JPWO2020129143A1 - Power converter - Google Patents
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Abstract
電力変換装置の高電圧高出力化とトランスの小型低損失化を目的とし、一つのコアで構成された複数の巻線をもつトランス(4)を用い、複数のインバータ(INV1〜INVn)の出力を一次側巻線(411〜41n)に並列接続し、二次側巻線(421a、421b〜42ma、42mb)を整流後に直列に接続し、入力電圧に応じてインバータ(INV1〜INVn)のインターリーブ駆動数を変えるか、もしくはインターリーブと同相駆動とを切り替えて動作させる。Outputs of multiple inverters (INV1 to INVn) using a transformer (4) with multiple windings composed of one core for the purpose of increasing the high voltage and high output of the power converter and reducing the size and loss of the transformer. Are connected in parallel to the primary windings (411-41n), the secondary windings (421a, 421b-42ma, 42mb) are connected in series after rectification, and the inverters (INV1 to INVn) are interleaved according to the input voltage. Change the number of drives, or switch between interleave and in-phase drive to operate.
Description
本願は、電力変換装置に関するものである。 The present application relates to a power converter.
例えば、高電圧を要する装置として、X線CT装置およびX線撮影装置があり、これらは、X線管から発生したX線を被検体に照射し、被検体を透過したX線量を検出して画像化するものである。このような装置では、X線管のアノード・カソード間に直流高電圧を印加し、カソードを高温にすることにより発生する熱電子を高電圧で加速し、これをカソードに衝突させてX線を発生させている。 For example, as devices that require high voltage, there are an X-ray CT device and an X-ray imaging device, which irradiate a subject with X-rays generated from an X-ray tube and detect an X-ray dose transmitted through the subject. It is to be imaged. In such a device, a high DC voltage is applied between the anode and cathode of the X-ray tube to accelerate the thermions generated by raising the temperature of the cathode at a high voltage, which collide with the cathode to emit X-rays. It is occurring.
この高電圧を得るため、例えば特許文献1に示されるように、インバータの出力を並列接続されたトランスに接続し、トランス出力を整流後に直列に接続し、負荷の電極に高電圧を得るような構成が取られている。
また、特許文献2に示されるように、複数の電源線から入力される入力電圧のバラツキを吸収しつつトランスを小型化するために、LC共振回路を設け、1つのコアで磁気的に結合した複数のトランスを有するスイッチング電源装置が示されている。In order to obtain this high voltage, for example, as shown in
Further, as shown in
特許文献1に示す電源装置は、並列接続されたトランスにインバータの出力を接続し、トランス出力を整流後に直列に接続し、負荷の電極に高電圧を得るような構成が示されている。しかしながら、トランスを小型化する考えが示されていない。
The power supply device shown in
特許文献2の構成では、複数のトランスをひとつのコアに磁気統合し、二次側に高電圧を得る回路と、磁気統合をすることでトランスを小型化する考えが示されているが、その磁気統合したトランスを、さらに小型化する考えが示されていない。
また、特許文献1、特許文献2とも、電力変換装置の低損失化、大電力化、または出力電圧の高電圧化時に問題となるサージ抑制方法について記載がない。In the configuration of
Further, neither
本願は、上記のような問題点を解消するために成されたものであって、電力変換装置の低損失化により大電力化を可能とし、サージを抑制して高電圧出力を可能とし、トランスを小型化できる電力変換装置の提供を目的とする。 The present application has been made to solve the above-mentioned problems, and it is possible to increase the power by reducing the loss of the power converter, suppress the surge, enable high voltage output, and transform the transformer. The purpose is to provide a power conversion device that can be miniaturized.
本願に開示される電力変換装置は、
直流電源を交流変換するためのN個(Nは2以上の整数)のDC/AC変換部、
N個のDC/AC変換部のそれぞれに接続されるN個の一次巻線とN個の一次巻線と磁気的に結合するM個(Mは2以上の整数)の二次巻線とを有するトランス、
トランスに接続され、トランスからの出力を直流に整流して出力するM個の整流回路、
DC/AC変換部を制御する制御回路、
を備え、
M個の整流回路の直流側端子は互いに接続されており、
制御回路は、N個のDC/AC変換部を、位相をずらしたインターリーブ駆動させること、を特徴とする。The power converter disclosed in the present application is
N DC / AC converters for AC conversion of DC power supply (N is an integer of 2 or more),
N primary windings connected to each of the N DC / AC converters and M secondary windings magnetically coupled to the N primary windings (M is an integer of 2 or more). Transformer,
M rectifier circuits that are connected to a transformer and rectify the output from the transformer to direct current and output it.
A control circuit that controls the DC / AC converter,
With
The DC terminals of the M rectifier circuits are connected to each other.
The control circuit is characterized in that N DC / AC converters are interleaved driven with their phases shifted.
また、本願に開示される電力変換装置は、
一つのコアにN個(Nは2以上の整数)の一次巻線とM個(Mは2以上の整数)の二次巻線を巻回して構成されるトランス、
N個の一次巻線に接続され、直流電源を交流変換するN個のDC/AC変換部、
入力側はM個の二次巻線に接続され、トランスからの出力を直流に整流して出力するM個の整流回路、
DC/AC変換部を制御する制御回路、
を備え、
制御回路は、N個のDC/AC変換部を、互いに位相をずらしたインターリーブ駆動と同相駆動とを直流電源の電圧に応じて切替えることを特徴とする。Further, the power conversion device disclosed in the present application is:
A transformer composed of N primary windings (N is an integer of 2 or more) and M secondary windings (M is an integer of 2 or more) wound around one core.
N DC / AC converters that are connected to N primary windings and convert DC power to AC.
The input side is connected to M secondary windings, and M rectifier circuits that rectify the output from the transformer to direct current and output it.
A control circuit that controls the DC / AC converter,
With
The control circuit is characterized in that N DC / AC converters are switched between interleaved drive and in-phase drive, which are out of phase with each other, according to the voltage of the DC power supply.
DC/AC変換部の位相をずらして動作させるため、トランスをDC/AC変換部のスイッチング周波数以上の周波数で駆動できることになり、DC/AC変換部器のスイッチング周波数を上げることなくトランスのコアを小型化できる。
また、入力電圧に応じてインターリーブ駆動と同相駆動を切替えることにより、鉄損を低下させることができる。Since the DC / AC converter is operated with the phase shifted, the transformer can be driven at a frequency higher than the switching frequency of the DC / AC converter, and the transformer core can be operated without raising the switching frequency of the DC / AC converter. Can be miniaturized.
Further, the iron loss can be reduced by switching between the interleave drive and the in-phase drive according to the input voltage.
以下、本願に係る電力変換装置の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、同一内容および相当部については同一符号を配し、その詳しい説明は省略する。以降の実施形態も同様に、同一符号を付した構成について重複した説明は省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the power conversion device according to the present application will be described with reference to the drawings. The same contents and corresponding parts are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted. Similarly, in the following embodiments, duplicate description of the configurations with the same reference numerals will be omitted.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1による電力変換装置の回路構成を示した図である。図1に示すように、直流電圧源1はリンクコンデンサ2を経て、DC/AC変換器3に入力される。DC/AC変換器3は、DC/AC変換部であるブリッジ型インバータが複数で構成され、インバータINV1〜INVnまでのn個を並列接続した構成である。インバータINV1は、スイッチング素子SW11〜SW14で構成され、インバータINVnは、スイッチング素子SWn1〜SWn4で構成される。
FIG. 1 is a diagram showing a circuit configuration of a power conversion device according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the
DC/AC変換器3を構成するインバータINV1〜INVnのAC出力は、複数(この例ではn個)の一次巻線と複数の二次巻線(この例ではm個)を一つのコアに巻いて磁気結合したトランス4の一次巻線411〜41nにそれぞれ接続される。トランス4の複数の二次巻線はセンタータップで構成されており、一つ目の巻線を、二次巻線421a、421b、m個目の巻線を、二次巻線42ma、42mbとする。
The AC outputs of the inverters INV1 to INVn constituting the DC /
この二次巻線421a、421b〜42ma、42mbにはアノードを共通とした整流回路5が接続され、センタータップの出力にフィルタ回路6が接続される。
A
一つ目の二次巻線421a、421bを例に接続の詳細を説明すると、二次巻線421a、421bには、整流回路5を構成する整流素子51aと51bのカソードが接続され、センタータップ出力にフィルタ回路6の平滑リアクトル61aが接続され、平滑リアクトル61aの出力には平滑コンデンサ61bが接続される。
Explaining the details of the connection by taking the first
平滑コンデンサ61bの出力は、整流素子51a、51bのアノードと、2個目の二次巻線に接続される平滑リアクトルと平滑コンデンサの接続点に接続される。これらの接続をトランス4に設けたm個の二次巻線とm個の整流回路を繰り返して接続することにより、m個の直流側端子は互いに接続される。一つ目の平滑リアクトル61aと平滑コンデンサ61bの接続点と、m個目の平滑リアクトル6maと平滑コンデンサ6mbの接続点に負荷7が接続される。
The output of the
制御回路10は、入力電圧センサ8と、出力電圧センサ9の出力をもとに、負荷7の電圧を所定の電圧とするため、DC/AC変換器3を構成するインバータ群の位相をn相にずらして、それぞれのインバータのデューティ制御を行う(インターリーブ駆動制御)。
In the
制御回路10のハードウエアの一例を図2に示す。プロセッサ100と記憶装置101から構成され、図示していないが、記憶装置101はランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ100は、記憶装置101から入力されたプログラムを実行し、インターリーブ駆動制御または後述するインターリーブ駆動と同相駆動との切替えの一部又は全部を遂行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ100にプログラムが入力される。また、プロセッサ100は、演算結果等のデータを記憶装置101の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。また、プロセッサ100及び記憶装置101に加え、ロジック回路、アナログ回路を併用してもよい。
An example of the hardware of the
図1で説明した、DC/AC変換器3のインバータINV1、INV2(n=2)、トランス4の一次巻線411、412(n=2)、トランス4の二次巻線421a、421b、422a、422b(m=2)とした場合の各部の動作波形について図3を用いて説明する。
The inverters INV1 and INV2 (n = 2) of the DC /
図3Aは直流電圧源1の電圧と、出力である負荷7の電圧を示しており、直流電圧源1の電圧が400V、負荷7の電圧が420V程度の昇圧関係となっている。
図3BはDC/AC変換器3のインバータINV1の駆動タイミングを示しており、ブリッジ側の上アームのスイッチング素子SW11、SW13の動作タイミングを示す。
図3CはDC/AC変換器3のインバータINV2の駆動タイミングを示しており、ブリッジ側の上アームのスイッチング素子SW21、SW23の動作タイミングを示す。
図3B、図3Cからわかるように、インバータINV1とインバータINV2は一周期内を2分割し、180度位相をずらして動作させている。インバータの数がN相ある場合は、一周期をn分割し、360度/n位相をずらしてそれぞれをインターリーブ駆動させる。FIG. 3A shows the voltage of the
FIG. 3B shows the drive timing of the inverter INV1 of the DC /
FIG. 3C shows the drive timing of the inverter INV2 of the DC /
As can be seen from FIGS. 3B and 3C, the inverter INV1 and the inverter INV2 are divided into two in one cycle and are operated with a phase shift of 180 degrees. When the number of inverters is N-phase, one cycle is divided into n, and each is interleaved driven by shifting the 360-degree / n phase.
図3Dはトランス4の一次巻線411の電圧、図3Eはトランス4の一次巻線412の電圧を示す。図3Dの場合、インバータINV1は1周期内の1/2周期にのみオン・オフ動作をしてトランス4の一次巻線411に電圧が生じ、インバータINV1の2/2周期はオン・オフ動作しないが、トランス4の一次巻線411と一次巻線412が結合しているため、インバータINV2が動作する2/2周期においてもトランス4の一次巻線411に電圧が生じることになる。
FIG. 3D shows the voltage of the primary winding 411 of the
図3Eの場合も同様、インバータINV2は1周期内の2/2周期にのみオン・オフ動作をしてトランス4の一次巻線412に電圧が生じ、インバータINV2の1/2周期はオン・オフ動作をしないが、トランス4の一次巻線411と一次巻線412が結合しているため、インバータINV1が動作する1/2周期においてもトランス4の一次巻線412に電圧が生じることになる。
Similarly in the case of FIG. 3E, the inverter INV2 operates on and off only in 2/2 cycles within one cycle, a voltage is generated in the primary winding 412 of the
このように、トランス4の一次巻線411、412には、スイッチングしない時にも電圧が生じるが、一次巻線411、412の巻数を同じにしておけば、例えばインバータINV1が動作している時に、インバータINV2が整流動作をして直流電圧源1に負荷電流を引き込むことはなく、直流電圧源1からの電力は、トランス4の二次巻線421a、421b、422a、422bを通って負荷7に伝送される。
In this way, a voltage is generated in the
以上のように、インバータINV1、INV2で180度位相を交互にずらしたインターリーブ駆動のスイッチングを行うと、トランス4の駆動周波数をインバータINV1、INV2の駆動周波数の2倍にできる。すなわち、1周期をインバータ2相で時分割してトランス4に対して交互に電圧を印加するのでVT積(Vは印加電圧、Tは1次巻線に電圧を印加している時間)が半分となり、トランス4のコアを小さくできる。従って、トランス4のコアを小さくするために、インバータINV1、INV2の駆動周波数を高くする必要がなく、スイッチング損失を小さくすることができる。
同様に、n相のインバータで交互に動作をさせるとVT積が1/nとなりトランス4のコアのさらなる小型化が可能になる。As described above, when the inverters INV1 and INV2 perform interleave drive switching in which the phases are alternately shifted by 180 degrees, the drive frequency of the
Similarly, when the n-phase inverters are operated alternately, the VT product becomes 1 / n, and the core of the
図3Fはトランス4の一次巻線411の電流、図3Gはトランス4の一次巻線412の電流を示す。図3FはインバータINV1が動作している1/2周期にのみ(図3Bで示すタイミング)電流が流れ、図3GはインバータINV2が動作している2/2周期にのみ(図3Cで示すタイミング)で電流が流れることを示す。すなわち、インバータを2相で動かすと、電流の印加時間が半分になっていることがわかる。
従って、インバータをn相で構成すると電流印加時間は1/nとなり、多相化することにより、インバータあたりの平均電流および電流実効値を減らすことができ、インバータの銅損を低減できることになる。従って、DC/AC変換器3の低損失化が実現できる。FIG. 3F shows the current of the primary winding 411 of the
Therefore, when the inverter is composed of n phases, the current application time is 1 / n, and by increasing the number of phases, the average current and the current effective value per inverter can be reduced, and the copper loss of the inverter can be reduced. Therefore, the loss of the DC /
図3Hは平滑リアクトル61aを流れる電流であり、電流のリプル周波数がDC/AC変換器3を構成するインバータのスイッチング周波数の2n倍(インバータが2相の場合では4倍)となり、電流リプルが小さいことと、電流リプル周波数を高くできるため、フィルタ回路6の平滑リアクトル61a〜6maと平滑コンデンサ61b〜6mbの容量を小さくすることができる。
FIG. 3H shows the current flowing through the smoothing
次に電力変換装置の動作について説明する。図4はインバータINV1のスイッチング素子SW11とスイッチング素子SW14がオンしている時の電流経路を示している。トランス4の一次側の電流は、直流電圧源1から、スイッチング素子SW11、一次巻線411、スイッチング素子SW14を得て、直流電圧源1に戻る経路となる。トランス4のその他の1次巻線には電圧が生じるが、一次巻線の巻数を同数としているため、定常的に直流電圧源1を上回る電圧が生じず、残りのインバータINV2〜INVnに負荷電流が流れることはない。
Next, the operation of the power converter will be described. FIG. 4 shows a current path when the switching element SW11 and the switching element SW14 of the inverter INV1 are on. The current on the primary side of the
トランス4の二次巻線421a、421b〜42ma、42mbにはトランス4の一次巻線と二次巻線の巻数比に応じた電圧が生じ、整流回路5内の整流素子51b〜5mbが導通し、センタータップ点から平滑リアクトル61a〜6maに向かって電流が流れる。2次巻線のそれぞれに接続されたフィルタ回路6は直列接続されており、負荷7には、フィルタ後の1段あたりの電圧のm倍の電圧が印加される。
A voltage is generated in the
フィルタ回路6の平滑リアクトル61a〜6maのインピーダンスを負荷7に比べて十分低い値に設定すると、電流リプルを含んだ電流は、図4中点線で示したように、例えば、トランス4の二次巻線421b、平滑リアクトル61a、平滑コンデンサ61bを循環する電流となり、負荷7にはきわめて小さな電流リプル含んだ直流成分のみが流れる。
When the impedance of the smoothing
図5にインバータINV1、INV2を用いて2相並列駆動をした場合の、平滑リアクトル61a、平滑コンデンサ61b、負荷7の電流波形を示す。
図5Aは、図3A同様、電力変換装置の入出力電圧を示し、図5Bは、図3B同様、インバータINV1の駆動タイミング、図5Cは、図3C同様、インバータINV2の駆動タイミング、図5Dは、図3H同様、平滑リアクトル61aと、負荷7の電流を示し、図5Eは平滑コンデンサ61bの電流を示す。
平滑リアクトル61aに流れる電流リプルの周波数はインバータINV1およびインバータINV2を駆動するスイッチング周波数の4倍の周波数のリプル成分を含んだ電流が流れるが、平滑コンデンサ61bのインピーダンスを負荷7に対して十分小さくしておけば、この電流リプル成分は、平滑コンデンサ61bにほぼ流れこんでトランス4の二次巻線421b、平滑リアクトル61aを循環し、負荷7には現れない。FIG. 5 shows the current waveforms of the smoothing
5A shows the input / output voltage of the power converter as in FIG. 3A, FIG. 5B shows the drive timing of the inverter INV1 as in FIG. 3B, FIG. 5C shows the drive timing of the inverter INV2 as in FIG. 3C, and FIG. 5D shows the drive timing of the inverter INV2. Similar to FIG. 3H, the smoothing
The frequency of the current ripple flowing through the smoothing
次に、図6にインバータINV1のスイッチング素子SW13とスイッチング素子SW12がオンしている時の電流経路を示す。トランス4の一次側の電流は、直流電圧源1から、スイッチング素子SW13、一次巻線411、スイッチング素子SW12を得て、直流電圧源1に戻る経路となる。トランス4のその他の1次巻線には電圧が生じるが、一次巻線の巻数を同数としているため、定常的に直流電圧源1を上回る電圧が生じず、残りのインバータINV2〜INVnに負荷電流が流れることはない。
Next, FIG. 6 shows a current path when the switching element SW13 and the switching element SW12 of the inverter INV1 are on. The current on the primary side of the
トランス4の二次巻線421a、421b〜42ma、42mbにはトランス4の一次巻線と二次巻線の巻数比に応じた電圧が生じ、整流回路5内の整流素子51a〜5maが導通し、センタータップ点から平滑リアクトル61a〜6maに向かって電流が流れ、直列接続されたフィルタ回路6により、負荷7には、フィルタ後の1段あたりの電圧のm倍の電圧が印加される。また、整流回路5内のそれぞれの整流素子51a〜5maにかかる電圧を小さくできるため、サージ電圧も小さくすることができる。
A voltage is generated in the
フィルタ回路の平滑リアクトル61a〜6maのインピーダンスを負荷7に比べて十分低い値に設定すると、電流リプルを含んだ電流は、図中点線で示したように、例えば、トランス4の二次巻線421b、平滑リアクトル61a、平滑コンデンサ61bを循環する電流となり、負荷7にはきわめて小さな電流リプル含んだ直流成分のみが流れる。
電流の説明については、トランスの二次巻線の流れる箇所が異なるだけで図5にて説明した通りであるため割愛する。When the impedance of the smoothing
The description of the current is omitted because it is as described in FIG. 5 except that the location where the secondary winding of the transformer flows is different.
DC/AC変換器3内の並列接続された他のインバータINV2〜INVnの位相をずらして動作した時も上述と同様の電流経路と動作になる。
When the other inverters INV2 to INVn connected in parallel in the DC /
以上説明のように、本実施の形態の電力変換装置は、以下のような効果を奏し、高出力、高電圧電源が低損失かつ小型に実現することができる。
(1)位相をずらした場合はトランスの駆動周波数をDC/AC変換部の駆動周波数のN倍にできるため、トランスのVT積が小さくなり、コアを小型化できる。
(2)DC/AC変換部の電流印加時間を1/Nに分散できるため、銅損が小さい。
(3)トランスのコアを小さくするために、DC/AC変換部の駆動周波数を高くする必要がなくスイッチング損失が小さい。
(4)整流後の電圧を直列接続して出力電圧を得るため、1段あたりの整流電圧が小さいため、サージ電圧が小さくなり、サージ回路レスによる低損失化、および整流回路が安価な低耐圧素子で高電圧出力の回路が構成できる。
(5)DC/AC変換部の位相をずらしてインターリーブ動作させるため、出力電流リプルが高周波化されて小さくなり、フィルタ回路が小型化できる。As described above, the power conversion device of the present embodiment has the following effects, and a high output and high voltage power supply can be realized with low loss and small size.
(1) When the phase is shifted, the drive frequency of the transformer can be N times the drive frequency of the DC / AC conversion unit, so that the VT product of the transformer can be reduced and the core can be miniaturized.
(2) Since the current application time of the DC / AC conversion unit can be dispersed to 1 / N, the copper loss is small.
(3) In order to reduce the core of the transformer, it is not necessary to increase the drive frequency of the DC / AC converter, and the switching loss is small.
(4) Since the rectified voltage is connected in series to obtain the output voltage, the rectified voltage per stage is small, so the surge voltage is small, the loss is reduced by eliminating the surge circuit, and the rectified circuit is inexpensive and has a low withstand voltage. A high voltage output circuit can be configured with the element.
(5) Since the phase of the DC / AC conversion unit is shifted to perform the interleave operation, the output current ripple is increased in frequency and becomes smaller, and the filter circuit can be made smaller.
実施の形態2.
実施の形態1は、トランス4の二次側の構成をフィルタ回路6内の個々のフィルタの出力を直列に接続して、負荷7へ高電圧を出力させていたが、実施の形態2は整流回路5の出力を直列接続して負荷7へ高電圧を発生させる構成としたものである。
In the first embodiment, the secondary side configuration of the
実施の形態2の構成について図7を用いて説明する。トランス4の一次巻線411〜41nの構成については実施の形態1と同じであるため割愛する。整流回路5を構成する整流素子51aと51bのアノードを接続し、これを次段のトランス4の二次巻線のセンタータップ点に接続する。同様の接続を合計m−1回繰り返して接続して、m段の整流回路の直列接続を行う。なお、図7では、整流素子51a、51bからなる1段目の整流回路と、整流素子5ma、5mbからなるm段目の整流回路との間にある整流回路は省略している。
The configuration of the second embodiment will be described with reference to FIG. Since the configurations of the
この直列に接続された整流回路5の出力端である、1段目の二次巻線421a、421bのセンタータップ点と、m段目の整流素子5ma、5mbのアノードの接続点に平滑リアクトル61aと平滑コンデンサ61bからなるフィルタ回路6を接続し、フィルタ回路6の出力に負荷7を接続している。
A smoothing
このような構成により、フィルタ回路6を構成する、平滑リアクトル61aの両端電圧が高くなるため、平滑リアクトル61a、および平滑コンデンサ61bに流れる電流リプルが大きくなるが、これを許容できれば、実施の形態1に比較して、平滑リアクトルと平滑コンデンサの数を減らすことができるので、電力変換装置のさらなる小型化が可能となる。すなわち、電流リプルが実施の形態1に比べて増加はするが、フィルタ回路6は小さくなり、その他の効果については実施の形態1と同じ効果が得られる。
With such a configuration, the voltage across the smoothing
実施の形態3.
実施の形態3の電力変換装置は、実施の形態1または実施の形態2と同構成で、DC/AC変換器3を構成するインバータINV1〜INVnの位相をずらして動作させるインターリーブ駆動と、インバータINV1〜INVnを同じ位相で動作させるいわゆる同相駆動とを、直流電圧源1の電圧に応じて、切り替えて動作するものである。
The power conversion device of the third embodiment has the same configuration as that of the first embodiment or the second embodiment, and has an interleave drive for operating the inverters INV1 to INVn constituting the DC /
負荷7が充電池等であり、充電が進む時の負荷電圧と、DC/AC変換器3を構成するインバータINV1〜INVnのデューティの関係を図8に示す。
直流電圧源1の電圧Vinが一定の場合、充電初期は負荷7の電圧が低いため、DC/AC変換器3は制御回路10の指令に基づきデューティを絞ってトランス4の二次側の平均電圧を調整して充電する。充電が進み、負荷7の充電電圧が高くなると、制御回路10はトランス4の二次側の平均電圧を高くするため、DC/AC変換器3はデューティを広げて充電動作をさせる(グラフP)。FIG. 8 shows the relationship between the load voltage when the load 7 is a rechargeable battery or the like and charging proceeds and the duty of the inverters INV1 to INVn constituting the DC /
When the voltage Vin of the
一般にトランス4の動作比率が高い、いわゆる電流実効値が低くなるように、DC/AC変換器3のデューティを最大として、動作させたほうが電力変換装置の効率は良くなるため、直流電圧源1の電圧Vinを可変しながら充電するようなデューティ最大制御をさせることが望まれる(グラフQ)。このデューティ最大制御は、充電初期状態は直流電圧源1の電圧が低く、VT積に余裕がある状態(例えば期間R)で、DC/AC変換器3をインターリーブ動作させて、トランス4の駆動周波数が高いままにしておくと、鉄損を無駄に発生させることになる。このため、直流電圧源1の電圧を低い状態(期間R)では、DC/AC変換器3のインターリーブ駆動するインバータの数(インターリーブ駆動数)を減らし、究極は同相駆動にするとトランス4を駆動する周波数を下げることができる。
In general, the efficiency of the power converter is improved when the DC /
トランスが飽和しないVT積の条件、かつトランスの駆動周波数を下げると鉄損が下がる条件を満たす時刻t1で、DC/AC変換器3の動作を、インターリーブ駆動のインターリーブ数を下げる、もしくは同相駆動に切り替えると、鉄損を抑え電力変換装置を高効率に動作させることができる。
At time t1, which satisfies the condition of the VT product that the transformer does not saturate and the condition that the iron loss decreases when the drive frequency of the transformer is lowered, the operation of the DC /
図9にDC/AC変換器3をインバータINV1、INV2を用いて2相並列駆動をした場合のインバータINV1、INV2の駆動タイミング、デューティ、インターリーブと同相駆動との切替え動作について説明する。
FIG. 9 describes the drive timing, duty, and switching operation between the inverter INV1 and INV2 and the in-phase drive when the DC /
図9Aは直流電圧源1の電圧Vinを固定した時の、充電初期時のインターリーブ駆動のインバータINV1、2それぞれの駆動タイミングとデューティを模式的に記したものである。充電初期時は、負荷7の充電電圧が低いため、トランス4の二次側平均電圧を下げるようにデューティを絞った動作となっており、この短い動作期間においてトランス4の二次側に電力伝送を行うため、電流実効値が高く損失が大きい。
FIG. 9A schematically shows the drive timing and duty of the interleaved drive inverters INV1 and 2 at the initial stage of charging when the voltage Vin of the
図9Bは、充電完了時のインターリーブ駆動のインバータINV1、INV2それぞれの駆動タイミングとデューティを模式的に記したものである。負荷7の充電電圧が高いため、トランス4の二次側平均電圧を上げるために、デューティが広く、電流実効値が低く抑えられ高効率動作とする。デューティ一定制御とは、このデューティが大きい状態となるよう、直流電圧源1の入力電圧Vinを可変とする制御である。入力電圧Vinを可変とするため、インターリーブ駆動数を可変とする。
FIG. 9B schematically shows the drive timing and duty of each of the interleaved drive inverters INV1 and INV2 when charging is completed. Since the charging voltage of the load 7 is high, in order to raise the secondary side average voltage of the
図9Cは、充電初期の直流電圧源1の電圧が低く、デューティを最大となるように開き、トランス4のコアが飽和しないVT積となる場合に、DC/AC変換器3を同相駆動した時の図である。この場合はトランス4の駆動周波数がインバータINV1、INV2のスイッチング周波数と同じとなり、インターリーブ駆動時より周波数が下がるため、鉄損を小さくすることができる。
FIG. 9C shows when the DC /
以上のように、直流電圧源1の電圧に応じて、DC/AC変換器3の動作を、インターリーブの駆動数の切り替え、またはインターリーブ駆動と同相駆動との切替えにより、トランス4の駆動周波数を可変とすることで、大電力、高出力電圧に対応した、トランスの小型化と低損失化が可能な電力変換器を得ることが出来る。
As described above, the drive frequency of the
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。Although the present application describes various exemplary embodiments and examples, the various features, embodiments, and functions described in one or more embodiments are applications of a particular embodiment. It is not limited to, but can be applied to embodiments alone or in various combinations.
Therefore, innumerable variations not illustrated are envisioned within the scope of the techniques disclosed herein. For example, it is assumed that at least one component is modified, added or omitted, and further, at least one component is extracted and combined with the components of other embodiments.
1:直流電圧源、2:リンクコンデンサ、3:DC/AC変換器、INV1〜INVn:インバータ、SW11〜SWn4:半導体スイッチ、4:トランス、411〜41n:一次巻線、421a、421b〜42ma、42mb:二次巻線、5:整流回路、51a、51b〜5ma、5mb:整流素子、6:フィルタ回路、61a〜6ma:平滑リアクトル、61b〜6mb:平滑コンデンサ、7:負荷、8:入力電圧センサ、9:出力電圧センサ、10:制御回路 1: DC voltage source, 2: Link capacitor, 3: DC / AC converter, INV1 to INVn: Inverter, SW11 to SWn4: Semiconductor switch, 4: Transformer, 411 to 41n: Primary winding, 421a, 421b to 42ma, 42mb: Secondary winding, 5: Rectifier circuit, 51a, 51b-5ma, 5mb: Rectifier element, 6: Filter circuit, 61a-6ma: Smoothing reactor, 61b-6mb: Smoothing capacitor, 7: Load, 8: Input voltage Sensor, 9: Output voltage sensor, 10: Control circuit
本願に開示される電力変換装置は、
直流電源を交流変換するためのN個(Nは2以上の整数)のDC/AC変換部、
N個のDC/AC変換部のそれぞれに接続されるN個の一次巻線とN個の一次巻線と磁気的に結合するM個(Mは2以上の整数)の二次巻線とを有するトランス、
トランスに接続され、トランスからの出力を直流に整流して出力するM個の整流回路、
DC/AC変換部を制御する制御回路、
を備え、
M個の整流回路の直流側端子は互いに接続されており、
制御回路は、N個のDC/AC変換部を、位相をずらしたインターリーブ駆動させ、
インターリーブ駆動は、直流電源の電圧に応じて、DC/AC変換部のインターリーブ駆動数を可変とすること、を特徴とする。
The power converter disclosed in the present application is
N DC / AC converters for AC conversion of DC power supply (N is an integer of 2 or more),
N primary windings connected to each of the N DC / AC converters and M secondary windings magnetically coupled to the N primary windings (M is an integer of 2 or more). Transformer,
M rectifier circuits that are connected to a transformer and rectify the output from the transformer to direct current and output it.
A control circuit that controls the DC / AC converter,
With
The DC terminals of the M rectifier circuits are connected to each other.
The control circuit drives N DC / AC converters in phase-shifted interleave drive .
The interleave drive is characterized in that the number of interleave drives of the DC / AC conversion unit is variable according to the voltage of the DC power supply .
Claims (10)
前記N個のDC/AC変換部のそれぞれに接続されるN個の一次巻線と前記N個の一次巻線と磁気的に結合するM個(Mは2以上の整数)の二次巻線とを有するトランス、
前記トランスに接続され、前記トランスからの出力を直流に整流して出力するM個の整流回路、
前記DC/AC変換部を制御する制御回路、
を備え、
前記M個の整流回路の直流側端子は互いに接続されており、
前記制御回路は、前記N個のDC/AC変換部を、位相をずらしたインターリーブ駆動させること、を特徴とする電力変換装置。N DC / AC converters for AC conversion of DC power supply (N is an integer of 2 or more),
N primary windings connected to each of the N DC / AC converters and M secondary windings magnetically coupled to the N primary windings (M is an integer of 2 or more) Transformer with and
M rectifier circuits connected to the transformer and rectifying the output from the transformer to direct current and outputting it.
A control circuit that controls the DC / AC conversion unit,
With
The DC side terminals of the M rectifier circuits are connected to each other.
The control circuit is a power conversion device characterized in that the N DC / AC conversion units are interleaved driven with their phases shifted.
N個の一次巻線に接続され、直流電源を交流変換するN個のDC/AC変換部、
入力側は前記M個の二次巻線に接続され、前記トランスからの出力を直流に整流して出力するM個の整流回路、
前記DC/AC変換部を制御する制御回路、
を備え、
前記制御回路は、前記N個のDC/AC変換部を、互いに位相をずらしたインターリーブ駆動と同相駆動とを前記直流電源の電圧に応じて切替えることを特徴とする電力変換装置。A transformer composed of N primary windings (N is an integer of 2 or more) and M secondary windings (M is an integer of 2 or more) wound around one core.
N DC / AC converters that are connected to N primary windings and convert DC power to AC.
The input side is connected to the M secondary windings, and the output from the transformer is rectified to direct current and output.
A control circuit that controls the DC / AC conversion unit,
With
The control circuit is a power conversion device characterized in that the N DC / AC conversion units are switched between interleaved drive and in-phase drive, which are out of phase with each other, according to the voltage of the DC power supply.
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