JP6053706B2 - Power converter - Google Patents
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Description
この発明は、力率改善(PFC:Power Factor Correction)機能を備えて交流電力を直流電力に昇降圧変換する電力変換装置に関するものである。 The present invention relates to a power conversion device that has a power factor correction (PFC) function and performs step-up / down conversion of AC power to DC power.
従来、単相交流電源からの電流波形を電圧波形と同じ波形にして電源力率を1とするコンバータ回路として、出力電圧Vripと出力電圧値Vrefの関係に基づいて、昇圧動作、降圧動作、昇降圧動作を時分割で行うコンバータ回路が開示されている(例えば、下記の特許文献1参照)。
Conventionally, as a converter circuit in which the current waveform from the single-phase AC power supply is the same waveform as the voltage waveform and the power source power factor is 1, based on the relationship between the output voltage Vrip and the output voltage value Vref, the step-up operation, the step-down operation, and the elevation A converter circuit that performs pressure operation in a time-sharing manner is disclosed (for example, see
ここで、前記特許文献1のようなコンバータ回路では、入出力電圧を電源制御部に入力し、電源制御部は入出力電圧の関係に応じて昇圧制御、降圧制御、昇降圧制御から適した制御方法を判断して、適切なスイッチングパターンで主回路のスイッチング素子のオンオフを行う。これら入出力電圧信号を入力する際に、電源制御部における誤動作を防ぐために、主回路で発生するスイッチング素子等によるノイズを除去する必要があり、入出力電圧信号をローパスフィルタを通して電源制御部に入力するのが一般的である。
しかしながら、入出力電圧をローパスフィルタを通して検出することにより、検出した入出力電圧は実際の入出力電圧より位相が遅れる。ここで、入力電圧と出力電圧の比較により昇圧制御、降圧制御、昇降圧制御の制御モードを決定しており、特に検出した入力電圧が実際の入力電圧より遅れることで、電源制御部の制御モードを切り替える指令電圧よりも遅れたタイミングで制御モードの切替が行われる。その結果、入力電流に歪みが発生し、力率の低下及び高調波ノイズが発生する。
Here, in the converter circuit as in
However, by detecting the input / output voltage through the low-pass filter, the detected input / output voltage is delayed in phase from the actual input / output voltage. Here, the control mode of step-up control, step-down control, and step-up / step-down control is determined by comparing the input voltage and the output voltage. In particular, the control mode of the power supply control unit is determined by the detected input voltage being delayed from the actual input voltage. The control mode is switched at a timing later than the command voltage for switching between. As a result, distortion occurs in the input current, resulting in a decrease in power factor and harmonic noise.
この発明は、前記の課題を解決するためになされたものであり、入力電圧を電源制御部に入力する際に、フィルタを設けた場合に生じる、実際の入力電圧に対する検出入力電圧の遅れを考慮して、最適なタイミングで制御モードの切替を行い、入力電流の高調波を抑制し、力率を向上することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problem, and takes into account the delay of the detected input voltage with respect to the actual input voltage that occurs when a filter is provided when the input voltage is input to the power supply control unit. Thus, the control mode is switched at an optimal timing, the harmonics of the input current are suppressed, and the power factor is improved.
この発明は、電源主回路部と電源制御部とからなり、
前記電源主回路部は、交流電圧を全波整流する全波整流回路と、前記全波整流回路で全波整流された後の入力電圧をフィルタを通して検出する入力電圧検出部と、スイッチング素子及びリアクトルを有して前記全波整流回路によって得られた前記入力電圧を目標とする出力電圧に変換する昇降圧コンバータと、前記昇降圧コンバータで電圧変換された後の出力電圧を検出する出力電圧検出部と、前記昇降圧コンバータのリアクトルに流れるリアクトル電流を検出するリアクトル電流検出部とを備え、
前記電源制御部は、前記各検出部で検出された検出信号に基づいて前記昇降圧コンバータの前記スイッチング素子をオンオフ制御することにより前記出力電圧を制御すると共に、前記リアクトル電流を制御して入力電流波形を入力電圧波形に近づける力率改善制御を行う電力変換装置であって、
前記電源制御部は、前記昇降圧コンバータを制御するモードとして昇圧制御、降圧制御、昇降圧制御のうちの少なくとも二つ以上の制御モードを有すると共に、前記いずれか二つの制御モード間を切り替えるタイミングを、前記入力電圧検出部により検出した入力電圧検出値と、前記制御モードを切り替える電圧指令値である制御切替指令電圧を前記フィルタを通して検出した前記入力電圧検出値の検出遅れに基づいて補正した値とを比較することにより決定するものである。
The present invention comprises a power supply main circuit section and a power supply control section.
The power supply main circuit unit includes a full-wave rectification circuit for full-wave rectification of an alternating voltage, an input voltage detection unit for detecting an input voltage after full-wave rectification by the full-wave rectification circuit, a switching element, and a reactor. A buck-boost converter that converts the input voltage obtained by the full-wave rectifier circuit into a target output voltage, and an output voltage detector that detects an output voltage after voltage conversion by the buck-boost converter And a reactor current detection unit that detects a reactor current flowing in the reactor of the step-up / down converter,
The power supply control unit controls the output voltage by controlling on / off of the switching element of the buck-boost converter based on the detection signal detected by each of the detection units, and also controls the reactor current to control the input current. A power conversion device that performs power factor correction control that brings a waveform closer to an input voltage waveform,
The power supply control unit has at least two control modes of step-up control, step-down control, and step-up / step-down control as modes for controlling the step-up / step-down converter, and a timing for switching between the two control modes. The input voltage detection value detected by the input voltage detection unit, and a value obtained by correcting a control switching command voltage, which is a voltage command value for switching the control mode, based on a detection delay of the input voltage detection value detected through the filter, Is determined by comparing.
この発明によれば、昇降圧コンバータを制御するモードとして昇圧制御、降圧制御、昇降圧制御のうちのいずれか二つの制御モード間を切り替えるタイミングを、入力電圧検出部により検出した入力電圧検出値と、制御モードを切り替える電圧指令値である制御切替指令電圧をフィルタを通して検出した入力電圧検出値の検出遅れに基づいて補正した値とを比較して決定するようにしたので、制御モード切替時の入力電流歪みを抑制することができ、電力変換装置の力率を向上させることができる。 According to the present invention, the input voltage detection value detected by the input voltage detection unit and the timing for switching between any two control modes of step-up / step-down control and step-up / step-down control as modes for controlling the step-up / step-down converter, The control switching command voltage, which is the voltage command value for switching the control mode, is determined by comparing it with the value corrected based on the detection delay of the detected input voltage value detected through the filter. Current distortion can be suppressed, and the power factor of the power converter can be improved.
実施の形態1.
図1及び図2は、この発明の実施の形態1による電力変換装置の電源主回路部1及び電源制御部2を示す回路ブロック図であり、実施の形態1の電力変換装置は、図1の電源主回路部1と図2の電源制御部2とを備えている。
1 and 2 are circuit block diagrams showing a power supply
図1に示す電源主回路部1は、交流電源3から供給された交流入力電圧vacを全波整流するためのダイオードブリッジで構成された全波整流回路4、全波整流後の入力電圧(脈流電圧)|vac|に含まれているスイッチングノイズを平滑するための小容量の入力コンデンサC1、後に詳述する昇降圧コンバータ5(以降、単にコンバータ5という)、および当該コンバータ5の出力電圧の脈動を平滑させて直流の出力電圧vdcを得るための出力コンデンサC2を、主要構成として備えている。そして、この電源主回路部1の直流電力出力側には負荷9が接続されている。
A power supply
また、電源主回路部1は、リアクトル電流検出部6、入力電圧検出部7、および出力電圧検出部8を備えており、これらの検出部が特許請求の範囲における各検出部に相当する。入力電圧検出部7は、入力電圧|vac|の瞬時値を入力電圧検出値vinとして検出するもので、直列に接続された分圧抵抗R1、R2を備え、さらに、ローパスフィルタとして分圧抵抗R2に並列に接続されたコンデンサCinを備えている。また、出力電圧検出部8は、直流化された出力電圧vdcの瞬時値を出力電圧検出値voとして検出するものであり、直列に接続された分圧抵抗R3、R4を備えている。なお、リアクトル電流検出部6による電流検出の内容については後述する。
The power supply
コンバータ5は、全波整流回路4により全波整流された入力電圧(脈流電圧)|vac|を、目標とする出力電圧vdcに調整するものである。このコンバータ5は、降圧型アームを構成する第1スイッチング素子Q1と第1ダイオードD1、および昇圧型アームを構成する第2スイッチング素子Q2と第2ダイオードD2を備えている。また、第1スイッチング素子Q1と第1ダイオードD1の接続点と、第2スイッチング素子Q2とダイオードD2の接続点との間には、リアクトルLが設けられている。なお、第1、第2スイッチング素子Q1、Q2は、電源制御部2で生成したオンオフ制御用のスイッチ信号により駆動されるFET(Field Effect Transister)素子やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)素子などである。
The
そして、第1スイッチング素子Q1と第1ダイオードD1は入力電圧|vac|に対して直列に接続され、また、第2スイッチング素子Q2と第2ダイオードD2は負荷9に対して直列に接続されている。この回路構成により、コンバータ5は、昇圧機能と、降圧機能と、昇降圧機能とを発揮できる。
The first switching element Q1 and the first diode D1 are connected in series with the input voltage | vac |, and the second switching element Q2 and the second diode D2 are connected in series with the
次に、電源制御部2の機能について説明する。
電源制御部2は、入出力電圧検出部7及び8により検出した入出力電圧検出値vin及びvoを入力し、これら入出力電圧の関係に応じて昇圧制御、降圧制御、昇降圧制御のうちいずれか1つの適した制御モードを選択すると共に、リアクトル電流検出部6により検出したリアクトル電流iLが目標リアクトル電流iL*になるように、適切なスイッチングパターンでコンバータ5のスイッチング素子のオンオフ制御を行う。
Next, functions of the power
The power
具体的には、電源制御部2は、図3に示すように、入力電圧検出値(vin)≦第1制御切替指令電圧(vo1*)の場合は、第1スイッチング素子Q1を常時オンして第2スイッチング素子Q2をスイッチング動作させることでコンバータ5を昇圧コンバータとして動作させる。入力電圧検出値(vin)≧第2制御切替指令電圧(vo2*)の場合は、第2スイッチング素子Q2を常時オフして第1スイッチング素子Q1をスイッチング動作させることでコンバータ5を降圧コンバータとして動作させる。第1制御切替指令電圧(vo1*)<入力電圧検出値(vin)<第2制御切替指令電圧(vo2*)の場合は、第1及び第2スイッチング素子Q1、Q2を同期させて同時にスイッチング動作させることでコンバータ5を昇降圧コンバータとして動作させる。ここで、制御モードを切り替える際の制御切替指令電圧として、昇圧制御と昇降圧制御との制御切替指令電圧を第1制御切替指令電圧(vo1*)と、降圧制御と昇降圧制御との制御切替指令電圧を第2制御切替指令電圧(vo2*)としており、入力電流歪みを抑制し、力率を高く保つためには目標出力電圧(vo*)に対して、vo1*≦vo*≦vo2*となるように設定する。
Specifically, as shown in FIG. 3, when the input voltage detection value (vin) ≦ the first control switching command voltage (vo1 *), the power
なお、コンバータ5の回路構成として、第1及び第2ダイオードD1、D2をFET素子やIGBT素子などの第3及び第4スイッチング素子Q3、Q4に変更し、昇圧制御時は、第2スイッチング素子Q2と第4スイッチング素子Q4のオンオフを逆論理で動作させ、降圧制御時は、第1スイッチング素子Q1と第3スイッチング素子Q3のオンオフを逆論理で動作させ、昇降圧制御時は、第1及び第2スイッチング素子Q1、Q2と第3及び第4スイッチング素子Q3、Q4のオンオフを逆論理で動作させる同期整流方式としてもよい。
As the circuit configuration of the
昇圧制御時には、電源制御部2は、第1スイッチング素子Q1を常時オンして第2スイッチング素子Q2をスイッチング動作させるので、リアクトルLに流れるリアクトル電流iLは、入力電流iinに対応したものとなる。また、降圧制御時には、電源制御部2は、第2スイッチング素子Q2を常時オフして第1スイッチング素子Q1をスイッチング動作させるので、リアクトルLに流れるリアクトル電流iLは、出力電流ioに対応したものとなる。さらに、昇降圧制御時には、電源制御部2は、第1及び第2スイッチング素子Q1、Q2を同期させて同時にスイッチング動作させるので、リアクトルLには、第1及び第2スイッチング素子Q1及びQ2がオンの期間に入力電流iinに対応した電流が流れ、第1及び第2スイッチング素子Q1及びQ2がオフの期間に出力電流ioに対応した電流が流れる。
During boost control, the power
そして、電源制御部2は、昇圧制御時は全波整流後の入力電流iinに対応して得られた値に基づいて、また、降圧制御時は出力電流ioに対応して得られた値に基づいて、さらに、昇降圧制御時は入力電流iin及び出力電流ioに対応して得られた値に基づいて、それぞれリアクトル電流iLの制御目標となる目標リアクトル電流iL*を設定する。そして、電源制御部2は、リアクトル電流iLが目標リアクトル電流iL*となるように制御することにより、最適に入力電流iinの位相と波形を制御することが可能となる。
Then, the power
また、電源制御部2は、コンバータ5の第1、第2スイッチング素子Q1、Q2をオンオフ制御することにより、昇圧制御、降圧制御、又は昇降圧制御のいずれの場合においても、交流入力電流iacが交流入力電圧vacとほぼ同位相で同波形となるように全波整流後の入力電流iinを制御するPFC(PFC:Power Factor Correction)制御を行う。このPFC制御において、入力電流iinを制御する際の制御目標値となる目標入力電流iin*は、力率改善を図る上で、入力電圧|vac|と同じ位相で同じ脈流波形となるように生成する必要があるが、それには、コンバータ5のリアクトルLに流れるリアクトル電流iLを制御することにより調整することができる。そして、リアクトル電流iLの単位時間ごとの平均が目標リアクトル電流iL*に一致するように、電源制御部2はコンバータ5の第1、第2スイッチング素子Q1、Q2を制御する。
Further, the power
ここで、目標リアクトル電流iL*の設定にあたって、リアクトル電流iLの単位時間ごとの平均が目標リアクトル電流iL*となるように制御する必要がある。そのためには、図4に示すように、ピーク電流制御によって目標リアクトル電流iL*の2倍の値を目標ピーク電流iref*として設定すればよい。すなわち、リアクトル電流iLが0に達した瞬間にリアクトル電流iLを立ち上げ、目標ピーク電流iref*に達した瞬間にリアクトル電流iLを立ち下げるようにする。そうすれば、リアクトル電流iLが目標リアクトル電流iL*を超えた分で目標リアクトル電流iL*に達しないリアクトル電流iLの不足分を埋め合わせることになるため、リアクトル電流iLの単位時間ごとの平均を目標リアクトル電流iL*に一致させることができる。したがって、目標リアクトル電流iL*と目標ピーク電流iref*との関係は、次の式(1)となる。 Here, when setting the target reactor current iL *, it is necessary to perform control so that the average of the reactor current iL per unit time becomes the target reactor current iL *. For this purpose, as shown in FIG. 4, a value twice the target reactor current iL * may be set as the target peak current iref * by peak current control. That is, the reactor current iL is raised at the moment when the reactor current iL reaches 0, and the reactor current iL is lowered at the moment when it reaches the target peak current iref *. Then, since the reactor current iL exceeds the target reactor current iL *, the shortage of the reactor current iL that does not reach the target reactor current iL * is compensated. Therefore, the average of the reactor current iL per unit time is set as the target. It can be made to coincide with the reactor current iL *. Therefore, the relationship between the target reactor current iL * and the target peak current iref * is expressed by the following equation (1).
iref*=2×iL* ・・・(1) iref * = 2 × iL * (1)
さて、実際には、電源主回路部1の入出力電圧検出部7及び8により入出力電圧検出値vin、voを検出して電源制御部2に入力する際に、電源制御部2による制御の誤動作を防ぐために、電源主回路部1で生じるスイッチング等によるノイズを除去する必要がある。そこで、図1に示すように、電源主回路部1の入出力電圧検出部7及び8に、ローパスフィルタを設け、入出力電圧検出値vin、voをこのローパスフィルタを通して電源制御部2に入力するようにしている。なお、図1では入力電圧検出部7のみに分圧抵抗R2及びコンデンサC2からなるローパスフィルタを記載しており、出力電圧検出部8のローパスフィルタは図示省略している。
Actually, when the input / output voltage detection values vin and vo are detected by the input / output
図5は前記のようなローパスフィルタを設けた場合の入出力電圧の実電圧波形(入力電圧:AC200V、出力電圧:DC200V)に対する電源制御部2に入力される入力電圧検出値vinの波形の概略図を示す。図5において、実入力電圧値が実出力電圧値(200V)より小さいときにコンバータ5は昇圧制御を行い、実入力電圧値が実出力電圧値(200V)以上のときにコンバータ5は降圧制御を行うように、電源制御部2が制御切替指令を与えている。なお、図5では、説明の簡略化のため、昇降圧制御については省略し、昇圧制御と降圧制御の切り替え動作について説明する。電源制御部2に入力される入力電圧検出値vinは、ローパスフィルタを通すことで実入力電圧値に対して位相が遅れる。この場合、実入力電圧値と直流の実出力電圧値の比較で制御方法を決定しており、実入力電圧値より入力電圧検出値vinが遅れることにより、電源制御部2の制御切替指令よりも遅れたタイミングで制御の切替が行われる。その結果、図5に示すように、実入力電圧>実出力電圧の期間に昇圧制御、実入力電圧<実出力電圧の期間に降圧制御の動作が生じてしまう。
FIG. 5 shows an outline of the waveform of the input voltage detection value vin input to the
ここで、昇圧制御時には、第1スイッチング素子Q1を常にオンとしている状態で、第2スイッチング素子Q2をオンすることでリアクトルLにエネルギーが蓄積され、リアクトル電流iLは増加し、第2スイッチングQ2をオフすることでリアクトルLに蓄積されたエネルギーが放出され、リアクトル電流iLは減少する。
しかし、昇圧制御時に実入力電圧>実出力電圧となることで、第2スイッチング素子Q2をオフにした場合でもリアクトルLには正の電圧が印加され、リアクトル電流iLは増加を続けてしまう。
Here, during the boost control, when the second switching element Q2 is turned on while the first switching element Q1 is always turned on, energy is accumulated in the reactor L, the reactor current iL increases, and the second switching Q2 is turned on. By turning off, the energy accumulated in the reactor L is released, and the reactor current iL decreases.
However, since the actual input voltage is greater than the actual output voltage during boost control, a positive voltage is applied to the reactor L even when the second switching element Q2 is turned off, and the reactor current iL continues to increase.
一方、降圧制御時には、第2スイッチング素子Q2を常にオフとしている状態で、第1スイッチング素子Q1をオンすることでコンバータ5の入力部と出力部が導通し、リアクトル電流iLは増加し、第1スイッチング素子Q1をオフすることでコンバータ5の入力部と出力部が切り離され、リアクトル電流iLは減少する。
しかし、降圧制御時に実入力電圧<実出力電圧となることで、第1スイッチング素子Q1をオンにした場合でもリアクトルLに電流が流れなくなってしまう。
そのため、前記の現象により、図5に示すように、リアクトル電流iLつまり入力電流iinに歪みが発生し、電力変換装置の力率の低下及び高調波ノイズが発生する。
On the other hand, at the time of step-down control, when the first switching element Q1 is turned on while the second switching element Q2 is always turned off, the input part and the output part of the
However, since the actual input voltage is less than the actual output voltage during the step-down control, no current flows through the reactor L even when the first switching element Q1 is turned on.
Therefore, due to the above phenomenon, as shown in FIG. 5, the reactor current iL, that is, the input current iin is distorted, and the power factor of the power conversion device is reduced and harmonic noise is generated.
そこで、本実施の形態では、ローパスフィルタを設けた場合に生じる、実入力電圧に対する電源制御部2に入力される入力電圧検出値vinの遅れを考慮した値である制御切替指令電圧補正値を制御切替指令電圧に加算して制御切替を実施することで、最適なタイミングで制御モードの切替を行い、入力電流iinの高調波を抑制し、力率を向上することができる電力変換装置を提供する。
Therefore, in the present embodiment, the control switching command voltage correction value, which is a value taking into account the delay of the input voltage detection value vin input to the power
具体的には、電源制御部2は、入力電圧検出値vinと、第1及び第2制御切替指令電圧vo1*、vo2*を補正した値vo1*+a、vo2*+bに基づき、昇圧制御、降圧制御、昇降圧制御のうち、いずれかの制御を行うかを決定する。そして、電源制御部2は、昇圧制御と決定した場合は、第1スイッチング素子Q1を常時オンして第2スイッチング素子Q2をスイッチング動作させることでコンバータ5を昇圧コンバータとして動作させる。また、電源制御部2は、降圧制御と決定した場合は、第2スイッチング素子Q2を常時オフして第1スイッチング素子Q1をスイッチング動作させることでコンバータ5を降圧コンバータとして動作させる。さらに、電源制御部2は、昇降圧制御と決定した場合は、第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2を同期させてスイッチング動作させることでコンバータ5を昇降圧コンバータとして動作させる。
Specifically, the power
次に、電源制御部2が、入力電圧|vac|を入力電圧検出値vinとして検出する際に生じるローパスフィルタによる位相遅れを補正するための制御について説明する。
電源制御部2は、実際の入力電圧|vac|に対する入力電圧検出値vinの位相遅れを補正するための補正値a、bを決定するため、現在の入力電圧波形の傾きが正であるか負であるかの判断を行う。この判断は、例えば、入力電圧検出部7で入力電圧|vac|を検出して得られる現在の入力電圧検出値vin(n)と0.1ms前の入力電圧検出値vin(n−1)との大きさを比較することにより行う。vin(n)>vin(n−1)であれば入力電圧波形の傾きは正であり、vin(n)≦vin(n−1)であれば入力電圧波形の傾きは負である。
入力電圧波形の傾きが正の場合、現在の入力電圧検出値vinは、図6で示す入力電圧波形の左半面の状態であると判断され、左半面用の制御切替指令電圧補正値a1、b1がa、bにセットされる。入力電圧波形の傾きが負の場合、現在の入力電圧検出値vinは、図6で示す入力電圧波形の右半面の状態であると判断され、右半面用の制御切替指令電圧補正値a2、b2がa、bにセットされる。この補正値a、bは入力電圧|vac|を検出する際に生じるローパスフィルタによる位相遅れを補正するための補正値であるため、a1、b1は負の値、a2、b2は正の値となっている。
Next, control for correcting a phase delay caused by a low-pass filter that occurs when the power
Since the power
If the slope of the input voltage waveform is positive, the current input voltage detection value vin is determined to be in the state of the left half of the input voltage waveform shown in FIG. 6, and the control switching command voltage correction values a1, b1 for the left half are shown. Are set to a and b. When the slope of the input voltage waveform is negative, it is determined that the current input voltage detected value vin is in the state of the right half of the input voltage waveform shown in FIG. 6, and the control switching command voltage correction values a2, b2 for the right half are shown. Are set to a and b. Since the correction values a and b are correction values for correcting the phase delay caused by the low-pass filter that occurs when the input voltage | vac | is detected, a1 and b1 are negative values, and a2 and b2 are positive values. It has become.
そして、電源制御部2は、入力電圧検出値vinと、第1及び第2制御切替指令電圧を補正した値vo1*+a、vo2*+bとを比較することで、昇圧制御、降圧制御、又は昇降圧制御とを切り替える。具体的には、vin≦vo1*+aのとき昇圧制御を行い、vin≧vo2*+bのとき降圧制御を行い、vo1*+a<vin<vo2*+bのとき昇降圧制御を行う。この場合、昇圧制御ではコンバータ5は昇圧コンバータとして機能し、降圧制御ではコンバータ5は降圧コンバータとして機能し、昇降圧制御ではコンバータ5は昇降圧コンバータとして機能することになる。
Then, the power
ここで、第1及び第2制御切替指令電圧vo1*、vo2*は、前記のように目標出力電圧vo*に基づいて決定される。しかし、図7及び図8に示すように、同じ目標出力電圧vo*の場合であっても、入力電圧|vac|が大きくなると、目標出力電圧vo*付近の入力電圧|vac|の傾きが大きくなり、入力電圧検出値vinを検出する際のローパスフィルタによる位相遅れ分に相当する電圧変化量が大きくなる。
そこで、目標出力電圧vo*が同じ場合であって、入力電圧|vac|が大きくなると、昇圧制御と昇降圧制御の間の第1制御切替指令電圧vo1*の補正値aも大きくなるように設定する。すなわち、図7(a)の場合(|vac|が小さい場合)の最適な第1制御切替指令電圧vo1*の補正値a1(1)及びa2(1)の絶対値に対する、図7(b)の場合(|vac|が大きい場合)の最適な補正値a1(2)及びa2(2)の絶対値を大きく設定する。なお、a1(1)<0、a1(2)<0、a2(1)>0、a2(2)>0である。
Here, the first and second control switching command voltages vo1 * and vo2 * are determined based on the target output voltage vo * as described above. However, as shown in FIGS. 7 and 8, even when the target output voltage vo * is the same, when the input voltage | vac | increases, the slope of the input voltage | vac | near the target output voltage vo * increases. Thus, the amount of voltage change corresponding to the phase delay due to the low-pass filter when detecting the input voltage detection value vin becomes large.
Therefore, when the target output voltage vo * is the same and the input voltage | vac | increases, the correction value a of the first control switching command voltage vo1 * between the boost control and the step-up / step-down control is also set to increase. To do. That is, FIG. 7B shows the absolute values of the correction values a1 (1) and a2 (1) of the optimum first control switching command voltage vo1 * in the case of FIG. 7A (when | vac | is small). In this case (when | vac | is large), the optimum absolute values of the optimum correction values a1 (2) and a2 (2) are set large. Note that a1 (1) <0, a1 (2) <0, a2 (1)> 0, and a2 (2)> 0.
図7では、入力電圧レベルに応じて昇圧制御と昇降圧制御の切替における制御切替指令電圧vo1*の補正値aを変化させることについて説明したが、同様に、降圧制御と昇降圧制御の切替における第2制御切替指令電圧vo2*の補正値bも入力電圧レベルに応じて、その絶対値を変化させるようにする。
すなわち、目標出力電圧vo*が同じ場合であって、入力電圧|vac|が大きくなると、降圧制御と昇降圧制御の間の第2制御切替指令電圧vo2*の補正値bも大きくなるように設定する。つまり、図8(a)の場合(|vac|が小さい場合)の最適な第2制御切替指令電圧vo2*の補正値b1(1)及びb2(1)の絶対値に対する、図8(b)の場合(|vac|が大きい場合)の最適な補正値b1(2)及びb2(2)の絶対値は大きくなるように設定する。なお、b1(1)<0、b1(2)<0、b2(1)>0、b2(2)>0である。
In FIG. 7, it has been described that the correction value “a” of the control switching command voltage vo <b> 1 * in switching between step-up control and step-up / step-down control is changed according to the input voltage level. The absolute value of the correction value b of the second control switching command voltage vo2 * is also changed according to the input voltage level.
That is, when the target output voltage vo * is the same and the input voltage | vac | is increased, the correction value b of the second control switching command voltage vo2 * between the step-down control and the step-up / step-down control is also set to be increased. To do. That is, FIG. 8B shows the absolute values of the correction values b1 (1) and b2 (1) of the optimum second control switching command voltage vo2 * in the case of FIG. 8A (when | vac | is small). In this case (when | vac | is large), the optimum correction values b1 (2) and b2 (2) are set so as to be large in absolute value. Note that b1 (1) <0, b1 (2) <0, b2 (1)> 0, and b2 (2)> 0.
次に、入力電圧|vac|のレベルが同じであり、目標とする出力電圧vdcが変化した場合について説明する。図9及び図10に示すように、入力電圧|vac|のレベルが同じであっても、目標とする出力電圧vdcが大きくなり入力電圧|vac|のピーク電圧値に近いほど、入力電圧|vac|の傾きが小さくなり、入力電圧検出値vinを検出する際のローパスフィルタによる位相遅れ分に相当する電圧変化量が小さくなる。
そこで、入力電圧|vac|のレベルが同じであり、目標とする出力電圧vdcが大きくなった場合、昇圧制御と昇降圧制御の間の第1制御切替指令電圧vo1*の補正値aを小さく設定する。すなわち、図9(a)の場合(vdcが小さい場合)の最適な第1制御切替指令電圧vo1*(1)の補正値a1(1)及びa2(1)の絶対値に対する、図9(b)の場合(vdcが大きい場合)の第1制御切替指令電圧vo1*(2)の最適な補正値a1(2)及びa2(2)の絶対値を小さく設定する。なお、a1(1)<0、a1(2)<0、a2(1)>0、a2(2)>0である。
Next, the case where the level of the input voltage | vac | is the same and the target output voltage vdc has changed will be described. As shown in FIG. 9 and FIG. 10, even if the level of the input voltage | vac | is the same, as the target output voltage vdc increases and becomes closer to the peak voltage value of the input voltage | vac | The slope of | is reduced, and the amount of voltage change corresponding to the phase delay due to the low-pass filter when detecting the input voltage detection value vin is reduced.
Therefore, when the level of the input voltage | vac | is the same and the target output voltage vdc is increased, the correction value a of the first control switching command voltage vo1 * between the boost control and the step-up / step-down control is set small. To do. That is, FIG. 9B shows the absolute values of the correction values a1 (1) and a2 (1) of the optimum first control switching command voltage vo1 * (1) in the case of FIG. 9A (when vdc is small). ) (When vdc is large), the optimum correction values a1 (2) and a2 (2) of the first control switching command voltage vo1 * (2) are set to be small. Note that a1 (1) <0, a1 (2) <0, a2 (1)> 0, and a2 (2)> 0.
図9では、目標とする出力電圧vdcに応じて昇圧制御と昇降圧制御の切替における第1制御切替指令電圧vo1*の補正値aを変化させることについて説明したが、同様に、降圧制御と昇降圧制御の切替における第2制御切替指令電圧vo2*の補正値bも目標とする出力電圧vdcに応じて、その絶対値を変化させるようにする。
すなわち、入力電圧|vac|のレベルが同じであり、目標とする出力電圧vdcが大きくなると、入力電圧検出値vinを検出する際のローパスフィルタによる位相遅れ分に相当する電圧変化量が小さくなる。そこで、図10(a)の場合(vdcが小さい場合)の最適な第2制御切替指令電圧vo2*(1)の補正値b1(1)及びb2(1)の絶対値に対する、図10(b)の場合(vdcが大きい場合)の最適な補正値b1(2)及びb2(2)の絶対値は小さくなるように設定する。
In FIG. 9, it has been described that the correction value “a” of the first control switching command voltage vo1 * in switching between the step-up control and the step-up / step-down control is changed according to the target output voltage vdc. The absolute value of the correction value b of the second control switching command voltage vo2 * in the pressure control switching is also changed according to the target output voltage vdc.
That is, when the level of the input voltage | vac | is the same and the target output voltage vdc increases, the amount of voltage change corresponding to the phase delay due to the low-pass filter when detecting the input voltage detection value vin decreases. Accordingly, FIG. 10B shows the absolute values of the correction values b1 (1) and b2 (1) of the optimal second control switching command voltage vo2 * (1) in the case of FIG. 10A (when vdc is small). ) (When vdc is large), the optimal correction values b1 (2) and b2 (2) are set to be small.
さらに、入力電圧|vac|のピーク電圧値と、目標とする出力電圧vdc(目標出力電圧vo*)とを同一とし、入力電圧|vac|の周波数を変化させた場合、当該周波数を高くするほど、入力電圧|vac|の曲線の傾きが大きくなり、入力電圧検出値vinを検出する際のローパスフィルタによる位相遅れ分に相当する電圧変化量が大きくなる。
そこで、入力電圧|vac|のレベルと、目標とする出力電圧vdc(目標出力電圧vo*)とが同じ場合で、入力電圧|vac|の周波数が高くなった場合、昇圧制御と昇降圧制御の間の第1制御切替指令電圧vo1*の補正値aを大きく設定する。すなわち、図11(a)の場合(周波数が低い場合)の最適な第1制御切替指令電圧vo1*の補正値a1(1)及びa2(1)の絶対値に対する、図11(b)の場合(周波数が高い場合)の第1制御切替指令電圧vo1*の最適な補正値a1(2)及びa2(2)の絶対値を小さく設定する。なお、a1(1)<0、a1(2)<0、a2(1)>0、a2(2)>0である。
Furthermore, when the peak voltage value of the input voltage | vac | is equal to the target output voltage vdc (target output voltage vo *) and the frequency of the input voltage | vac | is changed, the higher the frequency is, the higher the frequency is. , The slope of the curve of the input voltage | vac | is increased, and the amount of voltage change corresponding to the phase delay due to the low-pass filter when detecting the input voltage detection value vin is increased.
Therefore, when the level of the input voltage | vac | is the same as the target output voltage vdc (target output voltage vo *) and the frequency of the input voltage | vac | In the meantime, the correction value a of the first control switching command voltage vo1 * is set large. That is, in the case of FIG. 11B with respect to the absolute values of the correction values a1 (1) and a2 (1) of the optimum first control switching command voltage vo1 * in the case of FIG. 11A (when the frequency is low). The absolute values of the optimum correction values a1 (2) and a2 (2) of the first control switching command voltage vo1 * (when the frequency is high) are set small. Note that a1 (1) <0, a1 (2) <0, a2 (1)> 0, and a2 (2)> 0.
同様に、入力電圧|vac|のレベルと、目標とする出力電圧vdc(目標出力電圧vo*)とが同じ場合で、入力電圧|vac|の周波数が高くなった場合、降圧制御と昇降圧制御の間の第2制御切替指令電圧vo2*の補正値bを大きく設定する。すなわち、図12(a)の場合(周波数が低い場合)の最適な第2制御切替指令電圧vo2*の補正値b1(1)及びb2(1)の絶対値に対する、図12(b)の場合(周波数が高い場合)の第2制御切替指令電圧vo2*の最適な補正値b1(2)及びb2(2)の絶対値を小さく設定する。なお、b1(1)<0、b1(2)<0、b2(1)>0、b2(2)>0である。 Similarly, when the level of the input voltage | vac | is the same as the target output voltage vdc (target output voltage vo *) and the frequency of the input voltage | vac | The correction value b of the second control switching command voltage vo2 * is set to be large. That is, in the case of FIG. 12B with respect to the absolute values of the correction values b1 (1) and b2 (1) of the optimum second control switching command voltage vo2 * in the case of FIG. 12A (when the frequency is low). The absolute values of the optimum correction values b1 (2) and b2 (2) of the second control switching command voltage vo2 * (when the frequency is high) are set small. Note that b1 (1) <0, b1 (2) <0, b2 (1)> 0, and b2 (2)> 0.
このように入出力電圧条件に応じて、出力電圧条件から決まる第1、第2制御切替指令電圧vo1*、vo2*に対する最適な補正値a1、a2、b1、b2が変化するため、あらかじめ入力電圧と出力電圧の情報を外部から受信し、その入出力電圧情報に応じた第1、第2制御切替指令電圧vo1*、vo2*とその補正値a1、a2、b1、b2をテーブルに格納しておき、入出力電圧情報に応じてテーブルから読み出すことによって、制御切替を行うようにする。 Since the optimum correction values a1, a2, b1, b2 for the first and second control switching command voltages vo1 *, vo2 * determined from the output voltage conditions change according to the input / output voltage conditions in this way, And the output voltage information from the outside, and the first and second control switching command voltages vo1 *, vo2 * and their correction values a1, a2, b1, b2 corresponding to the input / output voltage information are stored in a table. Then, control switching is performed by reading from the table according to the input / output voltage information.
次に、電源制御部2の演算処理の内容について、図13及び図14のフローチャート、並びに図2の電源制御部2の回路ブロック図に基づいて説明する。なお、図13及び図14において各処理ステップをステップSで表す。また、図13及び図14のフローチャートのスタートからエンドまでの一連の処理は、所定の周期(ここでは0.02msの周期)で繰り返されるものとする。
Next, the contents of the arithmetic processing of the power
まず、電源制御部2が、演算処理を開始(START)すると、初期設定部20は外部から初期情報受信したかどうかを判断する(ステップS1)。初期設定部20は、ステップS1でYesの場合、初期設定カウンタinit−cntを1に設定して(ステップS01)、外部の上位システム等から入力電圧及び出力電圧の情報を受信する(ステップS2)。そして、初期設定部20のメモリ内に格納してあるテーブルから、入力電圧及び出力電圧の情報に応じた、昇圧制御と昇降圧制御との間の切り替えの目標となる第1制御切替指令電圧vo1*、降圧制御と昇降圧制御との間の切り替えの目標となる第2制御切替指令電圧vo2*、並びにそれら制御切替指令電圧の補正値a1、a2、b1、b2を読み出し(ステップS3)、読み出した値を制御切替指令電圧補正値決定部21に送りステップS4に進む。なお、ここでは、入力電圧及び出力電圧の情報を上位システム等の外部から受け取り、それに応じた制御切替指令電圧vo1*、vo2*、制御切替指令電圧の補正値a1、a2、b1、b2を設定することとしているが、これに限らず、これらの値は予め定められた定数であってもよい。
また、ステップS1においてNoの場合、初期設定の処理(ステップS01〜S3)を行うことなく、ステップS4に進む。
First, when the power
If No in step S1, the process proceeds to step S4 without performing the initial setting process (steps S01 to S3).
次に、ステップS4において、電源制御部2は、電源主回路部1の入力電圧検出部7により入力電圧|vac|を検出して得られる入力電圧検出値vin、および出力電圧検出部8により出力電圧vdcを検出して得られる出力電圧検出値voをそれぞれ取り込む。
Next, in step S <b> 4, the power
次に、制御切替指令電圧補正値決定部21は、現在の入力電圧状態に応じた適切な制御切替指令電圧の補正値a、bを求めるため、現在の入力電圧が図6の入力電圧波形の「左半面」にあるのか「右半面」にあるのか、つまり現在の入力電圧波形の傾きが正であるか負であるかの判断を行う。具体的には、前述したように、入力電圧検出部7で入力電圧を検出して得られる現在の入力電圧検出値vin(n)と0.1ms前の入力電圧検出値vin(n−1)との大きさを比較して、vin(n)>vin(n−1)であれば入力電圧波形の傾きは正であり、vin(n)≦vin(n−1)であれば入力電圧波形の傾きは負であると判断する。
Next, the control switching command voltage correction
現在の入力電圧波形の傾きが正であるか負であるかの判断は、具体的には、図13のフローチャートのステップS5〜S9で行われる。
まず、ステップS1において初期情報を受信した場合について説明する。初期情報を受信した場合、ステップS4からステップS7の処理を初期設定カウンタinit−cntが5になるまで、つまり5回繰り返す。そして、ステップS5において、現在の入力電圧検出値vinをvin[0]に、1回前の検出値vinをvin[1]に、2回前の検出値vinをvin[2]に、3回前の検出値vinをvin[3]に、4回前の検出値vinをvin[4]に設定する。そして、ステップS7において初期設定カウンタinit−cntが5になると、ステップS8に進み、初期設定カウンタinit−cntを10(5以上の値)に設定する。その後、ステップS9において、vin[4]<vin[0]であるかどうか判断する。なお、ステップS6は初期設定カウンタinit−cntをインクリメントする処理を示す。
Specifically, whether the current input voltage waveform slope is positive or negative is determined in steps S5 to S9 in the flowchart of FIG.
First, a case where initial information is received in step S1 will be described. When the initial information is received, the processing from step S4 to step S7 is repeated until the initial setting counter init-cnt becomes 5, that is, five times. In step S5, the current input voltage detection value vin is set to vin [0], the previous detection value vin is set to vin [1], and the previous detection value vin is set to vin [2] three times. The previous detection value vin is set to vin [3], and the previous detection value vin is set to vin [4]. When the initial setting counter init-cnt becomes 5 in step S7, the process proceeds to step S8, and the initial setting counter init-cnt is set to 10 (value of 5 or more). Thereafter, in step S9, it is determined whether or not vin [4] <vin [0]. Step S6 shows a process of incrementing the initial setting counter init-cnt.
次に、ステップS1において初期情報を受信しない場合について説明する。初期情報を受信しない場合は、ステップS4からステップS9までの通常のフロー処理を行う。すなわち、ステップS4において現在の入力電圧検出値vinを取り込むと、ステップS5において、現在の入力電圧検出値vinをvin[0]に、1回前の検出値vinをvin[1]に、2回前の検出値vinをvin[2]に、3回前の検出値vinをvin[3]に、4回前の検出値vinをvin[4]に更新する。そして、ステップS7では初期設定カウンタinit−cntが5以上なので、ステップS8、S9に進み、vin[4]<vin[0]であるかどうか判断する。 Next, a case where initial information is not received in step S1 will be described. When initial information is not received, normal flow processing from step S4 to step S9 is performed. That is, when the current input voltage detection value vin is fetched in step S4, in step S5, the current input voltage detection value vin is set to vin [0], and the previous detection value vin is set to vin [1] twice. The previous detection value vin is updated to vin [2], the detection value vin three times before is updated to vin [3], and the detection value vin four times before is updated to vin [4]. In step S7, since the initial setting counter init-cnt is 5 or more, the process advances to steps S8 and S9 to determine whether or not vin [4] <vin [0].
制御切替指令電圧補正値決定部21は、ステップS9においてvin[4]<vin[0]である場合は、図6の入力電圧波形の傾きは正である(図6の左半面)と判断して、制御切替指令電圧の補正値a、bにそれぞれa1、b1をセットする(ステップS10)。一方、ステップS9においてvin[4]<vin[0]でない場合は、図6の入力電圧波形の傾きは負である(図6の右半面)と判断して、制御切替指令電圧の補正値a、bにa2、b2をセットする(ステップS11)。
The control switching command voltage correction
次に、出力制御部30は、出力電圧検出値voと目標出力電圧vo*との偏差からPI制御などの演算により出力電圧vdcを所望の値に制御するための出力制御量i**を求める(ステップS100)。
Next, the
次に、比較部22は、入力電圧検出値vinと、ステップS10又は11で補正した制御切替指令電圧vo1*+a、vo2*+bとを比較し、電源主回路部1の制御モードを決定する(ステップS12)。すなわち、vin≦vo1*+aの場合は昇圧制御を行うため、比較部22は、前段のセレクタ23の共通接点cを昇圧制御側の個別接点aに接続し、また、後段のセレクタ26cの各昇圧制御側の個別接点aを共通接点cに接続する。vin≧vo2*+bの場合は降圧制御を行うため、比較部22は、前段のセレクタ23の共通接点cを降圧制御側の個別接点bに接続し、また、後段のセレクタ26cの各降圧制御側の個別接点bを共通接点cに接続する。vo1*+a<vin<vo2*+bの場合は昇降圧制御を行うため、比較部22は、前段のセレクタ23の共通接点cを昇降圧制御側の個別接点dに接続し、また、後段のセレクタ26cの各昇降圧制御側の個別接点dを共通接点cに接続する。
Next, the
次に、目標ピーク電流演算部24a、24b、24dは、それぞれ昇圧制御、降圧制御、昇降圧制御のための目標ピーク電流iref*を演算する(ステップS13〜S15)。
Next, the target peak
ここで、交流入力電流iacが交流入力電圧vacとほぼ同位相で同波形となるように全波整流後の入力電流iinを制御するPFC制御を行うために、目標リアクトル電流iL*を求め、前述の式(1)に示したように、この目標リアクトル電流iL*の2倍の値を目標ピーク電流iref*として設定する。 Here, in order to perform PFC control for controlling the input current iin after full-wave rectification so that the AC input current iac has substantially the same phase and waveform as the AC input voltage vac, the target reactor current iL * is obtained, As shown in equation (1), a value that is twice the target reactor current iL * is set as the target peak current iref *.
前述したように、昇圧制御のときリアクトルLには入力電流iinに対応した電流が流れ、降圧制御のときリアクトルLには出力電流ioに対応した電流が流れ、昇降圧制御のときリアクトルLには入力電流iin又は出力電流ioに対応した電流が流れるため、電源制御部2がコンバータ5を昇圧制御、降圧制御、又は昇降圧制御するかによって目標リアクトル電流iL*の演算方法を変更する。
As described above, the current corresponding to the input current iin flows through the reactor L during the boost control, the current corresponding to the output current io flows through the reactor L during the step-down control, and the reactor L during the step-up / down control. Since a current corresponding to the input current iin or the output current io flows, the calculation method of the target reactor current iL * is changed depending on whether the power
昇圧制御時には、リアクトルLには全波整流後の入力電流iinに対応した電流が流れるため、目標リアクトル電流iL*の制御は、入力電流iinに対応する電流を制御することとなる。よって、目標ピーク電流演算部24aにおいて、まず入力電流iinの目標値である目標入力電流iin*と前述の出力制御量i**とを用いて、次の式(2)により目標リアクトル電流iL*を算出する。
At the time of boost control, a current corresponding to the input current iin after full-wave rectification flows through the reactor L. Therefore, the control of the target reactor current iL * controls the current corresponding to the input current iin. Therefore, in the target peak
iL*=iin*×i** ・・・(2) iL * = iin ** × i ** (2)
そして、目標入力電流iin*を入力電圧|vac|を検出して得られる入力電圧検出値vinと同じ位相で、同じ脈流波形とするためには、目標入力電流iin*に代えて入力電圧検出値vinを使用すればよい。したがって、昇圧制御時の目標リアクトル電流iL*は、次の式(3)により設定することができる。 In order to set the target input current iin * to the same pulsating waveform with the same phase as the input voltage detection value vin obtained by detecting the input voltage | vac |, the input voltage detection is performed instead of the target input current iin *. The value vin may be used. Therefore, the target reactor current iL * at the time of boost control can be set by the following equation (3).
iL*=vin×i** ・・・(3) iL ** = vin × i ** (3)
そして、目標ピーク電流演算部24aは、ピーク電流制御による目標ピーク電流iref*を前述の式(1)と前記の式(3)とを用いて、次の式(4)により設定する。
Then, the target peak
iref*=2×iL*=2×vin×i** ・・・(4) iref * = 2 × iL * = 2 × vin × i ** (4)
また、降圧制御時には、リアクトルLには出力電流ioに対応した電流が流れるため、目標リアクトル電流iL*の制御は出力電流ioに対応する電流を制御することとなる。よって、目標ピーク電流演算部24bにおいて、まず出力電流ioと前述の出力制御量i**とを用いて、次の式(5)により目標リアクトル電流iL*を算出する。 Further, during the step-down control, a current corresponding to the output current io flows through the reactor L. Therefore, the control of the target reactor current iL * controls the current corresponding to the output current io. Therefore, in the target peak current calculation unit 24b, first, the target reactor current iL * is calculated by the following equation (5) using the output current io and the output control amount i **.
iL*=io×i** ・・・(5) iL ** = io * i ** (5)
電源主回路部1の電力変換効率を100%と仮定すると、入力電力と出力電力はエネルギー保存の法則から等しくなるので、出力電流ioは、目標入力電流iin*、入力電圧検出値vin、および出力電圧検出値voを用いて、次の式(6)により換算することができる。
Assuming that the power conversion efficiency of the power supply
io=(vin・iin*)/vo ・・・(6) io = (vin · iin *) / vo (6)
よって、式(5)と式(6)とから、 Therefore, from Equation (5) and Equation (6),
iL*={(vin・iin*)/vo}×i** ・・・(7) iL * = {(vin · iin *) / vo} × i ** (7)
ここで、目標入力電流iin*を入力電圧|vac|を検出して得られる入力電圧検出値vinと同じ位相で、同じ脈流波形とするためには、目標入力電流iin*に代えて入力電圧検出値vinを使用すればよい。したがって、降圧制御時の目標リアクトル電流iL*は、次の式(8)により設定することができる。 Here, in order to set the target input current iin * to the same pulsating waveform with the same phase as the input voltage detection value vin obtained by detecting the input voltage | vac |, the input voltage instead of the target input current iin * is used. The detection value vin may be used. Therefore, the target reactor current iL * at the time of step-down control can be set by the following equation (8).
iL*=(vin2/vo)×i** ・・・(8) iL ** = (vin 2 / vo) × i ** (8)
そして、目標ピーク電流演算部24bは、ピーク電流制御による目標ピーク電流iref*を前述の式(1)と前記の式(8)とを用いて、次の式(9)により設定する。 Then, the target peak current calculation unit 24b sets the target peak current iref * by the peak current control by the following formula (9) using the above formula (1) and the above formula (8).
iref*=2×i*L=(2×vin2/vo)×i** ・・・(9) iref * = 2 × i * L = (2 × vin 2 / vo) × i ** (9)
さらに、昇降圧制御時には、第1及び第2スイッチング素子Q1、Q2を同期して同時にオンオフ制御し、また、昇降圧制御時には入出力電圧差が小さい(|vac|≒vdc)ので、第1及び第2スイッチング素子Q1、Q2のスイッチングのデューティ比は約50%程度である。したがって、昇降圧制御時の目標リアクトル電流iL*は、第1及び第2スイッチング素子Q1、Q2が昇圧制御時の入力電流に対応した値(式(3)参照)の2倍(式(10))で、また、降圧制御時の出力電流に対応した値(式(8)参照)の2倍(式(11))で簡易的に計算することができる。 Further, during the buck-boost control, the first and second switching elements Q1, Q2 are simultaneously controlled on / off, and during the buck-boost control, the input / output voltage difference is small (| vac | ≈vdc). The switching duty ratio of the second switching elements Q1 and Q2 is about 50%. Therefore, the target reactor current iL * at the time of step-up / step-down control is twice the value corresponding to the input current at the time of step-up control by the first and second switching elements Q1 and Q2 (see Expression (3)) (Expression (10)). ), And can be simply calculated with twice the value corresponding to the output current at the time of step-down control (see Expression (8)) (Expression (11)).
iL*=2×vin×i** ・・・(10) iL * = 2 × vin × i ** (10)
iL*=2×vin2/vo×i** ・・・(11) iL ** = 2 × vin 2 / vo × i ** (11)
そして、目標ピーク電流演算部24dは、ピーク電流制御における目標ピーク電流iref*を前述の式(1)と前記の式(10)、(11)とを用いて、次の式(12)、(13)に設定する。
Then, the target peak
iref*=2×iL*=2×2×vin×i** ・・・(12) iref * = 2 × iL * = 2 × 2 × vin × i ** (12)
iref*=2×iL*=2×(2×vin2/vo)×i** ・・・(13) iref * = 2 × iL * = 2 × (2 × vin 2 / vo) × i ** (13)
なお、入出力電圧差がほぼ0のときの昇降圧制御時に用いる目標ピーク電流演算式は式(12)でも式(13)でも同様の値となり、どちらを適用しても構わない。 Note that the target peak current calculation formula used in the step-up / step-down control when the input / output voltage difference is substantially 0 is the same value in either formula (12) or formula (13), and either may be applied.
次に、スイッチ信号生成部25a、25b、25dは、電源主回路部1のリアクトル電流検出部6によりリアクトル電流iLを検出して取り込む(ステップS16)。そして、リアクトル電流iLと目標ピーク電流演算部24a、24b、24dで得られた各目標ピーク電流iref*を用いてピーク電流制御を行うためのスイッチ信号を生成する(ステップS17)。
Next, the switch
次に、スイッチ制御部26a、26b、26dは、ステップS17で生成した各スイッチ信号と昇圧制御、降圧制御、昇降圧制御に応じたスイッチングパターンにより第1及び第2スイッチング素子Q1、Q2のスイッチ制御を行う。すなわち、昇圧制御の場合、スイッチ制御部26aは、昇圧型アームを構成する第2スイッチング素子Q2に対してオンオフ用のスイッチ信号を、また、第1スイッチング素子Q1を常にオンするスイッチ信号を、それぞれ生成して出力する(ステップS18)。
Next, the
降圧制御の場合、スイッチ制御部26bは、降圧型アームを構成する第1スイッチング素子Q1に対してオンオフ用のスイッチ信号を、また、第2スイッチング素子Q2を常にオフするスイッチ信号をそれぞれ生成して出力する(ステップS19)。 In the case of step-down control, the switch control unit 26b generates an on / off switch signal for the first switching element Q1 constituting the step-down arm and a switch signal for always turning off the second switching element Q2. Output (step S19).
昇降圧制御の場合、スイッチ制御部26dは、第1スイッチング素子Q1および第2スイッチング素子Q2に対して同期させたオンオフ用のスイッチ信号を生成して出力する(ステップS20)。 In the case of the step-up / step-down control, the switch control unit 26d generates and outputs an on / off switch signal synchronized with the first switching element Q1 and the second switching element Q2 (step S20).
なお、実施の形態1では、電源制御部2において、初期設定部20、制御切替指令電圧補正値決定部21、比較部22、セレクタ23、目標ピーク電流演算部24a、24b、24d、スイッチ信号生成部25a、25b、25d、スイッチ制御部26a、26b、26d、出力制御部30を機能ごとにブロックに分けているが、制御プログラムを用いてこのような各機能の制御をマイクロコンピュータで実現することも可能である。
In the first embodiment, in the power
また、実施の形態1では、第1及び第2制御切替指令電圧vo1*、vo2*とその補正値a1、a2、b1、b2をテーブルに格納する方法を示したが、第1及び第2制御切替指令電圧vo1*、vo2*を補正した4つの値vo1*+a1、vo1*+a2、vo2*+b1、vo2*+b2を直接メモリ内に格納する方法でも構わない。 In the first embodiment, the first and second control switching command voltages vo1 * and vo2 * and the correction values a1, a2, b1, and b2 are stored in the table. A method may be used in which four values vo1 * + a1, vo1 * + a2, vo2 * + b1, and vo2 * + b2 obtained by correcting the switching command voltages vo1 * and vo2 * are directly stored in the memory.
さらに、前記では、テーブルに格納した第1及び第2制御切替指令電圧vo1*、vo2*とその補正値a1、a2、b1、b2や、メモリに格納した4つの値vo1*+a1、vo1*+a2、vo2*+b1、vo2*+b2を用いて制御切替指令電圧を導き出していたが、その代わりに、実際の入出力電圧検出値vin、voを用いて、電源制御部2内の演算により制御切替指令電圧を算出してもよい。
Furthermore, in the above, the first and second control switching command voltages vo1 *, vo2 * stored in the table and their correction values a1, a2, b1, b2 and the four values vo1 * + a1, vo1 * + a2 stored in the memory. , Vo2 * b1 and vo2 * + b2 are used to derive the control switching command voltage, but instead, the control switching command is calculated by calculation in the power
また、前記では、入力電圧検出部7に、一定の時定数(RC定数)を有する分圧抵抗R2及びコンデンサCinからなるローパスフィルタを備えたものを開示しているが、これに限らず、一定の時定数を有すると共に検出する入力電圧の雑音を減衰するフィルタを備えたものでも構わない。
In the above description, the input
以上のように、実施の形態1によれば、昇降圧コンバータを制御するモードとして昇圧制御、降圧制御、昇降圧制御のうちのいずれか二つの制御モード間を切り替えるタイミングを、入力電圧検出部により検出した入力電圧検出値と、制御モードを切り替える電圧指令値である制御切替指令電圧をローパスフィルタを通して検出した入力電圧検出値の検出遅れに基づいて補正した値とを比較することにより決定するようにしたので、制御モード切替時の入力電流歪みを抑制することができ、電力変換装置の力率を向上させることが可能となる。 As described above, according to the first embodiment, the timing for switching between any two of the boost control, the buck control, and the buck-boost control as the mode for controlling the buck-boost converter is determined by the input voltage detection unit. The detected input voltage detection value is determined by comparing the control switching command voltage, which is a voltage command value for switching the control mode, with a value corrected based on the detection delay of the input voltage detection value detected through the low pass filter. Therefore, the input current distortion at the time of control mode switching can be suppressed, and the power factor of the power converter can be improved.
また、制御切替指令電圧を補正するための補正値として、入力電圧検出部で検出した現在の入力電圧検出値が、入力電圧波形の傾きが正または負のいずれの部分にあるかに基づいて決定するようにしたので、制御モードの切り替えが最適なタイミングとなり、入力電流歪みの抑制及び電力変換装置の力率の向上を図ることができる。 Also, as a correction value for correcting the control switching command voltage, the current input voltage detection value detected by the input voltage detection unit is determined based on whether the slope of the input voltage waveform is in the positive or negative part. As a result, the switching of the control mode is at an optimal timing, so that the input current distortion can be suppressed and the power factor of the power converter can be improved.
さらに、制御切替指令電圧を補正するための補正値として、入力電圧のレベル、目標とする出力電圧のレベル、入力電圧の周波数のうち少なくとも1つの条件に基づいて決定するようにしたので、制御モードの切り替えが最適なタイミングとなり、入力電流歪みの抑制及び電力変換装置の力率の向上を図ることができる。 Further, since the correction value for correcting the control switching command voltage is determined based on at least one of the input voltage level, the target output voltage level, and the input voltage frequency, the control mode Is the optimal timing, so that the input current distortion can be suppressed and the power factor of the power converter can be improved.
なお、この実施の形態1では、リアクトル電流iLの電流制御方式はピーク電流制御方式として説明したが、このようなピーク電流制御方式に限ることはない。
例えば、図15に示すように、目標リアクトル電流iL*に対して一定幅±ΔTの上下2つの第1及び第2目標リアクトル電流iL1*、iL2*を定め、第1目標リアクトル電流iL1*と第2目標リアクトル電流iL2*の間でリアクトル電流iLを増減させるヒステリシスコンパレータ制御方式を適用することができる。
また、図16に示すように、上限目標リアクトル電流iL3*とその分圧値の下限目標リアクトル電流iL4*との中心位置に目標リアクトル電流iL*が位置するように上限目標リアクトル電流iL3*を定め、両目標リアクトル電流iL3*とiL4*の間でリアクトル電流iLを増減させるウインドウコンパレータ制御方式などを適用することも可能である。
In the first embodiment, the current control method of reactor current iL has been described as the peak current control method, but is not limited to such a peak current control method.
For example, as shown in FIG. 15, two upper and lower first and second target reactor currents iL1 * and iL2 * having a constant width ± ΔT with respect to the target reactor current iL * are determined, and the first target reactor current iL1 * and the first A hysteresis comparator control system that increases or decreases the reactor current iL between the two target reactor currents iL2 * can be applied.
Also, as shown in FIG. 16, the upper limit target reactor current iL3 * is determined so that the target reactor current iL * is located at the center position between the upper limit target reactor current iL3 * and the lower limit target reactor current iL4 * of the divided value. It is also possible to apply a window comparator control method that increases or decreases the reactor current iL between the target reactor currents iL3 * and iL4 *.
実施の形態2.
前記実施の形態1では、入出力電圧情報に応じた制御切替指令電圧vo1*、vo2*及びその補正値a1、a2、b1、b2をテーブルに、あるいは、制御切替指令電圧補正値vo1*+a1、vo1*+a2、vo2*+b1、vo2*+b2をメモリに格納しておく方法について説明したが、実施の形態2で説明するように、あらかじめローパスフィルタの時定数(RC定数)、入力電圧の周波数及び入力電圧のレベル(入力電圧検出値vinのピーク電圧)に対する制御切替指令電圧vo1*、vo2*を用いた近似式を求めておき、この近似式を用いた演算から制御切替指令電圧の補正値a、bを求めるようにしてもよい。
In the first embodiment, the control switching command voltages vo1 *, vo2 * and their correction values a1, a2, b1, b2 corresponding to the input / output voltage information are tabled, or the control switching command voltage correction values vo1 * + a1, The method for storing vo1 * + a2, vo2 * + b1, and vo2 * + b2 in the memory has been described. As described in the second embodiment, the time constant (RC constant) of the low-pass filter, the frequency of the input voltage, and the like. An approximate expression using the control switching command voltages vo1 * and vo2 * with respect to the level of the input voltage (the peak voltage of the input voltage detection value vin) is obtained, and the correction value a of the control switching command voltage is calculated from the calculation using the approximate expression. , B may be obtained.
図17は、実施の形態2による、制御切替指令電圧とその補正値の関係を近似式で表した図である。図6において入力電圧検出値vinが入力電圧波形(脈流電圧波形)の「左半面」の場合の補正値a1、b1は、ローパスフィルタの時定数(RC定数)に応じた傾きx、v(x、vは正の値)と入力電圧の周波数及び入力電圧のレベルに応じた切片y、w(y、wは負の値)を用いて第1及び第2制御切替指令電圧vo1*、vo2*を変数とした1次関数a=x・vo1*+y、b=v・vo2*+wで近似することができる。第1及び第2制御切替指令電圧vo1*、vo2*が大きくなるにつれて、制御モード切替点が入力電圧波形のピーク付近に近づくため、ローパスフィルタによる入力電圧検出遅れに対する電圧変動の影響が小さくなり、補正値a1、b1の絶対値が小さくなる。すなわち、第1及び第2制御切替指令電圧vo1*、vo2*の増加にともない補正値a1、b1が0に近づく、図17のa(左半面)、b(左半面)の近似式となる。このとき、前記したように、傾きx、vは正の値、切片y、wは負の値となる。
FIG. 17 is a diagram representing the relationship between the control switching command voltage and its correction value by an approximate expression according to the second embodiment. In FIG. 6, the correction values a1 and b1 when the input voltage detection value vin is the “left half surface” of the input voltage waveform (pulsating voltage waveform) are slopes x and v (corresponding to the time constant (RC constant) of the low-pass filter. x and v are positive values) and intercepts y and w (y and w are negative values) according to the frequency of the input voltage and the level of the input voltage (y and w are negative values), and the first and second control switching command voltages vo1 * and vo2 It can be approximated by a linear function a = x · vo1 * + y and b = v · vo2 * + w with * as a variable. As the first and second control switching command voltages vo1 * and vo2 * increase, the control mode switching point approaches the peak of the input voltage waveform, so that the influence of voltage fluctuation on the input voltage detection delay by the low-pass filter is reduced. The absolute values of the correction values a1 and b1 are reduced. In other words, the approximate values of a (left half surface) and b (left half surface) in FIG. 17 are obtained in which the correction values a1 and
同様に、図6において入力電圧検出値vinが入力電圧波形(脈流電圧波形)の「右半面」の場合の補正値a2、b2は、ローパスフィルタの時定数(RC定数)に応じたx、v(x、vは負の値)と入力電圧の周波数及び入力電圧のレベルに応じた切片y、w(y、wは正の値)を用いて第1及び第2制御切替指令電圧値vo1*、vo2*を変数とした1次関数a=x・vo1*+y、b=v・vo2*+wで近似することができる。第1及び第2制御切替指令電圧vo1*、vo2*が大きくなるにつれて、制御モード切替点が入力電圧波形のピーク付近に近づくため、ローパスフィルタによる入力電圧検出遅れに対する電圧変動の影響が小さくなり、補正値a2、b2の絶対値が小さくなる。すなわち、第1及び第2制御切替指令電圧vo1*、vo2*の増加にともない補正値a2、b2が0に近づく、図17のa(右半面)、b(右半面)の近似式となる。このとき、前記したように、傾きx、vは負の値、切片y、wは正の値となる。
Similarly, in FIG. 6, the correction values a2 and b2 when the input voltage detection value vin is the “right half surface” of the input voltage waveform (pulsating voltage waveform) are x and x corresponding to the time constant (RC constant) of the low-pass filter. The first and second control switching command voltage values vo1 using v (x and v are negative values), intercepts y and w (y and w are positive values) according to the frequency of the input voltage and the level of the input voltage. It can be approximated by a linear function a = x · vo1 * + y and b = v · vo2 * + w with * and vo2 * as variables. As the first and second control switching command voltages vo1 * and vo2 * increase, the control mode switching point approaches the peak of the input voltage waveform, so that the influence of voltage fluctuation on the input voltage detection delay by the low-pass filter is reduced. The absolute values of the correction values a2 and b2 are reduced. In other words, the approximate values of a (right half surface) and b (right half surface) in FIG. 17 are obtained in which the correction values a2 and
以上のように、実施の形態2によれば、制御切替指令電圧とその補正値の関係を1次関数で表せる近似式を用いることにより、大規模な演算回路または演算時間を必要とせず、テーブルを格納するメモリ使用容量を削減することができる。 As described above, according to the second embodiment, by using an approximate expression that can represent the relationship between the control switching command voltage and its correction value by a linear function, a large-scale arithmetic circuit or calculation time is not required, and the table The memory usage capacity for storing can be reduced.
実施の形態3.
前記実施の形態1、2では、入力電圧検出値vinが制御切替指令電圧を補正した値vo1*+a、vo2*+b付近にあるとき、入力電圧にノイズが干渉することで、2つの制御モードの切替を繰り返し行ってしまう可能性があり、電力変換装置の力率の低下や高調波発生の要因となる。この実施の形態3は、制御モード切替の瞬間に発生する繰り返し切替の問題を解決することを目的としたものである。
In the first and second embodiments, when the input voltage detection value vin is in the vicinity of the values vo1 * + a and vo2 * + b obtained by correcting the control switching command voltage, noise interferes with the input voltage, so that the two control modes There is a possibility that switching will be repeated, which causes a reduction in the power factor of the power conversion device and generation of harmonics. The purpose of the third embodiment is to solve the problem of repeated switching that occurs at the moment of control mode switching.
具体的な方法として、実施の形態3では、入力電圧検出値vinと制御切替指令電圧を補正した値vo1*+a、vo2*+bを比較してその大小関係で制御切替を行う際に、前記の大小関係が連続して続いた場合のみ制御モードを切り替えるといったヒステリシス制御を導入したものである。 As a specific method, in the third embodiment, when the input voltage detection value vin and the values vo1 * + a and vo2 * + b obtained by correcting the control switching command voltage are compared and the control switching is performed according to the magnitude relation, Hysteresis control is introduced in which the control mode is switched only when the magnitude relationship continues continuously.
図18及び図19に実施の形態3における電力変換装置の電源制御部2の制御フローチャートを示す。電力変換装置の構成を示す電源主回路部1及び電源制御部2は実施の形態1の図1及び図2と同様であり、電源制御部2の比較部22の動作が、実施の形態1から変更されている。
18 and 19 show control flowcharts of the power
以下、具体的な制御内容について、実施の形態1から変更されたところのみ、図18及び図19のフローチャートに基づいて説明する。 In the following, specific control content will be described based on the flowcharts of FIGS. 18 and 19 only from the first embodiment.
まず、ステップS1からステップS100までは、実施の形態1の図13のフローチャートの処理と同様なので説明を省略する。
次に、ステップS101において、比較部22は、制御切替指令電圧補正値決定部21により決定した制御切替指令電圧補正値a、bに基づき、入力電圧検出値vinと制御切替指令電圧を補正した値vo1*+a、vo2*+bの大小関係を比較する。
First, steps S1 to S100 are the same as the processing of the flowchart of FIG.
Next, in step S101, the
ステップS101の大小関係の比較結果がvin≦vo1*+aの場合、flagの値を確認する(ステップS102)。flag=1ならばcount1に1を加算し(ステップS103)、count1の値を確認する(ステップS104)。ステップS104でcount1の値が5ならば、5回連続で大小関係の比較結果が同じと判断されたこととなり、count1を0にすることでクリアしたあと(ステップS105)、ステップS13の昇圧制御モードに進む。すなわち、比較部22は、前段のセレクタ23の共通接点cを昇圧制御側の個別接点aに接続すると共に、後段のセレクタ26cの各昇圧制御側の個別接点aを共通接点cに接続することで、昇圧制御を実行する。
When the comparison result of the magnitude relationship in step S101 is vin ≦ vo1 * + a, the value of flag is confirmed (step S102). If flag = 1, 1 is added to count1 (step S103), and the value of count1 is confirmed (step S104). If the value of count1 is 5 in step S104, it is determined that the comparison result of the magnitude relationship is the same five times in succession, and after clearing count1 to 0 (step S105), the boost control mode in step S13 Proceed to That is, the
一方、前記のステップS102において、flag=1でなければ、前回の大小関係比較においては、今回の大小関係比較とは別の判断であったため、制御モードは変更せずにcount1を1とし、count2及びcount3を0にすることでクリアし、flagには1を代入する(ステップS107)。ステップS107の処理を行なった場合と、ステップS104においてまだ5回連続では同じ大小関係比較結果を得てない状態の場合には、セレクタ23及び26cによる制御モード切替は行わず、前の周期で動作した制御モードを実行する(ステップS108)。
On the other hand, if flag = 1 is not satisfied in step S102, the previous magnitude relation comparison is a different judgment from the current magnitude relation comparison, so the control mode is not changed and count1 is set to 1, count2 The count3 is cleared by setting it to 0, and 1 is assigned to the flag (step S107). When the processing of step S107 is performed and when the same magnitude relation comparison result is not yet obtained for five consecutive times in step S104, the control mode switching by the
次に、ステップS101の大小関係の比較結果がvin≧vo2*+bの場合、flagの値を確認する(ステップS109)。flag=2ならばcount2に1を加算し(ステップS110)、count2の値を確認する(ステップS111)。ステップS111でcount2の値が5ならば、5回連続で大小関係の比較結果が同じと判断されたこととなり、count2を0にすることでクリアしたあと(ステップS112)、ステップS14の降圧制御モードに進む。すなわち、比較部22は、前段のセレクタ23の共通接点cを降圧制御側の個別接点bに接続すると共に、後段のセレクタ26cの各降圧制御側の個別接点bを共通接点cに接続することで、降圧制御を実行する。
Next, when the comparison result of the magnitude relationship in step S101 is vin ≧ vo2 * + b, the value of flag is confirmed (step S109). If flag = 2, 1 is added to count2 (step S110), and the value of count2 is confirmed (step S111). If the value of count2 is 5 in step S111, it is determined that the comparison result of the magnitude relationship is the same five times in succession, and after clearing count2 to 0 (step S112), the step-down control mode in step S14 Proceed to That is, the
一方、前記のステップS109において、flag=2でなければ、前回の大小関係比較においては、今回の大小関係比較とは別の判断であったため、制御モードは変更せずにcount2を1とし、count1とcount3を0にすることでクリアし、flagには2を代入する(ステップS114)。ステップS114の処理を行なった場合と、ステップS111においてまだ5回連続では同じ大小関係比較結果を得てない状態の場合には、セレクタ23及び26cによる制御モード切替は行わず、前の周期で動作した制御モードを実行する(ステップS108)。
On the other hand, in the above-described step S109, if flag = 2 is not satisfied, the previous magnitude relation comparison is a different judgment from the current magnitude relation comparison, so the control mode is not changed and count2 is set to 1, count1 And count3 are cleared to 0, and 2 is substituted for flag (step S114). When the processing of step S114 is performed and when the same magnitude relation comparison result is not yet obtained for five consecutive times in step S111, the control mode switching by the
次に、ステップS101における大小関係の比較結果がvo1*+a<vin<vo2*+bの場合、flagの値を確認する(ステップS116)。flag=3ならばcount3に1を加算し(ステップS117)、count3の値を確認する(ステップS118)。ステップS118でcount3の値が5ならば、5回連続で大小関係の比較結果が同じと判断されたこととなり、count3を0にすることでクリアしたあと(ステップS119)、ステップS15の昇降圧制御モードに進む。すなわち、比較部22は、前段のセレクタ23の共通接点cを昇降圧制御側の個別接点dに接続すると共に、後段のセレクタ26cの各昇降圧制御側の個別接点dを共通接点cに接続することで、昇降圧制御を実行する。
Next, when the comparison result of the magnitude relation in step S101 is vo1 * + a <vin <vo2 * + b, the value of flag is confirmed (step S116). If flag = 3, 1 is added to count3 (step S117), and the value of count3 is confirmed (step S118). If the value of count3 is 5 in step S118, it is determined that the comparison result of the magnitude relationship is the same five times in succession. After clearing count3 to 0 (step S119), the step-up / step-down control in step S15 is performed. Go to mode. That is, the
一方、前記のステップS116において、flag=3でなければ前回の大小関係比較においては、今回の大小関係比較とは別の判断であったため、制御モードは変更せずにcount3を1とし、count1とcount2を0にすることでクリアし、flagには3を代入する(ステップS121)。ステップS121の処理を行なった場合と、ステップS118においてまだ5回連続では同じ大小関係比較結果を得てない状態の場合には、セレクタ23及び26cによる制御モード切替は行わず、前の周期で動作した制御モードを実行する(ステップS108)。
On the other hand, if flag = 3 in step S116, since the previous magnitude relation comparison is a different judgment from the current magnitude relation comparison, the control mode is not changed and count3 is set to 1, count1 It is cleared by setting count2 to 0, and 3 is assigned to flag (step S121). When the processing of step S121 is performed and when the same magnitude relation comparison result is not yet obtained for five consecutive times in step S118, the control mode switching by the
なお、ステップS104、S111、S118において、制御切替するための条件として、同じ大小関係比較結果を得るカウント数を5回としているが、このカウント数はその他の複数回数に変更しても良い。 In Steps S104, S111, and S118, the condition for switching control is set to five counts for obtaining the same magnitude relation comparison result, but this count may be changed to other multiple times.
また、ステップS13、S14、S15以降の処理は、実施の形態1の図14のフローチャートの処理と同様なので説明を省略する。 Further, the processing after steps S13, S14, and S15 is the same as the processing of the flowchart of FIG.
以上のように、この実施の形態3は、入力電圧検出値vinと制御切替指令電圧を補正した値vo1*+a、vo2*+bを比較してその大小関係で制御切替を行う際に、前記の大小関係が連続して続いた場合のみ制御モードを切り替えるようにしたので、制御モード連続切替による高調波発生や入力電流歪みを防止することができ、電力変換装置の力率を向上させることができる。 As described above, the third embodiment compares the input voltage detection value vin with the values vo1 * + a and vo2 * + b obtained by correcting the control switching command voltage and performs control switching according to the magnitude relationship. Since the control mode is switched only when the magnitude relationship continues continuously, harmonic generation and input current distortion due to continuous control mode switching can be prevented, and the power factor of the power converter can be improved. .
実施の形態4.
実施の形態4では、本発明の電力変換装置の適用例として、負荷9にLED(Light Emitting Diode)を接続した場合の制御モード切替について説明する。LED照明用電源は様々な入出力電圧条件に対応することが求められており、例えば、入力電圧範囲がAC100V〜AC242V、出力電圧範囲がDC50V〜DC200Vの要求があり、本発明の前記実施の形態1〜3を用いることで、これらの広範囲な入出力電圧条件に対応した制御モード切替を高力率に行なうことが可能となる。
In the fourth embodiment, control mode switching when an LED (Light Emitting Diode) is connected to the
図20及び図21はこの発明の実施の形態4による電力変換装置の電源主回路部及び電源制御部を示す回路ブロック図であり、実施の形態1(図1及び図2)と同一もしくは対応する構成部分には同一の符号を付す。
20 and 21 are circuit block diagrams showing a power main circuit unit and a power control unit of a power conversion device according to
この実施の形態4では、実施の形態1(図1及び図2)に示した電力変換装置を前提として、複数のLEDを直列に接続したものを負荷9とした場合について説明する。しかしながら、これに限らず、実施の形態2、実施の形態3に示した電力変換装置を前提として、複数のLEDを直列に接続したものを負荷9とした場合であってもよい。また、負荷9となるLEDの接続方法は、単に直列接続した場合に限らず並列接続や直並列接続としてもよい。
In the fourth embodiment, a case where a
ここで、LEDは通常、その特性から電流制御が適している。このため、図20及び図21では、実施の形態1の回路構成(図1及び図2)に対し、LEDに流れるLED電流iLEDを検出するための検出回路としてLED電流検出部10が追加されている。また、電源制御部2において、出力制御部30に対する出力電圧検出値voと目標出力電圧vo*の入力に代えて、LED電流検出部10で検出されたLED電流iLED、および目標出力電流iLED*が入力されている。そして、出力制御部30は、LED電流iLEDと目標出力電流iLED*との偏差からPI制御などの演算により負荷電流を所望の値に制御するための出力制御量i**を求める。その他の制御は、実施の形態1と同様である。
Here, current control is usually suitable for the LED because of its characteristics. For this reason, in FIG.20 and FIG.21, the LED
図20及び図21の構成によれば、前記実施の形態と同様の制御により、LEDに流れるLED電流iLEDの制御を行うことができる。また、光量を調整するための調光機能を搭載する場合は、外部の機器から前記の目標出力電流iLED*を可変するような構成とすれば、調光機能も実現することができる。 20 and 21, the LED current iLED flowing through the LED can be controlled by the same control as in the above embodiment. In addition, when a dimming function for adjusting the amount of light is mounted, the dimming function can also be realized if the target output current iLED * is made variable from an external device.
このように、この実施の形態4では、実施の形態1〜3において負荷9として複数のLEDを設けた場合、LED電流検出部10で検出されたLED電流iLEDを電源制御部2にフィードバックし、出力制御部30でLED電流iLEDが目標出力電流iLED*となるようにすると共に、入力電流iacが入力電圧vacと同位相、同波形となるように演算された目標リアクトル電流を算出することで、広範囲な入出力電圧条件に対応した安価で高力率なLED照明用電源を構成することができる。
Thus, in the fourth embodiment, when a plurality of LEDs are provided as the
なお、実施の形態4では、負荷としてLEDを接続した場合について説明したが、直流の負荷電流を制御する機器全般に適用することができ、負荷電流検出部で検出された負荷電流を電源制御部にフィードバックし、出力制御部で負荷電流が目標負荷電流となるように制御することができる。 In the fourth embodiment, the case where an LED is connected as a load has been described. However, the present invention can be applied to all devices that control DC load current, and the load current detected by the load current detection unit is used as the power supply control unit. And the output control unit can control the load current to be the target load current.
実施の形態5.
前記実施の形態1〜4では、電源制御部2は、コンバータ5を制御するモードとして昇圧制御、降圧制御、昇降圧制御の3つの制御モードを有すると共に、入力電圧検出値vinと、第1及び第2制御切替指令電圧vo1*、vo2*を補正した値とを比較して、制御モードを決定していた。
しかし、制御モード切替時の入力電流歪みによる力率低下などを懸念した場合に、切替回数を減らす目的で前記の「昇圧制御+昇降圧制御+降圧制御」の組み合わせだけでなく、「昇圧制御+降圧制御」、「昇圧制御+昇降圧制御」、「昇降圧制御+降圧制御」の組み合わせとしても良い。
In the first to fourth embodiments, the power
However, when there is a concern about a power factor drop due to input current distortion at the time of control mode switching, not only the above-mentioned combination of “boost control + buck-boost control + step-down control” but also “boost control + A combination of “step-down control”, “step-up control + step-up / step-down control”, and “step-up / step-down control + step-down control” may be used.
「昇圧制御+降圧制御」の場合、制御切替指令信号を目標出力電圧vo*として、入力電圧検出値vinと、制御切替指令電圧(目標出力電圧)vo*を補正した値とを比較して、制御モードを切り替えればよい。 In the case of “step-up control + step-down control”, the control switching command signal is set as the target output voltage vo *, and the input voltage detection value vin is compared with a value obtained by correcting the control switching command voltage (target output voltage) vo *. What is necessary is just to switch control modes.
また、「昇圧制御+昇降圧制御」の場合、入力電圧検出値vinと、第1制御切替指令電圧vo1*を補正した値とを比較して、制御モードを切り替えればよい。 In the case of “boost control + step-up / step-down control”, the control mode may be switched by comparing the input voltage detection value vin with a value obtained by correcting the first control switching command voltage vo1 *.
さらに、「昇降圧制御+降圧制御」の場合、入力電圧検出値vinと、第2制御切替指令電圧vo2*を補正した値とを比較して、制御モードを切り替えればよい。 Further, in the case of “step-up / step-down control + step-down control”, the control mode may be switched by comparing the input voltage detection value vin with a value obtained by correcting the second control switching command voltage vo2 *.
ただし、実施の形態1における昇降圧制御時の目標リアクトル電流iL*の演算式は、入出力電圧差が小さいとき(|vac|≒vdc)を想定した式であり、入出力電圧差が大きくなる条件でも昇降圧制御が必要な場合には式(10)または式(11)の演算式は適さない。 However, the calculation formula of the target reactor current iL * at the time of step-up / step-down control in the first embodiment is an expression assuming that the input / output voltage difference is small (| vac | ≈vdc), and the input / output voltage difference becomes large. When the step-up / step-down control is necessary even under the conditions, the expression (10) or the expression (11) is not suitable.
ここでは、制御切替時に発生する懸念のある目標ピーク電流iref*の演算値の変更と制御に応じたスイッチングパターンの変更にタイミングのズレが生じることによる力率低下を防ぐことを目的として、広い入力電圧|vac|の範囲において昇降圧制御を用いる場合に、適した目標リアクトル電流iL*の演算式を提供する。 Here, a wide input is used for the purpose of preventing the power factor from being lowered due to a timing shift in the change of the calculation value of the target peak current iref * that may occur at the time of control switching and the change of the switching pattern according to the control. Provided is an arithmetic expression of a target reactor current iL * that is suitable when the step-up / step-down control is used in the range of the voltage | vac |.
図22にリアクトル電流のピーク電流制御概略図を示す。昇降圧制御でピーク電流制御をする場合、第1及び第2スイッチング素子Q1、Q2がオンの期間にはリアクトルLにエネルギーを蓄積し、そのデューティをdとすると、このオン期間に流れる電流は式(14)となる。また、第1及び第2スイッチング素子Q1、Q2がオフの期間にはリアクトルLからエネルギーを放出し、そのデューティを(1−d)とすると、このオフ期間に流れる電流は式(15)となる。 FIG. 22 shows a schematic diagram of peak current control of the reactor current. When peak current control is performed by the buck-boost control, energy is stored in the reactor L while the first and second switching elements Q1 and Q2 are on, and the current flowing during the on period is expressed as follows when the duty is d. (14) In addition, when the first and second switching elements Q1 and Q2 are off, energy is released from the reactor L, and when the duty is (1-d), the current flowing in the off period is expressed by Equation (15). .
Δi+=(vin/L)×d ・・・(14)
Δi−=(vo/L)×(1−d) ・・・(15)
Δi + = (vin / L) × d (14)
Δi − = (vo / L) × (1-d) (15)
ピーク電流制御を用いているため、この電流増加分Δi+と電流減少分Δi−は等しく、式(16)が成立する。 Since peak current control is used, the current increase Δi + is equal to the current decrease Δi−, and Equation (16) is established.
Δi+=Δi− ・・・(16) Δi + = Δi− (16)
式(14)、式(15)、式(16)より、オンデューティdは式(17)となる。 From the equations (14), (15), and (16), the on-duty d becomes the equation (17).
d=vo/(vo+vin) ・・・(17) d = vo / (vo + vin) (17)
次に、リアクトル電流iL*は目標入力電流iin*を第1及び第2スイッチング素子Q1、Q2のオンデューティdで除算したものと考えられ、式(18)が求まる。 Next, the reactor current iL * is considered to be obtained by dividing the target input current iin * by the on-duty d of the first and second switching elements Q1 and Q2, and Equation (18) is obtained.
iL*=iin*/d=iin*×(vo+vin)/vo ・・・(18) iL * = iin * / d = iin * × (vo + vin) / vo (18)
なお、リアクトル電流iL*は出力電流ioを第1及び第2スイッチング素子Q1、Q2のオフデューティ(1−d)で除算したものとも考えられ、この関係性と入力電流iin*を出力電流ioに換算する式(6)を用いて、式(19)で計算しても同様の結果が得られる。 The reactor current iL * is also considered to be obtained by dividing the output current io by the off duty (1-d) of the first and second switching elements Q1 and Q2, and this relationship and the input current iin * are converted into the output current io. The same result can be obtained even if the equation (19) is used to calculate the equation (6).
iL*=io/(1−d)=iin*×(vo+vin)/vo ・・・(19) iL * = io / (1-d) = iin * × (vo + vin) / vo (19)
そして、目標入力電流iin*を入力電圧|vac|を検出して得られる入力電圧検出値vinと同じ位相で、同じ脈流波形とするために、目標入力電流iin*に代えて入力電圧検出値vinを使用し、さらに前述の出力制御量i**とを用いて、昇降圧制御時の目標リアクトル電流iL*は、次の式(20)により設定することができる。 In order to set the target input current iin * to the same pulsating waveform with the same phase as the input voltage detection value vin obtained by detecting the input voltage | vac |, the input voltage detection value is used instead of the target input current iin *. The target reactor current iL * at the time of step-up / step-down control can be set by the following equation (20) using vin and further using the output control amount i ** described above.
iL*=vin×(vo+vin)/vo×i** ・・・(20) iL * = vin × (vo + vin) / vo × i ** (20)
続いて、目標ピーク電流演算部24dは、ピーク電流制御における目標ピーク電流iref*を前述の式(1)と前記の式(20)を用いて、次の式(21)により設定する。
Subsequently, the target peak
iref*=2×iL*=2×vin×(vo+vin)/vo×i** (21) iref * = 2 * iL * = 2 * vin * (vo + vin) / vo * i ** (21)
その他の制御は、実施の形態1の場合と同様であるため、説明は省略する。 Other controls are the same as in the case of the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
このように、制御切替時に発生する懸念のある目標ピーク電流iref*の演算値の変更と制御に応じたスイッチングパターンの変更にタイミングのズレが生じることによる力率低下を防ぐことを目的とし、昇降圧制御を広い入力電圧範囲で使用する場合には、目標リアクトル電流iL*を式(20)に基づいて算出することで、交流入力電流iacに歪みが発生することなく、交流入力電流iacを交流入力電圧vacと同位相、同波形とし、力率を向上させることができる。 As described above, the purpose is to prevent the power factor from being lowered due to the timing deviation between the change of the calculated value of the target peak current iref * which may occur at the time of control switching and the change of the switching pattern according to the control. When pressure control is used in a wide input voltage range, the target reactor current iL * is calculated based on the equation (20), so that the AC input current iac can be converted to AC without causing distortion in the AC input current iac. The power factor can be improved with the same phase and waveform as the input voltage vac.
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 It should be noted that the present invention can be freely combined with each other within the scope of the invention, and each embodiment can be appropriately modified or omitted.
1 電源主回路部、2 電源制御部、3 交流電源、4 全波整流回路、
5 昇降圧コンバータ、6 リアクトル電流検出部、7 入力電圧検出部、
8 出力電圧検出部、9 負荷、10 LED電流検出部、20 初期設定部、
21 制御切替指令電圧補正値決定部、22 比較部、23,26c セレクタ、
24a,24b,24d 目標ピーク電流演算部、
25a,25b,25d スイッチ信号生成部、
26a,26b,26d スイッチ制御部。
1 Power supply
5 Buck-boost converter, 6 Reactor current detector, 7 Input voltage detector,
8 Output voltage detector, 9 Load, 10 LED current detector, 20 Initial setting unit,
21 control switching command voltage correction value determination unit, 22 comparison unit, 23, 26c selector,
24a, 24b, 24d target peak current calculation unit,
25a, 25b, 25d switch signal generator,
26a, 26b, 26d Switch control unit.
Claims (16)
前記電源主回路部は、交流電圧を全波整流する全波整流回路と、前記全波整流回路で全波整流された後の入力電圧をフィルタを通して検出する入力電圧検出部と、スイッチング素子及びリアクトルを有して前記全波整流回路によって得られた前記入力電圧を目標とする出力電圧に変換する昇降圧コンバータと、前記昇降圧コンバータで電圧変換された後の出力電圧を検出する出力電圧検出部と、前記昇降圧コンバータのリアクトルに流れるリアクトル電流を検出するリアクトル電流検出部とを備え、
前記電源制御部は、前記各検出部で検出された検出信号に基づいて前記昇降圧コンバータの前記スイッチング素子をオンオフ制御することにより前記出力電圧を制御すると共に、前記リアクトル電流を制御して入力電流波形の位相を入力電圧波形の位相に近づける力率改善制御を行う電力変換装置であって、
前記電源制御部は、前記昇降圧コンバータを制御するモードとして昇圧制御、降圧制御、昇降圧制御のうちの少なくとも二つ以上の制御モードを有すると共に、前記いずれか二つの制御モード間を切り替えるタイミングを、前記入力電圧検出部により検出した入力電圧検出値と、前記制御モードを切り替える電圧指令値である制御切替指令電圧を前記フィルタを通して検出した前記入力電圧検出値の検出遅れに基づいて補正した値とを比較することにより決定する電力変換装置。 It consists of a power supply main circuit part and a power supply control part.
The power supply main circuit unit includes a full-wave rectification circuit for full-wave rectification of an alternating voltage, an input voltage detection unit for detecting an input voltage after full-wave rectification by the full-wave rectification circuit, a switching element, and a reactor. A buck-boost converter that converts the input voltage obtained by the full-wave rectifier circuit into a target output voltage, and an output voltage detector that detects an output voltage after voltage conversion by the buck-boost converter And a reactor current detection unit that detects a reactor current flowing in the reactor of the step-up / down converter,
The power supply control unit controls the output voltage by controlling on / off of the switching element of the buck-boost converter based on the detection signal detected by each of the detection units, and also controls the reactor current to control the input current. A power conversion device that performs power factor correction control that brings the phase of a waveform closer to the phase of an input voltage waveform,
The power supply control unit has at least two control modes of step-up control, step-down control, and step-up / step-down control as modes for controlling the step-up / step-down converter, and a timing for switching between the two control modes. The input voltage detection value detected by the input voltage detection unit, and a value obtained by correcting a control switching command voltage, which is a voltage command value for switching the control mode, based on a detection delay of the input voltage detection value detected through the filter, The power converter which determines by comparing.
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