JPWO2019142318A1 - Dc/dcコンバータの制御方法及び制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
DC/DCコンバータとしての電流共振型回路は、例えば、共振インダクタ、共振コンデンサ、及び変圧器の励磁インダクタンスとスイッチング素子とで構成されており、構成部品の各パラメータにより出力範囲を決めることができる。
図12において、横軸はDC出力電流Io、縦軸はDC出力電圧Voである。点A,B,C,D,E,Fで囲まれた斜線の領域は、EV急速充電器の出力可能電力範囲Parである。EV急速充電器では、車種によるバッテリー電圧の違いにより、広範囲な出力特性が要求される。
更に、前記第2ステップでは、前記スイッチング周波数と最大周波数との大小を比較し、前記スイッチング周波数が前記最大周波数よりも小さい場合には、前記三相のAC電圧における三相間の位相差を120°に設定し、周波数制御により、前記整流回路から所望の前記DC出力電圧及び/又は前記DC出力電流が出力されるように、前記スイッチング周波数を変化させ、前記スイッチング周波数が前記最大周波数よりも大きい場合には、前記スイッチング周波数を最大値に設定し、相間位相制御により、前記整流回路から所望の前記DC出力電圧及び/又は前記DC出力電流が出力されるように、前記三相間の位相差を変化させる。
更に、前記比較制御部は、前記スイッチング周波数と最大周波数との大小を比較し、前記スイッチング周波数が前記最大周波数よりも小さい場合には、前記三相のAC電圧における三相間の位相差を120°に設定し、周波数制御により、前記整流回路から所望の前記DC出力電圧及び/又は前記DC出力電流が出力されるように、前記スイッチング周波数を変化させ、前記スイッチング周波数が前記最大周波数よりも大きい場合には、前記スイッチング周波数を最大値に設定し、相間位相制御により、前記整流回路から所望の前記DC出力電圧及び/又は前記DC出力電流が出力されるように、前記三相間の位相差を変化させるものである。
図1は、本発明の実施例1における単相力率改善回路構成の場合のDC/DCコンバータの全体の回路図である。
主回路4は、三相のDC/AC変換回路10U,10V,10Wと、三相の共振回路20U,20V,20Wと、三相の変圧器30U,30V,30Wと、整流回路40と、を有している。
LLC制御装置50は、選択制御部60と、この選択制御部60の出力側に接続された比較制御部70と、を有し、中央処理装置(CPU)を有するプロセッサ、あるいは、トランジスタ等を用いた個別回路により構成されている。
周波数制御部72は、比較部71の比較結果において、スイッチング周波数fが最大周波数fmaxよりも小さい場合(f<fmax)には、三相のDC/AC変換回路10U,10V,10Wで変換された三相のAC電圧におけるU,V,W相の相間位相差φを120°に設定し、周波数制御により、整流回路40から所望のDC出力電圧Vo及び/又はDC出力電流Ioが出力されるように、スイッチング周波数fを変化させる周波数変調(以下「PFM」という。)パルスP1を生成するものであり、位相差設定部72a及びPFMパルス生成部72bを有している。
図1のDC/DCコンバータ1において、負荷48として、電圧が変動しない機器を用いた場合の動作を説明する。
図1の負荷48として、電圧が変動する機器(例えば、バッテリー)を急速充電するために、DC/DCコンバータ1をEV急速充電器として使用する場合の動作を説明する。
図3において、横軸はDC出力電流Io、縦軸はDC出力電圧Voである。この図3では、図12において、LLC制御限界の境界線BLが付加されており、その他の箇所は図12と同一である。本実施例1のDC/DCコンバータ1では、出力可能電力範囲Parにおいて、境界線BLを超える領域では、周波数制御CFが行われ、境界線BL以下の領域では、相間位相制御CΦが行われる。
図5は、基準電圧Verを基準にした図1中のスイッチング駆動信号S11U,S12U,S13U,S14U,S11V,S12V,S13V,S14V,S11W,S12W,S13W,S14Wのオン/オフのタイミングチャートである。
図6は、基準電圧Verを基準にした図2の相間位相制御CΦの動作を示す波形図である。図3中の境界線BL以下の領域では、スイッチング周波数fが最大周波数fmaxに設定され、相間位相制御CΦが行われる。
ここで、図7は、図3中の境界線BLを超える領域の電圧波形である。図8は、境界線BL以下の領域であって相間位相差φが60°制御の場合の電圧波形である。図9は、境界線BL以下の領域であって相間位相差φが30°制御の場合の電圧波形である。更に、図10は、境界線BL以下の領域であって相間位相差φが0°制御の場合の電圧波形である。
相間位相差φ=120°−20°×(1/3−Ver)、
W相のFET11W,12W,13W,14Wは、V相のFET11V,12V,13V,14Vに対して、
相間位相差φ=120°−120°×(1/3−Ver)、
に変える。ここで、Verは、基準電圧である。例えば、図8では相間位相差φを60°、図9では相間位相差φを30°、及び、図10では相間位相差φを0°に変化させるような、位相差制御パルスP2を生成し、パルス駆動部74へ出力する。
本実施例1におけるDC/DCコンバータ1のLLC制御装置50によれば、例えば、負荷48であるバッテリーを急速充電する場合、周波数制御CFによってDC出力電流Ioをバッテリーへ供給し、制御困難な境界線BL以下の電力供給領域になると、相間位相制御CΦに切り替えて、DC出力電流Ioをバッテリーへ供給する構成になっている。そのため、低電圧と低電流出力が可能になり、広範囲の出力可能電力範囲Parを低損失にてカバーできるDC/DCコンバータ1のLLC制御装置50を実現できる。
図11は、本発明の実施例2における三相相PFC構成の場合のDC/DCコンバータの全体の回路図である。この図11では、実施例1を示す図1中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
三相相PFC2は、PFC制御装置49Aから与えられるスイッチング駆動信号によりスイッチング動作を行い、AC入力電圧VuvwをDC電圧に変換して、力率を改善したDC入力電圧Viを生成する。DC入力電圧Viは、平滑用コンデンサ3によって平滑され、主回路4A内のDC/AC変換回路10に与えられる。LLC制御装置50Aは、実施例1のLLC制御装置50と略同様に動作し、スイッチング駆動信号S11U,S12U,S11V,S12V,S11W,S12Wを出力する。
本実施例2におけるDC/DCコンバータ1AのLLC制御装置50Aによれば、実施例1のLLC制御装置50と略同様の構成になっているので、低電圧と低電流出力が可能になり、広範囲の出力可能電力範囲Parを低損失にてカバーできる。特に、本実施例2では、実施例1に比べて、三相相PFC2、平滑用コンデンサ3、及びDC/AC変換回路10の構成を簡素化できる。
本発明は、上記実施例1、2に限定されず、種々の利用形態や変形が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の(a)、(b)のようなものがある。
(b) 図1及び図11において、主回路4,4Aは、他の回路構成に変更しても良い。例えば、各FET11U,12U,13U,14U,11V,12V,13V,14V,11W,12W,13W,14Wは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)等の他のスイッチング素子に置き換えても良い。共振回路20U,20V,20W,20は、図示以外の他の構成に変更しても良い。例えば、共振インダクタ21U,21V,21Wに代えて、変圧器30U,30V,30Wの漏れインピーダンスを利用しても良い。共振回路20U,20V,20W,20は、LLC回路以外の他の電流共振型回路に変更しても良い。又、整流回路40を構成しているダイオード41,42,43,44,45,46は、スイッチ素子等の他の整流素子に置き換えても良い。
4,4A 主回路
10U,10V,10W,10 DC/AC変換回路
20U,20V,20W,20 共振回路
30U,30V,30W 変圧器
40 整流回路
48 負荷
50,50A LLC制御装置
60 選択制御部
61 リファレンス信号生成部
61a 出力電流計測部
61b 出力電圧計測部
61c 出力電圧算出部
61d 垂下電圧算出部
62 最小値選択部
63 電圧制御部
70 比較制御部
71 比較部
72 周波数制御部
72a 位相差設定部
72b PFMパルス生成部
73 相間位相制御部
73a 周波数設定部
73b 位相差制御パルス生成部
74 パルス駆動部
Claims (12)
- 三相のDC入力電圧が供給されると、スイッチング周波数を有する複数のスイッチング駆動信号によってそれぞれオン/オフ動作する複数のスイッチング素子で、前記DC入力電圧をスイッチングして三相のAC電圧に変換するDC/AC変換回路と、
前記三相のAC電圧に共振して三相の共振電圧を生成する共振回路と、
前記三相の共振電圧を所定の電圧に変換して三相の変換電圧を出力する三相の変圧器と、
前記三相の変換電圧を整流してDC出力電圧及びDC出力電流を出力する三相の整流回路と、
を備えるDC/DCコンバータの主回路に対して、前記複数のスイッチング駆動信号を供給するDC/DCコンバータの制御方法であって、
定電力制御リファレンス信号、定電流制御リファレンス信号、及び定電圧制御リファレンス信号を比較して最小の信号値を選択し、計測された前記DC出力電圧の値が前記最小の信号値と一致するように前記主回路の電圧制御を行う第1ステップと、
前記スイッチング周波数と最大周波数との大小を比較し、前記スイッチング周波数が前記最大周波数よりも小さい場合には、前記三相のAC電圧における三相間の位相差を120°に設定し、周波数制御により、前記整流回路から所望の前記DC出力電圧及び/又は前記DC出力電流が出力されるように、前記スイッチング周波数を変化させ、前記スイッチング周波数が前記最大周波数よりも大きい場合には、前記スイッチング周波数を最大値に設定し、相間位相制御により、前記整流回路から所望の前記DC出力電圧及び/又は前記DC出力電流が出力されるように、前記三相間の位相差を変化させる第2ステップと、
を有することを特徴とするDC/DCコンバータの制御方法。 - 前記第1ステップは、
前記DC出力電圧及び前記DC出力電流を計測して前記定電力制御リファレンス信号及び前記定電流制御リファレンス信号を生成するステップと、
与えられた前記定電圧制御リファレンス信号、生成された前記定電力制御リファレンス信号、及び生成された前記定電流制御リファレンス信号を比較して前記最小の信号値を選択するステップと、
計測された前記DC出力電圧の値が前記最小の信号値と一致するように前記主回路の前記電圧制御を行うステップと、
を有することを特徴とする請求項1記載のDC/DCコンバータの制御方法。 - 三相のDC入力電圧が供給されると、スイッチング周波数を有する複数のスイッチング駆動信号によってそれぞれオン/オフ動作する複数のスイッチング素子で、前記DC入力電圧をスイッチングして三相のAC電圧に変換するDC/AC変換回路と、
前記三相のAC電圧に共振して三相の共振電圧を生成する共振回路と、
前記三相の共振電圧を所定の電圧に変換して三相の変換電圧を出力する三相の変圧器と、
前記三相の変換電圧を整流してDC出力電圧及びDC出力電流を出力する三相の整流回路と、
を備えるDC/DCコンバータの主回路に対して、前記複数のスイッチング駆動信号を供給するDC/DCコンバータの制御装置であって、
定電力制御リファレンス信号、定電流制御リファレンス信号、及び定電圧制御リファレンス信号を比較して最小の信号値を選択し、計測された前記DC出力電圧の値が前記最小の信号値と一致するように前記主回路の電圧制御を行う選択制御部と、
前記スイッチング周波数と最大周波数との大小を比較し、前記スイッチング周波数が前記最大周波数よりも小さい場合には、前記三相のAC電圧における三相間の位相差を120°に設定し、周波数制御により、前記整流回路から所望の前記DC出力電圧及び/又は前記DC出力電流が出力されるように、前記スイッチング周波数を変化させ、前記スイッチング周波数が前記最大周波数よりも大きい場合には、前記スイッチング周波数を最大値に設定し、相間位相制御により、前記整流回路から所望の前記DC出力電圧及び/又は前記DC出力電流が出力されるように、前記三相間の位相差を変化させる比較制御部と、
を有することを特徴とするDC/DCコンバータの制御装置。 - 前記選択制御部は、
前記DC出力電圧及び前記DC出力電流を計測して前記定電力制御リファレンス信号及び前記定電流制御リファレンス信号を生成するリファレンス信号生成部と、
与えられた前記定電圧制御リファレンス信号、生成された前記定電力制御リファレンス信号、及び生成された前記定電流制御リファレンス信号を比較して前記最小の信号値を選択する最小値選択部と、
計測された前記DC出力電圧の値が前記最小の信号値と一致するように前記主回路の前記電圧制御を行う電圧制御部と、
を有することを特徴とする請求項3記載のDC/DCコンバータの制御装置。 - 前記リファレンス信号生成部は、
前記DC出力電流を計測して出力電流計測値を求める出力電流計測部と、
与えられた定電力定格値に対し前記出力電流計測値を除算して前記定電力制御リファレンス信号を生成する出力電圧算出部と、
前記DC出力電圧を計測して出力電圧計測値を求める出力電圧計測部と、
前記出力電圧計測値に対して前記出力電流計測値を除算し、この除算結果に対して、与えられた垂下電流制限値を乗算して前記定電流制御リファレンス信号を生成する垂下電圧算出部と、
を有することを特徴とする請求項4記載のDC/DCコンバータの制御装置。 - 前記電圧制御部は、
比例・積分・微分演算により前記電圧制御を行う、
ことを特徴とする請求項4記載のDC/DCコンバータの制御装置。 - 前記比較制御部は、
前記スイッチング周波数と前記最大周波数との大小を比較して比較結果を出力する比較部と、
前記比較結果において、前記スイッチング周波数が前記最大周波数よりも小さい場合には、前記三相のAC電圧における前記三相間の位相差を前記120°に設定し、前記周波数制御により、前記整流回路から所望の前記DC出力電圧及び/又は前記DC出力電流が出力されるように、前記スイッチング周波数を変化させる周波数変調パルスを生成する周波数制御部と、
前記比較結果において、前記スイッチング周波数が前記最大周波数よりも大きい場合には、前記スイッチング周波数を前記最大値に設定し、前記相間位相制御により、前記整流回路から所望の前記DC出力電圧及び/又は前記DC出力電流が出力されるように、前記三相間の位相差を変化させる位相差制御パルスを生成する相間位相制御部と、
を有することを特徴とする請求項3記載のDC/DCコンバータの制御装置。 - 請求項7記載のDC/DCコンバータの制御装置において、
前記周波数変調パルス及び前記位相差制御パルスを駆動して前記スイッチング駆動信号を生成するパルス駆動部を、
設けたことを特徴とするDC/DCコンバータの制御装置。 - 前記周波数制御部は、
前記三相のAC電圧における前記三相間の位相差を前記120°に設定する位相差設定部と、
前記周波数制御により、前記整流回路から所望の前記DC出力電圧及び/又は前記DC出力電流が出力されるように、前記スイッチング周波数の周波数変調を行って前記周波数変調パルスを生成する周波数変調パルス生成部と、
を有することを特徴とする請求項8記載のDC/DCコンバータの制御装置。 - 前記相間位相制御部は、
前記スイッチング周波数を前記最大値に設定する周波数設定部と、
前記相間位相制御により、前記整流回路から所望の前記DC出力電圧及び/又は前記DC出力電流が出力されるように、前記三相間の位相差を変えて前記位相差制御パルスを生成する位相差制御パルス生成部と、
を有することを特徴とする請求項8記載のDC/DCコンバータの制御装置。 - 前記DC/DC変換回路は、前記複数のスイッチング素子のブリッジ回路により構成され、
前記共振回路は、共振インダクタ、共振キャパシタ及び励磁インダクタを有する電流共振型回路により構成され、
前記整流回路は、複数の整流素子がブリッジ接続された整流部と、前記整流部の出力電圧を平滑する平滑部と、により構成されている、
ことを特徴とする請求項3記載のDC/DCコンバータの制御装置。 - 前記三相のDC入力電圧は、
三相のAC入力電圧の力率を改善する力率改善回路により生成される、
ことを特徴とする請求項3記載のDC/DCコンバータの制御装置。
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