JP7531810B2 - Chopper Circuit - Google Patents
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Description
本発明は、第1の外部接続端子間における第1の直流電圧と第2の外部接続端子間における第2の直流電圧との間で電圧変換するチョッパ回路に関する。 The present invention relates to a chopper circuit that converts voltage between a first DC voltage between first external connection terminals and a second DC voltage between second external connection terminals.
近年、直流電気鉄道への電池電力貯蔵システムの適用が進んでいる。直流電気鉄道の架線電圧とエネルギー蓄積要素の動作電圧は異なる大きさであるため、双方向チョッパ回路を用いて電圧変換(電力変換)を行う必要がある。近年では、チョッパセルで構成される補助電力変換器を用いた双方向チョッパ回路が提案されている。 In recent years, the application of battery power storage systems to DC electric railways has progressed. Because the overhead line voltage of DC electric railways and the operating voltage of the energy storage elements are different magnitudes, voltage conversion (power conversion) must be performed using a bidirectional chopper circuit. In recent years, a bidirectional chopper circuit using an auxiliary power converter composed of chopper cells has been proposed.
例えば、第1の外部接続端子における第1の直流電圧と第2の外部接続端子における第2の直流電圧との間で電圧変換するチョッパ回路であって、第1の外部接続端子を有する第1のスイッチ部と、前記第1のスイッチ部とオン時の導通方向が揃うように前記第1のスイッチ部に対して直列に接続され、前記第1のスイッチ部が接続される側とは反対側に第2の外部接続端子を有する第2のスイッチ部と、前記第1のスイッチ部と前記第2のスイッチ部とを接続する配線から分岐した配線上に設けられる、1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器と、前記第1のスイッチ部と前記第2のスイッチ部とを接続する配線から分岐した配線上において、前記半導体電力変換器に対して直列に接続されるインダクタと、直流成分及び所定周期の交流成分を有する電流を出力するよう、前記半導体電力変換器の電力変換動作を制御する半導体電力変換器用制御部と、前記第1のスイッチ部及び前記第2のスイッチ部のうちいずれか一方をオンに制御し、他の一方をオフに制御するスイッチ用制御部であって、前記半導体電力変換器用制御部により前記半導体電力変換器が出力する電流の値が所定値以下に制御された時に、前記第1のスイッチ部及び前記第2のスイッチ部についてのオンからオフへの切替え及びオフからオンへの切替えを実行するスイッチ用制御部とを備えるチョッパ回路が知られている(例えば、特許文献1参照。)。 For example, a chopper circuit that converts voltage between a first DC voltage at a first external connection terminal and a second DC voltage at a second external connection terminal includes a first switch unit having a first external connection terminal, a second switch unit that is connected in series to the first switch unit so that the conduction direction when the first switch unit is on is aligned with that of the first switch unit and has a second external connection terminal on the opposite side to the side to which the first switch unit is connected, one or a plurality of semiconductor power converters that are cascaded together and are provided on a wiring branched from a wiring that connects the first switch unit and the second switch unit, and a first external connection terminal that is connected to the second switch unit and a second external connection terminal that is connected to the first switch unit and a second external connection terminal that is connected to the second switch unit and a first ... second switch unit and a second external connection terminal that is connected to the first switch unit and a second external connection terminal that is connected to the first switch unit and a second external connection terminal that is connected to the second switch unit and a first external connection terminal that is connected to the second switch unit and a second external connection terminal that is connected to the first switch unit and a second external connection terminal that is connected to the second switch unit and a first external connection terminal that is connected to the first switch unit and a second external connection terminal that is connected to the second switch unit and a first A chopper circuit is known that includes an inductor connected in series to a semiconductor power converter, a semiconductor power converter control unit that controls the power conversion operation of the semiconductor power converter so as to output a current having a DC component and an AC component with a predetermined cycle, and a switch control unit that controls one of the first switch unit and the second switch unit to ON and the other to OFF, and that switches the first switch unit and the second switch unit from ON to OFF and from OFF to ON when the value of the current output by the semiconductor power converter is controlled to a predetermined value or less by the semiconductor power converter control unit (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1に記載されているチョッパ回路は、補助電力変換器を制御して直流成分及び単一の基本波交流成分を有するインダクタ電流をインダクタに流し、この電流が零のタイミングでスイッチ部のスイッチング動作を行ういわゆる「ソフトスイッチング動作」を実現することで、変換器効率の向上及びインダクタの小型軽量化を図っている。しかしながら、インダクタ電流は単一の基本波交流成分を含んでいることから、第1の直流電圧側及び第2の直流電圧側のそれぞれに流れる直流電流は十分には平滑化されておらずノイズを多分に含んだものとなる。このため、直流電流平滑化を目的として大型で重量のあるフィルタ回路をチョッパ回路に接続するといった対応をとらざるを得ない。
The chopper circuit described in
また、特許文献1に記載されているチョッパ回路を3個以上並列接続したチョッパ回路システムにおいては、電力システム分野で一般的に用いられるdq座標変換をベースとした非干渉電流制御法を適用することで、インダクタ電流を直流分とみなして制御することができるため、インダクタ電流についての指令値と実電流との間に位相遅れは発生しない。したがって、ソフトスイッチング動作を行うために必要な「インダクタ電流が零となるタイミング」を容易に作り出すことができる。一方、特許文献1に記載されているチョッパ回路を単体で利用する場合は、dq座標変換をベースとした非干渉電流制御法を適用することはできないので、dq座標変換をベースとした非干渉電流制御法に代えて一般的なPI制御法を適用することが考えられる。しかしながら、PI制御法の下ではインダクタ電流についての指令値と実電流との間に位相遅れが発生してしまうので、ソフトスイッチング動作を行うために必要な「インダクタ電流が零となるタイミング」を作り出すことは難しくなる。よって、特許文献1に記載されているチョッパ回路は、単体として利用することは難しいことから汎用性に欠ける。また、特許文献1に記載されているチョッパ回路を3個以上並列接続したチョッパ回路システムにおいて適用されるdq座標変換をベースとした非干渉電流制御法は、PI制御法に比べて演算処理が複雑である。
In addition, in a chopper circuit system in which three or more chopper circuits described in
したがって、直流電流平滑化のためのフィルタ回路を必要とせず、小型かつ軽量で、演算処理が容易であり、汎用性が高いチョッパ回路の実現が望まれている。 Therefore, there is a need for a chopper circuit that does not require a filter circuit for smoothing DC current, is small and lightweight, has easy calculation processing, and is highly versatile.
本開示の第1の態様によれば、第1の外部接続端子における第1の直流電圧と第2の外部接続端子における第2の直流電圧との間で電圧変換するチョッパ回路は、第1の外部接続端子を有する第1のスイッチ部と、第1のスイッチ部とオン時の導通方向が揃うように第1のスイッチ部に対して直列に接続され、第1のスイッチ部が接続される側とは反対側に第2の外部接続端子を有する第2のスイッチ部と、第1のスイッチ部と第2のスイッチ部とを接続する配線から分岐した配線上に設けられる、1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器と、第1のスイッチ部と第2のスイッチ部とを接続する配線から分岐した配線上において、半導体電力変換器に対して直列に接続されるインダクタと、直流分指令値と交流分指令値とからなる電流指令値に追従したインダクタ電流を半導体電力変換器から出力させる電流制御を行う半導体電力変換器用制御部と、第1のスイッチ部及び第2のスイッチ部のうちいずれか一方をオンに制御し、他の一方をオフに制御するスイッチ用制御部であって、半導体電力変換器用制御部により半導体電力変換器が出力するインダクタ電流の値が所定値以下に制御された時に、第1のスイッチ部及び第2のスイッチ部についてのオンからオフへの切替え及びオフからオンへの切替えを実行するスイッチ用制御部と、を備え、半導体電力変換器用制御部は、電流制御において、電流指令値に対するインダクタ電流の位相遅れを補償するための進み補償制御を行う。 According to a first aspect of the present disclosure, a chopper circuit that converts voltage between a first DC voltage at a first external connection terminal and a second DC voltage at a second external connection terminal includes a first switch unit having a first external connection terminal, a second switch unit that is connected in series to the first switch unit so that the conduction direction when on is aligned with that of the first switch unit and has a second external connection terminal on the opposite side to the side to which the first switch unit is connected, one or a plurality of semiconductor power converters that are cascaded together and are provided on a wiring branched from a wiring that connects the first switch unit and the second switch unit, and an inverter that is connected in series to the semiconductor power converter on a wiring branched from a wiring that connects the first switch unit and the second switch unit. The semiconductor power converter control unit performs current control to output an inductor current that follows a current command value consisting of a DC component command value and an AC component command value from the semiconductor power converter, and a switch control unit that controls one of the first switch unit and the second switch unit to ON and the other to OFF, and executes switching from ON to OFF and from OFF to ON for the first switch unit and the second switch unit when the value of the inductor current output by the semiconductor power converter is controlled to a predetermined value or less by the semiconductor power converter control unit. The semiconductor power converter control unit performs lead compensation control to compensate for the phase lag of the inductor current with respect to the current command value in the current control.
また、本開示の第1の態様の変形例によれば、第1の外部接続端子における第1の直流電圧と第2の外部接続端子における第2の直流電圧との間で電圧変換するチョッパ回路は、第1の外部接続端子を有する第1のスイッチ部と、第1のスイッチ部とオン時の導通方向が揃うように第1のスイッチ部に対して直列に接続され、第1のスイッチ部が接続される側とは反対側に第2の外部接続端子を有する第2のスイッチ部と、第1のスイッチ部と第2のスイッチ部とを接続する配線から分岐した配線上に設けられる、1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器と、第1のスイッチ部と第2のスイッチ部とを接続する配線から分岐した配線上において、半導体電力変換器に対して直列に接続されるインダクタと、直流分指令値と交流分指令値とからなる電流指令値に追従したインダクタ電流を半導体電力変換器から出力させる電流制御を行う半導体電力変換器用制御部と、第1のスイッチ部及び第2のスイッチ部のうちいずれか一方をオンに制御し、他の一方をオフに制御するスイッチ用制御部であって、半導体電力変換器用制御部により半導体電力変換器が出力するインダクタ電流の値が所定値以下に制御された時に、第1のスイッチ部及び第2のスイッチ部についてのオンからオフへの切替え及びオフからオンへの切替えを実行するスイッチ用制御部と、を備え、第1のスイッチ部及び第2のスイッチ部は、それぞれ2個ずつ設けられ、半導体電力変換器用制御部は、電流制御において、電流指令値に対するインダクタ電流の位相遅れを補償するための進み補償制御を行う。 According to a modified example of the first aspect of the present disclosure, a chopper circuit for converting a voltage between a first DC voltage at a first external connection terminal and a second DC voltage at a second external connection terminal includes a first switch unit having a first external connection terminal, a second switch unit connected in series to the first switch unit so that the conduction direction when on is aligned with that of the first switch unit and having a second external connection terminal on the opposite side to the side to which the first switch unit is connected, one or a plurality of semiconductor power converters connected in cascade to each other, which are provided on a wiring branched from the wiring connecting the first switch unit and the second switch unit, an inductor connected in series to the semiconductor power converter on a wiring branched from the wiring connecting the first switch unit and the second switch unit, and an inductor connected in series to the semiconductor power converter and connected to a DC component command value. The semiconductor power converter control unit performs current control to output an inductor current from the semiconductor power converter that follows a current command value consisting of a flow command value and a current distribution command value; and a switch control unit that controls one of the first switch unit and the second switch unit to ON and the other to OFF, and executes switching from ON to OFF and OFF to ON for the first switch unit and the second switch unit when the value of the inductor current output by the semiconductor power converter is controlled to a predetermined value or less by the semiconductor power converter control unit. Two first switch units and two second switch units are provided, and the semiconductor power converter control unit performs lead compensation control to compensate for the phase lag of the inductor current with respect to the current command value in the current control.
また、本開示の第2の態様によれば、一対の第1の外部接続端子間における第1の直流電圧と一対の第2の外部接続端子間における第2の直流電圧との間で電圧変換するチョッパ回路であって、オン時の導通方向が揃うように互いに直列接続される第1のスイッチ部、第2のスイッチ部、第3のスイッチ部及び第4のスイッチ部と、第1のスイッチ部と第2のスイッチ部との接続点と、第3のスイッチ部と第4のスイッチ部との接続点と、を結ぶ配線上に設けられる、1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器と、第1のスイッチ部と第2のスイッチ部との接続点と、第3のスイッチ部と第4のスイッチ部との接続点と、を結ぶ配線上において、半導体電力変換器に対して直列に接続されるインダクタと、直流分指令値と交流分指令値とからなる電流指令値に追従したインダクタ電流を半導体電力変換器から出力させる電流制御を行う半導体電力変換器用制御部と、第1のスイッチ部と第3のスイッチ部との組及び第2のスイッチ部と第4のスイッチ部との組のうちいずれか一方の組をオンに制御し、他の一方の組をオフに制御するスイッチ用制御部であって、半導体電力変換器用制御部により半導体電力変換器が出力するインダクタ電流の値が所定値以下に制御された時に、第1のスイッチ部と第3のスイッチ部との組及び第2のスイッチ部と第4のスイッチ部との組の各組についてのオンからオフへの切替え及びオフからオンへの切替えを実行するスイッチ用制御部と、を備え、第1のスイッチ部と第2のスイッチ部との接続側とは反対側の端子と、第3のスイッチ部と第4のスイッチ部との接続側とは反対側の端子と、を一対の第1の外部接続端子とし、第2のスイッチ部と第3のスイッチ部との接続側の端子と、第4のスイッチ部の、第3のスイッチ部に対する接続側とは反対側の端子と、を一対の第2の外部接続端子とし、半導体電力変換器用制御部は、電流制御において、電流指令値に対するインダクタ電流の位相遅れを補償するための進み補償制御を行う。 According to a second aspect of the present disclosure, a chopper circuit for voltage conversion between a first DC voltage between a pair of first external connection terminals and a second DC voltage between a pair of second external connection terminals includes a first switch unit, a second switch unit, a third switch unit, and a fourth switch unit that are connected in series to each other so that the conduction directions when turned on are aligned; one or a plurality of semiconductor power converters connected in cascade to each other, which are provided on a wiring that connects a connection point between the first switch unit and the second switch unit and a connection point between the third switch unit and the fourth switch unit; an inductor that is connected in series to the semiconductor power converter on a wiring that connects the connection point between the first switch unit and the second switch unit and the connection point between the third switch unit and the fourth switch unit; a semiconductor power converter control unit that performs current control to output an inductor current that follows a current command value consisting of a DC component command value and an AC component command value from the semiconductor power converter; and a set of the first switch unit and the third switch unit and a second switch unit. A switch control unit controls one of the pairs of the first switch unit and the fourth switch unit to ON and the other pair to OFF, and when the value of the inductor current output by the semiconductor power converter is controlled to a predetermined value or less by the semiconductor power converter control unit, the switch control unit executes switching from ON to OFF and switching from OFF to ON for each pair of the pair of the first switch unit and the third switch unit and the pair of the second switch unit and the fourth switch unit. A terminal on the opposite side to the connection side of the first switch unit and the second switch unit and a terminal on the opposite side to the connection side of the third switch unit and the fourth switch unit are a pair of first external connection terminals, and a terminal on the connection side of the second switch unit and the third switch unit and a terminal of the fourth switch unit on the opposite side to the connection side to the third switch unit are a pair of second external connection terminals, and the semiconductor power converter control unit performs lead compensation control to compensate for the phase lag of the inductor current with respect to the current command value in current control.
また、第1の態様、第1の態様の変形例、及び第2の態様によるチョッパ回路においては、交流分指令値は、電流指令値に対するインダクタ電流の位相遅れを補償するための進み補償成分を有してもよい。 In addition, in the chopper circuits according to the first aspect, the modified example of the first aspect, and the second aspect, the AC component command value may have a lead compensation component for compensating for the phase lag of the inductor current relative to the current command value.
また、進み補償成分は、少なくとも電流制御における比例ゲイン及びインダクタのインダクタンスに基づいて生成されてもよい。 The lead compensation component may also be generated based on at least the proportional gain in the current control and the inductance of the inductor.
また、交流分指令値は、基本周波数を有する基本波交流成分と、基本周波数の3倍の周波数を有する3次波交流成分とを有してもよい。 The AC command value may also have a fundamental wave AC component having a fundamental frequency and a tertiary wave AC component having a frequency three times the fundamental frequency.
また、交流分指令値は、台形波交流成分を有してもよい。 The AC command value may also have a trapezoidal AC component.
また、半導体電力変換器は、直列接続された2つの半導体スイッチと2つの半導体スイッチに並列接続された直流コンデンサとからなり2つの半導体スイッチのうちの一方の半導体スイッチの各端子を出力端とするチョッパセルからなってもよい。 The semiconductor power converter may also be composed of a chopper cell that includes two semiconductor switches connected in series and a DC capacitor connected in parallel to the two semiconductor switches, with each terminal of one of the two semiconductor switches serving as an output terminal.
また、各半導体スイッチは、オン時に一方向に電流を通す半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子に逆並列に接続された帰還ダイオードと、を有してもよい。 Each semiconductor switch may also have a semiconductor switching element that passes current in one direction when on, and a feedback diode connected inversely parallel to the semiconductor switching element.
本開示の第1の態様、第1の態様の変形例、及び第2の態様によれば、直流電流平滑化のためのフィルタ回路を必要とせず、小型かつ軽量で、演算処理が容易であり、汎用性が高いチョッパ回路を実現することができる。 According to the first aspect, the modified example of the first aspect, and the second aspect of the present disclosure, it is possible to realize a chopper circuit that does not require a filter circuit for smoothing DC current, is small and lightweight, is easy to perform calculations, and is highly versatile.
以下図面を参照して、チョッパ回路について説明する。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。図面に示される形態は実施するための一つの例であり、図示された実施形態に限定されるものではない。 The chopper circuit will be described below with reference to the drawings. The scale of these drawings has been appropriately changed to facilitate understanding. The form shown in the drawings is one example for implementation, and is not limited to the illustrated embodiment.
図1は、本開示の第1の実施形態によるチョッパ回路を示す回路図である。図2は、本開示の第1及び第2の実施形態によるチョッパ回路における半導体電力変換器を説明する回路図である。 Figure 1 is a circuit diagram showing a chopper circuit according to a first embodiment of the present disclosure. Figure 2 is a circuit diagram illustrating a semiconductor power converter in a chopper circuit according to the first and second embodiments of the present disclosure.
本開示の第1の実施形態によるチョッパ回路1は、一対の第1の外部接続端子T1及びG1間における第1の直流電圧vdc1と一対の第2の外部接続端子T2及びG2間における第2の直流電圧vdc2との間で双方向に電圧変換する。第1の外部接続端子T1及びG1と第2の外部接続端子T2及びG2のうち、一方に直流電源が接続され、もう一方に負荷もしくは他の直流電源が接続される。
The
例えば、第1の外部接続端子T1及びG1に直流電源を接続し、第2の外部接続端子T2及びG2に負荷を接続した場合、チョッパ回路1は降圧チョッパとして動作する。この場合、直流電源が出力する電圧が第1の直流電圧vdc1であり、負荷に印加される電圧が第2の直流電圧vdc2である。
For example, when a DC power supply is connected to the first external connection terminals T1 and G1 and a load is connected to the second external connection terminals T2 and G2 , the
また例えば、第1の外部接続端子T1及びG1に負荷を接続し、第2の外部接続端子T2及びG2に直流電源を接続した場合、チョッパ回路1は昇圧チョッパとして動作する。この場合、負荷に印加される電圧が第1の直流電圧vdc1であり、直流電源が出力する電圧が第2の直流電圧vdc2である。
For example, when a load is connected to the first external connection terminals T1 and G1 and a DC power supply is connected to the second external connection terminals T2 and G2 , the
また例えば、第1の外部接続端子T1及びG1に直流電源を接続し、第2の外部接続端子T2及びG2に他の直流電源を接続してもよい。 Also, for example, a DC power supply may be connected to the first external connection terminals T1 and G1 , and another DC power supply may be connected to the second external connection terminals T2 and G2 .
チョッパ回路1は、第1のスイッチ部11と、第2のスイッチ部12と、半導体電力変換器13と、インダクタ14とを備える。また、チョッパ回路1は、その制御系として、半導体電力変換器用制御部15とスイッチ用制御部16とを備える。
The
第1のスイッチ部11は、単方向の電流遮断が可能な半導体バルブデバイスである。第1のスイッチ部11は、オン時に一方向に導通する半導体スイッチング素子と該半導体スイッチング素子に逆並列に接続された帰還ダイオードとからなる。半導体スイッチング素子の例としては、IGBT、SiC(Silicon Carbide)-MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、サイリスタ、GTO(Gate Turn-OFF Thyristor:ゲートターンオフサイリスタ)、トランジスタなどがあるが、半導体スイッチング素子の種類自体は本発明を限定するものではなく、その他の半導体素子であってもよい。
The
第1のスイッチ部11は、第1の外部接続端子T1を有する。第1のスイッチ部11と第2のスイッチ部12との接続点をP1で表記する。すなわち、第1のスイッチ部11の、第1の外部接続端子T1が設けられる側とは反対側に、接続点P1が位置する。ここで、第1のスイッチ部11の順方向電圧(すなわち第1の外部接続端子T1と接続点P1との電位差)をvS1で表す。
The
第2のスイッチ部12は、単方向の電流遮断が可能な半導体バルブデバイスである。第2のスイッチ部12は、オン時に一方向に導通する半導体スイッチング素子と該半導体スイッチング素子に逆並列に接続された帰還ダイオードとからなる。半導体スイッチング素子の例としては、IGBT、SiC(Silicon Carbide)-MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、サイリスタ、GTO(Gate Turn-OFF Thyristor:ゲートターンオフサイリスタ)、トランジスタなどがあるが、半導体スイッチング素子の種類自体は本発明を限定するものではなく、その他の半導体素子であってもよい。
The
第2のスイッチ部12は、第1のスイッチ部11とオン時の導通方向が揃うように、接続点P1において第1のスイッチ部11に対して直列に接続される。第2のスイッチ部12は、第1のスイッチ部11が接続される側(接続点P1)とは反対側に、第2の外部接続端子T2を有する。ここで、第2のスイッチ部12の順方向電圧(すなわち接続点P1と第1の外部接続端子T2との電位差)をvS2で表す。
The
本明細書では、第1のスイッチ部11と第2のスイッチ部12とからなる電力変換器の組を、主電力変換器10と称する。後述するように、第1のスイッチ部11及び第2のスイッチ部12のうちいずれか一方をオンに制御されている間は、他の一方はオフに制御される。
In this specification, a set of power converters consisting of a
第1のスイッチ部11と第2のスイッチ部12との接続点P1からから分岐した配線上に、半導体電力変換器13を用いた可変制御電圧源とインダクタ14とが設けられる。
A variable control voltage source using a
半導体電力変換器13は、第1のスイッチ部11と第2のスイッチ部12との接続点P1からから分岐した配線上に、1個単独でもしくは複数個が互いにカスケード接続された状態で設けられる。本明細書では、1個単独でもしくは複数個からなる半導体電力変換器13を、補助電力変換器19と称する。また、本明細書では、半導体電力変換器13が1個の場合は、後述するインダクタ14が接続される側を「第1の直流側」と称し、複数個の半導体電力変換器13が互いにカスケード接続される場合は、当該半導体電力変換器13とは異なる他の半導体電力変換器13が接続される側を同じく「第1の直流側」と称する。また、「第1の直流側」とは反対側の直流側を、「第2の直流側」と称する。一例として、図1では、複数個(N個、ただしNは2以上の整数)の半導体電力変換器13が第1の直流側にて互いにカスケード接続された場合を示している。以下、半導体電力変換器13のカスケード数をj(ただし、jは1~Nの自然数)で表す。カスケード接続する半導体電力変換器13の個数を適宜調整するだけでチョッパ回路1の高耐圧化を容易に実現できる。
The
半導体電力変換器13は、DCDCコンバータ131とコンデンサ132とを有する双方向チョッパセルとして構成される。すなわち、半導体電力変換器13は、直列接続された2つの半導体スイッチと2つの半導体スイッチに並列接続された直流コンデンサとからなり2つの半導体スイッチのうちの一方の半導体スイッチの各端子を出力端とするチョッパセルからなる。すなわち、DCDCコンバータ131は、互いに直列接続された2つの半導体スイッチング素子Sと、該半導体スイッチング素子Sの各々に逆並列に接続された帰還ダイオードDとからなる。半導体スイッチング素子Sの例としては、IGBT、SiC(Silicon Carbide)-MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、サイリスタ、GTO(Gate Turn-OFF Thyristor:ゲートターンオフサイリスタ)、トランジスタなどがあるが、半導体スイッチング素子の種類自体は本発明を限定するものではなく、その他の半導体素子であってもよい。コンデンサ132は、半導体電力変換器13の第2の直流側に設けられる。チョッパ回路1を動作させる際にはDCDCコンバータ131を動作させてコンデンサ132を初期充電しておく。ここで、各半導体電力変換器13の直流コンデンサの電圧をvCj、補助電力変換器19の第1の直流側の電圧をvとする。詳細については後述するが、補助電力変換器19を用いてインダクタ電流iを制御することで、インダクタ14及び補助電力変換器19は制御電流源として動作する。なお, 図1では複数個の半導体電力変換器13(チョッパセル)をカスケード接続することで補助電力変換器を実現しているが、同様の機能を有する任意の半導体電力変換器を代用することもできる。
The
インダクタ14は、第1のスイッチ部11と第2のスイッチ部12とを接続する配線上にある接続点P1から分岐した配線上において、半導体電力変換器13に対して直列接続される。また、接続点P1と接続点P2との間に設けられるインダクタ14を流れるインダクタ電流をiとする。
The
したがって、主電力変換器10内の第1のスイッチ部11と第2のスイッチ部12とを接続する配線上にある接続点P1から分岐した同一配線上には、半導体電力変換器13及びインダクタ14が設けられることになる。図1に示す例では、インダクタ14を接続点P1と半導体電力変換器13との間に配置し、第2の外部接続端子T2およびG2を補助電力変換器19の、インダクタ14が接続される側とは反対側の接続点P2(すなわち、複数の半導体電力変換器13の組の、インダクタ14が接続される側とは反対側)に配置しているが、これら半導体電力変換器13及びインダクタ14の配置順は、接続点P1と接続点P2との間の配線上において任意に設計可能である。チョッパ回路における半導体電力変換器及びインダクタの他の配置例については後述する。
Therefore, the
半導体電力変換器用制御部15は、直流成分及び交流成分を有する電流を出力するよう、半導体電力変換器13の電力変換動作を制御する。特に、半導体電力変換器用制御部15は、直流分指令値と交流分指令値とからなる電流指令値に追従したインダクタ電流を半導体電力変換器13から出力させる電流制御を行う。半導体電力変換器用制御部15は、この電流制御において、電流指令値に対するインダクタ電流の位相遅れを補償するための進み補償制御を行う。このため、電流指令値のうちの交流分指令値は、電流指令値に対するインダクタ電流の位相遅れを補償するための進み補償成分を有する。この進み補償成分は、少なくとも電流制御における比例ゲイン及びインダクタ14のインダクタンスに基づいて生成されるものである。半導体電力変換器用制御部15による電流制御における進み補償制御の詳細については後述する。
The semiconductor power
スイッチ用制御部16は、第1のスイッチ部11及び第2のスイッチ部12のうちいずれか一方をオンに制御し、他の一方をオフに制御する。また、スイッチ用制御部16は、半導体電力変換器用制御部15により半導体電力変換器13が出力する電流の値が所定値以下に制御された時に、第1のスイッチ部11及び第2のスイッチ部12についてのオンからオフへの切替え及びオフからオンへの切替えを実行する。ここで、所定値は、半導体電力変換器13の定格電流よりも十分に小さい値である。一例を挙げると、所定値は、半導体電力変換器13の定格電流の例えば0%~10%程度の値であるが、チョッパ回路1の適用環境によっては、半導体電力変換器13の定格電流の10%を超える値となり得る。
The
演算処理装置(図示せず)は、半導体電力変換器用制御部15及びスイッチ用制御部16を有する。半導体電力変換器用制御部15及びスイッチ用制御部16は、例えば、演算処理装置上で実行されるコンピュータプログラムにより実現される機能モジュールである。例えば半導体電力変換器用制御部15及びスイッチ用制御部16をコンピュータプログラム形式で構築する場合は、演算処理装置をこのコンピュータプログラムに従って動作させることで、半導体電力変換器用制御部15及びスイッチ用制御部16の機能を実現することができる。半導体電力変換器用制御部15及びスイッチ用制御部16の処理を実行するためのコンピュータプログラムは、半導体メモリ、磁気記録媒体または光記録媒体といった、コンピュータ読取可能な記録媒体に記録された形で提供されてもよい。またあるいは、半導体電力変換器用制御部15及びスイッチ用制御部16を、各部の機能を実現するコンピュータプログラムを書き込んだ半導体集積回路として実現してもよい。なお、半導体電力変換器用制御部15及びスイッチ用制御部16の動作の詳細については後述する。
The arithmetic processing device (not shown) has a semiconductor power
第1の実施形態によるチョッパ回路1は、一対の第1の外部接続端子T1及びG1間における第1の直流電圧vdc1と一対の第2の外部接続端子T2及びG2間における第2の直流電圧vdc2との間で双方向に電圧変換することができる。ただし、図1に示すように主電力変換器10として2個の半導体バルブデバイスすなわち第1のスイッチ部11及び第2のスイッチ部12を有するチョッパ回路1においては、第1の直流電圧vdc1が第2の直流電圧vdc2よりも大きい関係「vdc1>vdc2」を有する必要がある。第1のスイッチ部11及び第2のスイッチ部12のうちいずれか一方をオンに制御されている間は、他の一方はオフに制御される。
The
なお、第1の直流電圧vdc1と第2の直流電圧vdc2との大小関係によらずに第1の直流電圧vdc1と第2の直流電圧vdc2との間で双方向に電圧変換するためには、主電力変換器として、2個の双方向の電流遮断が可能な半導体バルブデバイスを設けるか、4個の単方向の電流遮断が可能な半導体バルブデバイスを設ければよい。 In order to perform bidirectional voltage conversion between the first DC voltage vdc1 and the second DC voltage vdc2 regardless of the magnitude relationship between the first DC voltage vdc1 and the second DC voltage vdc2 , it is sufficient to provide two semiconductor valve devices capable of bidirectional current interruption or four semiconductor valve devices capable of unidirectional current interruption as the main power converter.
例えば、第1の直流電圧vdc1と第2の直流電圧vdc2との大小関係によらずに第1の直流電圧vdc1と第2の直流電圧vdc2との間で双方向に電圧変換するために、主電力変換器として、2個の双方向の電流遮断が可能な半導体バルブデバイスを設ける場合は、図1に示すチョッパ回路1において、第1のスイッチ部11及び第2のスイッチ部12を、それぞれ双方向の電流遮断が可能な半導体バルブデバイスにて構成すればよい。
For example, when two semiconductor valve devices capable of bidirectional current interruption are provided as the main power converter to perform bidirectional voltage conversion between the first DC voltage vdc1 and the second DC voltage vdc2 regardless of the magnitude relationship between the first DC voltage vdc1 and the second DC voltage vdc2 , the
また例えば、第1の直流電圧vdc1と第2の直流電圧vdc2との大小関係によらずに第1の直流電圧vdc1と第2の直流電圧vdc2との間で双方向に電圧変換するために、4個の単方向の電流遮断が可能な半導体バルブデバイスを設ける場合については、図3及び図4に示すように半導体バルブデバイスを配置すればよい。 Furthermore, for example, in order to perform bidirectional voltage conversion between the first DC voltage vdc1 and the second DC voltage vdc2 regardless of the magnitude relationship between the first DC voltage vdc1 and the second DC voltage vdc2 , in the case of providing four semiconductor valve devices capable of unidirectional current interruption, the semiconductor valve devices may be arranged as shown in FIGS. 3 and 4.
図3は、本開示の第1の実施形態の第1の変形例によるチョッパ回路を示す回路図である。 Figure 3 is a circuit diagram showing a chopper circuit according to a first modified example of the first embodiment of the present disclosure.
第1の実施形態の第1の変形例によるチョッパ回路1では、主電力変換器10として4個の半導体バルブデバイスすなわち第1のスイッチ部11-1及び11-2並びに第2のスイッチ部12-1及び12-2を有する。第1のスイッチ部11-1及び11-2並びに第2のスイッチ部12-1及び12-2はいずれも、単方向の電流遮断が可能な半導体バルブデバイスであり、オン時に一方向に導通する半導体スイッチング素子と該半導体スイッチング素子に逆並列に接続された帰還ダイオードとからなる。第1のスイッチ部11-1は、第1の外部接続端子T1と接続点P1との間に設けられる。第1のスイッチ部11-2は、第1の外部接続端子におけるグランド端子G1と接続点P2との間に設けられる。第2のスイッチ部12-1は、接続点P1と第2の外部接続端子T2との間に設けられる。第2のスイッチ部12-2は、接続点P2と第2の外部接続端子におけるグランド端子G2との間に設けられる。第2のスイッチ部12-1は、第1のスイッチ部11-1とオン時の導通方向が揃うように、接続点P1において第1のスイッチ部11-1に対して直列に接続される。第2のスイッチ部12-2は、第1のスイッチ部11-2とオン時の導通方向が揃うように、接続点P2において第1のスイッチ部11-2に対して直列に接続される。第1の直流電圧vdc1が第2の直流電圧vdc2よりも大きいという関係「vdc1>vdc2」の下で第1の直流電圧vdc1と第2の直流電圧vdc2との間で双方向に電圧変換するためには、第1のスイッチ部11-2及び第2のスイッチ部12-2を常時オン状態とし、第1のスイッチ部11-1及び第2のスイッチ部12-1について、いずれか一方をオンに制御されている間は、他の一方はオフに制御される。この場合、図3のチョッパ回路1は図1のチョッパ回路と等価となる。一方、第1の直流電圧vdc1が第2の直流電圧vdc2よりも小さいという関係「vdc1<vdc2」の下で第1の直流電圧vdc1と第2の直流電圧vdc2との間で双方向に電圧変換するためには、第1のスイッチ部11-1及び第2のスイッチ部12-1を常時オン状態とし、第1のスイッチ部11-2及び第2のスイッチ部12-2について、いずれか一方をオンに制御されている間は、他の一方はオフに制御される。
The
図4は、本開示の第1の実施形態の第2の変形例によるチョッパ回路を示す回路図である。 Figure 4 is a circuit diagram showing a chopper circuit according to a second modified example of the first embodiment of the present disclosure.
第1の実施形態の第2の変形例によるチョッパ回路1では、主電力変換器10として4個の半導体バルブデバイスすなわち第1のスイッチ部11-1及び11-2並びに第2のスイッチ部12-1及び12-2を有する。第1のスイッチ部11-1及び11-2並びに第2のスイッチ部12-1及び12-2はいずれも、単方向の電流遮断が可能な半導体バルブデバイスであり、オン時に一方向に導通する半導体スイッチング素子と該半導体スイッチング素子に逆並列に接続された帰還ダイオードとからなる。第1のスイッチ部11-1及び第1のスイッチ部11-2は、第1の外部接続端子T1と接続点P1との間に設けられる。第1のスイッチ部11-1は、第1のスイッチ部11-2とオン時の導通方向が逆向きになるように設けられる。第1のスイッチ部11-1と第1のスイッチ部11-2とは入れ替えて設けられてもよい。第2のスイッチ部12-1及び第2のスイッチ部12-2は、接続点P1と第2の外部接続端子T2との間に設けられる。第2のスイッチ部12-1は、第2のスイッチ部12-2とオン時の導通方向が逆向きになるように設けられる。第2のスイッチ部12-1と第2のスイッチ部12-2とは入れ替えて設けられてもよい。第2のスイッチ部12-1は、第1のスイッチ部11-1とオン時の導通方向が揃うように設けられる。第2のスイッチ部12-2は、第1のスイッチ部11-2とオン時の導通方向が揃うように設けられる。第1の直流電圧vdc1が第2の直流電圧vdc2よりも大きいという関係「vdc1>vdc2」の下で第1の直流電圧vdc1と第2の直流電圧vdc2との間で双方向に電圧変換するためには、第1のスイッチ部11-2及び第2のスイッチ部12-2を常時オン状態とし、第1のスイッチ部11-1及び第2のスイッチ部12-1について、いずれか一方をオンに制御されている間は、他の一方はオフに制御される。一方、第1の直流電圧vdc1が第2の直流電圧vdc2よりも小さいという関係「vdc1<vdc2」の下で第1の直流電圧vdc1と第2の直流電圧vdc2との間で双方向に電圧変換するためには、第1のスイッチ部11-1及び第2のスイッチ部12-1を常時オン状態とし、第1のスイッチ部11-2及び第2のスイッチ部12-2について、いずれか一方をオンに制御されている間は、他の一方はオフに制御される。
The
なお、図1に示す第1の実施形態によるチョッパ回路1における第1のスイッチ部11及び第2のスイッチ部12、図3に示す第1の実施形態の第1の変形例及び図4に示す第1の実施形態の第2の変形例によるチョッパ回路1における第1のスイッチ部11-1及び11-2並びに第2のスイッチ部12-1及び12-2の各半導体バルブデバイスに対して、並列に過電圧抑制用スナバ回路を接続してもよい。
In addition, an overvoltage suppression snubber circuit may be connected in parallel to each semiconductor valve device of the
上述のように、主電力変換器10内の第1のスイッチ部11と第2のスイッチ部12とを接続する配線上にある接続点P1から分岐した同一配線上には、半導体電力変換器13及びインダクタ14が設けられる。図1、図3及び図4に示す例では、インダクタ14を接続点P1と半導体電力変換器13との間に配置し、第2の外部接続端子T2およびG2を補助電力変換器19の、インダクタ14が接続される側とは反対側の接続点P2(すなわち、複数の半導体電力変換器13の組の、インダクタ14が接続される側とは反対側)に配置しているが、これら半導体電力変換器13及びインダクタ14の配置順は、接続点P1と接続点P2との間の配線上において任意に設計可能である。図5は、本開示の第1及び第2の実施形態によるチョッパ回路における半導体電力変換器及びインダクタの配置例を示す回路図である。図5に示す半導体電力変換器及びインダクタの配置例は、図1、図3及び図4に示す第1の実施形態によるチョッパ回路及び後述する図14に示す第2の実施形態によるチョッパ回路に適用可能である。ただし、図5に示す半導体電力変換器及びインダクタの配置例を第2の実施形態によるチョッパ回路に適用する場合は、図5に示す接続点P1及びP2を、それぞれ接続点P3及びP5に読み替えるものとする。なお、図5における半導体電力変換器13については、理解を容易にするために、図1~図4及び図14に示す半導体電力変換器13におけるコンデンサC(コンデンサ132)を当該半導体電力変換器13の外側に記載している。また、N個(ただし、Nは自然数)の半導体電力変換器13のそれぞれを、セル1、・・・、セルj、・・・セルNで表す。図5(A)に示す例では、インダクタ14を接続点P1と半導体電力変換器13のセル1との間に配置している。また、図5(B)に示す例では、インダクタ14を半導体電力変換器13のセルNと接続点P2との間に配置している。また、図5(C)に示す例では、インダクタ14を半導体電力変換器13のセルNの、接続点P2とは反対側に配置している。
As described above, the
続いて、本開示の第1の実施形態によるチョッパ回路1の動作原理について説明する。
Next, we will explain the operating principle of the
図3に示す第1の実施形態の第1の変形例によるチョッパ回路1の動作及び図4に示す第1の実施形態の第2の変形例によるチョッパ回路1の動作は、図1に示す第1の実施形態によるチョッパ回路1の動作と同様に考えることができるため、ここでは、図1に示す第1の実施形態によるチョッパ回路1の動作について説明する。以下、制御遅延が零の連続制御システムを想定する。
The operation of the
半導体電力変換器用制御部15は、直流成分及び交流成分を有する電流を出力するよう、半導体電力変換器13の電力変換動作を制御する。特に、半導体電力変換器用制御部15は、直流分指令値と交流分指令値とからなる電流指令値に追従したインダクタ電流を半導体電力変換器13から出力させる電流制御を行う。半導体電力変換器用制御部15は、この電流制御において、電流指令値に対するインダクタ電流の位相遅れを補償するための進み補償制御を行う。このため、電流指令値のうちの交流分指令値は、電流指令値に対するインダクタ電流の位相遅れを補償するための進み補償成分を有する。この進み補償成分は、少なくとも電流制御における比例ゲイン及びインダクタ14のインダクタンスに基づいて生成されるものである。
The semiconductor power
図1に示す第1の実施形態によるチョッパ回路1において、電圧vsを式1のように規定する。
In the
このとき、図1に示す第1の実施形態によるチョッパ回路1において、式2に示すような回路方程式が成り立つ。式2において、Lはインダクタ14のインダクタンスを表し、Rはチョッパ回路1の抵抗分を表し、iはインダクタ14を流れるインダクタ電流を表し、vは補助電力変換器19の第1の直流側の電圧(すなわち各半導体電力変換器13の第1の直流側の電圧の総和)を表す。
At this time, in the
一方で、補助電力変換器19の第1の直流側の電圧vを式3で与える。式3において、KPは半導体電力変換器用制御部15の電流制御における比例ゲインを表し、KIは半導体電力変換器用制御部15の電流制御における積分ゲインを表し、i*は半導体電力変換器用制御部15の電流制御における電流指令値を表す。
On the other hand, the voltage v on the first DC side of the
式2に式3を代入すると、式4が得られる。
Substituting
式4の両辺をラプラス変換すると、式5が得られる。式5において、I(s)はインダクタ電流iのラプラス変換を表し、I*(s)は電流指令値i*のラプラス変換を表す。 By performing a Laplace transform on both sides of equation 4, equation 5 is obtained. In equation 5, I(s) represents the Laplace transform of the inductor current i, and I * (s) represents the Laplace transform of the current command value i * .
ここで、積分ゲインKIを式6のように規定する。 Here, the integral gain K I is defined as in Equation 6.
式6を式5に代入すると、式7が得られ、一次系の応答となる。 Substituting equation 6 into equation 5 gives equation 7, which is the response of a first-order system.
後述するように半導体電力変換器用制御部15の電流制御における電流指令値i*は、直流分指令値idc
*と交流分指令値iac
*とからなる。式7からわかるように、インダクタ電流iに含まれる直流分は、直流分指令値idc
*に対して定常偏差なく追従する。一方、インダクタ電流iに含まれる交流分は、交流分指令値iac
*に対して振幅低下及び位相遅れが発生する。そこで、本開示の実施形態では、半導体電力変換器用制御部15は、電流制御において、電流指令値i*に対するインダクタ電流iの位相遅れを補償するための進み補償制御を行う。電流指令値i*を式8のように規定する。
As described later, the current command value i * in the current control of the semiconductor power
式8において、右辺第2項L/KP・d(iac
*)/dtが進み補償成分に相当し、この成分が交流分指令値に含まれる。進み補償成分L/KP・d(iac
*)/dtは、少なくとも電流制御における比例ゲインKP及びインダクタ14のインダクタンスLを含む。
In Equation 8, the second term on the right side L/ KP ·d( iac * )/dt corresponds to a lead compensation component, and this component is included in the AC command value. The lead compensation component L/ KP ·d( iac * )/dt includes at least a proportional gain KP in the current control and an inductance L of the
式7及び式8より、定常状態において、インダクタ電流iと直流分指令値idc *及び交流分指令値iac *との間で、式9で表される関係を実現することができる。 From Equations 7 and 8, in the steady state, the relationship expressed by Equation 9 can be realized between the inductor current i, the DC component command value i dc * , and the AC component command value i ac * .
続いて、電流指令値に含まれる交流分指令値の形態について列記する。図3に示す第1の実施形態の第1の変形例によるチョッパ回路1の動作及び図4に示す第1の実施形態の第2の変形例によるチョッパ回路1の動作は、図1に示す第1の実施形態によるチョッパ回路1の動作と同様に考えることができるため、ここでは、図1に示す第1の実施形態によるチョッパ回路1における、電流指令値に含まれる交流分指令値の形態について列記する。
Next, the forms of the AC component command values included in the current command value will be listed. The operation of the
まず、第1の実施形態によるチョッパ回路1における第1の形態による交流分指令値について説明する。第1の形態による交流分指令値は、基本周波数を有する基本波交流成分と、基本周波数の3倍の周波数を有する3次波交流成分とを有する。
First, the AC component command value according to the first form in the
図6は、本開示の第1の実施形態によるチョッパ回路において第1の形態による交流分指令値を含む電流指令値に基づいて電流制御を行った場合の理想的な各部波形を示す図であって、(A)はスイッチ用制御部において用いられる三角波と変調波との関係を示し、(B)は第1のスイッチ部の両端に現れる電圧を示し、(C)は第2のスイッチ部の両端に現れる電圧を示し、(D)は補助電力変換器の出力電圧を示し、(E)はインダクタ電流を示し、(F)は第1のスイッチ部及び第2のスイッチ部に流れる電流を示す。図6(A)において、三角波vtriを実線で示し、変調波dを一点鎖線で示す。また、図6(F)において、第1のスイッチ部11に流れる電流i1を実線で示し、第2のスイッチ部12に流れる電流i2を一点鎖線で示す。
6 is a diagram showing ideal waveforms of each part when current control is performed based on a current command value including an AC component command value according to the first embodiment of the present disclosure in the chopper circuit, where (A) shows the relationship between a triangular wave and a modulated wave used in the switch control part, (B) shows the voltage appearing at both ends of the first switch part, (C) shows the voltage appearing at both ends of the second switch part, (D) shows the output voltage of the auxiliary power converter, (E) shows the inductor current, and (F) shows the current flowing through the first switch part and the second switch part. In FIG. 6(A), the triangular wave v tri is shown by a solid line, and the modulated wave d is shown by a dashed line. In FIG. 6(F), the current i 1 flowing through the
第1のスイッチ部11及び第2のスイッチ部12のオンオフのタイミングは、スイッチ用制御部16において、最小値が0で最大値が1の三角波vtriと変調波dとの比較結果に基づき決定される。第1の形態による交流分指令値における変調波dの決定方法の詳細については後述するが、第1の直流電圧vdc1と第2の直流電圧vdc2との関係により決定される。スイッチ用制御部16は、第1のスイッチ部11及び第2のスイッチ部12のうちいずれか一方をオンに制御し、他の一方をオフに制御する。例えば、図6(A)に示すように三角波vtriが変調波dより小さい場合、スイッチ用制御部16は、第1のスイッチ部11に対してはオンとなるように制御し、第2のスイッチ部12に対してはオフとなるように制御する。この場合、図6(B)に示すように第1のスイッチ部11の両端に現れる電圧はvS1=0となり、図6(C)に示すように第2のスイッチ部12の両端に現れる電圧はvS2=vdc1-vdc2となる。また例えば、図6(A)に示すように三角波vtriが変調波dより大きい場合、スイッチ用制御部16は、第1のスイッチ部11に対してはオフとなるように制御し、第2のスイッチ部12に対してはオンとなるように制御する。この場合、図6(B)に示すように第1のスイッチ部11の両端に現れる電圧はvS1=vdc1-vdc2となり、図6(C)に示すように第2のスイッチ部12の両端に現れる電圧はvS2=0となる。
The on/off timing of the
第1の形態では、インダクタ電流iは、直流分と、基本周波数を有する基本波交流成分と、基本周波数の3倍の周波数を有する3次波交流成分とを含む。三角波のキャリア周波数をfSMとすると、インダクタ電流iは式10のように表される。式10において、Iacは交流分の振幅を表し(Iac>0)、Idcは直流分の振幅を表す(Idc>0)。なお、式10においては、一例として3次波交流成分の振幅を基本波交流成分の振幅の例えば0.4倍に設定しているが、3次波交流成分の振幅の値は任意の値に設定できる。
In the first form, the inductor current i includes a DC component, a fundamental AC component having a fundamental frequency, and a tertiary AC component having a frequency three times the fundamental frequency. If the carrier frequency of the triangular wave is fSM , the inductor current i is expressed as in
インダクタ電流iが直流成分Idcと交流成分Iacを含む理由について説明すると次の通りである。後述する図9に示す通り、補助電力変換器19の出力電圧vは、フィードフォワード制御として式11に示すように第1のスイッチ部11がオンの場合はvdc1を出力し第2のスイッチ部12がオンの場合はvdc2を出力する電圧項vfを含む(図6(D))。電圧項vfは補助電力変換器19の出力電圧vに含まれる他の電圧項より大きく、したがって、補助電力変換器19の出力電圧vは電圧項vfにほぼ等しいとみなすことができる(v≒vf)。
The reason why the inductor current i includes the DC component Idc and the AC component Iac will be explained as follows. As shown in Fig. 9, which will be described later, the output voltage v of the
式11及び図6(D)より、電圧項vfは、等価的に直流電圧と、キャリア周波数fSMと同周波数の交流電圧と、3fSMと同周波数の交流電圧とを含む。
From
一方、補助電力変換器19において各半導体電力変換器13内のコンデンサCの直流コンデンサ電圧を一定にするために、補助電力変換器19の電力「vf×i」が平均的にゼロであるように補助電力変換器19を制御する必要がある。これを実現するために、半導体電力変換器用制御部15は、交流成分Iacの他に直流成分Idcが重畳された電流がインダクタ電流iとしてインダクタ14に流れるよう、半導体電力変換器13(補助電力変換器19)の電力変換動作を制御する。図6(D)及び図6(E)に示すように、電力潮流の向きが第1の直流電圧vdc1側から第2の直流電圧vdc2側に向かう向きである場合、電圧項vf及びインダクタ電流iそれぞれに含まれる交流成分は基本波交流成分及び3次波交流成分ともに同相であるため、両者は正の有効電力「vf×i」を形成する。したがって、電圧項vf及びインダクタ電流iそれぞれに含まれる直流成分が負の有効電力を形成するようにすれば、補助電力変換器19の電力「vf×i」を平均的にゼロにすることができる。電圧項vfに含まれる直流成分は図6(D)及び式11より正となるため、インダクタ電流iに含まれる直流成分の極性は負となる。
On the other hand, in order to keep the DC capacitor voltage of the capacitor C in each
一方、電力潮流の向きが第2の直流電圧vdc2側から第1の直流電圧vdc1側に向かう向きである場合、インダクタ電流iに含まれる交流成分の位相は、第1の直流電圧vdc1側から第2の直流電圧vdc2側に向かう電力潮流の場合とは180度変化したものとなる。すなわち、電圧項vf及びインダクタ電流iそれぞれに含まれる交流成分は逆相であるため、両者は負の有効電力「vf×i」を形成する。したがって、電圧項vf及びインダクタ電流iそれぞれに含まれる直流成分が正の有効電力を形成するようにすれば、補助電力変換器19の電力「vf×i」を平均的にゼロにすることができる。電圧項vfに含まれる直流成分は図6(D)及び式11より負となるため、インダクタ電流iに含まれる直流成分の極性は正となる。よって、電力潮流の向きが第2の直流電圧vdc2側から第1の直流電圧vdc1側に向かう向きである場合は、インダクタ電流iは式12のように表される。
On the other hand, when the direction of the power flow is from the second DC voltage vdc2 side to the first DC voltage vdc1 side, the phase of the AC component included in the inductor current i is shifted by 180 degrees from the case of the power flow from the first DC voltage vdc1 side to the second DC voltage vdc2 side. That is, since the AC components included in the voltage term vf and the inductor current i are in opposite phase, they form a negative active power " vf x i". Therefore, if the DC components included in the voltage term vf and the inductor current i form a positive active power, the power " vf x i" of the
図6において、インダクタ電流iが負から正に切り替わる瞬間の位相をα(ただし、0<α<π/2)、インダクタ電流iが正から負に切り替わる瞬間の位相をπ-αとする。一周期(0≦θ≦2π)において、「α≦θ≦π-α」のときは、第1のスイッチ部11がオンであり第2のスイッチ部12がオフであるため、図6(F)に示すように第1のスイッチ部11に流れる電流はi1=iとなり、第2のスイッチ部12に流れる電流はi2=0となる。一方、「0≦θ≦α」及び「π-α≦θ≦2π」の場合は、第1のスイッチ部11がオフであり第2のスイッチ部12がオンであるため、図6(F)に示すように第1のスイッチ部11に流れる電流はi1=0となり、第2のスイッチ部12に流れる電流はi2=-iとなる。また、図6(E)及び式11より、インダクタ電流iの直流成分Idcは、交流成分Iac及びαを用いて式13のように表すことができる。
In Fig. 6, the phase at the moment when the inductor current i switches from negative to positive is α (where 0<α<π/2), and the phase at the moment when the inductor current i switches from positive to negative is π-α. In one period (0≦θ≦2π), when "α≦θ≦π-α", the
なお、第1のスイッチ部11及び第2のスイッチ部12がともにオフとなるデッドタイム期間に関しては、インダクタ電流iが正の場合(i>0)は第2のスイッチ部12の帰還ダイオードを介して電流が流れるため、第1のスイッチ部11に流れる電流はi1=0となり、第2のスイッチ部12に流れる電流はi2=-iとなる。一方、インダクタ電流iが負の場合(i<0)は第1のスイッチ部11の帰還ダイオードを介して電流が流れるため、第1のスイッチ部11に流れる電流はi1=iとなり、第2のスイッチ部12に流れる電流はi2=0となる。また、式10及び式12より、電力潮流の向きが変化しても、式13は常に成り立つ。
In addition, with regard to the dead time period in which both the
一方、第1のスイッチ部11及び第2のスイッチ部12のターンオン時とターンオフ時に着目すると、電圧変化時における第1のスイッチ部11に流れる電流i1及び第2のスイッチ部12に流れる電流i2はともにゼロとなる。このことは、理想状態における第1のスイッチ部11及び第2のスイッチ部12はスイッチング損失を発生しないことを意味する。
On the other hand, when focusing on the turn-on and turn-off of the
以上がインダクタ電流iが直流成分Idcと交流成分Iacを含む理由である。 This is the reason why the inductor current i contains a DC component I dc and an AC component I ac .
続いて、交流分指令値に基本波交流成分及び3次波交流成分を含む第1の形態における、変調波d及び位相αの決定方法について説明する。以下では, 各変換器の損失がゼロの理想状態を仮定する。第1の直流電圧vdc1側の平均電力をPdc1、第2の直流電圧vdc2側の平均電力をPdc2とすると、両者の間では定常的に式14が成立する。
Next, a method for determining the modulated wave d and the phase α in the first form in which the AC command value includes the fundamental wave AC component and the tertiary wave AC component will be described. In the following, an ideal state in which the loss of each converter is zero is assumed. If the average power on the first DC voltage vdc1 side is Pdc1 and the average power on the second DC voltage vdc2 side is Pdc2 , then
第1の直流電圧vdc1側の平均電力Pdc1及び第2の直流電圧vdc2側の平均電力Pdc2は、第1のスイッチ部11に流れる電流i1及び第2のスイッチ部12に流れる電流i2の一周期平均値をそれぞれI1及びI2とすると式15及び式16のように表すことができる。
The average power Pdc1 on the first DC voltage vdc1 side and the average power Pdc2 on the second DC voltage vdc2 side can be expressed as in
図6(F)、式10及び式13より、第1のスイッチ部11に流れる電流i1は式17で表すことができる。
From FIG. 6(F) and
同様に、図6(F)、式12及び式13より、第2のスイッチ部12に流れる電流i2は式18で表すことができる。
Similarly, from FIG. 6(F) and
式14~式18より、位相αについて式19が成り立つ。
From
式19より、位相αは、第1の直流電圧vdc1と第2の直流電圧vdc2とにより決定され、インダクタ電流iの交流成分Iacには依存しないことがわかる。このことは、位相αは電力伝送量に依存しない値であることを意味する。
It can be seen from
式19を簡略化するため、式20に示す近似式を適用する。
To simplify
その結果、式19は式21に変形できる。
As a result,
式11は位相αに関する二次方程式であり、位相αについて解くと式22が得られる。
位相に関する条件「0<α<π/2」より、位相αは式23のように表すことができる。
The phase condition "0 < α < π/2" means that the phase α can be expressed as in
図6(A)において、位相π/2から位相3π/2までの間の三角波vtriの傾きは「1/π」であり、また、位相πのときの三角波vtriの値は「0.5」である。また、位相π-αのときの三角波vtriの値は「d」である。これらの関係から、dは式24のように表すことができる。
6A, the slope of the triangular wave v tri between phase π/2 and phase 3π/2 is "1/π", and the value of the triangular wave v tri at phase π is "0.5". The value of the triangular wave v tri at phase π-α is "d". From these relationships, d can be expressed as in
以上説明したように、変調波dは式24に基づき決定され、位相αは式23に基づき決定される。スイッチ用制御部16は、三角波vtriが式24に基づいて決定された変調波dより小さい場合、第1のスイッチ部11に対してはオンとなるように制御し、第2のスイッチ部12に対してはオフとなるように制御する。また、スイッチ用制御部16は、三角波vtriが式24に基づいて決定された変調波dより大きい場合、第1のスイッチ部11に対してはオフとなるように制御し、第2のスイッチ部12に対してはオンとなるように制御する。スイッチ用制御部16は、半導体電力変換器用制御部15により半導体電力変換器13が出力する電流がゼロに制御された位相α及び位相π-αの時に、第1のスイッチ部11及び第2のスイッチ部12についてのオンからオフへの切替え及びオフからオンへの切替えを実行する。
As described above, the modulation wave d is determined based on
続いて、第1の実施形態によるチョッパ回路1における第2の形態による交流分指令値について説明する。第2の形態による交流分指令値は、台形波交流成分を有する。
Next, we will explain the AC component command value in the second form in the
図7は、本開示の第1の実施形態によるチョッパ回路において第2の形態による交流分指令値を含む電流指令値に基づいて電流制御を行った場合の理想的な各部波形を示す図であって、(A)はスイッチ用制御部において用いられる三角波と変調波との関係を示し、(B)は第1のスイッチ部の両端に現れる電圧を示し、(C)は第2のスイッチ部の両端に現れる電圧を示し、(D)は補助電力変換器の出力電圧を示し、(E)はインダクタ電流を示し、(F)は第1のスイッチ部及び第2のスイッチ部に流れる電流を示す。図6(A)において、三角波vtriを実線で示し、変調波dを一点鎖線で示す。また、図6(F)において、第1のスイッチ部に流れる電流i1を実線で示し、第2のスイッチ部に流れる電流i2を一点鎖線で示す。 7 is a diagram showing ideal waveforms of each part when current control is performed based on a current command value including an AC component command value according to the second form in the chopper circuit according to the first embodiment of the present disclosure, where (A) shows the relationship between a triangular wave and a modulated wave used in the switch control part, (B) shows the voltage appearing at both ends of the first switch part, (C) shows the voltage appearing at both ends of the second switch part, (D) shows the output voltage of the auxiliary power converter, (E) shows the inductor current, and (F) shows the current flowing through the first switch part and the second switch part. In FIG. 6(A), the triangular wave v tri is shown by a solid line, and the modulated wave d is shown by a dashed line. In FIG. 6(F), the current i 1 flowing through the first switch part is shown by a solid line, and the current i 2 flowing through the second switch part is shown by a dashed line.
第1のスイッチ部11及び第2のスイッチ部12のオンオフのタイミングは、スイッチ用制御部16において、最小値が0で最大値が1の三角波vtriと変調波dとの比較結果に基づき決定される。第2の形態による交流分指令値における変調波dの決定方法の詳細については後述するが、第1の直流電圧vdc1と第2の直流電圧vdc2との関係により決定される。スイッチ用制御部16は、第1のスイッチ部11及び第2のスイッチ部12のうちいずれか一方をオンに制御し、他の一方をオフに制御する。例えば、図7(A)に示すように三角波vtriが変調波dより小さい場合、スイッチ用制御部16は、第1のスイッチ部11に対してはオンとなるように制御し、第2のスイッチ部12に対してはオフとなるように制御する。この場合、図7(B)に示すように第1のスイッチ部11の両端に現れる電圧はvS1=0となり、図6(C)に示すように第2のスイッチ部12の両端に現れる電圧はvS2=vdc1-vdc2となる。また例えば、図7(A)に示すように三角波vtriが変調波dより大きい場合、スイッチ用制御部16は、第1のスイッチ部11に対してはオフとなるように制御し、第2のスイッチ部12に対してはオンとなるように制御する。この場合、図7(B)に示すように第1のスイッチ部11の両端に現れる電圧はvS1=vdc1-vdc2となり、図7(C)に示すように第2のスイッチ部12の両端に現れる電圧はvS2=0となる。
The on/off timing of the
ここで、交流分指令値に台形波交流成分を含む第2の形態における、変調波d及び位相αの決定方法について説明する。以下では, 各変換器の損失がゼロの理想状態を仮定する。 Here, we explain how to determine the modulation wave d and phase α in the second form in which the AC command value includes a trapezoidal AC component. In the following, we assume an ideal state in which the loss in each converter is zero.
台形波交流成分を有するインダクタ電流iは、式25のように表される。ただし、0<φ<π/2とする。
The inductor current i, which has a trapezoidal wave AC component, is expressed as in
0<θ<φにおいてi=0となる位相角をαとする。式25より、αは式26で与えられる。
Let α be the phase angle where i = 0 when 0 < θ < φ. From
式25及び式26より、第1のスイッチ部11に流れる電流の一周期平均値I1は式27で表すことができる。
From
同様に、式25及び式26より、第2のスイッチ部12に流れる電流の一周期平均値I2は式28で表すことができる。
Similarly, from
式14~式16、式27及び式28より、位相αについて式29が成り立つ。
From
式29を変形すると、式30が得られる。
Transforming
式30は位相αに関する二次方程式であり、位相α(ただし、0<α<π/2)について解くと式31が得られる。 Equation 30 is a quadratic equation with respect to phase α, and solving it for phase α (where 0<α<π/2) gives Equation 31.
図7(A)において、位相π/2から位相3π/2までの間の三角波vtriの傾きは「1/π」であり、また、位相πのときの三角波vtriの値は「0.5」である。また、位相π-αのときの三角波vtriの値は「d」である。これらの関係から、第2の形態におけるdは、第1の形態と同様に、式24のように表すことができる。
7A, the slope of the triangular wave v tri between phase π/2 and phase 3π/2 is "1/π", and the value of the triangular wave v tri at phase π is "0.5". The value of the triangular wave v tri at phase π-α is "d". From these relationships, d in the second form can be expressed as in
上述した交流分指令値についての第1の形態及び第2の形態における位相αの決定方法においては、各変換器の損失がゼロの理想状態を仮定した。この理想状態の下では、半導体電力変換器用制御部15により半導体電力変換器13が出力する電流の位相がα及びπ-αの時に、半導体電力変換器13が出力する当該電流はゼロになる。ただし、実際のチョッパ回路1では、チョッパ回路1内の各変換器には損失が存在するので、半導体電力変換器用制御部15により半導体電力変換器13が出力する電流の位相がα及びπ-αの時であっても、半導体電力変換器13が出力する当該電流がゼロにはならず、微小電流が流れる。そこで、スイッチ用制御部16は、半導体電力変換器用制御部15により半導体電力変換器13が出力する電流が所定値以下に制御された位相α及び位相π-αの時に、第1のスイッチ部11及び第2のスイッチ部12についてのオンからオフへの切替え及びオフからオンへの切替えを実行する。ここで、所定値は、半導体電力変換器13の定格電流よりも十分に小さい値である。一例を挙げると、所定値は、半導体電力変換器13の定格電流の例えば0%~10%程度の値であるが、チョッパ回路1の適用環境によっては、半導体電力変換器13の定格電流の10%を超える値となり得る。
In the above-mentioned method of determining the phase α in the first and second forms of the AC component command value, an ideal state in which the loss of each converter is zero is assumed. Under this ideal state, when the phase of the current output by the
続いて、半導体電力変換器用制御部15における制御について、より詳細に説明する。図3に示す第1の実施形態の第1の変形例によるチョッパ回路1の動作及び図4に示す第1の実施形態の第2の変形例によるチョッパ回路1の動作は、図1に示す第1の実施形態によるチョッパ回路1の動作と同様に考えることができるため、ここでは、図1に示す第1の実施形態によるチョッパ回路1における半導体電力変換器用制御部15における直流コンデンサ電圧制御について説明する。
Next, the control in the semiconductor power
半導体電力変換器用制御部15における直流コンデンサ電圧制御系は、直流電圧一括制御系、インダクタ電流制御系、及び個別バランス制御系から構成される。
The DC capacitor voltage control system in the semiconductor power
図8は、本開示の第1の実施形態によるチョッパ回路における半導体電力変換器用制御部における直流コンデンサ電圧制御系を示すブロック線図であって、(A)は直流電圧一括制御系を示し、(B)はインダクタ電流制御系を示し、(C)は個別バランス制御系を示す。 Figure 8 is a block diagram showing a DC capacitor voltage control system in a semiconductor power converter control unit in a chopper circuit according to the first embodiment of the present disclosure, where (A) shows a DC voltage central control system, (B) shows an inductor current control system, and (C) shows an individual balance control system.
図1に示す補助電力変換器19の動作に着目すると、電力潮流の向きが第1の直流電圧vdc1側から第2の直流電圧vdc2側に向かう向きである場合において、第1のスイッチ部11がオンで第2のスイッチ部12がオフのときは補助電力変換器19は第1の直流電圧vdc1側から電力を吸収し、第1のスイッチ部11がオフで第2のスイッチ部12がオンのときは補助電力変換器19は第2の直流電圧vdc2側へ電力を放出する。定常状態では式14の関係が成り立つので、補助電力変換器19に流出入する電力の一周期平均値はゼロとなる。すなわち、補助電力変換器19において定常的な電力の流出入が発生しないため、各半導体電力変換器13(チョッパセル)内のコンデンサにおける直流コンデンサ電圧の直流分は理想的には変動しない。しかし、実際は過渡変動や変換器損失の影響で変動するので、半導体電力変換器用制御部15において、各半導体電力変換器13(チョッパセル)内のコンデンサについて直流コンデンサ電圧制御を実行する。
Focusing on the operation of the
図8(A)に示すように、直流電圧一括制御系では、全ての半導体電力変換器13(チョッパセル)に使用する直流コンデンサ電圧の算術平均値vCaveをコンデンサ電圧指令値vC *に追従させるフィードバックループを構成する。具体的には、インダクタ電流iに含まれる直流成分idcを調整することで実現する。vCaveは式32で表される。 As shown in Fig. 8A, the DC voltage central control system configures a feedback loop that makes the arithmetic average value vCave of the DC capacitor voltages used in all semiconductor power converters 13 (chopper cells) follow the capacitor voltage command value vC * . Specifically, this is realized by adjusting the DC component iDc contained in the inductor current i. vCave is expressed by Equation 32.
vC
*>vCaveの場合、直流分指令値idc
*は増加するため、各半導体電力変換器13に流入する有効電力は増加する。その結果、直流コンデンサ電圧は増加する。一方、vC
*<vCaveの場合、直流分指令値idc
*は減少するため、各半導体電力変換器13から電力が流出する。その結果、直流コンデンサ電圧は減少する。なお、vCaveにはfCMを主成分とする交流分が存在するので、移動平均フィルタ等を用いて交流分を除去した後に直流コンデンサ制御系に与える。
When v C * > v Cave , the DC component command value i dc * increases, and the active power flowing into each
図8(B)に示すように、インダクタ電流制御系は、上述したようにインダクタ電流iを電流指令値i*に追従させることを目的とするものである。図8(B)の直流分指令値idc *は図8(A)で与えられる直流電流指令値である。また、交流電流指令値iac *は、交流分指令値に基本波交流成分及び3次波交流成分を含む第1の形態では式33のように表され、交流分指令値が台形波交流を有する第2の形態では式34のように表される。ここで、θ=2πfSMtとする。 As shown in Fig. 8(B), the inductor current control system aims to make the inductor current i follow the current command value i * as described above. The DC component command value i dc * in Fig. 8(B) is the DC current command value given in Fig. 8(A). The AC current command value i ac * is expressed as Equation 33 in the first mode in which the AC component command value includes the fundamental wave AC component and the tertiary wave AC component, and is expressed as Equation 34 in the second mode in which the AC component command value has a trapezoidal wave AC. Here, θ=2πf SM t.
インダクタ電流制御系では、上述した進み補償制御を行うので、式33または式34に示される交流電流指令値に加え、式8に示す進み補償成分を加算し、最終的に、電圧指令値v*を出力する。 In the inductor current control system, the above-mentioned lead compensation control is performed, so that the lead compensation component shown in Equation 8 is added to the AC current command value shown in Equation 33 or Equation 34, and finally, the voltage command value v * is output.
図8(C)に示すように、個別バランス制御系は、各半導体電力変換器13の出力電圧vとインダクタ電流iと間で有効電力を形成することで電圧バランスを実現する。最終的に、電圧指令値vBj
*を出力する。
8C, the individual balance control system realizes voltage balance by forming effective power between the output voltage v and the inductor current i of each
図9は、本開示の第1の実施形態によるチョッパ回路における各半導体電力変換器(チョッパセル)に対する電圧指令値を示すブロック図である。図9において、vf
*はフィードフォワード項の電圧指令値を表し、例えばvf
*は式11で与えられる。
9 is a block diagram showing a voltage command value for each semiconductor power converter (chopper cell) in the chopper circuit according to the first embodiment of the present disclosure. In FIG. 9, v f * represents a voltage command value of a feedforward term, and for example, v f * is given by
ただし、第1のスイッチ部11及び第2のスイッチ部12がともにオフとなるデッドタイム期間は、インダクタ電流iがゼロより大きい場合(i>0)は「vf
*=vdc2」とし、インダクタ電流iがゼロより小さい場合(i<0)は「vf
*=vdc1」とする。各チョッパセル電圧指令値vj
*(j:1-N)は、直流コンデンサ電圧で規格化された後に、最大値が1で最小値が0のキャリア周波数fSAの三角波と比較される。
However, during the dead time period when the
以上が、本開示の第1の実施形態によるチョッパ回路1の直流コンデンサ電圧制御系の構成である。
The above is the configuration of the DC capacitor voltage control system of the
続いて、本開示の第1の実施形態によるチョッパ回路1のシミュレーション結果について説明する。
Next, we will explain the simulation results of the
図10は、本開示の第1の実施形態によるチョッパ回路のシミュレーションに用いた回路定数を示す図である。シミュレーションには「PSCAD/EMTDC」を使用した。チョッパ回路1内に設けられる半導体電力変換器13の数(チョッパセル数)Nは3とした。また、第1の直流電圧vdc1は1.5[kV]、第2の直流電圧vdc2は0.75[kV]とし、各半導体電力変換器13(チョッパセル)内のコンデンサの直流コンデンサ電圧VCは0.6[kV]とした。また、主電力変換器10のキャリア周波数fSMは450[Hz]とし、補助電力変換器19のキャリア周波数fSAは7.5[kHz]とした。各チョッパセルには位相シフトPWMを適用しているので、補助電力変換器19の等価キャリア周波数は22.5[kHz](=NfSA)となる。なお、このシミュレーションは原理の確認が目的であるので、理想状態を想定している。すなわち、制御遅延がゼロのアナログ制御系を仮定し、デッドタイムがゼロの理想スイッチを使用した。
FIG. 10 is a diagram showing circuit constants used in the simulation of the chopper circuit according to the first embodiment of the present disclosure. "PSCAD/EMTDC" was used for the simulation. The number N of semiconductor power converters 13 (number of chopper cells) provided in the
図11は、本開示の第1の実施形態によるチョッパ回路において第1の形態による交流分指令値を含む電流指令値に基づいて電流制御を行った場合に、第1の直流電圧側から第2の直流電圧側に152[kW]の電力を伝送した時におけるシミュレーション波形を示す図であって、(A)はインダクタ電流を示し、(B)は第1のスイッチ部及び第2のスイッチ部のそれぞれの両端に現れる電圧を示し、(C)は第1のスイッチ部に流れる電流を示し、(D)は第2のスイッチ部に流れる電流を示し、(E)は半導体電力変換器(チョッパセル)内のコンデンサの直流コンデンサ電圧を示す。図11(B)において、第1のスイッチ部11の両端に現れる電圧vS1を実線で示し、第2のスイッチ部12の両端に現れる電圧vS2を破線で示す。また、図11(E)において、各半導体電力変換器13(チョッパセル)の直流コンデンサ電圧vC1、vC2及びvC3をそれぞれ実線、破線、一点鎖線で示す。
11 is a diagram showing a simulation waveform when 152 [kW] of power is transmitted from the first DC voltage side to the second DC voltage side when current control is performed based on a current command value including an AC component command value according to the first form in the chopper circuit according to the first embodiment of the present disclosure, where (A) shows an inductor current, (B) shows a voltage appearing at both ends of the first switch unit and the second switch unit, (C) shows a current flowing through the first switch unit, (D) shows a current flowing through the second switch unit, and (E) shows a DC capacitor voltage of a capacitor in a semiconductor power converter (chopper cell). In FIG. 11(B), the voltage v S1 appearing at both ends of the
図11(A)に示すインダクタ電流iに着目すると、基本波周波数の450[Hz]及び3次波周波数の1350[Hz]の交流成分に、負の直流電流が重畳していることがわかる。図11(B)に示す第1のスイッチ部11及び第2のスイッチ部12のそれぞれの両端に現れる電圧(半導体バルブデバイスの順方向電圧)vS1、vS2に着目すると、第1のスイッチ部11がオン状態となるvS1=0のときは、図11(C)に示すように第1のスイッチ部11に流れる電流はi1=iとなり、図11(D)に示すように第2のスイッチ部12に流れる電流はi2=0となる。第2のスイッチ部12がオン状態となる「vS1=vdc1-vdc2=750[V]」のときは、図11(C)に示すように第1のスイッチ部11に流れる電流はi1=0となり、図11(D)に示すように第2のスイッチ部12に流れる電流はi2=-iとなる。このシミュレーション結果より、式8で表される進み補償制御を適用し、かつ式24で表される変調率dを与えることで、第1のスイッチ部11及び第2のスイッチ部12において、ターンオフ時及び ターンオン時いずれもソフトスイッチング動作(すなわち、流れる電流が微小な所定値以下(例えばゼロ)のタイミングでのスイッチング動作)が実現できていることがわかる。よって、第1のスイッチ部11及び第2のスイッチ部12においてスイッチング損失は発生しない。
Focusing on the inductor current i shown in Fig. 11(A), it can be seen that a negative DC current is superimposed on the AC components of the fundamental wave frequency of 450 [Hz] and the third wave frequency of 1350 [Hz]. Focusing on the voltages vS1 and vS2 (forward voltages of the semiconductor valve device) appearing at both ends of the
また、図11(C)に示す第1のスイッチ部11に流れる電流i1及び図11(D)に示す第2のスイッチ部12に流れる電流i2のいずれにおいても、ステップ状の電流変化は発生していない。したがって、ステップ状電流に起因する過電圧はチョッパ回路1では発生しない。
In addition, no step-like current change occurs in either the current i1 flowing through the
また、図11(E)に示すように、直流コンデンサ電圧vC1、vC2及びvC3に関しては直流分と交流分とを含み、このうち直流分は指令値である600[V]に良好に追従していることが分かる。また、交流分に関しては、450[Hz]の交流成分が存在するが、大きさは直流分と比較し十分に小さい。 11(E), the DC capacitor voltages vC1 , vC2 , and vC3 include DC and AC components, and it can be seen that the DC components closely follow the command value of 600 V. As for the AC components, an AC component of 450 Hz exists, but its magnitude is sufficiently small compared to the DC component.
図12は、本開示の第1の実施形態によるチョッパ回路において第2の形態による交流分指令値を含む電流指令値に基づいて電流制御を行った場合に、第2の直流電圧側から第1の直流電圧側に152[kW]の電力を伝送した時におけるシミュレーション波形を示す図であって、(A)はインダクタ電流を示し、(B)は第1のスイッチ部及び第2のスイッチ部のそれぞれの両端に現れる電圧を示し、(C)は第1のスイッチ部に流れる電流を示し、(D)は第2のスイッチ部に流れる電流を示し、(E)は半導体電力変換器(チョッパセル)内のコンデンサの直流コンデンサ電圧を示す。図12(B)において、第1のスイッチ部11の両端に現れる電圧vS1を実線で示し、第2のスイッチ部12の両端に現れる電圧vS2を破線で示す。また、図12(E)において、各半導体電力変換器13(チョッパセル)の直流コンデンサ電圧vC1、vC2及びvC3をそれぞれ実線、破線、一点鎖線で示す。
12 is a diagram showing a simulation waveform when 152 [kW] of power is transmitted from the second DC voltage side to the first DC voltage side when current control is performed based on a current command value including an AC component command value according to the second form in the chopper circuit according to the first embodiment of the present disclosure, where (A) shows an inductor current, (B) shows a voltage appearing at both ends of the first switch unit and the second switch unit, (C) shows a current flowing through the first switch unit, (D) shows a current flowing through the second switch unit, and (E) shows a DC capacitor voltage of a capacitor in a semiconductor power converter (chopper cell). In FIG. 12(B), the voltage v S1 appearing at both ends of the
図12(A)に示すように、インダクタ電流iに正の直流電流が重畳している。図12(B)に示す第1のスイッチ部11及び第2のスイッチ部12のそれぞれの両端に現れる電圧(半導体バルブデバイスの順方向電圧)vS1、vS2に着目すると、第1のスイッチ部11がオン状態となるvS1=0のときは、図12(C)に示すように第1のスイッチ部11に流れる電流はi1=iとなり、図12(D)に示すように第2のスイッチ部12に流れる電流はi2=0となる。第2のスイッチ部12がオン状態となる「vS1=vdc1-vdc2=750[V]」のときは、図12(C)に示すように第1のスイッチ部11に流れる電流はi1=0となり、図12(D)に示すように第2のスイッチ部12に流れる電流はi2=-iとなる。このシミュレーション結果より、式8で表される進み補償制御を適用し、かつ式24で表される変調率dを与えることで、第1のスイッチ部11及び第2のスイッチ部12において、ターンオフ時及び ターンオン時いずれもソフトスイッチング動作(すなわち、流れる電流が微小な所定値以下(例えばゼロ)のタイミングでのスイッチング動作)が実現できていることがわかる。よって、第1のスイッチ部11及び第2のスイッチ部12においてスイッチング損失は発生しない。
As shown in Fig. 12(A), a positive DC current is superimposed on the inductor current i. Focusing on the voltages v S1 and v S2 (forward voltages of the semiconductor valve device) appearing at both ends of the
また、図12(C)に示す第1のスイッチ部11に流れる電流i1及び図12(D)に示す第2のスイッチ部12に流れる電流i2のいずれにおいても、ステップ状の電流変化は発生していない。したがって、ステップ状電流に起因する過電圧はチョッパ回路1では発生しない。
In addition, no step-like current change occurs in either the current i1 flowing through the
また、図12(E)に示すように、直流コンデンサ電圧vC1、vC2及びvC3に関しては直流分と交流分とを含み、このうち直流分は指令値である600[V]に良好に追従していることが分かる。また、交流分は、図11(E)に示す場合に比べてより三角波状に近い形状となる。 As shown in Fig. 12(E), the DC capacitor voltages vC1 , vC2 , and vC3 include DC and AC components, and it can be seen that the DC components closely follow the command value of 600 V. The AC components have a shape closer to a triangular wave than that shown in Fig. 11(E).
図13は、本開示の第1の実施形態によるチョッパ回路において第2の形態による交流分指令値を含む電流指令値に基づいて電流制御を行った場合に、電力伝送の向きを2.2[ms]にわたって第1の直流電圧側と第2の直流電圧側とで反転された場合におけるシミュレーション波形を示す図であって、(A)インダクタ電流を示し、(B)は第1のスイッチ部及び第2のスイッチ部のそれぞれの両端に現れる電圧を示し、(C)は第1のスイッチ部に流れる電流を示し、(D)は第2のスイッチ部に流れる電流を示し、(E)は半導体電力変換器(チョッパセル)内のコンデンサの直流コンデンサ電圧を示す。図13(B)において、第1のスイッチ部11の両端に現れる電圧vS1を実線で示し、第2のスイッチ部12の両端に現れる電圧vS2を破線で示す。また、図13(E)において、各半導体電力変換器13(チョッパセル)の直流コンデンサ電圧vC1、vC2及びvC3をそれぞれ実線、破線、一点鎖線で示す。
13 is a diagram showing a simulation waveform in a case where the direction of power transmission is reversed between the first DC voltage side and the second DC voltage side for 2.2 [ms] when current control is performed based on a current command value including an AC component command value according to the second form in the chopper circuit according to the first embodiment of the present disclosure, where (A) shows an inductor current, (B) shows a voltage appearing at both ends of the first switch unit and the second switch unit, (C) shows a current flowing through the first switch unit, (D) shows a current flowing through the second switch unit, and (E) shows a DC capacitor voltage of a capacitor in a semiconductor power converter (chopper cell). In FIG. 13(B), the voltage v S1 appearing at both ends of the
図13に示すように、電力伝送の向きを2.2[ms]時点で高速に変化させた場合も、チョッパ回路1は、過電圧及び過電流を生じることなく良好に動作することがわかる。このことは、補助電力変換器19が高速な電流制御機能を有していることを示している。
As shown in FIG. 13, even when the direction of power transmission is changed rapidly at 2.2 ms, the
以上が本開示の第1の実施形態によるチョッパ回路の説明である。続いて、本開示の第2の実施形態によるチョッパ回路について説明する。 The above is a description of the chopper circuit according to the first embodiment of the present disclosure. Next, we will explain the chopper circuit according to the second embodiment of the present disclosure.
図14は、本開示の第2の実施形態によるチョッパ回路を示す回路図である。 Figure 14 is a circuit diagram showing a chopper circuit according to a second embodiment of the present disclosure.
本開示の第2の実施形態によるチョッパ回路2は、一対の第1の外部接続端子T1及びG1間における第1の直流電圧vdc1と一対の第2の外部接続端子T2及びG2間における第2の直流電圧vdc2との間で双方向に電圧変換する。第1の外部接続端子T1及びG1と第2の外部接続端子T2及びG2のうち、一方に直流電源が接続され、もう一方に負荷もしくは他の直流電源が接続される。
A
例えば、第1の外部接続端子T1及びG1に直流電源を接続し、第2の外部接続端子T2及びG2に負荷を接続した場合、チョッパ回路2は降圧チョッパとして動作する。この場合、直流電源が出力する電圧が第1の直流電圧vdc1であり、負荷に印加される電圧が第2の直流電圧vdc2である。
For example, when a DC power supply is connected to the first external connection terminals T1 and G1 and a load is connected to the second external connection terminals T2 and G2 , the
また例えば、第1の外部接続端子T1及びG1に負荷を接続し、第2の外部接続端子T2及びG2に直流電源を接続した場合、チョッパ回路2は昇圧チョッパとして動作する。この場合、負荷に印加される電圧が第1の直流電圧vdc1であり、直流電源が出力する電圧が第2の直流電圧vdc2である。
For example, when a load is connected to the first external connection terminals T1 and G1 and a DC power supply is connected to the second external connection terminals T2 and G2 , the
また例えば、第1の外部接続端子T1及びG1に直流電源を接続し、第2の外部接続端子T2及びG2に他の直流電源を接続してもよい。 Also, for example, a DC power supply may be connected to the first external connection terminals T1 and G1 , and another DC power supply may be connected to the second external connection terminals T2 and G2 .
チョッパ回路2は、第1のスイッチ部21と、第2のスイッチ部22と、第3のスイッチ部23と、第4のスイッチ部24と、半導体電力変換器25と、インダクタ26とを備える。また、チョッパ回路2は、その制御系として、半導体電力変換器用制御部27とスイッチ用制御部28とを備える。
The
第1のスイッチ部21、第2のスイッチ部22、第3のスイッチ部23、及び第4のスイッチ部24は、単方向の電流遮断が可能な半導体バルブデバイスである。第1のスイッチ部21、第2のスイッチ部22、第3のスイッチ部23、及び第4のスイッチ部24は、オン時に一方向に導通する半導体スイッチング素子と該半導体スイッチング素子に逆並列に接続された帰還ダイオードとからなる。半導体スイッチング素子の例としては、IGBT、SiC(Silicon Carbide)-MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、サイリスタ、GTO(Gate Turn-OFF Thyristor:ゲートターンオフサイリスタ)、トランジスタなどがあるが、半導体スイッチング素子の種類自体は本発明を限定するものではなく、その他の半導体素子であってもよい。
The
また、第1のスイッチ部21、第2のスイッチ部22、第3のスイッチ部23、及び第4のスイッチ部24の各半導体バルブデバイスに対して、並列に過電圧抑制用スナバ回路を接続してもよい。
In addition, an overvoltage suppression snubber circuit may be connected in parallel to each of the semiconductor valve devices of the
第1のスイッチ部21と、第2のスイッチ部22と、第3のスイッチ部23と、第4のスイッチ部24とは、オン時の導通方向が揃うように互いに直列接続される。第1のスイッチ部21と第2のスイッチ部22との接続点をP3、第2のスイッチ部22と第3のスイッチ部23との接続点をP4、第3のスイッチ部23と第4のスイッチ部24との接続点をP5で表記する。また、第4のスイッチ部24の、第3のスイッチ部23が接続される側とは反対側の接続点をP6で表記する。
The
第1のスイッチ部21と第2のスイッチ部22との接続点P3とは反対側の端子を、第1の外部接続端子のうちの正極側端子T1とする。また、第3のスイッチ部23と第4のスイッチ部24との接続点P5とは反対側の端子を、第1の外部接続端子のうちのグランド端子G1とする。正極側端子T1とグランド端子G1とで一対の第1の外部接続端子が構成される。
The terminal opposite to the connection point P3 between the
第2のスイッチ部22と第3のスイッチ部23との接続点P4から延びる配線上に、第2の外部接続端子のうちの正極側端子T2が設けられる。第4のスイッチ部24の、第3のスイッチ部23が接続される側とは反対側の接続点P6から延びる配線上に、第2の外部接続端子のうちのグランド端子G2が設けられる。正極側端子T2とグランド端子G2とで一対の第2の外部接続端子が構成される。
A positive terminal T2 of the second external connection terminals is provided on a wiring extending from a connection point P4 between the
ここで、第1のスイッチ部21の順方向電圧(すなわち第1の外部接続端子の正極側端子T1と接続点P3との電位差)をvS1で表す。また、第2のスイッチ部22の順方向電圧(すなわち接続点P3と接続点P4との電位差)をvS2で表す。また、第3のスイッチ部23の順方向電圧(すなわち接続点P4と接続点P5との電位差)をvS3で表す。また、第4のスイッチ部24の順方向電圧(すなわち接続点P5と接続点P6との電位差)をvS4で表す。 Here, the forward voltage of the first switch section 21 (i.e., the potential difference between the positive terminal T1 of the first external connection terminal and the connection point P3 ) is represented by vS1 . The forward voltage of the second switch section 22 (i.e., the potential difference between the connection points P3 and P4 ) is represented by vS2 . The forward voltage of the third switch section 23 (i.e., the potential difference between the connection points P4 and P5 ) is represented by vS3 . The forward voltage of the fourth switch section 24 (i.e., the potential difference between the connection points P5 and P6 ) is represented by vS4 .
また、第1の外部接続端子の正極側端子T1と接続点P3との間を流れる電流をi1で表して「第1の直流電圧vdc1側に流れる電流」と称し、接続点P4と第2の外部接続端子の正極側端子T2との間を流れる電流をi2で表して「第2の直流電圧vdc2側に流れる電流」と称する。 In addition, the current flowing between the positive terminal T1 of the first external connection terminal and the connection point P3 is represented by i1 and referred to as "the current flowing on the first DC voltage vdc1 side," and the current flowing between the connection point P4 and the positive terminal T2 of the second external connection terminal is represented by i2 and referred to as "the current flowing on the second DC voltage vdc2 side."
本明細書では、第1のスイッチ部21と、第2のスイッチ部22と、第3のスイッチ部23と、第4のスイッチ部24とからなる電力変換器の組を、主電力変換器20と称する。後述するように、第1のスイッチ部21と第3のスイッチ部23との組及び第2のスイッチ部22と第4のスイッチ部24との組のうちいずれか一方の組をオンに制御されている間は、他の一方の組はオフに制御される。
In this specification, a set of power converters consisting of a
第1のスイッチ部21と第2のスイッチ部22との接続点P3と、第3のスイッチ部23と第4のスイッチ部24との接続点P5と、を結ぶ配線上に、半導体電力変換器25を用いた可変制御電圧源とインダクタ26とが設けられる。
A variable controlled voltage source using a
半導体電力変換器25は、接続点P3と接続点P5とを結ぶ配線上に、1個単独でもしくは複数個が互いにカスケード接続された状態で設けられる。本明細書では、1個単独でもしくは複数個からなる半導体電力変換器25を、補助電力変換器29と称する。また、本明細書では、半導体電力変換器25が1個の場合は、後述するインダクタ26が接続される側を「第1の直流側」と称し、複数個の半導体電力変換器25が互いにカスケード接続される場合は、当該半導体電力変換器25とは異なる他の半導体電力変換器25が接続される側を同じく「第1の直流側」と称する。また、「第1の直流側」とは反対側の直流側を、「第2の直流側」と称する。一例として、図14では、複数個(N個、ただしNは2以上の整数)の半導体電力変換器25が第1の直流側にて互いにカスケード接続された場合を示している。以下、半導体電力変換器25のカスケード数をj(ただし、jは1~Nの自然数)で表す。カスケード接続する半導体電力変換器25の個数を適宜調整するだけでチョッパ回路2の高耐圧化を容易に実現できる。
The
半導体電力変換器25は、図2に示すように、DCDCコンバータ131とコンデンサ132とを有する双方向チョッパセルとして構成される。すなわち、半導体電力変換器25は、直列接続された2つの半導体スイッチと2つの半導体スイッチに並列接続された直流コンデンサとからなり2つの半導体スイッチのうちの一方の半導体スイッチの各端子を出力端とするチョッパセルからなる。DCDCコンバータ131及びコンデンサ132は、図2を参照して説明したとおりである。チョッパ回路2を動作させる際にはDCDCコンバータ131を動作させてコンデンサ132を初期充電しておく。ここで、各半導体電力変換器25の直流コンデンサの電圧をvCj、補助電力変換器29の第1の直流側の電圧をvとする。詳細については後述するが、補助電力変換器29を用いてインダクタ電流iを制御することで、インダクタ26及び補助電力変換器29は制御電流源として動作する。なお、図14では複数個の半導体電力変換器25(チョッパセル)をカスケード接続することで補助電力変換器を実現しているが、同様の機能を有する任意の半導体電力変換器を代用することもできる。
As shown in FIG. 2, the
インダクタ26は、第1のスイッチ部21と第2のスイッチ部22との接続点P3と、第3のスイッチ部23と第4のスイッチ部24との接続点P5と、を結ぶ配線上において、半導体電力変換器25に対して直列に接続される。また、インダクタ26を流れるインダクタ電流をiとする。
The
したがって、主電力変換器20内の第1のスイッチ部21と第2のスイッチ部22とを接続する配線上にある接続点P3から分岐した同一配線上には、半導体電力変換器25及びインダクタ26が設けられることになる。図14に示す例では、インダクタ26を接続点P3と半導体電力変換器25との間に配置し、第2の外部接続端子T2およびG2を補助電力変換器29の、インダクタ26が接続される側とは反対側の接続点P6(すなわち、複数の半導体電力変換器25の組の、インダクタ26が接続される側とは反対側)に配置しているが、これら半導体電力変換器25及びインダクタ26の配置順は、上述の第1の実施形態と同様、接続点P3と接続点P5との間の半導体電力変換器25が設けられる配線上において、図5に示したように任意に設計可能である。
Therefore, the
半導体電力変換器用制御部27は、直流成分及び交流成分を有する電流を出力するよう、半導体電力変換器25の電力変換動作を制御する。特に、半導体電力変換器用制御部27は、直流分指令値と交流分指令値とからなる電流指令値に追従したインダクタ電流を半導体電力変換器25から出力させる電流制御を行う。半導体電力変換器用制御部27は、この電流制御において、電流指令値に対するインダクタ電流の位相遅れを補償するための進み補償制御を行う。このため、電流指令値のうちの交流分指令値は、電流指令値に対するインダクタ電流の位相遅れを補償するための進み補償成分を有する。この進み補償成分は、少なくとも電流制御における比例ゲイン及びインダクタ26のインダクタンスに基づいて生成されるものである。半導体電力変換器用制御部27による電流制御における進み補償制御の詳細については後述する。
The semiconductor power
スイッチ用制御部28は、第1のスイッチ部21と第3のスイッチ部23との組、及び第2のスイッチ部22と第4のスイッチ部24との組、のうちいずれか一方の組をオンに制御し、他の一方の組をオフに制御する。また、スイッチ用制御部28は、半導体電力変換器用制御部27により半導体電力変換器25が出力する電流の値が所定値以下に制御された時に、第1のスイッチ部21と第3のスイッチ部23との組、及び第2のスイッチ部22と第4のスイッチ部24との組、の各組についてのオンからオフへの切替え及びオフからオンへの切替えを実行する。ここで、所定値は、半導体電力変換器25の定格電流よりも十分に小さい値である。一例を挙げると、所定値は、半導体電力変換器25の定格電流の例えば0%~10%程度の値であるが、チョッパ回路2の適用環境によっては、半導体電力変換器25の定格電流の10%を超える値となり得る。
The
演算処理装置(図示せず)は、半導体電力変換器用制御部27及びスイッチ用制御部28を有する。半導体電力変換器用制御部27及びスイッチ用制御部28は、例えば、演算処理装置上で実行されるコンピュータプログラムにより実現される機能モジュールである。例えば半導体電力変換器用制御部27及びスイッチ用制御部28をコンピュータプログラム形式で構築する場合は、演算処理装置をこのコンピュータプログラムに従って動作させることで、半導体電力変換器用制御部27及びスイッチ用制御部28の機能を実現することができる。半導体電力変換器用制御部27及びスイッチ用制御部28の処理を実行するためのコンピュータプログラムは、半導体メモリ、磁気記録媒体または光記録媒体といった、コンピュータ読取可能な記録媒体に記録された形で提供されてもよい。またあるいは、半導体電力変換器用制御部27及びスイッチ用制御部28を、各部の機能を実現するコンピュータプログラムを書き込んだ半導体集積回路として実現してもよい。なお、半導体電力変換器用制御部27及びスイッチ用制御部28の動作の詳細については後述する。
The arithmetic processing device (not shown) has a semiconductor power
続いて、本開示の第2の実施形態によるチョッパ回路2の動作原理について説明する。半導体電力変換器用制御部27及びスイッチ用制御部28の動作原理は、第1の実施形態における半導体電力変換器用制御部15及びスイッチ用制御部16の動作原理に類似している。以下、制御遅延が零の連続制御システムを想定する。
Next, the operating principle of the
第2の実施形態によるチョッパ回路2は、一対の第1の外部接続端子T1及びG1間における第1の直流電圧vdc1と一対の第2の外部接続端子T2及びG2間における第2の直流電圧vdc2との間で双方向に電圧変換することができる。ただし、第2の実施形態によるチョッパ回路2においては、第1の直流電圧vdc1が第2の直流電圧vdc2よりも大きい関係「vdc1>vdc2」を有する必要がある。
The
半導体電力変換器用制御部27は、直流成分及び交流成分を有する電流を出力するよう、半導体電力変換器25の電力変換動作を制御する。特に、半導体電力変換器用制御部27は、直流分指令値と交流分指令値とからなる電流指令値に追従したインダクタ電流を半導体電力変換器25から出力させる電流制御を行う。半導体電力変換器用制御部27は、この電流制御において、電流指令値に対するインダクタ電流の位相遅れを補償するための進み補償制御を行う。このため、電流指令値のうちの交流分指令値は、電流指令値に対するインダクタ電流の位相遅れを補償するための進み補償成分を有する。この進み補償成分は、少なくとも電流制御における比例ゲイン及びインダクタ26のインダクタンスに基づいて生成されるものである。
The semiconductor power
半導体電力変換器用制御部27の電流制御における電流指令値i*は、直流分指令値idc
*と交流分指令値iac
*とからなる。第2の実施形態においても、交流分指令値iac
*については、第1の実施形態と同様、交流分指令値iac
*に基本波交流成分及び3次波交流成分を含む第1の形態と、交流分指令値iac
*に台形波交流成分を含む第2の形態がある。
The current command value i * in the current control of the semiconductor power
まず、第2の実施形態によるチョッパ回路2における第1の形態による交流分指令値について説明する。第1の形態による交流分指令値は、基本周波数を有する基本波交流成分と、基本周波数の3倍の周波数を有する3次波交流成分とを有する。
First, the AC component command value according to the first form in the
図15は、本開示の第2の実施形態によるチョッパ回路において第1の形態による交流分指令値を含む電流指令値に基づいて電流制御を行った場合の理想的な各部波形を示す図であって、(A)はスイッチ用制御部において用いられる三角波と変調波との関係を示し、(B)は第1のスイッチ部の両端に現れる電圧及び第2のスイッチ部の両端に現れる電圧を示し、(C)は補助電力変換器の出力電圧を示し、(D)はインダクタ電流を示し、(E)は第1の直流電圧側に流れる電流を示し、(F)は第2の直流電圧側に流れる電流を示す。図15(A)において、三角波vtriを実線で示し、変調波dを一点鎖線で示す。また、図15(F)において、第1の直流電圧vdc1側に流れる電流i1を実線で示し、第2の直流電圧vdc2側に流れる電流i2を一点鎖線で示す。 15 is a diagram showing ideal waveforms of each part when current control is performed based on a current command value including an AC component command value according to the first form in the chopper circuit according to the second embodiment of the present disclosure, where (A) shows the relationship between a triangular wave and a modulated wave used in the switch control part, (B) shows the voltage appearing at both ends of the first switch part and the voltage appearing at both ends of the second switch part, (C) shows the output voltage of the auxiliary power converter, (D) shows the inductor current, (E) shows the current flowing on the first DC voltage side, and (F) shows the current flowing on the second DC voltage side. In FIG. 15(A), the triangular wave v tri is shown by a solid line, and the modulated wave d is shown by a dashed line. In FIG. 15(F), the current i 1 flowing on the first DC voltage v dc1 side is shown by a solid line, and the current i 2 flowing on the second DC voltage v dc2 side is shown by a dashed line.
第2の実施形態によるチョッパ回路2の動作は、第2の直流電圧vdc2が、第1の直流電圧vdc1の2分の1より小さい場合(vdc2<0.5vdc1)と、第1の直流電圧vdc1の2分の1より大きい場合(vdc2>0.5vdc1)とで異なるが、動作原理は同様に考えることができる。以下では、第2の直流電圧vdc2が、第1の直流電圧vdc1の2分の1より小さい場合(vdc2<0.5vdc1)について説明する。
The operation of the
第1のスイッチ部21及び第2のスイッチ部22のオンオフのタイミングは、スイッチ用制御部28において、最小値が0で最大値が1の三角波vtriと変調波dとの比較結果に基づき決定される。変調波dの決定方法の詳細については後述するが、第1の直流電圧vdc1と第2の直流電圧vdc2との関係により決定される。スイッチ用制御部28は、第1のスイッチ部21と第3のスイッチ部23との組、及び第2のスイッチ部22と第4のスイッチ部24との組、のうちいずれか一方の組をオンに制御し、他の一方の組をオフに制御する。例えば、図15(A)に示すように三角波vtriが変調波dより小さい場合、スイッチ用制御部28は、第1のスイッチ部21と第3のスイッチ部23との組に対してはオンとなるように制御し、第2のスイッチ部22と第4のスイッチ部24との組に対してはオフとなるように制御する。この場合、図15(B)に示すように第1のスイッチ部21の両端に現れる電圧はvS1=0となり、第2のスイッチ部22の両端に現れる電圧はvS2=vdc1-vdc2となる。また例えば、図15(A)に示すように三角波vtriが変調波dより大きい場合、スイッチ用制御部28は、第1のスイッチ部21と第3のスイッチ部23との組に対してはオフとなるように制御し、第2のスイッチ部22と第4のスイッチ部24との組に対してはオンとなるように制御する。この場合、図15(B)に示すように第1のスイッチ部21の両端に現れる電圧はvS1=vdc1-vdc2となり、第2のスイッチ部22の両端に現れる電圧はvS2=0となる。
The on/off timing of the
第2の実施形態によるチョッパ回路2の各部波形は、図15(E)に示す第1の外部接続端子の正極側端子T1と接続点P3との間を流れる電流i1及び図15(F)に示す接続点P4と第2の外部接続端子の正極側端子T2との間を流れる電流i2を除き、第1の実施形態によるチョッパ回路1の各部波形と基本的には同一となる。第1の実施形態によるチョッパ回路1では、第1のスイッチ部11がオン時に第1のスイッチ部11に流れる電流はi1=iとなり、第2のスイッチ部12に流れる電流はi2=0となる第2のスイッチ部12がオン時に第1のスイッチ部11に流れる電流はi1=0となり、第2のスイッチ部12に流れる電流はi2=-iとなる。これに対し、第2の実施形態によるチョッパ回路2では、第1のスイッチ部21と第3のスイッチ部23との組がオン時には第1の外部接続端子の正極側端子T1と接続点P3との間を流れる電流i1及び接続点P4と第2の外部接続端子の正極側端子T2との間を流れる電流i2はともにiとなり(i1=i2=i)、第2のスイッチ部22と第4のスイッチ部24との組がオン時には、第1の外部接続端子の正極側端子T1と接続点P3との間を流れる電流はi1=0となり接続点P4と第2の外部接続端子の正極側端子T2との間を流れる電流はi2=-iとなる。
The waveforms of the respective parts of the
式14~式20を参考にして、第2の実施形態によるチョッパ回路2の位相αに関する関係式を導出すると、式35のようになる。
By referring to
式35は位相αに関する二次方程式であり、位相α(ただし、0<α<π/2)について解くと式36が得られる。 Equation 35 is a quadratic equation with respect to phase α, and solving it for phase α (where 0<α<π/2) gives Equation 36.
図15(A)において、位相π/2から位相3π/2までの間の三角波vtriの傾きは「1/π」であり、また、位相πのときの三角波vtriの値は「0.5」である。また、位相π-αのときの三角波vtriの値は「d」である。これらの関係から、dは、第1の実施形態と同様に、式24のように表すことができる。
15A, the slope of the triangular wave v tri from phase π/2 to phase 3π/2 is "1/π", and the value of the triangular wave v tri at phase π is "0.5". The value of the triangular wave v tri at phase π-α is "d". From these relationships, d can be expressed as in
以上説明したように、変調波dは式24に基づき決定され、位相αは式36に基づき決定される。スイッチ用制御部28は、三角波vtriが式24に基づいて決定された変調波dより小さい場合、第1のスイッチ部21と第3のスイッチ部23との組に対してはオンとなるように制御し、第2のスイッチ部22と第4のスイッチ部24との組に対してはオフとなるように制御する。また、スイッチ用制御部28は、三角波vtriが式24に基づいて決定された変調波dより大きい場合、第1のスイッチ部21と第3のスイッチ部23との組に対してはオフとなるように制御し、第2のスイッチ部22と第4のスイッチ部24との組に対してはオンとなるように制御する。スイッチ用制御部28は、半導体電力変換器用制御部27により半導体電力変換器25が出力する電流がゼロに制御された位相α及び位相π-αの時に、第1のスイッチ部21と第3のスイッチ部23との組及び第2のスイッチ部22と第4のスイッチ部24との組についてのオンからオフへの切替え及びオフからオンへの切替えを実行する。
As described above, the modulating wave d is determined based on
続いて、第2の実施形態によるチョッパ回路2における交流分指令値の第2の形態について説明する。第2の形態による交流分指令値は、台形波交流成分を有する。
Next, a second form of the AC component command value in the
図16は、本開示の第2の実施形態によるチョッパ回路において第2の形態による交流分指令値を含む電流指令値に基づいて電流制御を行った場合の理想的な各部波形を示す図であって、(A)はスイッチ用制御部において用いられる三角波と変調波との関係を示し、(B)は第1のスイッチ部の両端に現れる電圧及び第2のスイッチ部の両端に現れる電圧を示し、(C)は補助電力変換器の出力電圧を示し、(D)はインダクタ電流を示し、(E)は第1の直流電圧側に流れる電流を示し、(F)は第2の直流電圧側に流れる電流を示す。図16(A)において、三角波vtriを実線で示し、変調波dを一点鎖線で示す。また、図16(F)において、第1の直流電圧vdc1側に流れる電流i1を実線で示し、第2の直流電圧vdc2側に流れる電流i2を一点鎖線で示す。 16 is a diagram showing ideal waveforms of each part when current control is performed based on a current command value including an AC component command value according to the second form in the chopper circuit according to the second embodiment of the present disclosure, where (A) shows the relationship between a triangular wave and a modulated wave used in the switch control part, (B) shows the voltage appearing at both ends of the first switch part and the voltage appearing at both ends of the second switch part, (C) shows the output voltage of the auxiliary power converter, (D) shows the inductor current, (E) shows the current flowing on the first DC voltage side, and (F) shows the current flowing on the second DC voltage side. In FIG. 16(A), the triangular wave v tri is shown by a solid line, and the modulated wave d is shown by a dashed line. In FIG. 16(F), the current i 1 flowing on the first DC voltage v dc1 side is shown by a solid line, and the current i 2 flowing on the second DC voltage v dc2 side is shown by a dashed line.
第1のスイッチ部21及び第2のスイッチ部22のオンオフのタイミングは、スイッチ用制御部28において、最小値が0で最大値が1の三角波vtriと変調波dとの比較結果に基づき決定される。変調波dの決定方法の詳細については後述するが、第1の直流電圧vdc1と第2の直流電圧vdc2との関係により決定される。スイッチ用制御部28は、第1のスイッチ部21と第3のスイッチ部23との組、及び第2のスイッチ部22と第4のスイッチ部24との組、のうちいずれか一方の組をオンに制御し、他の一方の組をオフに制御する。例えば、図16(A)に示すように三角波vtriが変調波dより小さい場合、スイッチ用制御部28は、第1のスイッチ部21と第3のスイッチ部23との組に対してはオンとなるように制御し、第2のスイッチ部22と第4のスイッチ部24との組に対してはオフとなるように制御する。この場合、図16(B)に示すように第1のスイッチ部21の両端に現れる電圧はvS1=0となり、第2のスイッチ部22の両端に現れる電圧はvS2=vdc1-vdc2となる。また例えば、図16(A)に示すように三角波vtriが変調波dより大きい場合、スイッチ用制御部28は、第1のスイッチ部21と第3のスイッチ部23との組に対してはオフとなるように制御し、第2のスイッチ部22と第4のスイッチ部24との組に対してはオンとなるように制御する。この場合、図16(B)に示すように第1のスイッチ部21の両端に現れる電圧はvS1=vdc1-vdc2となり、第2のスイッチ部22の両端に現れる電圧はvS2=0となる。
The on/off timing of the
ここで、交流分指令値に台形波交流成分を含む第2の形態における、変調波d及び位相αの決定方法について説明する。 Here, we explain how to determine the modulation wave d and phase α in the second form in which the AC command value includes a trapezoidal AC component.
第2の実施形態によるチョッパ回路2の各部波形、図16(E)に示す第1の外部接続端子の正極側端子T1と接続点P3との間を流れる電流i1及び図16(F)に示す接続点P4と第2の外部接続端子の正極側端子T2との間を流れる電流i2を除き、第1の実施形態によるチョッパ回路1の各部波形と基本的には同一となる。第1の実施形態によるチョッパ回路1では、第1のスイッチ部11がオン時に第1のスイッチ部11に流れる電流はi1=iとなり、第2のスイッチ部12に流れる電流はi2=0となる第2のスイッチ部12がオン時に第1のスイッチ部11に流れる電流はi1=0となり、第2のスイッチ部12に流れる電流はi2=-iとなる。これに対し、第2の実施形態によるチョッパ回路2では、第1のスイッチ部21と第3のスイッチ部23との組がオン時には第1の直流電圧vdc1側に流れる電流(第1の外部接続端子の正極側端子T1と接続点P3との間を流れる電流)i1及び第2の直流電圧vdc2側に流れる電流(接続点P4と第2の外部接続端子の正極側端子T2との間を流れる電流)i2はともにiとなり(i1=i2=i)、第2のスイッチ部22と第4のスイッチ部24との組がオン時には、第1の外部接続端子の正極側端子T1と接続点P3との間を流れる電流はi1=0となり接続点P4と第2の外部接続端子の正極側端子T2との間を流れる電流はi2=-iとなる。
The waveforms of each part of the
式25~式29を参考にして、第2の実施形態によるチョッパ回路2の位相αに関する関係式を導出すると、式37のようになる。
By referring to
式37を変形すると、式38が得られる。 Transforming equation 37 gives us equation 38.
式38は位相αに関する二次方程式であり、位相α(ただし、0<α<π/2)について解くと式39が得られる。 Equation 38 is a quadratic equation with respect to phase α, and solving it for phase α (where 0<α<π/2) gives Equation 39.
図16(A)において、位相π/2から位相3π/2までの間の三角波vtriの傾きは「1/π」であり、また、位相πのときの三角波vtriの値は「0.5」である。また、位相π-αのときの三角波vtriの値は「d」である。これらの関係から、dは、第1の実施形態と同様に、式24のように表すことができる。
16A, the slope of the triangular wave v tri from phase π/2 to phase 3π/2 is "1/π", and the value of the triangular wave v tri at phase π is "0.5". The value of the triangular wave v tri at phase π-α is "d". From these relationships, d can be expressed as in
以上説明したように、変調波dは式24に基づき決定され、位相αは式39に基づき決定される。スイッチ用制御部28は、三角波vtriが式24に基づいて決定された変調波dより小さい場合、第1のスイッチ部21と第3のスイッチ部23との組に対してはオンとなるように制御し、第2のスイッチ部22と第4のスイッチ部24との組に対してはオフとなるように制御する。また、スイッチ用制御部28は、三角波vtriが式24に基づいて決定された変調波dより大きい場合、第1のスイッチ部21と第3のスイッチ部23との組に対してはオフとなるように制御し、第2のスイッチ部22と第4のスイッチ部24との組に対してはオンとなるように制御する。スイッチ用制御部28は、半導体電力変換器用制御部27により半導体電力変換器25が出力する電流がゼロに制御された位相α及び位相π-αの時に、第1のスイッチ部21と第3のスイッチ部23との組及び第2のスイッチ部22と第4のスイッチ部24との組についてのオンからオフへの切替え及びオフからオンへの切替えを実行する。
As described above, the modulating wave d is determined based on
続いて、本開示の第2の実施形態によるチョッパ回路2のシミュレーション結果について説明する。
Next, we will explain the simulation results of the
図17は、本開示の第2の実施形態によるチョッパ回路のシミュレーションに用いた回路定数を示す図である。シミュレーションには「PSCAD/EMTDC」を使用した。チョッパ回路1内に設けられる半導体電力変換器13の数(チョッパセル数)Nは3とした。また、第1の直流電圧vdc1は1.5[kV]、第2の直流電圧vdc2は0.6[kV]とし、各半導体電力変換器13(チョッパセル)内のコンデンサの直流コンデンサ電圧VCは0.6[kV]とした。また、主電力変換器10のキャリア周波数fSMは450[Hz]とし、補助電力変換器19のキャリア周波数fSAは7.5[kHz]とした。各チョッパセルには位相シフトPWMを適用しているので、補助電力変換器19の等価キャリア周波数は22.5[kHz](=NfSA)となる。なお、このシミュレーションは原理の確認が目的であるので、理想状態を想定している。すなわち、制御遅延がゼロのアナログ制御系を仮定し、デッドタイムがゼロの理想スイッチを使用した。
FIG. 17 is a diagram showing circuit constants used in the simulation of the chopper circuit according to the second embodiment of the present disclosure. "PSCAD/EMTDC" was used for the simulation. The number N of semiconductor power converters 13 (number of chopper cells) provided in the
図18は、本開示の第2の実施形態によるチョッパ回路において第1の形態による交流分指令値を含む電流指令値に基づいて電流制御を行った場合に、第2の直流電圧側から第1の直流電圧側に200[kW]の電力を伝送した時におけるシミュレーション波形を示す図であって、(A)はインダクタ電流を示し、(B)は第1のスイッチ部及び第2のスイッチ部のそれぞれの両端に現れる電圧を示し、(C)は第1の直流電圧側に流れる電流を示し、(D)は第2の直流電圧側に流れる電流を示し、(E)は半導体電力変換器(チョッパセル)内のコンデンサの直流コンデンサ電圧を示す。図18(B)において、第1のスイッチ部11の両端に現れる電圧vS1を実線で示し、第2のスイッチ部12の両端に現れる電圧vS2を破線で示す。また、図18(E)において、各半導体電力変換器13(チョッパセル)の直流コンデンサ電圧vC1、vC2及びvC3をそれぞれ実線、破線、一点鎖線で示す。
18 is a diagram showing a simulation waveform when 200 [kW] of power is transmitted from the second DC voltage side to the first DC voltage side when current control is performed based on a current command value including an AC component command value according to the first form in the chopper circuit according to the second embodiment of the present disclosure, where (A) shows an inductor current, (B) shows a voltage appearing at both ends of each of the first switch unit and the second switch unit, (C) shows a current flowing on the first DC voltage side, (D) shows a current flowing on the second DC voltage side, and (E) shows a DC capacitor voltage of a capacitor in a semiconductor power converter (chopper cell). In FIG. 18(B), the voltage v S1 appearing at both ends of the
図18(A)に示すインダクタ電流iに着目すると、基本波周波数の450[Hz]及び3次波周波数の1350[Hz]の交流成分に、負の直流電流が重畳していることがわかる。図18(B)に示す第1ユニットにおける第1のスイッチ部21及び第2のスイッチ部22のそれぞれの両端に現れる電圧(半導体バルブデバイスの順方向電圧)vS1、vS2に着目すると、第1のスイッチ部21と第3のスイッチ部23との組がオン状態となるvS1=vS3=0のときは図18(C)に示すように第1の直流電圧vdc1側に流れる電流i1及び第2の直流電圧vdc2側に流れる電流i2はともにiとなり(i1=i2=i)、第2のスイッチ部22と第4のスイッチ部24との組がオン状態となる「vS1=vdc1-vdc2=900[V]」のときは図18(C)に示すように第1の直流電圧vdc1側に流れる電流i1=0、第2の直流電圧vdc2側に流れる電流i2=-iとなる。このシミュレーション結果より、式24で表される変調率dを与えることで、第1のスイッチ部21、第2のスイッチ部22、第3のスイッチ部23及び第4のスイッチ部24において、ターンオフ時及び ターンオン時いずれもソフトスイッチング動作(すなわち、流れる電流が微小な所定値以下(例えばゼロ)のタイミングでのスイッチング動作)が実現できていることがわかる。よって、第1のスイッチ部21、第2のスイッチ部22、第3のスイッチ部23及び第4のスイッチ部24においてスイッチング損失は発生しない。
Focusing on the inductor current i shown in FIG. 18A, it can be seen that a negative DC current is superimposed on the AC components of the fundamental wave frequency of 450 [Hz] and the tertiary wave frequency of 1350 [Hz]. Focusing on the voltages v S1 and v S2 (forward voltages of the semiconductor valve device) appearing at both ends of the
また、図18(C)に示すチョッパ回路2における第1の直流電圧vdc1側に流れる電流i1及び図18(D)に示すチョッパ回路2における第2の直流電圧v2側に流れる電流i2のいずれにおいても、ステップ状の電流変化は発生していない。したがって、ステップ状電流に起因する過電圧はチョッパ回路1では発生しない。
Furthermore, no step-like current change occurs in either the current i1 flowing on the first DC voltage vdc1 side in the
また、図18(E)に示すように、直流コンデンサ電圧vC1、vC2及びvC3に関しては直流分と交流分とを含み、このうち直流分は指令値である600[V]に良好に追従していることが分かる。また、交流分に関しては、450[Hz]の交流成分が存在するが、大きさは直流分と比較し十分に小さい。 18(E), the DC capacitor voltages vC1 , vC2 , and vC3 include DC and AC components, and it can be seen that the DC components closely follow the command value of 600 V. As for the AC components, an AC component of 450 Hz exists, but its magnitude is sufficiently small compared to the DC component.
図19は、本開示の第2の実施形態によるチョッパ回路において第2の形態による交流分指令値を含む電流指令値に基づいて電流制御を行った場合に、第1の直流電圧側から第2の直流電圧側に200[kW]の電力を伝送した時におけるシミュレーション波形を示す図であって、(A)はインダクタ電流を示し、(B)は第1のスイッチ部及び第2のスイッチ部のそれぞれの両端に現れる電圧を示し、(C)は第1の直流電圧側に流れる電流を示し、(D)は第2の直流電圧側に流れる電流を示し、(E)は半導体電力変換器(チョッパセル)内のコンデンサの直流コンデンサ電圧を示す。図19(B)において、第1のスイッチ部11の両端に現れる電圧vS1を実線で示し、第2のスイッチ部12の両端に現れる電圧vS2を破線で示す。また、図19(E)において、各半導体電力変換器13(チョッパセル)の直流コンデンサ電圧vC1、vC2及びvC3をそれぞれ実線、破線、一点鎖線で示す。
19 is a diagram showing a simulation waveform when 200 [kW] of power is transmitted from the first DC voltage side to the second DC voltage side when current control is performed based on a current command value including an AC component command value according to the second form in the chopper circuit according to the second embodiment of the present disclosure, where (A) shows an inductor current, (B) shows a voltage appearing at both ends of the first switch unit and the second switch unit, (C) shows a current flowing on the first DC voltage side, (D) shows a current flowing on the second DC voltage side, and (E) shows a DC capacitor voltage of a capacitor in a semiconductor power converter (chopper cell). In FIG. 19(B), the voltage v S1 appearing at both ends of the
図19(A)に示すように、インダクタ電流iに正の直流電流が重畳している。また、図18と比較して電力伝送の向きが変わった場合であっても、式39で表される位相αは変化していないことがわかる。図19(B)に示す第1のスイッチ部21及び第2のスイッチ部22のそれぞれの両端に現れる電圧(半導体バルブデバイスの順方向電圧)vS1、vS2に着目すると、第1のスイッチ部11がオン状態となるvS1=0のときは、図19(C)に示すように第1の直流電圧vdc1側に流れる電流はi1=iとなり、図19(D)に示すように第2のスイッチ部22に流れる電流はi2=iとなる。第2のスイッチ部22がオン状態となる「vS1=vdc1-vdc2=600[V]」のときは、図19(C)に示すように第1の直流電圧vdc1側に流れる電流はi1=0となり、図19(D)に示すように第2の直流電圧vdc2側に流れる電流はi2=iとなる。このシミュレーション結果より、式8で表される進み補償制御を適用し、かつ式24で表される変調率dを与えることで、第1のスイッチ部21及び第2のスイッチ部22において、ターンオフ時及び ターンオン時いずれもソフトスイッチング動作(すなわち、流れる電流が微小な所定値以下(例えばゼロ)のタイミングでのスイッチング動作)が実現できていることがわかる。第3のスイッチ部23及び第4のスイッチ部24についても同様である。よって、第1のスイッチ部21、第2のスイッチ部22、第3のスイッチ部23及び第4のスイッチ部24においてスイッチング損失は発生しない。
As shown in Fig. 19(A), a positive DC current is superimposed on the inductor current i. In addition, it can be seen that the phase α expressed by Equation 39 does not change even if the direction of power transmission is changed compared to Fig. 18. Focusing on the voltages v S1 and v S2 (forward voltages of the semiconductor valve device) appearing at both ends of the
また、図19(C)に示す第1の直流電圧vdc1側に流れる電流(第1の外部接続端子の正極側端子T1と接続点P3との間を流れる電流)i1及び図19(D)に示す第2の直流電圧vdc2側に流れる電流(接続点P4と第2の外部接続端子の正極側端子T2との間を流れる電流)i2のいずれにおいても、ステップ状の電流変化は発生していない。したがって、ステップ状電流に起因する過電圧はチョッパ回路2では発生しない。
Furthermore, no step-like current change occurs in either the current i1 flowing on the first DC voltage vdc1 side (current flowing between the positive terminal T1 of the first external connection terminal and the connection point P3 ) shown in Fig. 19(C) or the current i2 flowing on the second DC voltage vdc2 side (current flowing between the connection point P4 and the positive terminal T2 of the second external connection terminal) shown in Fig. 19 (D). Therefore, no overvoltage due to a step-like current occurs in the
また、図19(E)に示すように、直流コンデンサ電圧vC1、vC2及びvC3に関しては直流分と交流分とを含み、このうち直流分は指令値である600[V]に良好に追従していることが分かる。また、交流分は、図18(E)に示す場合に比べてより三角波状に近い形状となる。 As shown in Fig. 19(E), the DC capacitor voltages vC1 , vC2 , and vC3 include DC and AC components, and it can be seen that the DC components closely follow the command value of 600 V. The AC components have a shape closer to a triangular wave than that shown in Fig. 18(E).
図20は、本開示の第2の実施形態によるチョッパ回路において第2の形態による交流分指令値を含む電流指令値に基づいて電流制御を行った場合に、電力伝送の向きを2.2[ms]にわたって第1の直流電圧側と第2の直流電圧側とで反転された場合におけるシミュレーション波形を示す図であって、(A)インダクタ電流を示し、(B)は第1のスイッチ部及び第2のスイッチ部のそれぞれの両端に現れる電圧を示し、(C)は第1の直流電圧側に流れる電流を示し、(D)は第2の直流電圧側に流れる電流を示し、(E)は半導体電力変換器(チョッパセル)内のコンデンサの直流コンデンサ電圧を示す。図20(B)において、第1のスイッチ部21の両端に現れる電圧vS1を実線で示し、第2のスイッチ部22の両端に現れる電圧vS2を破線で示す。また、図13(E)において、各半導体電力変換器13(チョッパセル)の直流コンデンサ電圧vC1、vC2及びvC3をそれぞれ実線、破線、一点鎖線で示す。
20 is a diagram showing a simulation waveform in a case where the direction of power transmission is reversed between the first DC voltage side and the second DC voltage side for 2.2 [ms] when current control is performed based on a current command value including an AC component command value according to the second form in the chopper circuit according to the second embodiment of the present disclosure, where (A) shows an inductor current, (B) shows a voltage appearing at both ends of the first switch unit and the second switch unit, (C) shows a current flowing on the first DC voltage side, (D) shows a current flowing on the second DC voltage side, and (E) shows a DC capacitor voltage of a capacitor in a semiconductor power converter (chopper cell). In FIG. 20(B), the voltage v S1 appearing at both ends of the
図20に示すように、電力伝送の向きを2.2[ms]時点で高速に変化させた場合も、チョッパ回路2は、過電圧及び過電流を生じることなく良好に動作することがわかる。このことは、補助電力変換器19が高速な電流制御機能を有していることを示している。
As shown in FIG. 20, even when the direction of power transmission is changed rapidly at 2.2 ms, the
このように、本開示の第1及び第2の実施形態によれば、直流電流平滑化のためのフィルタ回路を必要とせず、小型かつ軽量で、演算処理が容易であり、汎用性が高いチョッパ回路を実現することができる。すなわち、図1、図3、図4及び図14に示すチョッパ回路においてスイッチ部のスイッチングを行う「ソフトスイッチング動作」を実現するために必要な「インダクタ電流が零となるタイミング」を作り出すために、インダクタ電流の制御において進み補償制御を含むPI制御法を用いるので、演算処理が容易である。また、チョッパ回路の数にかかわらず進み補償制御を含むPI制御法を適用できるので、汎用性が高い。また、インダクタ電流の電流指令値について、基本波交流成分に3次波交流成分を重畳した交流分指令値または台形波交流成分を有する交流分指令値を用いることで、第1の直流電圧側及び第2の直流電圧側のそれぞれに流れる直流電流を十分に平滑化することができるので、大型で重量のあるフィルタ回路をチョッパ回路の接続することが不要であり、チョッパ回路を含む装置の小型化及び軽量化を図ることができる。 In this way, according to the first and second embodiments of the present disclosure, a chopper circuit that does not require a filter circuit for smoothing the DC current, is small and lightweight, is easy to process, and is highly versatile can be realized. That is, in order to create the "timing at which the inductor current becomes zero" required to realize the "soft switching operation" that switches the switch unit in the chopper circuits shown in Figures 1, 3, 4, and 14, a PI control method including lead compensation control is used in controlling the inductor current, so that the calculation processing is easy. In addition, since the PI control method including lead compensation control can be applied regardless of the number of chopper circuits, it is highly versatile. In addition, by using an AC component command value in which a fundamental wave AC component is superimposed with a tertiary wave AC component or an AC component command value having a trapezoidal wave AC component for the current command value of the inductor current, the DC current flowing on each of the first DC voltage side and the second DC voltage side can be sufficiently smoothed, so that it is not necessary to connect a large and heavy filter circuit to the chopper circuit, and it is possible to reduce the size and weight of the device including the chopper circuit.
例えば、鉄道車両に設けられるチョッパ回路に本開示の第1及び第2の実施形態を適用した場合、直流電流平滑化すなわち低ノイズ化を実現することができ、鉄道車両に要求される誘導障害防止のための低ノイズ性能を達成し易くなる。また、低ノイズ性能を補完するために従来必要であったフィルタ回路(主にリアクトル)を不要としまたは低インダクタンス化することができるので、電力変換装置全体の小型化及び軽量化を図ることができる。また、チョッパ回路の出力であるの直流電流において、従来と電流実効値を得るに際して、本開示の第1及び第2の実施形態によれば電流波高値を低減できるので、パワーデバイスの選択自由度が広がるとともに、力率向上を図ることができる。本開示の第1及び第2の実施形態は鉄道車両に限らず他の移動体にも適用でき、当該移動体においても上述した効果を得ることができる。 For example, when the first and second embodiments of the present disclosure are applied to a chopper circuit installed in a railway vehicle, DC current smoothing, i.e., low noise, can be realized, and it becomes easier to achieve the low noise performance required for preventing inductive interference in railway vehicles. In addition, since the filter circuit (mainly a reactor) that was conventionally required to complement the low noise performance can be eliminated or reduced in inductance, the power conversion device as a whole can be made smaller and lighter. In addition, when obtaining the effective current value of the DC current output from the chopper circuit compared to the conventional one, the first and second embodiments of the present disclosure can reduce the current peak value, which increases the freedom of power device selection and improves the power factor. The first and second embodiments of the present disclosure can be applied not only to railway vehicles but also to other moving bodies, and the above-mentioned effects can be obtained in such moving bodies as well.
1 チョッパ回路
2 チョッパ回路
10 主電力変換器
11、11-1、11-2 第1のスイッチ部
12、12-1、12-2 第2のスイッチ部
13 半導体電力変換器
14 インダクタ
15 半導体電力変換器用制御部
16 スイッチ用制御部
19 補助電力変換器
20 主電力変換器
21 第1のスイッチ部
22 第2のスイッチ部
23 第3のスイッチ部
24 第4のスイッチ部
25 半導体電力変換器
26 インダクタ
27 半導体電力変換器用制御部
28 スイッチ用制御部
29 補助電力変換器
131 DCDCコンバータ
132 コンデンサ
REFERENCE SIGNS
Claims (9)
第1の外部接続端子を有する第1のスイッチ部と、
前記第1のスイッチ部とオン時の導通方向が揃うように前記第1のスイッチ部に対して直列に接続され、前記第1のスイッチ部が接続される側とは反対側に第2の外部接続端子を有する第2のスイッチ部と、
前記第1のスイッチ部と前記第2のスイッチ部とを接続する配線から分岐した配線上に設けられる、1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器と、
前記第1のスイッチ部と前記第2のスイッチ部とを接続する配線から分岐した配線上において、前記半導体電力変換器に対して直列に接続されるインダクタと、
直流分指令値と交流分指令値とからなる電流指令値に追従したインダクタ電流を前記半導体電力変換器から出力させる電流制御を行う半導体電力変換器用制御部と、
前記第1のスイッチ部及び前記第2のスイッチ部のうちいずれか一方をオンに制御し、他の一方をオフに制御するスイッチ用制御部であって、前記半導体電力変換器用制御部により前記半導体電力変換器が出力するインダクタ電流の値が所定値以下に制御された時に、前記第1のスイッチ部及び前記第2のスイッチ部についてのオンからオフへの切替え及びオフからオンへの切替えを実行するスイッチ用制御部と、
を備え、
前記半導体電力変換器用制御部は、前記電流制御において、前記電流指令値に対する前記インダクタ電流の位相遅れを補償するための進み補償制御を行う、チョッパ回路。 A chopper circuit for converting a voltage between a first DC voltage at a first external connection terminal and a second DC voltage at a second external connection terminal,
a first switch unit having a first external connection terminal;
a second switch section connected in series to the first switch section so that the conduction direction when the second switch section is on is aligned with that of the first switch section, and having a second external connection terminal on an opposite side to the side to which the first switch section is connected;
one or a plurality of semiconductor power converters connected in cascade to each other, the semiconductor power converters being provided on wiring branched from a wiring connecting the first switch unit and the second switch unit;
an inductor connected in series to the semiconductor power converter on a wiring branched from a wiring connecting the first switch unit and the second switch unit;
a semiconductor power converter control unit that performs current control to cause the semiconductor power converter to output an inductor current that follows a current command value including a DC component command value and an AC component command value;
a switch control unit that controls one of the first switch unit and the second switch unit to ON and controls the other to OFF, and that switches the first switch unit and the second switch unit from ON to OFF and from OFF to ON when a value of an inductor current output by the semiconductor power converter is controlled by the semiconductor power converter control unit to be equal to or lower than a predetermined value;
Equipped with
The semiconductor power converter control unit performs lead compensation control in the current control to compensate for a phase lag of the inductor current with respect to the current command value.
第1の外部接続端子を有する第1のスイッチ部と、
前記第1のスイッチ部とオン時の導通方向が揃うように前記第1のスイッチ部に対して直列に接続され、前記第1のスイッチ部が接続される側とは反対側に第2の外部接続端子を有する第2のスイッチ部と、
前記第1のスイッチ部と前記第2のスイッチ部とを接続する配線から分岐した配線上に設けられる、1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器と、
前記第1のスイッチ部と前記第2のスイッチ部とを接続する配線から分岐した配線上において、前記半導体電力変換器に対して直列に接続されるインダクタと、
直流分指令値と交流分指令値とからなる電流指令値に追従したインダクタ電流を前記半導体電力変換器から出力させる電流制御を行う半導体電力変換器用制御部と、
前記第1のスイッチ部及び前記第2のスイッチ部のうちいずれか一方をオンに制御し、他の一方をオフに制御するスイッチ用制御部であって、前記半導体電力変換器用制御部により前記半導体電力変換器が出力するインダクタ電流の値が所定値以下に制御された時に、前記第1のスイッチ部及び前記第2のスイッチ部についてのオンからオフへの切替え及びオフからオンへの切替えを実行するスイッチ用制御部と、
を備え、
前記第1のスイッチ部及び前記第2のスイッチ部は、それぞれ2個ずつ設けられ、
前記半導体電力変換器用制御部は、前記電流制御において、前記電流指令値に対する前記インダクタ電流の位相遅れを補償するための進み補償制御を行う、チョッパ回路。 A chopper circuit for converting a voltage between a first DC voltage at a first external connection terminal and a second DC voltage at a second external connection terminal,
a first switch unit having a first external connection terminal;
a second switch section connected in series to the first switch section so that the conduction direction when the second switch section is on is aligned with that of the first switch section, and having a second external connection terminal on an opposite side to the side to which the first switch section is connected;
one or a plurality of semiconductor power converters connected in cascade to each other, the semiconductor power converters being provided on wiring branched from a wiring connecting the first switch unit and the second switch unit;
an inductor connected in series to the semiconductor power converter on a wiring branched from a wiring connecting the first switch unit and the second switch unit;
a semiconductor power converter control unit that performs current control to cause the semiconductor power converter to output an inductor current that follows a current command value including a DC component command value and an AC component command value;
a switch control unit that controls one of the first switch unit and the second switch unit to ON and controls the other to OFF, and that switches the first switch unit and the second switch unit from ON to OFF and from OFF to ON when a value of an inductor current output by the semiconductor power converter is controlled by the semiconductor power converter control unit to be equal to or lower than a predetermined value;
Equipped with
The first switch unit and the second switch unit are provided in two units each,
The semiconductor power converter control unit performs lead compensation control in the current control to compensate for a phase lag of the inductor current with respect to the current command value.
オン時の導通方向が揃うように互いに直列接続される第1のスイッチ部、第2のスイッチ部、第3のスイッチ部及び第4のスイッチ部と、
前記第1のスイッチ部と前記第2のスイッチ部との接続点と、前記第3のスイッチ部と前記第4のスイッチ部との接続点と、を結ぶ配線上に設けられる、1個もしくは互いにカスケード接続された複数個の半導体電力変換器と、
前記第1のスイッチ部と前記第2のスイッチ部との接続点と、前記第3のスイッチ部と前記第4のスイッチ部との接続点と、を結ぶ配線上において、前記半導体電力変換器に対して直列に接続されるインダクタと、
直流分指令値と交流分指令値とからなる電流指令値に追従したインダクタ電流を前記半導体電力変換器から出力させる電流制御を行う半導体電力変換器用制御部と、
前記第1のスイッチ部と前記第3のスイッチ部との組及び前記第2のスイッチ部と前記第4のスイッチ部との組のうちいずれか一方の組をオンに制御し、他の一方の組をオフに制御するスイッチ用制御部であって、前記半導体電力変換器用制御部により前記半導体電力変換器が出力するインダクタ電流の値が所定値以下に制御された時に、前記第1のスイッチ部と前記第3のスイッチ部との組及び前記第2のスイッチ部と前記第4のスイッチ部との組の各組についてのオンからオフへの切替え及びオフからオンへの切替えを実行するスイッチ用制御部と、
を備え、
前記第1のスイッチ部と前記第2のスイッチ部との接続側とは反対側の端子と、前記第3のスイッチ部と前記第4のスイッチ部との接続側とは反対側の端子と、を前記一対の第1の外部接続端子とし、
前記第2のスイッチ部と前記第3のスイッチ部との接続側の端子と、前記第4のスイッチ部の、前記第3のスイッチ部に対する接続側とは反対側の端子と、を前記一対の第2の外部接続端子とし、
前記半導体電力変換器用制御部は、前記電流制御において、前記電流指令値に対する前記インダクタ電流の位相遅れを補償するための進み補償制御を行う、チョッパ回路。 A chopper circuit for converting a voltage between a first DC voltage between a pair of first external connection terminals and a second DC voltage between a pair of second external connection terminals,
a first switch section, a second switch section, a third switch section, and a fourth switch section which are connected in series to each other so that their conduction directions when turned on are aligned;
one or a plurality of semiconductor power converters connected in cascade to each other, the semiconductor power converters being provided on wiring connecting a connection point between the first switch section and the second switch section and a connection point between the third switch section and the fourth switch section;
an inductor connected in series to the semiconductor power converter on a wiring that connects a connection point between the first switch unit and the second switch unit and a connection point between the third switch unit and the fourth switch unit;
a semiconductor power converter control unit that performs current control to cause the semiconductor power converter to output an inductor current that follows a current command value including a DC component command value and an AC component command value;
a switch control unit that controls one of the pair of the first switch unit and the third switch unit and the pair of the second switch unit and the fourth switch unit to ON and controls the other pair to OFF, and that switches each of the pair of the first switch unit and the third switch unit and the pair of the second switch unit and the fourth switch unit from ON to OFF and from OFF to ON when a value of an inductor current output by the semiconductor power converter is controlled by the semiconductor power converter control unit to be equal to or lower than a predetermined value;
Equipped with
a terminal on an opposite side to a connection side between the first switch section and the second switch section, and a terminal on an opposite side to a connection side between the third switch section and the fourth switch section are defined as the pair of first external connection terminals,
a terminal on a connection side between the second switch section and the third switch section and a terminal of the fourth switch section on an opposite side to a connection side with the third switch section are defined as the pair of second external connection terminals,
The semiconductor power converter control unit performs lead compensation control in the current control to compensate for a phase lag of the inductor current with respect to the current command value.
オン時に一方向に電流を通す半導体スイッチング素子と、
該半導体スイッチング素子に逆並列に接続された帰還ダイオードと、
を有する、請求項8に記載のチョッパ回路。 Each of the semiconductor switches is
A semiconductor switching element that passes current in one direction when turned on;
a feedback diode connected in anti-parallel to the semiconductor switching element;
9. The chopper circuit of claim 8, comprising:
Priority Applications (1)
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2020
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