JPWO2019171414A1 - DC / DC converter controller - Google Patents
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Abstract
広範囲の出力可能電力範囲を低損失にてカバーできるDC/DCコンバータ1の制御装置50を実現する。制御装置50は、カウント値演算部51、比較部52、周波数制御部53、位相シフト制御部54、及びパルス駆動部55を有している。例えば、バッテリーを急速充電する場合、周波数制御部53の周波数制御により、DC出力電流Ioがバッテリーに供給される。基準値となる制御困難な電流共振制御限界の境界線以下の電力供給領域になると、位相シフト制御部54の位相シフト制御に切り替えられ、DC出力電流Ioがバッテリーに供給される。The control device 50 of the DC / DC converter 1 capable of covering a wide range of outputable power with low loss is realized. The control device 50 includes a count value calculation unit 51, a comparison unit 52, a frequency control unit 53, a phase shift control unit 54, and a pulse drive unit 55. For example, when the battery is quickly charged, the DC output current Io is supplied to the battery by the frequency control of the frequency control unit 53. When the power supply region falls below the boundary line of the current resonance control limit, which is a reference value and difficult to control, the phase shift control is switched to the phase shift control of the phase shift control unit 54, and the DC output current Io is supplied to the battery.
Description
本発明は、例えば、電気自動車(Electric Vehicle;以下「EV」という。)に搭載された二次電池(バッテリー)を急速充電する車載充電装置であるEV急速充電器等に使用され、DC(直流)電圧を所望のDC電圧に変換してバッテリー等を急速充電するためのDC/DCコンバータの制御装置に関するものである。 The present invention is used, for example, in an EV quick charger or the like, which is an in-vehicle charging device for quickly charging a secondary battery (battery) mounted on an electric vehicle (hereinafter referred to as "EV"), and is DC (DC). ) It relates to a control device of a DC / DC converter for converting a voltage into a desired DC voltage and quickly charging a battery or the like.
従来、例えば、バッテリーを充電するためのDC/DCコンバータとして、スイッチング損失等が少ない高効率のLLC回路等の電流共振型回路が、特許文献1,2等に記載されている。
Conventionally, for example, as a DC / DC converter for charging a battery, a current resonance type circuit such as a high-efficiency LLC circuit having a small switching loss or the like is described in
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きめることができる。 The current resonance type circuit as a DC / DC converter is composed of, for example, a resonance inductor, a resonance capacitor, an exciting inductance of a transformer, and a switching element, and the output range can be determined by each parameter of a component.
図6は、EV急速充電器の出力特性例を示す図である。 FIG. 6 is a diagram showing an example of output characteristics of the EV quick charger.
図6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。 In FIG. 6, the horizontal axis represents the DC output current Io and the vertical axis represents the DC output voltage Vo. The shaded area surrounded by points A, B, C, D, E, and F is the output power range Par of the EV quick charger. EV quick chargers require a wide range of output characteristics due to differences in battery voltage depending on the vehicle model.
例えば、図6の点Aは、出力電流Ioが30A及び出力電圧Voが500V、点Bは、出力電流Ioが33.3A及び出力電圧Voが450V、点Cは、出力電流Ioが38A、出力電圧Voが395V及び出力電力Poが1501.0Wの臨界点である。更に、点Dは、出力電流Ioが38A及び出力電圧Voが150V、点Eは、出力電流Ioが1A及び出力電圧Voが150V、点Fは、出力電流Ioが1A及び出力電圧Voが500Vである。これらの点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であり、電流制御CCが必要となる。 For example, point A in FIG. 6 has an output current Io of 30 A and an output voltage Vo of 500 V, point B has an output current Io of 33.3 A and an output voltage Vo of 450 V, and point C has an output current Io of 38 A and an output. It is a critical point where the voltage Vo is 395 V and the output power Po is 1501.0 W. Further, at point D, the output current Io is 38A and the output voltage Vo is 150V, at point E, the output current Io is 1A and the output voltage Vo is 150V, and at point F, the output current Io is 1A and the output voltage Vo is 500V. is there. The shaded area surrounded by these points A, B, C, D, E, and F is the output power range Par of the EV quick charger, and a current control CC is required.
LLC回路等の電流共振型回路では、周波数制御により、スイッチング素子のスイッチング周波数fを上げることによって出力電圧Voを下げ、スイッチング周波数fを下げることによって出力電圧Voを上げている。そのため、広範囲な出力特性が要求されるEV急速充電器に、従来の電流共振型回路を適用した場合、出力電圧Voが200Vから150V付近の低電圧にてバッテリーを充電しようとすると、スイッチング周波数fが、許容される最大周波数を超えるので、バッテリーの充電が困難になる。又、広範囲な出力特性を実現するためには、出力電力に寄与しない無効電流を、常に励磁インダクタンスに流すようなパラメータに設定する必要がある。しかし、無効電流は、流れるルート(例えば、共振キャパシタ→スイッチング素子→変圧器1次巻線→共振インダクタ→共振キャパシタの電流経路)の導通損を発生させるため、低損失化ができなくなる。 In a current resonance type circuit such as an LLC circuit, the output voltage Vo is lowered by raising the switching frequency f of the switching element and the output voltage Vo is raised by lowering the switching frequency f by frequency control. Therefore, when a conventional current resonance type circuit is applied to an EV quick charger that requires a wide range of output characteristics, when trying to charge the battery at a low voltage with an output voltage Vo of around 200V to 150V, the switching frequency f However, it exceeds the maximum allowable frequency, which makes it difficult to charge the battery. Further, in order to realize a wide range of output characteristics, it is necessary to set a parameter so that a reactive current that does not contribute to the output power always flows through the exciting inductance. However, the ineffective current causes conduction loss in the flowing route (for example, resonance capacitor-> switching element-> transformer primary winding-> resonance inductor-> resonance capacitor current path), so that the loss cannot be reduced.
このように、従来の電流共振型回路では、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コンバータの制御装置を実現することが困難であった。 As described above, in the conventional current resonance type circuit, it has been difficult to realize a DC / DC converter control device capable of covering a wide range of outputable power range Par with low loss.
本発明は、三相のDC入力電圧が供給されると、複数のスイッチング駆動信号によりそれぞれオン/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(交流)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出力電流を負荷へ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る。 According to the present invention, when a three-phase DC input voltage is supplied, a plurality of switching elements that operate on / off by a plurality of switching drive signals switch the DC input voltage to obtain a three-phase AC (alternating current) voltage. A DC / AC conversion circuit that converts to the three-phase AC voltage, a resonance circuit that resonates with the three-phase AC voltage to generate a three-phase resonance voltage, and a three-phase conversion that converts the three-phase resonance voltage into a predetermined voltage. For the main circuit of a DC / DC converter including a three-phase transformer that outputs a voltage and a three-phase rectifier circuit that rectifies the three-phase conversion voltage and outputs a DC output current to a load. It is a control device of a DC / DC converter that supplies a plurality of switching drive signals.
前記制御装置は、前記DC出力電流をカウントし、このカウント値を演算して演算結果を求め、前記演算結果と基準値とを比較し、前記演算結果が前記基準値よりも大きい時には、前記三相のAC電圧における三相間の位相差を角度2π/3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出力電流が出力されるように、前記複数のスイッチング駆動信号の周波数を変化させ、前記演算結果が前記基準値よりも小さい時には、前記複数のスイッチング駆動信号の周波数を最大値に設定し、位相シフト制御により、前記整流回路から所望の前記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、構成になっている。 The control device counts the DC output current, calculates the count value to obtain a calculation result, compares the calculation result with the reference value, and when the calculation result is larger than the reference value, the third. The phase difference between the three phases in the AC voltage of the phases is set to an angle of 2π / 3, and the frequencies of the plurality of switching drive signals are changed by frequency control so that the desired DC output current is output from the rectifier circuit. When the calculation result is smaller than the reference value, the frequencies of the plurality of switching drive signals are set to the maximum value, and the desired DC output current is output from the rectifier circuit by phase shift control. , The configuration is such that the phase difference between the three phases is changed.
前記制御装置は、例えば、前記DC出力電流をカウントし、このカウント値を演算して前記演算結果を求めるカウント値演算部と、前記演算結果と前記基準値とを比較し、前記演算結果が前記基準値よりも大きい時には第1比較結果を出力し、前記演算結果が前記基準値よりも小さい時には第2比較結果を出力する比較部と、前記第1比較結果に基づき、前記三相のAC電圧における前記三相間の位相差を前記角度2π/3に設定し、前記周波数制御により、前記整流回路から前記所望のDC出力電流が出力されるように、前記複数のスイッチング駆動信号の前記周波数を変化させる周波数制御部と、前記第2比較結果に基づき、前記複数のスイッチング駆動信号の前記周波数を前記最大値に設定し、前記位相シフト制御により、前記整流回路から前記所望の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シフト制御部と、を有している。 The control device, for example, compares the calculation result with the reference value with a count value calculation unit that counts the DC output current, calculates the count value to obtain the calculation result, and obtains the calculation result. A comparison unit that outputs the first comparison result when it is larger than the reference value and outputs the second comparison result when the calculation result is smaller than the reference value, and the AC voltage of the three phases based on the first comparison result. The phase difference between the three phases is set to the angle 2π / 3, and the frequency of the plurality of switching drive signals is changed so that the desired DC output current is output from the rectifier circuit by the frequency control. Based on the frequency control unit to be operated and the second comparison result, the frequency of the plurality of switching drive signals is set to the maximum value, and the desired DC output current is output from the rectifier circuit by the phase shift control. As described above, it has a phase shift control unit that changes the phase difference between the three phases.
本発明のDC/DCコンバータの制御装置によれば、周波数制御によってDC出力電流を負荷へ供給し、制御困難な基準値よりも小さい電力供給領域になると、位相シフト制御に切り替えて、DC出力電流を負荷へ供給する構成になっている。そのため、無効電流を抑制した低損失のDC/DCコンバータを実現できる。 According to the control device of the DC / DC converter of the present invention, the DC output current is supplied to the load by frequency control, and when the power supply region becomes smaller than the reference value which is difficult to control, the DC output current is switched to the phase shift control. Is configured to supply to the load. Therefore, a low-loss DC / DC converter that suppresses reactive current can be realized.
本発明を実施するための形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかになるであろう。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。 The embodiments for carrying out the present invention will become clear when the following description of preferred embodiments is read in light of the accompanying drawings. However, the drawings are for illustration purposes only and do not limit the scope of the present invention.
(実施例1の構成) (Structure of Example 1)
図1は、本発明の実施例1におけるDC/DCコンバータの全体を示す概略の回路図である。 FIG. 1 is a schematic circuit diagram showing the entire DC / DC converter according to the first embodiment of the present invention.
DC/DCコンバータ1は、三相(例えば、U相、V相、W相)のDC入力電圧Viu,Viv,Viwをスイッチングして所定のDC出力電圧Vo及びDC出力電流Ioに変換する電力変換の主回路2と、この主回路2のスイッチング動作を制御する制御装置50と、により構成されている。
The DC /
主回路2は、三相のDC/AC変換回路10U,10V,10Wを備えている。三相のDC/AC変換回路10U,10V,10Wは、三相のDC入力電圧Viu,Viv,Viwをそれぞれスイッチングして三相のAC電圧に変換する回路であり、各相が同一の回路で構成されている。
The main circuit 2 includes three-phase DC /
U相のDC/AC変換回路10Uは、複数のスイッチング駆動信号S11U,S12U,S13U,S14Uによりそれぞれオン/オフ動作する複数のスイッチング素子(例えば、FET)11U,12U,13U,14Uを有し、これらのFET11U,12U,13U,14Uがブリッジ接続されている。各FET11U,12U,13U,14Uのソース・ドレイン間には、ボディダイオードである寄生ダイオード15がそれぞれ逆並列に接続されている。
The U-phase DC / AC conversion circuit 10U has a plurality of switching elements (for example, FETs) 11U, 12U, 13U, 14U that are turned on / off by a plurality of switching drive signals S11U, S12U, S13U, and S14U, respectively. These
同様に、V相のDC/AC変換回路10Vは、複数のスイッチング駆動信号S11V,S12V,S13V,S14Vによりそれぞれオン/オフ動作する複数のスイッチング素子(例えば、FET)11V,12V,13V,14Vを有し、これらのFET11V,12V,13V,14Vがブリッジ接続されている。各FET11V,12V,13V,14Vのソース・ドレイン間には、寄生ダイオード15がそれぞれ逆並列に接続されている。
Similarly, the V-phase DC /
更に、W相のDC/AC変換回路10Wは、複数のスイッチング駆動信号S11W,S12W,S13W,S14Wによりそれぞれオン/オフ動作する複数のスイッチング素子(例えば、FET)11W,12W,13W,14Wを有し、これらのFET11W,12W,13W,14Wがブリッジ接続されている。各FET11W,12W,13W,14Wのソース・ドレイン間には、寄生ダイオード15がそれぞれ逆並列に接続されている。
Further, the W-phase DC /
三相のDC/AC変換回路10U,10V,10Wの出力側には、三相の共振回路20U,20V,20Wが接続されている。三相の共振回路20U,20V,20Wは、三相のDC/AC変換回路10U,10V,10Wから出力される三相のAC電圧に共振して三相の共振電圧を生成する回路であり、各相が同一の回路で構成されている。
Three-
U相の共振回路20Uは、共振コンデンサ21U、共振インダクタ22U、及び励磁インダクタ23Uを有する電流共振型回路により構成されている。共振コンデンサ21U、共振インダクタ22U、及び励磁インダクタ23Uは、FET11U及びFET12U間の接続点と、FET13U及びFET14U間の接続点と、の間に直列に接続されている。
The U-phase resonant circuit 20U is composed of a current resonant circuit having a resonant capacitor 21U, a resonant inductor 22U, and an
同様に、V相の共振回路20Vは、共振コンデンサ21V、共振インダクタ22V、及び励磁インダクタ23Vを有する電流共振型回路により構成されている。共振コンデンサ21V、共振インダクタ22V、及び励磁インダクタ23Vは、FET11V及びFET12V間の接続点と、FET13V及びFET14V間の接続点と、の間に直列に接続されている。
Similarly, the V-phase
更に、W相の共振回路20Wは、共振コンデンサ21W、共振インダクタ22W、及び励磁インダクタ23Wを有する電流共振型回路により構成されている。共振コンデンサ21W、共振インダクタ22W、及び励磁インダクタ23Wは、FET11W及びFET12W間の接続点と、FET13W及びFET14W間の接続点と、の間に直列に接続されている。
Further, the W-phase
三相の共振回路20U,20V,20Wの出力側には、三相の変圧器30U,30V,30Wが接続されている。三相の変圧器30U,30V,30Wは、三相の共振回路20U,20V,20Wから出力される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ものであり、各相が同一の構成である。
A three-
U相の変圧器30Uは、1次巻線31U及び2次巻線32Uを有している。1次巻線31Uの巻き初め側(図1中の黒丸点箇所)は、共振インダクタ20Uに接続され、その1次巻線31Uの巻き終わり側が、FET13U,14U間の接続点に接続されている。同様に、V相の変圧器30Vは、1次巻線31V及び2次巻線32Vを有し、その1次巻線31Vの巻き初め側が、共振インダクタ20Vに接続され、その1次巻線31Vの巻き終わり側が、FET13V,14V間の接続点に接続されている。更に、W相の変圧器30Wは、1次巻線31W及び2次巻線32Wを有し、その1次巻線31Wの巻き初め側が、共振インダクタ20Wに接続され、その1次巻線31Wの巻き終わり側が、FET13W,14W間の接続点に接続されている。
The U-phase transformer 30U has a primary winding 31U and a secondary winding 32U. The winding start side of the primary winding 31U (black circle point in FIG. 1) is connected to the resonance inductor 20U, and the winding end side of the primary winding 31U is connected to the connection point between the
三相の2次巻線32U,32V,32Wには、三相の整流回路40が接続されている。三相の整流回路40は、三相の変圧器30U,30V,30Wにより変換された三相の変換電圧を整流してDC出力電圧Vo及びDC出力電流Ioを負荷48へ出力する回路である。三相の整流回路40は、複数(例えば、6個)の整流素子(例えば、ダイオード41,42,43,44,45,46)がブリッジ接続された整流部と、この整流部の出力電圧及び出力電流を平滑する平滑部(例えば、平滑用コンデンサ47)と、により構成されている。
A three-
制御装置50は、主回路2のスイッチング動作を制御するために、複数(例えば、12個)のスイッチング駆動信号S11U,S12U,S13U,S14U,S11V,S12V,S13V,S14V,S11W,S12W,S13W,S14Wをその主回路2中のFET11U,12U,13U,14U,11V,12V,13V,14V,11W,12W,13W,14Wのゲートへ供給する装置である。
The
図2は、図1のDC/DCコンバータ1における制御装置50を示す構成図である。
FIG. 2 is a configuration diagram showing a
制御装置50は、カウント値演算部51、比較部52、周波数制御部53、位相シフト制御部54、及びパルス駆動部55を有している。カウント値演算部51、比較部52、周波数制御部53、及び位相シフト制御部54は、プログラム制御可能な中央処理装置(CPU)を有するプロセッサ、又は、個別回路により構成されている。パルス駆動部55は、個別回路により構成されている。
The
カウント値演算部51は、図示しない電流計測器により計測されたDC出力電流Ioをカウントし、このカウント値を演算して演算結果CVを求めるものである。カウント値演算部51は、計測されたDC出力電流Ioをデジタル信号の出力電流値IOに変換するアナログ/デジタル変換部(以下「A/D変換部」という。)51aと、その出力電流値IOを演算して演算結果CVを求める演算部51bと、を有し、この演算部51bの出力側に、比較部52が接続されている。比較部52は、演算結果CVと基準値RVとを比較し、演算結果CVが基準値RVよりも大きい時(CV≧RV)には第1比較結果CR1を周波数制御部53へ出力し、演算結果CVが基準値RVよりも小さい時(CV<RV)には第2比較結果CR2を位相シフト制御部54へ出力するものである。
The count
周波数制御部53は、第1比較結果CR1に基づき、DC/AC変換回路10U,10V,10Wにより変換された三相のAC電圧におけるU,V,W相間の位相差φを角度2π/3(=120°)に設定し、周波数制御により、整流回路40から所望のDC出力電流Ioが出力されるように、複数のスイッチング駆動信号S11U,S12U,S13U,S14U,S11V,S12V,S13V,S14V,S11W,S12W,S13W,S14Wのスイッチング周波数fを変化させるものである。周波数制御部53は、U,V,W相間の位相差φを角度2π/3(=120°)に設定する位相差設定部53aと、この出力側に接続された周波数変調(以下「PFM」という。)パルス生成部53bと、を有している。PFMパルス生成部53bは、周波数制御により、複数のスイッチング駆動信号S11U,S12U,S13U,S14U,S11V,S12V,S13V,S14V,S11W,S12W,S13W,S14Wのスイッチング周波数fを変調して、PFMパルスP1を生成するものであり、この出力側に、パルス駆動部55が接続されている。
Based on the first comparison result CR1, the
位相シフト制御部54は、第2比較結果CR2に基づき、複数のスイッチング駆動信号S11U,S12U,S13U,S14U,S11V,S12V,S13V,S14V,S11W,S12W,S13W,S14Wのスイッチング周波数fの値を、最大値の最大スイッチング周波数fmaxに固定(即ち、設定)し、位相シフト制御により、整流回路40から所望のDC出力電流Ioが出力されるように、U,V,W相間の位相差φを変化させるものである。位相シフト制御部54は、スイッチング駆動信号S11U,S12U,S13U,S14U,S11V,S12V,S13V,S14V,S11W,S12W,S13W,S14Wのスイッチング周波数fを最大周波数fmaxに設定する周波数設定部54aと、この出力側に接続された位相シフト制御パルス生成部54bと、を有している。位相シフト制御パルス生成部54bは、位相シフト制御により、U,V,W相間の位相差φを変化させて位相シフト制御パルスP2を生成するものであり、この出力側に、パルス駆動部55が接続されている。
The phase
パルス駆動部55は、PFMパルスP1又は位相シフト制御パルスP2を駆動してスイッチング駆動信号S11U,S12U,S13U,S14U,S11V,S12V,S13V,S14V,S11W,S12W,S13W,S14Wを生成するものであり、トランジスタ等の個別回路により構成されている。
The
(電圧が変動しない負荷への電力供給の動作) (Operation of power supply to a load whose voltage does not fluctuate)
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。
In the DC /
例えば、定電圧のDC出力電圧Voを負荷48へ供給する場合、制御装置50内の周波数制御部53は、各U,V,W相間の位相差φを120°に設定し、周波数制御により、PFMパルスP1を生成し、このPFMパルスP1をパルス駆動部55へ出力する。周波数制御では、定電圧出力を行うために、DC出力電圧Voが目標電圧Vthよりも低くなれば、その誤差電圧ΔV(=Vth−Vo)が零になるように、フィードバック制御により、スイッチング周波数fを下げてDC出力電圧Voを高くし、DC出力電圧Voが目標電圧Vthよりも高くなれば、その誤差電圧ΔV(=Vth−Vo)が零になるように、フィードバック制御により、スイッチング周波数fを上げてDC出力電圧Voを低くする、ような周波数変調を行ってPFMパルスP1を生成する。パルス駆動部55は、PFMパルスP1を駆動してスイッチング駆動信号S11U,S12U,S13U,S14U,S11V,S12V,S13V,S14V,S11W,S12W,S13W,S14Wを生成し、U,V,W相のDC/AC変換回路10U,10V,10W内のFET11U,12U,13U,14U,11V,12V,13V,14V,11W,12W,13W,14Wの各ゲートへ与える。
For example, when a constant voltage DC output voltage Vo is supplied to the
U相のDC/AC変換回路10Uでは、スイッチング駆動信号S11U,S12U,S13U,S14Uにより、FET11U,14UとFET12U,13Uとが所定のデッドタイムをおいて交互にオン/オフ動作する。V相のDC/AC変換回路10Vでは、スイッチング駆動信号S11V,S12V,S13V,S14Vにより、FET11V,14VとFET12V,14Vとが、U相から120°遅れて、所定のデッドタイムをおいて交互にオン/オフ動作する。更に、W相のDC/AC変換回路10Wでは、スイッチング駆動信号S11W,S12W,S13W,S14Wにより、FET11W,14WとFET12W,13Wとが、V相から120°遅れて、所定のデッドタイムをおいて交互にオン/オフ動作する。
In the U-phase DC / AC conversion circuit 10U, the
U相のDC/AC変換回路10Uにおいて、FET11U,14Uがオン状態、FET12U,13Uがオフ状態になると、U相のDC入力電圧Viuにより、FET11U→共振コンデンサ21U→共振インダクタ22U→励磁インダクタ23U及び変圧器30Uの1次巻線31U→FET14U→DC入力電圧Viu、の経路で電源電流が流れる。所定のデッドタイムをおいて、FET12U,13Uがオン状態、FET11U,14Uがオフ状態なると、DC入力電圧Viuにより、FET13U→励磁インダクタ23U及び変圧器30Uの1次巻線31U→共振インダクタ22U→共振コンデンサ21U→FET12U→DC入力電圧Viu、の経路で電源電流が流れる。これにより、DC入力電圧ViuがDC/AC変換回路10Uのスイッチング動作によってAC電圧に変換される。
In the U-phase DC / AC conversion circuit 10U, when the
変換されたAC電圧により、共振回路20Uが共振して共振電圧が生成され、変圧器30Uの1次巻線31Uに印加される。すると、変圧器30の2次巻線32Uに所定の変換電圧が誘起される。誘起された変換電圧は、整流回路40内の複数のダイオード41−46によって整流された後、平滑用コンデンサ47によって平滑され、DC出力電圧Voが負荷48へ供給される。
The converted AC voltage causes the resonance circuit 20U to resonate to generate a resonance voltage, which is applied to the primary winding 31U of the transformer 30U. Then, a predetermined conversion voltage is induced in the secondary winding 32U of the transformer 30. The induced conversion voltage is rectified by a plurality of diodes 41-46 in the
同様に、U相から120°遅れてV相のDC/AC変換回路10Vがスイッチング動作を行い、V相のDC入力電圧VivがAC電圧に変換される。変換されたAC電圧により、共振回路20Vが共振して共振電圧が生成される。生成された共振電圧は、変圧器30Vによって所定の電圧に変換され、整流回路40内の複数のダイオード41−46によって整流された後、平滑用コンデンサ47によって平滑され、DC出力電圧Voが負荷48へ供給される。
Similarly, the V-phase DC /
更に、V相から120°遅れてW相のDC/AC変換回路10Wがスイッチング動作を行い、W相のDC入力電圧ViwがAC電圧に変換される。変換されたAC電圧により、共振回路20Wが共振して共振電圧が生成される。生成された共振電圧は、変圧器30Wによって所定の電圧に変換され、整流回路40内の複数のダイオード41−46によって整流された後、平滑用コンデンサ47によって平滑され、DC出力電圧Voが負荷48へ供給される。
Further, the W-phase DC /
(電圧が変動する負荷への電力供給の動作) (Operation of power supply to loads with fluctuating voltage)
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。
As the
図3は、本発明の実施例1におけるEV急速充電器の出力特性を示す図であり、従来の図6中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。 FIG. 3 is a diagram showing the output characteristics of the EV quick charger according to the first embodiment of the present invention, and common reference numerals are given to the elements common to the elements in the conventional FIG.
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6において、基準値RVとなる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6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、基準値RVとなる境界線BLを超える領域では、周波数制御CFが行われ、その基準値RVとなる境界線BL以下の領域では、位相シフト制御CΦが行われる。
In FIG. 3, the horizontal axis represents the DC output current Io and the vertical axis represents the DC output voltage Vo. In FIG. 3, in FIG. 6, the boundary line BL of the LLC control limit, which is the reference value RV, is added, and other parts are the same as those in FIG. In the DC /
図4は、図2の制御装置50の動作を示すフローチャートである。
FIG. 4 is a flowchart showing the operation of the
図5は、図1中のFET11U,12U,13U,14U,11V,12V,13V,14V,11W,12W,13W,14Wにおけるオン/オフ動作のタイミングチャートである。
FIG. 5 is a timing chart of on / off operation for
図4のフローチャートにおいて、以下のステップST1,ST2,ST3,ST4,ST5,ST6,ST7により、負荷48であるバッテリーの急速充電が行われる。 In the flowchart of FIG. 4, the battery having a load of 48 is rapidly charged by the following steps ST1, ST2, ST3, ST4, ST5, ST6, and ST7.
先ず、図1のDC/DCコンバータ1における制御装置50の動作が開始すると、ステップST1へ進む。ステップST1において、図示しない電流計測器によってDC出力電流Ioが計測され、カウント値演算部51内のA/D変換部51aによってデジタル信号の出力電流値IOに変換される。変換された出力電流値IOは、カウント値演算部51内の演算部51bによってカウントされ、そのカウント値が演算されて演算結果CVが求められ、ステップST2へ進む。
First, when the operation of the
ステップST2において、比較部52は、カウント値の演算結果CVを図3中の境界線BLである基準値RVと比較し、演算結果CVが基準値RVよりも大きい場合(CV≧RV)には、第1比較結果CR1を周波数制御部53へ出力してステップST3へ進み、演算結果CVが基準値RVよりも小さい場合(CV<RV)には、第2比較結果CR2を位相シフト制御部54へ出力してステップST5へ進む。
In step ST2, the
ステップST3において、周波数制御部53内の位相差設定部53aは、U相に対してV相の位相差φを120°、更に、U相に対してW相の位相差φを240°、にそれぞれ設定する、つまり、各U,V,W相間の位相差φを120°に設定し、ステップST4へ進む。
In step ST3, the phase difference setting unit 53a in the
ステップST4において、周波数制御部53内のPFMパルス生成部53bは、周波数制御CFによってPFMパルスP1を生成し、このPFMパルスP1をパルス駆動部55へ出力する。周波数制御CFでは、例えば、定電流出力を行うために、DC出力電流Ioが目標電流Ithよりも小さくなれば、その誤差電流ΔI(=Ith−Io)が零になるように、フィードバック制御により、スイッチング周波数fを上げてDC出力電流Ioを大きくし、DC出力電流Ioが目標電流Ithよりも大きくなれば、その誤差電流ΔI(=Ith−Io)が零になるように、フィードバック制御により、スイッチング周波数fを下げてDC出力電流Ioを小さくする、ような周波数変調を行ってPFMパルスP1を生成する。
In step ST4, the PFM
パルス駆動部55は、PFMパルスP1を駆動してスイッチング駆動信号S11U,S12U,S13U,S14U,S11V,S12V,S13V,S14V,S11W,S12W,S13W,S14Wを生成し、U,V,W相のDC/AC変換回路10U,10V,10W内のFET11U,12U,13U,14U,11V,12V,13V,14V,11W,12W,13W,14Wの各ゲートへ与える。すると、図5に示すタイミングにて、U相のFET11U,14UとFET12U,13Uとが所定のデッドタイムをおいて交互にオン/オフ動作する。V相のFET11V,14VとFET12V,14Vとは、U相から120°遅れて、所定のデッドタイムをおいて交互にオン/オフ動作する。更に、W相のFET11W,14WとFET12W,13Wとは、V相から120°遅れて、所定のデッドタイムをおいて交互にオン/オフ動作する。
The
これにより、U相のDC/AC変換回路10Uがスイッチング動作を行い、U相のDC入力電圧ViuがAC電圧に変換される。変換されたAC電圧により、共振回路20Uが共振して共振電圧が生成される。生成された共振電圧は、変圧器30Uによって所定の電圧に変換され、整流回路40によって整流及び平滑されてDC出力電流Ioが生成される。
As a result, the U-phase DC / AC conversion circuit 10U performs a switching operation, and the U-phase DC input voltage Viu is converted into an AC voltage. The converted AC voltage causes the resonance circuit 20U to resonate to generate a resonance voltage. The generated resonance voltage is converted into a predetermined voltage by the transformer 30U, rectified and smoothed by the
同様に、U相から120°遅れてV相のDC/AC変換回路10Vがスイッチング動作を行い、V相のDC入力電圧VivがAC電圧に変換される。変換されたAC電圧により、共振回路20Vが共振して共振電圧が生成される。生成された共振電圧は、変圧器30Vによって所定の電圧に変換され、整流回路40によって整流及び平滑されてDC出力電流Ioが生成される。更に、V相から120°遅れてW相のDC/AC変換回路10Wがスイッチング動作を行い、W相のDC入力電圧ViwがAC電圧に変換される。変換されたAC電圧により、共振回路20Wが共振して共振電圧が生成される。生成された共振電圧は、変圧器30Wによって所定の電圧に変換され、整流回路40によって整流及び平滑されてDC出力電流Ioが生成される。このようにして生成されたDC出力電流Ioにより、負荷48であるバッテリーが急速充電されていき、ステップST7へ進む。
Similarly, the V-phase DC /
ステップST7において、制御装置50内の図示しない充電終了判定部は、バッテリー充電終了の要求があったか否かの判定を行い、バッテリー充電終了の要求が有る時には(Yes)、動作を終了し、バッテリー充電終了の要求が無い時には(No)、ステップST1に戻って上記のステップST1−ST7を繰り返す。
In step ST7, the charge end determination unit (not shown) in the
ステップST2において、演算結果CVが基準値RVよりも小さい場合(CV<RV)には、第2比較結果CR2が位相シフト制御部54へ出力されてステップST5へ進む。ステップST5において、位相シフト制御部54内の周波数設定部54aは、スイッチング周波数fを最大周波数fmaxの値に設定し、ステップST6へ進む。
In step ST2, when the calculation result CV is smaller than the reference value RV (CV <RV), the second comparison result CR2 is output to the phase
ステップST6において、位相シフト制御部54内の位相シフト制御パルス生成部54bは、図5中の矢印で示すように、位相シフト制御CΦにより、各U,V,W相間の位相差φを変化(即ち、シフト)させるような、位相シフト制御パルスP2を生成し、この位相シフト制御パルスP2をパルス駆動部55へ出力する。ステップST3では、各U,V,W相間の位相差φが120°に設定されているが、ステップST6では、その位相差φを変化させている。
In step ST6, the phase shift control
位相シフト制御CΦでは、例えば、低電圧の大電流出力を行うために、DC出力電流Ioが目標電流Ithよりも小さくなれば、その誤差電流ΔI(=Ith−Io)が零になるように、フィードバック制御により、各U,V,W相間の位相差φを120°よりも小さくしてDC出力電流Ioを大きくし、DC出力電流Ioが目標電流Ithよりも大きくなれば、その誤差電流ΔI(=Ith−Io)が零になるように、フィードバック制御により、各U,V,W相間の位相差φを大きくしてDC出力電流Ioを小さくする、ような位相シフトを行って位相シフト制御パルスP2を生成する。 In the phase shift control CΦ, for example, in order to output a large current with a low voltage, if the DC output current Io becomes smaller than the target current Is, the error current ΔI (= Is-Io) becomes zero. By feedback control, the phase difference φ between each U, V, W phase is made smaller than 120 ° to increase the DC output current Io, and if the DC output current Io becomes larger than the target current Is, the error current ΔI ( The phase shift control pulse is performed by performing a phase shift such that the phase difference φ between the U, V, and W phases is increased and the DC output current Io is decreased by feedback control so that (= Is-Io) becomes zero. Generate P2.
パルス駆動部55は、位相シフト制御パルスP2を駆動してスイッチング駆動信号S11U,S12U,S13U,S14U,S11V,S12V,S13V,S14V,S11W,S12W,S13W,S14Wを生成し、U,V,W相のDC/AC変換回路10U,10V,10W内のFET11U,12U,13U,14U,11V,12V,13V,14V,11W,12W,13W,14Wの各ゲートへ与える。すると、図5の矢印で示すタイミングにて、U相のFET11U,14UとFET12U,13Uとが所定のデッドタイムをおいて交互にオン/オフ動作する。V相のFET11V,14VとFET12V,14Vとは、U相から変化後の位相差φ(<120°)遅れて、所定のデッドタイムをおいて交互にオン/オフ動作する。更に、W相のFET11W,14WとFET12W,13Wとは、V相から変化後の位相差φ(<120°)遅れて、所定のデッドタイムをおいて交互にオン/オフ動作する。
The
これにより、各相のDC入力電圧Viu,Viv,ViwがAC電圧に変換される。変換された各相のAC電圧により、共振回路20U,20V,20Wが共振して共振電圧が生成される。生成された各相の共振電圧は、変圧器30U,30V,30Wによって所定の電圧に変換され、整流回路40によって整流及び平滑されてDC出力電流Ioが生成される。生成されたDC出力電流Ioにより、バッテリーが急速充電されていき、ステップST7へ進む。
As a result, the DC input voltages Viu, Viv, and Viw of each phase are converted into AC voltages.
ステップST7において、制御装置50内の図示しない充電終了判定部は、バッテリー充電終了の要求があったか否かの判定を行い、バッテリー充電終了の要求が有る時には(Yes)、動作を終了し、バッテリー充電終了の要求が無い時には(No)、ステップST1に戻って上記のステップST1,ST2,ST5,ST6,ST7を繰り返す。
In step ST7, the charge end determination unit (not shown) in the
(実施例1の効果) (Effect of Example 1)
本実施例1におけるDC/DCコンバータ1の制御装置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、周波数制御によってDC出力電流Ioをバッテリーへ供給し、基準値RVとなる制御困難な境界線BL以下の電力供給領域になると、位相シフト制御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、無効電流を抑制した低損失のDC/DCコンバータ1を実現できる。
According to the
(変形例) (Modification example)
本発明は、上記実施例1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。 The present invention is not limited to the above-mentioned Example 1, and various usage forms and modifications are possible. Examples of this usage pattern and modification include the following (a) and (b).
(a) 図1のDC/DCコンバータ1における主回路2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は、他の回路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。又、整流回路40を構成している複数のダイオード41−46は、スイッチ素子等の他の整流素子に置き換えても良い。
(A) The main circuit 2 in the DC /
(b) 3相のDC/AC変換回路10U,10V,10Wは、これに代えて、6個のスイッチング素子を有するフルブリッジ型の1つのDC/AC変換回路に置き換えても良い。
(B) The three-phase DC /
1 DC/DCコンバータ
2 主回路
10U,10V,10W DC/AC変換回路
20U,20V,20W 共振回路
30U,30V,30W 変圧器
40 整流回路
48 負荷
50 制御装置
51 カウント値演算部
51a A/D変換部
51b 演算部
52 比較部
53 周波数制御部
53a 位相差設定部
53b PFMパルス生成部
54 位相シフト制御部
54a 周波数設定部
54b 位相シフト制御パルス生成部
55 パルス駆動部1 DC / DC converter 2
Claims (8)
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出力電流を負荷へ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、
前記DC出力電流をカウントし、このカウント値を演算して演算結果を求め、
前記演算結果と基準値とを比較し、
前記演算結果が前記基準値よりも大きい時には、前記三相のAC電圧における三相間の位相差を角度2π/3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出力電流が出力されるように、前記複数のスイッチング駆動信号の周波数を変化させ、
前記演算結果が前記基準値よりも小さい時には、前記複数のスイッチング駆動信号の周波数を最大値に設定し、位相シフト制御により、前記整流回路から所望の前記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、
構成になっていることを特徴とするDC/DCコンバータの制御装置。When a three-phase DC input voltage is supplied, a plurality of switching elements that operate on / off by a plurality of switching drive signals switch the DC input voltage and convert it into a three-phase AC voltage. Circuit and
A resonant circuit that resonates with the three-phase AC voltage to generate a three-phase resonant voltage.
A three-phase transformer that converts the three-phase resonance voltage into a predetermined voltage and outputs the three-phase conversion voltage.
A three-phase rectifier circuit that rectifies the three-phase conversion voltage and outputs a DC output current to the load.
A DC / DC converter control device that supplies the plurality of switching drive signals to the main circuit of the DC / DC converter.
The DC output current is counted, and this count value is calculated to obtain the calculation result.
Compare the calculation result with the reference value and
When the calculation result is larger than the reference value, the phase difference between the three phases in the AC voltage of the three phases is set to an angle of 2π / 3, and the desired DC output current is output from the rectifier circuit by frequency control. By changing the frequencies of the plurality of switching drive signals so as to
When the calculation result is smaller than the reference value, the frequencies of the plurality of switching drive signals are set to the maximum values, and the phase shift control is used so that the desired DC output current is output from the rectifier circuit. Change the phase difference between the three phases,
A control device for a DC / DC converter characterized by having a configuration.
前記演算結果と前記基準値とを比較し、前記演算結果が前記基準値よりも大きい時には第1比較結果を出力し、前記演算結果が前記基準値よりも小さい時には第2比較結果を出力する比較部と、
前記第1比較結果に基づき、前記三相のAC電圧における前記三相間の位相差を前記角度2π/3に設定し、前記周波数制御により、前記整流回路から前記所望のDC出力電流が出力されるように、前記複数のスイッチング駆動信号の前記周波数を変化させる周波数制御部と、
前記第2比較結果に基づき、前記複数のスイッチング駆動信号の前記周波数を前記最大値に設定し、前記位相シフト制御により、前記整流回路から前記所望の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シフト制御部と、
を有することを特徴とする請求項1記載のDC/DCコンバータの制御装置。A count value calculation unit that counts the DC output current, calculates the count value, and obtains the calculation result.
Comparison between the calculation result and the reference value, and when the calculation result is larger than the reference value, the first comparison result is output, and when the calculation result is smaller than the reference value, the second comparison result is output. Department and
Based on the first comparison result, the phase difference between the three phases in the AC voltage of the three phases is set to the angle 2π / 3, and the desired DC output current is output from the rectifier circuit by the frequency control. As described above, the frequency control unit that changes the frequency of the plurality of switching drive signals,
Based on the second comparison result, the frequency of the plurality of switching drive signals is set to the maximum value, and the desired DC output current is output from the rectifier circuit by the phase shift control. A phase shift control unit that changes the phase difference between the phases,
The control device for a DC / DC converter according to claim 1.
計測された前記DC出力電流をデジタル信号の出力電流値に変換するアナログ/デジタル変換部と、
前記デジタル信号の出力電流値を演算して前記演算結果を求める演算部と、
を有することを特徴とする請求項2記載のDC/DCコンバータの制御装置。The count value calculation unit
An analog / digital converter that converts the measured DC output current into a digital signal output current value,
An arithmetic unit that calculates the output current value of the digital signal and obtains the calculation result,
2. The control device for a DC / DC converter according to claim 2.
周波数変調パルス及び/又は位相シフト制御パルスを駆動して前記複数のスイッチング駆動信号を生成するパルス駆動部を有し、
前記周波数制御部は、
前記三相間の位相差を前記角度2π/3に設定する位相差設定部と、
前記周波数制御により前記周波数を変調して、前記パルス駆動部に与える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DC/DCコンバータの制御装置。The DC / DC converter control device according to claim 3 is
It has a pulse drive unit that drives a frequency modulation pulse and / or a phase shift control pulse to generate the plurality of switching drive signals.
The frequency control unit
A phase difference setting unit that sets the phase difference between the three phases to the angle 2π / 3 and
A frequency modulation pulse generation unit that modulates the frequency by the frequency control and generates the frequency modulation pulse to be given to the pulse drive unit.
A control device for a DC / DC converter, which comprises.
前記周波数を前記最大値に設定する周波数設定部と、
前記位相シフト制御により前記三相間の位相差を変化させて、前記パルス駆動部に与える前記位相シフト制御パルスを生成する位相シフト制御パルス生成部と、
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。The phase shift control unit
A frequency setting unit that sets the frequency to the maximum value,
A phase shift control pulse generation unit that changes the phase difference between the three phases by the phase shift control and generates the phase shift control pulse to be given to the pulse drive unit.
The DC / DC converter control device according to claim 4, wherein the DC / DC converter has.
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1記載のDC/DCコンバータの制御装置。The DC / AC conversion circuit is composed of a bridge circuit of the plurality of switching elements.
The resonance circuit is composed of a current resonance type circuit having a resonance inductor, a resonance capacitor and an excitation inductor.
The rectifier circuit is composed of a rectifier unit in which a plurality of rectifier elements are bridge-connected and a smoothing unit that smoothes the output voltage of the rectifier unit.
The control device for a DC / DC converter according to claim 1.
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