TWI839659B - 電力轉換裝置、電力轉換裝置的控制裝置以及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本發明的電力轉換裝置包括設置於共振變壓器電路的一次側的第一切換電路、以及設置於共振變壓器電路的二次側的第二切換電路，且於藉由第一切換電路將直流的輸入電壓轉換為交流電壓後，經由共振變壓器電路輸送至第二切換電路，將經轉換的交流電壓轉換為直流的輸出電壓而輸出。電力轉換裝置包括控制電路，所述控制電路檢測輸出電壓，將輸出電壓保持為規定的目標值，控制電路於偵測到輸入電壓為第二切換電路中產生逆流的規定的基準值以下時，藉由停止對第二切換電路的驅動，而停止第二切換電路中的逆流的產生，且於規定的電壓下保持輸出電壓。
Description
本發明是有關於一種例如絕緣型直流（Direct current，DC）/DC轉換器裝置等電力轉換裝置與電力轉換裝置的控制裝置以及控制方法。
於專利文獻1中，揭示有通常的絕緣型DC/DC轉換器。該絕緣型DC/DC轉換器包括切換電路，該切換電路包括互相並聯連接的第一以及第二半橋電路、分壓電路、DC輸入電力而構成。此處，其特徵在於：第一半橋電路包括串聯連接的開關的第一對，第二半橋電路包括串聯連接的開關的第二對。
又，於專利文獻2中，揭示有一種切換電源裝置，所述切換電源裝置於各種動作模式下均防止電流的逆流，而可實現穩定的同步整流功能。該切換電源裝置的特徵在於：
（1）其為將輸入直流電壓施加至串聯共振電路，經由變壓器產生規定的輸出電壓，而向負載供給電力者，包括：
（2）串聯共振電路，包括電流共振感應器與電流共振電容器（condenser）；
（3）多個主開關元件或主開關元件組，交替開關而切換所述串聯共振電路的電流路徑；
（4）變壓器，於一次側開關控制所述主開關元件或主開關元件組，藉此自所述串聯共振電路至二次側誘發電流；
（5）多個同步整流用開關元件，將內置二極體並聯連接，分別對應於所述多個主開關元件或主開關元件組的任一者開關而將所述變壓器的二次電流進行整流；
（6）最大接通時間控制電路，與所述主開關元件或主開關元件組的接通時間點同步而指示相對於所述同步整流用開關元件的最大接通時間的開始，並且於規定時間後指示所述最大接通時間的結束；以及
（7）同步控制電路，與所述最大接通時間控制電路指示所述最大接通時間的開始的時間點、或由所述同步整流用開關元件的端子間電壓訊號所檢測的所述內置二極體的導通時間點中任一較晚的時間點同步而接通所述同步整流用開關元件，並且與所述主開關元件或主開關元件組的斷開時間點、或所述最大接通時間控制電路指示所述最大接通時間的結束的時間點中任一較早的時間點同步而斷開所述同步整流用開關元件，以所述方式對所述同步整流用開關元件的接通期間進行控制。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]國際公開第2018/006961號說明書
[專利文獻2]日本專利特開2010-098935號公報
[發明所欲解決之課題]
然而，於專利文獻1中，若降低輸入電壓，則存在向電源裝置側逆流的問題點。
又，於專利文獻2中，藉由根據輸出電力改變二次側切換電路的驅動模式，可防止電流的逆流。然而，存在於輸入電壓降低時無法抑制逆流的問題點。
本發明的目的在於解決以上問題點，而提供一種電力轉換裝置、以及電力轉換裝置的控制裝置及控制方法，所述電力轉換裝置為例如於絕緣型DC/DC轉換器等電力轉換裝置中，即便於輸入電壓降低時，亦可停止逆流的產生，且於規定的電壓下保持輸出電壓。
[解決課題之手段]
本發明的一形態的電力轉換裝置
包括設置於共振變壓器電路的一次側的第一切換電路、以及設置於所述共振變壓器電路的二次側的第二切換電路，且於藉由所述第一切換電路將直流的輸入電壓轉換為交流電壓後，經由所述共振變壓器電路輸送至所述第二切換電路，將經轉換的交流電壓轉換為直流的輸出電壓而輸出，所述電力轉換裝置包括：
控制電路，檢測所述輸出電壓，將所述輸出電壓保持為規定的目標值，
所述控制電路於
（1）偵測到所述輸入電壓為所述第二切換電路中產生逆流的規定的基準值以下、
（2）偵測到來自所述第一切換電路的輸出電流為所述第二切換電路中產生逆流的規定的基準值以下、
（3）偵測到相對於來自所述第一切換電路的輸出電壓的輸出電流的相位為所述第二切換電路中產生逆流的規定的基準值以下、
（4）測定來自所述第一切換電路的輸出電流的頻率，而偵測到所測得的頻率為規定的基準頻率以下
中任一情況時，藉由
（A）停止對所述第二切換電路的驅動，或
（B）將針對所述第二切換電路的驅動訊號的時間範圍較正常時縮短，
而停止所述第二切換電路中的逆流的產生，且於規定的電壓下保持輸出電壓。
[發明的效果]
因此，根據本發明的電力轉換裝置，例如於絕緣型DC/DC轉換器等電力轉換裝置中，即便於輸入電壓降低時，亦可停止逆流的產生，且於規定的電壓下保持輸出電壓。
以下，參照圖式對本發明的實施形態進行說明。再者，對同一或同樣的結構要素標註同一符號。
（實施形態1）
圖1為表示實施形態1的電力轉換裝置的結構例的方塊圖。於圖1中，電力轉換裝置包括帶功率因數校正（power factor correction，PFC）電路的AC（Alternating Current，交流）/DC（Direct Current，直流）轉換器2、以及絕緣型DC/DC轉換器3而構成。帶PFC電路的AC/DC轉換器2將來自交流電源1的交流電壓藉由PFC電路改善功率因數並轉換為規定的直流電壓，而輸出至絕緣型DC/DC轉換器3。其次，參照圖2而如下文所詳細說明般，絕緣型DC/DC轉換器3包括共振變壓器電路31、共振變壓器電路32、共振變壓器電路33，於將所輸入的直流電壓Vin轉換為交流電壓後，將經由共振變壓器電路31、共振變壓器電路32、共振變壓器電路33所獲得的交流電壓轉換為規定的直流電壓Vout而輸出至負載4。
圖2為表示圖1的絕緣型DC/DC轉換器3的結構例的方塊圖。於圖2中，絕緣型DC/DC轉換器3包括切換電路21、共振變壓器電路31、共振變壓器電路32、共振變壓器電路33、切換電路22、平流電容器（capacitor）23、以及控制電路10而構成。此處，控制電路10例如包括數位計算機等，對絕緣型DC/DC轉換器3的整體的動作進行控制，具體而言，包括誤差放大器11、電壓控制振盪器（voltage controlled oscillator，VCO）12、切換驅動電路13、切換驅動電路14、以及逆流偵測電路15而構成。
圖3為表示圖2的平常時的切換電路21、切換電路22中的具有週期T0的閘極控制訊號G1～閘極控制訊號G12的動作的時序圖。
切換電路21例如包括作為金屬氧化物半導體（metal-oxide-semiconductor，MOS）場效應電晶體的六個切換元件Q1～Q6，為所謂三相全橋型變頻電路，依照來自切換驅動電路13的閘極控制訊號（脈衝頻率調製（pulse frequency modulation，PFM）控制訊號）G1～閘極控制訊號G6（參照圖3），利用三相相移將所輸入的直流電壓Vin進行脈寬調變（PFM），藉此產生三個高頻交流電壓V1、V2、V3，分別經由共振變壓器電路31、共振變壓器電路32、共振變壓器電路33輸出至切換電路22。
共振變壓器電路31包括絕緣用變壓器TR1、感應器L1、感應器L11、以及共振電容器（capacitor）Cr1而構成，此處，感應器L1以及共振電容器（capacitor）Cr1與變壓器TR1的一次繞組串聯連接，感應器L11與變壓器TR1的一次繞組並聯連接。又，共振變壓器電路32包括絕緣用變壓器TR2、感應器L2、感應器L12、以及共振電容器（capacitor）Cr2而構成，此處，感應器L2以及共振電容器（capacitor）Cr2與變壓器TR2的一次繞組串聯連接，感應器L12與變壓器TR2的一次繞組並聯連接。進而，共振變壓器電路33包括絕緣用變壓器TR3、感應器L3、感應器L13、以及共振電容器（capacitor）Cr3而構成，此處，感應器L3以及共振電容器（capacitor）Cr3與變壓器TR3的一次繞組串聯連接，感應器L13與變壓器TR3的一次繞組並聯連接。再者，各共振電容器（capacitor）Cr1、共振電容器（capacitor）Cr2、共振電容器（capacitor）Cr3的另一端連接至一起。
共振變壓器電路31於規定的共振頻率的共振狀態下將所輸入的高頻交流電壓V1轉換為高頻交流電壓V11後，輸出至切換電路22。又，共振變壓器電路32於規定的共振頻率的共振狀態下將所輸入的高頻交流電壓V2轉換為高頻交流電壓V12後，輸出至切換電路22。進而，共振變壓器電路33於規定的共振頻率的共振狀態下將所輸入的高頻交流電壓V3轉換為高頻交流電壓V13後，輸出至切換電路22。
切換電路22例如包括作為MOS場效應電晶體的六個切換元件Q7～Q12，為所謂三相全橋型變頻電路，依照來自切換驅動電路14的閘極控制訊號（PFM控制訊號）G7～閘極控制訊號G12（參照圖3），利用三相相移將所輸入的直流電壓Vin進行PFM，藉此產生交流電壓，經由平流電容器（capacitor）23轉換為規定的直流輸出電壓Vout後，輸出至負載4。
控制電路10的誤差放大器11將直流輸出電壓Vout與規定的目標電壓Vtarget進行比較，並將比較結果的誤差電壓輸出至電壓控制振盪器（VCO）12。電壓控制振盪器12根據所輸入的誤差電壓改變振盪頻率，並產生振盪訊號，輸出至切換驅動電路13、切換驅動電路14。各切換驅動電路13、切換驅動電路14根據所輸入的振盪訊號改變閘極控制訊號G1～閘極控制訊號G6、閘極控制訊號G7～閘極控制訊號G12的頻率。具體而言，例如若直流輸出電壓Vout大於目標電壓Vtarget，誤差電壓於正方向上變大，則提高振盪訊號的振盪頻率，而提高閘極控制訊號G1～閘極控制訊號G6、閘極控制訊號G7～閘極控制訊號G12的頻率，另一方面，若直流輸出電壓Vout低於目標電壓Vtarget，誤差電壓於負方向上變大，則降低振盪訊號的振盪頻率，而降低閘極控制訊號G1～閘極控制訊號G6、閘極控制訊號G7～閘極控制訊號G12的頻率。
逆流偵測電路15為成為本實施形態的特徵的電路，其檢測輸入電壓Vin，將輸入電壓Vin與規定的基準值Vref進行比較，於偵測到輸入電壓Vin成為基準值Vref以下時，將驅動停止訊號輸出至切換驅動電路14。切換驅動電路14響應驅動停止訊號而停止閘極控制訊號G7～閘極控制訊號G12的輸出。再者，基準值Vref於實際製作的電力轉換裝置中，藉由測定逆流時的輸入電壓Vin的基準值而預先設定。再者，根據申請人所製作的試製機，於正常時的輸入電壓Vin為400 V時，基準值Vref為310 V。
繼而，以下對所述逆流偵測電路15的動作的意義進行說明。
圖4為表示圖1的絕緣型DC/DC轉換器3中的課題以及動作的各電壓的時序圖，圖5為現有例的絕緣型DC/DC轉換器中輸入電壓降低時的電流波形圖的一例。又，為實施形態1的絕緣型DC/DC轉換器3中輸入電壓降低時的電流波形圖的一例。
於因交流電源1停電等異常導致電力供給停止的情形時，需要將作為電力轉換裝置的絕緣型DC/DC轉換器3的輸出電壓Vout保持為規定的電壓，藉由輸出電壓的保持，其間可進行所連接的負載4的機器的誤動作防止控制或電腦的備份。
即，例如如圖4所示，於因停電導致輸入電壓Vin降低時，必須將輸出電壓保持為圖4的電壓Voutideal一定時間，但實際上於如圖4的電壓Voutreal般在異常時輸入電壓Vin降低時，切換元件Q7～切換元件Q12會產生逆流（參照圖5的Iq），該逆流導致輸出電壓Vout降低，而如圖4所示，保持時間Treal變得短於理想時間Tideal。於本實施形態中，於作為逆流產生條件的輸入電壓Vin成為基準值Vref以下時，停止切換驅動電路22對切換元件Q7～切換元件Q12的驅動。藉此，切換元件Q7～切換元件Q12中不會產生逆流（圖6），即便輸入電壓Vin降低亦不會逆流。
如以上所說明，根據本實施形態，包括逆流偵測電路15，所述逆流偵測電路15於輸入電壓Vin成為規定的基準值Vref以下時，產生驅動停止訊號Sstop，而停止切換驅動電路14的驅動。因此，即便於因交流電源1停電等異常導致電力供給停止的情形時，亦可將作為電力轉換裝置的絕緣型DC/DC轉換器3的輸出電壓Vout於較現有例長的時間期間內保持為規定的電壓，從而可藉由輸出電壓的保持而於其間進行所連接的負載4的機器的誤動作防止控制或電腦的備份。
（實施形態1的變形例）
圖7為表示實施形態1的變形例的表現出絕緣型DC/DC轉換器3中的動作的各電壓以及訊號的時序圖。
於實施形態1中，於輸入電壓Vin成為規定的基準值Vref以下時，產生驅動停止訊號Sstop，而停止切換驅動電路14的驅動。本發明並不限於此，亦可以如下方式構成：於輸入電壓Vin成為規定的基準值Vref以下時，使相對於切換電路22的閘極控制訊號G7～閘極控制訊號G12的接通時間與通常動作時相比較短。所述變形例不僅可應用於實施形態1，而且亦可應用於下文所述的實施形態2～實施形態4。
於所述情形時，亦為即便於因交流電源1停電等異常導致電力供給停止的情形時，亦可將作為電力轉換裝置的絕緣型DC/DC轉換器3的輸出電壓Vout於較現有例長的時間期間內保持為規定的電壓，從而可藉由輸出電壓的保持而於其間進行所連接的負載4的機器的誤動作防止控制或電腦的備份。
（實施形態2）
圖8為表示實施形態2的電力轉換裝置的絕緣型DC/DC轉換器3A的結構例的方塊圖。實施形態2的絕緣型DC/DC轉換器3A與圖2的絕緣型DC/DC轉換器3相比，具有以下不同點。
（1）取代圖2的輸入電壓Vin的電壓檢測，而包括電壓檢測器CS1、電壓檢測器CS2、電壓檢測器CS3，對藉由自切換電路21輸出的高頻交流電壓V1、高頻交流電壓V2、高頻交流電壓V3而流動的高頻電流I1、高頻電流I2、高頻電流I3進行檢測。
（2）取代圖2的逆流偵測電路15，而包括逆流偵測電路15A。逆流偵測電路15A使用內置的頻率計數器來測定由電壓檢測器CS1、電壓檢測器CS2、電壓檢測器CS3分別檢測到的電流I1、電流I2、電流I3的各頻率，於所測得的電流I1的頻率f1、電流I2的頻率f2、電流I3的頻率f3中的至少一者成為規定的基準頻率fref以下時，向切換驅動電路14輸出驅動停止訊號Sstop。
根據申請人所製作的試製機，於正常時的頻率f1、頻率f2、頻率f3為100 kHz時，基準值fref為72 kHz。
根據以上述方式構成的實施形態2，藉由包括逆流偵測電路15A，而具有與實施形態1同樣的作用效果。
（實施形態3）
圖9為表示實施形態3的電力轉換裝置的絕緣型DC/DC轉換器3B的結構例的方塊圖。實施形態3的絕緣型DC/DC轉換器3B與圖2的絕緣型DC/DC轉換器3相比，具有以下不同點。
（1）取代圖2的輸入電壓Vin的電壓檢測，而包括電壓檢測器CS，對藉由自切換電路21輸出的高頻交流電壓V3而流動的高頻電流I3進行檢測。
（2）取代圖2的逆流偵測電路15，而包括逆流偵測電路15B。逆流偵測電路15B對相對於所述高頻交流電壓V3的由電壓檢測器CS所檢測到的電流I3的相位進行檢測，於檢測到的相位成為規定的基準值θRef以下時，向切換驅動電路14輸出驅動停止訊號Sstop。
再者，所檢測的電流以及高頻交流電壓亦可為與電壓V1或電壓V2相關的電流以及電壓。根據申請人所製作的試製機，於正常時的相位為45º時，基準值θref為30º。
根據以上述方式構成的實施形態3，藉由包括逆流偵測電路15B，而具有與實施形態1同樣的作用效果。
（變形例）
於以上實施形態中，使用電流檢測器CS、電流檢測器CS1～電流檢測器CS3檢測電流，但本發明並不限於此，亦可使用電流感測器或電流檢測積體電路（Integrated Circuit，IC）來檢測電流。
[產業上之可利用性]
如以上所詳細說明般，根據本發明，藉由包括逆流偵測電路15、逆流偵測電路15A～逆流偵測電路15B，而例如於絕緣型DC/DC轉換器等電力轉換裝置中，即便於輸入電壓降低時，亦可停止逆流的產生，且於規定的電壓下保持輸出電壓。
1:交流電源
2:帶PFC電路的AC/DC轉換器
3、3A、3B:絕緣型DC/DC轉換器
4:負載
10、10A、10B:控制電路
11:誤差放大器
12:電壓控制振盪器（VCO）
13、14:切換驅動電路
15、15A、15B:逆流偵測電路
21、22:切換電路
23:平流電容器（capacitor）
31～33:共振變壓器電路
Cr1～Cr3:共振電容器（capacitor）
CS、CS1～CS3:電流檢測器
G1～G12:閘極控制訊號
I1～I3:高頻電流
L1～L13:感應器
Q1～Q12:切換元件
TR1～TR3:絕緣變壓器
V1～V3、V11～V13:高頻交流電壓
圖1為表示實施形態1的電力轉換裝置的結構例的方塊圖。
圖2為表示圖1的絕緣型DC/DC轉換器3的結構例的方塊圖。
圖3為表示圖2的平常時的切換電路21、切換電路22中的閘極控制訊號G1～閘極控制訊號G12的動作的時序圖。
圖4為表示圖1的絕緣型DC/DC轉換器3中的課題以及動作的各電壓的時序圖。
圖5為現有例的絕緣型DC/DC轉換器中輸入電壓降低時的電流波形圖。
圖6為實施形態1的絕緣型DC/DC轉換器3中輸入電壓降低時的電流波形圖。
圖7為表示實施形態1的變形例的表現出絕緣型DC/DC轉換器3中的動作的各電壓以及訊號的時序圖。
圖8為表示實施形態2的電力轉換裝置的絕緣型DC/DC轉換器3A的結構例的方塊圖。
圖9為表示實施形態3的電力轉換裝置的絕緣型DC/DC轉換器3B的結構例的方塊圖。
1:交流電源
2:帶PFC電路的AC/DC轉換器
3:絕緣型DC/DC轉換器
4:負載
Claims (3)
- 一種電力轉換裝置，包括：第一切換電路，設置於共振變壓器電路的一次側；以及第二切換電路，設置於所述共振變壓器電路的二次側，且於藉由所述第一切換電路將直流的輸入電壓轉換為交流電壓後，經由所述共振變壓器電路輸送至所述第二切換電路，將經轉換的交流電壓轉換為直流的輸出電壓而輸出，所述電力轉換裝置包括：控制電路，檢測所述輸出電壓，將所述輸出電壓保持為規定的目標值，其中所述控制電路包括誤差放大器、電壓控制振盪器、切換驅動電路以及逆流偵測電路，所述控制電路於(1)偵測到所述輸入電壓為所述第二切換電路中產生逆流的規定的基準值以下、(2)偵測到來自所述第一切換電路的輸出電流為所述第二切換電路中產生逆流的規定的基準值以下、(3)偵測到相對於來自所述第一切換電路的輸出電壓的輸出電流的相位為所述第二切換電路中產生逆流的規定的基準值以下、(4)測定來自所述第一切換電路的輸出電流的頻率，而偵測到所測得的頻率為規定的基準頻率以下中任一情況時，藉由(A)停止對所述第二切換電路的驅動，或 (B)將針對所述第二切換電路的控制訊號的接通時間範圍較正常時縮短且斷開時間範圍較正常時延長，而停止所述第二切換電路中的逆流的產生，且於規定的電壓下保持輸出電壓。
- 一種電力轉換裝置的控制電路，所述電力轉換裝置包括：第一切換電路，設置於共振變壓器電路的一次側；以及第二切換電路，設置於所述共振變壓器電路的二次側，且於藉由所述第一切換電路將直流的輸入電壓轉換為交流電壓後，經由所述共振變壓器電路輸送至所述第二切換電路，將經轉換的交流電壓轉換為直流的輸出電壓而輸出，所述控制電路檢測所述輸出電壓，將所述輸出電壓保持為規定的目標值，其中所述控制電路包括誤差放大器、電壓控制振盪器、切換驅動電路以及逆流偵測電路，所述控制電路於(1)偵測到所述輸入電壓為所述第二切換電路中產生逆流的規定的基準值以下、(2)偵測到來自所述第一切換電路的輸出電流為所述第二切換電路中產生逆流的規定的基準值以下、(3)偵測到相對於來自所述第一切換電路的輸出電壓的輸出電流的相位為所述第二切換電路中產生逆流的規定的基準值以下、(4)測定來自所述第一切換電路的輸出電流的頻率，而偵測 到所測得的頻率為規定的基準頻率以下中任一情況時，藉由(A)停止對所述第二切換電路的驅動，或(B)將針對所述第二切換電路的控制訊號的接通時間範圍較正常時縮短且斷開時間範圍較正常時延長，而停止所述第二切換電路中的逆流的產生，且於規定的電壓下保持輸出電壓。
- 一種電力轉換裝置的控制方法，所述電力轉換裝置包括：第一切換電路，設置於共振變壓器電路的一次側；以及第二切換電路，設置於所述共振變壓器電路的二次側，且於藉由所述第一切換電路將直流的輸入電壓轉換為交流電壓後，經由所述共振變壓器電路輸送至所述第二切換電路，將經轉換的交流電壓轉換為直流的輸出電壓而輸出，所述電力轉換裝置包括：控制電路，檢測所述輸出電壓，將所述輸出電壓保持為規定的目標值，其中所述控制電路包括誤差放大器、電壓控制振盪器、切換驅動電路以及逆流偵測電路，所述控制方法包括以下步驟：所述控制電路於(1)偵測到所述輸入電壓為所述第二切換電路中產生逆流的規定的基準值以下、(2)偵測到來自所述第一切換電路的輸出電流為所述第二切換電路中產生逆流的規定的基準值以下、(3)偵測到相對於來自所述第一切換電路的輸出電壓的輸出 電流的相位為所述第二切換電路中產生逆流的規定的基準值以下、(4)測定來自所述第一切換電路的輸出電流的頻率，而偵測到所測得的頻率為規定的基準頻率以下中任一情況時，藉由(A)停止對所述第二切換電路的驅動，或(B)將針對所述第二切換電路的控制訊號的接通時間範圍較正常時縮短且斷開時間範圍較正常時延長，而停止所述第二切換電路中的逆流的產生，且於規定的電壓下保持輸出電壓。
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