1は、交流電力を供給する交流電源3を備える。充電回路1は、直流電源4を備える。
上記実施形態では、対をなすQ1とQ2とを相補的に駆動し、かつ、対をなすQ3とQ4とを相補的に駆動した。これに代えて、順方向モードにおいて必要なスイッチ素子だけを駆動してもよい。また、逆方向モードにおいて必要なスイッチ素子だけを駆動してもよい。
上記実施形態では、制御装置9は、スイッチング期間TSW1において、Q1dutyが絶対値|vac|に応じて正弦波状に変化するように、Q1dutyを変調した。これに代えて、制御装置9は、スイッチング期間TSW1において、Q1dutyを所定の一定値に固定してもよい。
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的な構成とする変形例である。この実施形態では、制御装置9は、スイッチング期間TSW1において、Q1dutyを所定の一定値に固定する。さらに、制御装置9は、スイッチング期間の開始時と終了時にとにおいてQ1dutyを徐々に変化させる。第1制御部240は、スイッチング期間TSW1におけるQ1およびQ2の少なくともひとつのスイッチングを、スイッチング期間TSW1において台形波状に変化するデューティ比で実行する。
図11は、比較例により提供されるQ1dutyの波形を示す。図中において、破線CMP1は、全期間にわたってQ1dutyを固定値D1に固定した比較例である。実線CMP2は、全期間にわたってQ1dutyを正弦波状に変調した比較例である。これらの比較例では、全期間にわたってQ1がスイッチング制御される。よって、スイッチングに起因する損失が全期間にわたって生じる。
図12は、第5実施形態に係る電力変換装置2を示すブロック図である。この実施形態は、先行する実施形態を基礎的な構成とする変形例である。この実施形態では、直流電圧vbは、いつでも交流電圧vacより高い。
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的な構成とする変形例である。この実施形態では、制御装置509は、スイッチング期間TSW2において、Q1dutyを所定の一定値に固定する。
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的な構成とする変形例である。この実施形態では、制御装置509は、スイッチング期間TSW2において、Q1dutyを所定の一定値に固定する。さらに、制御装置509は、スイッチング期間TSW2の開始時と終了時とにおいてQ1dutyを徐々に変化させる。制御装置509は、スイッチング期間TSW2において、Q1dutyを台形波状に変化させる。
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的な構成とする変形例である。この実施形態では、制御装置509は、スイッチング期間TSW2において、Q1dutyを正弦波状に変化させる。
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的な構成とする変形例である。この実施形態では、図12に図示される電力変換装置2が採用される。第1実施形態では、絶対値|vac|と直流電圧vbとの関係に基づいて、第1対をなすQ1、Q2または第2対をなすQ3、Q4に休止期間TDS1を設定した。加えて、第2実施形態から第4実施形態では、順方向と逆方向とに対応してひとつの対の中の一方のスイッチング素子だけ、例えば第1対Q1、Q2のうちのQ1だけを継続的に休止させた。さらに、第5実施形態では、交流電圧vacのゼロクロス近傍において第1対Q1、Q2をスイッチング駆動することにより、高調波成分を抑制しながらブートストラップ回路の使用を可能とした。この実施形態では、第5実施形態の回路構成を採用しながら、先行する他の実施形態、例えば第2実施形態の制御を追加的に採用する。
演算部943aは、vb×k≧|vac|>Vrefであるとき、Q1dutyを100%に設定し、Q2dutyを0%に設定する。この結果、順方向モードにおいて、絶対値|vac|が閾値電圧vb×kと参照電圧Vrefとの間にあるとき、Q1、Q2のスイッチングが継続的に停止される。第1制御部940は、交流電圧vacが閾値電圧vb×kを下回る期間の中に停止期間TDS3を設定している。第1制御部940は、交流電圧vacが参照電圧Vrefを上回る期間(|vac|>Vref)の中に停止期間TDS3を設定している。この結果、第1制御部940は、交流電圧vacが閾値電圧vb×kを下回り(|vac|≦vb×k)、かつ、交流電圧vacが参照電圧Vrefを上回る(|vac|>Vref)期間(1)を停止期間TDS3とする。
演算部943aは、|vac|>vb×kであるとき、Q1dutyをvb×k/|vac|%に設定し、Q2dutyを0%に設定する。この結果、順方向モードにおいて、絶対値|vac|が閾値電圧vb×kを上回るとき、Q1によって降圧制御が提供され、Q2は継続的に停止状態(オフ状態)におかれる。第1制御部940は、交流電圧が前記閾値電圧を上回る(|vac|>vb×k)期間(2−1)を第1スイッチング期間TSW1としている。第1制御部940は、第1スイッチング期間TSW1において、Q1のスイッチングを実行し、Q2のスイッチングを停止する。これにより、Q1およびQ2の両方がスイッチングされないから、デットタイムに起因するデューティ比のステップ的な変動が抑制される。
演算部943aは、|vac|≦Vrefであるとき、Q1dutyをマップ543bに基づいて設定し、Q2dutyを1−Q1duty%に設定する。この結果、交流電圧vacのゼロクロス近傍において、Q1、Q2のデューティが徐々に変化させられる。第1制御部940は、交流電圧vacが参照電圧Vrefを下回る(|vac|<Vref)期間(2−2)を第2スイッチング期間TSW2としている。
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的な構成とする変形例である。図19のマップ943bにおいては、指令値としてのQ1dutyが100%から連続的に徐々に減少する。このとき、指令値としてのQ2dutyは0%から連続的に徐々に増加する。よって、上述のデットタイムVdに起因するデューティ比のステップ的な変動が、期間(2−2)においても生じることがある。期間(2−2)においては交流電圧vac、交流電流iacともに小さいため、高調波成分の増加は少ないが、高調波成分は少ないほうが望ましい。この実施形態では、高調波成分を抑制するために、マップ943bに代えて、図24に図示されるマップ1043bが採用される。
以上、開示された発明の好ましい実施形態について説明したが、開示された発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、種々変形して実施することが可能である。上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、開示された発明の技術的範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。開示された発明の技術的範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。
4 直流電源(二次電池)、 5 フィルタ回路、 6 ブリッジ回路、
7 コンバータ回路、 8 コンデンサ、 9、509 制御装置、
11−18 スイッチ素子(Qa−Qd、Q1−Q4)、 19 リアクトル、
21 電圧検出器、 22 電圧検出器、
23 電流検出器、 24 電流検出器、
30 整流部、
40、240、540、940 第1制御部、
50 第2制御部、
TDS1、TDS2、TDS3 停止期間、
TSW1 第1スイッチング期間、 TSW2 第2スイッチング期間。
Claims (17)
- 交流電源(3)が接続される交流端(2a)と直流電源(4)が接続される直流端(2b)との間に配置されたブリッジ回路(6)と、
前記ブリッジ回路と前記直流端との間に設けられたコンバータ回路(7)と、
前記コンバータ回路を制御する制御装置(9、509)とを備え、
前記コンバータ回路は、
前記ブリッジ回路の端子間に直列に配列された第1スイッチ素子(15、Q1)および第2スイッチ素子(16、Q2)と、
前記直流端の端子間に直列に配列された第3スイッチ素子(17、Q3)および第4スイッチ素子(18、Q4)と、
前記第1および第2スイッチ素子の中間点と前記第3および第4スイッチ素子の中間点との間に設けられたリアクトル(19)とを備え、
前記制御装置は、
前記交流端における交流電圧(vac)の周期の一部を停止期間(TDS1、TDS2、TDS3)として規定し、前記停止期間において前記第1スイッチ素子および第2スイッチ素子の前記交流電圧(vac)に追従して変化するデューティ比で実行されるスイッチングを停止する第1制御部(40、240、540、940)と、
前記第3スイッチ素子および第4スイッチ素子の少なくともひとつのスイッチングによって、前記周期の全体にわたって電圧制御と力率改善制御とを実行する第2制御部(50)とを備えることを特徴とする電力変換装置。 - 前記第1スイッチ素子(15、Q1)はハイサイドスイッチであり、
前記第2スイッチ素子(16、Q2)はローサイドスイッチであり、
前記第1制御部(40、240、540、940)は、
前記停止期間において、前記第1スイッチ素子をON状態に固定し、前記第2スイッチ素子をOFF状態に固定することを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記第1制御部(40、240、940)は、
前記交流電圧(vac)の絶対値が、前記直流端における直流電圧(vb)と1未満の係数(k)との積から設定される閾値電圧(vb×k)を下回る(|vac|≦vb×k)期間の中に前記停止期間(TDS1、TDS3)を設定し、
前記交流電圧(vac)の絶対値が前記閾値電圧を上回る(|vac|>vb×k)期間をスイッチング期間(TSW1)として、前記スイッチング期間において、前記第1スイッチ素子および第2スイッチ素子の少なくともひとつのスイッチングを実行することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記係数は0.95以上1.0未満であることを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。
- 前記第1スイッチ素子(15、Q1)はハイサイドスイッチであり、
前記第2スイッチ素子(16、Q2)はローサイドスイッチであり、
前記第1制御部(40、240、940)は、
前記交流端から前記直流端へ電力を供給するとき、前記停止期間において、前記第1スイッチ素子をON状態に固定し、前記第2スイッチ素子をOFF状態に固定することを特徴とする請求項3または請求項4に記載の電力変換装置。 - 前記第1スイッチ素子(15、Q1)はハイサイドスイッチであり、
前記第2スイッチ素子(16、Q2)はローサイドスイッチであり、
前記第1制御部(40、240、940)は、
前記交流電圧(vac)の絶対値が、前記直流端における直流電圧(vb)と1未満の係数(k)との積から設定される閾値電圧(vb×k)を下回る(|vac|≦vb×k)期間の中に前記停止期間(TDS1、TDS3)を設定し、
前記交流電圧(vac)の絶対値が前記閾値電圧を上回る(|vac|>vb×k)期間をスイッチング期間(TSW1)として、前記スイッチング期間において、前記第1スイッチ素子および第2スイッチ素子の少なくともひとつのスイッチングを実行し、
前記直流端から前記交流端へ電力を供給するとき、前記停止期間において、前記第1スイッチ素子をOFF状態に固定し、前記第2スイッチ素子をOFF状態に固定することを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記第1制御部(40、240、940)は、
前記スイッチング期間における前記第1スイッチ素子および第2スイッチ素子の少なくともひとつのスイッチングを、前記スイッチング期間において、前記直流電圧(vb)と1未満の係数(k)との積を前記交流電圧(vac)で除した値である正弦波状に変化するデューティ比(vb×k/|vac|)で実行することを特徴とする請求項3から請求項6のいずれかに記載の電力変換装置。 - 前記第1制御部(40、240、940)は、
前記スイッチング期間において、前記第1スイッチ素子および第2スイッチ素子のひとつのスイッチングを実行することを特徴とする請求項3から請求項7のいずれかに記載の電力変換装置。 - 前記第1スイッチ素子(15、Q1)はハイサイドスイッチであり、
前記第2スイッチ素子(16、Q2)はローサイドスイッチであり、
前記第1制御部(40、240、940)は、
前記スイッチング期間において、前記第1スイッチ素子のスイッチングを実行し、前記第2スイッチ素子のスイッチングを停止することを特徴とする請求項8に記載の電力変換装置。 - 前記第1スイッチ素子(15、Q1)はハイサイドスイッチであり、
前記第2スイッチ素子(16、Q2)はローサイドスイッチであり、
前記制御装置(509)は、
前記第2スイッチ素子がON状態のときに充電されるコンデンサを含み、前記第1スイッチ素子をON状態に駆動するときに前記コンデンサに充電された電荷を前記第1スイッチ素子の制御端子に供給するブートストラップ回路(71)を備え、
前記第1制御部(540、940)は、
前記交流電圧(vac)の絶対値が所定の参照電圧(Vref)を上回る(|vac|>Vref)期間の中に前記停止期間(TDS2、TDS3)を設定し、
前記交流電圧(vac)の絶対値が前記参照電圧(Vref)を下回る(|vac|<Vref)期間をスイッチング期間(TSW2)として、
前記スイッチング期間において、前記第1スイッチ素子および第2スイッチ素子の少なくともひとつのスイッチングを実行することを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記第1制御部(540)は、
前記交流電圧(vac)の最大値(Vm)が前記直流端における直流電圧(vb)を下回り、かつ、前記交流電圧(vac)の絶対値が所定の参照電圧(Vref)を上回る期間(|vac|>Vref)を前記停止期間(TDS2)とし、
前記最大値が前記直流電圧を下回り、かつ、前記交流電圧(vac)の絶対値が前記参照電圧(Vref)を下回る期間(|vac|<Vref)をスイッチング期間(TSW2)とすることを特徴とする請求項10に記載の電力変換装置。 - 前記第1制御部(940)は、
前記交流電圧(vac)の絶対値が前記直流端における直流電圧(vb)と1未満の係数(k)との積から設定される閾値電圧(vb×k)を下回り(|vac|≦vb×k)、かつ、前記交流電圧(vac)の絶対値が所定の参照電圧(Vref)を上回る(|vac|>Vref)期間を前記停止期間(TDS3)とし、
前記交流電圧(vac)の絶対値が前記閾値電圧を上回る(|vac|>vb×k)期間を第1スイッチング期間(TSW1)とし、
前記交流電圧(vac)の絶対値が前記参照電圧(Vref)を下回る(|vac|<Vref)期間を第2スイッチング期間(TSW2)として、
前記第1および第2スイッチング期間において、前記第1スイッチ素子および第2スイッチ素子の少なくともひとつのスイッチングを実行することを特徴とする請求項10に記載の電力変換装置。 - 前記第1制御部(540、940)は、
前記スイッチング期間における前記第1スイッチ素子のスイッチングを、前記交流電圧(vac)の極性反転時に極小値となるように変化するデューティ比で実行することを特徴とする請求項10から請求項12のいずれかに記載の電力変換装置。 - 前記第1制御部(540、940)は、
前記デューティ比を徐々に変化させることを特徴とする請求項13に記載の電力変換装置。 - 前記参照電圧(Vref)は、前記交流電圧(vac)の最大値(Vm)の1/2を下回る値に設定されていることを特徴とする請求項10から請求項14のいずれかに記載の電力変換装置。
- 前記第2制御部(50)は、前記第3スイッチ素子および第4スイッチ素子の少なくともひとつを常時スイッチングすることを特徴とする請求項1から請求項15のいずれかに記載の電力変換装置。
- 前記第1制御部(940、1043b)は、前記第1スイッチ素子および第2スイッチ素子の両方をスイッチングするとき、デットタイムより長いオン期間を与える範囲で前記第1スイッチ素子および第2スイッチ素子のデューティ比を調節することを特徴とする請求項1から請求項16のいずれかに記載の電力変換装置。
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