JP7305114B2 - Power conversion device and its control device - Google Patents

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Description

本明細書中に開示されている発明は、電力変換装置及びその制御装置に関する。 The invention disclosed in this specification relates to a power conversion device and its control device.

図11は、力率改善を行いながら交流電力を直流電力に変換するPFC[power factor correction]回路の一従来例を示す図である。PFC回路の制御主体としては、本図で示すように、出力電圧、出力電流、及び、入力電圧それぞれに応じて負帰還を掛けるPI[proportional-integral]制御方式のアナログ制御装置Xが一般的である。 FIG. 11 is a diagram showing a conventional example of a PFC (power factor correction) circuit that converts AC power into DC power while improving the power factor. As shown in this figure, as the control body of the PFC circuit, a PI [proportional-integral] control type analog control device X that applies negative feedback according to each of the output voltage, the output current, and the input voltage is common. be.

特開2005-218252号公報JP 2005-218252 A

しかしながら、従来のアナログ制御装置Xでは、PI制御方式が採用されていたので、定常状態に至るまでの振動が大きくなり、制御が難しかった。また、電圧ループと電流ループが存在するので、2つの補償器(アンプX1及びX2)が必要となり、回路規模が大きかった。さらに、ダイオードブリッジレスの大電力型PFC回路では、入力電圧に応じた制御信号を単純な抵抗分圧から生成することが困難になる。そのため、入力電圧の印加端とアナログ制御装置Xとの間に、商用周波数用のトランスを設ける必要があるので、小型化や低コスト化に不向きであった。なお、PI制御方式を採用している限り、アナログ制御装置Xを単純にデジタル制御装置に置き換えても、上記課題は解消されない。 However, since the conventional analog control device X employs the PI control method, the vibrations until reaching the steady state become large, making control difficult. Also, since there are a voltage loop and a current loop, two compensators (amplifiers X1 and X2) are required, resulting in a large circuit scale. Furthermore, in a diode-bridgeless high-power PFC circuit, it is difficult to generate a control signal corresponding to an input voltage from a simple resistive voltage division. Therefore, it is necessary to provide a commercial frequency transformer between the input voltage application end and the analog control device X, which is not suitable for miniaturization and cost reduction. As long as the PI control system is employed, the above problem cannot be solved by simply replacing the analog control device X with a digital control device.

一方、上記課題を解決するための従来技術として、入力電圧の代わりに入力電流を検出して負帰還を掛けるアナログ制御装置が提案されている(例えば、特許文献1を参照)。確かに、本従来技術によれば、電流制御用の補償器を割愛することができる上、入力電圧に応じた制御信号も不要となるので、帰還ループの調整や回路規模の点で有利である。 On the other hand, as a conventional technique for solving the above problem, an analog control device that detects input current instead of input voltage and applies negative feedback has been proposed (see, for example, Patent Document 1). Certainly, according to this prior art, it is possible to omit a compensator for current control, and a control signal corresponding to the input voltage is also unnecessary, so it is advantageous in terms of feedback loop adjustment and circuit scale. .

しかしながら、特許文献1のアナログ制御装置は、あくまで、PFC回路用であり、例えば、双方向インバータ(=単一のスイッチ回路の入出力を入れ換えることにより、AC/DC変換動作(PFC動作)とDC/AC変換動作(INV[inverter]動作)の双方を実現する回路)の制御主体として、これをそのまま適用することはできなかった。 However, the analog control device of Patent Document 1 is only for the PFC circuit. /AC conversion operation (circuit for realizing both INV [inverter] operation)), it could not be applied as it is.

本明細書中に開示されている発明は、本願発明者らにより見出された上記課題に鑑み、AC/DC変換回路(PFC回路)とDC/AC変換回路(インバータ)の双方を制御することのできる制御装置及びこれを用いた電力変換装置を提供することを目的とする。 In view of the above-described problems found by the inventors of the present application, the invention disclosed in the present specification controls both an AC/DC conversion circuit (PFC circuit) and a DC/AC conversion circuit (inverter). It is an object of the present invention to provide a control device and a power conversion device using the same.

本明細書中に開示されている制御装置は、トランジスタを含むスイッチ回路を備えた電力変換装置の制御主体として用いられるものであって、前記電力変換装置の動作方式に応じて設定される基準信号から、前記スイッチ回路の制御対象電流に所定の係数を乗じた乗算信号を減じ、その演算結果に基づいて前記トランジスタの制御信号を生成する構成(第1の構成)とされている。 The control device disclosed in the present specification is used as a control subject of a power conversion device including a switch circuit including a transistor, and a reference signal set according to the operation method of the power conversion device A multiplied signal obtained by multiplying the controlled current of the switch circuit by a predetermined coefficient is subtracted from the current to generate the control signal for the transistor based on the result of the calculation (first configuration).

第1の構成から成る制御装置は、前記スイッチ回路がPFC回路であり、前記基準信号が一定値であり、前記制御対象電流が入力電流である構成(第2の構成)にするとよい。 In the control device having the first configuration, the switch circuit may be a PFC circuit, the reference signal may be a constant value, and the controlled current may be an input current (second configuration).

また、第1の構成から成る制御装置は、前記スイッチ回路がインバータであり、前記基準信号が正弦波状信号であり、前記制御対象電流が出力電流である構成(第3の構成)にしてもよい。 Further, the control device having the first configuration may be configured so that the switch circuit is an inverter, the reference signal is a sinusoidal signal, and the current to be controlled is an output current (third configuration). .

また、第1の構成から成る制御装置は、前記スイッチ回路が双方向インバータであり、AC/DC変換時には前記基準信号が一定値となり、DC/AC変換時には前記基準信号が正弦波状信号となるように、通電方向の切替時に前記基準信号の波形を変更し、前記制御対象電流として、AC/DC変換時にもDC/AC変換時にも前記スイッチ回路の同一ノードに流れる電流を監視しており、AC/DC変換時には前記制御対象電流が入力電流となり、DC/AC変換時には前記制御対象電流が出力電流となる構成(第4の構成)にしてもよい。 In the control device having the first configuration, the switch circuit is a bi-directional inverter, and the reference signal has a constant value during AC/DC conversion, and the reference signal becomes a sinusoidal signal during DC/AC conversion. Further, the waveform of the reference signal is changed when the direction of current flow is switched, and the current flowing through the same node of the switch circuit is monitored as the current to be controlled during both AC/DC conversion and DC/AC conversion. The current to be controlled may be the input current during /DC conversion, and the current to be controlled may be the output current during DC/AC conversion (fourth configuration).

また、第2または第4の構成から成る制御装置は、前記入力電流に歪みを与えるための変調信号を前記基準信号に重畳する構成(第5の構成)にしてもよい。 Further, the control device having the second or fourth configuration may be configured to superimpose a modulation signal for distorting the input current on the reference signal (fifth configuration).

また、第3または第4の構成から成る制御装置は、商用電源から他の負荷に流れる負荷電流の歪みを打ち消すための変調信号を前記基準信号に重畳する構成(第6の構成)にするとよい。 Further, the control device having the third or fourth configuration may be configured to superimpose a modulation signal on the reference signal for canceling the distortion of the load current flowing from the commercial power supply to another load (sixth configuration). .

また、第3または第4の構成から成る制御装置は、前記基準信号の周波数が前記出力電流に要求される周波数に設定されており、前記係数が前記乗算信号が前記基準信号と比べて無視できる程度に小さくなるように設定されている構成(第7の構成)にしてもよい。 Further, in the control device having the third or fourth configuration, the frequency of the reference signal is set to the frequency required for the output current, and the coefficient is such that the multiplied signal can be ignored compared to the reference signal. A configuration (seventh configuration) that is set to be as small as possible may be used.

また、本明細書中に開示されている双方向インバータは、第1DCノードと第2DCノードとの間に直列接続された少なくとも2つのコンデンサを含むコンデンサブリッジと;前記第1DCノードと前記第2DCノードとの間に直列接続された2つのトランジスタをそれぞれ含む第1トランジスタブリッジ及び第2トランジスタブリッジと;前記コンデンサブリッジの中点ノードと前記第1トランジスタブリッジ及び前記第2トランジスタブリッジそれぞれの出力ノードとの間にそれぞれ接続された第1双方向スイッチ及び第2双方向スイッチと;前記第1トランジスタブリッジ及び前記第2トランジスタブリッジそれぞれの出力ノードに接続された変圧器と;前記変圧器とACノードとの間に接続されたリアクトルと;前記ACノードと前記コンデンサブリッジの中点ノードとの間に接続されたコンデンサと;を備え、前記第1トランジスタブリッジと前記第2トランジスタブリッジを互いに180°の位相差で動作させる構成(第8の構成)とされている。 Also disclosed herein is a bi-directional inverter comprising: a capacitor bridge including at least two capacitors connected in series between a first DC node and a second DC node; said first DC node and said second DC node; a first transistor bridge and a second transistor bridge each comprising two transistors connected in series between; a midpoint node of said capacitor bridge and an output node of each of said first transistor bridge and said second transistor bridge; a first bidirectional switch and a second bidirectional switch respectively connected between; a transformer connected to an output node of each of said first transistor bridge and said second transistor bridge; a transformer connected to an AC node; a reactor connected between; a capacitor connected between the AC node and a midpoint node of the capacitor bridge; is configured to operate with (eighth configuration).

なお、第8の構成から成る双方向インバータにおいて、前記第1トランジスタブリッジ及び前記第2トランジスタブリッジ、前記第1双方向スイッチ及び前記第2双方向スイッチ、前記変圧器、前記リアクトル、並びに、前記コンデンサは、3相構成である構成(第9の構成)にするとよい。 In the bidirectional inverter having the eighth configuration, the first transistor bridge and the second transistor bridge, the first bidirectional switch and the second bidirectional switch, the transformer, the reactor, and the capacitor should be a three-phase configuration (ninth configuration).

また、第8または第9の構成から成る双方向インバータにおいて、前記変圧器及び前記リアクトルは、双方の機能を有するトランス結合リアクトルとして形成されている構成(第10の構成)にするとよい。 Further, in the bidirectional inverter having the eighth or ninth configuration, the transformer and the reactor may be configured as a transformer coupling reactor having both functions (tenth configuration).

また、第8~第10いずれかの構成から成る双方向インバータにおいて、前記トランジスタ、並びに、前記第1双方向スイッチ及び前記第2双方向スイッチは、それぞれ、ワイドバンドギャップ半導体から成る構成(第11の構成)にするとよい。 Further, in the bidirectional inverter having any one of the eighth to tenth configurations, the transistors, the first bidirectional switch, and the second bidirectional switch are each made of a wide bandgap semiconductor (eleventh configuration).

また、本明細書中に開示されている電力変換装置は、上記第8~第11いずれかの構成から成る双方向インバータと、上記第1~第8いずれかの構成から成り前記双方向インバータの制御主体となる制御装置と、を有する構成(第12の構成)とされている。 Further, the power converter disclosed in this specification includes a bidirectional inverter having any one of the eighth to eleventh configurations, and a bidirectional inverter having any one of the first to eighth configurations. and a control device serving as a control subject (a twelfth configuration).

本明細書中に開示されている発明によれば、AC/DC変換回路(PFC回路)とDC/AC変換回路(インバータ)の双方を制御することのできる制御装置及びこれを用いた電力変換装置を提供することが可能となる。 According to the invention disclosed in this specification, a control device capable of controlling both an AC/DC conversion circuit (PFC circuit) and a DC/AC conversion circuit (inverter) and a power converter using the same can be provided.

電力変換装置の第1実施形態の一例を示す図The figure which shows an example of 1st Embodiment of a power converter device. PFC動作(AC→DC)の一例を示す図Diagram showing an example of PFC operation (AC→DC) PFC動作時の入出力波形を示す図Diagram showing input/output waveforms during PFC operation INV動作(DC→AC)の一例を示す図Diagram showing an example of INV operation (DC→AC) INV動作時の入出力波形を示す図Diagram showing input/output waveforms during INV operation 基準信号の第1変調例を示す図FIG. 4 is a diagram showing a first modulation example of the reference signal; 基準信号の第2変調例を示す図FIG. 10 is a diagram showing a second modulation example of the reference signal; 電力変換装置の第2実施形態を示す図The figure which shows 2nd Embodiment of a power converter device 第2実施形態の一変形例を示す図The figure which shows the example of a changed completely type of 2nd Embodiment. 第2実施形態で用いられる制御装置の一構成例を示す図The figure which shows one structural example of the control apparatus used by 2nd Embodiment. PFC回路の一従来例を示す図A diagram showing a conventional example of a PFC circuit

<電力変換装置(第1実施形態)>
図1は、電力変換装置の第1実施形態の一例を示す図である。第1実施形態の電力変換装置1は、スイッチ回路10と、駆動回路20と、デジタル制御装置100とを有する。
<Power converter (first embodiment)>
FIG. 1 is a diagram showing an example of a first embodiment of a power converter. The power conversion device 1 of the first embodiment has a switch circuit 10 , a drive circuit 20 and a digital control device 100 .

スイッチ回路10は、その入出力(=通電方向)を入れ換えることにより、AC/DC変換動作(PFC動作)とDC/AC変換動作(INV動作)の双方を実現する双方向インバータであり、トランジスタM1~M4(本図ではいずれもNチャネル型)と、コンデンサC1及びC2と、インダクタL1と、を含む。 The switch circuit 10 is a bidirectional inverter that realizes both AC/DC conversion operation (PFC operation) and DC/AC conversion operation (INV operation) by switching its input/output (=conducting direction). . . . M4 (both N-channel in this figure), capacitors C1 and C2, and inductor L1.

トランジスタM1及びM3それぞれのドレインは、ノードDC1に接続されている。トランジスタM1のソースとトランジスタM2のドレインは、インダクタL1の第1端に接続されている。インダクタL1の第2端は、ノードAC1に接続されている。トランジスタM3のソースとトランジスタM4のドレインは、ノードAC2に接続されている。トランジスタM2及びM4それぞれのソースは、ノードDC2に接続されている。コンデンサC1は、ノードAC1とノードAC2との間に接続されている。コンデンサC2は、ノードDC1とノードDC2との間に接続されている。 The drains of transistors M1 and M3 are connected to node DC1. The source of transistor M1 and the drain of transistor M2 are connected to the first end of inductor L1. A second end of inductor L1 is connected to node AC1. The source of transistor M3 and the drain of transistor M4 are connected to node AC2. The sources of transistors M2 and M4 are connected to node DC2. Capacitor C1 is connected between node AC1 and node AC2. Capacitor C2 is connected between node DC1 and node DC2.

トランジスタM1~M4それぞれのゲートには、ゲート信号G1~G4が入力されている。トランジスタM1~M4は、それぞれ、ゲート信号G1~G4がハイレベルであるときにオンし、ゲート信号G1~G4がローレベルであるときにオフする。なお、トランジスタM1及びM2は、それぞれ、ゲート信号G1及びG2に応じて相補的にオン/オフされる。また、トランジスタM3及びM4は、それぞれ、ゲート信号G3及びG4に応じて相補的にオン/オフされる。なお、本明細書中における「相補的」という文言は、各トランジスタのオン/オフ状態が完全に逆転している場合だけでなく、貫通電流防止の観点から各トランジスタの同時オフ期間(いわゆるデッドタイム)が設けられている場合も含むものと理解するべきである。 Gate signals G1 to G4 are input to the gates of the transistors M1 to M4, respectively. The transistors M1 to M4 are turned on when the gate signals G1 to G4 are at high level, and turned off when the gate signals G1 to G4 are at low level. The transistors M1 and M2 are complementarily turned on/off according to gate signals G1 and G2, respectively. Also, the transistors M3 and M4 are complementarily turned on/off according to the gate signals G3 and G4, respectively. The term “complementary” in this specification is used not only when the on/off states of the transistors are completely reversed, but also when the simultaneous off period of each transistor (so-called dead time) is used from the viewpoint of preventing through current. ) is provided.

駆動回路20は、制御信号S1~S4に応じたゲート信号G1~G4を生成する回路ブロックであり、ゲートドライバ21~24を含む。ゲートドライバ21~24は、それぞれ、制御信号S1~S4の電流能力を高めてゲート信号G1~G4を生成する。 The drive circuit 20 is a circuit block that generates gate signals G1-G4 according to the control signals S1-S4, and includes gate drivers 21-24. The gate drivers 21-24 increase the current capability of the control signals S1-S4 to generate the gate signals G1-G4, respectively.

デジタル制御装置100は、スイッチ回路10(延いては電力変換装置1全体)の制御主体であり、その各種機能部として、基準信号設定部101と、係数設定部102と、乗算部103と、加算部104と、パルス幅変調部105と、ゼロクロス検出部106と、信号切替部107と、を含む。なお、上記の機能ブロックは、デジタル制御装置100で制御プログラムを実行することにより、ソフトウェア的に実装されるものである。また、デジタル制御装置100は、同等の機能を持つアナログ制御装置に置換してもよい。 The digital control device 100 is the control body of the switch circuit 10 (and the power conversion device 1 as a whole), and its various functional units include a reference signal setting unit 101, a coefficient setting unit 102, a multiplication unit 103, and an addition unit. It includes a section 104 , a pulse width modulation section 105 , a zero cross detection section 106 and a signal switching section 107 . The functional blocks described above are implemented in software by executing a control program in the digital control device 100 . Alternatively, the digital controller 100 may be replaced with an analog controller having equivalent functionality.

基準信号設定部101は、動作モード設定信号MODE(=電力変換装置1の動作方式をPFC動作及びINV動作のいずれか一方に切り替えるための制御信号)に応じて、基準信号REFを設定する。 The reference signal setting unit 101 sets the reference signal REF according to the operation mode setting signal MODE (=control signal for switching the operation method of the power conversion device 1 to either the PFC operation or the INV operation).

係数設定部102は、係数Kを設定して乗算部103に出力する。 Coefficient setting section 102 sets coefficient K and outputs it to multiplication section 103 .

乗算部103は、スイッチ回路10(本図ではノードAC2)に流れる制御対象電流Iに係数Kを乗じて乗算信号(=K×I)を出力する。なお、デジタル制御装置100は、制御対象電流Iとして、PFC動作時(AC/DC変換時)にもINV動作時(DC/AC変換時)にもスイッチ回路10の同一ノード(本図ではノードAC2)に流れる電流を監視している。詳細は後述するが、PFC動作時(AC/DC変換時)には制御対象電流Iが入力電流Iinとなり、INV動作時(DC/AC変換時)には制御対象電流Iが出力電流Ioutとなる。 Multiplication section 103 multiplies current I to be controlled flowing through switch circuit 10 (node AC2 in the figure) by coefficient K and outputs a multiplication signal (=K×I). Note that the digital control device 100 uses the same node (node AC2 in this figure) of the switch circuit 10 as the current I to be controlled, both during the PFC operation (during AC/DC conversion) and during the INV operation (during DC/AC conversion). ) is monitored. Although details will be described later, during PFC operation (AC/DC conversion), the controlled current I becomes the input current Iin, and during INV operation (DC/AC conversion), the controlled current I becomes the output current Iout. .

加算部104(本図の例では減算器)は、基準信号REFから乗算信号(=K×I)を差し引いて差分信号(=REF-K×I)を出力する。 The adder 104 (subtracter in the example of this drawing) subtracts the multiplied signal (=K×I) from the reference signal REF and outputs a difference signal (=REF−K×I).

パルス幅変調部105は、差分信号(=REF-K×I)と三角波状または鋸波状のスロープ信号(不図示)とを比較することにより、パルス幅変調信号PWM(及びその論理レベルを反転させた反転パルス幅変調信号PWMB)を出力する。 The pulse width modulation unit 105 compares the differential signal (=REF−K×I) with a triangular or sawtooth slope signal (not shown) to generate a pulse width modulated signal PWM (and its logic level is inverted). output an inverted pulse width modulated signal PWMB).

ゼロクロス検出部106は、ノードAC1及びAC2相互間に印加される交流電圧(=PFC動作時には入力電圧Vin、INV動作時には出力電圧Vout)の極性反転タイミング(=ゼロクロスタイミング)を検出し、これに同期したゼロクロス信号ZX(及びその論理レベルを反転させた反転ゼロクロス信号ZXB)を生成する。より具体的に述べると、ゼロクロス信号ZXは、例えば、上記交流電電圧が正極性であるときにハイレベルとなり、上記交流電圧が負極性であるときにローレベルとなる。従って、上記交流電圧が日本国内の商用交流電圧である場合、ゼロクロス信号ZXは、50Hzまたは60Hzのパルス信号となる。なお、ゼロクロス信号ZXと反転ゼロクロス信号ZXBは、一方が制御信号S3として出力され、他方が制御信号S4として出力される。上記交流電圧の極性反転タイミングは、フォトカプラなどを用いて検出すればよい。 The zero-cross detection unit 106 detects polarity reversal timing (=zero-cross timing) of an alternating voltage (=input voltage Vin during PFC operation, output voltage Vout during INV operation) applied between nodes AC1 and AC2, and synchronizes with this. zero-cross signal ZX (and an inverted zero-cross signal ZXB whose logic level is inverted). More specifically, the zero-cross signal ZX, for example, becomes high level when the AC voltage is positive, and becomes low level when the AC voltage is negative. Therefore, if the AC voltage is a commercial AC voltage in Japan, the zero-cross signal ZX will be a pulse signal of 50 Hz or 60 Hz. One of the zero-cross signal ZX and the inverted zero-cross signal ZXB is output as the control signal S3, and the other is output as the control signal S4. The polarity reversal timing of the AC voltage may be detected using a photocoupler or the like.

信号切替部107は、ゼロクロス信号ZXに応じて、パルス幅変調信号PWM及び反転パルス幅変調信号PWMBの一方を制御信号S1として出力する。また、信号切替部107は、制御信号S1の論理レベルを反転させた制御信号S2(=S1B)も出力する。従って、例えば、ZX=Lであるときには、S1=PWMとなり、S2=PWMBとなる。一方、ZX=Hであるときには、S1=PWMBとなり、S2=PWMとなる。 The signal switching unit 107 outputs one of the pulse width modulated signal PWM and the inverted pulse width modulated signal PWMB as the control signal S1 according to the zero-crossing signal ZX. The signal switching unit 107 also outputs a control signal S2 (=S1B) obtained by inverting the logic level of the control signal S1. Thus, for example, when ZX=L, S1=PWM and S2=PWMB. On the other hand, when ZX=H, S1=PWMB and S2=PWM.

このように、デジタル制御装置100は、電力変換装置1の動作方式(動作モード設定信号MODE)に応じて設定される基準信号REFから、スイッチ回路10の制御対象電流Iに所定の係数Kを乗じた乗算信号(=K×I)を減じ、その演算結果(=REF-K×I)に基づいてトランジスタM1及びM2の制御信号S1及びS2を生成する。以下では、電力変換装置1におけるPFC動作とINV動作について、個別具体的に説明する。 In this way, the digital control device 100 multiplies the controlled current I of the switch circuit 10 by the predetermined coefficient K from the reference signal REF set according to the operation mode (operation mode setting signal MODE) of the power conversion device 1. The multiplied signal (=K×I) is subtracted, and the control signals S1 and S2 for the transistors M1 and M2 are generated based on the operation result (=REF−K×I). Below, the PFC operation and the INV operation in the power conversion device 1 will be individually and specifically described.

<PFC動作(AC→DC)>
図2は、電力変換装置1におけるPFC動作(AC→DC)の一例を示す図である。本図では、ノードAC1とノードAC2との間に、交流電力(入力電圧Vin、入力電流Iin)を供給する交流電源E1が接続されている。また、ノードDC1とノードDC2との間には、直流電力(出力電圧Vout、出力電流Iout)の供給を受ける直流負荷Z1が接続されている。このとき、スイッチ回路10は、交流電力を直流電力に変換するPFC回路(昇圧コンバータ)として機能する。
<PFC operation (AC→DC)>
FIG. 2 is a diagram showing an example of PFC operation (AC→DC) in the power converter 1. In FIG. In the figure, an AC power supply E1 that supplies AC power (input voltage Vin, input current Iin) is connected between a node AC1 and a node AC2. A DC load Z1 that receives DC power (output voltage Vout, output current Iout) is connected between the node DC1 and the node DC2. At this time, the switch circuit 10 functions as a PFC circuit (boost converter) that converts AC power into DC power.

本図で示すように、PFC動作時には、基準信号REFが一定値に設定されると共に、制御対象電流として入力電流|Iin|(=入力電流Iinの絶対値)が入力される。また、係数Kは、出力電圧Voutが一定値となるように可変制御される。より具体的に述べると、係数Kは、例えば、出力電圧Voutの抵抗分圧値と所定の出力指令値との差分値に応じて可変制御すればよい。 As shown in the figure, during the PFC operation, the reference signal REF is set to a constant value, and the input current |Iin| (=absolute value of the input current Iin) is input as the current to be controlled. Also, the coefficient K is variably controlled so that the output voltage Vout has a constant value. More specifically, the coefficient K may be variably controlled according to, for example, the difference value between the resistor voltage dividing value of the output voltage Vout and a predetermined output command value.

また、PFC動作時には、トランジスタM1及びM2のみPWM動作させ、トランジスタM3及びM4はOFF状態としてダイオードとして使用することで、電流方向を一定方向にして逆流を防ぐことができる。効率を改善する場合は、トランジスタM3及びM4を低周波で動作させる。その場合、制御信号S4としてゼロクロス信号ZXが出力され、制御信号S3として反転ゼロクロス信号ZXBが出力される。その結果、トランジスタM3及びM4の一方(リアクトルL1に電力を蓄えるためのスイッチのみ)が動作される。 Also, during PFC operation, only the transistors M1 and M2 are PWM-operated, and the transistors M3 and M4 are turned off and used as diodes, so that the current direction can be made constant and reverse current can be prevented. For improved efficiency, transistors M3 and M4 are operated at a lower frequency. In that case, the zero-cross signal ZX is output as the control signal S4, and the inverted zero-cross signal ZXB is output as the control signal S3. As a result, one of the transistors M3 and M4 (only the switch for storing power in the reactor L1) is activated.

次に、PFC動作の原理について説明する。入力電圧をVinとし、出力電圧をVoutとし、スイッチング周期をTとし、トランジスタのオン時間及びオフ時間をそれぞれTon及びToff(ただし、オン時間は駆動側トランジスタに対して定義、還流側トランジスタ導通時はオフ)とすると、次の(1)式~(3)式が成り立つ。 Next, the principle of PFC operation will be described. Let Vin be the input voltage, Vout be the output voltage, T be the switching period, and Ton and Toff be the on-time and off-time of the transistor, respectively. off), the following equations (1) to (3) hold.

Vin×Ton=(Vout-Vin)×Toff … (1)
Vin×(T-Toff)=(Vout-Vin)×Toff … (2)
Vin×T=Vout×Toff … (3)
Vin×Ton=(Vout−Vin)×Toff … (1)
Vin×(T−Toff)=(Vout−Vin)×Toff … (2)
Vin×T=Vout×Toff (3)

上記(3)式から、スイッチング周期Tと出力電圧Voutが一定であれば、入力電圧Vinがオフ時間Toffに比例することが分かる。ここで、入力電流Iinが入力電圧Vinと同一波形であるならば、入力電流Iinもオフ時間Toffに比例するはずである。従って、入力電流Iinをオフ時間Toffに比例するように制御すれば、入力電圧Vinと同一波形の入力電流Iinを得ることができる。その上で、出力電圧Voutが一定値となるように係数Kを設定すれば、PFC動作を実現することが可能となる。 From the above equation (3), it can be seen that if the switching period T and the output voltage Vout are constant, the input voltage Vin is proportional to the OFF time Toff. Here, if the input current Iin has the same waveform as the input voltage Vin, the input current Iin should also be proportional to the OFF time Toff. Therefore, by controlling the input current Iin in proportion to the OFF time Toff, it is possible to obtain the input current Iin having the same waveform as the input voltage Vin. Further, by setting the coefficient K so that the output voltage Vout is a constant value, the PFC operation can be realized.

図3は、PFC動作時の入出力波形を示す図であり、上から順に、入力電圧Vin、入力電流Iin、及び、出力電圧Voutが描写されている。本図で示したように、電力変換装置1のPFC動作により、交流電力が直流電力に変換されていることが分かる。 FIG. 3 is a diagram showing input/output waveforms during PFC operation, in which the input voltage Vin, the input current Iin, and the output voltage Vout are depicted in order from the top. As shown in the figure, it can be seen that the PFC operation of the power converter 1 converts AC power into DC power.

<INV動作(DC→AC)>
図4は、電力変換装置1におけるINV動作(DC→AC)の一例を示す図である。本図では、ノードDC1とノードDC2との間に、直流電力(入力電圧Vin、入力電流Iin)を供給する直流電源E2が接続されている。また、ノードAC1とノードAC2との間には、交流電力(出力電圧Vout、出力電流Iout)の供給を受ける交流負荷Z2が接続されている。すなわち、先出の図2とは、スイッチ回路10の入出力が逆となっている。このとき、スイッチ回路10は、直流電力を交流電力に変換するインバータとして機能する。
<INV operation (DC→AC)>
FIG. 4 is a diagram showing an example of the INV operation (DC→AC) in the power converter 1. In FIG. In the figure, a DC power supply E2 that supplies DC power (input voltage Vin, input current Iin) is connected between nodes DC1 and DC2. An AC load Z2 that receives supply of AC power (output voltage Vout, output current Iout) is connected between the node AC1 and the node AC2. That is, the inputs and outputs of the switch circuit 10 are reversed from those in FIG. At this time, the switch circuit 10 functions as an inverter that converts DC power into AC power.

本図で示すように、INV動作時には、例えば基準信号REFが正弦波状信号(全波整流した正弦波状信号としてもよい)に設定されるとともに、制御対象電流として出力電流|Iout|(=出力電流Ioutの絶対値)が入力される。なお、交流電源に電力を回生する回生インバータの場合には、基準信号REFをゼロクロス信号ZXに同期して設定すればよい。一方、自立インバータの場合には、所望の周波数の正弦波信号を生成すればよい。また、係数Kは、出力電圧|Vout|_ave(=出力電圧Voutの絶対平均値)が一定値となるように可変制御される。より具体的に述べると、係数Kは、例えば、全波整流された出力電圧Voutの平均値と所定の出力指令値との差分値に応じて可変制御すればよい。また、INV動作時には、制御信号S3として反転ゼロクロス信号ZXBが出力され、制御信号S4としてゼロクロス信号ZXが出力される。これは動作の一例であり、出力が正弦波となるような制御であればこの方式に限定するものではない。 As shown in this figure, during the INV operation, for example, the reference signal REF is set to a sinusoidal signal (which may be a sinusoidal signal obtained by full-wave rectification), and the output current |Iout| (=output current absolute value of Iout) is input. In the case of a regenerative inverter that regenerates power to an AC power supply, the reference signal REF may be set in synchronization with the zero-cross signal ZX. On the other hand, in the case of a stand-alone inverter, a sinusoidal signal of a desired frequency should be generated. Further, the coefficient K is variably controlled so that the output voltage |Vout|_ave (=absolute average value of the output voltage Vout) is constant. More specifically, the coefficient K may be variably controlled according to, for example, the difference between the average value of the full-wave rectified output voltage Vout and a predetermined output command value. During the INV operation, the inverted zero-cross signal ZXB is output as the control signal S3, and the zero-cross signal ZX is output as the control signal S4. This is an example of operation, and is not limited to this method as long as the control is such that the output becomes a sine wave.

次に、INV動作の原理について説明する。入力電圧をVinとし、出力電圧をVoutとし、スイッチング周期をTとし、トランジスタのオン時間及びオフ時間をそれぞれTon及びToff(ただし、オン時間は駆動側トランジスタに対して定義、還流側トランジスタ導通時はオフ)とすると、次の(4)式~(6)式が成り立つ。 Next, the principle of INV operation will be described. Let Vin be the input voltage, Vout be the output voltage, T be the switching period, and Ton and Toff be the on-time and off-time of the transistor, respectively. off), the following equations (4) to (6) hold.

(Vin-Vout)×Ton=Vout×Toff … (4)
(Vin-Vout)×Ton=Vout×(T-Ton) … (5)
Vin×Ton=Vout×T … (6)
(Vin−Vout)×Ton=Vout×Toff … (4)
(Vin−Vout)×Ton=Vout×(T−Ton) … (5)
Vin×Ton=Vout×T (6)

上記(6)式から、スイッチング周期Tと入力電圧Vinが一定であれば、出力電圧Voutがオン時間Tonに比例することが分かる。従って、自立Iインバータの場合、出力電流Ioutが出力電圧Voutと同一波形であるならば、出力電流Ioutもオン時間Tonと比例するはずである。従って、出力電流Ioutをオン時間Tonに比例するように制御すれば、出力電圧Voutと同一波形の出力電流Ioutが得られるように思われる。ただし、このような制御では、出力電流Ioutが増大したときにオン時間Tonも比例して長くなり、正帰還制御となってしまうので、INV動作が不可能となる。 From the above equation (6), it can be seen that if the switching period T and the input voltage Vin are constant, the output voltage Vout is proportional to the ON time Ton. Therefore, in the case of an independent I inverter, if the output current Iout has the same waveform as the output voltage Vout, the output current Iout should also be proportional to the ON time Ton. Therefore, if the output current Iout is controlled in proportion to the ON time Ton, it seems that the output current Iout having the same waveform as the output voltage Vout can be obtained. However, in such control, when the output current Iout increases, the on-time Ton also increases in proportion, resulting in positive feedback control, making the INV operation impossible.

そのため、出力電流Ioutが増大した場合、オン時間Tonを短縮する必要がある。このような負帰還制御を実現するには、予め出力電圧Voutと同一波形(出力電圧Voutが正弦波である場合には正弦波)の基準信号REFを設定しておき、基準信号REFから出力電流Ioutに比例する乗算信号(=K×Iout)を差し引いた差分信号(=REF-K×Iout)に基づいてオン時間Tonを制御すればよい。 Therefore, when the output current Iout increases, it is necessary to shorten the on-time Ton. In order to realize such negative feedback control, a reference signal REF having the same waveform as the output voltage Vout (a sine wave if the output voltage Vout is a sine wave) is set in advance, and the output current is calculated from the reference signal REF. The on-time Ton can be controlled based on the difference signal (=REF-K×Iout) obtained by subtracting the multiplication signal (=K×Iout) proportional to Iout.

基準信号REFは、正弦波である。また、出力電流Ioutが正弦波であるならば、これに比例する乗算信号(=K×Iout)も正弦波である。従って、基準信号REFから乗算信号(=K×Iout)を減じた差分信号(=REF-K×Iout)も正弦波となるので、これに基づいて制御される出力電流Ioutは、正弦波となる。この場合、出力電流Ioutが増大したときにはオン時間Tonが短縮される。従って、負帰還制御が実現されるので、安定的なINV動作が可能となる。また、係数Kを変えることにより、出力電流Ioutを調整することもできる。 The reference signal REF is a sine wave. Also, if the output current Iout is a sine wave, the multiplication signal (=K×Iout) proportional thereto is also a sine wave. Therefore, the difference signal (=REF−K×Iout) obtained by subtracting the multiplication signal (=K×Iout) from the reference signal REF also becomes a sine wave, so the output current Iout controlled based on this becomes a sine wave. . In this case, the ON time Ton is shortened when the output current Iout increases. Therefore, since negative feedback control is realized, stable INV operation becomes possible. Also, by changing the coefficient K, the output current Iout can be adjusted.

なお、電力変換装置1を回生インバータ(=商用交流電源系統に連系される系統連系インバータ)として利用する場合、交流電圧のゼロと極性を検出して基準信号REFを作成し動作させる。また、回生インバータの出力電圧をソフトスタートさせる場合、電力を送り出すスイッチのみ動作させ、他のスイッチをオフさせておくことにより、電流が逆流することなく安全に起動可能となる。出力電圧が所定の電圧(=接続された交流電圧値)になった後、他のスイッチを同期整流させれば、損失を低減させることもできる。 When the power converter 1 is used as a regenerative inverter (=system-connected inverter connected to a commercial AC power supply system), zero and polarity of AC voltage are detected to generate a reference signal REF for operation. Also, when soft-starting the output voltage of the regenerative inverter, by operating only the switch that sends out the power and keeping the other switches off, the current can be safely started without reverse flow. Loss can be reduced by synchronously rectifying other switches after the output voltage reaches a predetermined voltage (=connected AC voltage value).

一方、電力変換装置1を自立インバータ(=交流負荷Z2に接続される一般的なインバータ)として利用する場合、基準信号REFの周波数は、交流負荷Z2の仕様に応じて、出力電流Ioutに要求される周波数に設定しておけばよい。また、係数Kについては、乗算信号(=K×Iout)が基準信号REFと比べて無視できる程度に小さくなる値(例えばK=0)に設定しておけばよい。 On the other hand, when the power converter 1 is used as a stand-alone inverter (=a general inverter connected to the AC load Z2), the frequency of the reference signal REF is required for the output current Iout according to the specifications of the AC load Z2. It should be set to a frequency that Also, the coefficient K may be set to a value (for example, K=0) at which the multiplied signal (=K×Iout) becomes negligibly small compared to the reference signal REF.

図5は、INV動作時の入出力波形を示す図であり、上から順に、入力電圧Vin、出力電圧Vout、及び、出力電流Ioutが描写されている。本図で示したように、電力変換装置1のINV動作により、直流電力が交流電力に変換されていることが分かる。 FIG. 5 is a diagram showing input/output waveforms during the INV operation, and depicts the input voltage Vin, the output voltage Vout, and the output current Iout in order from the top. As shown in the figure, it can be seen that the INV operation of the power converter 1 converts DC power into AC power.

<動作モード切替(PFC/INV)>
以上で説明したように、デジタル制御装置100は、動作モード設定信号MODEに応じて、スイッチ回路10のPFC動作時(AC/DC変換時)には基準信号REFが一定値となり、INV動作時(DC/AC変換時)には基準信号REFが正弦波状信号となるように、通電方向の切替時に基準信号REFの波形を動的に変更する機能を備えている。
<Operation mode switching (PFC/INV)>
As described above, according to the operation mode setting signal MODE, the digital control device 100 keeps the reference signal REF at a constant value during the PFC operation of the switch circuit 10 (during AC/DC conversion), and during the INV operation ( It has a function of dynamically changing the waveform of the reference signal REF when switching the energization direction so that the reference signal REF becomes a sinusoidal signal during DC/AC conversion).

このような機能を具備することにより、スイッチ回路10を双方向インバータとして動作させることができるので、例えば、商用交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換して蓄電池を充電したり、これとは反対に、太陽電池で生成される直流電力を交流電力に変換して商用交流電源に回生したりすることが可能となる。また、並列運転やホットスワップなどにも対応できる。 By providing such a function, the switch circuit 10 can be operated as a bi-directional inverter. On the contrary, it is possible to convert the DC power generated by the solar cell into AC power and regenerate it to the commercial AC power supply. It also supports parallel operation and hot swapping.

ただし、動作モードは、必ずしも動的に切り替える必要はない。例えば、スイッチ回路10をPFC回路としてのみ利用する場合には、基準信号REFを一定値に固定すればよく、また、スイッチ回路10を単方向インバータとしてのみ利用する場合には、基準信号REFを正弦波状信号に固定すればよい。 However, the operation mode does not necessarily have to be dynamically switched. For example, when the switch circuit 10 is used only as a PFC circuit, the reference signal REF may be fixed at a constant value. It should be fixed to a wave signal.

<基準信号の変調処理>
図6は、PFC動作時(AC/DC変換時)における基準信号REFの第1変調例を示す図であり、上から順に、基準信号REFと入力電流Iinが描写されている。なお、本図左側には、基準信号REFの変調処理を行わない場合の波形が描写されており、本図右側には、基準信号REFの変調処理を行う場合の波形が描写されている。
<Modulation processing of reference signal>
FIG. 6 is a diagram showing a first modulation example of the reference signal REF during PFC operation (during AC/DC conversion), in which the reference signal REF and the input current Iin are depicted in order from the top. The left side of the drawing depicts the waveform when the reference signal REF is not modulated, and the right side of the drawing depicts the waveform when the reference signal REF is modulated.

入力電流Iinに意図的な歪み成分を生じさせたい場合には、入力電流Iinに歪み成分を与えるための変調信号(=正弦波電流波形と所望の電流波形との差分に相当する変調成分)を基準信号REFに重畳するとよい。このような変調処理によれば、例えば、疑似電流負荷試験などに用いられる交流電子負荷装置として、電力変換装置1を利用することが可能となる。 When it is desired to cause an intentional distortion component in the input current Iin, a modulation signal (=modulation component corresponding to the difference between the sinusoidal current waveform and the desired current waveform) for giving the distortion component to the input current Iin is applied. It may be superimposed on the reference signal REF. According to such modulation processing, it is possible to use the power conversion device 1 as an AC electronic load device used in, for example, a pseudo-current load test.

図7は、INV動作時(特に回生インバータを歪み補正装置として使用する場合)における基準信号REFの第2変調例を示す図であり、上から順に、基準信号REF、商用電源から回生インバータに供給される入力電流Iin、他の負荷に流れる負荷電流Iload、及び、商用電源からの総供給電流Isupが描写されている。なお、本図左側には、基準信号REFの変調処理を行わない場合の波形が描写されており、本図右側には、基準信号REFの変調処理を行う場合の波形が描写されている。 FIG. 7 is a diagram showing a second modulation example of the reference signal REF during the INV operation (especially when the regenerative inverter is used as the distortion correction device). The input current Iin applied, the load current Iload flowing to other loads, and the total supply current Isup from the mains supply are depicted. The left side of the drawing depicts the waveform when the reference signal REF is not modulated, and the right side of the drawing depicts the waveform when the reference signal REF is modulated.

負荷電流Iloadに意図しない歪み成分が生じた場合には、その歪み成分を打ち消すための変調信号(=上記の歪み成分と逆の電流を流すための変調成分)を基準信号REFに重畳して入力電流Iinにも意図的な歪み成分を生じさせ、その入力電流Iinと負荷電流Iloadを加えると、総供給電流Isupは正弦波状電流となる。このような変調処理によれば、例えば、負荷電流Iloadの高調波成分を抑制し、外部に歪み電流を出さないようにすることが可能となる。 If an unintended distortion component occurs in the load current Iload, a modulation signal for canceling the distortion component (=a modulation component for causing a current opposite to the above distortion component) is superimposed on the reference signal REF and input. If the current Iin is also intentionally distorted and the input current Iin and the load current Iload are added, the total supply current Isup is a sinusoidal current. According to such modulation processing, for example, it is possible to suppress harmonic components of the load current Iload so as not to output a distorted current to the outside.

<電力変換装置(第2実施形態)>
図8は、電力変換装置の第2実施形態を示す図である。第2実施形態の電力変換装置11では、スイッチ回路10として、3相TL-NPC[Trans-Linked Neutral-Point-Clamped]型の双方向インバータが用いられている。
<Power Converter (Second Embodiment)>
FIG. 8 is a diagram showing a second embodiment of the power converter. In the power converter 11 of the second embodiment, a three-phase TL-NPC [Trans-Linked Neutral-Point-Clamped] type bidirectional inverter is used as the switch circuit 10 .

具体的に述べると、スイッチ回路10は、例えば、コンデンサC11及びC12と、3相構成のスイッチ回路部11~13及びコンデンサC21~C23と、を含む。 Specifically, the switch circuit 10 includes, for example, capacitors C11 and C12, three-phase switch circuit units 11 to 13, and capacitors C21 to C23.

また、スイッチ回路部11は、トランジスタM11及びM12(Nチャネル型)と、トランジスタM21及びM22(Nチャネル型)と、双方向スイッチSW1及びSW2(Nチャネル型)と、変圧器TR11と、リアクトルL11と、を含む。 The switch circuit unit 11 includes transistors M11 and M12 (N-channel type), transistors M21 and M22 (N-channel type), bidirectional switches SW1 and SW2 (N-channel type), a transformer TR11, and a reactor L11. and including.

なお、スイッチ回路部12及び13それぞれの回路構成は、スイッチ回路部11と同様であるため、重複した説明を割愛する。また、本図では、図示の便宜上、駆動回路20やデジタル制御装置100の描写を省略しているが、これらについては後ほど詳述する。 Note that the circuit configurations of the switch circuit units 12 and 13 are the same as that of the switch circuit unit 11, so redundant description will be omitted. For convenience of illustration, the drawing omits the drive circuit 20 and the digital control device 100, but these will be described in detail later.

コンデンサC11及びC12は、ノードDC11とノードD12との間に直列接続されており、相互間の接続ノードが交流中性点(=中性点電圧VCの印加端)となるコンデンサブリッジとして機能する。なお、コンデンサC11及びC12それぞれの容量値が等しい場合には、VC=(DC11-DC12)/2となる。 The capacitors C11 and C12 are connected in series between the node DC11 and the node D12, and function as a capacitor bridge in which the connection node between them serves as an AC neutral point (=applying end of the neutral point voltage VC). If the capacitance values of the capacitors C11 and C12 are equal, VC=(DC11-DC12)/2.

トランジスタM11のドレインは、ノードDC11に接続されている。トランジスタM11のソースは、トランジスタM12のドレインに接続されている。トランジスタM12のソースは、ノードDC12に接続されている。トランジスタM11及びM12それぞれのゲートには、ゲート信号G11及びG12が入力されている。トランジスタM11及びM12は、それぞれ、ゲート信号G11及びG12がハイレベルであるときにオンし、ゲート信号G11及びG12がローレベルであるときにオフする。このように、トランジスタM11及びM12は、ノードDC11とノードDC12との間に直列接続されており、第1トランジスタブリッジとして機能する。 The drain of transistor M11 is connected to node DC11. The source of transistor M11 is connected to the drain of transistor M12. The source of transistor M12 is connected to node DC12. Gate signals G11 and G12 are input to the gates of the transistors M11 and M12, respectively. The transistors M11 and M12 are turned on when the gate signals G11 and G12 are at high level, and turned off when the gate signals G11 and G12 are at low level. Thus, transistors M11 and M12 are connected in series between nodes DC11 and DC12 and function as a first transistor bridge.

トランジスタM21のドレインは、ノードDC11に接続されている。トランジスタM21のソースは、トランジスタM22のドレインに接続されている。トランジスタM22のソースは、ノードDC12に接続されている。トランジスタM21及びM22それぞれのゲートには、ゲート信号G21及びG22が入力されている。トランジスタM21及びM22は、それぞれ、ゲート信号G21及びG22がハイレベルであるときにオンし、ゲート信号G21及びG22がローレベルであるときにオフする。このように、トランジスタM21及びM22は、ノードDC11とノードDC12との間に直列接続されており、第2トランジスタブリッジとして機能する。 The drain of transistor M21 is connected to node DC11. The source of transistor M21 is connected to the drain of transistor M22. The source of transistor M22 is connected to node DC12. Gate signals G21 and G22 are input to the gates of the transistors M21 and M22, respectively. The transistors M21 and M22 are turned on when the gate signals G21 and G22 are at high level, and turned off when the gate signals G21 and G22 are at low level. Thus, transistors M21 and M22 are connected in series between nodes DC11 and DC12 and function as a second transistor bridge.

なお、上記の第1トランジスタブリッジ(=トランジスタM11及びM12)と第2トランジスタブリッジ(=トランジスタM21及びM22)は、互いに所定の位相差θ(例えば1/2周期分の位相差、すなわち、θ=π(180°))を持って駆動される。 The first transistor bridge (=transistors M11 and M12) and the second transistor bridge (=transistors M21 and M22) have a predetermined phase difference .theta. π(180°)).

双方向スイッチSW1は、コンデンサブリッジの中点ノード(=コンデンサC11及びC12相互間の接続ノード)と第1トランジスタブリッジの出力ノード(=トランジスタM11及びM12相互間の接続ノード)との間にそれぞれ接続されている。双方向スイッチSW1のゲートには、ゲート信号G13が入力されている。双方向スイッチSW1は、ゲート信号G13がハイレベルであるときにオンし、ゲート信号G13がローレベルであるときにオフする。 The bidirectional switch SW1 is connected between the midpoint node of the capacitor bridge (=connection node between the capacitors C11 and C12) and the output node of the first transistor bridge (=connection node between the transistors M11 and M12). It is A gate signal G13 is input to the gate of the bidirectional switch SW1. The bidirectional switch SW1 is turned on when the gate signal G13 is at high level, and turned off when the gate signal G13 is at low level.

双方向スイッチSW2は、コンデンサブリッジの中点ノード(=コンデンサC11及びC12相互間の接続ノード)と第2トランジスタブリッジの出力ノード(=トランジスタM21及びM22相互間の接続ノード)との間にそれぞれ接続されている。双方向スイッチSW2のゲートには、ゲート信号G23が入力されている。双方向スイッチSW2は、ゲート信号G23がハイレベルであるときにオンし、ゲート信号G23がローレベルであるときにオフする。 The bidirectional switch SW2 is connected between the midpoint node of the capacitor bridge (=connection node between the capacitors C11 and C12) and the output node of the second transistor bridge (=connection node between the transistors M21 and M22). It is A gate signal G23 is input to the gate of the bidirectional switch SW2. The bidirectional switch SW2 is turned on when the gate signal G23 is at high level, and turned off when the gate signal G23 is at low level.

変圧器TR11は、第1トランジスタブリッジ及び第2トランジスタブリッジそれぞれの出力ノードとリアクトルL11の第1端との間に接続されている。リアクトルL11の第2端は、ノードAC11に接続されている。 The transformer TR11 is connected between the output node of each of the first transistor bridge and the second transistor bridge and the first end of the reactor L11. A second end of reactor L11 is connected to node AC11.

なお、変圧器TR11の励磁インダクタンスLm1、Lm2がリアクトルL11に対して十分に大きい場合、変圧器TR11とリアクトルL11は、双方の機能を有するトランス結合リアクトルTCR11(図9)として構成することができる。この場合、リアクトルL11は、トランス結合リアクトルTCR11の漏れインダクタンスLs1、Ls2により形成される。また、トランス結合リアクトルTCR11の結合部と漏れインダクタンスLs1及びLs2との間に現れるノード電圧VN1及びVN2は、実質的に、変圧器TR11の中点ノードに現れるノード電圧VNと同電位になる。 If the exciting inductances Lm1 and Lm2 of the transformer TR11 are sufficiently large with respect to the reactor L11, the transformer TR11 and the reactor L11 can be configured as a transformer coupling reactor TCR11 (FIG. 9) having both functions. In this case, reactor L11 is formed by leakage inductances Ls1 and Ls2 of transformer coupled reactor TCR11. Also, the node voltages VN1 and VN2 appearing between the coupling portion of the transformer coupling reactor TCR11 and the leakage inductances Ls1 and Ls2 are substantially the same potential as the node voltage VN appearing at the midpoint node of the transformer TR11.

コンデンサC21~C23は、それぞれ、ノードAC11~AC13とコンデンサブリッジの中点ノード(=コンデンサC11及びC12相互間の接続ノード)との間に接続されている。 Capacitors C21 to C23 are respectively connected between nodes AC11 to AC13 and the midpoint node of the capacitor bridge (=connection node between capacitors C11 and C12).

本実施形態の電力変換装置1であれば、トランジスタブリッジのスイッチング出力レベルを、H/Lの2値(+Eと-E)ではなく、3値(+E、0、-E)またはそれ以上の諧調値を持つように多段階で変化させることができる。従って、リアクトルL11の印加電圧を低減することができるので、リアクトルL11の小型化や低損失化、ないしは、低ノイズ化を実現することが可能となる。また、各トランジスタの印加電圧を低減することもできるので、市場流通の多い低耐圧素子を採用したり、スイッチング損失を低減したりすることも可能となる。 In the power conversion device 1 of this embodiment, the switching output level of the transistor bridge is set to three values (+E, 0, -E) or more, instead of two values (+E and -E) of H/L. It can be changed in multiple stages so that it has a value. Therefore, since the voltage applied to the reactor L11 can be reduced, it is possible to reduce the size, loss, or noise of the reactor L11. In addition, since the voltage applied to each transistor can be reduced, it is possible to adopt low-voltage elements that are widely available in the market and to reduce switching loss.

特に、電力変換装置は、現在、民生機器や産業機器だけでなく車載機器などの非常に幅広い分野に適用されている。これらの用途に供される電力変換装置は、小型・軽量・高効率が重視されており、大電力装置であるほどその要望は大きいことから、本実施形態の電力変換装置1が好適であると言える。 In particular, power converters are currently being applied to a very wide range of fields such as in-vehicle equipment as well as consumer equipment and industrial equipment. Small size, light weight, and high efficiency are emphasized in the power conversion device used for these applications, and the demand is greater for devices with higher power. Therefore, the power conversion device 1 of the present embodiment is suitable. I can say

図10は、第2実施形態の電力変換装置1に用いられるデジタル制御装置100の一構成例を示す図である。本構成例のデジタル制御装置100は、第1実施形態(図1)をベースとしつつ、パルス幅変調部105の後段に変更が加えられている。より具体的に述べると、本構成例のデジタル制御装置100は、先出の信号切替部107に代えて、位相シフト部108と信号切替部109及び110と、を含む。 FIG. 10 is a diagram showing a configuration example of a digital control device 100 used in the power conversion device 1 of the second embodiment. The digital control device 100 of this configuration example is based on the first embodiment (FIG. 1), but the post-stage of the pulse width modulation section 105 is modified. More specifically, the digital control device 100 of this configuration example includes a phase shift section 108 and signal switching sections 109 and 110 instead of the signal switching section 107 described above.

位相シフト部108は、パルス幅変調信号PWMを所定の位相差θ(例えば1/2周期分の位相差、すなわち、θ=π(180°))だけシフトさせたパルス幅変調信号PWM2(及びその論理レベルを反転させた反転パルス幅変調信号PWM2B)を出力する。 Phase shift section 108 generates pulse width modulated signal PWM2 (and its It outputs an inverted pulse width modulated signal PWM2B) whose logic level is inverted.

信号切替部109は、ゼロクロス信号ZXに応じて、パルス幅変調信号PWM及び反転パルス幅変調信号PWMBの出力先を切り替える。 The signal switching unit 109 switches output destinations of the pulse width modulated signal PWM and the inverted pulse width modulated signal PWMB according to the zero-crossing signal ZX.

例えば、ZX=Hであるときには、S11=PWMとなり、S12=L固定となり、S13=PWMBとなる。このような信号切替により、交流電圧が正極性であるとき(ZX=H)には、トランジスタM11と双方向スイッチSW1が相補的にオン/オフされ、トランジスタM12が常時オフされる。 For example, when ZX=H, S11=PWM, S12=L fixed, and S13=PWMB. By such signal switching, when the AC voltage is positive (ZX=H), the transistor M11 and the bidirectional switch SW1 are complementarily turned on/off, and the transistor M12 is always turned off.

一方、ZX=Lであるときには、S11=L固定となり、S12=PWMBとなり、S13=PWMとなる。このような信号切替により、交流電圧が負極性であるとき(ZX=L)には、トランジスタM12と双方向スイッチSW1が相補的にオン/オフされ、トランジスタM11が常時オフされる。 On the other hand, when ZX=L, S11=L fixed, S12=PWMB, and S13=PWM. By such signal switching, when the AC voltage is negative (ZX=L), the transistor M12 and the bidirectional switch SW1 are complementarily turned on/off, and the transistor M11 is always turned off.

信号切替部110は、ゼロクロス信号ZXに応じて、パルス幅変調信号PWM2及び反転パルス幅変調信号PWM2Bの出力先を切り替える。 The signal switching unit 110 switches the output destinations of the pulse width modulated signal PWM2 and the inverted pulse width modulated signal PWM2B according to the zero-crossing signal ZX.

例えば、ZX=Hであるときには、S21=PWMとなり、S22=L固定となり、S23=PWMBとなる。このような信号切替により、交流電圧が正極性であるとき(ZX=H)には、トランジスタM21と双方向スイッチSW2が相補的にオン/オフされ、トランジスタM22が常時オフされる。 For example, when ZX=H, S21=PWM, S22=L fixed, and S23=PWMB. By such signal switching, when the AC voltage is positive (ZX=H), the transistor M21 and the bidirectional switch SW2 are complementarily turned on/off, and the transistor M22 is always turned off.

一方、ZX=Lであるときには、S21=L固定となり、S22=PWMBとなり、S23=PWMとなる。このような信号切替により、交流電圧が負極性であるとき(ZX=L)には、トランジスタM22と双方向スイッチSW2が相補的にオン/オフされ、トランジスタM21が常時オフされる。 On the other hand, when ZX=L, S21=L fixed, S22=PWMB, and S23=PWM. By such signal switching, when the AC voltage is negative (ZX=L), the transistor M22 and the bidirectional switch SW2 are complementarily turned on/off, and the transistor M21 is always turned off.

<ワイドバンドギャップ半導体(SiC、GaN)の適用>
なお、電力変換装置1で用いられる各種のスイッチ素子(図1のトランジスタM1~M4、ないしは、図8(及び図9)のトランジスタM11~M12及びM21~M22、並びに、双方向スイッチSW1及びSW2)については、少なくともその一つをワイドバンドギャップ半導体(SiC系半導体またはGaN系半導体など)で形成するとよい。
<Application of Wide Bandgap Semiconductors (SiC, GaN)>
Various switch elements used in the power converter 1 (transistors M1 to M4 in FIG. 1, or transistors M11 to M12 and M21 to M22 in FIG. 8 (and FIG. 9), and bidirectional switches SW1 and SW2) , at least one of them is preferably formed of a wide bandgap semiconductor (SiC-based semiconductor, GaN-based semiconductor, or the like).

このように、SiC系半導体(SiC-MOSFETなど)またはGaN系半導体(GaN-HEMT[high electron mobility transistor]など)から成るスイッチ素子であれば、Si系半導体から成るスイッチ素子と比べて、その出力容量や帰還容量といった寄生容量を低減することができるので、高周波駆動時におけるスイッチング損失の増大を抑制することができる。 Thus, a switch element made of a SiC-based semiconductor (SiC-MOSFET, etc.) or a GaN-based semiconductor (GaN-HEMT [high electron mobility transistor], etc.) has a higher output than a switch element made of a Si-based semiconductor. Since parasitic capacitance such as capacitance and feedback capacitance can be reduced, an increase in switching loss during high-frequency driving can be suppressed.

また、上記のスイッチ素子としてSiC-MOSFETを用いれば、低オン抵抗と縦型構造による高い熱伝導率が得られる。従って、大電流・大電力の電力変換装置1を実現することが可能となる。 Also, if SiC-MOSFETs are used as the switch elements, low on-resistance and high thermal conductivity due to the vertical structure can be obtained. Therefore, it is possible to realize the power conversion device 1 with large current and large power.

また、SiC-MOSFETは、ボディダイオードの逆回復電流が小さく、かつ、寄生容量が小さいので、電流の実効値を低く抑えることができ、スイッチ素子やパターンの導通損失、並びに、トランス結合リアクトルの銅損を低減することが可能となる。 In addition, the SiC-MOSFET has a small reverse recovery current of the body diode and a small parasitic capacitance, so the effective value of the current can be kept low, and the conduction loss of the switch element and pattern, and the copper of the transformer coupling reactor. Loss can be reduced.

このように、ワイドバンドギャップ半導体から成るスイッチ素子は、高耐圧でありながらも、低オン抵抗・低スイッチング損失であり、かつ、高温時にもその傾向が比較的保持される。そのため、入力電圧及びスイッチ素子への直接印加電圧が高い場合でも、十分に熱的に許容される動作が可能になる。 As described above, a switching element made of a wide bandgap semiconductor has a high breakdown voltage, a low on-resistance and a low switching loss, and these tendencies are relatively maintained even at high temperatures. Therefore, even when the input voltage and the voltage directly applied to the switch element are high, sufficiently thermally permissible operation is possible.

<その他の変形例>
なお、本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。例えば、バイポーラトランジスタとMOS電界効果トランジスタとの相互置換や、各種信号の論理レベル反転は任意である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。
<Other Modifications>
In addition to the above embodiments, the various technical features disclosed in this specification can be modified in various ways without departing from the gist of the technical creation. For example, the mutual replacement of bipolar transistors with MOS field effect transistors and the logic level inversion of various signals are optional. That is, the above-described embodiments should be considered as examples and not restrictive in all respects, and the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the claims should be understood to include all changes falling within the meaning and range of equivalence to the range of.

本明細書中に開示されている電力変換装置は、民生機器や産業機器だけでなく車載機器などの非常に幅広い分野で利用することが可能である。 The power conversion device disclosed in this specification can be used in a very wide range of fields such as in-vehicle equipment as well as consumer equipment and industrial equipment.

1 電力変換装置
10 スイッチ回路(双方向インバータ)
11~13 スイッチ回路部
20 駆動回路
21~24 ゲートドライバ
100 デジタル制御装置
101 基準信号設定部
102 係数設定部
103 乗算部
104 加算部
105 パルス幅変調部
106 ゼロクロス検出部
107 信号切替部
108 位相シフト部
109、110 信号切替部
AC1、AC2、AC11~AC13 ノード(ACノード)
C1、C2、C11、C12、C21~C23 コンデンサ
DC1、DC2、DC11、DC12 ノード(DCノード)
E1、E2 電源
L1 インダクタ
L11 リアクトル
Lm1、Lm2 励磁インダクタンス
Ls1、Ls2 漏れインダクタンス
M1~M4、M11、M12、M21、M22 トランジスタ
SW1、SW2 双方向スイッチ
TCR11 トランス結合リアクトル
TR11 変圧器
Z1、Z2 負荷
1 power conversion device 10 switch circuit (bidirectional inverter)
11 to 13 switch circuit unit 20 drive circuit 21 to 24 gate driver 100 digital control device 101 reference signal setting unit 102 coefficient setting unit 103 multiplication unit 104 addition unit 105 pulse width modulation unit 106 zero cross detection unit 107 signal switching unit 108 phase shift unit 109, 110 Signal switching unit AC1, AC2, AC11 to AC13 node (AC node)
C1, C2, C11, C12, C21 to C23 Capacitors DC1, DC2, DC11, DC12 Node (DC node)
E1, E2 Power supply L1 Inductor L11 Reactor Lm1, Lm2 Exciting inductance Ls1, Ls2 Leakage inductance M1 to M4, M11, M12, M21, M22 Transistor SW1, SW2 Bidirectional switch TCR11 Transformer coupling reactor TR11 Transformer Z1, Z2 Load

Claims (12)

トランジスタを含むスイッチ回路を備えた電力変換装置の制御主体として用いられる制御装置であって、
前記電力変換装置の動作方式に応じて設定される基準信号から、前記スイッチ回路の制御対象電流に所定の係数を乗じた乗算信号を減じ、その演算結果に基づいて前記トランジスタの制御信号を生成することを特徴とする制御装置。
A control device used as a control subject of a power conversion device including a switch circuit including a transistor,
A multiplied signal obtained by multiplying a current to be controlled of the switch circuit by a predetermined coefficient is subtracted from a reference signal set according to an operation method of the power converter, and a control signal for the transistor is generated based on the result of the calculation. A control device characterized by:
前記スイッチ回路がPFC[power factor correction]回路であり、
前記基準信号が一定値であり、
前記制御対象電流が入力電流である、
ことを特徴とする、請求項1に記載の制御装置。
The switch circuit is a PFC [power factor correction] circuit,
the reference signal is a constant value;
wherein the controlled current is an input current;
The control device according to claim 1, characterized in that:
前記スイッチ回路がインバータであり、
前記基準信号が正弦波状信号であり、
前記制御対象電流が出力電流である、
ことを特徴とする、請求項1に記載の制御装置。
wherein the switch circuit is an inverter;
wherein the reference signal is a sinusoidal signal;
wherein the controlled current is an output current;
The control device according to claim 1, characterized in that:
前記スイッチ回路が双方向インバータであり、
AC/DC変換時には前記基準信号が一定値となり、DC/AC変換時には前記基準信号が正弦波状信号となるように、通電方向の切替時に前記基準信号の波形を変更し、
前記制御対象電流として、AC/DC変換時にもDC/AC変換時にも前記スイッチ回路の同一ノードに流れる電流を監視しており、AC/DC変換時には前記制御対象電流が入力電流となり、DC/AC変換時には前記制御対象電流が出力電流となる、
ことを特徴とする、請求項1に記載の制御装置。
the switch circuit is a bidirectional inverter,
changing the waveform of the reference signal when switching the energization direction so that the reference signal has a constant value during AC/DC conversion and the reference signal becomes a sinusoidal signal during DC/AC conversion;
As the current to be controlled, the current flowing through the same node of the switch circuit is monitored during both AC/DC conversion and DC/AC conversion. At the time of conversion, the controlled current becomes an output current,
The control device according to claim 1, characterized in that:
前記入力電流歪みを与えるための変調信号を前記基準信号に重畳することを特徴とする、請求項2または請求項4に記載の制御装置。 5. The control device according to claim 2, wherein a modulation signal for giving distortion to said input current is superimposed on said reference signal. 商用電源から他の負荷に流れる負荷電流の歪みを打ち消すための変調信号を前記基準信号に重畳することを特徴とする、請求項3または請求項4に記載の制御装置。 5. The control device according to claim 3, wherein a modulation signal for canceling distortion of load current flowing from a commercial power source to another load is superimposed on said reference signal. 前記基準信号の周波数が前記出力電流に要求される周波数に設定されており、
前記係数が前記乗算信号が前記基準信号と比べて無視できる程度に小さくなるように設定されている、
ことを特徴とする、請求項3または請求項4に記載の制御装置。
a frequency of the reference signal is set to a frequency required for the output current;
the coefficient is set such that the multiplied signal is negligibly small compared to the reference signal;
5. The control device according to claim 3 or 4, characterized in that:
第1DCノードと第2DCノードとの間に直列接続された少なくとも2つのコンデンサを含むコンデンサブリッジと;
前記第1DCノードと前記第2DCノードとの間に直列接続された2つのトランジスタをそれぞれ含む第1トランジスタブリッジ及び第2トランジスタブリッジと;
前記コンデンサブリッジの中点ノードと前記第1トランジスタブリッジ及び前記第2トランジスタブリッジそれぞれの出力ノードとの間にそれぞれ接続された第1双方向スイッチ及び第2双方向スイッチと;
前記第1トランジスタブリッジ及び前記第2トランジスタブリッジそれぞれの出力ノードに接続された変圧器と;
前記変圧器とACノードとの間に接続されたリアクトルと;
前記ACノードと前記コンデンサブリッジの中点ノードとの間に接続されたコンデンサと;
を備え、
前記第1トランジスタブリッジと前記第2トランジスタブリッジを互いに180°の位相差で動作させることを特徴とする、双方向インバータ。
a capacitor bridge including at least two capacitors connected in series between the first DC node and the second DC node;
a first transistor bridge and a second transistor bridge each comprising two transistors connected in series between said first DC node and said second DC node;
a first bidirectional switch and a second bidirectional switch respectively connected between a midpoint node of the capacitor bridge and an output node of each of the first transistor bridge and the second transistor bridge;
a transformer connected to each output node of the first transistor bridge and the second transistor bridge;
a reactor connected between the transformer and an AC node;
a capacitor connected between the AC node and a midpoint node of the capacitor bridge;
with
A bi-directional inverter, wherein the first transistor bridge and the second transistor bridge are operated with a phase difference of 180 degrees from each other.
前記第1トランジスタブリッジ及び前記第2トランジスタブリッジ、前記第1双方向スイッチ及び前記第2双方向スイッチ、前記変圧器、前記リアクトル、並びに、前記コンデンサは、3相構成であることを特徴とする、請求項8に記載の双方向インバータ。 The first transistor bridge and the second transistor bridge, the first bidirectional switch and the second bidirectional switch, the transformer, the reactor, and the capacitor have a three-phase configuration, A bidirectional inverter according to claim 8 . 前記変圧器と前記リアクトルは、双方の機能を有するトランス結合リアクトルとして形成されていることを特徴とする、請求項8または請求項9に記載の双方向インバータ。 10. The bidirectional inverter according to claim 8, wherein said transformer and said reactor are formed as a transformer coupled reactor having both functions. 前記トランジスタ、並びに、前記第1双方向スイッチ及び前記第2双方向スイッチは、それぞれ、ワイドバンドギャップ半導体から成ることを特徴とする、請求項8~請求項10のいずれか一項に記載の双方向インバータ。 Both sides according to any one of claims 8 to 10, characterized in that the transistor, the first bidirectional switch and the second bidirectional switch are each made of a wide bandgap semiconductor. direction inverter. 請求項8~請求項11のいずれか一項に記載の双方向インバータと、
前記双方向インバータの制御主体となる請求項1~請求項7のいずれか一項に記載の制御装置と、
を有することを特徴とする、電力変換装置。
A bidirectional inverter according to any one of claims 8 to 11;
The control device according to any one of claims 1 to 7, which is a control body of the bidirectional inverter;
A power converter, characterized by comprising:
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