JP7359726B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、入力電圧をスイッチングして所望の出力電圧を送出する電力変換装置に関するものである。
一般的に、バッテリに接続される電力変換装置は、入出力電圧の変動範囲が大きい。これに対応するため、従来、2段のコンバータで構成された2コンバータ方式の電力変換装置が特許文献1、2、3等で提案されている。特許文献1では、昇圧チョッパ回路及びLLC方式DC/DCコンバータ(以下「LLCコンバータ」という。)の組み合わせ、特許文献2では、昇圧/降圧チョッパ回路及びLLCコンバータの組み合わせ、更に、特許文献3では、降圧チョッパ回路及びLLCコンバータの組み合わせ、の2コンバータ方式の電力変換装置が開示されている。
図7は、従来の2コンバータ方式の電力変換装置を示す回路図である。
この2コンバータ方式の電力変換装置は、直流(DC)の入力電圧Viをスイッチングして、所望のDC出力電圧Vo2及びDC出力電流Io2を送出する電力変換部1と、この電力変換部1のスイッチングを制御する2つの第1制御部31及び第2制御部32と、を備えている。
電力変換部1は、前段の第1コンバータ10と、後段の第2コンバータ20と、を組み合わせた構成になっている。
第1コンバータ10は、例えば、非絶縁コンバータとしての降圧チョッパ回路であり、一対の電源線L1,L2間に印加されるDCの入力電圧Viを平滑する入力コンデンサ11と、駆動パルスS1によりオン/オフ動作するスイッチ素子12と、駆動パルスS2によりオン/オフ動作して電源線L2から電源線L1へ順方向となるように配置された整流ダイオードとして機能するスイッチ素子13と、インダクタ14と、DCの出力電圧Vo1及び出力電流Io1を送出する出力コンデンサ15と、により構成されている。
第2コンバータ20は、例えば、LLCコンバータであり、入力コンデンサ21と、2つの駆動パルスS3,S4により相補的にオン/オフ動作する2つのスイッチ素子22-1,22-2と、2つの共振コンデンサ23-1,23-2と、1次巻線24aと中間端子N3を持った2つの2次巻線24b,24cとを有する変圧器24と、2つの整流ダイオード25-1,25-2を有するハーフブリッジ回路と、インダクタ26と、出力コンデンサ27と、DCの出力電圧Vo2及び出力電流Io2を送出する一対の出力端子28-1,28-2と、により構成されている。
第1制御部31は、図示しない前段の測定器により測定された出力電圧Vo1及び出力電流Io1に基づき、2つの駆動パルスS1,S2を生成して2つのスイッチ素子12,13をそれぞれオン/オフ動作させる機能を有している。第2制御部32は、図示しない後段の測定器により測定された出力電圧Vo2及び出力電流Io2に基づき、2つの駆動パルスS3,S4を生成して2つのスイッチ素子22-1,22-2を相補的にオン/オフ動作させる機能を有している。
第1コンバータ10と第2コンバータ20との連結部分は、一度電圧を平滑するための、出力コンデンサ15及び入力コンデンサ21からなるリンクコンデンサにより接続されている。
このような図7の電力変換装置は、以下のように動作する。
第1制御部31は、2つの駆動パルスS1,S2を生成し、2つのスイッチ素子12,13のオン/オフ動作を制御する。例えば、スイッチ素子12がオン状態、及びスイッチ素子13がオフ状態の時、入力電圧Viが印加された電源線L1→スイッチ素子12→インダクタ14→出力コンデンサ15→電源線L2、の経路で電流が流れる。次に、スイッチ素子12がオフ状態、及びスイッチ素子13がオン状態に切り替えられると、インダクタ14の蓄積電荷の電流が、出力コンデンサ15→電源線L2→スイッチ素子13→インダクタ14、の経路で流れる。これにより、DC入力電圧Viは、第1コンバータ10により、所定のDC出力電圧Vo1に降圧される。この出力電圧Vo1は、出力コンデンサ15及び後段の入力コンデンサ21により平滑される。
第2制御部32は、2つの駆動パルスS3,S4を生成し、2つのスイッチ素子22-1,22-2のオン/オフ動作を制御する。例えば、スイッチ素子22-1がオン状態、及びスイッチ素子22-2がオフ状態の時、電源線L1→スイッチ素子22-1→接続点N1→1次巻線24a→接続点N2→共振コンデンサ23-2→電源線L2、の経路で電流が流れる。更に、電源線L1→共振コンデンサ23-1→接続点N2→共振コンデンサ23-2→電源線L2、の経路で電流が流れる。
次に、スイッチ素子22-1がオフ状態、及びスイッチ素子22-2がオン状態に切り替えられると、共振コンデンサ23-2の蓄積電荷の電流が、接続点N2→1次巻線24a→接続点N1→スイッチ素子22-2→電源線L2→共振コンデンサ23-2、の経路で流れる。
そのため、1次巻線24aの励磁インダクタ、2次側のインダクタ26、及び共振コンデンサ23-2で構成される共振回路により、入力コンデンサ21で平滑された電圧が共振し、変圧器24によって電圧変換される。電圧変換された交流(AC)の電圧は、2つの整流ダイオード25-1,25-2により整流された後、出力コンデンサ27により平滑される。従って、第1コンバータ10のDC出力電圧Vo1が昇圧された所望のDC出力電圧Vo2が、出力端子28-1,28-2から送出されて、図示しないバッテリ等の負荷へ供給される。
特開2017-34916号公報(特許第6132882号) 特開2016-163475号公報 W02016/139745号公報
図7に示される従来の2コンバータ方式の電力変換装置は、入出力電圧の変動範囲が大きい環境に対しても、安定した電力供給が行える。しかし、第1コンバータ10と第2コンバータ20との連結部分で、一度電圧を平滑するための、出力コンデンサ15及び入力コンデンサ21からなるリンクコンデンサが必要になる。その上、第1制御部31及び第2制御部32による、第1コンバータ10と第2コンバータ20との制御や、出力電圧Vo1,Vo2及び出力電流Io1,Io2の測定を別々に行わなければならないので、回路構成が複雑になって部品点数が増加する等の課題がある。
本発明の電力変換装置は、第1スイッチ素子、第1接続点、及び第2スイッチ素子が直列に接続され、入力電圧が印加される第1直列回路と、前記第1接続点に分岐接続されたインダクタと、第3スイッチ素子、前記インダクタを介して前記第1接続点に接続された第2接続点、及び第4スイッチ素子が直列に接続された第2直列回路と、前記第2直列回路に対して並列に接続され、第1コンデンサ、第3接続点、及び第2コンデンサが直列に接続された第3直列回路と、前記第2接続点及び前記第3接続点間の電圧を変換して出力電圧を送出するコンバータと、を備えることを特徴とする。
例えば、前記電力変換装置は、更に、前記出力電圧の測定値と目標出力電圧値との誤差を減少するような可変のデューティ比を求め、前記可変のデューティ比に基づき、前記第1、第2、第3及び第4スイッチ素子のオン/オフ動作を制御する、又は、前記可変のデューティ比と固定のデューティ比とに基づき、前記第1、第2、第3及び第4スイッチ素子のオン/オフ動作を制御する、制御部を備えている。
本発明の電力変換装置によれば、以下の(a),(b)のような効果がある。
(a) 従来の2コンバータ方式を1コンバータ方式として制御できるため、従来のリンクコンデンサが不要である。更に、制御も1コンバータ方式として扱うことができるため、回路構成が簡単になって、制御部品等の部品点数を低減できる。
(b) 第1直列回路と第2直列回路とを別々に駆動できる特徴を持つ。そのため、例えば、第1直列回路と第2直列回路とをデューティ比制御で動作させ、第1直列回路は、自由にデューティ比制御を行って降圧チョッパ回路として動作させ、第2直列回路は、可変周波数のLLCコンバータとして動作させることができる。又、第1直列回路は、デューティ比制御を行って降圧チョッパ回路として動作させ、第2直列回路は、デューティ比固定で動作させることにより、固定周波数のLLCコンバータとして動作させることができる。あるいは、第1直列回路をデューティ比固定で動作させ、第2直列回路をデューティ比制御で動作させることも可能である。従って、入出力電圧の変動範囲が大きい環境等に対し、柔軟に対応して安定した電力供給を行うことができる。
本発明の実施例1における1コンバータ方式の電力変換装置を示す回路図 図1のスイッチ素子42-1~42-4のオン/オフ状態を示すタイミングチャート 本発明の実施例2における1コンバータ方式の電力変換装置を示す回路図 図3のスイッチ素子42-1~42-4のオン/オフ状態を示すタイミングチャート 本発明の実施例3における1コンバータ方式の電力変換装置を示す回路図 図3及び図5のデューティ比D1,D2の出力特性例を示す図 従来の2コンバータ方式の電力変換装置を示す回路図
本発明を実施するための形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかになるであろう。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。
(実施例1の構成)
図1は、本発明の実施例1における1コンバータ方式の電力変換装置を示す回路図である。
この電力変換装置は、一対の電源線L1,L2間に印加されるDC入力電圧Viをスイッチングして、所望のDC出力電圧Voを送出する電力変換部40と、この電力変換部40のスイッチングを制御する制御部50と、を備えている。
電力変換部40は、電源線L1,L2間に接続された入力コンデンサ41を有している。入力コンデンサ41には、H型ブリッジコンバータ40aが並列に接続され、更に、そのH型ブリッジコンバータ40aの出力側に、コンバータ(例えば、ハーフブリッジコンバータ)40bが直列に接続されている。
H型ブリッジコンバータ40aは、入力コンデンサ41に対して並列に接続された第1直列回路を有している。第1直列回路は、駆動パルスS11によりオン/オフ動作する第1スイッチ素子42-1と、第1接続点N11と、駆動パルスS12によりオン/オフ動作する第2スイッチ素子42-2と、を有し、それらが、電源線L1,L2間に直列に接続されている。第1接続点N11には、インダクタ43の一端が分岐接続されている。インダクタ43の他端には、第2直列回路が接続されている。第2直列回路は、駆動パルスS13によりオン/オフ動作する第3スイッチ素子42-3と、インダクタ43の他端に接続された第2接続点N12と、駆動パルスS14によりオン/オフ動作する第4スイッチ素子42-4と、を有し、それらが、一対の電源線L3,L2間に直列に接続されている。
第1、第2、第3、第4スイッチ素子42-1~42-4は、駆動パルスS11~S14によりそれぞれオン/オフ動作するMOS型電界効果トランジスタ(MOSFET)、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)等の半導体素子により構成されている。
前記第2直列回路には、ハーフブリッジコンバータ40bが接続されている。ハーフブリッジコンバータ40bは、前記第2直列回路に並列に接続された第3直列回路を有している。第3直列回路は、第1コンデンサ44-1と、第3接続点N13と、第2コンデンサ44-2と、を有し、それらが、電源線L3,L2間に直列に接続されている。第2接続点N12及び第3接続点N13には、変圧器45の1次巻線45aが接続されている。変圧器45は、2つの2次巻線45b,45cを有している。2つの2次巻線45b,45cは、中間端子N14を介して直列に接続されている。なお、1次巻線45a及び2次巻線45b,45cの近傍に付された黒丸は、巻線の巻き始めを表している。
2次巻線45bの巻き始め(黒丸箇所)と2次巻線45cの巻き終わりとには、2つの整流素子(例えば、整流ダイオード)46-1,46-2により構成されたハーフブリッジの整流回路が接続されている。更に、中間端子N14と整流ダイオード46-2のカソードとの間には、インダクタ47及び出力コンデンサ48が直列に接続されている。出力コンデンサ48の両電極には、DC出力電圧Voを送出する一対の出力端子49-1,49-2が接続されている。出力端子49-1,49-2には、図示しないバッテリ等の負荷が接続される。
このような電力変換部40において、入力コンデンサ41、スイッチ素子42-1,42-2、及びインダクタ43は、降圧チョッパ回路として機能する。更に、スイッチ素子42-3,42-4、コンデンサ44-1,44-2、変圧器45、整流ダイオード46-1,46-2、インダクタ47、及び出力コンデンサ48は、LLCコンバータとして機能する。
制御部50は、DC出力電圧Voの測定値voと目標出力電圧値vthとの誤差eを減少するような可変のデューティ比D1,D2(例えば、D1=D2)を求め、この可変のデューティ比D1,D2に基づき、スイッチ素子42-1~42-4のオン/オフ動作を制御するための駆動パルスS11~S14を生成する回路である。ここで、制御部50は、可変のデューティ比D1に基づいてスイッチ素子42-1,42-2の相補的なオン/オフ動作を制御し、且つ、可変のデューティ比D2に基づいてスイッチ素子42-3,42-4の相補的なオン/オフ動作を制御する構成になっている。
即ち、制御部50は、図示しない測定器で測定されたDC出力電圧Voの測定値voと目標出力電圧値vthとの誤差eを求める誤差部51を有し、この出力側に、補償部52が接続されている。補償部52は、入力された誤差eを減少するようなフィードバック制御(例えば、比例積分制御(以下、「PI制御」という。)、比例積分微分制御(以下「PID制御」という。)等)を行って可変のデューティ比D1,D2(例えば、D1=D2)を求めるものであり、この出力側に、2つの駆動パルス生成部53,54が接続されている。
一方の駆動パルス生成部53は、入力された可変のデューティ比D1に基づいて、スイッチ素子42-1,42-2をオン/オフ動作させる駆動パルスS11,S12を生成するものであり、例えば、デューティ比D1をパルス幅変調(以下「PWM」という。)により変調した後、トランジスタ等のドライバにて駆動して駆動パルスS11,S12を生成する構成になっている。同様に、他方の駆動パルス生成部54は、入力された可変のデューティ比D2に基づいて、スイッチ素子42-3,42-4をオン/オフ動作させる駆動パルスS13,S14を生成するものであり、例えば、デューティ比D2をPWMにより変調した後、トランジスタ等のドライバにて駆動して駆動パルスS13,S14を生成する構成になっている。
このような制御部50は、例えば、中央処理装置(CPU)を用いたデジタル・シグナル・プロセッサ(DSP)等のプロセッサや、半導体素子を用いた個別回路等により構成されている。
(実施例1の動作)
図2は、図1のスイッチ素子42-1~42-4のオン/オフ状態を示すタイミングチャートであり、横軸は時間tである。
図2において、Tは1周期、D1はスイッチ素子42-1のオン状態時及びスイッチ素子42-2のオフ状態時のデューティ比、1-D1はスイッチ素子42-2のオン状態時及びスイッチ素子42-1のオフ状態時のデューティ比、1-D2はスイッチ素子42-3のオン状態時及びスイッチ素子42-4のオフ状態時のデューティ比、更に、D2(例えば、D2=D1)はスイッチ素子42-4のオン状態時及びスイッチ素子42-3のオフ状態時のデューティ比である。
スイッチ素子42-1とスイッチ素子42-2とは、同時にオン状態にならず、一方がオン状態の時は、他方がオフ状態になり、デットタイムを含めた相補的なオン/オフ動作を行う。同様に、スイッチ素子42-3とスイッチ素子42-4とは、相補的なオン/オフ動作を行う。なお、図2のタイミングチャートでは、スイッチ素子42-1,42-2とスイッチ素子42-3,42-4との動作が同期しているが、これは一例に過ぎない。時間ずれをうまく使うことができるからである。
以下、図2のタイミングチャートを参照しつつ、図1の電力変換装置の動作を説明する。
図2の時刻t1において、制御部50から供給された駆動パルスS11~S14により、スイッチ素子42-1,42-3がオン状態、スイッチ素子42-2,42-4がオフ状態になる。
すると、DC入力電圧Viが印加された電源線L1→スイッチ素子42-1→接続点N11→インダクタ43→接続点N12→スイッチ素子42-3→電源線L3→コンデンサ44-1→接続点N13→コンデンサ44-2→電源線L2、の経路で電流が流れる。同時に、接続点N12に流れる電流は、変圧器45の1次巻線45a→接続点N13→コンデンサ44-2→電源線L2、の経路で流れる。変圧器45の1次巻線45aには、巻き始め側から巻き終わり側へ電流が流れるので、2次巻線45cに誘起した電流が、整流ダイオード46-2→出力コンデンサ48及び出力端子49-1,49-2→インダクタ47→中間端子N14、の経路で流れる。
図2の時刻t2において、スイッチ素子42-1がオフ状態、スイッチ素子42-2がオン状態に切り替わる。この時、スイッチ素子42-3はオン状態、スイッチ素子42-4はオフ状態のままである。
すると、インダクタ43の蓄積電荷により、接続点N12→スイッチ素子42-3→電源線L3→コンデンサ44-1→接続点N13→コンデンサ44-2→電源線L2→スイッチ素子42-2→接続点N11→インダクタ43、の経路で電流が流れる。同時に、接続点N12に流れる電流は、変圧器45の1次巻線45a→接続点N13→コンデンサ44-2→電源線L2→スイッチ素子42-2→接続点N11→インダクタ43、の経路で流れる。変圧器45の1次巻線45aには、巻き始め側から巻き終わり側へ電流が流れるので、2次巻線45cに誘起した電流は、上記と同様の経路で、出力コンデンサ48及び出力端子49-1,49-2に流れる。
図2の時刻t3において、スイッチ素子42-3がオフ状態、スイッチ素子42-4がオン状態に切り替わる。この時、スイッチ素子42-1はオフ状態、スイッチ素子42-2はオン状態のままである。
すると、コンデンサ44-2の蓄積電荷により、接続点N13→変圧器45の1次巻線45a→接続点N12→スイッチ素子42-4→電源線L2、の経路で電流が流れる。変圧器45の1次巻線45aには、巻き終わり側から巻き始め側へ電流が流れるので、2次巻線45bに誘起した電流は、整流ダイオード46-1→出力コンデンサ48及び出力端子49-1,49-2→インダクタ47→中間端子N14、の経路で流れる。
図2の時刻t4において、上記の時刻t1と同様の動作が繰り返される。
そのため、入力コンデンサ41、スイッチ素子42-1,42-2、及びインダクタ43は、降圧チョッパ回路として動作し、DC入力電圧Viが降圧されて接続点N12へ出力される。更に、スイッチ素子42-3,42-4、コンデンサ44-1,44-2、変圧器45、整流ダイオード46-1,46-2、インダクタ47、及び出力コンデンサ48は、LLCコンバータとして動作し、接続点N12から出力されたDC電圧が昇圧されて、所望のDC出力電圧Voが、出力端子49-1,49-2から送出される。
次に、図1の制御部50の動作を説明する。
電力変換部40のDC出力電圧Voが、図示しない測定器により測定され、その測定値voが誤差部51へ与えられる。誤差部51は、目標出力電圧値vthから測定値voを減算し、誤差eを求めて補償部52へ与える。補償部52は、PI制御、PID制御等のフィードバック制御により、誤差eを減少するような2つの可変のデューティ比D1,D2(例えば、D1=D2)を求め、2つの駆動パルス生成部53,54へそれぞれ与える。一方の駆動パルス生成部53は、入力された可変のデューティ比D1をPWMにより変調した後、ドライバにて駆動して駆動パルスS11,S12を生成し、スイッチ素子42-1,42-2を相補的にオン/オフ動作させる。同時に、他方の駆動パルス生成部54は、入力された可変のデューティ比D2をPWMにより変調した後、ドライバにて駆動して駆動パルスS13,S14を生成し、スイッチ素子42-3,42-4を相補的にオン/オフ動作させる。
これにより、電力変換部40にて上記の動作が行われ、負荷変動等によりDC出力電圧Voが変動しても、目標出力電圧値vthに維持される。つまり、制御部50の定電圧制御により、DC出力電圧Voが変動すると、その変動を抑制するように、補償部52で求められた可変のデューティ比D1,D2(例えば、D1=D2)が変化し、目標出力電圧値vthに維持される。
(実施例1の変形例)
図1の電力変換装置は、例えば、次の(i),(ii)のように変形しても良い。
(i) 第1デューティ比D1と第2デューティ比D2とが同一の場合、2つの駆動パルス生成部53,54は、共通の1つの駆動パルス生成部により構成しても良い。
(ii) 第1デューティ比D1と第2デューティ比D2とを異なる値に設定しても良い。
(実施例1の効果)
本実施例1によれば、以下の(1),(2)のような効果がある。
(1) 従来の2コンバータ方式を1コンバータ方式として制御できるため、従来のリンクコンデンサが不要である。更に、制御も1コンバータ方式として扱うことができるため、回路構成が簡単になって、制御部品等の部品点数を低減できる。
(2) スイッチ素子42-1、接続点N11及びスイッチ素子42-2により構成される第1直列回路と、スイッチ素子42-3、接続点N12及びスイッチ素子42-4により構成される第2直列回路と、を別々に駆動できる特徴を持つ。そのため、例えば、第1直列回路は、デューティ比制御を行って降圧チョッパ回路として動作させ、第2直列回路は、デューティ比制御を行って可変周波数のLLCコンバータとして動作させることができる。従って、入出力電圧の変動範囲が大きい環境等に対し、柔軟に対応して安定した電力供給を行うことができる。
(実施例2の構成)
図3は、本発明の実施例2における1コンバータ方式の電力変換装置を示す回路図である。この図3において、実施例1を示す図1中の要素と共通の要素には、共通の符号が付されている。
本実施例2の電力変換装置は、実施例1と同様の電力変換部40と、この電力変換部40のスイッチングを制御するための、実施例1とは異なる構成の制御部50Aと、を備えている。
本実施例2の制御部50Aは、出力電圧Voの測定値voと目標出力電圧値vthとの誤差eを減少するような可変のデューティ比D1を求め、この可変のデューティ比D1と固定のデューティ比D2とに基づき、スイッチ素子42-1~42-4のオン/オフ動作を制御するための駆動パルスS11~S14を生成する回路である。ここで、制御部50Aは、可変のデューティ比D1に基づいてスイッチ素子42-1,42-2の相補的なオン/オフ動作を制御し、且つ、固定のデューティ比D2に基づいてスイッチ素子42-3,42-4の相補的なオン/オフ動作を制御する構成になっている。
即ち、制御部50Aは、実施例1と同様の誤差部51を有し、この出力側に、実施例1の補償部52とは異なる補償部52Aが接続されている。補償部52Aは、入力された誤差eを減少するようなフィードバック制御(例えば、PI制御、PID制御等)を行って可変のデューティ比D1を求めるものであり、この出力側に、実施例1と同様の駆動パルス生成部53が接続されている。更に、制御部50Aには、固定デューティ比設定部55が設けられている。固定デューティ比設定部55は、固定のデューティ比D2を設定するものであり、この出力側に、実施例1と同様の駆動パルス生成部54が接続されている。
このような制御部50Aは、実施例1と同様に、プロセッサや個別回路等により構成されている。
(実施例2の動作)
図4は、図3のスイッチ素子42-1~42-4のオン/オフ状態を示すタイミングチャートであり、横軸は時間tである。
図4において、実施例1のタイミングチャートを示す図2中の要素と共通の要素には、共通の符号が付されている。この図4のタイミングチャートが、図2のタイミングチャートと異なる点は、スイッチ素子42-3,42-4をオン/オフ動作させる駆動パルスS13,S14のデューティ比D2が、固定されていることである。その他は、図2と同様である。
本実施例2の電力変換部40では、制御部50Aから供給される駆動パルスS11~S14により、スイッチ素子42-1~42-4が、図4のタイミングに従ってオン/オフ動作し、実施例1と同様の動作を行う。
次に、図3の制御部50Aの動作を説明する。
図6(a),(b)は、図3及び後述の図5のデューティ比D1,D2の出力特性例を示す図である。図6(a)において、デューティ比D2を例えば0.5に固定した場合、横軸はデューティ比D1、及び、縦軸はDC出力電圧Voである。又、図6(b)において、デューティ比D1を例えば0.5に固定した場合、横軸はデューティ比D2、及び、縦軸はDC出力電圧Voである。
図3の制御部50Aにおいて、固定デューティ比設定部55により、デューティ比D2が、例えば図6(a)に示すように、0.5に設定される。
電力変換部40のDC出力電圧Voが、図示しない測定器により測定され、その測定値voが誤差部51へ与えられる。誤差部51は、目標出力電圧値vthから測定値voを減算し、誤差eを求めて補償部52Aへ与える。補償部52Aは、PI制御、PID制御等のフィードバック制御により、誤差eを減少するようなデューティ比D1を求め、駆動パルス生成部53へ与える。駆動パルス生成部53は、入力されたデューティ比D1をPWMにより変調した後、ドライバにて駆動して駆動パルスS11,S12を生成し、スイッチ素子42-1,42-2を相補的にオン/オフ動作させる。同時に、駆動パルス生成部54は、入力された固定のデューティ比D2(=0.5)をPWMにより変調した後、ドライバにて駆動して駆動パルスS13,S14を生成し、スイッチ素子42-3,42-4を相補的にオン/オフ動作させる。
これにより、電力変換部40にて上記の動作が行われ、負荷変動等によりDC出力電圧Voが変動しても、目標出力電圧値vthに維持される。つまり、制御部50Aの定電圧制御により、図6(a)に示すように、DC出力電圧Voが変動すると、その変動を抑制するように、補償部52Aで求められたデューティ比D1が変化し、目標出力電圧値vthに維持される。
(実施例2の効果)
本実施例2によれば、以下の(1A),(2A)のような効果がある。
(1A) 実施例1の効果(1)と同様の効果がある。
(2A) スイッチ素子42-1、接続点N11及びスイッチ素子42-2により構成される第1直列回路と、スイッチ素子42-3、接続点N12及びスイッチ素子42-4により構成される第2直列回路と、を別々に駆動できる特徴を持つ。そのため、例えば、第1直列回路は、自由にデューティ比制御を行って降圧チョッパ回路として動作させ、第2直列回路は、デューティ比固定(例えば、0.5)で動作させることにより、固定周波数のLLCコンバータとして動作させることができる。従って、入出力電圧の変動範囲が大きい環境等に対し、柔軟に対応して安定した電力供給を行うことができる。
(実施例3の構成)
図5は、本発明の実施例3における1コンバータ方式の電力変換装置を示す回路図である。この図5において、実施例2を示す図3中の要素と共通の要素には、共通の符号が付されている。
本実施例3の電力変換装置は、実施例2と同様の電力変換部40と、この電力変換部40のスイッチングを制御するための、実施例2とは異なる構成の制御部50Bと、を備えている。
本実施例3の制御部50Bは、固定のデューティ比D1を設定すると共に、DC出力電圧Voの測定値voと目標出力電圧値vthとの誤差eを減少するような可変のデューティ比D2を求め、これらの固定のデューティ比D1と可変のデューティ比D2とに基づき、スイッチ素子42-1~42-4のオン/オフ動作を制御するための駆動パルスS11~S14を生成する回路である。ここで、制御部50Bは、固定のデューティ比D1に基づいてスイッチ素子42-1,42-2の相補的なオン/オフ動作を制御し、且つ、可変のデューティ比D2に基づいてスイッチ素子42-3,42-4の相補的なオン/オフ動作を制御する構成になっている。
即ち、制御部50Bは、実施例2と同様の誤差部51を有し、この出力側に、補償部52Bが接続されている。補償部52Bは、入力された誤差eを減少するようなPI制御、PID制御等のフィードバック制御を行って可変のデューティ比D2を求めるものであり、この出力側に、実施例2と同様の駆動パルス生成部54が接続されている。更に、制御部50Bは、固定のデューティ比D1を設定する固定デューティ比設定部55Bを有し、この出力側に、実施例2と同様の駆動パルス生成部53が接続されている。一方の駆動パルス生成部53は、入力された固定のデューティ比D1に基づいて、スイッチ素子42-1,42-2を相補的にオン/オフ動作させる駆動パルスS11,S12を生成するものである。他方の駆動パルス生成部54は、入力された可変のデューティ比D2に基づいて、スイッチ素子42-3,42-4を相補的にオン/オフ動作させる駆動パルスS13,S14を生成するものである。
このような制御部50Bは、実施例2と同様に、プロセッサや個別回路等により構成されている。
(実施例3の動作)
図5の制御部50Bにおいて、固定デューティ比設定部55Bにより、デューティ比D1が、例えば図6(b)に示すように、0.5に設定される。この固定のデューティ比D1は、駆動パルス生成部53へ与えられる。
電力変換部40のDC出力電圧Voが、図示しない測定器により測定され、その測定値voが、制御部50B内の誤差部51へ与えられる。誤差部51は、目標出力電圧値vthから測定値voを減算し、誤差eを求めて補償部52Bへ与える。補償部52Bは、PI制御、PID制御等のフィードバック制御により、誤差eを減少するような可変のデューティ比D2を求め、その可変のデューティ比D2を駆動パルス生成部54へ与える。
駆動パルス生成部53は、入力された固定のデューティ比D1をPWMにより変調した後、ドライバにて駆動して駆動パルスS11,S12を生成し、スイッチ素子42-1,42-2を相補的にオン/オフ動作させる。同時に、駆動パルス生成部54は、入力された可変のデューティ比D2をPWMにより変調した後、ドライバにて駆動して駆動パルスS13,S14を生成し、スイッチ素子42-3,42-4を相補的にオン/オフ動作させる。
これにより、電力変換部40にて実施例2と同様の動作が行われ、負荷変動等によりDC出力電圧Voが変動しても、目標出力電圧値vthに維持される。つまり、制御部50Bの定電圧制御により、DC出力電圧Voが変動すると、その変動を抑制するように、補償部52Bで求められたデューティ比D2が変化し、目標出力電圧値vthに維持される。
(実施例3の効果)
本実施例3によれば、以下の(1B),(2B)のような効果がある。
(1B) 実施例1の効果(1)と同様の効果がある。
(2B) スイッチ素子42-1、接続点N11及びスイッチ素子42-2により構成される第1直列回路と、スイッチ素子42-3、接続点N12及びスイッチ素子42-4により構成される第2直列回路と、を別々に駆動できる特徴を持つ。そのため、例えば、第1直列回路は、デューティ比固定(例えば、0.5)で動作させることにより、降圧チョッパ回路として動作させ、第2直列回路は、可変のデューティ比制御を行い、可変周波数のLLCコンバータとして動作させることができる。従って、入出力電圧の変動範囲が大きい環境等に対し、柔軟に対応して安定した電力供給を行うことができる。
(実施例1~3の変形例)
本発明は、上記実施例1~3に限定されず、他の利用形態や変形が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の(i),(ii)のようなものがある。
(i) 電力変換部40は、図示以外の構成に変形しても良い。例えば、後段のハーフブリッジコンバータ40bにおいて、変圧器45の1次側に、インダクタを設ける、あるいは、変圧器45の2次側に設けられたインダクタ47を省略等しても良い。又、ハーフブリッジコンバータ40bを、非絶縁型のコンバータに変更しても良い。
(ii) 制御部50,50A,50Bは、図示以外の構成に変形しても良い。
40 電力変換部
40a H型ブリッジコンバータ
40b ハーフブリッジコンバータ
42-1~42-4 第1、第2、第3、第4スイッチ素子
43 インダクタ
44-1,44-2 第1、第2コンデンサ
50,50A,50B 制御部
51 誤差部
52,52A,52B 補償部
53,54 駆動パルス生成部
55,55B 固定デューティ比設定部
L1,L2,L3 電源線

Claims (7)

  1. 第1スイッチ素子、第1接続点、及び第2スイッチ素子が直列に接続され、入力電圧が印加される第1直列回路と、
    前記第1接続点に分岐接続されたインダクタと、
    第3スイッチ素子、前記インダクタを介して前記第1接続点に接続された第2接続点、及び第4スイッチ素子が直列に接続された第2直列回路と、
    前記第2直列回路に対して並列に接続され、第1コンデンサ、第3接続点、及び第2コンデンサが直列に接続された第3直列回路と、
    前記第2接続点及び前記第3接続点間の電圧を変換して出力電圧を送出するコンバータと、
    を備えることを特徴とする電力変換装置。
  2. 請求項1記載の電力変換装置は、更に、
    前記出力電圧の測定値と目標出力電圧値との誤差を減少するような可変のデューティ比を求め、前記可変のデューティ比に基づき、前記第1、第2、第3及び第4スイッチ素子のオン/オフ動作を制御する、
    又は、前記可変のデューティ比と固定のデューティ比とに基づき、前記第1、第2、第3及び第4スイッチ素子のオン/オフ動作を制御する、
    制御部を備えることを特徴とする電力変換装置。
  3. 前記制御部は、
    前記可変のデューティ比に基づいて、前記第1及び第2スイッチ素子の相補的なオン/オフ動作を制御し、且つ、前記第3及び第4スイッチ素子の相補的なオン/オフ動作を制御する構成になっている、
    ことを特徴とする請求項2記載の電力変換装置。
  4. 前記制御部は、
    前記誤差を求める誤差部と、
    前記誤差を減少するようなフィードバック制御を行って前記可変のデューティ比を求める補償部と、
    前記可変のデューティ比に基づいて、前記第1、第2、第3及び第4スイッチ素子をオン/オフ動作させる駆動パルスを生成する駆動パルス生成部と、
    を有することを特徴とする請求項3記載の電力変換装置。
  5. 前記制御部は、
    前記可変のデューティ比に基づいて前記第1及び第2スイッチ素子の相補的なオン/オフ動作を制御し、且つ、前記固定のデューティ比に基づいて前記第3及び第4スイッチ素子の相補的なオン/オフ動作を制御する構成になっている、
    ことを特徴とする請求項2記載の電力変換装置。
  6. 前記制御部は、
    前記固定のデューティ比に基づいて前記第1及び第2スイッチ素子の相補的なオン/オフ動作を制御し、且つ、前記可変のデューティ比に基づいて前記第3及び第4スイッチ素子の相補的なオン/オフ動作を制御する構成になっている、
    ことを特徴とする請求項2記載の電力変換装置。
  7. 前記制御部は、
    前記誤差を求める誤差部と、
    前記誤差を減少するようなフィードバック制御を行って前記可変のデューティ比を求める補償部と、
    前記固定のデューティ比を設定する固定デューティ比設定部と、
    前記可変のデューティ比及び前記固定のデューティ比に基づいて、前記第1、第2、第3及び第4スイッチ素子をオン/オフ動作させる駆動パルスを生成する駆動パルス生成部と、
    を有することを特徴とする請求項5又は6記載の電力変換装置。
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