JP6717220B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電源と負荷との間に設けられる、ＤＣ−ＤＣコンバータやＤＣ−ＡＣインバータなどの電力変換装置に関する。

たとえば、直流電源の電圧を昇圧または降圧して負荷へ供給するＤＣ−ＤＣコンバータは、各種機器の電源装置として今日広く用いられている。入力側と出力側がトランスによって絶縁された絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータでは、トランスの一次側に、直流電源の直流電圧をスイッチングして交流電圧に変換するスイッチング回路が設けられ、トランスの二次側に、変換された交流電圧を整流して直流電圧に変換する整流回路が設けられている。

このような絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータにおいては、一次側のスイッチング回路の動作を制御する制御部と、二次側の出力電圧を検出する電圧検出器とが設けられる。電圧検出器で検出された出力電圧は、フィードバック信号として一次側の制御部に入力される。制御部は、このフィードバック信号に基づいて、スイッチング回路のスイッチング素子を駆動するための駆動信号を生成し、この駆動信号によりスイッチング素子をオン・オフさせる。駆動信号としては、ＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation）信号や、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号などが用いられる。

絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータでは、入力側と出力側とが絶縁されているので、上述したフィードバック信号を信号線によって、直接出力側から入力側へ伝送することはできない。このため、フィードバック経路に、トランスやフォトカプラなどの絶縁通信部が必要となる。絶縁通信部は、出力側の電圧検出器からのフィードバック信号を受信し、これを絶縁しつつ入力側の制御部へ送信する。特許文献１、２には、このような絶縁通信部を備えた絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータが記載されている。

特許文献３には、入力電圧、出力電流、および周囲温度をそれぞれ検出するセンサと、これらのセンサの各検出値とスイッチング素子の駆動信号のオン時間との関係を示したテーブルとを設け、各センサの検出値とテーブルとを用いて、スイッチング素子の駆動信号のオン時間を設定することが記載されている。特許文献４には、入力電圧と出力電流の各検出値を制御部に入力し、入力電圧および出力電流の増減に応じて、スイッチング素子のオン期間を制御することが記載されている。

ところで、電力変換装置には、ＤＣ−ＤＣコンバータ単体から構成されるものだけでなく、ＤＣ−ＤＣコンバータ（第１変換部）の後段に、ＤＣ−ＡＣコンバータや他のＤＣ−ＤＣコンバータなど（第２変換部）が設けられたものがある。このような電力変換装置では、第２変換部もスイッチング回路を備えており、このスイッチング回路を制御するための制御部（第２制御部）が、第１変換部の制御部（第１制御部）とは別に設けられる。そして、第１制御部と第２制御部とは、前述の絶縁通信部により絶縁されている。

第１制御部は、第１変換部の出力電圧に基づいて、第１変換部のスイッチング回路を駆動するための駆動信号の生成に必要な指令値を演算し、この指令値に基づいて駆動信号を生成する。同様に、第２制御部は、第２変換部の出力電圧に基づいて、第２変換部のスイッチング回路を駆動するための駆動信号の生成に必要な指令値を演算し、この指令値に基づいて駆動信号を生成する。

特開２０１４−５３９８１号公報 特開２０１４−６０８５０号公報 特開平１１−１１３２５２号公報 特開平１１−１３６９３８号公報

本発明は、第１変換部と第２変換部とを有する電力変換装置において、第１変換部の動作を制御する第１制御部の演算負荷を軽減するとともに、入力電圧の変動に対する第１制御部の応答性を向上させることを課題としている。

本発明に係る電力変換装置は、直流電源と負荷との間に設けられる電力変換装置であって、直流電源の電圧が入力される第１変換部と、この第１変換部の出力電圧が入力される第２変換部と、第１変換部の動作を制御する第１制御部と、第２変換部の動作を制御する第２制御部とを備えている。第１変換部は、入力側と出力側が絶縁されていて、入力側に直流電源の電圧をスイッチングする第１スイッチング回路を有している。第２変換部は、第１変換部の出力電圧をスイッチングする第２スイッチング回路を有している。第１制御部は、第１スイッチング回路を駆動する第１駆動信号を第１変換部へ出力し、第２制御部は、第２スイッチング回路を駆動する第２駆動信号を第２変換部へ出力する。電力変換装置には、さらに、第１変換部の入力電圧を検出する第１電圧検出器と、第１変換部の出力電圧を検出する第２電圧検出器と、第１制御部と第２制御部との間に両制御部を絶縁するように設けられた絶縁通信部とが設けられている。第２制御部は、第２電圧検出器で検出された出力電圧に基づいて、第１駆動信号の生成に必要な第１指令値を演算し、当該第１指令値を、絶縁通信部を介して第１制御部へ送信する。第１制御部は、第１電圧検出器で検出された入力電圧に応じて、第２制御部から受信した第１指令値を制限して、制限された第１指令値である制限指令値を算出し、当該制限指令値に基づいて第１駆動信号を生成する。第２制御部は、さらに、第２駆動信号の生成に必要な第２指令値を演算し、当該第２指令値に基づいて第２駆動信号を生成する。

このような電力変換装置によれば、第１駆動信号の生成に必要な第１指令値が、第２制御部で演算され、第１制御部は、第２制御部から絶縁通信部を介して、第１指令値を受信する。このため、第１制御部では、第１指令値の演算が不要となり、第２制御部から受信した第１指令値に基づいて、第１駆動信号を生成するだけでよいので、第１制御部の演算負荷を軽減することができる。また、第１変換部の入力電圧に応じて第１指令値を制限するので、入力電圧が急変した場合でも、第１制御部が直ちに制限処理を行うことができる。このため、入力電圧の変動に対する第１制御部の応答性が向上し、迅速な制御が可能となる。

本発明において、絶縁通信部は、第１絶縁通信部と第２絶縁通信部とからなり、第２制御部は、第１絶縁通信部を介して第１指令値を第１制御部へ送信し、第１制御部は、第２絶縁通信部を介して制限指令値を第２制御部へ送信する。

この場合、第２制御部は、第１変換部の出力電圧の目標値と第２電圧検出器で検出された検出値との偏差、および第１制御部から受信した制限指令値に基づいて、第１指令値を算出してもよい。

本発明において、第１制御部は、第２制御部から受信した第１指令値が、所定の制限範囲内にあるか否かを判定し、第１指令値が制限範囲内にある場合は、当該第１指令値を制限せず、第１指令値が制限範囲の上限値を超えている場合は、当該第１指令値を上限値に制限し、第１指令値が制限範囲の下限値に満たない場合は、当該第１指令値を下限値に制限してもよい。

この場合、第１電圧検出器で検出された入力電圧に対して、複数の電圧範囲が設定され、これらの電圧範囲のそれぞれに対して制限範囲が設定され、これらの制限範囲のそれぞれに対して、上限値および下限値が設定されていてもよい。

上限値は、電圧範囲のそれぞれに対して同じ値であり、下限値は、電圧範囲に応じて異なる値であり、入力電圧の大きい電圧範囲ほど大きい値であってもよい。あるいは逆に、下限値は、電圧範囲のそれぞれに対して同じ値であり、上限値は、電圧範囲に応じて異なる値であり、入力電圧の大きい電圧範囲ほど小さい値であってもよい。

本発明において、第１駆動信号は、ＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation）信号であり、第１指令値は、ＰＦＭ信号の周波数であってもよい。

本発明において、第１駆動信号は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号であり、第１指令値は、ＰＷＭ信号のデューティ値であってもよい。

本発明によれば、第１変換部と第２変換部とを有する電力変換装置において、第１変換部の動作を制御する第１制御部の演算負荷を軽減できるとともに、入力電圧の変動に対する第１制御部の応答性を向上させることができる。

本発明の一実施形態による電力変換装置の回路図である。 第１制御指令信号と第１駆動信号の一例を示すタイムチャートである。 第１制御指令信号と第１駆動信号の他の例を示すタイムチャートである。 指令値制限部の具体的構成を示すブロック図である。 指令値の制限範囲の例を示す図である。 指令値の制限範囲の他の例を示す図である。 指令値制限処理の手順を示すフローチャートである。 第１演算制御部の具体的構成を示すブロック図である。 第１制御指令信号と第１駆動信号のさらに他の例を示すタイムチャートである。 第１制御指令信号と第１駆動信号のさらに他の例を示すタイムチャートである。 第１制御指令信号と第１駆動信号のさらに他の例を示すタイムチャートである。 第１制御指令信号と第１駆動信号のさらに他の例を示すタイムチャートである。 本発明の他の実施形態による電力変換装置の回路図である。

本発明に係る電力変換装置の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。各図において、同一の部分または対応する部分には、同一の符号を付してある。

最初に、図１を参照して、電力変換装置の構成につき説明する。図１において、電力変換装置１００は、直流電源Ｂと負荷６との間に設けられる。この電力変換装置１００は、バッテリ（直流電源Ｂ）の電圧を昇圧または降圧して交流に変換し、交流電源を使用する家電製品（たとえばヘアドライヤー、掃除機）などの負荷６へ供給する電源装置として用いられる。

電力変換装置１００には、第１変換部１、第２変換部２、第１制御部３、第２制御部４、第１絶縁通信部５１、第２絶縁通信部５２、第１電圧検出器Ｖ１、第２電圧検出器Ｖ２、第３電圧検出器Ｖ３、電流検出器Ａ、およびスイッチＳＷが備わっている。第１変換部１には、スイッチＳＷを介して直流電源Ｂの電圧が入力され、第２変換部２には、第１変換部１の出力電圧が入力される。第１制御部３は、第１変換部１の動作を制御し、第２制御部４は、第２変換部２の動作を制御する。第１絶縁通信部５１および第２絶縁通信部５２は、第１制御部３と第２制御部４との間に設けられている。第１電圧検出器Ｖ１は、第１変換部１の入力電圧を検出する。第２電圧検出器Ｖ２は、第１変換部１の出力電圧を検出する。第３電圧検出器Ｖ３は、第２変換部２の出力電圧を検出する。電流検出器Ａは、第２変換部２の出力電流を検出する。

第１変換部１は、直流電源Ｂの電圧をスイッチングして昇圧または降圧する、公知のＤＣ−ＤＣコンバータからなる。第１変換部１の入力側と出力側は、トランスＴＲによって絶縁されている。トランスＴＲの一次側（入力側）には、第１スイッチング回路１１、インダクタＬ１、コンデンサＣ１、および一次巻線Ｗ１が設けられている。トランスＴＲの二次側（出力側）には、ダイオードＤ１〜Ｄ４、コンデンサＣ２、および二次巻線Ｗ２が設けられている。

トランスＴＲの一次側において、第１スイッチング回路１１は、直流電源Ｂの電圧をスイッチングする回路であって、ブリッジ接続された４つのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を有している。これらのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、それぞれＭＯＳ型のＦＥＴからなる。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３のドレインは、スイッチＳＷを介して直流電源Ｂの正極に接続される。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ３のソースは、それぞれスイッチング素子Ｑ２、Ｑ４のドレインに接続されている。スイッチング素子Ｑ２、Ｑ４のソースは、グランドに接地されている。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の各ゲートは、第１制御部３の後述する第１駆動信号生成部３１に接続されている（接続線の図示は省略）。

インダクタＬ１の一端は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点に接続されている。インダクタＬ１の他端は、一次巻線Ｗ１の一端に接続されている。一次巻線Ｗ１の他端には、コンデンサＣ１の一端が接続されている。コンデンサＣ１の他端は、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４の接続点に接続されている。なお、インダクタＬ１としてトランスＴＲの漏れインダクタンスを利用する場合もある。

トランスＴＲの二次側において、４つのダイオードＤ１〜Ｄ４は、ブリッジ接続されていて整流回路を構成している。コンデンサＣ２は、平滑用のコンデンサである。ダイオードＤ１、Ｄ３のカソードは、コンデンサＣ２の一端とともに、第１変換部１の出力ラインａに接続されている。ダイオードＤ１、Ｄ３のアノードは、それぞれダイオードＤ２、Ｄ４のカソードに接続されている。ダイオードＤ２、Ｄ４のアノードは、コンデンサＣ２の他端とともに、第１変換部１の出力ラインｂに接続されている。出力ラインｂは、グランドに接地されている。二次巻線Ｗ２の一端は、ダイオードＤ１、Ｄ２の接続点に接続され、二次巻線Ｗ２の他端は、ダイオードＤ３、Ｄ４の接続点に接続されている。

第２電圧検出器Ｖ２は、出力ラインａ、ｂ間の電圧、すなわち第１変換部１の出力電圧を検出する。第２電圧検出器Ｖ２で検出された電圧は、フィードバック信号として、第２制御部４の後述する第１制御演算部４１に与えられ、また後述する第２制御演算部４２にも与えられる。

第２変換部２は、第１変換部１の出力電圧を降圧して交流電圧に変換する、公知のＤＣ−ＡＣインバータからなる。第２変換部２には、第２スイッチング回路２１、インダクタＬ２、インダクタＬ３、およびコンデンサＣ３が設けられている。

第２スイッチング回路２１は、第１変換部１から出力される直流電圧をスイッチングする回路であって、ブリッジ接続された４つのスイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８を有している。これらのスイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８も、それぞれＭＯＳ型のＦＥＴからなる。スイッチング素子Ｑ５、Ｑ７のドレインは、第１変換部１の出力ラインａに接続されている。スイッチング素子Ｑ５、Ｑ７のソースは、それぞれスイッチング素子Ｑ６、Ｑ８のドレインに接続されている。スイッチング素子Ｑ６、Ｑ８のソースは、第１変換部１の出力ラインｂに接続されている。スイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８の各ゲートは、第２制御部４の後述する第２駆動信号生成部４３に接続されている（接続線の図示は省略）。

インダクタＬ２の一端は、スイッチング素子Ｑ５、Ｑ６の接続点に接続されている。インダクタＬ２の他端は、コンデンサＣ３の一端とともに、第２変換部２の出力ラインｃに接続されている。インダクタＬ３の一端は、スイッチング素子Ｑ７、Ｑ８の接続点に接続されている。インダクタＬ３の他端は、コンデンサＣ３の他端とともに、第２変換部２の出力ラインｄに接続されている。出力ラインｃ、ｄには、負荷６が接続される。

第３電圧検出器Ｖ３は、出力ラインｃ、ｄ間の電圧、すなわち第２変換部２の出力電圧を検出する。電流検出器Ａは、出力ラインｃ、ｄに流れる電流、すなわち第２変換部２の出力電流を検出する。第３電圧検出器Ｖ３で検出された電圧と、電流検出器Ａで検出された電流とは、それぞれフィードバック信号として、後述する第２制御演算部４２に与えられる。

第１制御部３は、マイクロコンピュータからなり、第１スイッチング回路１１を駆動するための第１駆動信号を生成する第１駆動信号生成部３１と、第１駆動信号の指令値（後述）を制限する指令値制限部３２とを有している。第２制御部４も、マイクロコンピュータからなり、第２スイッチング回路２１を駆動するための第２駆動信号を生成する第２駆動信号生成部４３を有している。また、第２制御部４には、第１制御演算部４１と、第２制御演算部４２と、メモリ４４とが備わっている。

第１制御演算部４１は、第２電圧検出器Ｖ２で検出された電圧に基づいて、第１駆動信号の生成に必要な第１指令値を演算する。第２制御演算部４２は、第２電圧検出器Ｖ２で検出された電圧と、第３電圧検出器Ｖ３で検出された電圧と、電流検出器Ａで検出された電流とに基づいて、第２駆動信号の生成に必要な第２指令値を演算する。なお、これらの指令値は、具体的には、たとえば信号の周波数やデューティ値である（詳細は後述）。メモリ４４には、第１変換部１の出力電圧の目標値が記憶されている。この目標値は、予め定められた一定値である。

第１絶縁通信部５１および第２絶縁通信部５２は、第１制御部３と第２制御部４との間に、両制御部３、４を絶縁するように設けられている。これらの絶縁通信部５１、５２としては、たとえばパルストランスが用いられる。また、パルストランスに代えて、フォトカプラを用いることもできる。

第１絶縁通信部５１の入力側（受信側）は、第２制御部４の第１制御演算部４１に接続され、出力側（送信側）は、第１制御部３の指令値制限部３２に接続されている。第１絶縁通信部５１は、第１制御演算部４１から受信した信号を、絶縁しつつ指令値制限部３２へ送信する。第２絶縁通信部５２の入力側（受信側）は、第１制御部３の指令値制限部３２の出力に接続され、出力側（送信側）は、第２制御部４の第１制御演算部４１に接続されている。第２絶縁通信部５２は、指令値制限部３２から受信した信号を、絶縁しつつ第１制御演算部４１へ送信する。

第１電圧検出器Ｖ１で検出された第１変換部１の入力電圧は、第１制御部３の指令値制限部３２に与えられる。指令値制限部３２の出力信号は、第１駆動信号生成部３１に入力されるとともに、上述したように第２絶縁通信部５２を介して、第２制御部４の第１制御演算部４１に入力される。

次に、上記構成からなる電力変換装置１００の動作を説明する。以下では、公知の回路からなる第１変換部１と第２変換部２の動作については簡単に説明し、本発明の特徴である第１制御部３および第２制御部４の動作について詳細に説明する。

第１変換部１は、スイッチＳＷがオンし、第１制御部３から第１駆動信号が入力されることにより、動作を開始する。第１スイッチング回路１１では、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４が、第１駆動信号生成部３１から与えられる第１駆動信号Ｓｇ１〜Ｓｇ４によりオン・オフ動作を行う。第１駆動信号は、たとえば、図２の（ｂ）〜（ｅ）に示されているような、ＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation：パルス周波数変調）信号である。（ｂ）〜（ｅ）のＰＦＭ信号Ｓｇ１〜Ｓｇ４は、それぞれスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のゲートに与えられる。ＰＦＭ信号がＨ（ハイレベル）の区間ではスイッチング素子がオンとなり、ＰＦＭ信号がＬ（ローレベル）の区間ではスイッチング素子がオフとなる。

このＰＦＭ信号により、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４が対をなしてオン・オフし、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３が対をなしてオン・オフすることで、直流電源Ｂの電圧がスイッチングされ、交流電圧に変換される。この交流電圧は、インダクタＬ１、トランスＴＲの励磁インダクタンス、およびコンデンサＣ１によるＬＬＣ共振動作により昇圧され、トランスＴＲの二次側に伝達される。トランスＴＲの二次側では、昇圧された交流電圧がダイオードＤ１〜Ｄ４で整流され、コンデンサＣ２で平滑された後、直流電圧として出力ラインａ、ｂへ出力される。

第２変換部２の第２スイッチング回路２１では、スイッチング素子Ｑ５〜Ｑ８が、第２駆動信号生成部４３から与えられる第２駆動信号Ｓｇ５〜Ｓｇ８によりオン・オフ動作を行う。この第２駆動信号は、本実施形態ではＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）信号である（図示は省略）。この信号により、スイッチング素子Ｑ５、Ｑ８が対をなしてオン・オフし、スイッチング素子Ｑ６、Ｑ７が対をなしてオン・オフすることで、第１変換部１から出力された直流電圧がスイッチングされ、交流電圧に変換される。この交流電圧は、平滑用のインダクタＬ２、Ｌ３により平滑化されて降圧された後、出力ラインｃ、ｄへ出力されて負荷６に供給される。

ところで、第１駆動信号生成部３１において図２（ｂ）〜（ｅ）のようなＰＦＭ信号Ｓｇ１〜Ｓｇ４を生成するためには、第１変換部１の出力電圧、すなわち第２電圧検出器Ｖ２の検出値のフィードバックにより、ＰＦＭ信号の生成に必要な指令値（第１指令値）を算出する必要がある。ＰＦＭ信号の場合は、図２（ｂ）に示した周波数ｆ１〜ｆ３が第１指令値となる。従来は、第１変換部１の出力電圧を一次側の第１制御部３にフィードバックして、第１制御部３で第１指令値の演算を行っていたが、本発明では、第１変換部１の出力電圧を二次側の第２制御部４にフィードバックして、第１制御演算部４１で第１指令値の演算を行う。この演算の詳細については後述する。

第１制御演算部４１は、演算した第１指令値に基づき、図２（ａ）に示すような第１制御指令信号Ｓｃ１を生成する。この第１制御指令信号Ｓｃ１は、演算された周波数ｆ１〜ｆ３（第１指令値）を持ったＰＦＭ信号である。つまり、第１制御指令信号Ｓｃ１は、第１指令値を含む信号である。第１制御演算部４１は、この第１制御指令信号Ｓｃ１を、第１絶縁通信部５１を介して第１制御部３の指令値制限部３２へ送信する。

指令値制限部３２は、第１制御指令信号Ｓｃ１を受信すると、第１電圧検出器Ｖ１の検出値に応じて、第１指令値に制限をかける処理を行う。この制限処理については、後で詳細に説明する。第１駆動信号生成部３１は、指令値制限部３２から出力される第１指令値（周波数）に基づいて、第１駆動信号であるＰＦＭ信号を生成する。具体的には、図２において、（ａ）のように、第１制御指令信号Ｓｃ１の周波数がｆ１→ｆ２→ｆ３と変化した場合、第１駆動信号生成部３１は、これに追従して（ｂ）〜（ｅ）のように、周波数がｆ１→ｆ２→ｆ３と変化するＰＦＭ信号Ｓｇ１〜Ｓｇ４を生成する。（ｃ）、（ｄ）のＰＦＭ信号は、（ｂ）、（ｅ）のＰＦＭ信号を反転した信号となっている。また、前述のように、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ４が対をなしてオン・オフするので、（ｂ）と（ｅ）のＰＦＭ信号は同じ信号となり、スイッチング素子Ｑ２、Ｑ３が対をなしてオン・オフするので、（ｃ）と（ｄ）のＰＦＭ信号は同じ信号となる。

一方、第２制御部４においては、第２駆動信号の生成に必要な第２指令値を、第２制御演算部４２が演算する。これは従来から行われている処理である。第２制御演算部４２は、電圧検出器Ｖ２、Ｖ３の各検出値と、電流検出器Ａの検出値とに基づいて、第２駆動信号（ＰＷＭ信号）の第２指令値（デューティ値）を演算し、この第２指令値を含む第２制御指令信号Ｓｃ２を第２駆動信号生成部４３へ出力する。第２駆動信号生成部４３は、第２制御指令信号Ｓｃ２により与えられる第２指令値に基づいて、第２スイッチング回路２１を駆動するＰＷＭ信号Ｓｇ５〜Ｓｇ８を生成する。

なお、上記の例では、第１駆動信号がＰＦＭ信号であったが、第１駆動信号は図３（ｂ）〜（ｅ）に示されているような、ＰＷＭ信号であってもよい。ＰＷＭ信号の場合は、図３（ｂ）に示したデューティ値Ｄ１〜Ｄ３が、第１指令値となる。ＴはＰＷＭ信号の周期を表している。第１制御演算部４１は、生成すべきＰＷＭ信号のデューティ値（第１指令値）を演算し、その演算結果に基づき、図３（ａ）に示すような第１制御指令信号Ｓｃ１を生成する。この第１制御指令信号Ｓｃ１は、演算されたデューティ値Ｄ１〜Ｄ３を持ったＰＷＭ信号、すなわち第１指令値を含む信号である。第１制御演算部４１は、この第１制御指令信号Ｓｃ１を、第１絶縁通信部５１を介して第１制御部３の指令値制限部３２へ送信する。指令値制限部３２は、第１制御指令信号Ｓｃ１を受信すると、前述のＰＦＭ信号の場合と同様の制限処理を行い、第１駆動信号生成部３１は、デューティ値がＤ１→Ｄ２→Ｄ３と変化するＰＷＭ信号Ｓｇ１〜Ｓｇ４を生成する。

次に、指令値制限部３２における指令値の制限処理について、図４〜図７を参照しながら説明する。

図４は、指令値制限部３２の具体的な構成を示している。指令値制限部３２は、指令値制限範囲選択部３２ａと、指令値制限処理部３２ｂとを有している。指令値制限範囲選択部３２ａには、第１電圧検出器Ｖ１で検出された第１変換部１の入力電圧が入力される。指令値制限範囲選択部３２ａは、この入力電圧の値に応じて、第１指令値の制限範囲を選択する。

詳しくは、指令値制限範囲選択部３２ａにおいて、たとえば図５に示すような指令値の制限範囲が設定されている。すなわち、第１電圧検出器Ｖ１で検出された入力電圧に対して、複数の電圧範囲Ａ〜Ｅが設定され、これらの電圧範囲Ａ〜Ｅのそれぞれに対して、指令値の制限範囲Ａ〜Ｅが設定されている。また、制限範囲Ａ〜Ｅのそれぞれに対して、上限値と下限値が設定されている。ここでは、上限値は、電圧範囲Ａ〜Ｅのそれぞれに対して同じ値Ｙとなっている。一方、下限値は、電圧範囲Ａ〜Ｅに応じて異なる値Ｘ１〜Ｘ５であり、入力電圧の大きい電圧範囲ほど大きい値となっている（Ｘ１＜Ｘ２＜Ｘ３＜Ｘ４＜Ｘ５）。すなわち、入力電圧が大きいほど、指令値は狭い範囲に制限される。

指令値制限範囲選択部３２ａは、入力電圧の値に応じて、図５の電圧範囲Ａ〜Ｅのいずれかを選択し、当該電圧範囲に対応する制限範囲の上限値と下限値を、指令値制限処理部３２ｂへ出力する。たとえば、入力電圧の値が図５の電圧範囲Ｃに属する場合は、指令値制限範囲選択部３２ａは、電圧範囲Ｃに対応する制限範囲Ｃを選択し、当該制限範囲Ｃの上限値Ｙと下限値Ｘ３とを、指令値制限処理部３２ｂへ出力する。

指令値制限処理部３２ｂは、第２制御部４から与えられる第１指令値と、指令値制限範囲選択部３２ａから与えられる制限範囲の上限値および下限値とに基づいて、第１指令値に対する制限処理を行い、制限指令値を出力する。この制限指令値には、制限された第１指令値と、制限されない第１指令値の両方が含まれる。指令値制限処理の詳細が、図７のフローチャートに示されている。

図７において、指令値制限処理部３２ｂは、第１指令値を制限範囲と比較し（ステップＳ１）、第１指令値が制限範囲内か否かを判定する（ステップＳ２）。判定の結果、第１指令値が制限範囲内であれば、第１指令値は制限をかけずにそのままとする（ステップＳ３）。たとえば、図５において、電圧範囲がＢの場合に、第１指令値が下限値Ｘ２以上で、かつ上限値Ｙ以下であれば、制限指令値は第１指令値となる。

一方、第１指令値が制限範囲内になく、上限値を超えている場合は、第１指令値を上限値に制限する（ステップＳ４）。たとえば、図５において、電圧範囲がＢで第１指令値が上限値Ｙを超えている場合は、第１指令値を上限値Ｙとする。この場合の制限指令値は上限値Ｙである。これにより、第１駆動信号の第１指令値である周波数やデューティ値が大きくなり過ぎるのが抑制され、適正なフィードバック制御を行うことができる。

また、第１指令値が制限範囲内になく、下限値に満たない場合は、第１指令値を下限値に制限する（ステップＳ５）。たとえば、図５において、電圧範囲がＢで第１指令値が下限値Ｘ２未満である場合は、第１指令値を下限値Ｘ２とする。この場合の制限指令値は下限値Ｘ２である。これにより、第１駆動信号の第１指令値である周波数やデューティ値が小さくなり過ぎるのが抑制され、適正なフィードバック制御を行うことができる。

ステップＳ３〜Ｓ５を実行した後、指令値制限処理部３２ｂは、制限指令値を出力する（ステップＳ６）。この制限指令値は、第１駆動信号生成部３１に入力される。第１駆動信号生成部３１は、制限指令値に基づいてＰＦＭ信号やＰＷＭ信号のような第１駆動信号を生成する。

図６は、指令値の制限範囲の他の例を示している。ここでは、下限値が、電圧範囲Ａ〜Ｅのそれぞれに対して同じ値Ｘとなっている。上限値は、電圧範囲Ａ〜Ｅに応じて異なる値Ｙ１〜Ｙ５であり、入力電圧の大きい電圧範囲ほど小さい値となっている（Ｙ１＞Ｙ２＞Ｙ３＞Ｙ４＞Ｙ５）。すなわち、図５と同様に、入力電圧が大きいほど、指令値は狭い範囲に制限される。

図８は、第２制御部４の第１演算制御部４１の具体的構成を示している。第１演算制御部４１には、第２電圧検出器Ｖ２から与えられる、第１変換部１の出力電圧の検出値βと、メモリ４４（図１）から与えられる、第１変換部１の出力電圧の目標値αと、第２絶縁通信部５２を介して指令値制限部３２から与えられる制限指令値γとが入力される。第１演算制御部４１は、演算器４１ａと、遅延回路Ｚ_Ｂ−１〜Ｚ_Ｂ−３と、アンプＢ０〜Ｂ３と、遅延回路Ｚ_Ａ−１〜Ｚ_Ａ−３と、アンプＡ１〜Ａ３と、加算器４１ｂとを有している。

演算器４１ａは、出力電圧の目標値αと検出値βとの差分（α−β）である偏差Ｅ_ｎを演算する。遅延回路Ｚ_Ｂ−１〜Ｚ_Ｂ−３は、前回を含む過去の偏差Ｅ_ｎ−１、Ｅ_ｎ−２、Ｅ_ｎ−３を算出する。Ｅ_ｎは今回の偏差、Ｅ_ｎ−１は前回（１つ前のタイミング）の偏差、Ｅ_ｎ−２は前々回（２つ前のタイミング）の偏差、Ｅ_ｎ−３は前々々回（３つ前のタイミング）の偏差である。アンプＢ０〜Ｂ３は、各偏差Ｅ_ｎ、Ｅ_ｎ−１、Ｅ_ｎ−２、Ｅ_ｎ−３に対して、ゲインによる重み付けを行う。

遅延回路Ｚ_Ａ−１〜Ｚ_Ａ−３は、前回を含む過去の制限指令値Ｕ_ｎ−１、Ｕ_ｎ−２、Ｕ_ｎ−３を算出する。Ｕ_ｎ−１は前回（１つ前のタイミング）の制限指令値、Ｕ_ｎ−２は前々回（２つ前のタイミング）の制限指令値、Ｕ_ｎ−３は前々々回（３つ前のタイミング）の制限指令値である。アンプＡ１〜Ａ３は、制限指令値の過去値Ｕ_ｎ−１、Ｕ_ｎ−２、Ｕ_ｎ−３に対して、ゲインによる重み付けを行う。

加算器４１ｂは、アンプＢ０〜Ｂ３およびアンプＡ１〜Ａ３の各出力を加算して、当該加算値を第１指令値として出力する。アンプＢ０〜Ｂ３のゲインをＢ０〜Ｂ３、アンプＡ１〜Ａ３のゲインをＡ１〜Ａ３としたとき、第１指令値は次式により算出される。
第１指令値＝（Ｅ_ｎ＊Ｂ０）＋（Ｅ_ｎ−１＊Ｂ１）＋（Ｅ_ｎ−２＊Ｂ２）＋（Ｅ_ｎ−３＊Ｂ３）＋（Ｕ_ｎ−１＊Ａ１）＋（Ｕ_ｎ−２＊Ａ２）＋（Ｕ_ｎ−３＊Ａ３）

上記の式よりわかるように、第１演算制御部４１で演算される第１指令値は、第１変換部１の出力電圧の目標値αと検出値βとの偏差（Ｅ_ｎ）、当該偏差の過去値（Ｅ_ｎ−１〜Ｅ_ｎ−３）、および第１制御部３の指令値制限部３２から与えられる制限指令値γの過去値（Ｕ_ｎ−１〜Ｕ_ｎ−３）に基づいて算出される。従来の一般的な手法に従えば、遅延回路Ｚ_Ａ−１〜Ｚ_Ａ−３には、加算器４１ｂの出力すなわち演算された第１指令値が入力されるが、本発明では、第１指令値ではなく、指令値制限部３２からフィードバックされた制限指令値γが入力される。このように、二次側（第２制御部４）での第１指令値の演算に、一次側（第１制御部３）で算出された制限指令値を反映させることで、第１指令値の精度が向上する。

上述した実施形態によると、第１スイッチング回路１１を駆動する第１駆動信号（ＰＦＭ信号またはＰＷＭ信号）の生成に必要な第１指令値（周波数またはデューティ値）は、第１制御部３ではなく、第２制御部４で演算される。そして、第２制御部４は、演算した第１指令値を、第１制御指令信号Ｓｃ１により、第１絶縁通信部５１を介して第１制御部３へ送信する。すなわち、従来は第１制御部３で行っていた第１指令値の演算を第２制御部４が行い、第１制御部３は、第２制御部４から第１指令値を受信するようになっている。このため、第１制御部３では、第１指令値の演算が不要となり、第２制御部４から受信した第１指令値に基づいて、第１駆動信号生成部３１で第１駆動信号を生成するだけでよいので、第１制御部３の演算負荷を軽減することができる。その結果、第１制御部３に安価なマイクロコンピュータを使用することができる。一方、第２制御部４を構成するマイクロコンピュータは、もともと演算機能を有していることから、第１指令値の演算処理が追加されても、コストが極端に上昇することはない。

なお、第１制御部３と第２制御部４の一方の演算負荷を軽減しようとした場合、第１制御部３に演算処理を集約する（制御演算部４１、４２を第１制御部３に設ける）と、絶縁通信部５を複数設ける必要があり、部品点数が増えるという問題がある。しかるに、本実施形態のように第２制御部４に演算処理を集約することで、絶縁通信部５は１つで済み、部品点数の増加を抑制することができる。

また、上述した実施形態によると、第１制御部３の指令値制限部３２が、第１変換部１の入力電圧（第１電圧検出器Ｖ１の検出値）に基づいて、第１指令値に対する制限処理を行っている。第１変換部１の出力電圧（第２電圧検出器Ｖ２の検出値）に基づいて制限処理を行った場合は、入力電圧が急変した場合に、二次側でのフィードバック制御の時間遅れにより、一次側で指令値の制限処理が実行されるまでに時間を要する。しかるに、本発明では、入力電圧の急変時に指令値制限部３２が直ちに制限処理を行うので、入力電圧の変動に対する第１制御部３の応答性が向上し、迅速な制御が可能となる。

また、上述した実施形態によると、第１制御部３の指令値制限部３２から出力される制限指令値が、第２絶縁通信部５２を介して、第２制御部４の第１制御演算部４１へフィードバックされる。したがって、第２制御部４では、第１駆動信号生成部３１から出力される第１駆動信号の、実際の指令値を把握することができる。このため、第１変換部１の出力電圧が、第１指令値の制限によって、第２制御部４が演算した第１指令値から乖離した電圧値であっても、第２制御部４は、異常判定したり誤動作したりすることがない。また、制限指令値のフィードバックによって、第１制御演算部４１は、制限指令値を反映した適正な第１指令値を算出することができる。

以上の説明においては、第１制御演算部４１が出力する第１制御指令信号Ｓｃ１として、図２（ａ）のＰＦＭ信号および図３（ａ）のＰＷＭ信号を例に挙げたが、本発明における第１制御指令信号は、これら以外の信号でもよい。図９〜図１２は、第１制御指令信号の他の例を示している。

図９（ａ）の第１制御指令信号Ｓｃ１は、周波数が変化した場合だけ出力されるＰＦＭ信号である。図１０（ａ）の第１制御指令信号Ｓｃ１は、デューティ値が変化した場合だけ出力されるＰＷＭ信号である。図１１（ａ）の第１制御指令信号Ｓｃ１は、第１指令値である周波数ｆ１〜ｆ３を２値化した信号である。図１２（ａ）の第１制御指令信号Ｓｃ１は、第１指令値であるデューティ値Ｄ１〜Ｄ３を２値化した信号である。

図１３は、本発明の他の実施形態による電力変換装置を示している。図１の電力変換装置１００では、第２制御部４に２つの制御演算部４１、４２が設けられているが、図１３の電力変換装置２００では、第２制御部４に１つの制御演算部４０が設けられている。制御演算部４０は、図１の制御演算部４１、４２が個々に行っていた演算を統合して行う。すなわち、制御演算部４０は、第１指令値を演算して、第１制御指令信号Ｓｃ１を指令値制限部３２へ出力するとともに、第２指令値を演算して、第２制御指令信号Ｓｃ２を第２駆動信号生成部４３へ出力する。その他の構成については、図１と同じであるので、重複部分の説明は省略する。

本発明では、以上述べた実施形態以外にも、以下のような種々の実施形態を採用することができる。

前記の実施形態においては、第２変換部２が、入力側と出力側とが絶縁されていない非絶縁型のＤＣ−ＡＣインバータであったが、第２変換部２は、入力側と出力側とが絶縁された絶縁型のＤＣ−ＡＣインバータであってもよい。この場合、第３電圧検出器Ｖ３および電流検出器Ａから第２制御部４へ至るフィードバック経路に、絶縁通信部５１、５２と同様の絶縁通信部が設けられる。

前記の実施形態においては、第２駆動信号生成部４３で生成される第２駆動信号がＰＷＭ信号であったが、第２駆動信号は、第１駆動信号と同様のＰＦＭ信号であってもよい。

前記の実施形態においては、第１変換部１がＤＣ−ＤＣコンバータで、第２変換部２がＤＣ−ＡＣインバータであったが、第１変換部１は、ＡＣ−ＤＣコンバータまたはＤＣ−ＡＣインバータであってもよい。また、第２変換部２は、ＤＣ−ＤＣコンバータまたはＡＣ−ＤＣコンバータであってもよい。

前記の実施形態においては、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８としてＦＥＴを用いたが、ＦＥＴの替わりにトランジスタやＩＧＢＴなどを用いてもよい。

前記の実施形態においては、第１変換部１の二次側の整流素子としてダイオードＤ１〜Ｄ４を用いたが、ダイオードの替わりにＦＥＴを用いてもよい。

前記の実施形態においては、家電製品の電源として用いられる電力変換装置を例に挙げたが、本発明は、家電用以外の電力変換装置にも適用することができる。

１ 第１変換部
２ 第２変換部
３ 第１制御部
４ 第２制御部
５１ 第１絶縁通信部
５２ 第２絶縁通信部
６ 負荷
１１ 第１スイッチング回路
２１ 第２スイッチング回路
３１ 第１駆動信号生成部
３２ 指令値制限部
４０ 制御演算部
４１ 第１制御演算部
４２ 第２制御演算部
４３ 第２駆動信号生成部
１００、２００ 電力変換装置
Ｂ 直流電源
Ｖ１ 第１電圧検出器
Ｖ２ 第２電圧検出器

Claims (8)

1. 直流電源と負荷との間に設けられる電力変換装置であって、
   前記直流電源の電圧が入力される第１変換部と、
   前記第１変換部の出力電圧が入力される第２変換部と、
   前記第１変換部の動作を制御する第１制御部と、
   前記第２変換部の動作を制御する第２制御部と、を備え、
   前記第１変換部は、入力側と出力側が絶縁されていて、入力側に前記直流電源の電圧をスイッチングする第１スイッチング回路を有し、
   前記第２変換部は、前記第１変換部の出力電圧をスイッチングする第２スイッチング回路を有し、
   前記第１制御部は、前記第１スイッチング回路を駆動する第１駆動信号を前記第１変換部へ出力し、
   前記第２制御部は、前記第２スイッチング回路を駆動する第２駆動信号を前記第２変換部へ出力する、電力変換装置において、
   前記第１変換部の入力電圧を検出する第１電圧検出器と、
   前記第１変換部の出力電圧を検出する第２電圧検出器と、
   前記第１制御部と前記第２制御部との間に、両制御部を絶縁するように設けられた絶縁通信部と、をさらに備え、
   前記第２制御部は、前記第２電圧検出器で検出された出力電圧に基づいて、前記第１駆動信号の生成に必要な第１指令値を演算し、当該第１指令値を、前記絶縁通信部を介して前記第１制御部へ送信し、
   前記第１制御部は、前記第１電圧検出器で検出された入力電圧に応じて、前記第２制御部から受信した前記第１指令値を制限して、制限された第１指令値である制限指令値を算出し、当該制限指令値に基づいて前記第１駆動信号を生成し、
   前記第２制御部は、さらに、前記第２駆動信号の生成に必要な第２指令値を演算し、当該第２指令値に基づいて前記第２駆動信号を生成し、
   前記絶縁通信部は、第１絶縁通信部と第２絶縁通信部とからなり、
   前記第２制御部は、前記第１絶縁通信部を介して、前記第１指令値を前記第１制御部へ送信し、
   前記第１制御部は、前記第２絶縁通信部を介して、前記制限指令値を前記第２制御部へ送信する、ことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記第２制御部は、
   前記第１変換部の出力電圧の目標値と前記第２電圧検出器で検出された検出値との偏差、および前記第１制御部から受信した前記制限指令値に基づいて、前記第１指令値を算出する、ことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電力変換装置において、
   前記第１制御部は、
   前記第２制御部から受信した前記第１指令値が、所定の制限範囲内にあるか否かを判定し、
   前記第１指令値が前記制限範囲内にある場合は、当該第１指令値を制限せず、
   前記第１指令値が前記制限範囲の上限値を超えている場合は、当該第１指令値を前記上限値に制限し、
   前記第１指令値が前記制限範囲の下限値に満たない場合は、当該第１指令値を前記下限値に制限する、ことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置において、
   前記第１電圧検出器で検出された入力電圧に対して、複数の電圧範囲が設定され、
   前記電圧範囲のそれぞれに対して、前記制限範囲が設定され、
   前記制限範囲のそれぞれに対して、前記上限値および前記下限値が設定されている、ことを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項４に記載の電力変換装置において、
   前記上限値は、前記電圧範囲のそれぞれに対して同じ値であり、
   前記下限値は、前記電圧範囲に応じて異なる値であり、前記入力電圧の大きい電圧範囲ほど大きい値である、ことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項４に記載の電力変換装置において、
   前記下限値は、前記電圧範囲のそれぞれに対して同じ値であり、
   前記上限値は、前記電圧範囲に応じて異なる値であり、前記入力電圧の大きい電圧範囲ほど小さい値である、ことを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の電力変換装置において、
   前記第１駆動信号は、ＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation）信号であり、
   前記第１指令値は、前記ＰＦＭ信号の周波数である、ことを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の電力変換装置において、
   前記第１駆動信号は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号であり、
   前記第１指令値は、前記ＰＷＭ信号のデューティ値である、ことを特徴とする電力変換装置。

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