JP6528999B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数台の電力変換ユニットを互いに並列に接続して構成される電源装置において、各ユニットに対する駆動信号の補正タイミングや出力電流の計測タイミングを生成する技術に関するものである。

複数台の電力変換ユニットを互いに並列に接続して運転する場合、各ユニットの特性のばらつき等によって発生する横流を制御するために、各ユニット内の半導体スイッチング素子に対する駆動信号のタイミングを制御することが必要である。
また、各ユニットの動作を監視するために各ユニットを流れる電流値をセンサにより計測する場合、センシングのタイミングや、制御回路がセンサから計測値を取得するタイミングを厳密に管理することが求められる。
すなわち、複数台の電力変換ユニットからなる電源装置を高精度かつ効率良く運転するためには、所定のタイミングに従って半導体スイッチング素子を駆動し、所定のタイミングで計測した電流値等に応じて半導体スイッチング素子の駆動タイミングを補正する等の制御が必要になる。

例えば、半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を備えた複数台の電力変換ユニットを単一の共通制御部により統括的に制御する電源装置では、共通制御部が、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御により生成したゲート駆動信号を各ユニットに送信して運転を制御する方法が知られている。この場合、各ユニットは、前述したようにゲート駆動信号の生成タイミングや電流の計測タイミング等を適切に制御することが求められるが、各ユニットはゲート駆動信号を生成していないため、ゲート駆動信号の基準となるタイミングを知り得ないという問題がある。

上記の問題を解決するためには、図６に示すように、ＰＷＭ制御によりゲート駆動信号を生成するためのキャリア信号を共通制御部が出力し、各ユニットが前記キャリア信号のタイミングを基準として種々のタイミングを決定する方法が考えられる。
この図６において、１００は電源装置、２０は共通制御部、２１はゲート駆動信号生成部、３０は、共通制御部２０と負荷４０との間に複数台、並列に接続された電力変換ユニットである。
なお、図６に示すように、単一の共通制御部により複数台の電力変換ユニットを制御する電源装置は、例えば特許文献１に記載されている。

図６の電力変換ユニット３０には、ゲート駆動信号生成部２１から受信した共通のキャリア信号に基づいて補正タイミング信号を生成するタイミング生成部３１と、ゲート駆動信号のタイミングをキャリア信号及び補正タイミング信号に基づいて補正するゲート駆動信号補正部３２と、ゲート駆動信号が供給される半導体スイッチング素子としてのＩＧＢＴ３３と、その出力電流を検出するセンサ３４とがそれぞれ設けられている。なお、タイミング生成部３１は、センサ３４によるセンシングタイミングと、センサ３４による計測値を制御回路（図示せず）が取得するタイミングとを決定する計測タイミング信号を出力している。

一方、特許文献２には、電力変換ユニットとしての単位主回路部を複数台備え、これらの単位主回路部を単一の制御回路部により制御する電力変換器制御装置において、制御回路部からゲート駆動信号を符号化して単一のケーブルにより全ての単位主回路部に伝送する技術が開示されている。

特許第５０５６３９６号公報（段落[００１１]〜[００１３]、図１等） 特開２０１２−６０７９３号公報（段落[００３６]〜[００３８]、図９等）

図６に示した従来技術では、共通制御部２０から複数台の電力変換ユニット３０にキャリア信号を伝送するために専用のケーブルが必要であり、配線コストの増加や配線作業の煩雑化を招くという問題がある。また、これらのケーブルにノイズが混入すると、電力変換ユニット３０側でキャリア信号のタイミングを誤認識するおそれもある。

一方、特許文献２に記載された従来技術によれば、ケーブルの数は少なくなる反面、個々の単位主回路部にゲート駆動信号の符号化回路や復号化（復元）回路、伝送回路等を設ける必要があり、回路構成が複雑化してコスト高になるという問題がある。また、複数のゲート駆動信号を符号化してまとめる必要上、単位時間当たりの情報量が増えて信号を高周波化せざるを得ず、符号化された情報がノイズの影響により改変されると、情報の一部または全部を復号化できない事態が発生する。

従って、図６や特許文献２に記載された従来技術では、何れにしてもコスト上の問題や伝送品質上の問題があるため、これらの解決が求められていた。
そこで、本発明の解決課題は、配線や回路構成の複雑化、伝送品質の低下、コストの増加等を招くことなく、駆動信号の補正タイミングや出力電流の計測タイミングを適切に生成可能とした電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、半導体スイッチング素子を備えた複数台の電力変換ユニットが互いに並列に接続され、単一の共通制御部から伝送される駆動信号により前記半導体スイッチング素子をそれぞれ駆動して負荷に電力を供給する電源装置において、
前記電力変換ユニットは、前記共通制御部が前記駆動信号を生成するために用いたキャリア信号を前記共通制御部から受信せずに前記駆動信号から復元するキャリア復元部を備え、
前記キャリア復元部は、
前記駆動信号のオンパルス幅をカウントするパルス幅カウンタと、
前記駆動信号の第１回目のオンパルスがオフする時刻の前記パルス幅カウンタのカウント値に比例した値を初期値としてカウントアップするキャリア周期カウンタと、を備え、
前記キャリア復元部においてキャリア周期が既知である時に、前記キャリア周期カウンタのカウント値が前記キャリア周期の相当値に達したタイミングから、前記キャリア信号の頂点のタイミングを復元し、
前記電力変換ユニットは、
前記キャリア復元部により復元したキャリア信号のタイミングを用いて、前記駆動信号の補正タイミングまたは前記電力変換ユニットの出力電流の計測タイミングを生成することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、半導体スイッチング素子を備えた複数台の電力変換ユニットが互いに並列に接続され、単一の共通制御部から伝送される駆動信号により前記半導体スイッチング素子をそれぞれ駆動して負荷に電力を供給する電源装置において、
前記電力変換ユニットは、前記共通制御部が前記駆動信号を生成するために用いたキャリア信号を前記共通制御部から受信せずに前記駆動信号から復元するキャリア復元部を備え、
前記キャリア復元部は、
前記駆動信号のオンパルス幅をカウントするパルス幅カウンタと、前記駆動信号の第１回目のオンパルスがオフする時刻の前記パルス幅カウンタのカウント値に比例した値を初期値としてカウントアップするキャリア周期カウンタと、を備え、
前記キャリア復元部においてキャリア周期が不明である時に、
前記駆動信号の第２回目のオンパルスがオフする時刻の前記キャリア周期カウンタのカウント値から前記パルス幅カウンタのカウント値に比例した値を減算した値を前記キャリア周期の相当値とし、
前記キャリア周期カウンタのカウント値が前記相当値に達したタイミングから、前記キャリア信号の頂点のタイミングと前記キャリア周期とを復元し、
前記電力変換ユニットは、
前記キャリア復元部により復元したキャリア信号のタイミングを用いて、前記駆動信号の補正タイミングまたは前記電力変換ユニットの出力電流の計測タイミングを生成することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した電源装置において、前記共通制御部が前記駆動信号を生成するために用いたキャリア信号の波形が三角波であり、前記三角波の上下何れかの頂点が前記駆動信号のオンパルスの中点と一致していることを特徴とする。

本発明は、共通制御部から各電力変換ユニットにキャリア信号を伝送せず、各電力変換ユニットが受信した駆動信号に基づいてキャリア信号を復元し、この復元キャリア信号のタイミングを用いて駆動信号の補正タイミングまたは出力電流の計測タイミングを生成するものである。
このため、図６に示した従来技術のように共通制御部から複数台の電力変換ユニットにキャリア信号を伝送する場合の、配線数の増加や配線・組立作業の煩雑化、ノイズによる誤動作、信頼性の低下等の問題を解消することができる。
また、特許文献２に記載された従来技術と比較すると、回路構成の簡略化が可能であると共に、複数台の電力変換ユニットの相互間で符号化情報を送受信する必要がなく、耐ノイズ性に優れ、低コストの電源装置を実現することができる。

本発明の実施形態を示すブロック図である。 図１におけるタイミング生成部の構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態の動作を示す波形図である。 本発明の第２実施形態の動作を示す波形図である。 図４の一部を拡大した波形図である。 従来の電源装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図に沿って説明する。
図１は、この実施形態に係る電源装置１００Ａの構成を示すブロック図である。図１において、電源装置１００Ａは、単一の共通制御部２０Ａと、互いに並列に接続された複数台の電力変換ユニット１０とを備え、これらの電力変換ユニット１０により負荷４０へ電力を供給するように構成されている。なお、電力変換ユニット１０の構成は全て同一である。

共通制御部２０Ａは、ゲート駆動信号生成部２１Ａにより変調波とキャリア信号とを比較して生成したゲート駆動信号を、全ての電力変換ユニット１０に伝送する。
電力変換ユニット１０は、ゲート駆動信号が入力されるタイミング生成部１１及びゲート駆動信号補正部１２と、ゲート駆動信号補正部１２から出力される補正後のゲート駆動信号がゲートに供給されるＩＧＢＴ１３と、その出力電流を検出するセンサ１４とを備えている。ここでは、半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴを例示しているが、パワートランジスタやＦＥＴ等でも良いことは言うまでもない。

タイミング生成部１１は、センサ１４による電流のセンシングタイミングと、センサ１４による計測値を制御回路（図示せず）が取得するタイミングを決定するための計測タイミング信号を生成し、かつ、ゲート駆動信号補正部１２に対して、ゲート駆動信号の補正値を更新するための補正タイミング信号を生成する。

図２は、図１におけるタイミング生成部１１の構成を示すブロック図である。このタイミング生成部１１は、キャリア復元部１１ａ、補正タイミング生成部１１ｂ及び計測タイミング生成部１１ｃによって構成されている。
キャリア復元部１１ａは、前記補正タイミング信号や計測タイミング信号を算出する基準となるキャリア信号を、共通制御部２０Ａから受信したゲート駆動信号に基づいて復元する。
補正タイミング生成部１１ｂは、復元キャリア信号に基づいて補正タイミング信号を生成し、計測タイミング生成部１１は、復元キャリア信号に基づいて計測タイミング信号を生成する。

次に、本発明の実施形態の動作を説明する。なお、以下の実施形態において、共通制御部２０Ａがゲート駆動信号の生成に用いるキャリア信号の波形は三角波であるものとする。
まず、図３に示すように、ゲート駆動信号生成部２１Ａは、変調波とキャリア信号とを比較してゲート駆動信号を生成する。

本発明の第１実施形態において、図２に示したキャリア復元部１１ａには、キャリア信号の復元処理を行う前に、ゲート駆動信号生成部２１Ａがゲート駆動信号を生成するために必要な以下の情報が与えられているものとする。すなわち、キャリア復元部１１ａに予め与えられている情報は、
（１）変調波が、キャリア信号の上の頂点または下の頂点にて変化すること（図３の例では、キャリア信号の上の頂点で変調波が変化している）。言い換えれば、キャリア信号の一方の頂点、例えば下の頂点が、ゲート駆動信号のオンパルスの中点に一致していること。
（２）キャリア周期
である。

また、キャリア復元部１１ａは、ゲート駆動信号のオンパルスのパルス幅を計測するパルス幅カウンタと、キャリア周期を計測するキャリア周期カウンタと、を備えている。
パルス幅カウンタは、ゲート駆動信号のオンパルス幅を計測するために、ゲート駆動信号がオン状態である間、カウントアップする。そして、パルス幅カウンタは、図３におけるゲート駆動信号がオフする時刻ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３の各カウント値Ａ，Ｂ，Ｃを記憶してからリセット動作する。

ここで、キャリア復元部１１ａは、ゲート駆動信号の第１回目のオンパルスがオフとなる時刻ｔ_１において、カウント値Ａの半分の値（Ａ／２）を、キャリア周期カウンタに初期値としてロードする（図３における処理ａ）。なお、演算等に要する時間を加味する場合には、この時間に相当する値を用いてキャリア周期カウンタにロードする値を補正する。
処理ａにより、キャリア周期カウンタは、ゲート駆動信号の第１回目のオンパルスの中点からカウントを開始した場合と同等のカウント値を、時刻ｔ_１における初期値（Ａ／２）として動作を開始する。

前述したように、キャリア復元部１１ａでは、復元動作の開始前からキャリア周期が既知であるので、キャリア復元部１１ａは、キャリア周期カウント値が既知のキャリア周期に相当する値に達した時刻を、復元キャリア信号の周期の始点となる時刻ｔ_ａとして認識する。
以後は、キャリア周期カウント値が既知のキャリア周期に相当する値に達するたびにキャリア周期カウンタをリセットすれば、図示するように時刻ｔ_ａ，ｔ_ｂ，……を認識することができ、時刻ｔ_ａ〜ｔ_ｂ間を周期とする復元キャリア信号を得ることができる。

以上の処理により、図１の複数台の電力変換ユニット１０では、タイミング生成部１１内のキャリア復元部１１ａの動作により、全て同期した復元キャリア信号をそれぞれ生成することができる。従って、図２の補正タイミング生成部１１ｂ及び計測タイミング生成部１１ｃは、上記復元キャリア信号の頂点のタイミングを基準として補正タイミング信号や計測タイミング信号を生成することができる。

但し、ゲート駆動信号生成部２１Ａの動作クロックと、キャリア復元部１１ａのパルス幅カウンタ及びキャリア周期カウンタの動作クロックとが完全に一致しない場合には、元のキャリア信号と復元キャリア信号とがずれていくことが考えられる。
そこで、図３において、ゲート駆動信号の第２回目のオンパルスでは、処理ｂとして示すように、時刻ｔ_２におけるパルス幅カウント値Ｂの半分の値（Ｂ／２）とキャリア周期カウント値とを比較し、上記（Ｂ／２）とキャリア周期カウント値との差が予め設定された許容誤差範囲を超えた場合に、キャリア周期カウント値を補正するようにしても良い。

また、ゲート駆動信号の第３回目のオンパルスに関して、処理ｃに示すように、時刻ｔ_３におけるパルス幅カウント値Ｃの半分の値（Ｃ／２）とキャリア周期カウント値との差が予め設定された補正可能範囲を超えた場合には、復元するべきキャリア信号を失ったものとして、最初からキャリア信号を復元し直すようにしても良い。
なお、図３の処理ｂでは、（Ｂ／２）とキャリア周期カウント値との差が許容誤差範囲内にあり、処理ｃでは、（Ｃ／２）とキャリア周期カウント値との差が補正可能範囲にある場合を示している。

次に、本発明の第２実施形態として、ゲート駆動信号生成部２１Ａがキャリア周期を設定値として変更可能に構成されているが、変更後のキャリア周期をキャリア復元部１１ａに通知する手段が設けられておらず、キャリア復元部１１ａが変更後のキャリア周期を知り得ない場合における、復元キャリア信号の生成方法について説明する。

この場合、図４に示すように、キャリア復元部１１ａ内のパルス幅カウンタは、前記同様に、ゲート駆動信号の第１回目のオンパルス幅を計測し、ゲート駆動信号がオフする時刻ｔ_０１のカウント値Ｄを記憶してリセット動作する。
ここで、キャリア復元部１１ａは、上記カウント値Ｄの半分の値（Ｄ／２）を、キャリア周期カウンタに初期値としてロードし（図４における処理ｄ）、キャリア周期カウンタは（Ｄ／２）を時刻ｔ_０１における初期値としてカウントを開始する。この時点でキャリア周期は不明であるため、ゲート駆動信号の第２回目のオンパルスでは、処理ｅとして示すように、時刻ｔ_０２におけるパルス幅カウント値Ｅの半分の値（Ｅ／２）を、キャリア周期カウンタに初期値としてロードする。

このとき、キャリア周期は、時刻ｔ_０２におけるキャリア周期カウント値Ｃ_Ｅから上記（Ｅ／２）を減算した値、すなわち、Ｃ_Ｅ−（Ｅ／２）に相当する。その理由を、図５に基づいて説明する。
図５は、図４の一部を拡大して示した図である。時刻ｔ_０１におけるキャリア周期カウンタの初期値である（Ｄ／２）や、時刻ｔ_０２におけるキャリア周期カウンタの初期値である（Ｅ／２）は、何れもパルス幅カウンタのオンパルスの中点におけるパルス幅カウント値に等しい。例えば、ゲート駆動信号の第２回目のオンパルスの中点は、元のキャリア信号の下の頂点の時刻ｔ_ａと一致している。また、時刻ｔ_ａにおけるキャリア周期カウンタのカウント値は、図５によれば、Ｃ_Ｅ−（Ｅ／２）である。

従って、時刻ｔ_ａ以後、キャリア周期カウンタのカウント値がＣ_Ｅ−（Ｅ／２）になった時刻ｔ_ｂまでがキャリア周期となり、この時刻ｔ_ｂでキャリア周期カウンタをリセットすることにより、復元キャリア信号を得ることができる。なお、ｔ_ａ〜ｔ_ｂ間の時刻ｔ_ａｂは、キャリア周期カウント値が｛Ｃ_Ｅ−（Ｅ／２）｝／２となる時刻であり、復元キャリア信号の上の頂点に一致する。
このようにして、キャリア復元部１１ａがキャリア周期を知り得ない場合でもキャリア信号を復元することが可能であり、この復元キャリア信号の頂点のタイミングを基準として補正タイミング信号や計測タイミング信号を生成することができる。

なお、前述した処理ｄ，ｅにより算出したキャリア周期に誤差が含まれる場合がある。
この場合、上記の誤差を回避するために、キャリア復元部１１ａでは、複数のキャリア周期を候補として予め記憶しておき、算出したキャリア周期に近いキャリア周期を上記候補の中から選択するようにしても良い。
あるいは、処理ｂを複数回行い、その結果を平均化する等のフィルタ処理を加えてキャリア周期を算出しても良い。

上述した各実施形態において、キャリア復元部１１ａの動作によってキャリア信号が復元されるまでは、ゲート駆動信号の適切な補正タイミングや出力電流の計測タイミングが不明であるため、補正値の更新や電流値の計測を行わないようにしても良い。
また、電力変換ユニット１０ごとにキャリア信号の周期等が異なる場合には、そのキャリア信号に応じてキャリア復元部を構成し、キャリア信号が共通する電力変換ユニット１０については同一のキャリア復元部を共有するように構成しても良い。

本発明は、無停電電源装置等を始めとして、複数台の電力変換ユニットを並列運転して負荷に電力を供給する各種の電源装置に利用することができる。なお、電力変換ユニットの主回路の構成は特に限定されるものではない。

１０：電力変換ユニット
１１：タイミング生成部
１１ａ：キャリア復元部
１１ｂ：補正タイミング生成部
１１ｃ：計測タイミング生成部
１２：ゲート駆動信号補正部
１３：ＩＧＢＴ
１４：センサ
２０Ａ：共通制御部
２１Ａ：ゲート駆動信号生成部
４０：負荷
１００Ａ：電源装置

Claims (3)

1. 半導体スイッチング素子を備えた複数台の電力変換ユニットが互いに並列に接続され、単一の共通制御部から伝送される駆動信号により前記半導体スイッチング素子をそれぞれ駆動して負荷に電力を供給する電源装置において、
   前記電力変換ユニットは、前記共通制御部が前記駆動信号を生成するために用いたキャリア信号を前記共通制御部から受信せずに前記駆動信号から復元するキャリア復元部を備え、
   前記キャリア復元部は、
   前記駆動信号のオンパルス幅をカウントするパルス幅カウンタと、
   前記駆動信号の第１回目のオンパルスがオフする時刻の前記パルス幅カウンタのカウント値に比例した値を初期値としてカウントアップするキャリア周期カウンタと、を備え、
   前記キャリア復元部においてキャリア周期が既知である時に、前記キャリア周期カウンタのカウント値が前記キャリア周期の相当値に達したタイミングから、前記キャリア信号の頂点のタイミングを復元し、
   前記電力変換ユニットは、
   前記キャリア復元部により復元したキャリア信号のタイミングを用いて、前記駆動信号の補正タイミングまたは前記電力変換ユニットの出力電流の計測タイミングを生成することを特徴とする電源装置。
2. 半導体スイッチング素子を備えた複数台の電力変換ユニットが互いに並列に接続され、単一の共通制御部から伝送される駆動信号により前記半導体スイッチング素子をそれぞれ駆動して負荷に電力を供給する電源装置において、
   前記電力変換ユニットは、前記共通制御部が前記駆動信号を生成するために用いたキャリア信号を前記共通制御部から受信せずに前記駆動信号から復元するキャリア復元部を備え、
   前記キャリア復元部は、
   前記駆動信号のオンパルス幅をカウントするパルス幅カウンタと、前記駆動信号の第１回目のオンパルスがオフする時刻の前記パルス幅カウンタのカウント値に比例した値を初期値としてカウントアップするキャリア周期カウンタと、を備え、
   前記キャリア復元部においてキャリア周期が不明である時に、
   前記駆動信号の第２回目のオンパルスがオフする時刻の前記キャリア周期カウンタのカウント値から前記パルス幅カウンタのカウント値に比例した値を減算した値を前記キャリア周期の相当値とし、
   前記キャリア周期カウンタのカウント値が前記相当値に達したタイミングから、前記キャリア信号の頂点のタイミングと前記キャリア周期とを復元し、
   前記電力変換ユニットは、
   前記キャリア復元部により復元したキャリア信号のタイミングを用いて、前記駆動信号の補正タイミングまたは前記電力変換ユニットの出力電流の計測タイミングを生成することを特徴とする電源装置。
3. 請求項１または２に記載した電源装置において、
   前記共通制御部が前記駆動信号を生成するために用いたキャリア信号の波形が三角波であり、前記三角波の上下何れかの頂点が前記駆動信号のオンパルスの中点と一致していることを特徴とする電源装置。

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