JP6272438B1 - Power converter - Google Patents
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Abstract
【課題】負荷が大きい場合においても回路が大型化することなく、入出力ゲイン(入力電圧)又は負荷が変動した場合においても高い効率を得ることができる電力変換装置を提供する。【解決手段】複数の電流共振型コンバータ回路(100,200)と、これら各々の直流入力電圧、直流出力電圧、及び直流出力電流を検出し、制御部(10)は、複数の電流共振型コンバータ回路のうちの複数個を動作させた場合と単独に動作させた場合それぞれの入出力ゲインと出力電流と効率の三次元又は二次元の特性マップを予め用意し、上記の検出された直流入力電圧と直流出力電圧と出力電流とに応じて特性マップから最高効率が得られるように、複数の電流共振型コンバータ回路のうち1個以上の電流共振型コンバータ回路を選択して動作させる。【選択図】図1A power converter capable of obtaining high efficiency even when input / output gain (input voltage) or load fluctuates without increasing the size of a circuit even when the load is large. A plurality of current resonance converter circuits (100, 200) and their respective DC input voltage, DC output voltage, and DC output current are detected, and a control unit (10) includes a plurality of current resonance converters. Prepare a three-dimensional or two-dimensional characteristic map of the input / output gain, output current, and efficiency of each of the circuits when operating them individually and when they are operated independently, and detect the detected DC input voltage One or more current resonance type converter circuits are selected and operated from among the plurality of current resonance type converter circuits so that the maximum efficiency can be obtained from the characteristic map according to the DC output voltage and the output current. [Selection] Figure 1
Description
本発明は、トランスによって一次側と二次側が絶縁された直流−直流変換回路であるコンバータ回路を複数備えた電力変換装置に関するものである。 The present invention relates to a power conversion device including a plurality of converter circuits that are DC-DC conversion circuits in which a primary side and a secondary side are insulated by a transformer.
電力変換装置はさまざまな対象に用いられ、その多くは小型・高効率であることが求められる。また、機能安全の観点から、電力変換装置には万が一故障した場合においても、最低限の機能を有することが求められる。 Power converters are used for various objects, and many of them are required to be small and highly efficient. Further, from the viewpoint of functional safety, the power conversion device is required to have a minimum function even in the event of a failure.
例えば、電動車両に用いられる電力変換装置では、走行用の電動モータを駆動させる駆動用電池と、制御回路を動作させる補機用電池が搭載され、駆動用電池から補機用電池の充電を行うために絶縁型の電力変換装置が備わっている。 For example, in a power conversion device used for an electric vehicle, a driving battery for driving an electric motor for traveling and an auxiliary battery for operating a control circuit are mounted, and the auxiliary battery is charged from the driving battery. Therefore, an insulated power converter is provided.
この電力変換装置には、電動車両への積載性の観点から小型化が求められ、また、航続距離の観点から高効率であることが求められる。さらに、電力変換装置が電動車両の走行中に故障したことにより、出力が停止されると、制御回路への電力供給が止まり、電動車両が急に停車する可能性がある。電動車両の場合、走行中に急に停車すると、周囲を走行する他の車両の運転や、歩行者への障害となり好ましくない。従って、電力変換装置には故障時においても、電力変換装置として安全を確保できる最低限の機能を有することが求められる。 This power conversion device is required to be downsized from the viewpoint of loadability on an electric vehicle, and to be highly efficient from the viewpoint of cruising distance. Furthermore, when the output is stopped due to a failure of the power conversion device while the electric vehicle is traveling, power supply to the control circuit is stopped, and the electric vehicle may stop suddenly. In the case of an electric vehicle, if the vehicle stops suddenly while traveling, it is not preferable because it causes an obstacle to driving other vehicles traveling around and pedestrians. Therefore, the power converter is required to have a minimum function capable of ensuring safety as a power converter even in the event of a failure.
一方、従来から、高効率な絶縁型の電力変換装置として電流共振型コンバータが知られている。電流共振型コンバータは、スイッチング素子と共振回路とによって、直流の入力電流を正弦波状の共振電流に変換し、この変換した共振電流を、トランスを介して整流回路で直流に変換することで出力を得る。 On the other hand, a current resonance type converter is conventionally known as a highly efficient isolated power converter. A current resonance type converter converts a DC input current into a sinusoidal resonance current by a switching element and a resonance circuit, and converts the converted resonance current into a DC with a rectifier circuit via a transformer, thereby outputting an output. obtain.
この電流共振型コンバータの特徴は、中・低負荷においてゼロボルトスイッチング(Zero Voltage switching,(以下、ZVS))が成立し、また、スイッチング周波数が共振回路の共振周波数以下の場合においてゼロカレントスイッチング(Zero Current switching,(以下、ZCS))が成立することである。また、共振回路において、トランスに直列に共振コンデンサを接続する構成とした場合は、トランスの偏磁が発生しないため、トランスの偏磁対策が不要となり回路を簡素化できる。 This current resonance type converter is characterized in that zero volt switching (ZVS) is established at medium and low loads, and zero current switching (Zero) is performed when the switching frequency is equal to or lower than the resonance frequency of the resonance circuit. Current switching (hereinafter referred to as ZCS)) is established. Further, in the resonance circuit, when the resonance capacitor is connected in series with the transformer, the transformer is not demagnetized, so that no countermeasure for the demagnetization of the transformer is required, and the circuit can be simplified.
しかしながら、電流共振型コンバータは、負荷によって入出力電圧比(入出力ゲイン)が変化し、軽負荷(低負荷)時にはゲインが下がり難く、重負荷時(高負荷)はゲインが“1”以上にならないという問題がある。入出力ゲインの調節は、スイッチング周波数を制御し共振回路のインピーダンスを変えることによって行われる。低負荷において入出力ゲインを下げる場合にはスイッチング周波数を大幅に増加させる必要があり、これによってスイッチング損失が増加すると共に、スイッチング周波数が共振周波数以上の領域ではZCSが成立しないこともあって効率が低下する。 However, in the current resonance type converter, the input / output voltage ratio (input / output gain) changes depending on the load, the gain is difficult to decrease at light load (low load), and the gain is “1” or more at heavy load (high load). There is a problem of not becoming. The input / output gain is adjusted by controlling the switching frequency and changing the impedance of the resonance circuit. When lowering the input / output gain at low load, it is necessary to increase the switching frequency significantly. This increases the switching loss and ZCS may not be established in the region where the switching frequency is higher than the resonance frequency. descend.
また、高負荷においては、ゲインが“1”以上にならないため、出力電圧が低下する。出力電圧が低下すると、電圧共振が成立しなくなるため、ZVSができず、効率が大幅に低下する。従って、電流共振型コンバータは入力電圧範囲が広く、また負荷変動範囲が広い対象には適していない。 Further, since the gain does not exceed “1” at a high load, the output voltage decreases. When the output voltage is lowered, voltage resonance is not established, so ZVS cannot be performed, and the efficiency is greatly reduced. Therefore, the current resonance type converter is not suitable for an object having a wide input voltage range and a wide load fluctuation range.
さらに、電流共振型コンバータは、高負荷時において入出力ゲインを大きくすることが困難なため、トランスの1次側巻線の巻き数比を少なくして入出力ゲイン特性を調節する必要がある。この場合には、トランスの1次巻線における共振電流が増大し、これに伴ってスイッチング素子や共振回路への負担が増大するため、より高耐圧で大容量の素子が必要となり回路が大型化してしまう。 Furthermore, since it is difficult for the current resonance converter to increase the input / output gain at high loads, it is necessary to adjust the input / output gain characteristics by reducing the turn ratio of the primary winding of the transformer. In this case, the resonance current in the primary winding of the transformer increases, and this increases the burden on the switching element and the resonance circuit. Therefore, a higher-voltage and large-capacity element is required, and the circuit becomes larger. End up.
また、トランス2次側の整流回路において、整流した正弦波状の共振電流が、直接平滑コンデンサに流れるため電流リプルが大きく、これに伴って平滑コンデンサが大きくなってしまう。従って、電流共振型コンバータは負荷が大きい場合、回路が大型化してしまう。 Further, in the rectifier circuit on the secondary side of the transformer, the rectified sinusoidal resonance current flows directly to the smoothing capacitor, so that the current ripple is large, and accordingly, the smoothing capacitor becomes large. Therefore, the circuit of the current resonance type converter becomes large when the load is large.
一般に、電動車両において駆動用電池から補機用電池への充電を行うために、絶縁型の電力変換装置の入力電源である駆動用電池は、充放電に伴う電圧変動が大きい。また、負荷である補機用電池は、最大負荷が大きく、電動車両の制御機器を動作させるだけでなく、エアコン等のアクセサリー機器への電源供給も行うため変動も大きい。 In general, in order to charge an auxiliary battery from a driving battery in an electric vehicle, a driving battery that is an input power source of an insulated power conversion device has a large voltage fluctuation caused by charging and discharging. In addition, the auxiliary battery as a load has a large maximum load, and not only operates the control device of the electric vehicle, but also supplies power to accessory devices such as an air conditioner, and thus fluctuates greatly.
そこで、従来より、入力電圧が大きく変動しても、高効率な電圧変換が可能となる絶縁型の電力変換装置として、例えば下記の特許文献1に開示されている技術が知られている。これは電流共振型コンバータの前段に昇圧コンバータを接続したもので、昇圧コンバータのオンデューティー比を調節し、電流共振コンバータのゲインを一定にすることで、幅広い入力電圧において高い効率を得ている。
Therefore, conventionally, for example, a technique disclosed in
また、例えば下記の特許文献2に開示されている技術では、複数の電流共振型コンバータを並列に配置し、それぞれの電流共振型コンバータをインターリーブ駆動としている。これにより、一つの電流共振型コンバータ当たりの負荷を低減し、また、出力の電流リプルを低減させることで回路を構成する素子の大型化を抑え、かつ大電力の出力を得ている。
For example, in the technique disclosed in
しかしながら、特許文献1における電力変換装置では、負荷が大きい場合において、共振電流が大きくなり、共振用コンデンサや平滑コンデンサへの負担が増えるため回路が大型化するという課題がある。
However, the power conversion device in
また、特許文献2に開示されている技術では、電流共振型コンバータを並列接続にしても、電流共振型コンバータに求められる入出力ゲイン特性は変わらないため、入力電圧又は負荷が大きく変動した場合において効率が悪化するという課題は依然残る。
Further, in the technique disclosed in
さらに、特許文献1及び特許文献2に示す電力変換装置では、回路を構成する何れか一つの素子が、何らかの理由で破損した場合、電力変換装置としての機能を完全に失う。例えば、特許文献2において、回路を構成する何れか一つのスイッチング素子が短絡故障を起こしたとすれば、出力が完全に停止するという課題がある。
Furthermore, in the power converters shown in
本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、負荷が大きい場合においても回路が大型化することなく、入出力ゲイン又は負荷が変動した場合においても高い効率を得ることができる電力変換装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and even when the load is large, the circuit does not increase in size, and the power that can obtain high efficiency even when the input / output gain or the load fluctuates. An object is to provide a conversion device.
上記の目的を達成するため、本発明に係る電力変換装置は、入力直流電源と出力端子との間において並列接続された複数の電流共振型コンバータ回路と、前記複数の電流共振型コンバータ回路の各々の直流入力電圧を検出する入力電圧検出部と、前記複数の電流共振型コンバータ回路の各々の直流出力電圧を検出する出力電圧検出部と、前記複数の電流共振型コンバータ回路の各々の直流出力電流を検出する出力電流検出部と、前記複数の電流共振型コンバータ回路のうちの複数個を動作させた場合と単独に動作させた場合それぞれの入出力ゲインと出力電流と効率の特性マップを有し、前記検出された直流入力電圧と直流出力電圧と出力電流とに応じて前記特性マップから最高効率が得られるように、前記複数の電流共振型コンバータ回路のうち1個以上の電流共振型コンバータ回路を選択して動作させる制御部とを備える。 In order to achieve the above object, a power converter according to the present invention includes a plurality of current resonant converter circuits connected in parallel between an input DC power supply and an output terminal, and each of the plurality of current resonant converter circuits. An input voltage detection unit for detecting a DC input voltage of the plurality of current resonance type converter circuits, an output voltage detection unit for detecting a DC output voltage of each of the plurality of current resonance type converter circuits, and a DC output current of each of the plurality of current resonance type converter circuits Output current detection unit for detecting the output current, and a characteristic map of the input / output gain, output current, and efficiency when each of the plurality of current resonance converter circuits is operated and when operated independently. The plurality of current resonant converter circuits so that the highest efficiency can be obtained from the characteristic map according to the detected DC input voltage, DC output voltage, and output current. Out by selecting one or more current resonant converter circuit and a control unit for operating.
本発明に係る電力変換装置によれば、電力変換装置を複数の各々が独立して動作可能な電流共振型コンバータの並列構成とすることで、負荷の増大による素子の大型化を防ぐことができると共に、入出力ゲイン又は負荷に応じて最適効率が得られるように、動作させるべき電流共振型コンバータ回路を選択するように構成したので、入出力ゲイン又は負荷が変動した場合においても高い効率を得ることができる。 According to the power conversion device according to the present invention, the power conversion device can be prevented from increasing in size due to an increase in load by providing a parallel configuration of a plurality of current resonance converters each capable of operating independently. In addition, since the current resonance converter circuit to be operated is selected so that the optimum efficiency can be obtained according to the input / output gain or load, high efficiency can be obtained even when the input / output gain or load fluctuates. be able to.
以下、本発明に係る電力変換装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一又は相当する部分については、同一符号を付して、重複する説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of a power conversion device according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る電力変換装置1000の電気回路図である。図1に示す電力変換装置1000において、電流共振型コンバータ回路100及び200が並列に接続されており、各電流共振型コンバータが有する半導体スイッチング素子101及び102、並びに201及び202は制御部10によって制御される。
FIG. 1 is an electric circuit diagram of a
電流共振型コンバータ回路100は、それぞれ第1のスイッチング素子及び第2のスイッチング素子である半導体スイッチング素子101及び102と、入力電力平滑コンデンサ110と、共振回路を構成する共振用リアクトル130及び共振用コンデンサ140とを、トランス150の1次巻線側に備え、整流回路である整流ダイオード160及び161をトランス150の2次巻線側に備え、整流回路の後段には出力電力平滑コンデンサ180を備えたものである。
The current resonance
半導体スイッチング素子101及び102は、ソース・ドレイン間にダイオードが内臓されたMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)で構成されている。半導体スイッチング素子101のドレイン端子は、入力電力平滑コンデンサ110の一方の端子を介して直流入力電源1の正極に接続されている。半導体スイッチング素子102のソース端子は入力電力平滑コンデンサ110の他方の端子を介して直流入力電源の陰極に接続されている。
The
半導体スイッチング素子101のソース端子は、半導体スイッチング素子102のドレイン端子と接続されている。また、半導体スイッチング素子102のドレイン端子−ソース端子間には、共振用リアクトル130とトランス150の一次側巻線と共振用コンデンサ140とを直列接続した共振回路が接続されている。
The source terminal of the
トランス150の二次側巻線は、2つ巻線が同相に直列接続されたものであり、2つの巻線の接続点は出力電力平滑コンデンサ180の一方の電極を介して出力電圧Voの負極に接続されている。二次側巻線の両端は、トランス二次側巻線に発生した電流を整流するように整流ダイオード160及び161のアノード端子に接続されている。また、整流ダイオード160及び整流ダイオード161のカソード端子同士が接続されており、この接続点は出力電力平滑コンデンサ180の他方の電極を介して出力電圧Voの正極に接続されている。
The secondary winding of the transformer 150 has two windings connected in series in the same phase, and the connection point between the two windings is the negative electrode of the output voltage Vo via one electrode of the output
ここで、電流共振型コンバータ回路100と電流共振型コンバータ回路200はそれぞれ同一の回路構成と回路素子を用いており、電流共振型コンバータ回路100と電流共振型コンバータ回路200の入力端子と出力端子は、それぞれ、同一の直流入力電源1及び出力電圧Voの両端子に接続されている。
Here, the current resonance
また、電流共振型コンバータ回路100及び200のそれぞれの入力電圧の電圧値を検出するために、入力電力平滑コンデンサ110及び210と並列にそれぞれ入力電圧検出回路120及び220が接続されている。電流共振型コンバータ回路100及び200のそれぞれの出力電圧の電圧値を検出するために、出力電力平滑コンデンサ180及び280と並列にそれぞれ出力電圧検出回路170及び270が接続されている。電流共振型コンバータ回路100及び200のそれぞれの出力電流(負荷電流)の電流値を検出するために、出力電力平滑コンデンサ180及び280の後段に出力電流検出回路190及び290がそれぞれ接続されている。
Further, in order to detect the voltage values of the input voltages of the current resonance
ここで、電流共振型コンバータ回路100及び200において、トランス150及び250の1次巻線に流れる電流をそれぞれItr1及びItr2、トランス2次側巻線に配置された整流回路による整流後の電流をId1及びId2、出力電力平滑コンデンサ180及び280に流れる電流をそれぞれIc1及びIc2、そして、電力変換装置1000の出力電流をIoutとする。
Here, in the current resonance
電流共振型コンバータ回路100及び200の外部には制御部10が配置され、この制御部10は制御線12a及び12dにより、出力電圧Voが目標値となるように半導体スイッチング素子101及び102、並びに201及び202をオン/オフ制御する。また、信号線11a及び11fより、入力電圧検出回路120及び220、出力電圧検出回路170及び270、並びに出力電流検出回路190及び290の検出値をそれぞれ入力する。
The
以下、本発明の実施の形態1に係る電力変換装置1000の基本的な動作について説明する。
電力変換装置1000において、制御部10は半導体スイッチング素子101及び102と半導体スイッチング素子201及び202をそれぞれ独立してオン/オフ制御する。これにより、電流共振型コンバータ回路100と電流共振型コンバータ回路200はそれぞれが独立して動作が可能となる。ここで、制御部10は、入力電圧検出回路120及び220、出力電圧検出回路170及び270、並びに出力電流検出回路190及び290の検出値に基づき、後述するように、動作させるべき電流共振型コンバータ回路100及び200のいずれかを選択する。
Hereinafter, the basic operation of
In the
次に、制御部10が、電流共振型コンバータ回路100及び電流共振型コンバータ回路200のそれぞれを選択し動作させる場合について、図2を参照して説明する。
図2は半導体スイッチング素子101及び102並びに半導体スイッチング素子201及び202の制御信号と、各電流共振型コンバータ回路100及び200のトランス2次側巻線に配置された整流回路による整流後の電流Id1及びId2と、各電流共振型コンバータ回路100及び200の出力電力平滑コンデンサ180及び280にそれぞれ流れる電流Ic1及びIc2の一例を図示したものである。ここで、電流共振型コンバータ回路のスイッチング周波数をFsw、スイッチング周期をTswとする。
Next, a case where the
FIG. 2 shows control signals of the
図2において、制御部10は、電流共振型コンバータ回路100の半導体スイッチング素子101及び102、並びに電流共振型コンバータ回路200の半導体スイッチング素子201及び202を、デッドタイム(td)を挟み同じオン時間でオン/オフ制御する。ここで、半導体スイッチング素子101及び102と半導体スイッチング素子201及び202のスイッチング周波数は互いに等しく、かつ電流共振型コンバータ回路100−200間において対応する半導体スイッチング素子のスイッチングタイミングが90°の位相差(1/4Tsw)を持つようにそれぞれオン/オフ制御する。
In FIG. 2, the
電流共振型コンバータ回路100及び200では、トランス一次側巻線に接続された共振回路が発生する正弦波電流を、トランス150及び250をそれぞれ介してトランス二次側巻線に接続されている整流回路によって全波整流するため、整流後の電流にはスイッチング周波数の2倍の周波数のリプル電流が発生する。電流共振型コンバータ回路100と電流共振型コンバータ回路200では、図2に示すように、電流共振型コンバータ回路間スイッチングタイミングが90°の位相差(1/4Tsw)を持つため、整流回路による整流後の電流Id1及びId2のリプル電流は180°の位相差(1/2Tsw)を有し、インターリーブ動作となる。
In the current resonance
ここで、各電流共振型コンバータ回路100及び200の出力電力平滑コンデンサ180及び280は、出力電圧Voの両端子に対して並列接続されているため、それぞれに流れる電流Ic1及びIc2は互いに等しく、各電流共振型コンバータ回路100及び200の整流回路による整流後の電流Id1及びId2のリプル電流は、互いに180°の位相差を有するため補完し合い、出力電力平滑コンデンサ180及び280に流れる電流Ic1及びIc2のリプル電流が軽減される。
Here, since the output
電流共振型コンバータ回路100及び200において、トランス二次側の整流回路による整流後のリプル電流は負荷に比例して大きくなる。また、出力電力平滑コンデンサ180及び280の静電容量は許容リップル電流で決まるため、リプル電流の最大値が大きくなるにつれて出力電力平滑コンデンサ180及び280が大型化する。
In the current
本実施の形態1に係る電力変換装置1000の制御部10は、動作すべきものとして電流共振型コンバータ回路100及び200の一方が選択されている場合を除き、電力変換装置1000が有する全ての電流共振型コンバータ回路をそれぞれがインターリーブ動作となるように駆動する。これにより、一つの電流共振型コンバータ回路当たりの負荷を低減できるとともに、インターリーブ動作によって出力電力平滑コンデンサの電流リプルを低減できるため、負荷が大きい場合においても回路を構成する素子の大型化を抑えることができる。
The
次に、本実施の形態1に係る電力変換装置1000の入出力ゲイン特性について、図3を参照して説明する。ここでの入出力ゲイン特性とは、入出力電圧比をトランスの巻き数比で割ったものであり、電力変換装置1000は、入出力ゲイン特性を調節することで、出力電圧Voを制御するものである。
Next, input / output gain characteristics of the
図3は、電力変換装置1000において電流共振型コンバータ回路100と電流共振型コンバータ回路200のそれぞれを動作させた場合の入出力ゲイン特性(以下、単にゲインと称することがある。)を示す。ここで、Frは、電流共振型コンバータ回路100及び200の共振用リアクトル130及び230と共振用コンデンサ140及び240とによるそれぞれの共振周波数を表し、Fsは、電流共振型コンバータ回路100及び200の共振用リアクトル130及び230と、トランス150及び250が有する励磁インダクタンスと、共振用コンデンサ140及び240とによるそれぞれの共振周波数を表す。
FIG. 3 shows input / output gain characteristics (hereinafter sometimes simply referred to as gain) when each of the current
図3において、電力変換装置1000の入出力ゲインGは、スイッチング周波数によって調節される。上述の如く、ゲインGは負荷の影響を大きく受け、低負荷においてはゲインを低下させ難い一方、高負荷ではゲインを“1”以上とすることができない特性となる。
In FIG. 3, the input / output gain G of the
なお、スイッチング周波数Fsw(=1/Tsw)がFs以下の周波数領域は、共振回路において電圧共振とならないためZVSが成立しない。また、スイッチング周波数FswがFr以上の領域では共振電流が流れている状態で半導体スイッチング素子がスイッチングを行うため、ZCSが成立しない。従って、一般にスイッチング周波数はFs<Fsw<Frに設定される。 In the frequency region where the switching frequency Fsw (= 1 / Tsw) is equal to or lower than Fs, voltage resonance does not occur in the resonance circuit, and ZVS is not established. Further, in the region where the switching frequency Fsw is equal to or higher than Fr, ZCS is not established because the semiconductor switching element performs switching in a state where the resonance current flows. Therefore, the switching frequency is generally set to Fs <Fsw <Fr.
特に、上述した低負荷におけるゲイン特性は、入力電圧Vi又は出力電圧Voが変動した際の電力変換装置1000の出力制御性能に影響を与えるだけでなく、入出力ゲインを下げるためにスイッチング周波数を高くする必要が有り、ZCSの不成立と相俟ってスイッチング損失が増加するため、効率低下の要因となる。
In particular, the above-described gain characteristic at low load not only affects the output control performance of the
本実施の形態1に係る電力変換装置1000では、このような問題を解決するために、電力変換装置1000に接続されている負荷が低負荷である場合、制御部10は、動作させるべき電流共振型コンバータ回路を選択することでゲイン特性を調節する。この入出力ゲイン特性の調節について、図4を参照して以下に説明する。
In the
図4のゲインG1は、低負荷における電流共振型コンバータ回路100と電流共振型コンバータ回路200を同時に動作させた場合の電力変換装置1000の入出力ゲイン特性を示す。図4のゲインG2は同じ負荷条件において、電流共振型コンバータ回路100及び電流共振型コンバータ回路200のいずれか一方を動作させた場合の電力変換装置1000の入出力ゲイン特性を示す。
The gain G1 in FIG. 4 indicates the input / output gain characteristics of the
電流共振型コンバータ回路100及び電流共振型コンバータ回路200のいずれか一方を動作させたゲインG2の場合、動作する電流共振型コンバータ回路における出力電流は、電流共振型コンバータ回路100と電流共振型コンバータ回路200を同時に動作させたゲインG1の場合における各出力電流の2倍となり、ゲインGの低下が容易となる。
In the case of the gain G2 in which one of the current
従って、電力変換装置1000の制御部10は、低負荷において電流共振型コンバータ回路100及び200のうち、いずれか一方のみを選択して動作させ、電力変換装置1000の入出力ゲイン特性をゲインG2に調節することで、半導体スイッチング素子のスイッチング周波数を低減できる。
Therefore, the
加えて、動作させるべき半導体スイッチング素子の数も減少するため、大幅にスイッチング損失が低減すると共に、トランス及び共振用リアクトルの磁性部品に発生する銅損も低減する。これらの損失は、特に低負荷における電力変換装置1000の主な効率低下要因となるため、制御部10は、低負荷において、動作させるべき電流共振型コンバータ回路を選択することで、電力変換装置1000の効率を向上させることができる。
In addition, since the number of semiconductor switching elements to be operated is reduced, the switching loss is greatly reduced, and the copper loss generated in the magnetic components of the transformer and the resonance reactor is also reduced. Since these losses are the main efficiency reduction factors of the
ここで、制御部10が電流共振型コンバータ回路100及び200のうち、動作させるべき電流共振型コンバータ回路のいずれか一方のみを選択し動作させた場合、前述したインターリーブ動作による出力電力平滑コンデンサへの電流リプル低減効果は失われるが、そもそも低負荷においては整流回路による整流後のリプル電流が小さいため、出力電力平滑コンデンサが大型化することはない。
Here, when the
但し、負荷が大きい場合には、動作させるべき電流共振型コンバータ回路の選択による効果は奏さない。これは、負荷が大きい場合においては、スイッチング周波数の低減効果が低く、スイッチング損失低減効果よりも、一つの電流共振型コンバータ回路に流れる電流実効値の増加による各回路素子における導通損失の増大の方が大きく、効率が低下するためである。 However, when the load is large, the effect of selecting the current resonance type converter circuit to be operated is not achieved. This is because the effect of reducing the switching frequency is low when the load is large, and the effect of increasing the conduction loss in each circuit element due to the increase in the effective current value flowing through one current resonance type converter circuit is greater than the effect of reducing the switching loss. This is because the efficiency is low.
ここで、図5(a)に、電流共振型コンバータ回路100及び200を同時に動作させたと時の入出力ゲイン−負荷電流−効率特性(以下、効率マップと称する。)を示す。
また、図5(b)に、電流共振型コンバータ回路100又は200を選択して動作させた場合の効率マップを示す。ここでの入出力ゲインは、出力電圧を一定としたときの、入力電圧と出力電圧との比によって表わされ、入力電圧Viに依存する値である。なお、図5(b)は、電流共振型コンバータ回路100及び200の入出力ゲインが同じものとして代表的に1個のみを示しているが、両者の入出力ゲインが異なる場合には、後述するように、それぞれ別個の効率マップが用意される。
Here, FIG. 5A shows input / output gain-load current-efficiency characteristics (hereinafter referred to as an efficiency map) when the current
FIG. 5B shows an efficiency map when the current resonance
また、図5(c)は、負荷電流と入出力ゲインに対する閾値を示す。この図5(c)では、同図(a)及び(b)より、電流共振型コンバータ回路100及び200を同時に動作させた場合が最大効率となる領域(領域B)と電流共振型コンバータ回路100又は200を選択して動作させた方が効率の良い領域(領域A)を求め、領域Aと領域Bの境界を閾値としている。従って、図5(a)及び(b)に示す三次元マップと、同図(c)の二次元マップとは等価なものであるが、後者の方は簡易なマップとなる。
FIG. 5C shows threshold values for load current and input / output gain. In FIG. 5C, from FIG. 5A and FIG. 5B, the region (region B) in which the maximum efficiency is obtained when the current
ここで、図5(a)及び(b)に示す効率マップは、電流共振型コンバータ回路100及び200がそれぞれ同じ回路素子で構成され、同様のゲイン特性を有するものとして説明したが、電流共振型コンバータ回路100及び200がそれぞれ異なるゲイン特性を有する場合は、電流共振型コンバータ回路100及び200を同時に動作させた場合、電流共振型コンバータ回路100を選択して動作させた場合、及び電流共振型コンバータ回路200を選択して動作させた場合、のそれぞれにおける効率マップを、制御部10は有し、同様の判別を行うことができる。
なお、これら図5(a)〜(c)に示す効率マップは一例であり、適宜変更できるものである。
Here, the efficiency maps shown in FIGS. 5A and 5B have been described on the assumption that the current
Note that the efficiency maps shown in FIGS. 5A to 5C are examples, and can be changed as appropriate.
このような三次元効率マップを利用して、電力変換装置1000の制御部10は、電流共振型コンバータ回路100及び200のうち動作させるべき電流共振型コンバータ回路を選択するため、出力電流検出回路190及び290の検出値から求めた負荷容量に応じて電力変換装置1000の効率が最高値となるように動作させるべき電流共振型コンバータ回路を決定する。
Using such a three-dimensional efficiency map, the
概略的には、制御部10は、図5(a)及び(b)に示す効率マップを用いて、電流共振型コンバータ回路100及び200を同時に動作させる場合と、選択して動作させた場合の効率を算出する。ここで、制御部10は、電流共振型コンバータ回路を選択して動作させた場合が最高効率となるか判別を行い、最高効率となる場合は電流共振型コンバータ回路を選択し動作させるべき。或いは、制御部10は、図5(c)を用いて、負荷容量が所定の閾値を超過するか否かで電流共振型コンバータ回路を選択し動作させてもよい。
Schematically, the
また、制御部10は、入力電圧Viが大きく、そのため、これと等価なゲインを大きく下げる必要が有る場合においても、動作させるべき電流共振型コンバータ回路を選択しゲイン特性を調節してもよい。入力電圧Viが大きい場合、ゲインを下げるために高いスイッチング周波数が必要となりスイッチング損失が大きくなる。従って、電流共振型コンバータを選択し電力変換装置1000のゲイン特性を変更することでスイッチング周波数を低減でき、電力変換装置1000の効率が向上する。
In addition, the
この場合、入力電圧Viは、図5(a)及び(b)における入出力ゲインの代わりに用いられる。すなわち、入出力ゲインにおける出力電圧Voを一定にした場合に相当している。 In this case, the input voltage Vi is used instead of the input / output gain in FIGS. 5 (a) and 5 (b). That is, this corresponds to the case where the output voltage Vo at the input / output gain is constant.
従って、電力変換装置1000の制御部10は、電流共振型コンバータ回路100及び200のうち動作させるべき電流共振型コンバータ回路を選択するため、入力電圧検出回路120及び220の検出値から求めた入力電圧Viに応じて電力変換装置1000の効率が最高効率となるように動作させるべき電流共振型コンバータ回路を決定する。制御部10は、図5(a)及び(b)(入出力ゲインの代わりの入力電圧Vi)を用いて、電流共振型コンバータ回路100及び200を同時に動作させる場合と、両者のいずれかを選択して動作させた場合の効率を算出する。
Therefore, the
そして、電流共振型コンバータ回路を選択して動作させた場合と、両電流共振型コンバータ回路を同時に動作させた場合のいずれが最高効率となるかを判別し、前者が最高効率となる場合は電流共振型コンバータ回路を選択して動作させる。また、制御部10は、図5(c)を用いて、入力電圧が所定の閾値を超過するか否かで電流共振型コンバータ回路を選択し動作させてもよい。
Then, it is determined whether the current resonant converter circuit is selected and operated, or when both current resonant converter circuits are operated simultaneously, and the highest efficiency is determined. A resonant converter circuit is selected and operated. Further, the
ここで、上記の動作を、図6に示す本実施の形態1に係る制御部10の制御フローによりまとめて説明する。
まず、制御部10は、入力電圧検出回路120及び220からの入力電圧値と、出力電圧検出回路170及び270からの出力電圧値と、出力電流検出回路190及び290からの出力電流値、すなわち負荷電流値とを入力する(ステップS101)。
次に、入力電圧値及び出力電圧値(又は入力電圧値のみ)から入出力ゲインを算出する(ステップS102)。入出力ゲイン、負荷電流、及び効率の三次元マップを用いて、電流共振型コンバータ回路100及び200を同時に動作させた場合(図5(a)参照。)と、選択して動作させた場合(図5(b)参照。)のそれぞれにおける効率を算出する(ステップS103)。
Here, the above-described operation will be described together with the control flow of the
First, the
Next, an input / output gain is calculated from the input voltage value and the output voltage value (or only the input voltage value) (step S102). Using the three-dimensional map of input / output gain, load current, and efficiency, the current resonance
そして、それぞれの効率を比較し、電流共振型コンバータ回路100を選択して動作させた方が最高効率となる場合には(ステップS104のYes)、半導体スイッチング素子101及び102のみをスイッチングさせ、電流共振型コンバータ回路100を選択して動作させる(ステップS108)。
Then, comparing the respective efficiencies and selecting and operating the current resonance
同様に、電流共振型コンバータ回路200を選択して動作させた方が最高効率となる場合には(ステップS105のYes)、半導体スイッチング素子201及び202のみをスイッチングさせ、電流共振型コンバータ回路200を選択して動作させる(ステップS107)。
Similarly, when the current
また、電流共振型コンバータ回路を選択して動作させた方が最高効率とならない場合は(ステップS105のNo)、電流共振型コンバータ回路100及び200を同時に動作させた方が最高効率となるため、全ての半導体スイッチング素子101,102,201,202をスイッチングさせ、電流共振型コンバータ回路100及び200を同時に動作させる(ステップS106)。
Further, when the current resonance type converter circuit is selected and operated, the maximum efficiency is not obtained (No in step S105), and the current resonance
また、本実施の形態1に係る電力変換装置1000において、電流共振型コンバータ回路100と電流共振型コンバータ回路200は、それぞれ同じ回路素子によって構成されるものとしたが、これに限るものではなく、電流共振型コンバータ回路100と電流共振型コンバータ回路200が、それぞれ異なる入出力ゲイン特性を有するようにそれぞれを構成する回路素子を変更してもよい。
Further, in the
具体的には、同じ出力電流において、電流共振型コンバータ回路100の入出力ゲイン特性が電流共振型コンバータ回路200の入出力ゲイン特性より大きくなるように回路素子を設定してもよい。異なる入出力ゲイン特性を有する電流共振型コンバータ回路100と電流共振型コンバータ回路200のそれぞれを同じスイッチング周波数で動作させた場合、それぞれの電流共振型コンバータ回路において入出力ゲインが釣り合うように、入出力ゲイン特性のより大きな電流共振型コンバータ回路100の出力電流は増大し、入出力ゲイン特性のより小さな電流共振型コンバータ回路200の出力電流は減少する。
Specifically, the circuit elements may be set so that the input / output gain characteristics of the current resonance
従って、電流共振型コンバータ回路200は、より小型な半導体スイッチング素子、共振用コンデンサ、共振用リアクトル、又はトランスを使用することができ、負荷が小さい場合において、より小さなゲイン特性を有する電流共振型コンバータ回路200を選択して動作させる。これで、より低いスイッチング周波数にすることができると共に、より小型な回路素子の適用によって、電力変換装置1000の効率をさらに向上させることができる。
Therefore, the current resonance
電流共振型コンバータ回路100と電流共振型コンバータ回路200でそれぞれ異なる入出力ゲイン特性を有するように回路素子を設定した場合、電力変換装置1000の制御部10の電流共振型コンバータ回路100及び200のうち、動作させるべき電流共振型コンバータ回路を選択する判別部(図示せず)は、上記の動作させるべき電流共振型コンバータ回路を選択するためのパラメータである負荷又は入力電圧Viに加え、電流共振型コンバータ回路100と電流共振型コンバータ回路200の有する入出力ゲイン特性に応じて電力変換装置1000の効率が最高効率となるように、動作させるべき電流共振型コンバータ回路を決定する。
When circuit elements are set so that the current
この場合、制御部10は、異なる入出力ゲイン特性を持つ電流共振型コンバータ回路100及び電流共振型コンバータ回路200のそれぞれに対して、入力電圧Vi又は負荷に対する効率特性をマップデータとして有する。すなわち、図5(b)の効率マップを電流共振型コンバータ回路100及び電流共振型コンバータ回路200毎に1つづつ有することになる。
In this case, the
そして、これらの効率マップを元に入力電圧Vi又は負荷に応じて電力変換装置1000の効率が最高効率となるように動作させるべき電流共振型コンバータ回路を選択して動作させる。これにより、電力変換装置1000は、入力電圧Vi又は負荷が変動した場合においても、より高い効率を得ることができる。
Then, based on these efficiency maps, a current resonance converter circuit to be operated is selected and operated according to the input voltage Vi or the load so that the efficiency of the
更に、電力変換装置1000の制御部10は、入力電圧検出回路120及び220の検出値、出力電圧検出回路170及び270の検出値、又は出力電流検出回路190及び290の検出値を故障判別閾値と比較することにより、電流共振型コンバータ回路100及び200の故障判別を行い、上記の効率マップには拘わらずに、電流共振型コンバータ回路100及び200のうち、故障していない方の電流共振型コンバータ回路を、動作させるべき電流共振型コンバータ回路として選択する。
Furthermore, the
制御部10は、電流共振型コンバータ回路100及び200の故障判別の結果から、電流共振型コンバータ回路100又は電流共振型コンバータ回路200のいずれかが故障したと判断した場合、正常に動作可能な電流共振型コンバータ回路を選択して動作させる。
When the
これにより、電力変換装置1000は、電流共振型コンバータ回路100又は電流共振型コンバータ回路200のいずれかが故障した場合においても、電力変換装置としての最低限の機能を維持することができる。
Thereby, the
また、本実施の形態1で説明した電力変換装置1000は、電流共振型コンバータ回路100及び200の2つの電流共振型コンバータ回路の並列接続で構成されるものとしたが、この並列数に限るものではない。
In addition, the
すなわち、電流共振型コンバータ回路の並列数を増やした場合において、制御部10は、動作させるべき電流共振型コンバータ回路の数をnとすると、動作させるべき電流共振型コンバータ回路の半導体スイッチング素子のスイッチングタイミングをそれぞれ電流共振型コンバータ回路間に1/2n*Tswの位相差を有しオン/オフ制御する。
That is, when the number of parallel current resonant converter circuits is increased, the
これにより、電流共振型コンバータ回路の並列数を増やした場合においても、インターリーブ動作によるリプル低減効果を得ることができるため、出力電力平滑コンデンサを小型化することができる。また、電流共振型コンバータ回路の並列数を増やすことで、一つの電流共振型コンバータ回路に必要とされるゲイン特性を小さくでき、さらに、入出力ゲイン特性を細かく調節できるようになるため、幅広い負荷及び入力電圧において、効率を向上させることができる。 Thereby, even when the parallel number of the current resonance type converter circuit is increased, the ripple reduction effect by the interleave operation can be obtained, so that the output power smoothing capacitor can be reduced in size. Also, by increasing the number of parallel current resonant converter circuits, the gain characteristics required for one current resonant converter circuit can be reduced, and the input / output gain characteristics can be finely adjusted. And the efficiency can be improved at the input voltage.
また、本実施の形態1に係る電力変換装置1000の制御部10において、動作させるべき電流共振型コンバータ回路を選択する動作は、上述したものに限るものではなく、回路構成や動作条件に応じて自由に追加又は削除することができる。
In addition, the operation of selecting the current resonance type converter circuit to be operated in the
実施の形態2.
図7は、本実施の形態2に係る電力変換装置2000の電気回路図である。本実施の形態2に係る電力変換装置2000において、電流共振型コンバータ回路100及び200の構成及び制御部10における、動作させるべき電流共振型コンバータ回路の判別部は、上記の実施の形態1に係る電力変換装置1000と同様である。
FIG. 7 is an electric circuit diagram of the power conversion device 2000 according to the second embodiment. In the power conversion device 2000 according to the second embodiment, the configuration of the current
すなわち、上記の実施の形態1で説明した電力変換装置1000における電流共振型コンバータ回路100及び200の入力が、それぞれ入力電力ヒューズ13a及び13bを介して直流入力電源1に接続され、出力が、それぞれ出力電力ヒューズ14a及び14bを介して出力電圧Voに接続されている点が異なっている。
That is, the inputs of the current resonance
以下、本発明の実施の形態2に係る電力変換装置2000の動作について図7を参照して説明する。
本実施の形態2に係る電力変換装置2000の電流共振型コンバータ回路100及び200において、それぞれ、トランス150及び250の1次巻線と、共振用リアクトル130、230及び共振用コンデンサ140、240の直列接続による共振回路と、半導体スイッチング素子101、102、及び201、202、及び入力電力平滑コンデンサ110、210のいずれかにおいて短絡故障が発生した場合、故障した素子を有する電流共振型コンバータ回路の入力インピーダンスが低下する。
Hereinafter, the operation of the power conversion apparatus 2000 according to
In current
入力インピーダンスが低下すると、電力変換装置2000の出力が低下するだけでなく、正常に動作可能な電流共振型コンバータ回路の入力部及び直流入力電源1が、故障した素子を有する電流共振型コンバータ回路へ大電流の短絡電流を流して破損させてしまう。
When the input impedance is lowered, not only the output of the power converter 2000 is lowered, but also the input part of the current resonant converter circuit and the DC
そこで、入力電力ヒューズ13a及び13bを短絡電流によって溶断されるように配置し、短絡故障が発生した場合において、入力電力ヒューズの溶断によって正常に動作可能な電流共振型コンバータ回路及び直流入力電源1より、故障した素子を有する方の電流共振型コンバータ回路を絶縁する。
Therefore, the input power fuses 13a and 13b are arranged so as to be blown by a short-circuit current, and when a short-circuit failure occurs, the current resonance type converter circuit and the DC
また、同様に、トランス150及び250の2次巻線に接続された整流ダイオード160、161、及び260、261による整流回路、及び出力電力平滑コンデンサ180、280のいずれかにおいて短絡故障が発生した場合、故障した素子を有する方の電流共振型コンバータ回路の出力インピーダンスが低下する。
Similarly, when a short-circuit failure occurs in any of the
出力インピーダンスが低下すると、電力変換装置2000の出力が低下するだけでなく、正常に動作可能な電流共振型コンバータ回路の出力部及び出力電圧Voの両端子に接続された負荷が、故障した素子を有する電流共振型コンバータ回路へ大電流の短絡電流を流す結果、破損してしまう。 When the output impedance decreases, not only the output of the power converter 2000 decreases, but also the load connected to both the output part of the current resonance type converter circuit that can operate normally and the output voltage Vo has a failed element. As a result of passing a large short-circuit current through the current resonant converter circuit, the circuit is damaged.
そこで出力電力ヒューズを短絡電流によって溶断されるように選定しておき、短絡故障等が発生した場合には、出力電力ヒューズの溶断によって正常に動作可能な電流共振型コンバータ回路及び負荷から、故障した素子を有する方の電流共振型コンバータ回路を絶縁する。 Therefore, the output power fuse is selected so as to be blown by the short-circuit current, and when a short-circuit failure occurs, the output power fuse is blown out of the current resonant converter circuit and load that can operate normally. The current resonance converter circuit having the element is insulated.
上述した通り、電流共振型コンバータ回路100及び200において、回路を構成するいずれかの回路素子が短絡故障した場合、故障した素子を有する電流共振型コンバータ回路は、短絡電流によって入力電力ヒューズ13a及び13b、又は出力電力ヒューズ14a及び14bが溶断することで、正常に動作可能な電流共振型コンバータと直流入力電源1又は出力電圧Voとから絶縁される。これによって、正常に動作可能な方の電流共振型コンバータは、故障した素子を有する方の電流共振型コンバータ回路の影響を受けることなく動作を継続できる。
As described above, in the current resonance
更に、本実施の形態2に係る電力変換装置2000の制御部10は、故障発生時において、上記の動作させるべき電流共振型コンバータ回路を選択する判別部により、正常に動作可能な電流共振型コンバータ回路を選択して動作させる。
Furthermore, the
これにより、電力変換装置2000は、電流共振型コンバータ回路100及び200において、回路を構成するいずれかの回路素子が短絡故障した場合においても、電力変換装置としての最低限の機能を維持することができる。
As a result, the power conversion device 2000 can maintain the minimum function as the power conversion device even in the case where a short circuit failure occurs in any of the circuit elements constituting the circuit in the current
ここで、上記の動作を、図8に示す本実施の形態2に係る制御部10の制御フローにより説明する。なお、基本的なフローは上記の実施の形態1における制御部10と同様であるため、異なる点についてのみ説明する。
Here, the above operation will be described with reference to the control flow of the
まず、制御部10は、入力電圧検出回路120及び220より入力電圧値を、出力電圧検出回路170及び270より出力電圧を、そして出力電流検出回路190及び290より出力電流値を入力する(ステップS101)。ここで、制御部10は、上記の入力電圧、出力電圧、及び出力電流を元に電流共振型コンバータ回路100及び200の故障判別を行う(ステップS109)。この故障判定は、それぞれの検出値が故障を示す閾値と比較することにより行えばよい。
First, the
制御部10は、電流共振型コンバータ回路100からの入力値が閾値を超えており異常であれば(ステップS110のYes)、半導体スイッチング素子201及び202のみをスイッチングさせ、電流共振型コンバータ回路200を動作させるとともに、故障した電流共振型コンバータ回路100を停止させる(ステップS107)。電流共振型コンバータ回路100からの入力値が異常でない場合、すなわち電流共振型コンバータ回路200からの入力が異常である場合(ステップS110のNo)、反対に半導体スイッチング素子101及び102のみをスイッチングさせ、電流共振型コンバータ回路100を動作させるとともに、故障した電流共振型コンバータ回路200を停止させる(ステップS108)。
If the input value from the current resonance
これにより、電流共振型コンバータ回路100及び200のいずれかが故障した場合においても、故障した正常に動作可能な電流共振型コンバータを選択して動作させるべきことで、電力変換装置としての機能を失わない。
As a result, even when one of the current resonance
なお、本実施の形態2で説明した電力変換装置2000は、出力電力ヒューズ14a及び14bを有し、電流共振型コンバータ回路100及び200の出力が、それぞれ出力電力ヒューズ14a及び14bを介して出力電圧Voに接続されているとしたが、図9に示す電力変換装置3000の様に、電流共振型コンバータ回路100及び200の出力である複数の出力端子を有し、これらの複数の出力端子が出力電力ヒューズ2a及び2bを介して出力電圧Voの両端子に接続される構成としても同様の効果を奏する。
The power conversion device 2000 described in the second embodiment includes output power fuses 14a and 14b, and outputs of the current resonance
実施の形態3.
図10に示す本実施の形態3に係る電力変換装置4000は、上記の実施の形態2で説明した電力変換装置2000の電流共振型コンバータ回路100の前段に昇圧(非絶縁型)コンバータ回路300が接続され、電流共振型コンバータ回路200の前段に昇圧コンバータ回路400が接続されている。これら昇圧コンバータ回路300及び400の入力端子は、それぞれ入力電力ヒューズ13a及び13bを介して、共通の直流入力電源1に接続された点が異なる。
A power conversion device 4000 according to the third embodiment shown in FIG. 10 includes a boost (non-insulated)
昇圧コンバータ回路300は、入力電力平滑コンデンサ310、昇圧リアクトル340、半導体スイッチング素子350、及び整流ダイオード360を備え、整流ダイオードのアノード端子が昇圧リアクトル340の一方の端子に接続され、カソード端子は昇圧コンバータ回路の出力として電流共振型コンバータ回路100の入力に与えられている。
The
半導体スイッチング素子350は、ドレイン端子が、昇圧リアクトル340の一方の端子と整流ダイオード360との接続点に接続され、ソース端子が入力電力平滑コンデンサの一方の端子を介して、入力電力ヒューズ13aの一方の端子に接続されている。入力電力ヒューズ13aの他方の端子は、直流入力電源1の負極に接続されている。昇圧リアクトル340の他方の端子は、入力電圧検出回路320及び入力電力平滑コンデンサ310の他方の端子を介して直流入力電源1の正極に接続されている。
The
ここで、昇圧コンバータ回路300及び昇圧コンバータ回路400は、それぞれ同様の回路構成及び回路素子を用いており、電流共振型コンバータ回路100及び200の出力端子側にそれぞれ接続してもよい。昇圧コンバータ回路300及び400のそれぞれの入力電圧を検出するために入力電力平滑コンデンサ310及び410と並列に入力電圧検出回路320及び420がそれぞれ接続されており、入力電圧検出回路320及び420の検出値SV5及びSV6は、信号線11g及び11hによりそれぞれ制御部10に入力される。
Here, the
また、昇圧コンバータ回路300及び400のそれぞれの入力電流を検出するために昇圧リアクトル340及び430の前段に、それぞれ入力電流検出回路330及び430が配置され、これら入力電圧検出回路320及び420の検出値は、それぞれ信号線11i及び11jにより制御部10に入力される。また、制御部10は、制御線12e及び12fにより、それぞれ半導体スイッチング素子350及び450をオン/オフ制御する。
In addition, input current detection circuits 330 and 430 are arranged in front of the boost reactors 340 and 430 in order to detect input currents of the
以下、本実施の形態3に係る電力変換装置4000の基本的な動作について図10を参照して説明する。
制御部10は、上述の如く、昇圧コンバータ回路300及び400がそれぞれ有する半導体スイッチング素子350及び450をオン/オフ制御することで、電流共振型コンバータ回路100及び200の入力電圧を調節し、出力電圧Voを制御する。
Hereinafter, the basic operation of power conversion device 4000 according to the third embodiment will be described with reference to FIG.
As described above, the
次に、制御部10は、電流共振型コンバータ回路100が有する半導体スイッチング素子101及び102、並びに電流共振型コンバータ回路200が有する半導体スイッチング素子201及び202を、スイッチング周波数Fswを共振周波数Frに固定してオン/オフ制御する。
Next, the
電流共振型コンバータ回路100及び200のスイッチング周波数Fswを共振周波数Frとした場合、入出力ゲイン特性は負荷に拠らず“1”となる。従って、電力変換装置3000は負荷に拠らず安定した出力電圧Voを出力できる。
When the switching frequency Fsw of the current resonance
また、入力電圧Viが変動した場合は、昇圧コンバータ回路300及び400が電流共振型コンバータ回路100及び200の入力電圧を調節することで、出力電圧Voが目標値となるように制御する。これにより入力電圧Viの変動が大きい場合においても、安定した出力電圧Voを出力することができる。
Further, when the input voltage Vi fluctuates, the
更に、電流共振型コンバータ回路100及び200のスイッチング周波数Fswを共振周波数Frとした場合、電流共振型コンバータ回路100及び200においてZVSとZCSの双方が成立するため、損失を低減する効果を奏する。
Furthermore, when the switching frequency Fsw of the current resonance
ここで、本実施の形態3に係る電力変換装置4000の制御部10は、本実施の形態2に係る電力変換装置2000の制御部10と同様に、動作させるべき電流共振型コンバータ回路100及び200を選択する判別部を有していてもよい。この場合、電流共振型コンバータ回路100及び200にそれぞれ接続された昇圧コンバータ回路300及び400も同様に選択する。
Here, the
本実施の形態3に係る電力変換装置4000の制御部10は、負荷が小さい場合又は入力電圧Viが大きい場合などスイッチング損失が効率低下の主要因となる領域で、動作させるべき電流共振型コンバータ回路100又は200、及び昇圧コンバータ回路300又は400を選択し、スイッチング損失を低減させる。これにより入力電圧Vi又は負荷が変動した場合においても高い効率を得ることができる。
The
本実施の形態3に係る電力変換装置4000の制御部10は、電流共振型コンバータ回路100及び200、並びに昇圧コンバータ回路300及び400の故障を、入力電圧検出回路320及び420の検出値SV5及びSV6から判別し、故障と判断した場合において、故障した電流共振型コンバータ回路100及び200、並びに昇圧コンバータ回路300及び400をそれぞれ停止させ、正常に動作可能な電流共振型コンバータ回路100及び200、並びに昇圧コンバータ回路300及び400のみを動作させる。
The
これにより、本実施の形態3に係る電力変換装置4000の制御部10は、電流共振型コンバータ回路100及び200、並びに昇圧コンバータ回路300及び400の何れかにおいて故障が発生した場合でも、電力変換装置としての最低限の動作を維持できる。
As a result, the
更に、本実施の形態3に係る電力変換装置4000の入力電力ヒューズ13a及び13bは、昇圧コンバータ回路300及び400の入力側に設置する構成としているため、昇圧コンバータ回路300及び400、並びに電流共振型コンバータ回路100及び200のいずれかで短絡故障が発生した場合でも、短絡電流によって入力電力ヒューズ13a又は13bが溶断する。このとき、直流入力電源1から絶縁されるため、正常に動作可能な昇圧コンバータ回路300又は400、或いは電流共振型コンバータ回路100又は200は継続して動作が可能となる。
Furthermore, since the input power fuses 13a and 13b of the power conversion device 4000 according to the third embodiment are installed on the input side of the
実施の形態4.
図11に示す本実施の形態4に係る電力変換装置5000は、上記の実施の形態3で説明した電力変換装置4000における一方の昇圧コンバータ回路400を除去し、電流共振型コンバータ回路100及び200の入力部がそれぞれ入力電力ヒューズ13a及び13bを介して昇圧コンバータ回路300の出力部に接続され、昇圧コンバータ回路300の出力と並列にリンクコンデンサ15が接続されており、昇圧コンバータ回路300の入力が直流入力電源1に接続された点が異なっている。
Embodiment 4 FIG.
The power conversion device 5000 according to the fourth embodiment shown in FIG. 11 removes one of the boost converter circuits 400 in the power conversion device 4000 described in the third embodiment, so that the current
以下、本実施の形態4に係る電力変換装置5000の基本的な動作について図11を参照して説明する。
本実施の形態4の電力変換装置5000の電流共振型コンバータ回路100及び200及び昇圧コンバータ回路300の基本的な回路構成及び制御方式は上記の実施の形態3と同様である。以下では、実施の形態3と異なる作用について説明する。
Hereinafter, a basic operation of power conversion device 5000 according to the fourth embodiment will be described with reference to FIG.
The basic circuit configuration and control method of current
本実施の形態4に係る電力変換装置5000の制御部10は、リンクコンデンサ電圧検出回路16の検出値SV7を信号線11kから入力し、リンクコンデンサ15の電圧を調節して、出力電圧Voが目標値となるように制御する。
The
これにより電流共振型コンバータ回路100及び200の入出力ゲイン特性を“1”に固定できるため、負荷に拠らず安定した出力電圧Voを出力できると共に、ZVS及びZCSが成立し効率が向上する。
As a result, the input / output gain characteristics of the current resonance
本実施の形態4に係る電力変換装置5000の制御部10は、昇圧コンバータ回路300を構成する何れか一つの素子が、何らかの理由で破損した場合、スイッチング素子380をオフにして昇圧コンバータ回路300を電流共振型コンバータ回路100及び200に直接接続させ、以て電流共振型コンバータ回路100及び200のスイッチング周波数の変更によって入出力ゲイン特性を調節し出力電圧Voを制御する。
The
これにより、電力変換装置5000は、昇圧コンバータ回路300が故障した場合においても動作を継続できる。また、電流共振型コンバータ回路100及び200の何れかにおいて故障が発生した場合は、正常に動作可能な電流共振型コンバータ回路を選択して動作させることで、動作を継続できる。
Thus, power conversion device 5000 can continue to operate even when
以上により、電力変換装置5000は電流共振型コンバータ回路100及び200、並びに昇圧コンバータ回路300の何れかにおいて故障が発生したとしても動作を継続できる。
また、本実施の形態4に係る電力変換装置5000では、昇圧コンバータ回路を1つとしているため部品点数を減らすことができるという利点も有する。
As described above, power converter 5000 can continue to operate even if a failure occurs in any of current
In addition, power converter 5000 according to the fourth embodiment has an advantage that the number of components can be reduced because there is one boost converter circuit.
また、本実施の形態4に係る電力変換装置5000の昇圧コンバータ回路300は、図12に示すように、半導体スイッチング素子350に直列に電力ヒューズ370を接続した構造としてもよい。
Further, the
すなわち、半導体スイッチング素子350が短絡故障した場合、電力ヒューズ370が大電流の短絡電流によって溶断する。これにより、短絡電流が遮断されると共に、直結動作として入力電流は、昇圧リアクトル340と整流ダイオード360を通り電流共振型コンバータ回路100及び200に流れる。従って、半導体スイッチング素子350が短絡故障した場合においても、電力変換装置5000は、動作を継続できる。
That is, when the
なお、上記の実施の形態3及び実施の形態4では、電流共振型コンバータ回路100及び200の共振用リアクトル130及び230はトランスの漏れインダクタンスを用いてもよい。一般に電流共振型コンバータ回路において、共振用リアクトルとして漏れインダクタンスを用いた場合、トランスの励磁インダクタンスに対し漏れインダクタンスが小さいため、スイッチング周波数に対して入出力ゲイン特性の変化量が小さくなり、出力電圧の制御ができない。
In the above third and fourth embodiments, the
ここで、上記の実施の形態3及び実施の形態4における電流共振型コンバータ回路100及び200では、入出力ゲイン特性を固定にしているために上記の問題は無視できる。トランスのリーケージインダクタンスを共振用のリアクトルとして用いることで、部品点数削減による小型化及び低コスト化が図れると共に、鉄損と銅損が発生しないため高効率化が図れる。
Here, in the current resonance
上記の各実施の形態において、電流共振型コンバータ回路のトランス2次側の整流回路、及び昇圧コンバータの整流回路には整流ダイオードを用いたが、これに限るものではなく、例えば、MOSFETを用いた同期整流でもよい。これにより、導通損失が整流ダイオードと比較して低減するため、同様の効果を奏するだけでなく効率が向上する。 In each of the above embodiments, the rectifier diode is used for the rectifier circuit on the transformer secondary side of the current resonance converter circuit and the rectifier circuit of the boost converter. However, the present invention is not limited to this. For example, a MOSFET is used. Synchronous rectification may be used. Thereby, since conduction | electrical_connection loss reduces compared with a rectifier diode, not only the same effect is show | played but efficiency improves.
上記の各実施の形態において、電力変換装置に使用する半導体スイッチング素子はシリコン半導体によって構成されたものに限るものではなく、例えば、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、又はダイヤモンドを用いたワイドバンドギャップ半導体でもよい。 In each of the above embodiments, the semiconductor switching element used in the power conversion device is not limited to a silicon semiconductor, and for example, a wide band gap semiconductor using silicon carbide, a gallium nitride material, or diamond. But you can.
ワイドバンドギャップ半導体から成る半導体スイッチング素子は、シリコン半導体ではユニポーラ動作が困難な高電圧領域で使用可能であるとともに、高速スイッチング及び超高キャリア周波数動作に適するため、スイッチング周波数の高周波化によって、共振用リアクトルや共振用コンデンサ、トランス等を小型化できると共にスイッチング損失の低減によってさらなる高効率化を図ることが可能となる。 Semiconductor switching elements made of wide bandgap semiconductors can be used in high voltage regions where unipolar operation is difficult with silicon semiconductors, and are suitable for high-speed switching and ultra-high carrier frequency operation. A reactor, a resonance capacitor, a transformer, and the like can be reduced in size, and further efficiency can be improved by reducing switching loss.
以上、本発明について実施の形態1から実施の形態4について説明したが、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、変形又は省略することが可能である。 The first to fourth embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention can be freely combined with each other within the scope of the present invention, and each embodiment can be appropriately modified or omitted. Is possible.
1 直流入力電源、
2a、2b 出力電力ヒューズ、
10 制御部、
11a、11j 信号線、
12a、12f 制御線、
13a、13b 入力電力ヒューズ、
14a、14b 出力電力ヒューズ、
15 リンクコンデンサ、
16 リンクコンデンサ電圧検出回路
100、200 電流共振型コンバータ回路、
101、102、201、202 半導体スイッチング素子
110、210 入力電力平滑コンデンサ、
120、220 入力電圧検出回路、
130、230 共振用リアクトル、
140、240 共振用コンデンサ、
150、250 トランス、
160、161、260、261 整流ダイオード、
170、270 出力電圧検出回路、
180、280 出力電力平滑コンデンサ、
190、290 出力電流検出回路、
300、400 昇圧コンバータ回路、
310、410 入力電力平滑コンデンサ、
320、420 入力電圧検出回路、
330、430 入力電流検出回路、
340、440 昇圧リアクトル、
350、450 半導体スイッチング素子、
360、460 整流ダイオード、
370 電力ヒューズ、
1000、2000、3000、4000、5000 電力変換装置。
1 DC input power supply,
2a, 2b Output power fuse,
10 control unit,
11a, 11j signal lines,
12a, 12f control line,
13a, 13b Input power fuse,
14a, 14b output power fuse,
15 link capacitor,
16 Link capacitor
101, 102, 201, 202
120, 220 input voltage detection circuit,
130, 230 Resonant reactor,
140, 240 resonance capacitors,
150, 250 transformer,
160, 161, 260, 261 rectifier diode,
170, 270 output voltage detection circuit,
180, 280 output power smoothing capacitor,
190, 290 output current detection circuit,
300, 400 step-up converter circuit,
310, 410 input power smoothing capacitor,
320, 420 input voltage detection circuit,
330, 430 input current detection circuit,
340, 440 boost reactor,
350, 450 semiconductor switching element,
360, 460 rectifier diode,
370 power fuse,
1000, 2000, 3000, 4000, 5000 Power converter.
Claims (15)
前記複数の電流共振型コンバータ回路の各々の直流入力電圧を検出する入力電圧検出部と、
前記複数の電流共振型コンバータ回路の各々の直流出力電圧を検出する出力電圧検出部と、
前記複数の電流共振型コンバータ回路の各々の直流出力電流を検出する出力電流検出部と、
前記複数の電流共振型コンバータ回路のうちの複数個を動作させた場合と単独に動作させた場合それぞれの入出力ゲインと出力電流と効率の特性マップを有し、前記検出された直流入力電圧と直流出力電圧と出力電流とに応じて前記特性マップから最高効率が得られるように、前記複数の電流共振型コンバータ回路のうち1個以上の電流共振型コンバータ回路を選択して動作させる制御部とを備えた
電力変換装置。 A plurality of current resonant converter circuits connected in parallel between the input DC power supply and the output terminal;
An input voltage detector that detects a DC input voltage of each of the plurality of current resonance converter circuits;
An output voltage detector that detects a DC output voltage of each of the plurality of current resonance converter circuits;
An output current detector for detecting a DC output current of each of the plurality of current resonance type converter circuits;
When operating a plurality of current resonance type converter circuits and when operating a plurality of current resonant converter circuits, each has a characteristic map of input / output gain, output current and efficiency, and the detected DC input voltage A control unit that selects and operates one or more current resonance type converter circuits among the plurality of current resonance type converter circuits so that the maximum efficiency can be obtained from the characteristic map according to a DC output voltage and an output current; A power conversion device comprising:
請求項1記載の電力変換装置。 The power converter according to claim 1, wherein the characteristic map is a three-dimensional characteristic map of the input / output gain, the output current, and the efficiency.
請求項1記載の電力変換装置。 The characteristic map includes a region for selecting one or more current resonance type converter circuits from among the plurality of current resonance type converter circuits so as to obtain the highest efficiency according to the input / output gain and the output current. The power converter according to claim 1, wherein the power converter is a two-dimensional characteristic map having a set threshold value.
請求項1から3のいずれか一項に記載の電力変換装置。 The power converter according to any one of claims 1 to 3, wherein the characteristic map uses the DC input voltage when the DC output voltage is constant, instead of the input / output gain.
1次巻線及び2次巻線を備えるトランスと、
共振用リアクトルと前記1次巻線と共振用コンデンサとが直列に接続された直列共振回路と、
前記入力直流電源の両端間において直列接続された第1及び第2のスイッチング素子であって、前記第2のスイッチング素子が前記直列共振回路の両端間に接続されたものとを含み、
前記制御部は、前記第1及び第2のスイッチング素子を制御することにより前記電流共振型コンバータ回路を選択する
請求項1記載の電力変換装置。 Each of the plurality of current resonance type converter circuits includes:
A transformer comprising a primary winding and a secondary winding;
A series resonance circuit in which a resonance reactor, the primary winding, and a resonance capacitor are connected in series;
A first and a second switching element connected in series between both ends of the input DC power supply, wherein the second switching element is connected between both ends of the series resonant circuit;
The power converter according to claim 1, wherein the control unit selects the current resonance type converter circuit by controlling the first and second switching elements.
請求項5記載の電力変換装置。 When operating a plurality of the plurality of current resonance converter circuits, the control unit turns on by interleaving the switching phases of the first and second switching elements between the current resonance converter circuits. 6. The power conversion device according to claim 5, wherein the power conversion device is controlled.
請求項1に記載の電力変換装置。 The power conversion according to claim 1, wherein the control unit is configured to select only the current resonance type converter circuit in which none of the detected DC input voltage, DC output voltage, and output current exceeds a failure determination threshold value. apparatus.
請求項1から7のいずれか一項に記載の電力変換装置。 The power converter according to any one of claims 1 to 7, wherein a power fuse is provided in a front stage and a rear stage of each of the plurality of current resonance converter circuits.
請求項1から7のいずれか一項に記載の電力変換装置。 The power converter according to any one of claims 1 to 7, wherein a non-insulated DC converter circuit is connected to each input terminal or output terminal of the plurality of current resonance converter circuits.
請求項9に記載の電力変換装置。 The non-insulated DC converter circuit has an input voltage detection circuit, wherein, when the input voltage detection circuit detects an abnormal input voltage, the current resonance type the input voltage detection circuit is connected The power converter according to claim 9 which stops operation of a converter circuit.
請求項1から7のいずれか一項に記載の電力変換装置。 Each input terminal or output terminal of the plurality of current resonance type converter circuits is connected to a common connection point via a power fuse, and a non-insulated DC converter circuit is connected to the common connection point. The power converter according to any one of claims 1 to 7.
請求項11に記載の電力変換装置。 The power converter according to claim 11, wherein the non-insulated DC converter circuit is connected in series with a switching element so that the non-insulated DC converter circuit is directly connected to the plurality of current resonance converter circuits in the event of a failure.
請求項5に記載の電力変換装置。 The power converter according to claim 5, wherein the resonance reactor is configured by a leakage inductance of the transformer.
請求項5又は6に記載の電力変換装置。 The power conversion device according to claim 5 or 6, wherein the first and second switching elements are elements formed of a wide band gap semiconductor.
請求項14に記載の電力変換装置。 The power converter according to claim 14, wherein the wide band gap semiconductor is a semiconductor using silicon carbide, a gallium nitride-based material, or diamond.
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