JP2007104872A - Power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば燃料電池や太陽電池などの直流電源から、接続された負荷あるいは配電系統などに、電力形態を例えば異なる電圧の直流電力あるいは系統電源に連系する交流電力などに変換して供給するコンバータ及びインバータなどの電力変換器に関する。 The present invention supplies, for example, a DC power source such as a fuel cell or a solar cell to a connected load or distribution system by converting the power form into, for example, a DC power having a different voltage or an AC power connected to the system power source. The present invention relates to power converters such as converters and inverters.
例えば燃料電池や太陽電池などの直流電源の電力形態を変換して、負荷に供給する手段として、高周波トランスに、スイッチング素子を接続し、そのオン時間の時比率を制御する、いわゆるPWM(パルス幅変調)制御のコンバータが有効な手段として、広く使われている。また、高効率実現のため、スイッチング方式には、ソフトスイッチング方式の採用が多くなってきており、その一つとしてアクティブクランプ方式がある。
小型・軽量化の要求実現のために、コンバータの動作周波数を上げていくことが考えられるが、この時にPWM制御による現実的に実現可能なオン時比率が、物理的な制約を受ける。すなわち、PWM制御のコンバータでは、オン時比率が高くなると、スイッチング素子の能力により、オン時比率の最大値と最小値が決まり、制御対象である出力電圧波形に制約を与えてしまう。
また、アクティブクランプ方式を応用したソフトスイッチング制御の動作を確実なものにするためには、オン時比率の最大値、最小値をその最適値範囲内に制限する必要が出てくる。
In order to realize the demand for reduction in size and weight, it is conceivable to increase the operating frequency of the converter. At this time, the on-time ratio that can be practically realized by PWM control is physically limited. That is, in the PWM control converter, when the on-time ratio becomes high, the maximum and minimum values of the on-time ratio are determined by the capability of the switching element, which restricts the output voltage waveform to be controlled.
In order to ensure the operation of the soft switching control using the active clamp method, it is necessary to limit the maximum value and the minimum value of the on-time ratio within the optimum value range.
本発明はこのような課題を解決するもので、直流電源を入力としてパルス幅変調(PWM)制御を基本として高周波トランスを用いて電力形態を変換する電力変換器において、その動作周波数をより高周波化し、高効率、小型・軽量化を目的とするものである。 The present invention solves such a problem. In a power converter for converting a power form using a high frequency transformer based on pulse width modulation (PWM) control with a DC power supply as an input, the operating frequency is further increased. It is intended for high efficiency, small size and light weight.
本発明の電力変換器は、直流電源と、オン時比率を50%でオン・オフする2組のインバータと、前記2組のインバータと1次側が接続され、2次側出力を加算又は減算するように結線した高周波トランスとを備え、前記2組のインバータのうち、1組目のインバータの出力位相に対し、2組目のインバータの出力位相をずらせて加算又は減算することで、前記高周波トランスの2次側に所定のパルス幅変調波形を形成することを特徴とするものである。 The power converter of the present invention is a DC power supply, two sets of inverters that are turned on and off at an on-time ratio of 50%, and the two sets of inverters and the primary side are connected to add or subtract the secondary side output. A high-frequency transformer connected in this manner, and by adding or subtracting the output phase of the second set of inverters from the output phase of the first set of the two sets of inverters, A predetermined pulse width modulation waveform is formed on the secondary side.
インバータの2個のスイッチング素子は、オン時比率50%で交互にオン・オフ動作し、2組のインバータの出力位相をずらせたものを加減算結線することで、高周波トランスにより昇圧されたPWM波形が得られる。スイッチング素子自体は、オン時比率50%で交互にオン・オフ動作するので、高い変調率による素子に印加される電圧の上昇等の問題が一切生じることなく、出力端に高い変調率を含む任意のPWM波形を形成できる。従って、スイッチング素子の能力により、制御対象であるPWM出力電圧波形に制約を与えてしまう問題から解放され、入手が容易なスイッチング素子を用いて高周波で高精度のPWM波形を形成できる。これにより、機器の小型軽量化、高効率化を達成できる。 The two switching elements of the inverter are alternately turned on and off at an on-time ratio of 50%, and the PWM waveform boosted by the high-frequency transformer is obtained by adding and subtracting the outputs of the two sets of inverters shifted in phase. can get. Since the switching element itself is turned on and off alternately at an on-time ratio of 50%, there is no problem such as an increase in voltage applied to the element due to a high modulation rate, and any switching element including a high modulation rate at the output end PWM waveform can be formed. Therefore, the ability of the switching element frees the problem of restricting the PWM output voltage waveform to be controlled, and a highly accurate PWM waveform can be formed at a high frequency using an easily available switching element. Thereby, size reduction and weight reduction of a device and high efficiency can be achieved.
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。なお、各図中、同一の作用または機能を有する部材または要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the member or element which has the same effect | action or function, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
図1は、本発明の第1実施形態の電力変換器を示す。直流電源11は、燃料電池や太陽電池などの直流出力の電源であり、例えば50V以下の比較的低い電圧の直流出力が得られる。第1のインバータ12は、高周波トランスT1と、高周波トランスT1の1次巻線の片側を直流電源11の+側に接続し、その反対側を交互にオン・オフする2個の直列接続されたスイッチング素子Q1,Q3の中点に接続している。そして、2個のスイッチング素子Q1,Q3とコンデンサC1とが直列に閉ループをなして接続されている。まったく同じ構成の第2のインバータ13は、高周波トランスT2と、高周波トランスT2の1次巻線の片側を共通の直流電源11の+側に接続し、その反対側を交互にオン・オフする2個の直列接続されたスイッチング素子Q2,Q4の中点に接続し、2個のスイッチング素子Q2,Q4とコンデンサC2とが直列に閉ループをなして接続されている。
FIG. 1 shows a power converter according to a first embodiment of the present invention. The
それぞれの高周波トランスT1,T2の2次側巻線は直列に接続され、それぞれの出力を加算又は減算するように結線して一体化構成とする。この時、それぞれの高周波トランスT1,T2の2次巻線は用途に応じて、前述のごとく接続した組を複数組設けて独立して使用したり、センタータップ方式の接続をして用いてもよい。直列接続された高周波トランスT1,T2の2次巻線の出力端15は、所定のプログラムどおりにPWM変調された矩形高周波交流電力を出力する。
The secondary windings of the high-frequency transformers T1 and T2 are connected in series, and connected so as to add or subtract their outputs to form an integrated configuration. At this time, the secondary windings of the respective high-frequency transformers T1 and T2 may be used independently by providing a plurality of sets connected as described above, or may be used by connecting with a center tap method. Good. The
上記それぞれのインバータ12,13は同一の固定周波数、及びオン時比率を50%で固定して動作する。すなわち、スイッチング素子Q1,Q3は同一のオン時比率50%で交互にオン・オフし、スイッチング素子Q2,Q4は同一のオン時比率50%で交互にオン・オフする。そして、1組目のインバータ12のオン・オフ波形に対し、2組目のインバータ13のオン・オフ波形の出力位相を調整したものをそれぞれ高周波トランスで巻数比に従って昇圧し、2次巻線出力を結線により加減算することで、出力端15にパルス幅変調(PWM)波形を形成する。従って、出力端15には、PWM波形が得られるが、個々のスイッチング素子は、同一のオン時比率50%でオン・オフするのであって、個々のスイッチング素子がPWM波形を形成するのではない。
The
このため、駆動制御回路16には、サイクルタイムの基準となるクロック源21と、所要のPWM信号をプログラムに従って出力するPWM信号設定部25と、所要のPWM信号に基づいて1組目のインバータと2組目のインバータの出力位相のシフト量(ずらす量)を調整する波形タイミング調整部22と、スイッチング素子Q1,Q3を上記調整された信号に基づいてオン・オフ駆動するドライバ23と、スイッチング素子Q2,Q4を変調率に応じて位相シフトされた上記調整された信号に基づいてオン・オフ駆動するドライバ24と、を備えている。スイッチング素子Q1,Q3およびQ2,Q4は、交互にオン時比率を50%でオン・オフする。
For this reason, the
次に、上記電力変換器の動作について説明する。高周波の矩形波を出力するインバータ12,13は全く同じ構成であり、動作説明はインバータ12のみで行う。上記インバータの回路構成により、高周波トランスT1とスイッチング素子Q1は、直流電源11を電源としたフォワードコンバータの回路を構成し、そのオン時に、高周波トランスT1に電力を供給する。更に、高周波トランスT1の図示していない1次巻線の励磁インダクタンスLt1と、スイッチング素子Q3の内蔵ダイオードDq3は、コンデンサC1を負荷とした昇圧回路(ブーストコンバータ)も構成しており、スイッチング素子Q1がオン時に、高周波トランスT1の励磁インダクタンスに蓄えられたエネルギーは、スイッチング素子Q1のオフ時に、直流電源11の電圧Eと加算されて、コンデンサC1を充電する(このため、コンデンサC1の電圧は2Eとなる)。また、コンデンサC1、スイッチング素子Q3、高周波トランスT1、及び直流電源11は、コンデンサC1を電源とし、直流電源11を負荷とした降圧回路(バックコンバータ)の回路をも構成しているために、スイッチング素子Q3がオンの時に、コンデンサC1から高周波トランスT1に電力を供給するフォワードコンバータの動作もする。
Next, the operation of the power converter will be described. The
スイッチング素子Q1及びQ3はそれぞれ、ドライバ23から送られてくる信号により、デッドタイムと称する若干のオフ期間を持ちながら、交互にオン・オフを繰り返す。デッドタイム期間を持つことで、その間にQ1もしくはQ3の寄生容量の電荷を放電し、ソフトスイッチングを実現している。
この時の繰り返し周波数は固定とし、スイッチング素子Q1とQ3のオン時比率はそれぞれ50%に固定されている。このことにより、コンデンサC1の電圧は、常に直流電源11の電圧Eの2倍の値2Eに保たれる。従って、スイッチング素子Q3がオンの時に、コンデンサC1から高周波トランスT1の1次巻線を介して直流電源11にスイッチング素子Q1がオンしたときと等しい大きさで逆向きの電流が流れる。これにより、プッシュプル型と同様のインバータが構成される。
The switching elements Q1 and Q3 are repeatedly turned on and off alternately while having a slight off period called a dead time based on a signal sent from the
The repetition frequency at this time is fixed, and the on-time ratios of the switching elements Q1 and Q3 are each fixed to 50%. Thus, the voltage of the capacitor C1 is always kept at a value 2E that is twice the voltage E of the
さらに、2個のスイッチング素子Q1,Q3とコンデンサC1とが直列に閉ループをなして接続され、スイッチング素子Q1,Q3はそれぞれ内蔵ダイオードを有しているので、オートクランプ回路が構成され、安定した動作が可能となる。 Furthermore, since the two switching elements Q1, Q3 and the capacitor C1 are connected in series in a closed loop, and each of the switching elements Q1, Q3 has a built-in diode, an auto clamp circuit is configured and stable operation is achieved. Is possible.
制御回路16は、目的の変調率のPWM波形を供給すべくプログラムされたPWM信号設定部25を備え、1組目のインバータに対し2組目のインバータの出力波形位相を波形タイミング調整部22で調整することで、出力端15にパルス幅変調波形を形成する。
The
図2は、各部のタイムチャートを示す。最上段の「PWM信号」は、PWM信号設定部25のプログラムに従った指令変調率のPWM信号波形である。このPWM信号波形の立ち上がりと同期して、ドライバ23はオン時比率50%(周波数固定)でスイッチング素子Q1,Q3を交互にオン・オフする2つのパルス信号「Q1ゲート信号」、「Q3ゲート信号」を作成する。Q1,Q3ゲート信号の1組分は、周期の始まりを、PWM信号の立ち上がり(下がり)時に同期させ、他の1組分は、PWM信号の立ち下がり(上がり)時に、その周期の始まりを同期させるように制御する。波形タイミング調整部22及びドライバ23は、上記の信号を、予め定められたデッドタイムなどのタイミングの微調整を行って、スイッチング素子Q1,Q3をオン・オフするための、ゲート信号を送出する。
FIG. 2 shows a time chart of each part. The uppermost “PWM signal” is a PWM signal waveform of a command modulation rate according to the program of the PWM
図2に示す波形は、図1に示すトランス極性の接続におけるものであり、上から順に、PWM信号(指令信号)、Q1ゲート信号、Q3ゲート信号、Q2ゲート信号、Q4ゲート信号、高周波トランスT1の巻線電圧VT1、高周波トランスT2の巻線電圧VT2、負荷が接続される出力電圧Vout、スイッチング素子の電流IQ1,IQ2,IQ3,IQ4、及び、直流電源の入力電流Iinを示す。PWM信号は、この場合PWM信号波形の最大オン時比率が50%を超えないものとして、PWM信号波形の周波数(サイクルタイム)と、インバータ12,13の出力信号波形の周波数(サイクルタイム)は同じとする。
The waveform shown in FIG. 2 is for the connection of the transformer polarity shown in FIG. 1. From the top, the PWM signal (command signal), the Q1 gate signal, the Q3 gate signal, the Q2 gate signal, the Q4 gate signal, and the high-frequency transformer T1 Winding voltage VT1, winding voltage VT2 of high-frequency transformer T2, output voltage Vout to which a load is connected, switching element currents IQ1, IQ2, IQ3, IQ4, and DC power source input current Iin. In this case, assuming that the maximum ON ratio of the PWM signal waveform does not exceed 50%, the PWM signal waveform frequency (cycle time) and the output signal waveform frequency (cycle time) of the
PWM信号は立ち下がりBのタイミングで、変調率(変調幅)が決定されるものとする。PWM信号の立ち上がりAでQ3ゲート信号を立ち下げ、デッドタイム後にQ1ゲート信号を立ち上げる。スイッチング素子Q1、Q3は1サイクル内でデッドタイムを持ちながら50%のオン時比率で交互にオン・オフする。PWM信号の立ち下がりBでQ2ゲート信号を立ち下げ、デッドタイム後にQ4ゲート信号を立ち上げる。スイッチング素子Q2、Q4は同様にデッドタイムを持ちながら50%のオン時比率で交互にオン・オフする。 It is assumed that the modulation rate (modulation width) of the PWM signal is determined at the timing of the falling edge B. The Q3 gate signal is lowered at the rise A of the PWM signal, and the Q1 gate signal is raised after the dead time. The switching elements Q1 and Q3 are alternately turned on / off at a 50% on-time ratio while having a dead time within one cycle. The Q2 gate signal is lowered at the falling edge B of the PWM signal, and the Q4 gate signal is raised after the dead time. Similarly, the switching elements Q2 and Q4 are alternately turned on / off at a 50% on-time ratio while having a dead time.
高周波トランスT1,T2の巻線電圧VT1,VT2は、Q1ゲート信号、Q2ゲート信号に対応してスイッチング素子Q1,Q2がオンすると、直流電源の電圧Eにより電流が流れ、正の電圧が発生し、Q3ゲート信号、Q4ゲート信号に対応してスイッチング素子Q3,Q4がオンすると、コンデンサC1,C2の電圧2Eから直流電源(電圧E)に向けて電流が流れ、負の電圧が発生する。ここで、正の巻線電圧と負の巻線電圧の大きさが等しく、プッシュプル型の昇圧回路となっている。 The winding voltages VT1 and VT2 of the high-frequency transformers T1 and T2 generate a positive voltage when the switching elements Q1 and Q2 are turned on corresponding to the Q1 gate signal and the Q2 gate signal, and a current flows due to the voltage E of the DC power supply. When the switching elements Q3 and Q4 are turned on corresponding to the Q3 gate signal and the Q4 gate signal, a current flows from the voltage 2E of the capacitors C1 and C2 toward the DC power supply (voltage E), and a negative voltage is generated. Here, the magnitudes of the positive winding voltage and the negative winding voltage are equal, and a push-pull type booster circuit is obtained.
高周波トランスT1,T2の巻線電圧VT1,VT2と、出力電圧Voutの関係は、2次巻線の極性の組み合わせにより加算になったり減算になったりする。加算とは、インバータ12と13がともにQ1(Q2)のオン又はオフしている期間に出力に電圧が出る状態をいい、減算とは、インバータ12のQ1がオンで、インバータ13のQ2がオフ、あるいはその逆で、該当するスイッチング素子が、オンとオフの組み合わせの時に、出力電圧が出る状態を言う。この加算・減算の選択は、巻線の極性の選択と、スイッチング素子のゲート信号の極性の選択によって決定できる。従って、出力電圧Voutを、指令信号であるPWM信号に同期させることが可能であり、組み合わせをかえて加算の場合と減算の場合の出力を同じにすることが出来る。
The relationship between the winding voltages VT1 and VT2 of the high frequency transformers T1 and T2 and the output voltage Vout may be added or subtracted depending on the combination of the polarities of the secondary windings. Addition means a state in which voltage is output to the output while both
上述した電力変換器によれば、4個のスイッチング素子はすべてオン時比率を50%で動作させるので、素子の特性に影響されることなく、出力端に0%〜100%の広範囲のPWM波形を形成できる。そして、例えば100kHz程度のクロック周波数を採用することで、高周波トランスを小型化しつつ、50V以下の比較的低い直流電圧から200−400V程度の出力電圧波形を形成でき、交流電源系統に連系可能な交流電力に効率良く変換することができる。これにより、機器の小型軽量化、高効率化を達成できる。 According to the power converter described above, all four switching elements are operated at an on-time ratio of 50%, so that a wide PWM waveform of 0% to 100% is output at the output end without being affected by the characteristics of the elements. Can be formed. For example, by adopting a clock frequency of about 100 kHz, an output voltage waveform of about 200-400 V can be formed from a relatively low DC voltage of 50 V or less while miniaturizing a high frequency transformer, and can be connected to an AC power supply system. It can be efficiently converted into AC power. Thereby, size reduction and weight reduction of a device and high efficiency can be achieved.
図3は、本発明の第2実施形態の電力変換器を示す。本実施形態は2組のインバータを減算接続した電力変換器の例であり、図1の例と比較して、片側のインバータのトランスの1次側巻線の極性が逆になっている。図4は、図3の電力変換器の動作を示すタイムチャートである。 FIG. 3 shows a power converter according to the second embodiment of the present invention. This embodiment is an example of a power converter in which two sets of inverters are subtracted and connected, and the polarity of the primary winding of the transformer of the inverter on one side is reversed compared to the example of FIG. FIG. 4 is a time chart showing the operation of the power converter of FIG.
図4に示す波形は、上から順に、PWM信号、Q1ゲート信号、Q3ゲート信号、Q2ゲート信号、Q4ゲート信号、高周波トランスT1の巻線電圧VT1、高周波トランスT2の巻線電圧VT2、出力電圧Vout、スイッチング素子の電流IQ1、IQ2、IQ3、IQ4、及び、直流電源の入力電流Iinをそれぞれ示す。図2と異なるのは、高周波トランスの2組の出力を減算接続の状態とすべく、Q2とQ4のゲート信号の極性を入れ替え、片方の高周波トランスの1次巻線の極性を入れ替えてある。 The waveforms shown in FIG. 4 are, in order from the top, the PWM signal, the Q1 gate signal, the Q3 gate signal, the Q2 gate signal, the Q4 gate signal, the winding voltage VT1 of the high frequency transformer T1, the winding voltage VT2 of the high frequency transformer T2, and the output voltage. Vout, switching element currents IQ1, IQ2, IQ3, IQ4, and DC power supply input current Iin are shown, respectively. The difference from FIG. 2 is that the polarity of the gate signals of Q2 and Q4 is switched and the polarity of the primary winding of one of the high-frequency transformers is switched so that the two sets of outputs of the high-frequency transformer are in a subtracted connection state.
この場合においても、PWM信号の立ち上がりAでQ3ゲート信号を立ち下げ、デッドタイム後にQ1ゲート信号を立ち上げる。PWM信号の立ち下がりBでQ4ゲート信号を立ち下げ、デッドタイム後にQ2ゲート信号を立ち上げる。 Also in this case, the Q3 gate signal is lowered at the rising edge A of the PWM signal, and the Q1 gate signal is raised after the dead time. The Q4 gate signal is lowered at the fall B of the PWM signal, and the Q2 gate signal is raised after the dead time.
この接続方式においても、出力電圧Voutは、図示するように、指令信号であるPWM信号に同期した高周波トランスで昇圧されたPWM波形が得られる。そして、4個のスイッチング素子をすべてオン時比率を50%で動作させるので、素子の特性による制約を受けることなく、出力端に高い変調率を実現でき任意のPWM波形を形成できるという点も勿論同じである。 Also in this connection method, as shown in the figure, the output voltage Vout can be obtained as a PWM waveform boosted by a high-frequency transformer synchronized with a PWM signal that is a command signal. Since all four switching elements are operated at an on-time ratio of 50%, it is of course possible to realize a high modulation rate at the output end and form an arbitrary PWM waveform without being restricted by the characteristics of the elements. The same.
直流電源の入力電流Iinは、この実施形態の場合、電流はすべて正であり、負の電流が存在せず、高周波リップル電流分が低減している。負の電流は直流電源を負極から正極に向けて流れる直流電流を意味し、特に化学反応の発電原理による燃料電池等においては、その劣化を著しく促進する場合がある。このため、2組のインバータ出力の加減算接続方式において、高周波リップル電流分の低減が重要となる場合に上記接続が有効である。 In this embodiment, the input current Iin of the DC power supply is all positive, no negative current is present, and the amount of high-frequency ripple current is reduced. A negative current means a direct current that flows from a negative electrode to a positive electrode through a direct current power source. In particular, in a fuel cell or the like based on the power generation principle of a chemical reaction, the deterioration may be remarkably accelerated. For this reason, in the addition / subtraction connection method of two sets of inverter outputs, the above connection is effective when reduction of the high-frequency ripple current is important.
なお、最大オン時比率が50%を超えるPWM信号を利用する場合は、図5に示すごとく、PWM信号2サイクルで、矩形波を出力するインバータ11及び12が1サイクルとなるようにQ1〜Q4ゲート信号を切り替えれば良く、これは、2組のインバータ出力の加算・減算の方式にかかわりなく適用される。この場合には、1サイクル目のPWM信号の立ち上がりAでQ3ゲート信号を立ち下げ、デッドタイム後にQ1ゲート信号を立ち上げる。1サイクル目のPWM信号の立ち下がりBでQ2ゲート信号を立ち下げ、デッドタイム後にQ4ゲート信号を立ち上げる。そして2サイクル目のPWM信号の立ち上がりCでQ1ゲート信号を立ち下げ、デッドタイム後にQ3ゲート信号を立ち上げる。2サイクル目のPWM信号の立ち下がりDでQ4ゲート信号を立ち下げ、デッドタイム後にQ2ゲート信号を立ち上げる。このように制御することにより、前述したPWM波形のオン時比率が50%の場合と同様に出力端にパルス幅変調波形を形成することができる。
When a PWM signal having a maximum on-time ratio exceeding 50% is used, as shown in FIG. 5, Q1 to Q4 so that the
図6は、本発明の第3実施形態の電力変換器を示す。本実施形態は第1の実施形態と比してスイッチング素子Q1〜Q4、コンデンサC1、C2の接続方法が異なるものである。第1のインバータ12は、高周波トランスT1と、高周波トランスT1の1次巻線の片側を直流電源11の−側に接続し、その反対側を交互にオン・オフする2個の直列接続されたスイッチング素子Q1,Q3の中点に接続している。まったく同じ構成の第2のインバータ13は、高周波トランスT2と、高周波トランスT2の1次巻線の片側を共通の直流電源11の−側に接続し、その反対側を交互にオン・オフする2個の直列接続されたスイッチング素子Q2,Q4の中点に接続している。
第1の実施形態とは、スイッチング素子Q1〜Q4、コンデンサC1,C2の配置が異なるが、第1の実施形態と同様の方法にて制御を行うことができる。
FIG. 6 shows a power converter according to a third embodiment of the present invention. This embodiment is different from the first embodiment in the connection method of the switching elements Q1 to Q4 and the capacitors C1 and C2. The
Although the arrangement of the switching elements Q1 to Q4 and the capacitors C1 and C2 is different from that of the first embodiment, control can be performed by the same method as that of the first embodiment.
図7は、本発明の第4実施形態の電力変換器を示す。本実施形態は第3の実施形態のスイッチング素子Q1〜Q4、コンデンサC1,C2の接続方式にて第2の実施形態と同様に2組のインバータを減算接続した電力変換器の例であり、第3の実施形態と比して、片側のインバータのトランスの1次側巻線の極性が逆になっている。第2の実施形態とは、スイッチング素子Q1〜Q4、コンデンサC1,C2の配置が異なるが、第2の実施形態と同様の方法にて制御を行うことができる。 FIG. 7 shows a power converter according to a fourth embodiment of the present invention. This embodiment is an example of a power converter in which two sets of inverters are subtracted and connected in the same manner as in the second embodiment by the connection method of the switching elements Q1 to Q4 and capacitors C1 and C2 of the third embodiment. Compared with the third embodiment, the polarity of the primary winding of the transformer of the inverter on one side is reversed. Although the arrangement of the switching elements Q1 to Q4 and the capacitors C1 and C2 is different from that of the second embodiment, the control can be performed by the same method as that of the second embodiment.
また、第3の実施形態または第4の実施形態において、コンデンサC1の−側とコンデンサC2の−側を接続した構成でもよい。このようにすることで、部品特性のばらつき等により生じるコンデンサC1またはC2の両端電圧を安定化することができる。
加えて、コンデンサC1とC2を1つのコンデンサとすることで、部品実装面積及びコストを削減することができる。
In the third embodiment or the fourth embodiment, the negative side of the capacitor C1 and the negative side of the capacitor C2 may be connected. By doing so, it is possible to stabilize the voltage across the capacitor C1 or C2 caused by variations in component characteristics or the like.
In addition, by using the capacitors C1 and C2 as one capacitor, the component mounting area and cost can be reduced.
図8は、電力変換器の最終出力として、直流出力を行う場合のシステム構成例を示す。トランスの一次側の動作については、前述した動作と同様であるので、ここでは説明を省略する。PWM波形を出力するコンバータ14の出力端に、PWM信号電圧Voutをダイオードブリッジによりプラス電圧に全波整流する整流部31と、整流された電圧をチョークコイルL1とコンデンサC3により平滑する平滑部32と、負荷33とを接続している。負荷33が接続された出力端には、出力電圧(Vdc)検出値を制御部34に送る電圧検出器35が接続されている。また、各種入力手段からの指令やメモリ等に記憶された指令値から、出力電圧指令値を制御部に送る操作部36が配置されている。制御部34は、電圧検出値と出力電圧指令値が一致するようにPWM信号を生成し、ドライブ部37にスイッチング素子Q1〜4のゲート信号を送る。ドライブ部37は、制御部34から送られてきた信号をスイッチング素子Q1〜4のゲートに出力する。
FIG. 8 shows a system configuration example in the case of performing DC output as the final output of the power converter. Since the operation on the primary side of the transformer is the same as the operation described above, description thereof is omitted here. At the output end of the
そして、トランス出力電圧Voutを整流部31で整流し、平滑部32で平滑すると、図9に示すように、出力電圧Vdcの直流電圧が得られる。従って、1サイクルのPWM変調率に対応した平滑出力である出力電圧Vdcが得られる。トランス出力電圧Voutは、PWM信号波形に対応したものであり、1組目のインバータの出力位相に対し、2組目のインバータの出力位相をずらす量(シフト量)に対応して変調率が決まってくる。このため、2組目のインバータの出力位相のシフト量を各サイクル毎に一定とすることで、直流出力電圧Vdcが得られる。トランス出力電圧Voutは、PWM信号に同期したパルス幅変調信号波形(矩形波状波形)となるが、このPWM波形を変調率0%〜100%の広範囲に変化させることができるので、平滑後の出力電圧Vdcの電圧レベルも広範囲に変化させることが可能である。従って、電圧検出器35で検出した電圧と電圧指令値とを比較し、前記1組目のインバータの出力位相に対し、2組目のインバータの出力位相をずらす量にフィードバックする制御装置34を備えることで、直流電源11の出力直流電圧が変動しても、負荷33に供給する直流電圧Vdcを常に一定に保つような制御が可能となる。
When the transformer output voltage Vout is rectified by the rectifying
図10は、電力変換器の最終出力として、商用電源系統に連系した交流出力を行う場合の回路構成例を示す。S1〜S4は、双方向スイッチ素子で構成される整流部41である。整流部41は、ドライブ部37からのキャリア周波数に同期した駆動信号により、キャリア周波数のPWM波形交流電圧のVoutをプラス電圧もしくはマイナス電圧に整流する。すなわち、PWM電圧波形出力Voutは、+側と−側に同一の大きさの電圧が交互に出力されるので(図11参照)、+側の電圧に対してはスイッチ素子S1,S3をオンとし、−側の電圧に対してはスイッチ素子S2,S4をオンすることで、プラス電圧に整流することができる。また、前記組合せを逆にすることによりマイナス電圧に整流することが出来る。
FIG. 10 shows a circuit configuration example in the case of performing AC output linked to the commercial power supply system as the final output of the power converter. S1 to S4 are
フィルタ部42は、高周波ノイズを除去するフィルタであり、PWM波形の高周波成分がすべて除去され、その出力側には1サイクル毎の平滑出力が得られる。PWM波形出力電圧Voutは、オン時比率を50%でオン・オフする2組のインバータの出力を加算又は減算するように結線したコンバータ出力端に出力される。1組目のインバータの出力位相に対し、2組目のインバータの出力位相をずらす量(シフト量)に対応して変調率が決まってくる。このため、各サイクル毎の変調率が正弦波の時間関数となるように各サイクル毎のシフト量を決めることで、平滑回路42を通過後の平滑出力が得られ、各サイクル毎の平滑出力が連続して正弦波出力電圧Vsysが得られる。すなわち、1組目のインバータの出力位相に対し、2組目のインバータの出力位相を各サイクルにおいて正弦波状にずらすことで、交流出力電源として構成することができる。
The
交流出力電圧Vsysまたは交流出力電流Ioutを検出する電圧検出器35または電流検出器38を備え、検出器で検出した電圧又は電流を指令値と比較し、前記1組目のインバータの出力位相に対し、2組目のインバータの出力位相をずらす量にフィードバックする制御装置34を備えることで、交流出力電圧Vsysまたは交流出力電流Ioutを指令値に一致するように制御することも可能である。これにより、50Hzまたは60Hzの商用電源系統に連系可能な正弦波出力電源が得られる。
A
電圧検出器35は、系統電圧(Vsys)を検出し、その検出値を制御部34に送る。電流検出器38は、出力電流(Iout)を検出し、その検出値を制御部34に送る。操作部36は、各種入力手段からの指令やメモリ等に記憶された指令値から、出力電流指令値もくしは出力電力指令値を制御部34に送る。制御部34は、電圧検出値、電流検出値と出力電流指令値、もしくは出力電力指令値から演算し、PWM信号を生成して、ドライブ部37にスイッチング素子Q1〜Q4,S1〜S4のゲート信号を送る。ドライブ部37は、制御部34から送られてきた信号をスイッチング素子Q1〜Q4,S1〜S4のゲートに出力する。
The
この回路は系統連系インバータであり、低い直流電圧を高周波トランスにより昇圧し、交流に変換して系統に連系する。高周波インバータ部14は、図1に示す2組のインバータ12,13と同一動作する。前記1組目のインバータの出力位相に対し、2組目のインバータの出力位相を正弦波状にずらすことで、交流出力電源として構成している。すなわち、スイッチング素子Q1とQ2、Q3とQ4の重なり期間をキャリア周波数の1サイクル毎に変化させ、出力電流Ioutが正弦波となるように制御する。また、スイッチング素子S1〜S4のゲート信号オン・オフのタイミングを変化させ、出力力率1の場合、系統電圧周期に同期して、出力電流をプラスもしくはマイナスに制御する。
This circuit is a grid-connected inverter that boosts a low DC voltage with a high-frequency transformer, converts it to AC, and links it to the grid. The high-
図11に各部の電圧波形・信号波形を示す。スイッチング素子Q1とQ2、Q3とQ4のHiが重なる期間でトランスの出力に電圧Voutが発生する。系統電圧の周期が0度もしくは180度付近では、Voutの電圧出力期間が最も短くなるように、90度もしくは270度付近では、Voutの電圧出力期間が最も長くなるようスイッチング素子Q1〜Q4の重なり期間をPWM制御し、正弦波出力電流波形にする。 FIG. 11 shows voltage waveforms and signal waveforms of each part. The voltage Vout is generated at the output of the transformer during the period in which Hi of the switching elements Q1 and Q2 and Q3 and Q4 overlap. The switching elements Q1 to Q4 are overlapped so that the voltage output period of Vout becomes the shortest when the period of the system voltage is 0 degree or near 180 degrees, and the voltage output period of Vout becomes the longest near 90 degrees or 270 degrees. The period is PWM controlled to obtain a sine wave output current waveform.
系統電圧Vsysがプラス周期の場合、スイッチング素子S1〜4のゲート信号は、スイッチング素子Q1のゲート信号に同期し、スイッチング素子S1,3がHiの場合スイッチング素子S2,4がLowとなり、スイッチング素子S1,3がLowの場合スイッチング素子S2,4がHiとなり、トランス電圧Voutはプラス電圧に整流できる。また、系統電圧Vsysがマイナス周期の場合は、スイッチング素子Q1がHiの期間にスイッチング素子S1,3をLow、スイッチング素子S2,4をHi、スイッチング素子Q1がLowの期間にスイッチング素子S1,3をHi,スイッチング素子S2,4をLowとスイッチング素子S1〜4のタイミングを変えることで、トランス出力電圧Voutはマイナス電圧に整流できる。なお、スイッチング素子S1〜4のゲート信号は、スイッチング素子Q1〜4のいずれかに同期して切り替える。もしくは、トランスの出力電圧Voutに電圧が発生している時にスイッチング素子S1〜S4を切り替えることによるサージ電圧の発生やスイッチング損失の増加を避けるために、Q1とQ2またはQ3とQ4のハイレベルとローレベルが異なる期間(Voutに電圧が発生しない期間)にスイッチング素子S1〜S4のゲート信号を切り替えることが好ましい。 When the system voltage Vsys is a positive cycle, the gate signals of the switching elements S1 to S4 are synchronized with the gate signal of the switching element Q1, and when the switching elements S1 and 3 are Hi, the switching elements S2 and 4 are Low, and the switching element S1 , 3 is Low, the switching elements S2, 4 become Hi, and the transformer voltage Vout can be rectified to a positive voltage. Further, when the system voltage Vsys is a negative cycle, the switching elements S1, 3 are Low, the switching elements S2, 4 are Hi, and the switching elements S1, 3 are Low while the switching element Q1 is Low, when the switching element Q1 is Hi. The transformer output voltage Vout can be rectified to a negative voltage by changing the timing of Hi and switching elements S2 and 4 to Low and switching elements S1 to S4. Note that the gate signals of the switching elements S1 to S4 are switched in synchronization with any of the switching elements Q1 to Q4. Or, in order to avoid generation of surge voltage and increase in switching loss by switching the switching elements S1 to S4 when voltage is generated in the transformer output voltage Vout, the high level and low level of Q1 and Q2 or Q3 and Q4 It is preferable to switch the gate signals of the switching elements S1 to S4 during periods with different levels (periods when no voltage is generated at Vout).
また、図12に示す通り、PWM信号の立ち上がり、立ち下がりに対応したスイッチング素子Q1〜Q4動作を固定とし、PWM信号のHiとLowのレベルを系統電圧Vsysのプラス周期とマイナス周期とで反転させることで、トランス出力電圧Voutのプラス電圧とマイナス電圧の出力タイミングを変えることができ、系統電圧Vsysの周期により、スイッチ素子S1〜S4のプラス電圧(マイナス電圧)を得るための切替えが不要となり、常に同じ論理で切り替えることができ、制御ロジックを簡素化することができる。 Further, as shown in FIG. 12, the switching elements Q1 to Q4 corresponding to the rise and fall of the PWM signal are fixed, and the Hi and Low levels of the PWM signal are inverted between the plus cycle and the minus cycle of the system voltage Vsys. Thus, the output timing of the positive voltage and the negative voltage of the transformer output voltage Vout can be changed, and the switching for obtaining the positive voltage (negative voltage) of the switch elements S1 to S4 is not required depending on the cycle of the system voltage Vsys. It is possible to always switch with the same logic, and to simplify the control logic.
上述した実施例においては、2組のインバータの一端を直流電源の負側に接続した構成により説明を行ったが、接続を正側に接続しスイッチング素子の極性を反転しても、同様の制御方法にて本発明を実施することが可能である。また、本実施例では、トランスの1次側コンバータとして、アクティブクランプ方式を応用したフォワードコンバータを使用した例について説明をしたが、50%のオン時比率でプラス・マイナスに出力が可能なコンバータであればよく、例えば、フルブリッジ方式、ハーフブリッジ方式、センタータップ方式の何れのコンバータ方式を用いて同様の制御を行うことも可能である。 In the above-described embodiment, the description has been made with the configuration in which one end of two sets of inverters is connected to the negative side of the DC power source. However, the same control is performed even if the connection is connected to the positive side and the polarity of the switching element is reversed. It is possible to implement the present invention in a method. In the present embodiment, an example in which a forward converter using an active clamp system is used as a primary side converter of a transformer has been described. However, a converter that can output positively or negatively at an on-time ratio of 50%. For example, it is possible to perform the same control using any converter method such as a full bridge method, a half bridge method, and a center tap method.
これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは勿論である。 Although one embodiment of the present invention has been described so far, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and may of course be implemented in various forms within the scope of the technical idea.
11 直流電源
12,13 インバータ
14 高周波インバータ部
15 出力端
16 駆動制御回路
21 クロック源
22 波形タイミング調整部
23,24 ドライバ
25 PWM信号設定部
31 整流部
32 平滑部
34 制御部
35 電圧検出器
36 操作部
37 ドライブ部
38 電流検出器
41 整流部
42 フィルタ部(平滑回路)
11
Claims (8)
オン時比率を50%でオン・オフする2組のインバータと、
前記2組のインバータと1次側が接続され、2次側出力を加算又は減算するように結線した高周波トランスとを備え、
前記2組のインバータのうち、1組目のインバータの出力位相に対し、2組目のインバータの出力位相をずらせて加算又は減算することで、前記高周波トランスの2次側に所定のパルス幅変調波形を形成する
ことを特徴とする電力変換器。 DC power supply,
Two sets of inverters that turn on / off at an on-time ratio of 50%, and
A high-frequency transformer connected to the primary side of the two sets of inverters and connected to add or subtract the secondary side output;
A predetermined pulse width modulation is performed on the secondary side of the high-frequency transformer by shifting or adding or subtracting the output phase of the second set of inverters to the output phase of the first set of the two sets of inverters. A power converter characterized by forming a waveform.
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