JP7547580B2 - トーテムポール力率改善回路及びその動作方法 - Google Patents

トーテムポール力率改善回路及びその動作方法 Download PDF

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Description

本発明は、トーテムポール力率改善回路及びその動作方法に関し、特に交流電圧に追従する位相角を制御して低速スイッチの制御信号のデューティサイクルをリアルタイムに調整するトーテムポール力率改善回路及びその動作方法に関する。
環境保護とグリーンエネルギーに対する意識の高まりに伴い、電気自動車の販売量が増える傾向と充電スタンドの建設需要量が増大する中で、充電と蓄電の仕方については電力供給の窮地に直面することになる。将来、地域の電力供給が危機に瀕したとき、大規模な電力が必要になった場合、リアルタイムで地域の電力網に電力を送り返すように手配することができる。つまり、放電機能を備えた電気自動車に双方向充放電設備を接続することで、車両の電力を高出力のエネルギー貯蔵キャビネットに戻すことができ、Ｖ２Ｘ（Ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｏ Ｅｖｅｒｙｔｈｉｎｇ）の機能を提供することができる。これは、電気自動車とスマートグリッドを組み合わせて動作する設計の主流となり、将来電気自動車の消費者が電気自動車を購入する際の主要な選択肢の一つでもある。Ｖ２Ｘは、Ｖ２Ｇ（Ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｏ Ｇｒｉｄ）、Ｖ２Ｌ（Ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｏ Ｌｏａｄ）、Ｖ２Ｈ（Ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｏ Ｈｏｍｅ）、Ｖ２Ｖ（Ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｏ Ｖｅｈｉｃｌｅ）等を含む。
一般的に、Ｖ２Ｇシステムの電力の流れ（電力潮流）は、単方向と双方向に分けられる。単方向Ｖ２Ｇ技術を用いて充電率を制御する装置は、例えば、無効電力サポート（ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｏｒｔ）、ピークロードのピークシェービング（ｐｅａｋ ｓｈａｖｉｎｇ）とバレーフィリング（ｖａｌｌｅｙ ｆｉｌｌｉｎｇ）、周波数調整、電圧調整などに多くの欠点や制限がある。一方、双方向Ｖ２Ｇの電気自動車の電池充電器は、直流（ＤＣ－ＤＣ）コンバータ及び交流直流（ＡＣ－ＤＣ）コンバータを含み、主な利点は、仮想電力・実電力支援、再生可能エネルギーの導入、グリッド過負荷の回避、故障回復、電力網損失の減少、力率調整などである。これらの機能により、双方向Ｖ２Ｇシステムは電力網の運用により多くの可能性を提供することができる。双方向Ｖ２Ｇシステムでは、電気自動車がエネルギー供給・貯蔵の役割も果たすため、再生可能エネルギーの不安定さに起因する問題にも適切に対応することができる。
トーテムポール（Ｔｏｔｅｍ Ｐｏｌｅ）回路は、単相充電によく使われる構造であり、力率改善（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ、ＰＦＣ）回路にもよく使われる構造である。この構造は、低速レグスイッチとしてトランジスタスイッチＱＡ、ＱＢを使用し、高速レグスイッチとしてトランジスタスイッチＱ１、Ｑ２を使用する。ここで、低速レグスイッチ（トランジスタスイッチＱＡ、ＱＢ）は、商用電力周波数に応じて制御され、高速レグスイッチ（トランジスタスイッチＱ１、Ｑ２）は、スイッチング周波数に応じて高周波制御される。
図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ従来のトーテムポール回路の単相充電モード及び単相放電モードを示す回路図である。一般的な充電モードで動作する場合、図１Ａに示すように交流電圧ＶＡＣを入力電圧とし、交流電圧ＶＡＣが正の半周期のとき、低速レグのトランジスタスイッチＱＢがオンになり、トランジスタスイッチＱ１、Ｑ２は現在のデューティサイクルに従って急速に切り替えられる。このとき、電圧ずれやその他の要因によりトランジスタスイッチＱＢのターンオン遅延があった場合、この充電モードでは、トランジスタスイッチＱＢのバイパスダイオードがオンすることで、電流が流れ続けることができる。
放電モードで動作する場合、図１Ｂに示すように交流電圧ＶＡＣを出力電圧とし、交流電圧ＶＡＣが正の半周期のとき、トランジスタスイッチＱＢのターンオン遅延があった場合、充電モードと異なり（充電モードでは、トランジスタスイッチＱＢのバイパスダイオードにより電流が流れ続ける）、放電モードでは、トランジスタスイッチＱＢのバイパスダイオードがオフになるため、電流が流れ続けない。
上述したように、放電モードでは、トランジスタスイッチＱＢのバイパスダイオードに電流カットオフの問題があるため、一般的な電気自動車製品は、Ｖ２Ｌ、Ｖ２Ｇ及びその他の放電モードで使用される場合、いずれも誘導性デバイス及び／又は容量性デバイス、及び商用電力の仮想電力需要があるため、電圧と電流の位相角ずれが生じる。そのため、一般的なトーテムポール回路構造は、充電モードでしか適用できず、放電モードでの負荷需要を満たすことができない。
単相双方向（充電及び放電モード）機能を備えた製品を例にとると、適用製品のＥＭＣ回路にはＸ容量（Ｘ－ｃａｐ）があるので、無負荷の条件下で容量性負荷と等価である。このとき、トーテムポールコンバータを標準モードで制御すると、低速レグのトランジスタスイッチＱＢのターンオン時間が遅延し、電流の不連続な遮断を引き起こすことがある。実際に電気自動車の製品に適用する場合、Ｖ２ＧやＶ２Ｌの条件下で動作し、誘導性負荷又は容量性負荷があると、同様の状況が発生する可能性がある。このような状況が発生すると、交流負荷への損傷に加え、電力網に対応するＶ２Ｇの動作条件下で、電力品質にも深刻な影響を及ぼす可能性がある。
図２は、従来のトーテムポール回路動作の制御信号の波形図である。Ｖ２Ｌモードでの制御を例にとると、通常の動作では、すなわち負荷による電圧ずれが生じない場合、トーテムポール回路は標準的な制御信号となる（図２のＴ１区間）。しかしながら、出力された交流電圧ＶＡＣが負荷（誘導性又は容量性）の影響により位相ずれが生じる場合（図２のＴ１区間からＴ２区間に入るとき）、つまり、出力された交流電圧ＶＡＣが連続していないため、実際のコントローラ出力制御量ＳＤ及び低速レグのトランジスタスイッチＱＢの制御信号ＱＢＰＷＭは、いずれも基準角度が変化するために歪んで、正常な制御動作に影響を与え、正常なエネルギーを交流側に出力（伝送）することができない。負荷をかけた後の重負荷状態で動作する場合でも、過電流保護（ＯＣＰ）又は過電圧保護（ＯＶＰ）がトリガされて、システムのシャットダウン（ｓｈｕｔｄｏｗｎ）が発生しやすくなる。
そこで、従来技術の問題やボトルネックを解決するためのトーテムポール力率改善回路及びその動作方法をどのように設計することは、業界にとって重要な課題である。
本発明の一つの目的は、従来技術の問題を解決するトーテムポール力率改善回路を提供することである。
本発明の他の目的は、従来技術の問題を解決するトーテムポール力率改善回路の動作方法を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明に係るトーテムポール力率改善回路は、それぞれ高速上スイッチと高速下スイッチとを含む少なくとも１つの高速レグと、前記少なくとも１つの高速レグに並列に接続され、低速上スイッチと低速下スイッチとを含む低速レグと、 位相角を有する交流電圧を受ける制御ユニットと、を含み、前記制御ユニットは、前記位相角を受信する電流検出回路と、前記位相角を受信する電圧検出回路と、前記電流検出回路と前記電圧検出回路とに接続される制御回路と、を含み、前記制御回路は、第１制御信号群と第２制御信号群を生成し、前記第１制御信号群は、前記高速上スイッチ及び前記高速下スイッチを交互にスイッチング動作させ、前記第２制御信号群は、前記低速上スイッチ及び前記低速下スイッチを交互にスイッチング動作させ、直流電源を交流電源に変換するのに用いられる場合、前記制御回路は、前記位相角により、前記第２制御信号群のデューティサイクルを調整して前記低速上スイッチ及び前記低速下スイッチをそれぞれオン又はオフさせるように制御する。
上記目的を達成するために、本発明に係るトーテムポール力率改善回路の動作方法は、直流電源を交流電源に変換するのに用いられる際に、少なくとも１つの高速レグの高速上スイッチ及び高速下スイッチを交互にスイッチング動作させる第１制御信号群を生成することと、低速レグの低速上スイッチ及び低速下スイッチを交互にスイッチング動作させる第２制御信号群を生成することと、前記位相角に追従するように前記第２制御信号群を制御し、前記低速上スイッチ及び前記低速下スイッチをそれぞれオン又はオフさせるように前記第２制御信号群のデューティサイクルをリアルタイムに調整することと、を含む。
本発明に係るトーテムポール力率改善回路及びその動作方法によれば、リアルタイム角度制御の設計により、従来の直流電源を交流電源に変換する放電モードの動作に適用できないトーテムポール回路の構造を、電気自動車の単相と三相の交流電圧の動作にも有効に適用することができる。また、本発明に係るトーテムポール力率改善回路は、全（幅広い）電圧範囲の動作に適用することができる。
本発明の目的を達成するためになされた本発明の技術、手段、及び効果をより良く理解するために、本発明の目的及び特徴は、本発明の詳細な説明及び添付図面を参照することによってより良く理解されると考えられるが、添付図面は、参照及び説明のみを提供するものであり、本発明を限定するものではない。
従来のトーテムポール回路の単相充電モードを示す回路図である。 従来のトーテムポール回路の単相放電モードを示す回路図である。 従来のトーテムポール回路動作の制御信号の波形図である。 本発明に係る単相トーテムポール力率改善回路のブロック図である。 本発明に係る三相トーテムポール力率改善回路のブロック図である。 本発明に係る制御ユニットのブロック図である。 本発明に係るトーテムポール回路動作の制御信号の波形図である。 図４の具体的な回路ブロック図である。 トーテムポール力率改善回路の動作方法を示すフローチャートである。
本発明の技術的内容及び詳細な説明について、図面を参照しながら以下に説明する。
本発明は、双方向トーテムポール力率改善回路に適用される、位相ロックを動的に調整して交流電圧角度をロックする制御構造方法であり、リアルタイム角度制御の設計により、従来の直流電源を交流電源に変換する放電モードの動作に適用できないトーテムポール回路の構造を、電気自動車の単相と三相の交流電圧の動作にも有効に適用することができる。
図３及び図４は、本発明に係る単相トーテムポール力率改善回路、及び三相トーテムポール力率改善回路の回路ブロック図である。同図を参照すると、トーテムポール力率改善回路は、交流電源を直流電源に変換するために用いられ、少なくとも１つの高速レグ（高速スイッチングレグとも称する）と、低速レグ（低速スイッチングレグとも称する）と、制御ユニット１００とを含む。図３に示す単相構造において、トーテムポール力率改善回路は、高速レグＬｇ１と、低速レグＬｇ２と、制御ユニット１００とを含む。図４に示す三相構造において、トーテムポール力率改善回路は、３組の高速レグＬｇ１１－Ｌｇ１３（すなわち第１高速レグＬｇ１１、第２高速レグＬｇ１２及び第３高速レグＬｇ１３である）と、低速レグＬｇ２と、制御ユニット１００とを含む。
図３に示す単相構造において、高速レグＬｇ１は、高速上スイッチＱ１と高速下スイッチＱ２とを含む。高速上スイッチＱ１と高速下スイッチＱ２との共通接続点は、入力インダクタＬに接続され、入力インダクタＬを介して交流電圧Ｖａｃに接続される。すなわち、高速レグＬｇ１は、入力インダクタＬを介して交流電圧Ｖａｃに接続される。
低速レグＬｇ２は、高速レグＬｇ１に並列に接続され、低速上スイッチＱＡと低速下スイッチＱＢとを含む。つまり、低速レグＬｇ２は、交流電圧Ｖａｃに直接接続され、商用電源の周波数（すなわち、交流電圧Ｖａｃの周波数）によって制御される。
図４に示す三相構造において、第１高速レグＬｇ１１は、第１高速上スイッチＱ１と第１高速下スイッチＱ２とを含み、第２高速レグＬｇ１２は第２高速上スイッチＱ３と第２高速下スイッチＱ４とを含み、第３高速レグＬｇ１３は第３高速上スイッチＱ５と第３高速下スイッチＱ６とを含む。第１高速上スイッチＱ１と第１高速下スイッチＱ２との共通接続点は、第１入力インダクタＬ１に接続され、第１入力インダクタＬ１を介して交流電圧Ｖａｃの第１相（例えばＲ相）に接続される。第２高速上スイッチＱ３と第２高速下スイッチＱ４との共通接続点は、第２入力インダクタＬ２に接続され、第２入力インダクタＬ２を介して交流電圧Ｖａｃの第２相（例えばＳ相）に接続される。第３高速上スイッチＱ５と第３高速下スイッチＱ６との共通接続点は、第３入力インダクタＬ３に接続され、第３入力インダクタＬ３を介して交流電圧Ｖａｃの第３相（例えばＴ相）に接続される。つまり、第１高速レグＬｇ１１、第２高速レグＬｇ１２及び第３高速レグＬｇ１３は、それぞれ第１入力インダクタＬ１、第２入力インダクタＬ２及び第３入力インダクタＬ３を介して交流電圧Ｖａｃに接続される。
低速レグＬｇ２は、第１高速レグＬｇ１１と、第２高速レグＬｇ１２と、第３高速レグＬｇ１３とに並列に接続され、低速上スイッチＱＡと低速下スイッチＱＢとを含む。つまり、低速レグＬｇ２は、交流電圧Ｖａｃに直接接続され、商用電源の周波数（すなわち、交流電圧Ｖａｃの周波数）によって制御される。
図３に示す単相構成及び図４に示す三相構成において、制御ユニット１００は、位相角θＶを有する交流電圧Ｖａｃを受ける。具体的には、制御ユニット１００は、電流検出回路１０１と、電圧検出回路１０２と、制御回路１０３とを含む。電流検出回路１０１は、交流電圧Ｖａｃを受け、位相同期回路ＰＬＬ（ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ、図５参照）を介して交流電圧Ｖａｃの位相角θＶを知る。同様に、電圧検出回路１０２は、交流電圧Ｖａｃを受け、位相同期回路ＰＬＬを介して交流電圧Ｖａｃの位相角θＶを知る。
制御回路１０３は、電流検出回路１０１と電圧検出回路１０２とに接続される。制御回路１０３は、高速上スイッチＱ１／Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５及び高速下スイッチＱ２／Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６を交互にスイッチング動作させる第１制御信号群ＳＱ１、ＳＱ２／ＳＱ１～ＳＱ６を生成し、かつ低速上スイッチＱＡ及び低速下スイッチＱＢを交互にスイッチング動作させる第２制御信号群ＳＱＡ、ＳＱＢを生成する。
すなわち、単相構造では（図３に示す）、制御回路１０３によって生成される第１制御信号群は、それぞれ高速上スイッチＱ１及び高速下スイッチＱ２を制御する高速上スイッチ制御信号ＳＱ１及び高速下スイッチ制御信号ＳＱ２を含み、制御回路１０３によって生成される第２制御信号群は、それぞれ低速上スイッチＱＡ及び低速下スイッチＱＢを制御する低速上スイッチ制御信号ＳＱＡ及び低速下スイッチ制御信号ＳＱＢを含む。
同様に、三相構造では（図４に示す）、制御回路１０３によって生成される第１制御信号群は、それぞれ高速上スイッチＱ１、Ｑ３、Ｑ５及び高速下スイッチＱ２、Ｑ４、Ｑ６を制御する高速上スイッチ制御信号ＳＱ１、ＳＱ３、ＳＱ５及び高速下スイッチ制御信号ＳＱ２、ＳＱ４、ＳＱ６を含み、制御回路１０３によって生成される第２制御信号群は、それぞれ低速上スイッチＱＡと低速下スイッチＱＢを制御する低速上スイッチ制御信号ＳＱＡ及び低速下スイッチ制御信号ＳＱＢを含む。
図５及び図７は、本発明に係る制御ユニットのブロック図、及び図４の具体的な回路ブロック図である。同図を参照すると、制御回路１０３は、交流電圧Ｖａｃの上記位相角θＶに追従するように第２制御信号群を制御し、低速上スイッチＱＡ及び低速下スイッチＱＢをそれぞれオン又はオフさせるように第２制御信号群のデューティサイクルをリアルタイムに調整することにより、誘導性負荷又は容量性負荷に起因する出力電圧Ｖａｃの位相角のずれを補償して、低速上スイッチＱＡ又は低速下スイッチＱＢを位相ロックする。これにより、リアルタイム角度制御の設計により、従来の直流電源を交流電源に変換する放電モードの動作に適用できないトーテムポール回路の構造を、電気自動車の単相と三相の交流電圧の動作にも有効に適用させることができる。具体的な動作は後述する。
前述したように、制御ユニット１００は、位相角θＶを有する正弦波の交流電圧Ｖａｃを受け、位相同期回路ＰＬＬを介してシータ（ｔｈｅｔａ）又は単位正弦波（ｕｎｉｔ ｓｉｎｅ）に解析し、後段制御で参照できるようにする。図５に示すように、位相角θＶのシータ値は、電流検出回路１０１及び電圧検出回路１０２を介して受信されるか、又はｕｎｉｔ ｓｉｎｅ値に変換され、その後、制御回路１０３によって制御され、スイッチのデューティサイクルを制御するために、トーテムポールレギュレーター（Ｔｏｔｅｍ Ｐｏｌｅ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）及びゼロクロスソフトスタート（ｚｅｒｏ－ｃｒｏｓｓ ｓｏｆｔ－ｓｔａｒｔ）部によってパルス波幅変調（ＰＷＭ）信号の出力が提供される。したがって、交流電圧Ｖａｃの位相に誘導性負荷又は容量性負荷がある場合、トーテムポール較正ユニットにより、位相ロック動作を実現し、位相補償（出力電圧Ｖａｃの位相角のずれ度合いを補償する）を提供することで、パルス幅変調信号は安全（正常）モードで制御され、スイッチは正常に制御され、エネルギーは正常に交流側に伝送されることができる。
図６は、本発明に係るトーテムポール回路動作の制御信号の波形図である。図２と比較すると、本発明に係るトーテムポール力率改善回路の制御補償メカニズムにより、出力電圧Ｖａｃの位相角がずれても、スイッチの正常なスイッチング制御を行うように制御信号ＱＢ ＰＷＭを維持できることがわかる。これにより、出力電圧Ｖａｃの位相角に追従するように制御信号ＱＢ ＰＷＭを制御することで、低速スイッチの制御信号のデューティサイクルをリアルタイムに調整することができる。図６に示す動作において、Ｔ２区間の始点では、出力電圧Ｖａｃの位相角が本来９０度であるはずであり、誘導性負荷又は容量性負荷による位相角のずれ（図６ではＴ１区間からＴ２区間に入る）が０度から始まるため、制御信号ＱＢ ＰＷＭは、出力電圧Ｖａｃの０度から始まる正の半周期に追従し、オン状態又は高レベル状態のデューティサイクル（デューティ比とも称する）を提供する。そのため、出力電圧Ｖａｃが正の半周期のとき、オン状態を維持し続ける。出力電圧Ｖａｃが負の半周期に入ると、制御信号ＱＢ ＰＷＭはオフ（ｏｆｆ）状態又は低レベル状態となる。これにより、制御信号ＱＢ ＰＷＭのデューティサイクルを制御可能とすることで、低速上スイッチＱＡ及び低速下スイッチＱＢをブリッジ（ブリッジ整流）制御として用いることが可能となる。
異なる動作において、例えば、Ｔ２区間の始点では、出力電圧Ｖａｃの位相角がずれて４５度から始まる場合、制御信号ＱＢ ＰＷＭが出力電圧Ｖａｃの４５度から始まる正の半周期に追従し、オン状態又は高レベル状態のデューティサイクルが提供される。そのため、出力電圧Ｖａｃが正の半周期のとき、オン状態を維持し続ける。出力電圧Ｖａｃが負の半周期に入ると、制御信号ＱＢ ＰＷＭはオフ（ｏｆｆ）状態又は低レベル状態となる。このように、制御信号ＱＢ ＰＷＭのデューティサイクルを制御可能とすることで、低速上スイッチＱＡ及び低速下スイッチＱＢをブリッジ（ブリッジ整流）制御として用いることが可能となる。
言い換えると、制御回路１０３は、交流電圧Ｖａｃが正の半周期のとき、低速上スイッチ制御信号ＳＱＡのデューティサイクルをリアルタイムに調整し、交流電圧Ｖａｃが負の半周期のとき、低速下スイッチ制御信号ＳＱＢのデューティサイクルをリアルタイムに調整する。具体的には、制御回路１０３は、位相角θＶがずれた後の第１（最初）の正の半周期における低速上スイッチ制御信号ＳＱＡのデューティサイクルをリアルタイムに調整するか、又は、位相角θＶがずれた後の第１（最初）の負の半周期における低速下スイッチ制御信号ＳＱＢのデューティサイクルをリアルタイムに調整する。それで、第２の正の半周期又は第２の負の半周期の後に、低速上スイッチ制御信号ＳＱＡ及び低速下スイッチ制御信号ＳＱＢは５０％のデューティサイクルを維持して、低速上スイッチＱＡと低速下スイッチＱＢに制御を行う。
本実施形態において、制御回路１０３は、三相電気座標（ｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ）系（ａｂｃ座標系）の時間領域成分を直交回転二軸座標系（ｄｑ座標系）に変換するパーク変換（Ｐａｒｋ’ｓ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）演算を行うため、交流電流及び電圧波形を直流信号に変換することを実現でき、計算を簡約化することができる。例えば、パーク変換は、ａ、ｂ、ｃの三相交流電圧（交流電圧Ｖａｃ）を、回転する直軸（ｄ軸；Ｄｉｒｅｃｔ ａｘｉｓ）、横軸（ｑ軸；Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ ａｘｉｓ）、及びｄ－ｑ平面に垂直なゼロ軸（０軸）に投影することができ、交流電流及び／又は電圧波形を直流信号に変換して計算を簡略化することができる。
図８は、トーテムポール力率改善回路の動作方法を示すフローチャートである。同図に示すように、トーテムポール力率改善回路は、主に少なくとも１つの高速レグと、低速レグと、制御ユニットとを含む。具体的な回路構成については、前述の内容を参照することができるため、ここでは省略する。本発明の動作方法は、以下のステップを含む。まず、少なくとも１つの高速レグの高速上スイッチ及び高速下スイッチを交互にスイッチング動作させる第１制御信号群を生成する（Ｓ１０）。その後、低速レグの低速上スイッチ及び低速下スイッチを交互にスイッチング動作させる第２制御信号群を生成する（Ｓ２０）。最後に、交流電圧の位相角に追従するように第２制御信号群を制御し、低速上スイッチ及び低速下スイッチをそれぞれオン又はオフさせるように第２制御信号群のデューティサイクルをリアルタイムに調整する（Ｓ３０）。このように、誘導性負荷又は容量性負荷による出力電圧の位相角のずれが生じた場合、出力電圧の開始角度（例えば、０度、４５度、又はその他の角度）からの出力電圧の正の半周期に追従するように、低速上スイッチ及び低速下スイッチを制御する制御信号を制御し、オン（ｏｎ）状態又は高レベル状態のデューティサイクル（デューティ比とも称する）を提供する。そのため、出力電圧が正の半周期のとき、オン状態を維持し続ける。出力電圧が負の半周期に入ると、制御信号はオフ（ｏｆｆ）状態又は低レベル状態となる。これにより、制御信号のデューティサイクルを制御可能とすることで、低速上スイッチ及び低速下スイッチをブリッジ（ブリッジ整流）制御として用いることが可能となる。
以上をまとめると、本発明の特徴と利点は次の通りである。
（１）制御回路１０３は、交流電圧Ｖａｃの上記位相角θＶに追従するように第２制御信号群を制御し、低速上スイッチＱＡと低速下スイッチＱＢをそれぞれオン又はオフさせるように第２制御信号群のデューティサイクルを動態に調整することにより、誘導性負荷又は容量性負荷に起因する電圧の位相角のずれを補償して、低速上スイッチＱＡ又は低速下スイッチＱＢを位相ロックする。これにより、リアルタイム角度制御の設計により、従来の直流電源を交流電源に変換する放電モードの動作に適用できないトーテムポール回路の構造を、電気自動車の単相と三相の交流電圧の動作にも有効に適用させることができる。
（２）本発明に係るトーテムポール力率改善回路は、全（幅広い）電圧範囲の動作に適用することができる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもなく、本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の全ての範囲は以下の特許請求の範囲に基づくものであり、本発明の特許請求の範囲に合致する精神とその類似の変形例は、本発明の範囲に含まれるべきであり、当業者であれば、本発明の技術的範囲内において、容易に思いつくことができ、また、その変形例や修正例も、以下の特許請求の範囲に含まれる。
Ｌｇ１、Ｌｇ１１～Ｌｇ１３ 高速レグ
Ｌｇ２ 低速レグ
Ｑ１、Ｑ３、Ｑ５ 高速上スイッチ
Ｑ２、Ｑ４、Ｑ６ 高速下スイッチ
ＱＡ 低速上スイッチ
ＱＢ 低速下スイッチ
ＳＱ１、ＳＱ３、ＳＱ５ 高速上スイッチ制御信号
ＳＱ２、ＳＱ４、ＳＱ６ 高速下スイッチ制御信号
ＳＱＡ 低速上スイッチ制御信号
ＳＱＢ 低速下スイッチ制御信号
Ｌ インダクタ
Ｌ１ 第１インダクタ
Ｌ２ 第２インダクタ
Ｌ３ 第３インダクタ
１００ 制御ユニット
１０１ 電流検出回路
１０２ 電圧検出回路
１０３ 制御回路
θＶ 位相角
ＶＡＣ、Ｖａｃ 交流電圧

Claims (10)

  1. トーテムポール力率改善回路であって、
    それぞれ高速上スイッチと高速下スイッチとを含む少なくとも１つの高速レグと、
    前記少なくとも１つの高速レグに並列に接続され、低速上スイッチと低速下スイッチとを含む低速レグと、
    位相角を有する交流電圧を受ける制御ユニットと、を含み、
    前記制御ユニットは、
    前記位相角を受信する電流検出回路と、
    前記位相角を受信する電圧検出回路と、
    前記電流検出回路と前記電圧検出回路とに接続される制御回路と、を含み、
    前記制御回路は、第１制御信号群と第２制御信号群を生成し、
    前記第１制御信号群は、前記高速上スイッチ及び前記高速下スイッチを交互にスイッチング動作させ、
    前記第２制御信号群は、前記低速上スイッチ及び前記低速下スイッチを交互にスイッチング動作させ、
    直流電源を交流電源に変換するのに用いられる場合、前記制御回路は、前記位相角により、前記第２制御信号群のデューティサイクルを調整して前記低速上スイッチ及び前記低速下スイッチをそれぞれオン又はオフさせるように制御する、トーテムポール力率改善回路。
  2. 単相構造において、
    前記高速レグは、前記高速上スイッチと高速下スイッチとを含み、
    前記高速上スイッチと前記高速下スイッチとの共通接続点は、入力インダクタに接続され、前記入力インダクタを介して前記交流電圧に接続され、
    前記低速レグは、前記高速レグに並列に接続され、前記低速上スイッチと前記低速下スイッチとを含む、請求項１に記載のトーテムポール力率改善回路。
  3. 三相構造において、
    前記高速レグは、第１高速レグと、第２高速レグと、第３高速レグとを含み、
    前記第１高速レグは、第１高速上スイッチと第１高速下スイッチとを含み、前記第２高速レグは、第２高速上スイッチと第２高速下スイッチとを含み、前記第３高速レグは、第３高速上スイッチと第３高速下スイッチとを含み、
    前記第１高速上スイッチと前記第１高速下スイッチとの共通接続点は、第１入力インダクタに接続され、前記第１入力インダクタを介して前記交流電圧の第１相に接続され、
    前記第２高速上スイッチと前記第２高速下スイッチとの共通接続点は、第２入力インダクタに接続され、前記第２入力インダクタを介して前記交流電圧の第２相に接続され、
    前記第３高速上スイッチと前記第３高速下スイッチとの共通接続点は、第３入力インダクタに接続され、前記第３入力インダクタを介して前記交流電圧の第３相に接続され、
    前記低速レグは、前記高速レグに並列に接続され、前記低速上スイッチと前記低速下スイッチとを含む、請求項１に記載のトーテムポール力率改善回路。
  4. 前記トーテムポール力率改善回路は、交流電源を直流電源に変換するのに用いられる場合、各前記少なくとも１つの高速レグの前記高速上スイッチ及び前記高速下スイッチは力率改善の制御スイッチとし、かつ前記低速上スイッチ及び前記低速下スイッチはブリッジ整流の制御スイッチとする、請求項１に記載のトーテムポール力率改善回路。
  5. 前記交流電圧を受け、前記位相角を同期して制御する位相同期回路をさらに含む、請求項１に記載のトーテムポール力率改善回路。
  6. 前記第２制御信号群は、前記低速上スイッチを制御するための低速上スイッチ制御信号と前記低速下スイッチを制御するための低速下スイッチ制御信号とを含み、
    前記制御回路は、前記交流電圧が正の半周期のとき、前記低速上スイッチ制御信号のデューティサイクルをリアルタイムに調整し、前記交流電圧が負の半周期のとき、前記低速下スイッチ制御信号のデューティサイクルをリアルタイムに調整する、請求項１に記載のトーテムポール力率改善回路。
  7. 前記制御回路は、前記位相角がずれた後の第１の正の半周期における前記低速上スイッチ制御信号のデューティサイクルをリアルタイムに調整するか、又は、前記位相角がずれた後の第１の負の半周期における前記低速下スイッチ制御信号のデューティサイクルをリアルタイムに調整する、請求項６に記載のトーテムポール力率改善回路。
  8. 前記制御回路は、前記交流電圧を三相電気座標から二軸座標に変換するパーク変換を行う、請求項１に記載のトーテムポール力率改善回路。
  9. 前記第１制御信号群及び前記第２制御信号群はパルス幅変調信号である、請求項１に記載のトーテムポール力率改善回路。
  10. 前記制御ユニットは、
    前記制御回路に接続されるトーテムポールレギュレーターと、
    前記トーテムポールレギュレーターに接続されるゼロクロスソフトスタート部と、をさらに含む、請求項１に記載のトーテムポール力率改善回路。
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