KR20170103668A - 다상 승압 컨버터의 제어 방법 및 다상 승압 컨버터 - Google Patents

다상 승압 컨버터의 제어 방법 및 다상 승압 컨버터 Download PDF

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Abstract

다상 승압 컨버터의 제어 방법은, 입력 전압이 부여되는 입력 단자와, 부하 회로에 공급하는 출력 전압이 출력되는 출력 단자 사이에 병렬로 접속된 복수의 승압 회로를, 동일 주파수를 갖는 복수의 구동 신호에 의해 구동하는 다상 승압 컨버터의 제어 방법이며, N개의 상기 승압 회로를 구동중에, 상기 복수의 구동 신호의 주파수를 제1 주파수로부터 제2 주파수를 전환할 때에, 상기 제2 주파수가 상기 다상 승압 컨버터와 상기 부하 회로 사이에 형성되는 공진 회로의 공진 주파수의 M배인지를 판정하는 스텝과, 상기 제2 주파수가 상기 공진 주파수의 M배일 경우, 상기 복수의 구동 신호 간의 위상차를, 상기 M의 값에 따라서 정해지는 공진 현상을 회피하는 위상차로 하는 스텝을 갖는다.

Description

다상 승압 컨버터의 제어 방법 및 다상 승압 컨버터{CONTROL METHOD FOR POLYPHASE STEP-UP CONVERTER, AND POLYPHASE STEP-UP CONVERTER}
본 발명은 다상 승압 컨버터의 제어 방법 및 다상 승압 컨버터에 관한 것이다. 예를 들어, 복수의 승압 컨버터를 병렬 접속하고, 당해 복수의 승압 컨버터를 복수의 상이한 위상의 구동 신호에 의해 제어하는 다상 승압 컨버터의 제어 방법 및 다상 승압 컨버터에 관한 것이다.
승압 컨버터의 하나에, 복수의 승압 컨버터를 병렬 접속하고, 당해 복수의 승압 컨버터를 복수의 상이한 위상의 구동 신호에 의해 제어하는 다상 승압 컨버터가 있다. 다상 승압 컨버터는, 고부하에서는, 단상의 승압 컨버터보다도 1상 당의 부하를 저감시킬 수 있기 때문에, 소형화가 가능하다. 이 다상 승압 컨버터의 일례가 일본 특허 공개 제2014-042410에 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2014-042410에 기재된 다상 승압 컨버터에서는, 다상 승압 컨버터의 출력 단자와, 다상 컨버터에 의해 생성된 승압 전압이 공급되는 부하 회로 사이에 스위치와 리액터를 병렬 접속한 회로를 갖는다. 그리고, 일본 특허 공개 제2014-042410의 기재된 다상 승압 컨버터에서는, 스위치에 의해 리액터의 유효와 무효를 전환한다. 이에 의해, 일본 특허 공개 제2014-042410에 기재된 다상 승압 컨버터에서는, 다상 승압 컨버터의 출력 단자에 접속되는 평활 콘덴서와 출력 단자에 접속되는 배선에 기생하는 인덕터에 의해 형성되는 공진 회로의 공진 주파수에, 다상 승압 컨버터의 출력 신호의 리플 성분이 일치하여 발생하는 공진 현상을 회피한다.
그러나, 일본 특허 공개 제2014-042410에 기재된 기술에서는, 스위치와 인덕터를 병렬 접속한 회로가 필요하다. 일반적으로, 인덕터는 체적 및 중량이 크다. 그 때문에, 일본 특허 공개 제2014-042410에 기재된 기술을 사용하여 다상 승압 컨버터를 포함하는 시스템의 공진 현상을 회피시키는 경우, 시스템의 체적 및 중량이 크다.
본 발명은 다상 승압 컨버터를 포함하는 시스템의 체적 및 중량을 억제하면서 공진 현상을 회피한다.
본 발명의 제1 형태에 따른 다상 승압 컨버터의 제어 방법은, 입력 전압이 부여되는 입력 단자와, 부하 회로에 공급하는 출력 전압이 출력되는 출력 단자 사이에 병렬로 접속된 복수의 승압 회로를, 동일 주파수를 갖는 복수의 구동 신호에 의해 각각 구동하는 다상 승압 컨버터의 제어 방법에 관한 것이다. 상기 제어 방법은 N(2 이상의 정수)개의 상기 승압 회로를 구동중에, 상기 복수의 구동 신호의 주파수를 제1 주파수로부터 제2 주파수를 전환할 때에, 상기 제2 주파수가 상기 다상 승압 컨버터와 상기 부하 회로 사이에 형성되는 공진 회로의 공진 주파수의 M(N 이하의 자연수)배인지를 판정하는 것, 상기 제2 주파수가 상기 공진 주파수의 M배일 경우, 상기 복수의 구동 신호 간의 위상차를, 상기 M의 값에 따라서 정해지는 공진 현상을 회피하는 위상차로 하는 것을 포함한다.
상기 형태에 의하면, 복수의 구동 신호의 위상차를, 상기 M의 값에 따라서 정해지는 공진 현상을 회피하는 위상차로 한다. 이에 의해, 본 발명의 다상 승압 컨버터의 제어 방법을 사용한 시스템에서는, 공진 회로의 공진 주파수를 변위시키기 위하여 인덕터를 사용하지 않고, 복수의 구동 신호의 위상차를 적절한 값으로 함으로써, 시스템 내에서 공진 현상이 발생하는 것을 회피할 수 있다.
상기 형태에 있어서, 상기 다상 승압 컨버터가 갖는 상기 복수의 승압 회로의 개수를 A(N 이상의 정수)개로 하면, 상기 M의 값에 따라서 정해지는 공진 현상을 회피하는 위상차는, 360°를 2부터 상기 A의 값으로 제산한 각 값을 선택지로 하여 설정되어도 된다.
이에 의해, 전환 후의 복수의 구동 신호 간의 위상차를 적은 계산량의 처리에 의해 고속으로 전환할 수 있다.
본 발명의 제2 형태는, 다상 승압 컨버터에 관한 것이다. 상기 다층 승압 컨버터는 입력 전압이 부여되는 입력 단자와, 부하 회로에 공급하는 출력 전압이 출력되는 출력 단자 사이에 병렬로 접속된 복수의 승압 회로 및 동일 주파수를 갖는 복수의 구동 신호에 의해 상기 복수의 승압 회로를 각각 구동하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, N(2 이상의 정수)개의 상기 승압 회로를 구동중에, 상기 복수의 구동 신호의 주파수를 제1 주파수로부터 제2 주파수를 전환할 때에, 상기 제2 주파수가 상기 출력 단자와 상기 부하 회로 사이에 형성되는 공진 회로의 공진 주파수의 M(N 이하의 자연수)배인지를 판정하고, 상기 제2 주파수가 상기 공진 주파수의 M배일 경우, 상기 복수의 구동 신호 간의 위상차를, 상기 M의 값에 따라서 정해지는 공진 현상을 회피하는 위상차로 한다.
상기 본 발명의 일 형태에 의하면, 복수의 구동 신호의 위상차 상기 M의 값에 따라서 정해지는 공진 현상을 회피하는 위상차로 한다. 이에 의해, 본 발명의 다상 승압 컨버터를 사용한 시스템에서는, 공진 회로의 공진 주파수를 변위시키기 위하여 인덕터를 사용하지 않고, 복수의 구동 신호의 위상차를 적절한 값으로 함으로써, 시스템 내에서 공진 현상이 발생하는 것을 회피할 수 있다.
본 발명에 따른 다상 승압 컨버터의 제어 방법 및 다상 승압 컨버터에 의하면, 시스템의 체적 및 중량을 억제하면서 공진 현상의 발생을 회피할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시예의 특징, 이점 및 기술적 및 산업적 의의는 유사 요소들을 유사 도면 부호들로 나타낸 첨부 도면을 참조하여 후술된다.
도 1은 실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터를 포함하는 시스템의 블록도이다.
도 2는 실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터의 구동 신호와 콘덴서에 입력되는 전류의 일례를 도시하는 타이밍 차트이다.
도 3은 실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터를 포함하는 시스템에 있어서의 공진 현상의 발생 조건을 설명하는 타이밍 차트이다.
도 4는 실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터를 3상으로 제어한 경우의 구동 신호 간의 위상 제어의 흐름도이다.
도 5는 실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터를 3상으로 제어한 경우의 리플 주파수를 설명하는 타이밍 차트이다.
도 6은 실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터를 2상으로 제어한 경우의 구동 신호 간의 위상 제어의 흐름도이다.
도 7은 실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터를 4상으로 제어한 경우의 구동 신호 간의 위상 제어의 흐름도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다. 설명의 명확화를 위해, 이하의 기재 및 도면은, 적절히, 생략 및 간략화가 이루어져 있다. 각 도면에 있어서, 동일한 요소에는 동일한 부호가 붙어 있고, 필요에 따라 중복 설명은 생략되어 있다.
먼저, 도 1에 실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터를 포함하는 시스템(1)의 개략도를 도시한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 실시 형태 1에 따른 시스템(1)은, 입력 전원(10), 다상 승압 컨버터(11), 전력 제어 유닛(20)을 갖는다. 또한, 도 1에서는, 다상 승압 컨버터(11)와 전력 제어 유닛(20)을 접속하는 배선의 기생 인덕터 Lw를 도시했다.
입력 전원(10)은, 예를 들어, 연료 전지이다. 시스템(1)에서는, 연료 전지(10)가 생성하는 입력 전압 Vfc를 다상 승압 컨버터(11)로 승압하여 전력 제어 유닛(20)에 부여하는 출력 전압 Vfco를 생성한다. 다상 승압 컨버터(11)는, 입력 전압이 부여되는 입력 단자와, 부하 회로에 공급하는 출력 전압이 출력되는 출력 단자 사이에 병렬로 접속된 복수의 승압 회로를, 동일 주파수를 갖는 복수의 구동 신호에 의해 구동하는 것이다. 또한, 전력 제어 유닛(20)은, 차량 탑재 고압 배터리 전압을 시스템 전압까지 승압하는 승압 컨버터와, 직류 전압을 교류 전압으로 변환하여 차량의 동력원이 되는 모터를 구동하는 인버터를 갖는다.
다상 승압 컨버터(11)는, 리액터 L1∼L4, 다이오드 D1∼D4, 구동 트랜지스터 STr1∼STr4, 제어부(12), 콘덴서 C1을 갖는다. 다상 승압 컨버터(11)는, 4상 승압 컨버터이며, 1개의 리액터와, 1개의 다이오드와, 1개의 구동 트랜지스터에 의해 구성되는 승압 회로를 4개 구비하고 있다. 또한, 당연한 것이지만 다상 승압 컨버터(11)의 상의 수(다상 승압 컨버터(11)가 갖는 승압 회로의 개수)는 4에 한정되는 것은 아니며, 2 이상이면 된다.
도 1에 도시하는 예에서는, 리액터 L1∼L4의 일단부가 각각 다상 승압 컨버터(11)의 입력 단자에 접속된다. 그리고, 다이오드 D1은, 리액터 L1의 타단부에 애노드가 접속되고, 다상 승압 컨버터(11)의 출력 단자에 캐소드가 접속된다. 다이오드 D2는, 리액터 L2의 타단부에 애노드가 접속되고, 다상 승압 컨버터(11)의 출력 단자에 캐소드가 접속된다. 다이오드 D3은, 리액터 L3의 타단부에 애노드가 접속되고, 다상 승압 컨버터(11)의 출력 단자에 캐소드가 접속된다. 다이오드 D4는, 리액터 L4의 타단부에 애노드가 접속되고, 다상 승압 컨버터(11)의 출력 단자에 캐소드가 접속된다.
또한, 구동 트랜지스터 STr1은, 콜렉터가 리액터 L1과 다이오드 D1 사이에 접속되고, 이미터가 접지 배선에 접속되고, 베이스에 U상의 구동 신호 SCu가 부여된다. 구동 트랜지스터 STr2는, 콜렉터가 리액터 L2와 다이오드 D2 사이에 접속되고, 이미터가 접지 배선에 접속되고, 베이스에 V상의 구동 신호 SCv가 부여된다. 구동 트랜지스터 STr3은, 콜렉터가 리액터 L3과 다이오드 D3 사이에 접속되고, 이미터가 접지 배선에 접속되고, 베이스에 W상의 구동 신호 SCw가 부여된다. 구동 트랜지스터 STr4는, 콜렉터가 리액터 L4와 다이오드 D4 사이에 접속되고, 이미터가 접지 배선에 접속되고, 베이스에 X상의 구동 신호 SCx가 부여된다.
실시 형태 1에 따른 시스템(1)에서는, 다상 승압 컨버터(11)의 출력 단자에 콘덴서 C1이 배치되고, 전력 제어 유닛(20)의 입력 단자에 콘덴서 C2가 배치된다. 콘덴서 C1은, 다상 승압 컨버터(11)의 출력 전압을 평활화한다. 콘덴서 C2는, 전력 제어 유닛(20)에 부여되는 전압에 있어서 전력 제어 유닛(20)의 소비 전류에 따라서 발생하는 변동을 억제하는 바이패스 콘덴서이다. 그리고, 실시 형태 1에 따른 시스템(1)은, 콘덴서 C1, C2 및 다상 승압 컨버터(11)와 전력 제어 유닛(20)을 접속하는 배선의 기생 인덕터 Lw에 의해 공진 회로가 구성된다. 이 공진 회로의 공진 주파수 Fr은, 수학식 1로 표시된다.
Figure pat00001
이 수학식 1에 있어서, C1은 콘덴서 C1의 용량값이며, C2는 콘덴서 C2의 용량값이며, L은 기생 인덕터 Lw의 인덕턴스이다.
제어부(12)는, 동일 주파수를 갖는 복수의 구동 신호(예를 들어 구동 신호 SCu, SCv, SCw, SCx)에 의해 복수의 승압 회로를 구동한다. 또한, 제어부(12)는, 자신이 출력하는 복수의 구동 신호의 주파수 및 구동 신호 간의 위상차에 기초하여 다상 승압 컨버터(11)의 출력 전압 Vfco에 발생하는 리플 주파수가 공진 회로의 공진 주파수 Fr에 일치하지 않도록 구동 신호 간의 위상차를 조작하면서 구동 신호의 주파수를 변경한다. 이에 의해 공진 회로에 있어서의 공진 현상을 피할 수 있다. 제어부(12)가 실행하는 구체적인 처리에 대해서는 후술한다.
여기서, 공진 회로에 있어서의 공진 현상을 피하기 위한 조건에 대하여 설명한다. 먼저, 리플 주파수 Frp에 대하여 설명한다. 따라서, 도 2에 실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터의 구동 신호와 콘덴서에 입력되는 전류의 일례를 도시하는 타이밍 차트를 도시한다. 도 2에 도시하는 예는, 4상 중의 3상을, 구동 신호 간의 위상차를 90°로 구동하고 있는 상태의 타이밍 차트이다. 도 2에 도시한 바와 같이, 실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터(11)의 각 구동 회로는, 구동 신호가 로우 레벨인 기간에 콘덴서 C1에 대한 충전 전류를 증가시키고, 구동 신호가 하이 레벨인 기간에는 콘덴서 C1에 대한 충전 전류를 적게 한다. 또한, 다상 승압 컨버터(11)에서는, 복수의 승압 회로에 따라 상이한 위상에서 피크를 갖는 충전 전류를 콘덴서 C1에 공급함으로써, 콘덴서 C1에 대한 충전이 행하여진다. 이러한 경우, 출력 전압 Vfco의 리플 변동은, 복수의 승압 회로에 의한 콘덴서 C1에 대한 충전 전류의 합성 파형의 피크에 맞춰서 변동한다. 그로 인해, 충전 전류의 피크 발생 주기 Tic1이 리플 주기 Trp1이 된다. 도 2에 도시하는 예에서는, 리플 주기 Trp1은, 1개의 구동 신호에 따라서 발생하는 리플 주기이다. 리플 주기 Trp2는, 위상차가 180°가 되는 구동 신호에 따라서 발생하는 리플 주기이다. 그리고, 리플 주파수는, 리플 주기의 역수로서 산출할 수 있는 것이다.
제어부(12)에서는, 다상 승압 컨버터(11)에 2상 이상의 구동 회로를 동작시키는 경우, 이렇게 산출되는 복수의 리플 주파수의 1상의 구동 신호의 리플 주기로부터 산출되는 리플 주파수 이외의 리플 주파수가 공진 주파수 Fr에 일치하지 않도록 선택해야할 구동 신호 간의 위상차의 조건을 설정한다. 따라서, 선택해야할 구동 신호 간의 위상차의 조건을 이하에서 설명한다.
선택해야할 구동 신호 간의 위상차의 조건은, 리플 주파수 Frp가 공진 회로의 공진 주파수 Fr에 일치하지 않는 조건이다. 발명자들은 예의 연구의 결과, 구동 신호 간의 위상차를 이하의 조건 I∼조건 IV에 나타내는 위상차로 함으로써 공진 현상을 회피할 수 있음을 알아냈다. 또한, 조건 I∼조건 IV에 있어서, Fs는 구동 신호의 스위칭 주파수이며, Fr은 공진 회로의 공진 주파수, N은 구동 상수(구동 대상의 승압 회로의 수이며, 2 이상의 정수), B는 구동 신호 간의 위상차, n은 공진 구동 상수이며 구동 상수 N보다도 작은 2 이상의 정수이다. 조건 I; Fr=Fs인 경우, B=360/N, 조건 II; Fr=Fs×N인 경우, B≠360/N, 조건 III; Fr=Fs×n인 경우, B=360/n, 또한, N상 중의 n상이 B 이외, 조건 IV; Fr≠Fs, 또는, Fr≠Fs×N, 또는, Fr≠Fs×n, 즉, Fr≠Fs×M(N 이하의 자연수)인 경우, 공진 주파수는 발생하지 않는다.
상기 조건 I∼조건 III에 나타낸 바와 같이, 공진 주파수 Fr이 구동 신호의 스위칭 주파수 Fs의 M배(M은 N 이하의 자연수)가 된 경우에 공진 현상이 발생할 수 있다. 한편, 상기 조건 IV에 나타낸 바와 같이, 공진 주파수 Fr이 구동 신호의 스위칭 주파수 Fs의 M배가 아니면, 공진 현상이 발생할 수 없다.
여기서, 이해를 용이하게 하기 위해서, 다상 승압 컨버터(11)를 3상 구동에서 동작시키는 경우(즉 N=3인 경우)의 상기 조건 I∼조건 IV의 구체예에 대하여 설명한다.
조건 I에 나타낸 바와 같이, 구동 신호의 스위칭 주파수 Fs가 공진 주파수 Fr과 일치하는 경우, 즉 Fs=Fr인 경우, 각 상의 구동 신호의 위상차 B를 360°/3=120°로 한다.
조건 II에 나타낸 바와 같이, 구동 신호의 스위칭 주파수 Fs의 3배가 공진 주파수 Fr과 일치하는 경우, 즉 Fr=Fs×N인 경우, 각 상의 구동 신호의 위상차 B를 360°/3=120° 이외의 위상차로 한다.
조건 III에 나타낸 바와 같이, 구동 신호의 스위칭 주파수 Fs의 2배가 공진 주파수 Fr과 일치하는 경우, 즉 Fr=Fs×n(n=2)인 경우, 3상 중의 2상의 위상차 B를 360°/2=180° 이외의 위상차로 한다.
이상의 조건을 근거로 하여, 리플 주파수가 공진 주파수 Fr에 일치하는(공진 현상이 발생하는) 것을 회피하기 위해서, 제어부(12)가 실행하는 구체적인 처리에 대하여 설명한다.
제어부(12)는, N(2 이상의 정수)개의 승압 회로를 구동중에, 구동 신호의 주파수를 제1 주파수로부터 제2 주파수를 전환할 때에, 주파수 판정 스텝과, 위상차 설정 스텝을 실행한다.
먼저, 주파수 판정 스텝에서는, 제2 주파수가 다상 승압 컨버터(11)와 부하 회로(예를 들어, 전력 제어 유닛(20)) 사이에 형성되는 공진 회로의 공진 주파수 Fr의 M(N 이하의 자연수)배인지를 판정한다. 상술한 바와 같이, 제2 주파수가 공진 주파수의 M배일 경우, 리플 주파수가 공진 주파수 Fr과 일치할(공진 현상이 발생할) 가능성이 있기 때문이다.
이어서, 위상차 설정 스텝에서는, 제2 주파수가 공진 주파수의 M배일 경우, 복수의 구동 신호 간의 위상차를 M의 값에 따라서 정해지는 공진 현상을 회피하는 위상차(상기 조건 I∼조건 III에 나타낸 위상차)로 한다.
또한, 제어부(12)는, 복수의 구동 신호의 사이의 위상차를 설정하는 경우, 360°를 2∼A(다상 승압 컨버터(11)가 갖는 승압 회로의 개수이며, N 이상의 정수)의 값으로 제산한 각 값을 복수의 구동 신호의 사이의 위상차의 선택지로 하여 위상차가 전환되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 승압 회로의 개수가 4개(즉, A=4)라면, 180°(=360°/2), 120°(=360°/3), 90°(=360°/4)의 3개의 선택지 중에서 구동 신호 간의 위상차를 선택한다.
또한, 구동 신호 간의 위상차는, 공진 현상을 회피할 수 있으면, 임의의 값으로 할 수 있다. 그러나, 이와 같이, 미리 위상차의 선택 후보를 결정해 둠으로써, 위상차 전환에 필요한 제어부(12)의 계산량을 삭감하여, 위상차 전환 속도를 높일 수 있다.
계속해서, 실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터(11)의 동작에 대하여 설명한다. 따라서, 먼저, 구동 신호의 주파수에 기초하여 공진 현상이 발생하는 상태와 공진 현상이 발생하지 않는 상태에 대하여 설명한다. 도 3a 및 도 3b에 실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터를 포함하는 시스템에 있어서의 공진 현상의 발생 조건을 설명하는 타이밍 차트를 도시한다.
도 3a는, 공진 현상이 발생하는 상태의 타이밍 차트이다. 도 3a에 도시한 바와 같이, 구동 신호 간의 위상차가 90°일 경우, 스위칭 주파수 Fs 및 구동 신호 간의 위상차로부터 산출되는 리플 주파수 Frp에는, 공진 주파수 Fr의 2배(2Fr)의 주파수 성분과, 공진 주파수 Fr과 동일한 주파수 성분이 포함된다. 그로 인해, 공진 주파수 Fr과 일치하는 주파수 성분의 리플 주파수 Frp에 기인한 공진 현상이 발생한다.
도 3b는, 공진 현상이 발생하지 않는 상태의 타이밍 차트이다. 도 3b에 도시한 바와 같이, 구동 신호 간의 위상차가 120°일 경우, 스위칭 주파수 Fs 및 구동 신호 간의 위상차로부터 산출되는 리플 주파수 Frp에는, 공진 주파수 Fr의 3배(3Fr)의 주파수 성분만이 포함된다. 그로 인해, 도 3b와 같은 조건이라면, 스위칭 주파수 Fs가 공진 주파수 Fr과 일치했다고 해도 공진 현상은 발생하지 않는다.
실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터(11)에서는, 공진 회로에서 발생하는 공진 현상을 회피하기 위해서, 제어부(12)에 의해, 스위칭 주파수 Fs의 전환에 따라서 구동 신호 간의 위상차를 변경한다. 따라서, 실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터(11)에 있어서의 구동 신호의 위상 제어 방법을 이하에서 설명한다.
도 4에 실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터를 3상 구동한 경우의 스위칭 주파수 Fs의 전환에 수반하는 구동 신호 간의 위상 제어의 흐름도를 도시한다. 당해 흐름도에 기초하는 처리는, 제어부(12)에 있어서 행하여진다.
도 4에 도시한 바와 같이, 제어부(12)는, 먼저, 공진 주파수 Fr의 계산을 행한다(스텝 S10). 이 계산은 상기 수학식 1을 사용하여 행하여진다. 또한, 공진 주파수 Fr의 계산은, 시스템(1)의 구성에 의해 결정되는 것이기 때문에, 미리 계산해 두어도 된다.
계속해서, 제어부(12)는, 주파수 판정 스텝(스텝 S11, S14, S17) 및 위상차 설정 스텝(S13, S16, S19)을 행한다.
상술한 바와 같이, 주파수 판정 스텝(스텝 S11, S14, S17)에서는, N(2 이상의 정수)개의 승압 회로를 구동중에, 구동 신호의 주파수를 제1 주파수로부터 제2 주파수를 전환할 때에, 제2 주파수가 다상 승압 컨버터(11)와 부하 회로(예를 들어, 전력 제어 유닛(20)) 사이에 형성되는 공진 회로의 공진 주파수 Fr의 M(N 이하의 자연수)배인지를 판정한다.
또한, 위상차 설정 스텝(S13, S16, S19)에서는, 제2 주파수가 공진 주파수의 M배일 경우, 복수의 구동 신호 간의 위상차를 M의 값에 따라서 정해지는 공진 현상을 회피하는 위상차(상기 조건 I∼조건 III에 나타낸 위상차)로 한다.
구체적으로는, 제어부(12)는, 스텝 S10이 종료된 후, 전환 후의 구동 신호의 스위칭 주파수 Fs가 공진 주파수 Fr과 일치하는지 여부를 판단한다(스텝 S11). 스텝 S11에 있어서 전환 후의 스위칭 주파수 Fs가 공진 주파수 Fr과 일치한다고 판단한 경우(스텝 S11의 "예"의 분지), 제어부(12)는, 상술한 조건 I에 기초하여, 각 상의 구동 신호의 사이의 위상차를 120°로 하고(스텝 S13), 처리를 종료한다.
스텝 S11에 있어서 스위칭 주파수 Fs가 공진 주파수 Fr과 일치하지 않는다고 판단된 경우(스텝 S11의 "아니오"의 분지), 제어부(12)는, 스위칭 주파수 Fs의 2배의 주파수가 공진 주파수 Fr과 일치하는지 여부를 판단한다(스텝 S14). 스텝 S14에 있어서 스위칭 주파수 Fs의 2배의 주파수가 공진 주파수 Fr과 일치한다고 판단한 경우(스텝 S14의 "예"의 분지), 제어부(12)는, 상술한 조건 III에 기초하여, 3상 중의 2상의 구동 신호 간의 위상차를 180° 이외의 위상차로 하고(스텝 S16), 처리를 종료한다.
스텝 S14에 있어서 스위칭 주파수 Fs의 2배의 주파수가 공진 주파수 Fr과 일치하지 않는다고 판단된 경우(스텝 S14의 "아니오"의 분지), 제어부(12)는, 스위칭 주파수 Fs의 3배의 주파수가 공진 주파수 Fr과 일치하는지 여부를 판단한다(스텝 S17). 스텝 S17에 있어서 스위칭 주파수 Fs의 3배의 주파수가 공진 주파수 Fr과 일치한다고 판단한 경우(스텝 S17의 "예"의 분지), 제어부(12)는, 상술한 조건 II에 기초하여, 각 상의 구동 신호의 사이의 위상차를 120° 이외의 위상차로 하고(스텝 S19), 처리를 종료한다. 또한, 스텝 S17에서 스위칭 주파수 Fs의 3배의 주파수가 공진 주파수 Fr과 일치하지 않는다고 판단된 경우(스텝 S17의 "아니오"의 분지)에는 현상의 구동 신호 간의 위상차를 변경하지 않고, 처리를 종료한다.
또한, 실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터(11)는, 스위칭 주파수 Fs가 전환될 때마다, 스텝 S11, S13, S14, S16, S17, S19를 반복한다.
실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터(11)에서는, 도 4에서 도시한 처리 플로우에 따라, 구동 신호 간의 위상차를 설정한다. 이 구체예를 도 5를 사용하여 설명한다. 따라서, 도 5에 실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터를 3상으로 제어한 경우의 리플 주파수를 설명하는 타이밍 차트를 도시한다. 또한, 도 5에서 도시하는 주파수 설정의 예는, 위상차를 설정하는 형태의 일례이며, 조건 I∼조건 IV를 만족하도록 위상차를 설정하면 도 5 이외의 위상차를 채용해도 상관없다.
도 5의 최상단 그래프에 도시한 바와 같이, 실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터(11)에서는, 스위칭 주파수 Fs가, 공진 주파수 Fr의 3분의 1보다도 낮은 경우(3Fs<Fr이 되는 경우), 구동 신호 간의 위상차를 120°로 하여 동작한다. 이 경우, 리플 주파수 Frp는 공진 주파수 Fr의 3배(3Fr)의 주파수 성분만이 된다.
그리고, 상술한 조건 II에 나타낸 바와 같이, 스위칭 주파수 Fs가 공진 주파수 Fr의 3분의 1에 도달하면(즉, 3Fs=Fr이 되는 경우), 3상 구동중의 3상의 구동 신호 간의 위상차가 120°(=360°/3)이면 공진 현상이 발생한다. 그로 인해, 스위칭 주파수 Fs의 3배의 주파수가 공진 주파수 Fr과 일치하는 주파수를 경계로 하여, 다상 승압 컨버터(11)는 구동 신호 간의 위상차를 전환한다.
구체적으로는, 도 5에 2단째의 그래프에 도시한 바와 같이, 스위칭 주파수 Fs가 공진 주파수의 3분의 1 이상, 또한, 공진 주파수 Fr의 2분의 1보다도 낮은 경우(2Fs<Fr이 되는 경우), U상과 V상의 구동 신호 간의 위상차 및 V상과 W상의 구동 신호 간의 위상차를 90°, 또한, W상과 U상의 구동 신호의 위상차를 180°로 하여 동작한다. 이 경우, 리플 주파수 Frp에는, 공진 주파수 Fr의 2배(2Fr)의 주파수 성분과, 공진 주파수 Fr과 동일한 주파수 성분이 포함된다.
그리고, 상술한 조건 III에 나타낸 바와 같이, 스위칭 주파수 Fs가 공진 주파수 Fr의 2분의 1에 도달하면(즉, 2Fs=Fr이 되는 경우), 3상 구동중의 2상인 W상과 U상의 구동 신호의 위상차가 180°(=360°/2)이면 공진 현상이 발생한다. 그로 인해, 스위칭 주파수 Fs의 2배의 주파수가 공진 주파수 Fr과 일치하는 주파수를 경계로 하여, 다상 승압 컨버터(11)는 구동 신호 간의 위상차를 전환한다.
구체적으로는, 도 3에 3단째의 그래프에 도시한 바와 같이, 스위칭 주파수 Fs가 공진 주파수의 2분의 1 이상, 또한, 공진 주파수 Fr보다도 낮은 경우(Fs<Fr이 되는 경우), U상과 V상의 구동 신호 간의 위상차를 90°, U상과 W상의 구동 신호 간의 위상차를 240°, 또한, W상과 U상의 구동 신호의 위상차를 120°로 하여 동작한다. 이 경우, 리플 주파수 Frp는, 공진 주파수 Fr과 동일한 주파수 성분만이 된다.
그리고, 상술한 조건 I에 나타낸 바와 같이, 스위칭 주파수 Fs가 공진 주파수 Fr에 도달하면(즉, Fs=Fr이 되는 경우), 3상 구동중의 3상의 구동 신호 간의 위상차가 120°(=360°/3)가 아니면, 공진 현상이 발생한다. 그로 인해, 스위칭 주파수 Fs가 공진 주파수 Fr과 일치하는 주파수를 경계로 하여, 다상 승압 컨버터(11)는 구동 신호 간의 위상차를 전환한다.
구체적으로는, 도 5의 최하단 그래프에 도시한 바와 같이, 스위칭 주파수 Fs가 공진 주파수 이상(Fs≥Fr이 되는 경우), U상과 V상의 구동 신호 간의 위상차, V상과 W상의 구동 신호 간의 위상차, 및 W상과 U상의 구동 신호의 위상차를 120°로 하여 동작한다.
계속해서, 다상 승압 컨버터(11)를 2상 구동으로 동작시킨 경우에 대하여 설명한다. 따라서, 도 6에 실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터를 2상으로 제어한 경우의 구동 신호 간의 위상 제어의 흐름도를 도시한다.
도 6에 도시한 바와 같이, 제어부(12)는, 먼저, 공진 주파수 Fr의 계산을 행한다(스텝 S20). 이 계산은 상기 수학식 1을 사용하여 행하여진다. 또한, 공진 주파수 Fr의 계산은, 시스템(1)의 구성에 의해 결정되는 것이기 때문에, 미리 계산해 두어도 된다.
계속해서, 제어부(12)는, 주파수 판정 스텝(스텝 S21, S24) 및 위상차 설정 스텝(S23, S26)을 행한다.
구체적으로는, 제어부(12)는, 스텝 S20이 종료된 후, 구동 신호의 스위칭 주파수 Fs가 공진 주파수 Fr과 일치하는지 여부를 판단한다(스텝 S21). 스텝 S21에 있어서 스위칭 주파수 Fs가 공진 주파수 Fr과 일치한다고 판단한 경우(스텝 S21의 "예"의 분지), 제어부(12)는, 상술한 조건 I에 기초하여, 각 상의 구동 신호의 사이의 위상차를 180°로 하고(스텝 S23), 처리를 종료한다.
스텝 S21에 있어서 스위칭 주파수 Fs의 주파수가 공진 주파수 Fr과 일치하지 않는다고 판단된 경우(스텝 S21의 "아니오"의 분지), 제어부(12)는, 스위칭 주파수 Fs의 2배의 주파수가 공진 주파수 Fr과 일치하는지 여부를 판단한다(스텝 S24). 스텝 S24에 있어서 스위칭 주파수 Fs의 2배의 주파수가 공진 주파수 Fr과 일치한다고 판단한 경우(스텝 S24의 "예"의 분지), 제어부(12)는, 상술한 조건 II에 기초하여, 각 상의 구동 신호의 사이의 위상차를 180° 이외의 위상차로 하고(스텝 S26), 처리를 종료한다. 또한, 스텝 S24에서 스위칭 주파수 Fs의 2배의 주파수가 공진 주파수 Fr과 일치하지 않는다고 판단된 경우(스텝 S24의 "아니오"의 분지)에는 현상의 구동 신호 간의 위상차를 변경하지 않고, 처리를 종료한다.
또한, 실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터(11)는, 스위칭 주파수 Fs가 전환될 때마다, 스텝 S21, S23, S24, S26을 반복한다.
계속해서, 다상 승압 컨버터(11)를 4상 구동으로 동작시킨 경우에 대하여 설명한다. 따라서, 도 7에 실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터를 4상으로 제어한 경우의 구동 신호 간의 위상 제어의 흐름도를 도시한다.
도 7에 도시한 바와 같이, 제어부(12)는, 먼저, 공진 주파수 Fr의 계산을 행한다(스텝 S30). 이 계산은 상기 수학식 1을 사용하여 행하여진다. 또한, 공진 주파수 Fr의 계산은, 시스템(1)의 구성에 의해 결정되는 것이기 때문에, 미리 계산해 두어도 된다.
계속해서, 제어부(12)는, 주파수 판정 스텝(스텝 S31, S34, S37, S40) 및 위상차 설정 스텝(S33, S36, S39, S42)을 행한다.
구체적으로는, 제어부(12)는, 스텝 S30이 종료된 후, 구동 신호의 스위칭 주파수 Fs가 공진 주파수 Fr과 일치하는지 여부를 판단한다(스텝 S31). 스텝 S31에 있어서 스위칭 주파수 Fs가 공진 주파수 Fr과 일치한다고 판단한 경우(스텝 S31의 "예"의 분지), 제어부(12)는, 상술한 조건 I에 기초하여, 각 상의 구동 신호의 사이의 위상차를 90° 또는 위상차가 180°가 되는 구동 신호의 2조로 하고(스텝 S33), 처리를 종료한다.
스텝 S31에 있어서 스위칭 주파수 Fs가 공진 주파수 Fr과 일치하지 않는다고 판단된 경우(스텝 S31의 "아니오"의 분지), 제어부(12)는, 스위칭 주파수 Fs의 2배의 주파수가 공진 주파수 Fr과 일치하는지 여부를 판단한다(스텝 S34). 스텝 S34에 있어서 스위칭 주파수 Fs의 2배의 주파수가 공진 주파수 Fr과 일치한다고 판단한 경우(스텝 S34의 "예"의 분지), 제어부(12)는, 상술한 조건 III에 기초하여, 4상 중의 2상의 구동 신호의 사이의 위상차를 180° 이외의 위상차(단, 각 상의 위상차가 90°이면 가능)로 하고(스텝 S36), 처리를 종료한다.
스텝 S34에 있어서 스위칭 주파수 Fs의 두배의 주파수가 공진 주파수 Fr과 일치하지 않는다고 판단된 경우(스텝 S34의 "아니오"의 분지), 제어부(12)는, 스위칭 주파수 Fs의 3배의 주파수가 공진 주파수 Fr과 일치하는지 여부를 판단한다(스텝 S37). 스텝 S37에 있어서 스위칭 주파수 Fs의 3배의 주파수가 공진 주파수 Fr과 일치한다고 판단한 경우(스텝 S37의 "예"의 분지), 제어부(12)는, 상술한 조건 III에 기초하여, 4상 중의 3상의 구동 신호의 사이의 위상차를 120° 이외의 위상차로 하고(스텝 S39), 처리를 종료한다.
스텝 S37에 있어서 스위칭 주파수 Fs의 3배의 주파수가 공진 주파수 Fr과 일치하지 않는다고 판단된 경우(스텝 S37의 "아니오"의 분지), 제어부(12)는, 스위칭 주파수 Fs의 4배의 주파수가 공진 주파수 Fr과 일치하는지 여부를 판단한다(스텝 S40). 스텝 S40에 있어서 스위칭 주파수 Fs의 4배의 주파수가 공진 주파수 Fr과 일치한다고 판단한 경우(스텝 S40의 "예"의 분지), 제어부(12)는, 상술한 조건 II에 기초하여, 각 상의 구동 신호의 사이의 위상차를 90° 이외의 위상차로 하고(스텝 S42), 처리를 종료한다. 또한, 스텝 S40에서 스위칭 주파수 Fs의 4배의 주파수가 공진 주파수 Fr과 일치하지 않는다고 판단된 경우(스텝 S40의 "아니오"의 분지)에는 현상의 구동 신호 간의 위상차를 변경하지 않고, 처리를 종료한다.
또한, 실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터(11)는, 스위칭 주파수 Fs가 전환될 때마다, 스텝 S31, S33, S34, S36, S37, S39, S40, S42를 반복한다.
상기 설명으로부터, 실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터(11)에서는, 구동 신호의 스위칭 주파수와, 구동 신호 간의 위상차에 기초하여 출력 전압에 중첩되는 리플의 주파수가 공진 회로의 공진 주파수와 일치함으로써 공진 현상이 발생한다고 판단된 경우에, 구동 신호 간의 위상차를 변경함으로써, 리플 주파수를 공진 주파수로부터 변위시킨다. 이에 의해, 실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터(11)는, 공진 회로 중에 공진 주파수를 변위시키기 위한 회로 또는 소자를 마련하지 않고, 공진 회로에서 발생하는 공진 현상을 회피할 수 있다. 즉, 실시 형태 1에 따른 다상 승압 컨버터(11)를 사용함으로써 시스템의 체적 및 중량을 증가시키지 않고, 시스템 상에서 발생하는 공진 현상을 회피할 수 있다.
특히, 다상 승압 컨버터의 소형화를 하기 위해서는, 구동 신호의 스위칭 주파수 Fs를 높이는 것이 유효하다. 그러나, 스위칭 주파수를, 다상 승압 컨버터(11)와 전력 제어 유닛(20)을 접속하는 경로에 형성되는 공진 회로의 공진 주파수 Fr보다도 높게 하고자 하는 경우, 공진 회로에 있어서의 공진 현상을 회피하지 않으면 출력 전압이 과잉으로 상승하기 때문에 전력 제어 유닛(20)에 이 출력 전압의 상승에 대응하기 위한 대책을 실시해야만 한다는 문제가 있다. 이러한 것으로부터, 스위칭 주파수를 높일 경우에, 시스템의 체적 및 중량을 억제하면서 공진 회로의 공진 현상을 회피하는 의의는 크다.
상기 설명은, 본 발명자에 의해 이루어진 발명을 실시 형태에 기초하여 구체적으로 설명했지만, 본 발명은 이미 설명한 실시 형태에 한정되는 것은 아니라, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능한 것은 말할 필요도 없다.

Claims (3)

  1. 입력 전압이 부여되는 입력 단자와, 부하 회로에 공급하는 출력 전압이 출력되는 출력 단자 사이에 병렬로 접속된 복수의 승압 회로를, 동일 주파수를 갖는 복수의 구동 신호에 의해 각각 구동하는 다상 승압 컨버터(11)의 제어 방법에 있어서,
    N(2 이상의 정수)개의 상기 승압 회로를 구동중에, 상기 복수의 구동 신호의 주파수를 제1 주파수로부터 제2 주파수를 전환할 때에, 상기 제2 주파수가 상기 다상 승압 컨버터(11)와 상기 부하 회로 사이에 형성되는 공진 회로의 공진 주파수의 M(N 이하의 자연수)배인지를 판정하는 것(S11, S14, S17); 및
    상기 제2 주파수가 상기 공진 주파수의 M배일 경우, 상기 복수의 구동 신호 간의 위상차를, 상기 M의 값에 따라서 정해지는 공진 현상을 회피하는 위상차로 하는 것(S13, S16, S19)을 포함하는 다상 승압 컨버터(11)의 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다상 승압 컨버터(11)가 갖는 상기 복수의 승압 회로의 개수를 A(N 이상의 정수)개로 하면, 상기 M의 값에 따라서 정해지는 공진 현상을 회피하는 위상차는, 360°를 2부터 상기 A의 값으로 제산한 각 값을 선택지로 하여 설정되는 다상 승압 컨버터(11)의 제어 방법.
  3. 다상 승압 컨버터에 있어서,
    입력 전압이 부여되는 입력 단자와, 부하 회로에 공급하는 출력 전압이 출력되는 출력 단자 사이에 병렬로 접속된 복수의 승압 회로; 및
    동일 주파수를 갖는 복수의 구동 신호에 의해 상기 복수의 승압 회로를 각각 구동하는 제어부(12)
    를 포함하며,
    상기 제어부(12)는 N(2 이상의 정수)개의 상기 승압 회로를 구동중에, 상기 복수의 구동 신호의 주파수를 제1 주파수로부터 제2 주파수를 전환할 때에, 상기 제2 주파수가 상기 출력 단자와 상기 부하 회로 사이에 형성되는 공진 회로의 공진 주파수의 M(N 이하의 자연수)배인지를 판정하고, 상기 제2 주파수가 상기 공진 주파수의 M배일 경우, 상기 복수의 구동 신호 간의 위상차를, 상기 M의 값에 따라서 정해지는 공진 현상을 회피하는 위상차로 하는 다상 승압 컨버터.
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