JPWO2015045485A1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
以下、この発明の実施の形態1について説明する。
図1は、この発明の実施の形態1による電力変換装置の概略構成図である。図1に示すように、電力変換装置は、交流電源1の交流電力を直流電力に変換して出力するための主回路と制御回路10とを備える。
なお、第1スイッチング素子6a、第2スイッチング素子7aは、IGBT以外でも、ソース・ドレイン間にダイオードが内蔵されたMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等の半導体スイッチング素子でもよい。
制御回路10は、検出された直流コンデンサ電圧Vc1、平滑コンデンサ電圧Vc2と、交流電源電圧Vac、および電流Icに基づいて、平滑コンデンサ電圧Vc2が設定された一定電圧である目標電圧Vc2*になるように、ゲート信号G1、G2を生成して、第1スイッチング素子6a、第2スイッチング素子7aをオンオフ制御し、スイッチング部100を出力制御する。
整流回路200は、交流電源1からの入力電力を全波整流し、スイッチング部100は、第1スイッチング素子6a、第2スイッチング素子7aのオンオフ動作により直流コンデンサ8の充放電を利用して平滑コンデンサ9に直流電力を出力する。
制御回路10は、交流電源1からの入力力率が概1になるように電流Icを制御し、かつ平滑コンデンサ9の電圧が目標電圧Vc2*になるように、高周波PWM(pulse width modulation)制御により第1スイッチング素子6a、第2スイッチング素子7aをオンオフさせてスイッチング部100を出力制御する。またこの出力制御において、直流コンデンサ8の充放電量を調整して直流コンデンサ電圧Vc1を一定の指令値Vc1*に制御する。以下、単に電流制御と称する場合、交流電源1からの入力力率が概1になるように電流Icを制御することを指す。
出力段の平滑コンデンサ電圧Vc2は、交流電源電圧Vacのピーク電圧より高く、スイッチング部100は昇圧するものである。また、直流コンデンサ電圧Vc1の指令値Vc1*は、平滑コンデンサ9の目標電圧Vc2*の1/2に設定されている。
また、図6は、第2制御モードにおける、第1スイッチング素子6a、第2スイッチング素子7aの各ゲート信号G1、G2と、電流Icと、直流コンデンサ電圧Vc1との各波形図である。また、図7〜図9は、第2制御モードにおける電力変換装置の動作を説明する電流経路図である。
また、図2、図6の波形図は、平滑コンデンサ電圧Vc2が目標電圧Vc2*に制御されて一定である状態を示す。
図2に示すように、第1スイッチング素子6aを位相0でオンさせ第2位相βでオフさせ、第2スイッチング素子7aを位相(T/2)でオンさせ第1位相αでオフさせる。即ち、第1スイッチング素子6aは、位相0を基準位相として位相0〜第2位相βまでの第1オン期間でオンし、第2スイッチング素子7aは、位相(T/2)を基準位相として、位相(T/2)〜第1位相αまでの第2オン期間でオンする。このとき、第1オン期間、第2オン期間の長さは、それぞれ半周期(T/2)以上である。
なお、位相(T/2)〜第1位相αとは、位相0〜第1位相αと位相(T/2)〜位相Tとを合わせた期間であるが、繰り返し周期では連続した期間であるため、位相(T/2)〜第1位相αと表す。
以上のように、制御回路10は、駆動周期の1周期を4つの期間に分割して3種の制御を組み合わせることにより、第1スイッチング素子6a、第2スイッチング素子7aをオンオフ制御して、電流Icと直流コンデンサ電圧Vc1とを増減させる。
図6に示すように、第1スイッチング素子6aを位相0でオフさせ第2位相βでオンさせ、第2スイッチング素子7aを位相(T/2)でオフさせ第1位相αでオンさせる。即ち、第1スイッチング素子6aは、位相0を基準位相として第2位相β〜位相0(=T)までの第1オン期間でオンし、第2スイッチング素子7aは、位相(T/2)を基準位相として、第1位相α〜位相(T/2)までの第2オン期間でオンする。このとき、第1オン期間、第2オン期間の長さは、それぞれ半周期(T/2)以下である。
以上のように、制御回路10は、第2制御モードにおいても、駆動周期の1周期を4つの期間に分割して3種の制御を組み合わせることにより、第1スイッチング素子6a、第2スイッチング素子7aをオンオフ制御して、電流Icと直流コンデンサ電圧Vc1とを増減させる。
直流コンデンサ電圧Vc1が平滑コンデンサ電圧Vc2の1/2よりも低い場合、第2制御モードにおける第4期間(図9参照)において、電圧│Vac│と直流コンデンサ電圧Vc1との和が、平滑コンデンサ電圧Vc2より低くなることがあり、リアクトル3により電流Icを信頼性良く増加させることができない。また、直流コンデンサ電圧Vc1が平滑コンデンサ電圧Vc2の1/2よりも高い場合、第1制御モードにおける第2期間(図4参照)において、電圧│Vac│と直流コンデンサ電圧Vc1との和が、平滑コンデンサ電圧Vc2より高くなることがあり、リアクトル3により電流Icを信頼性良く減少させることができない。
このため、直流コンデンサ電圧Vc1が平滑コンデンサ電圧Vc2の1/2に制御されるように、直流コンデンサ電圧Vc1の指令値Vc1*を、平滑コンデンサ9の目標電圧Vc2*の1/2に設定する。
まず、第1制御モードにおける電流Icの増減調整および直流コンデンサ電圧Vc1の増減調整について、図2を参照して説明する。
第1位相αを増加させて位相(T/2)に近づけると、第1期間が延長され第2期間が短縮される。このとき第2位相βは変化させない。電流Icについては、増加期間が延長され減少期間が短縮されて、電流Icは増加する。また直流コンデンサ電圧Vc1については、変動しない期間が延長され低下期間が短縮される。このとき直流コンデンサ電圧Vc1の増加期間(第4期間)は変化しないため、1周期内の直流コンデンサ電圧Vc1の平均電圧(以下、平均直流コンデンサ電圧Vc1と称す)は増加する。
第1位相αを減少させて位相0に近づけると、第1期間が短縮され第2期間が延長される。このとき第2位相βは変化させない。電流Icについては、増加期間が短縮され減少期間が延長されて、電流Icは減少する。また直流コンデンサ電圧Vc1については、変動しない期間が短縮され低下期間が延長され、平均直流コンデンサ電圧Vc1は低下する。
また第1位相α、第2位相βの選択は、直流コンデンサ電圧Vc1に応じて行う。
電流Icを増加させる際に平均直流コンデンサ電圧Vc1を増加させるには、第1位相αを選択して増加させる。また、電流Icを減少させる際に平均直流コンデンサ電圧Vc1を増加させるには、第2位相βを選択して減少させる。これにより、第1オン期間と第2オン期間との比率(第1オン期間/第2オン期間)を低下させて、平均直流コンデンサ電圧Vc1を増加させる。
また電流Icを増加させる際に平均直流コンデンサ電圧Vc1を低下させるには、第2位相βを選択して増加させる。また、電流Icを減少させる際に平均直流コンデンサ電圧Vc1を低下させるには、第1位相αを選択して減少させる。これにより、比率(第1オン期間/第2オン期間)を増加させて、平均直流コンデンサ電圧Vc1を低下させる。
第1位相αを増加させて位相(T/2)に近づけ、このとき第2位相βは変化させない。これにより、電流Icは減少し、平均直流コンデンサ電圧Vc1は低下する。
第2位相βを増加させて位相Tに近づけ、このとき第1位相αは変化させない。これにより、電流Icは減少し、平均直流コンデンサ電圧Vc1は増加する。
第1位相αを減少させて位相0に近づけ、このとき第2位相βは変化させない。これにより、電流Icは増加し、平均直流コンデンサ電圧Vc1は増加する。
第2位相βを減少させて位相(T/2)に近づけ、このとき第1位相αは変化させない。これにより、電流Icは増加し、平均直流コンデンサ電圧Vc1は低下する。
また第1位相α、第2位相βの選択は、直流コンデンサ電圧Vc1に応じて行う。
電流Icを増加させる際に平均直流コンデンサ電圧Vc1を増加させるには、第1位相αを選択し、電流Icを減少させる際に平均直流コンデンサ電圧Vc1を増加させるには、第2位相βを選択する。これにより、比率(第1オン期間/第2オン期間)を低下させて、平均直流コンデンサ電圧Vc1を増加させる。
また電流Icを増加させる際に平均直流コンデンサ電圧Vc1を低下させるには、第2位相βを選択し、電流Icを減少させる際に平均直流コンデンサ電圧Vc1を低下させるには、第1位相αを選択する。これにより、比率(第1オン期間/第2オン期間)を増加させて、平均直流コンデンサ電圧Vc1を低下させる。
この場合、制御回路10は、第1スイッチング素子6aへのゲート信号G1を生成するために、第1スイッチング素子6aのduty比を決定する第2位相βに対応するduty比(β/T)の指令(β−duty指令)を演算する。また、第2スイッチング素子7aへのゲート信号G2を生成するために、第2スイッチング素子7aのduty比を決定する第1位相αに対応するduty比(α/T)の指令(α−duty指令)を演算する。
このβ−duty指令およびα−duty指令を演算するための基礎情報として、以下に示す基本duty指令ΔDを演算する。
この基本duty指令ΔDは、第1位相α、第2位相βの内、選択されたいずれか一方の調整量に対応するもので、第1位相α、第2位相βの調整量は半周期以下であるため±0.5に制限する。また、ΔDが正の時は電流Icを増加させる制御となり、ΔDが負の時は電流Icを減少させる制御となる。
図11(a)に示すように、コンパレータ19は、直流コンデンサ電圧Vc1とその指令値Vc1*とを比較し、コンパレータ20は基本duty指令ΔDの符号を判定し、コンパレータ19、20の出力は、それぞれ調整位相選択器21に入力される。コンパレータ19、20の出力が共にH、あるいは共にLのとき、調整位相選択器21の出力22(Judge信号)はHで第2位相βを選択する。また、コンパレータ19、20の出力がHとLとの組み合わせであるとき、調整位相選択器21の出力22(Judge信号)はLで第1位相αを選択する。
即ち、Vc1≧Vc1*の場合、ΔD≧0のときは第2位相βを選択し、ΔD<0のときは第1位相αを選択する。また、Vc1<Vc1*の場合、ΔD≧0のときは第1位相αを選択し、ΔD<0のときは第2位相βを選択する。
図12(a)は、β−duty指令を演算する制御ブロック図である。この場合、駆動周期Tの位相(T/2)から位相Tまでの半周期内で電流Icの増加量と減少量が等しくなるように第2位相βの初期位相を設定する。この初期位相に対応するduty比をβ−duty指令の初期値β1、β2として用い、フィードフォワード制御する。なお、β1は第1制御モードの場合の初期値であり、β2は第2制御モードの場合の初期値である。
次に、信号25を極性反転させた逆極性信号25aを生成し、選択器26はlogic信号に基づいて信号25、逆極性信号25aのいずれか一方を出力する。logic信号がLで第1制御モードが選択されている時、選択器26の出力27は信号25であり、logic信号がHで第2制御モードが選択されている時、選択器26の出力27は逆極性信号25aとなる。
一方、選択器28はlogic信号に基づいて初期値β1、β2のいずれか一方を出力する。選択器28の出力29は、logic信号がL(第1制御モードが選択)の時は初期値β1で、logic信号がH(第2制御モードが選択)の時は初期値β2である。この出力29は、選択器26の出力27にフィードフォワード項として加算され、これによりβ−duty指令30が生成される。
図12(b)に示すように、選択器31はJudge信号に基づいて基本duty指令ΔDあるいは0である信号32を出力する。Judge信号がLで第1位相αが選択されている時、信号32は基本duty指令ΔDとなり、Judge信号がHで第2位相βが選択されている時、信号32は0となる。
一方、選択器35はlogic信号に基づいて初期値α1、α2のいずれか一方を出力する。選択器35の出力36は、logic信号がL(第1制御モードが選択)の時は初期値α1で、logic信号がH(第2制御モードが選択)の時は初期値α2である。この出力36は、選択器33の出力34にフィードフォワード項として加算され、これによりα−duty指令37が生成される。
第1制御モードの場合、調整位相として第2位相βが選択されると、β−duty指令30は、初期値β1に基本duty指令ΔDが加算されて生成され、α−duty指令37は初期値α1となる。第1制御モードの場合で調整位相として第1位相αが選択されると、β−duty指令30は初期値β1となり、α−duty指令37は初期値α1に基本duty指令ΔDが加算されて生成される。
第2制御モードの場合、調整位相として第2位相βが選択されると、β−duty指令30は、初期値β2に基本duty指令ΔDの極性反転値が加算されて生成され、α−duty指令37は初期値α2となる。第2制御モードの場合で調整位相として第1位相αが選択されると、β−duty指令30は初期値β2となり、α−duty指令37は初期値α2に基本duty指令ΔDの極性反転値が加算されて生成される。
第1スイッチング素子6aをオンオフする第2位相βを決定するための初期値β1、β2は、上述したように、駆動周期Tの位相(T/2)から位相Tまでの半周期内で電流Icの増加量と減少量が等しくなるように設定する。
まず、電圧│Vac│が直流コンデンサ電圧Vc1より低い場合の第1制御モードについて説明する。
位相(T/2)から位相Tまでの半周期内で電流Icの増加期間は、第3期間(位相(T/2)〜第2位相β)である。このため、この半周期内の電流増加量Iupは以下の式(1)で与えられる。但し、Lはリアクトル3のリアクトル容量である。
Iup=(│Vac│/L)・(β−(T/2)) ・・式(1)
Idown=((Vc1−│Vac│)/L)・(T−β) ・・式(2)
Iup=Idown ・・式(3)
β1=(β/T)=(2Vc1−│Vac│)/2Vc1 ・・式(4)
位相(T/2)から位相Tまでの半周期内で電流Icの増加期間は、第4期間(第2位相β〜位相T)である。このため、この半周期内の電流増加量Iupは以下の式(5)で与えられる。但し、Vc2は平滑コンデンサ電圧である。
Iup=((│Vac│+Vc1−Vc2)/L)・(T−β) ・・式(5)
Idown=((Vc2−│Vac│)/L)・(β−(T/2)) ・・式(6)
Iup=Idown ・・式(7)
β2=(β/T)=(│Vac│+2Vc1−Vc2)/2Vc1 ・・式(8)
まず、電圧│Vac│が直流コンデンサ電圧Vc1より低い場合の第1制御モードについて説明する。
位相0から位相(T/2)までの半周期内で電流Icの増加期間は、第1期間(位相0〜第1位相α)である。このため、この半周期内の電流増加量Iupは以下の式(9)で与えられる。
Iup=(│Vac│/L)・α ・・式(9)
Idown=((Vc2−│Vac│−Vc1)/L)・((T/2)−α)
・・式(10)
Iup=Idown ・・式(11)
α1=(α/T)=(Vc2−│Vac│−Vc1)/2(Vc2−Vc1)
・・式(12)
位相0から位相(T/2)までの半周期内で電流Icの増加期間は、第2期間(第1位相α〜位相(T/2))である。このため、この半周期内の電流増加量Iupは以下の式(13)で与えられる。
Iup=((│Vac│−Vc1)/L)・((T/2)−α) ・・式(13)
Idown=((Vc2−│Vac│)/L)・α ・・式(14)
Iup=Idown ・・式(15)
α2=(α/T)=(│Vac│−Vc1)/2(Vc2−Vc1)
・・式(16)
図13(a)は、第1スイッチング素子6aのゲート信号G1を生成する制御ブロック図である。まず、演算されたβ−duty指令30をリミッタにて0.5〜1.0に制限した値38を、コンパレータ40の正端子およびコンパレータ41の負端子に入力する。またPWM制御のための三角波信号39を、コンパレータ40の負端子およびコンパレータ41の正端子に入力する。三角波信号39は図14に示すように、周期Tのキャリア波であり、0位相にてduty比=0、位相Tにてduty比=1となる。
0.5のduty指令信号46をコンパレータ48の正端子およびコンパレータ49の負端子に入力する。また三角波信号39を、コンパレータ48の負端子およびコンパレータ49の正端子に入力する。
また、演算されたα−duty指令37をリミッタにて0〜0.5に制限した値47を、コンパレータ52の正端子およびコンパレータ53の負端子に入力する。また三角波信号39を、コンパレータ52の負端子およびコンパレータ53の正端子に入力する。
OR演算器56の出力信号57とAND演算器58の出力信号59とは選択器60に入力され、logic信号に基づいていずれか一方の出力信号57、59がゲート信号G2として出力される。logic信号がLで第1制御モードが選択されている時、ゲート信号G2は出力信号57であり、位相(T/2)〜第1位相αの期間でHとなる。logic信号がHで第2制御モードが選択されている時、ゲート信号G1は出力信号59であり、第1位相α〜位相(T/2)の期間でHとなる。
制御回路10は、以上のようにゲート信号G1、G2を生成して第1スイッチング素子6a、第2スイッチング素子7aを制御する。
制御モードの切り替え時において、
│Vac│=Vc1
であるため、β−duty指令の初期値β1、β2は、上記式(4)、式(8)から
β1=β2=1/2
となり、α−duty指令の初期値α1、α2は、上記式(12)、式(16)から
α1=α2=0
となる。但し、直流コンデンサ電圧Vc1は平滑コンデンサ電圧Vc2の1/2とする。
また、制御回路10は、β−duty指令、α−duty指令を個別に生成して調整することにより、1周期内の第1スイッチング素子6aの第1オン期間と第2スイッチング素子7aの第2オン期間との合計、および比率を制御する。これにより、交流電源1からの入力力率を改善する電流制御と同時に直流コンデンサ8の充放電を制御して電圧Vc1を指令値Vc1*に追従させることができる。
さらに、直流コンデンサ8の各充放電期間は、駆動周期Tの1/2以下で、第1スイッチング素子6aと第2スイッチング素子7aの駆動周波数の2倍の周波数で充放電されるため、必要コンデンサ容量を低減することができ、直流コンデンサ8も小型化できる。
これにより、リアクトル3への印加電圧を、平滑コンデンサ電圧Vc2と直流コンデンサ電圧Vc1との差電圧、もしくは直流コンデンサ電圧Vc1に低減することができ、リアクトル3の低損失化と、小型・軽量化を実現することができる。また、第1スイッチング素子6aと第2スイッチング素子7aに印加される電圧も、平滑コンデンサ電圧Vc2と直流コンデンサ電圧Vc1との差電圧、もしくは直流コンデンサ電圧Vc1に低減される。このため、スイッチング損失を低減することで高効率化を実現することができると共に、放熱構造の簡素化による電力変換装置の小型化を実現することができる。またノイズ発生量も低減でき、フィルタ回路の簡素化により電力変換装置の小型化がさらに促進できる。
さらに第1スイッチング素子6aと第2スイッチング素子7aとの制御論理を交流電源電圧Vacと直流コンデンサ電圧Vc1との大小関係に応じて反転の関係に設定する。これにより、交流電源電圧Vacと直流コンデンサ電圧Vc1との大小関係が入れ替わる位相での、制御モードの切り替えが単純なものとなり、電流制御性をより向上させることができる。
次に、この発明の実施の形態2について説明する。
この実施の形態2では、図1で示した上記実施の形態1と同様の主回路と制御回路10を有し、制御回路10は上記実施の形態1と異なるゲート信号G1a、G2aを生成してスイッチング部100を出力制御する。
この場合も、制御回路10は、検出された直流コンデンサ電圧Vc1、平滑コンデンサ電圧Vc2、交流電源電圧Vac、および電流Icに基づいて、交流電源1からの入力力率が概1になるように電流Icを制御し、かつ平滑コンデンサ9の電圧が目標電圧Vc2*になるように、高周波PWM制御により第1スイッチング素子6a、第2スイッチング素子7aをオンオフさせてスイッチング部100を出力制御する。また、直流コンデンサ8の充放電量を調整して直流コンデンサ電圧Vc1を一定の指令値Vc1*に制御する。
また、平滑コンデンサ電圧Vc2は交流電源電圧Vacのピーク電圧より高く、また、直流コンデンサ電圧Vc1の指令値Vc1*は、平滑コンデンサ9の目標電圧Vc2*の1/2に設定されている。
図15は、第1制御モードにおける、第1スイッチング素子6a、第2スイッチング素子7aの各ゲート信号G1a、G2aと、電流Icと、直流コンデンサ電圧Vc1との各波形図である。また、図16は、第2制御モードにおける、第1スイッチング素子6a、第2スイッチング素子7aの各ゲート信号G1a、G2aと、電流Icと、直流コンデンサ電圧Vc1との各波形図である。
また、図15、図16の波形図は、平滑コンデンサ電圧Vc2が目標電圧Vc2*に制御されて一定である状態を示す。
図15に示すように、第1スイッチング素子6aを位相0でオフさせ第1位相αaでオンさせ、第2スイッチング素子7aを位相(T/2)でオフさせ第2位相βaでオンさせる。即ち、第1スイッチング素子6aは、位相0を基準位相として位相0までの期間(第1位相αa〜位相0(=T))である第1オン期間でオンし、第2スイッチング素子7aは、位相(T/2)を基準位相として、位相(T/2)までの期間(第2位相βa〜位相(T/2))である第2オン期間でオンする。このとき、第1オン期間、第2オン期間の長さは、それぞれ半周期(T/2)以上である。
なお、第2位相βa〜位相(T/2)とは、第2位相βa〜位相Tと、位相0〜位相(T/2)とを合わせた期間であるが、繰り返し周期では連続した期間であるため、第2位相βa〜位相(T/2)と表す。
位相0〜第1位相αaの第1期間では、第1スイッチング素子6aがオフ状態で、第2スイッチング素子7aがオン状態であり、図5に示す電流経路で電流Icが流れる。即ち、平滑コンデンサ9はバイパスされ、交流電源1から整流回路200を介してリアクトル3に流れる電流Icは、ダイオード5、直流コンデンサ8、第2スイッチング素子7a、整流回路200を順に経て交流電源1に戻る。このとき、直流コンデンサ8は充電されて電圧Vc1が増加する。また、電圧│Vac│は直流コンデンサ電圧Vc1より低いため、リアクトル3により電流Icは減少する。
図16に示すように、第1スイッチング素子6aを位相0でオンさせ第1位相αaでオフさせ、第2スイッチング素子7aを位相(T/2)でオンさせ第2位相βaでオフさせる。即ち、第1スイッチング素子6aは、位相0を基準位相として位相0〜第1位相αaの第1オン期間でオンし、第2スイッチング素子7aは、位相(T/2)を基準位相として、位相(T/2)〜第2位相βaの第2オン期間でオンする。このとき、第1オン期間、第2オン期間の長さは、それぞれ半周期(T/2)以下である。
位相0〜第1位相αaの第1期間では、第1スイッチング素子6aがオン状態で、第2スイッチング素子7aがオフ状態であり、図9に示す電流経路で電流Icが流れる。即ち、交流電源1から整流回路200を介してリアクトル3に流れる電流Icは、スイッチング素子6a、直流コンデンサ8、ダイオード4、平滑コンデンサ9、整流回路200を順に経て交流電源1に戻る。このとき、直流コンデンサ8は放電されて電圧Vc1が低下する。また、電圧│Vac│と直流コンデンサ電圧Vc1との和は、平滑コンデンサ電圧Vc2より高いため、リアクトル3により電流Icは増加する。
まず、第1制御モードにおける電流Icの増減調整および直流コンデンサ電圧Vc1の増減調整について、図15を参照して説明する。
第1位相αaを減少させて位相0に近づけると、第1期間が短縮され第2期間が延長される。このとき第2位相βaは変化させない。電流Icについては、減少期間が短縮され増加期間が延長されて、電流Icは増加する。また直流コンデンサ電圧Vc1については、増加期間が短縮され変動しない期間が延長され、1周期内の直流コンデンサ電圧Vc1の平均電圧(平均直流コンデンサ電圧Vc1)は低下する。
第1位相αaを増加させて位相(T/2)に近づけると、第1期間が延長され第2期間が短縮される。このとき第2位相βaは変化させない。電流Icについては、減少期間が延長され増加期間が短縮されて、電流Icは減少する。また直流コンデンサ電圧Vc1については、増加期間が延長され変動しない期間が短縮され、平均直流コンデンサ電圧Vc1は増加する。
また第1位相αa、第2位相βaの選択は、直流コンデンサ電圧Vc1に応じて行う。
電流Icを増加させる際に平均直流コンデンサ電圧Vc1を増加させるには、第2位相βaを選択し、電流Icを減少させる際に平均直流コンデンサ電圧Vc1を増加させるには、第1位相αaを選択する。これにより、第1オン期間と第2オン期間との比率(第1オン期間/第2オン期間)を低下させて、平均直流コンデンサ電圧Vc1を増加させる。
また電流Icを増加させる際に平均直流コンデンサ電圧Vc1を低下させるには、第1位相αaを選択し、電流Icを減少させる際に平均直流コンデンサ電圧Vc1を低下させるには、第2位相βaを選択する。これにより、比率(第1オン期間/第2オン期間)を増加させて、平均直流コンデンサ電圧Vc1を低下させる。
第1位相αaを増加させて位相(T/2)に近づけ、このとき第2位相βaは変化させない。これにより、電流Icは増加し、平均直流コンデンサ電圧Vc1は低下する。
第2位相βaを増加させて位相Tに近づけ、このとき第1位相αaは変化させない。これにより、電流Icは増加し、平均直流コンデンサ電圧Vc1は増加する。
第1位相αaを減少させて位相0に近づけ、このとき第2位相βaは変化させない。これにより、電流Icは減少し、平均直流コンデンサ電圧Vc1は増加する。
第2位相βaを減少させて位相(T/2)に近づけ、このとき第1位相αaは変化させない。これにより、電流Icは減少し、平均直流コンデンサ電圧Vc1は低下する。
また第1位相αa、第2位相βaの選択は、直流コンデンサ電圧Vc1に応じて行う。
電流Icを増加させる際に平均直流コンデンサ電圧Vc1を増加させるには、第2位相βaを選択し、電流Icを減少させる際に平均直流コンデンサ電圧Vc1を増加させるには、第1位相αaを選択する。これにより、比率(第1オン期間/第2オン期間)を低下させて、平均直流コンデンサ電圧Vc1を増加させる。
また電流Icを増加させる際に平均直流コンデンサ電圧Vc1を低下させるには、第1位相αaを選択し、電流Icを減少させる際に平均直流コンデンサ電圧Vc1を低下させるには、第2位相βaを選択する。これにより、比率(第1オン期間/第2オン期間)を増加させて、平均直流コンデンサ電圧Vc1を低下させる。
制御回路10は、第1スイッチング素子6aへのゲート信号G1aを生成するために、第1スイッチング素子6aのduty比を決定する第1位相αaに対応するduty比(αa/T)の指令(αa−duty指令)を演算する。また、第2スイッチング素子7aへのゲート信号G2aを生成するために、第2スイッチング素子7aのduty比を決定する第2位相βaに対応するduty比(βa/T)の指令(βa−duty指令)を演算する。
即ち、制御回路10は、平滑コンデンサ電圧Vc1を目標電圧Vc2*に維持すると共に交流電源1からの入力力率を改善するように電流指令Ic*を生成して、第1スイッチング素子6aおよび第2スイッチング素子7aの基本duty指令ΔDを演算する。
この基本duty指令ΔDは、第1位相αa、第2位相βaの内、選択されたいずれか一方の調整量に対応するもので、第1位相α、第2位相βの調整量は半周期以下であるため±0.5に制限する。また、ΔDが正の時は電流Icを増加させる制御となり、ΔDが負の時は電流Icを減少させる制御となる。
図17に示すように、コンパレータ19は、直流コンデンサ電圧Vc1とその指令値Vc1*とを比較し、コンパレータ20は基本duty指令ΔDの符号を判定し、コンパレータ19、20の出力は、それぞれ調整位相選択器62に入力される。コンパレータ19、20の出力が共にH、あるいは共にLのとき、調整位相選択器62の出力63(Judge信号)はHで第1位相αaを選択する。また、コンパレータ19、20の出力がHとLとの組み合わせであるとき、調整位相選択器62の出力63(Judge信号)はLで第2位相βaを選択する。
即ち、Vc1≧Vc1*の場合、ΔD≧0のときは第1位相αaを選択し、ΔD<0のときは第2位相βaを選択する。また、Vc1<Vc1*の場合、ΔD≧0のときは第2位相βaを選択し、ΔD<0のときは第1位相αaを選択する。
なお、制御モードを示すlogic信号は、上記実施の形態1の図11(b)で示したものと同様の演算にて求められる。即ち、│Vac│<Vc1のとき、logic信号はLで第1制御モードを選択する。また、│Vac│≧Vc1のとき、logic信号はHで第2制御モードを選択する。
次に、信号65を極性反転させた逆極性信号65aを生成し、選択器66はlogic信号に基づいて信号65、逆極性信号65aのいずれか一方を出力する。logic信号がLで第1制御モードが選択されている時、選択器66の出力67は逆極性信号65aであり、logic信号がHで第2制御モードが選択されている時、選択器66の出力67は信号65となる。
一方、選択器68はlogic信号に基づいて初期値α1a、α2aのいずれか一方を出力する。選択器68の出力69は、logic信号がL(第1制御モードが選択)の時は初期値α1aで、logic信号がH(第2制御モードが選択)の時は初期値α2aである。この出力69は、選択器66の出力67にフィードフォワード項として加算され、これによりαa−duty指令70が生成される。
図18(b)に示すように、選択器71はJudge信号に基づいて基本duty指令ΔDあるいは0である信号72を出力する。Judge信号がLで第2位相βaが選択されている時、信号72は基本duty指令ΔDとなり、Judge信号がHで第1位相αaが選択されている時、信号72は0となる。
一方、選択器75はlogic信号に基づいて初期値β1a、β2aのいずれか一方を出力する。選択器75の出力76は、logic信号がL(第1制御モードが選択)の時は初期値β1aで、logic信号がH(第2制御モードが選択)の時は初期値β1aである。この出力76は、選択器73の出力74にフィードフォワード項として加算され、これによりβa−duty指令77が生成される。
第1制御モードの場合、調整位相として第1位相αaが選択されると、αa−duty指令70は、初期値α1aに基本duty指令ΔDの極性反転値が加算されて生成され、βa−duty指令77は初期値β1aとなる。第1制御モードの場合で調整位相として第2位相βaが選択されると、αa−duty指令70は初期値α1aとなり、βa−duty指令77は初期値β1aに基本duty指令ΔDの極性反転値が加算されて生成される。
第2制御モードの場合、調整位相として第1位相αaが選択されると、αa−duty指令70は、初期値α2aに基本duty指令ΔDが加算されて生成され、βa−duty指令77は初期値β2aとなる。第2制御モードの場合で調整位相として第2位相βaが選択されると、αa−duty指令70は初期値α2aとなり、βa−duty指令77は初期値β2aに基本duty指令ΔDが加算されて生成される。
第1スイッチング素子6aをオンオフする第1位相αaを決定するための初期値α1a、α2aは、上述したように、駆動周期Tの位相0から位相(T/2)までの半周期内で電流Icの増加量と減少量が等しくなるように設定する。
まず、電圧│Vac│が直流コンデンサ電圧Vc1より低い場合の第1制御モードについて説明する。
位相0から位相(T/2)までの半周期内で電流Icの増加期間は、第2期間(第1位相αa〜位相(T/2))である。このため、この半周期内の電流増加量Iupは以下の式(17)で与えられる。但し、Lはリアクトル3のリアクトル容量である。
Iup=(│Vac│/L)・((T/2)−αa) ・・・式(17)
Idown=((Vc1−│Vac│)/L)・αa ・・式(18)
Iup=Idown ・・式(19)
α1a=(αa/T)=│Vac│/2Vc1 ・・式(20)
位相0から位相(T/2)までの半周期内で電流Icの増加期間は、第1期間(位相0〜第1位相αa)である。このため、この半周期内の電流増加量Iupは以下の式(21)で与えられる。
Iup=(│Vac│+Vc1−Vc2)/L)・αa ・・式(21)
Idown=((Vc2−│Vac│)/L)・((T/2)−αa)
・・式(22)
Iup=Idown ・・式(23)
α2a=(αa/T)=(Vc2−│Vac│)/2Vc1 ・・式(24)
まず、電圧│Vac│が直流コンデンサ電圧Vc1より低い場合の第1制御モードについて説明する。
位相(T/2)から位相Tまでの半周期内で電流Icの増加期間は、第4期間(第2位相βa〜位相T)である。このため、この半周期内の電流増加量Iupは以下の式(25)で与えられる。但し、Lはリアクトル3のリアクトル容量である。
Iup=(│Vac│/L)・(T−βa) ・・式(25)
Idown=(Vc2−│Vac│−Vc1)/L)・(βa−(T/2))
・・式(26)
Iup=Idown ・・式(27)
β1a=(β/T)=(│Vac│−Vc1+Vc2)/2(Vc2−Vc1)
・・式(28)
位相(T/2)から位相Tまでの半周期内で電流Icの増加期間は、第3期間(位相(T/2)〜第2位相βa)である。このため、この半周期内の電流増加量Iupは以下の式(29)で与えられる。
Iup=((│Vac│−Vc1)/L)・(βa−(T/2)) ・・式(29)
Idown=((Vc2−│Vac│)/L)・(T−βa) ・・式(30)
Iup=Idown ・・式(31)
β2a=(βa/T)=(2Vc2−│Vac│+Vc1)/2(Vc2−Vc1)
・・式(32)
図19(a)は、第1スイッチング素子6aのゲート信号G1aを生成する制御ブロック図である。まず、演算されたαa−duty指令70をリミッタにて0〜0.5に制限した値78を、コンパレータ79の負端子およびコンパレータ81の正端子に入力する。また上記実施の形態1の図14で示した同様の三角波信号39を、コンパレータ79の正端子およびコンパレータ81の負端子に入力する。
0.5のduty指令信号85をコンパレータ86の負端子およびコンパレータ87の正端子に入力する。また三角波信号39を、コンパレータ86の正端子およびコンパレータ87の負端子に入力する。
また、演算されたβa−duty指令77をリミッタにて0.5〜1.0に制限した値88を、コンパレータ89の負端子およびコンパレータ90の正端子に入力する。また三角波信号39を、コンパレータ89の正端子およびコンパレータ90の負端子に入力する。
OR演算器93の出力信号94とAND演算器97の出力信号98とは選択器99に入力され、logic信号に基づいていずれか一方の出力信号94、98がゲート信号G2aとして出力される。logic信号がLで第1制御モードが選択されている時、ゲート信号G2aは出力信号94であり、第2位相βa〜位相(T/2)の期間でHとなる。logic信号がHで第2制御モードが選択されている時、ゲート信号G2aは出力信号98であり、位相(T/2)〜第2位相βaの期間でHとなる。
制御回路10は、以上のようにゲート信号G1a、G2aを生成して第1スイッチング素子6a、第2スイッチング素子7aを制御する。
制御モードの切り替え時において、
│Vac│=Vc1
であるため、αa−duty指令の初期値α1a、α2aは、上記式(20)、式(24)から
α1a=α2a=1/2
となり、βa−duty指令の初期値β1、β2は、上記式(28)、式(32)から
β1a=β2a=1
となる。但し、直流コンデンサ電圧Vc1は平滑コンデンサ電圧Vc2の1/2とする。
これにより、交流電源1からの入力力率を改善する電流制御と同時に直流コンデンサ8の充放電を制御して電圧Vc1を指令値Vc1*に追従させることができると共に、上記実施の形態1と同様の効果を奏する。
次に、この発明の実施の形態3について説明する。
図20は、この発明の実施の形態3による電力変換装置の概略構成図である。図20に示すように、電力変換装置は、主回路と制御回路10aを有し、主回路は、上記実施の形態1と同様に、交流電源1の入力を整流する整流回路200と、整流回路200の出力を昇圧して出力するスイッチング部100aと、スイッチング部100aの出力を平滑する平滑コンデンサ9とを備える。
この場合、スイッチング素子4a、5aは、それぞれダイオード4b、5cを逆並列に接続したIGBTで構成されるが、IGBT以外でも、ソース・ドレイン間にダイオードが内蔵されたMOSFET等の半導体スイッチング素子でもよい。
その他の主回路構成は、図1で示した上記実施の形態1による電力変換装置と同様である。
図21は、第1制御モードにおける、各ゲート信号G1〜G4と、電流Icと、直流コンデンサ電圧Vc1との各波形図、図22は、第2制御モードにおける、各ゲート信号G1〜G4と、電流Icと、直流コンデンサ電圧Vc1との各波形図である。
このため、スイッチング素子4a、5aは、それぞれダイオード4b、5bが導通する期間で導通し、上記実施の形態1のダイオード4、5と同様の導通および遮断動作を行う。これにより、上記実施の形態1と同様に電流が流れてスイッチング部100aが動作し、電流Icと、直流コンデンサ電圧Vc1との各波形図も上記実施の形態1と同様になる。
次に、この発明の実施の形態4について説明する。
以下、この実施の形態4を、上記実施の形態1および実施の形態2と異なる箇所を中心に図を用いて説明する。上記実施の形態1および実施の形態2と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。
図25は、この実施の形態4による電力変換装置の概略構成図である。
図25に示すように、電力変換装置はスター結線された3相の交流電源301からの交流電力を入力する。また、整流回路200aは、交流電源301の全相を整流するための6個のダイオード201〜206を3相ブリッジ構成に接続して構成される。この場合、交流電源301からの入力を整流回路200aで整流した後の電圧Vsを検出する位置に電圧センサを配置する。
制御回路10bは、検出された直流コンデンサ電圧Vc1、平滑コンデンサ電圧Vc2と、電圧Vs、および電流Icに基づいて、平滑コンデンサ電圧Vc2が設定された一定電圧である目標電圧Vc2*になるように、ゲート信号G1、G2を生成して、第1スイッチング素子6a、第2スイッチング素子7aをオンオフ制御し、スイッチング部100を出力制御する。
この場合、電流Icは交流電源301の各相を整流して得た電流を合成した直流電流であるため、実施の形態1の図10で示した交流電源同期周波数Fsを削除している。この場合も入力力率を改善するように電流指令Ic*を生成して制御を行うことができる。
また、実施の形態1および実施の形態2では、交流電源の電圧Vacを用いて制御モードの選択を行ったが、この実施の形態では、整流後の電圧Vsを用いて制御モードの選択を行う。
これにより、交流電源としてスター結線された3相の交流電源301を用いる場合でも、交流電源301からの入力力率を改善する電流制御と同時に直流コンデンサ8の充放電を制御して電圧Vc1を指令値Vc1*に追従させることができ、上記実施の形態1および実施の形態2と同様の効果を奏する。
次に、この発明の実施の形態5について説明する。
以下、この実施の形態5を、上記実施の形態4と異なる箇所を中心に図を用いて説明する。上記実施の形態4と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。
図27は、この実施の形態5による電力変換装置の概略構成図である。
図27に示すように、電力変換装置はΔ結線された3相の交流電源401からの交流電力を入力する。
この実施の形態においても実施の形態4と同様に、交流電源401からの入力を整流回路200aで整流し、制御回路10bは、検出された直流コンデンサ電圧Vc1、平滑コンデンサ電圧Vc2と、交流電源401の入力を整流して得た電圧Vs、および各相を整流して得た電流を合成した直流電流である電流Icに基づいて、交流電源401からの入力力率が概1になるように電流Icを制御し、かつ平滑コンデンサ9の電圧が目標電圧Vc2*になるように、高周波PWM制御により第1スイッチング素子6a、第2スイッチング素子7aをオンオフさせてスイッチング部100を出力制御する。また、直流コンデンサ8の充放電量を調整して直流コンデンサ電圧Vc1を一定の指令値Vc1*に制御する。
これにより、交流電源としてΔ結線された3相の交流電源401を用いる場合でも、交流電源401からの入力力率を改善する電流制御と同時に直流コンデンサ8の充放電を制御して電圧Vc1を指令値Vc1*に追従させることができ、上記実施の形態4と同様の効果を奏する。
Claims (11)
- 交流電源からの入力を整流する整流回路と、
上記整流回路の出力を昇圧して出力するスイッチング部と、
上記スイッチング部の出力を平滑する平滑コンデンサと、
上記スイッチング部を制御する制御回路とを備え、
上記スイッチング部は、
整流回路の正極側端子に第1端が接続されるリアクトルと、
それぞれ電流の導通および遮断を制御する第1半導体素子、第2半導体素子、第1スイッチング素子および第2スイッチング素子が直列に上記平滑コンデンサの正負端子間に接続され、上記第2半導体素子と上記第1スイッチング素子との接続点に上記リアクトルの第2端が接続されるレグ部と、
上記第1半導体素子、上記第2半導体素子の接続点と、上記第1スイッチング素子、上記第2スイッチング素子の接続点との間に接続される直流コンデンサとを備え、
上記制御回路は、
上記スイッチング部を高周波PWM制御することにより、上記直流コンデンサの電圧を指令値に制御すると共に、上記交流電源からの入力力率が改善するように上記交流電源から上記整流回路を介して流れる回路電流を制御しつつ、上記平滑コンデンサの電圧を目標電圧に制御するものであり、
上記第1スイッチング素子と上記第2スイッチング素子とを等しい駆動周期で基準位相を半周期ずらせて高周波駆動し、1周期内の上記第1スイッチング素子の第1オン期間と、1周期内の上記第2スイッチング素子の第2オン期間との合計を制御することで上記回路電流を制御し、上記第1オン期間と上記第2オン期間との比率を制御することで上記直流コンデンサの電圧を制御する
電力変換装置。 - 上記レグ部内の上記第1半導体素子および上記第2半導体素子はダイオードで構成される
請求項1に記載の電力変換装置。 - 上記レグ部内の上記第1半導体素子および上記第2半導体素子はスイッチング素子で構成され、
上記制御回路は、上記第1スイッチング素子とオンオフが反転するように上記第2半導体素子を制御し、上記第2スイッチング素子とオンオフが反転するように上記第1半導体素子を制御する
請求項1に記載の電力変換装置。 - 上記制御回路は、上記交流電源の電圧絶対値が上記直流コンデンサの電圧未満の場合に第1制御モードを用い、上記交流電源の電圧絶対値が上記直流コンデンサの電圧以上の場合に第2制御モードを用いて上記スイッチング部を制御し、
上記第1制御モードでは、上記第1スイッチング素子の第1オン期間および上記第2スイッチング素子の第2オン期間は、それぞれ上記駆動周期の半周期以上であり、
上記第2制御モードでは、上記第1スイッチング素子の第1オン期間および上記第2スイッチング素子の第2オン期間は、それぞれ上記駆動周期の半周期以下である
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 上記制御回路は、
上記駆動周期をTとするとき、上記第1スイッチング素子、上記第2スイッチング素子の上記各基準位相を位相0、位相T/2とし、位相0から位相T/2までの半周期内に第1位相を、位相T/2から位相Tまでの半周期内に第2位相を設定し、
設定される上記第1位相、上記第2位相を制御することにより、1周期内の上記第1スイッチング素子の第1オン期間と、1周期内の上記第2スイッチング素子の第2オン期間との合計および比率を制御する
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 上記制御回路は、
上記駆動周期をTとするとき、上記第1スイッチング素子、上記第2スイッチング素子の上記各基準位相を位相0、位相T/2とし、位相0から位相T/2までの半周期内に第1位相を、位相T/2から位相Tまでの半周期内に第2位相を設定し、
上記第1制御モードでは、上記第1スイッチング素子を位相0でオンさせ上記第2位相でオフさせ、上記第2スイッチング素子を位相T/2でオンさせ上記第1位相でオフさせ、
上記第2制御モードでは、上記第1スイッチング素子を位相0でオフさせ上記第2位相でオンさせ、上記第2スイッチング素子を位相T/2でオフさせ上記第1位相でオンさせ、
設定される上記第1位相、上記第2位相を制御することにより、1周期内の上記第1スイッチング素子の第1オン期間と、1周期内の上記第2スイッチング素子の第2オン期間との合計および比率を制御する
請求項4に記載の電力変換装置。 - 上記制御回路は、
上記駆動周期をTとするとき、上記第1スイッチング素子、上記第2スイッチング素子の上記各基準位相を位相0、位相T/2とし、位相0から位相T/2までの半周期内に第1位相を、位相T/2から位相Tまでの半周期内に第2位相を設定し、
上記第1制御モードでは、上記第1スイッチング素子を位相0でオフさせ上記第1位相でオンさせ、上記第2スイッチング素子を位相T/2でオフさせ上記第2位相でオンさせ、
上記第2制御モードでは、上記第1スイッチング素子を位相0でオンさせ上記第1位相でオフさせ、上記第2スイッチング素子を位相T/2でオンさせ上記第2位相でオフさせ、
設定される上記第1位相、上記第2位相を制御することにより、1周期内の上記第1スイッチング素子の第1オン期間と、1周期内の上記第2スイッチング素子の第2オン期間との合計および比率を制御する
請求項4に記載の電力変換装置。 - 上記制御回路は、上記第1制御モードと上記第2制御モードとの切り替え時に、上記第1スイッチング素子、上記第2スイッチング素子の各オンオフ状態を反転させる
請求項4に記載の電力変換装置。 - 上記制御回路は、
位相0から位相T/2までの半周期内で上記回路電流の増加量と減少量が等しくなるように上記第1位相の初期値を設定すると共に、位相T/2から位相Tまでの半周期内で上記回路電流の増加量と減少量が等しくなるように上記第2位相の初期値を設定し、
上記直流コンデンサの電圧および上記回路電流に基づいて、上記第1位相、上記第2位相のいずれか1方を初期値から調整し、他方を初期値に保持する
請求項5に記載の電力変換装置。 - 上記制御回路は、
上記平滑コンデンサの電圧が上記目標電圧になると共に上記交流電源からの入力力率を改善するように上記回路電流の電流指令を生成して、上記第1スイッチング素子および上記第2スイッチング素子の基本duty指令を決定し、
該基本duty指令と上記直流コンデンサの電圧とに基づいて、上記回路電流が上記電流指令に追従し上記直流コンデンサの電圧が上記指令値となるように、上記第1スイッチング素子のduty指令と上記第2スイッチング素子のduty指令とを個別に生成する
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 上記直流コンデンサの電圧の上記指令値は、上記平滑コンデンサの上記目標電圧の1/2に設定される
請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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