JP6913599B2 - 制御装置 - Google Patents
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Description
Gate Bipolar Transistor)などの半導体スイッチ素子を用いて構成される。
本発明の第2の態様による制御装置は、入力された第1の直流電力を第2の直流電力に変換して出力する電力変換装置の制御を行うものであって、前記電力変換装置は、前記第1の直流電力を交流電力に変換するスイッチング回路と、前記交流電力の電圧変換を行うトランスと、前記トランスにより電圧変換された前記交流電力を前記第2の直流電力に変換する出力回路と、前記出力回路からの出力電流を検出する電流検出器と、を有し、前記制御装置は、前記出力回路の出力電圧を制御するためのデューティ指示値を算出する電圧制御部と、前記デューティ指示値および前記スイッチング回路の入力電圧に基づいて前記トランスの磁束密度値を算出し、算出した前記磁束密度値に基づいて前記スイッチング回路の駆動周波数に応じたスイッチングキャリア周波数を設定するスイッチングキャリア周波数設定部と、前記デューティ指示値および前記スイッチングキャリア周波数に基づいて前記スイッチング回路を駆動させるための出力信号を生成し、生成した前記出力信号を前記スイッチング回路に出力する信号生成部と、を備え、前記スイッチングキャリア周波数設定部は、前記磁束密度値が前記トランスの飽和磁束密度に基づく所定の磁束密度指令値よりも小さい場合は前記駆動周波数を低くし、前記磁束密度値が前記磁束密度指令値よりも大きい場合は前記駆動周波数を高くするように、前記スイッチングキャリア周波数を設定し、前記スイッチングキャリア周波数設定部は、前記電流検出器による前記出力電流の検出値に基づいて前記磁束密度指令値を変更する。
本発明の第3の態様による制御装置は、入力された第1の直流電力を第2の直流電力に変換して出力する電力変換装置の制御を行うものであって、前記電力変換装置は、前記第1の直流電力を交流電力に変換するスイッチング回路と、前記交流電力の電圧変換を行うトランスと、前記トランスにより電圧変換された前記交流電力を前記第2の直流電力に変換する出力回路と、を有し、前記制御装置は、前記出力回路の出力電圧を制御するためのデューティ指示値を算出する電圧制御部と、前記デューティ指示値および前記スイッチング回路の入力電圧に基づいて前記トランスの磁束密度値を算出し、算出した前記磁束密度値に基づいて前記スイッチング回路の駆動周波数に応じたスイッチングキャリア周波数を設定するスイッチングキャリア周波数設定部と、前記デューティ指示値および前記スイッチングキャリア周波数に基づいて前記スイッチング回路を駆動させるための出力信号を生成し、生成した前記出力信号を前記スイッチング回路に出力する信号生成部と、を備え、前記スイッチングキャリア周波数設定部は、前記磁束密度値が前記トランスの飽和磁束密度に基づく所定の磁束密度指令値よりも小さい場合は前記駆動周波数を低くし、前記磁束密度値が前記磁束密度指令値よりも大きい場合は前記駆動周波数を高くするように、前記スイッチングキャリア周波数を設定し、前記スイッチングキャリア周波数設定部は、前記磁束密度値と前記磁束密度指令値との差分に基づく比例積分制御を所定の制御ゲインにより行うPI制御部を有し、前記スイッチングキャリア周波数および前記出力回路からの出力電流の少なくとも一つに基づいて前記制御ゲインを変更する。
(車両電源構成)
図1は、本発明の一実施形態に係る車両電源の構成を示す図である。図1に示すように、本実施形態に係る車両電源は、車両1000に搭載されており、DC−DCコンバータ100を使用して高圧バッテリV1と低圧バッテリV2の間で相互に電力変換を行う電源系統である。なお、以下の説明では、DC−DCコンバータ100の低圧側、すなわち低圧バッテリV2に接続されている側を「L側」と称し、DC−DCコンバータ100の高圧側、すなわち高圧バッテリV1に接続されている側を「H側」と称する。
図2は、本発明の第1の実施形態に係るDC−DCコンバータ100の基本回路構成を示す図である。図2に示すように、本実施形態のDC−DCコンバータ100は、スイッチング回路10、トランス20および出力回路30を有しており、ゲートドライバ90を介して制御回路50と接続されている。
スイッチング回路10は、高圧バッテリV1から正極入力端子1および負極入力端子2を介して入力される直流電力を、制御回路50の制御に応じて高周波の交流電力に変換し、トランス20の一次巻線N1に供給する役割を有する。正極入力端子1と負極入力端子2の間には、高圧バッテリV1と並列に電圧検出器41および平滑コンデンサC1が接続されている。電圧検出器41は、スイッチング回路10に入力される直流電力の電圧を検出し、その検出値を入力電圧Vinとして制御回路50に出力する。
トランス20は、スイッチング回路10により生成された交流電力に対して電圧変換を行い、電圧変換後の交流電力を出力回路30に出力する役割を有する。トランス20は、スイッチング回路10に接続されている一次巻線N1と、出力回路30に接続されている二次巻線N2とを備える。なお、トランス20は、出力回路30と組み合わせて全波整流回路を実現するためにセンタータップ構成を有しており、二次巻線N2が中間で2つの二次巻線N2a、N2bに分割されている。一次巻線N1と二次巻線N2a、N2bとの巻数比(N1/N2aまたはN1/N2b)は、正極入力端子1と負極入力端子2の間に印加される入力電圧Vinの電圧範囲、および正極出力端子3と負極出力端子4の間に供給すべき出力電圧Voutの電圧範囲に応じて設定される。
出力回路30は、トランス20の一次巻線N1に流れる交流電力に応じて二次巻線N2aおよびN2bに現れる交流電力を平滑および整流することで直流電力に変換し、正極出力端子3および負極出力端子4を介して低圧バッテリV2に出力する役割を有する。正極出力端子3と負極出力端子4の間には、低圧バッテリV2と並列に電圧検出器42が接続されている。電圧検出器42は、出力回路30から出力される直流電力の電圧を検出し、その検出値を出力電圧Voutとして制御回路50に出力する。
制御回路50は、DC−DCコンバータ100の出力電圧Voutが予め定められた電圧目標値となるように、スイッチング回路10のスイッチ素子11a〜14aの動作を制御する回路である。図2に示すように、制御回路50は、電圧制御部60、スイッチングキャリア周波数設定部70、信号生成部80およびクロック部65を備える。
電圧制御部60は、減算部61、PI制御部62およびデューティ制限部63を有する。減算部61は、予め設定された出力電圧の目標値である電圧指令値Vrefと、電圧検出器42で検出された出力電圧Voutとの差分を演算し、PI制御部62に出力する。PI制御部62は、減算部61で求められた差分に対してPI演算を実施することで、その差分が0に近づくようにPI制御(比例積分制御)を行い、スイッチング回路10のスイッチ素子11a〜14aに対するデューティ比の値であるデューティ値Dを求める。
Dmin ≦ D* ≦ Dmax (1)
スイッチングキャリア周波数設定部70は、乗算部71、比例部72、減算部73、磁束密度指令値設定部74、PI制御部75および周波数制限部76を有する。乗算部71は、電圧制御部60のデューティ制限部63から出力されたデューティ指示値D*と、電圧検出器41で検出された入力電圧Vinとの乗算値を演算し、比例部72に出力する。比例部72は、乗算部71で求められた乗算値に対して所定の比例定数を乗算することで、乗算値をトランス20の磁束密度値Bへと変換する。減算部73は、磁束密度指令値設定部74においてトランス20の飽和磁束密度に基づいて予め設定された磁束密度の目標値である磁束密度指令値Brefと、比例部72で求められた磁束密度値Bとの差分を演算し、PI制御部75に出力する。PI制御部75は、減算部73で求められた差分に対してPI演算を実施することで、その差分が0に近づくようにPI制御(比例積分制御)を行い、スイッチング回路10の駆動周波数に応じたスイッチングキャリア周波数fを求める。
fmin ≦ f* ≦ fmax (2)
クロック部65は、内部にAカウンタおよびBカウンタを有する。Aカウンタは、電圧制御部60の実行タイミングを制御するために用いられるカウンタであり、一定クロックごとにカウントアップされる。Bカウンタは、スイッチングキャリア周波数設定部70の実行タイミングを制御するために用いられるカウンタであり、Aカウンタと同様に一定クロックごとにカウントアップされる。
信号生成部80は、演算判定部81、デッドタイム設定部82、閾値設定部83、演算判定部84、キャリア信号生成部85および比較器86を有する。演算判定部81は、電圧制御部60においてデューティ指示値D*の演算が行われた場合は、入力されたデューティ指示値D*を閾値設定部83に出力し、電圧制御部60においてデューティ指示値D*の演算が行われずにクロック部65から前回デューティ指示値Da*が入力された場合は、入力された前回デューティ指示値Da*を閾値設定部83に出力する。
51a:Cmax 51b:0.5Cmax - Dd_12
52a:0.5Cmax 52b:Cmax - Dd_12
53a:D* + Dd_34 53b:D* + 0.5Cmax
54a:D* + 0.5Cmax + Dd_34 54b:D*
(2)キャリア信号55の値がオンタイミング閾値信号53aに達したタイミングで、出力信号53をオンにする。
(3)キャリア信号55の値がオンタイミング閾値信号51bに達したタイミングで、出力信号51をオフにする。
(4)キャリア信号55の値がオンタイミング閾値信号52aに達したタイミングで、出力信号52をオンにする。
(5)キャリア信号55の値がオフタイミング閾値信号53bに達したタイミングで、出力信号53をオフにする。
(6)キャリア信号55の値がオンタイミング閾値信号54aに達したタイミングで、出力信号54をオンにする。
(7)キャリア信号55の値がオンタイミング閾値信号52bに達したタイミングで、出力信号52をオフにする。
(8)キャリア信号55の値がオンタイミング閾値信号51aに達したタイミングで、出力信号51をオンにする。
図5は、制御回路50の制御フロー図である。以下では図5の制御フロー図を用いて、以上で説明した制御回路50の動作を説明する。
次に本発明の第2の実施形態について説明する。本実施形態では、スイッチングキャリア周波数設定部70の磁束密度指令値設定部74において、トランス20の温度に応じて磁束密度指令値Brefを変化させる例を説明する。
次に本発明の第3の実施形態について説明する。本実施形態では、スイッチングキャリア周波数設定部70の磁束密度指令値設定部74において、DC−DCコンバータ100からの出力電流に応じて磁束密度指令値Brefを変化させる例を説明する。
次に本発明の第4の実施形態について説明する。本実施形態では、スイッチングキャリア周波数設定部70のPI制御部75において実施するPI制御に対して、ゲイン調整を行う例を説明する。
PI制御部75では、所定のPI制御ゲインを用いたPI演算により、磁束密度指令値Brefと磁束密度値Bとの差分に応じたPI制御を行っている。このPI制御ゲインが高くなると、磁束密度値Bが磁束密度指令値Brefに近づく際のスイッチングキャリア周波数の変化が早くなり、スイッチング回路10の応答性が向上する。反対に、PI制御ゲインが低くなると、磁束密度値Bが磁束密度指令値Brefに近づく際のスイッチングキャリア周波数の変化が遅くなり、スイッチング回路10の応答性が低下する。そこで、本実施形態の制御回路50では、PI制御部75で用いられるPI制御ゲインをゲイン調整部75aにおいて適切に調整することで、スイッチング回路10の応答性を調整するようにしている。
次に本発明の第5の実施形態について説明する。本実施形態では、スイッチングキャリア周波数設定部70の周波数制限部76において設定するスイッチングキャリア周波数設定値f*の上限値と下限値の決定方法を説明する。
制限値設定部76aは、周波数制限部76から出力されるスイッチングキャリア周波数設定値f*の上限値および下限値、すなわち前述の式(2)における最大スイッチングキャリア周波数fmaxおよび最小スイッチングキャリア周波数fminを決定し、決定したこれらの値を周波数制限部76に出力する。制限値設定部76aは、例えば、トランス20の飽和磁束密度に基づく磁束密度の目標値、すなわち磁束密度指令値Brefと、トランス20のコアの断面積および一次巻線N1の巻数とに応じて、最大スイッチングキャリア周波数fmaxを決定する。
Claims (5)
- 入力された第1の直流電力を第2の直流電力に変換して出力する電力変換装置の制御を行う制御装置であって、
前記電力変換装置は、前記第1の直流電力を交流電力に変換するスイッチング回路と、前記交流電力の電圧変換を行うトランスと、前記トランスにより電圧変換された前記交流電力を前記第2の直流電力に変換する出力回路と、前記トランスの温度を検出する温度検出器と、を有し、
前記制御装置は、
前記出力回路の出力電圧を制御するためのデューティ指示値を算出する電圧制御部と、
前記デューティ指示値および前記スイッチング回路の入力電圧に基づいて前記トランスの磁束密度値を算出し、算出した前記磁束密度値に基づいて前記スイッチング回路の駆動周波数に応じたスイッチングキャリア周波数を設定するスイッチングキャリア周波数設定部と、
前記デューティ指示値および前記スイッチングキャリア周波数に基づいて前記スイッチング回路を駆動させるための出力信号を生成し、生成した前記出力信号を前記スイッチング回路に出力する信号生成部と、を備え、
前記スイッチングキャリア周波数設定部は、前記磁束密度値が前記トランスの飽和磁束密度に基づく所定の磁束密度指令値よりも小さい場合は前記駆動周波数を低くし、前記磁束密度値が前記磁束密度指令値よりも大きい場合は前記駆動周波数を高くするように、前記スイッチングキャリア周波数を設定し、
前記スイッチングキャリア周波数設定部は、前記温度検出器による前記トランスの温度検出値に基づいて前記磁束密度指令値を変更する制御装置。 - 入力された第1の直流電力を第2の直流電力に変換して出力する電力変換装置の制御を行う制御装置であって、
前記電力変換装置は、前記第1の直流電力を交流電力に変換するスイッチング回路と、前記交流電力の電圧変換を行うトランスと、前記トランスにより電圧変換された前記交流電力を前記第2の直流電力に変換する出力回路と、前記出力回路からの出力電流を検出する電流検出器と、を有し、
前記制御装置は、
前記出力回路の出力電圧を制御するためのデューティ指示値を算出する電圧制御部と、
前記デューティ指示値および前記スイッチング回路の入力電圧に基づいて前記トランスの磁束密度値を算出し、算出した前記磁束密度値に基づいて前記スイッチング回路の駆動周波数に応じたスイッチングキャリア周波数を設定するスイッチングキャリア周波数設定部と、
前記デューティ指示値および前記スイッチングキャリア周波数に基づいて前記スイッチング回路を駆動させるための出力信号を生成し、生成した前記出力信号を前記スイッチング回路に出力する信号生成部と、を備え、
前記スイッチングキャリア周波数設定部は、前記磁束密度値が前記トランスの飽和磁束密度に基づく所定の磁束密度指令値よりも小さい場合は前記駆動周波数を低くし、前記磁束密度値が前記磁束密度指令値よりも大きい場合は前記駆動周波数を高くするように、前記スイッチングキャリア周波数を設定し、
前記スイッチングキャリア周波数設定部は、前記電流検出器による前記出力電流の検出値に基づいて前記磁束密度指令値を変更する制御装置。 - 入力された第1の直流電力を第2の直流電力に変換して出力する電力変換装置の制御を行う制御装置であって、
前記電力変換装置は、前記第1の直流電力を交流電力に変換するスイッチング回路と、前記交流電力の電圧変換を行うトランスと、前記トランスにより電圧変換された前記交流電力を前記第2の直流電力に変換する出力回路と、を有し、
前記制御装置は、
前記出力回路の出力電圧を制御するためのデューティ指示値を算出する電圧制御部と、
前記デューティ指示値および前記スイッチング回路の入力電圧に基づいて前記トランスの磁束密度値を算出し、算出した前記磁束密度値に基づいて前記スイッチング回路の駆動周波数に応じたスイッチングキャリア周波数を設定するスイッチングキャリア周波数設定部と、
前記デューティ指示値および前記スイッチングキャリア周波数に基づいて前記スイッチング回路を駆動させるための出力信号を生成し、生成した前記出力信号を前記スイッチング回路に出力する信号生成部と、を備え、
前記スイッチングキャリア周波数設定部は、前記磁束密度値が前記トランスの飽和磁束密度に基づく所定の磁束密度指令値よりも小さい場合は前記駆動周波数を低くし、前記磁束密度値が前記磁束密度指令値よりも大きい場合は前記駆動周波数を高くするように、前記スイッチングキャリア周波数を設定し、
前記スイッチングキャリア周波数設定部は、前記磁束密度値と前記磁束密度指令値との差分に基づく比例積分制御を所定の制御ゲインにより行うPI制御部を有し、前記スイッチングキャリア周波数および前記出力回路からの出力電流の少なくとも一つに基づいて前記制御ゲインを変更する制御装置。 - 請求項1から請求項3までのいずれか一項に記載の制御装置において、
前記電圧制御部および前記スイッチングキャリア周波数設定部の実行タイミングを制御するクロック部をさらに備える制御装置。 - 請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の制御装置において、
前記スイッチング回路は、絶縁トランスを搭載した絶縁ゲートドライバを介して前記制御装置と接続されており、
前記スイッチングキャリア周波数設定部は、前記スイッチングキャリア周波数を所定の最小周波数以上に制限する周波数制限部を有し、
前記絶縁トランスの飽和磁束密度および前記出力回路からの出力電流における電流リップルの少なくとも一つに基づいて前記最小周波数を決定する制御装置。
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