JP2021097514A - Control system of power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換装置の制御システムに係り、例えば、電気車両のモータ駆動用3相インバータのうち1レグ(3相ブリッジ接続される半導体スイッチング素子の1相分の一組の半導体スイッチング素子)をバッテリ充電回路に兼用した回路において、別途PT(Potential Transformer、計器用変圧器)や絶縁アンプを使用せずにバッテリ充電用交流電源の位相を推定しPLL(Phase Locked Loop)をかける技術に関する。 The present invention relates to a control system of a power converter, for example, one leg of a three-phase inverter for driving a motor of an electric vehicle (a set of semiconductor switching elements for one phase of a semiconductor switching element connected by a three-phase bridge). The present invention relates to a technique for estimating the phase of an AC power supply for battery charging and applying PLL (Phase Locked Loop) without using a separate PT (Pontential Transformer, instrument transformer) or an insulating amplifier in a circuit that also serves as a battery charging circuit.
電気車両では、部品搭載スペースが限られるためできる限り部品点数を削減する必要がある。また、重量は航続距離に大きく影響するため、できる限りの軽量化が求められる。 In electric vehicles, the space for mounting parts is limited, so it is necessary to reduce the number of parts as much as possible. In addition, since the weight greatly affects the cruising range, it is required to reduce the weight as much as possible.
図1に、非特許文献1で提案されている、モータ駆動用3相インバータの1レグをバッテリ充電回路に兼用し、ダイオードを追加してバッテリ充電用単相交流チョッパを構成した回路を示す。
FIG. 1 shows a circuit in which one leg of a three-phase inverter for driving a motor, which is proposed in Non-Patent
図1において、10は、バッテリ11の正負極端間に3相ブリッジ接続された半導体スイッチング素子(FETやIGBT等、図1の例ではFETで表記している)Sa〜Sfを備えたモータ駆動用3相インバータである。
In FIG. 1, 10 is for driving a motor provided with semiconductor switching elements (FETs, IGBTs, etc., represented by FETs in the example of FIG. 1) Sa to Sf connected by a three-phase bridge between the positive and negative ends of the
モータ駆動用3相インバータ10の3相各相の交流出力側はモータ12に接続されている。
The AC output side of each of the three phases of the three-
モータ駆動用3相インバータ10のうち、いずれか1相の交流を出力する1レグの、例えば直列接続された半導体スイッチング素子Sa,Sbは、兼用レグ10Uとして、バッテリ11の充電回路の一部に兼用される。
Of the three-
この兼用レグ10Uには、ダイオード13a,13bの直列回路が並列に接続されている。14は単相交流電源であり、この単相交流電源14の出力側はトランス15の一次巻線に接続されている。
A series circuit of
前記兼用レグ10Uの半導体スイッチング素子SaとSbの共通接続点はリアクトル16を介してトランス15の二次巻線の一端に接続され、トランス15の二次巻線の他端はダイオード13aと13bの共通接続点に接続されている。
The common connection point of the semiconductor switching elements Sa and Sb of the dual-purpose leg 10U is connected to one end of the secondary winding of the
ただし、トランス15の漏れインダクタンスで十分な場合には、リアクトル16を設けずに、前記兼用レグ10Uの半導体スイッチング素子SaとSbの共通接続点はトランス15の二次巻線の一端に接続されている。
However, if the leakage inductance of the
したがって、単相交流電源14、トランス15、リアクトル16、ダイオード13a,13b、兼用レグ10Uによってバッテリ11の充電回路(バッテリ充電用単相交流チョッパ)を構成している。
Therefore, the charging circuit of the battery 11 (single-phase AC chopper for battery charging) is composed of the single-phase
兼用レグ10Uの下アームの半導体スイッチング素子Sbの両端間(ドレイン−ソース間)には、半導体スイッチング素子電圧検出回路として作用する抵抗17、18が直列に接続されている。これら抵抗17、18によって分圧された電圧がVds検出信号として出力される。
リアクトル16に流れる電流は変流器(CT)19によって検出され、リアクトル電流Ichp検出信号として出力される。
The current flowing through the
上記のように構成された装置において、3相インバータ10の各半導体スイッチング素子Sa〜Sfを図示省略の制御回路によってオン、オフ制御することにより、バッテリ11の直流電力は、交流電力に変換されてモータ12に供給される。
In the device configured as described above, the DC power of the
また、兼用レグ10Uの半導体スイッチング素子Sa,Sbをオン、オフ制御してチョッパ動作させることによって、単相交流電源14からトランス15、リアクトル16、ダイオード13a,13bおよび兼用レグ10Uを介してバッテリ11へ充電が行われる。
Further, by controlling the on / off control of the semiconductor switching elements Sa and Sb of the dual-purpose leg 10U to operate the chopper, the
図1の回路を用いて充電動作を正常に行うためには単相交流電源14の位相を検出し、これにあわせて兼用レグ10Uを適切にスイッチングさせる必要がある。しかし、トランス15の交流電源側で位相の検出を行う場合は絶縁が必要となり、PTや絶縁アンプなど追加の部品が必要となる。PTや絶縁アンプは磁性材料を使用するため重量増加につながる。
In order to normally perform the charging operation using the circuit of FIG. 1, it is necessary to detect the phase of the single-phase
トランス15の交流チョッパ側で電圧検出を行えば絶縁は不要である。しかし、検出した電圧信号にはスイッチングにより大きなリプルやノイズが重畳するため、これを用いての位相検出は困難である。フィルタによるリプルなどの除去を行う方法が考えられるが、フィルタによる遅延を補償する必要がある。適切な遅延補償量は周波数によって変動し、周波数の検出には位相を使用する必要があるため、例えば遅延補償量が過剰で位相が進みであると誤検出し、その結果周波数が増加したと誤判断し、周波数が高くなると遅延が大きくなるため補償により位相をさらに進め、その結果周波数がさらに増加する、というように動作が不安定になる恐れがある。
If voltage detection is performed on the AC chopper side of the
非特許文献1には、電圧検出器を使用せず交流電源位相を推定する技術が紹介されている。非特許文献1では、電圧検出信号の代わりに電流制御器から出力された電圧指令値を使用し、電源インピーダンスでの電圧降下を考慮して交流電源位相を推定する。この方法では、装置が運転中ならば正常に動作するが、停止中では電流制御が停止するため位相を推定できない。そのため、運転開始直後に交流電源電圧と装置出力電圧の差が大きくなり大電流が流れてしまう場合がある。
Non-Patent
また特許文献2には、装置停止中の交流電源位相の推定方法が提案されている。特許文献2では、停止中の装置がダイオード整流器と同等であることから交流側電流の符号が交流電圧の符号に一致することに基づいて交流電源位相の推定を行う。 Further, Patent Document 2 proposes a method for estimating the phase of an AC power supply while the device is stopped. In Patent Document 2, since the stopped device is equivalent to a diode rectifier, the phase of the AC power supply is estimated based on the fact that the sign of the AC side current matches the sign of the AC voltage.
特許文献2において、交流側電流が流れる条件は交流電源電圧のピークがバッテリ電圧よりも大きい場合に限られる。ある程度バッテリ残量があるなど、この条件を満たさない場合は装置停止中において電流が零となるため交流電源位相を推定できない。 In Patent Document 2, the condition for the AC side current to flow is limited to the case where the peak of the AC power supply voltage is larger than the battery voltage. If this condition is not met, such as when there is a certain amount of remaining battery power, the current becomes zero while the device is stopped, and the AC power supply phase cannot be estimated.
対策として、バッテリ充電用交流チョッパを構成する4アームのどれかに抵抗を並列に接続する方法が考えられる。しかし、電流検出にHCT(Hall CT;ホール電流検出器)を使用する場合、HCTにはオフセットが重畳しやすく、温度による変化も発生する。正確に電流符号を検出するためには数A程度の電流が必要となるが、そのために並列抵抗の値を小さくすると損失が増加してしまう。 As a countermeasure, a method of connecting a resistor in parallel to any of the four arms constituting the AC chopper for charging the battery can be considered. However, when an HCT (Hall CT; Hall current detector) is used for current detection, an offset is likely to be superimposed on the HCT, and a change due to temperature also occurs. A current of about several A is required to accurately detect the current code, but if the value of the parallel resistance is reduced for that purpose, the loss increases.
一方でモータ駆動用3相インバータには、スイッチング素子の短絡故障検出やデッドタイム補償のために、ドレイン・ソース間電圧Vds検出器が、図1の抵抗17,18のように搭載されている場合がある。前述の通り、装置運転中のVds検出信号には非常に大きなリプルやノイズが重畳するため、位相検出には不適切である。
On the other hand, when the three-phase inverter for driving the motor is equipped with a drain-source voltage Vds detector as shown in the
本発明は、上記課題を解決するものであり、その目的は、電力変換装置の運転中も、停止中も安定して交流電源位相を推定することができる電力変換装置の制御システムを提供することにある。 The present invention solves the above problems, and an object of the present invention is to provide a control system for a power conversion device capable of stably estimating an AC power supply phase while the power conversion device is operating or stopped. It is in.
上記課題を解決するための請求項1に記載の電力変換装置の制御システムは、
バッテリの正負極端間に半導体スイッチング素子を3相ブリッジ接続してモータ駆動用の3相インバータを構成し、
前記3相インバータのいずれか1相の交流を出力する1レグ内の一組の半導体スイッチング素子を、前記バッテリの充電回路の一部として兼用し、前記1レグ内の一組の半導体スイッチング素子に並列に接続された一組のダイオードの直列回路と、前記直列回路の一組のダイオードの共通接続点および前記1レグ内の一組の半導体スイッチング素子の共通接続点の間に接続された単相交流電源とによってバッテリの充電回路を構成した電力変換装置であり、
前記3相インバータの前記1レグ内の一組の半導体スイッチング素子のうち下アームに接続された半導体スイッチング素子の両端間電圧を検出する半導体スイッチング素子電圧検出回路と、
前記リアクトルに流れる電流を検出し、前記電流が電流振幅指令値になるように制御して出力電圧指令値を演算する電流制御ブロックと、
電力変換装置の停止中は、前記半導体スイッチング素子電圧検出回路の検出電圧に、設定したゲインGを乗じた信号に基づいて、電力変換装置の運転中は、前記電流制御ブロックで演算された1演算周期前の出力電圧指令値に基づいて、前記単相交流電源の電圧に同期した位相信号を各々演算するPLLブロックと、
前記電流制御ブロックで演算された出力電圧指令値、キャリア信号および前記PLLブロックで演算された位相信号に基づいて、前記3相インバータの、前記1レグ内の一組の半導体スイッチング素子のゲート信号を生成するPWMブロックと、
を備えたことを特徴とする。
The control system for the power conversion device according to
A semiconductor switching element is connected to the positive and negative ends of the battery in a three-phase bridge to form a three-phase inverter for driving the motor.
A set of semiconductor switching elements in one leg that outputs AC of any one phase of the three-phase inverter is also used as a part of the charging circuit of the battery, and is used as a set of semiconductor switching elements in the one leg. A single phase connected between a series circuit of a set of diodes connected in parallel, a common connection point of a set of diodes in the series circuit, and a common connection point of a set of semiconductor switching elements in the one leg. It is a power conversion device that constitutes a battery charging circuit with an AC power supply.
A semiconductor switching element voltage detection circuit that detects the voltage between both ends of the semiconductor switching element connected to the lower arm of the set of semiconductor switching elements in the one leg of the three-phase inverter.
A current control block that detects the current flowing through the reactor, controls the current to be the current amplitude command value, and calculates the output voltage command value.
One calculation calculated by the current control block during operation of the power conversion device based on a signal obtained by multiplying the detection voltage of the semiconductor switching element voltage detection circuit by the set gain G while the power conversion device is stopped. Based on the output voltage command value before the cycle, the PLL block that calculates the phase signal synchronized with the voltage of the single-phase AC power supply, and
Based on the output voltage command value calculated by the current control block, the carrier signal, and the phase signal calculated by the PLL block, the gate signal of a set of semiconductor switching elements in the one leg of the three-phase inverter is generated. The PWM block to be generated and
It is characterized by being equipped with.
請求項2に記載の電力変換装置の制御システムは、請求項1において、
前記単相交流電源は、リアクトルを介して接続されていることを特徴とする。
The control system for the power conversion device according to claim 2 is claimed in
The single-phase AC power supply is characterized in that it is connected via a reactor.
請求項3に記載の電力変換装置の制御システムは、請求項1又は2において、 前記ダイオードの直列回路のうち、前記3相インバータの前記1レグ内の下アームの半導体スイッチング素子に接続されている側のダイオードに、抵抗を並列に接続したことを特徴とする。
The control system of the power conversion device according to
請求項4に記載の電力変換装置の制御システムは、請求項1から3のいずれか1項において、
前記半導体スイッチング素子電圧検出回路からはアナログの電圧検出信号が出力され、前記PLLブロックにおけるゲインGはG=2に設定されていることを特徴とする。
The control system for the power conversion device according to claim 4 is the control system according to any one of
An analog voltage detection signal is output from the semiconductor switching element voltage detection circuit, and the gain G in the PLL block is set to G = 2.
請求項5に記載の電力変換装置の制御システムは、請求項1から3のいずれか1項において、
前記半導体スイッチング素子電圧検出回路からはアナログの電圧検出信号が出力され、前記PLLブロックにおけるゲインGはG>2に設定されていることを特徴とする。
The control system for the power conversion device according to
An analog voltage detection signal is output from the semiconductor switching element voltage detection circuit, and the gain G in the PLL block is set to G> 2.
請求項6に記載の電力変換装置の制御システムは、請求項1から3のいずれか1項において、
前記半導体スイッチング素子電圧検出回路からは、半導体スイッチング素子のオン時に想定される最大電流が通過したときの両端間電圧を超えたときに1、それ以下ならば0であるディジタルの電圧検出信号が出力され、前記PLLブロックにおけるゲインGはG=2/πに設定されていることを特徴とする。
The control system for the power conversion device according to claim 6 is the control system of the power conversion device according to any one of
From the semiconductor switching element voltage detection circuit, a digital voltage detection signal is output, which is 1 when the voltage between both ends when the maximum current assumed when the semiconductor switching element is turned on is exceeded, and 0 when the voltage is less than that. The gain G in the PLL block is set to G = 2 / π.
請求項7に記載の電力変換装置の制御システムは、請求項1から3のいずれか1項において、
前記半導体スイッチング素子電圧検出回路からは、半導体スイッチング素子のオン時に想定される最大電流が通過したときの両端間電圧を超えたときに1、それ以下ならば0であるディジタルの電圧検出信号が出力され、前記PLLブロックにおけるゲインGはG>2/πに設定されていることを特徴とする。
The control system for the power conversion device according to claim 7 is the control system according to any one of
From the semiconductor switching element voltage detection circuit, a digital voltage detection signal is output, which is 1 when the voltage between both ends when the maximum current assumed when the semiconductor switching element is turned on is exceeded, and 0 when the voltage is less than that. The gain G in the PLL block is set to G> 2 / π.
(1)請求項1〜7に記載の発明によれば、電力変換装置が停止中の時は、半導体スイッチング素子電圧検出回路の検出信号から交流電源電圧の位相を検出しているので、運転直後の過電流を防ぐことができる。電力変換装置の運転中は電流制御ブロックで演算された出力電圧指令値を使用しているため、半導体スイッチング素子電圧検出回路の検出信号を用いた場合とは異なり、スイッチングリプルの影響を受けずに交流電源電圧位相を推定することができる。
(1) According to the inventions of
また、追加のPT(計器用変圧器)や絶縁アンプなどの部品を削減でき、コストおよび航続距離への影響を抑えることができる。
(2)請求項3に記載の発明によれば、検出信号へのノイズ重畳を抑えることができる。また、請求項1、2の構成に比べて、半導体スイッチング素子電圧検出回路の抵抗値、例えば分圧抵抗の抵抗値を大きくすることができるため、損失を抑制でき、効率や航続距離を向上させることができる。
(3)請求項4、6に記載の発明によれば、電力変換装置の運転中と停止中とで、PLLブロックのPLL応答速度を略等しくすることができる。
(4)請求項5、7に記載の発明によれば、電力変換装置の運転中のPLL安定性を維持したまま、停止中のみPLLの応答速度を向上させて交流電源投入後から運転準備完了までの時間を短縮することができる。また、請求項1、2、3と同一の演算負荷により請求項1、2、3と同様の効果を得ることができる。
In addition, parts such as additional PTs (instrument transformers) and insulated amplifiers can be reduced, and the impact on cost and cruising range can be suppressed.
(2) According to the invention of
(3) According to the inventions of claims 4 and 6, the PLL response speed of the PLL block can be made substantially equal between the operation and the stop of the power conversion device.
(4) According to the inventions of
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。図1の半導体スイッチング素子電圧検出回路として作用する抵抗17、18の分圧点から出力されるVds検出信号には、装置運転中に大きなリプルやノイズが重畳されるため位相検出には不適切であるが、装置停止中ならばスイッチングは行われずリプルやノイズも非常に小さくなる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the following examples of embodiments. The Vds detection signal output from the voltage dividing points of the
そこで本発明では、装置の停止中は前記Vds検出信号から交流電源電圧の位相を検出し、装置の運転中は電流制御ブロックから出力される電圧指令値に基づいて交流電源電圧の位相を推定するように構成した。 Therefore, in the present invention, the phase of the AC power supply voltage is detected from the Vds detection signal while the device is stopped, and the phase of the AC power supply voltage is estimated based on the voltage command value output from the current control block during the operation of the device. It was configured as follows.
図2は、本発明の電力変換装置の制御システムの実施形態例による制御ブロックの構成を示している。図2の制御ブロックは、電力変換装置の、図1に示す主回路構成および後述の図4に示す実施例3の主回路構成に適用されるものである。 FIG. 2 shows the configuration of the control block according to the embodiment of the control system of the power conversion device of the present invention. The control block of FIG. 2 is applied to the main circuit configuration shown in FIG. 1 and the main circuit configuration of the third embodiment shown in FIG. 4 described later in the power conversion device.
図2において、21は、図1の変流器19から出力されるリアクトル電流Ichp検出信号を入力とし、Ichpからノイズやスイッチングリプルなどを除去するLPF(低域通過フィルタ)である。
In FIG. 2, FIG. 21 is an LPF (low-pass filter) that takes the reactor current Ichp detection signal output from the
22は、後述のPLLブロック50で演算された、単相交流電源14の電圧に同期した位相θに対応する余弦値(cosθ)と、設定した電流振幅指令値Ichp*とを乗算する乗算器である。ただし、余弦値(cosθ)は予め用意した余弦値テーブル31を参照して求める。
23は、乗算器22の出力である瞬時の電流振幅指令値Ichp*cosθから、LPF21の出力を減算する減算器である。
24は、減算器23の出力を入力し、ゲインをかけて比例した値を出力するPアンプである。尚、Pアンプ24は、基本波周波数に対してゲインが無限大になる共振アンプを併用する場合がある。
32は、図1のバッテリ11の電圧を検出したバッテリ電圧検出信号Vdcからその逆数を除算器33によって求めた1/Vdcと、前記cosθとを乗算して基準正弦波cosθ/Vdcを求める乗算器である。
25は、乗算器32の出力である基準正弦波cosθ/VdcからPアンプ24の出力を減算して出力電圧指令値V*を出力する減算器である。
Reference numeral 25 denotes a subtractor that outputs an output voltage command value V * by subtracting the output of the
34は、減算器25の出力である出力電圧指令値V*を一時的に記憶し、1演算周期前の出力電圧指令値V*´を出力するバッファである。
前記LPF21、乗算器22、減算器23,25およびPアンプ24は、リアクトル電流検出信号Ichpが瞬時の電流振幅指令値Ichp*cosθになるように制御して出力電圧指令V*を演算する電流制御ブロックを構成しており、一般的な電流制御により出力電圧指令値V*を求めている。
The
すなわち、瞬時の電流振幅指令値Ichp*cosθと、LPF21を通したリアクトル電流検出値Ichpとの偏差をPアンプ24で増幅し、減算器25において基準正弦波cosθ/Vdc(cosθ×バッテリ検出電圧の逆数1/Vdc)から減算する。
That is, the deviation between the instantaneous current amplitude command value Ichp * cosθ and the reactor current detection value Ichp through the
リアクトル電流検出値Ichpはチョッパに入力する向きをプラスとしたため、Ichpが不足している場合はチョッパ出力電圧を下げてIchpの増加を促す。 Since the reactor current detection value Ichp is positive in the direction of input to the chopper, if the Ichp is insufficient, the chopper output voltage is lowered to promote an increase in Ichp.
60はPWMブロック(PWM変調器)を示し、61bは、余弦値テーブル31の出力であるcosθがプラスであることを検出する比較器であり、図2の例ではデッドタイムを付加する目的で少しだけ零より大きな値(0.001)と比較している。
62は、0から1の間で変化するキャリア三角波1を出力するキャリア生成部であり、このキャリア三角波1は減算器63において出力電圧指令値V*から減算される。
64bは、減算器63の減算出力がプラスならば、すなわち出力電圧指令値V*がキャリア三角波1よりも大きければ1を出力する比較器である。
The 64b is a comparator that outputs 1 if the subtraction output of the
65は、比較器64bの出力を反転した信号と比較器61bの出力信号の論理積を求めるAND素子である。AND素子65の出力は、cosθがプラス且つ出力電圧指令値V*がキャリア三角波1よりも小さいときに1となり、図1の兼用レグ10Uの下アームの半導体スイッチング素子Sbにゲート指令として供給される。
61aは、余弦値テーブル31の出力であるcosθがマイナスであることを検出する比較器であり、図2の例ではデッドタイムを付加する目的で少しだけ零より小さな値(−0.001)と比較している。 Reference numeral 61pa is a comparator that detects that cosθ, which is the output of the cosine value table 31, is negative. In the example of FIG. 2, the value is slightly smaller than zero (-0.001) for the purpose of adding a dead time. I'm comparing.
66は、0から−1の間で変化するキャリア三角波2を出力するキャリア生成部であり、このキャリア三角波2は減算器67において出力電圧指令値V*から減算される。
64aは、減算器67の減算出力がプラスならば、すなわち出力電圧指令値V*がキャリア三角波2よりも大きければ1を出力する比較器である。
The 64a is a comparator that outputs 1 if the subtraction output of the
68は、比較器64aと比較器61aの出力信号の論理積を求めるAND素子である。AND素子68の出力は、cosθがマイナス且つ出力電圧指令値V*がキャリア三角波2よりも大きいときに1となり、図1の兼用レグ10Uの上アームの半導体スイッチング素子Saにゲート指令として供給される。
図1の装置において、単相交流電源14の交流電源電圧がプラスの時は兼用レグ10Uの下アームの半導体スイッチング素子Sbを、マイナスの時は上アームの半導体スイッチング素子Saをスイッチングさせる必要がある。そこで、図2のPWMブロック60では、cosθがプラスの時は出力電圧指令値V*とキャリア三角波1を比較してゲート指令(Sb)を求め、cosθがマイナスの時は出力電圧指令値V*とキャリア三角波2を比較してゲート指令(Sa)を求め、それぞれ対応する半導体スイッチング素子に入力している。
In the device of FIG. 1, when the AC power supply voltage of the single-phase
図2のPLLブロック50は図3のように構成されている。PLLブロック50は、図1の抵抗17,18の分圧により検出されたVds検出信号(半導体スイッチング素子Sbの両端間(ドレイン−ソース間)電圧を検出した信号)と、図2のバッファ34から出力される1演算周期前の出力電圧指令値V*´のいずれかを入力し、図1の単相交流電源14の電圧に同期した位相信号θを演算して出力する。
The
51は、Vds検出信号に、設定したゲインGをかける乗算器であり、実施例1ではG=2に設定されている。
52は、電力変換装置が停止中ならば乗算器51の出力である2Vdsを、運転中ならば図2のバッファ34の出力である1演算周期前の出力電圧指令値V*´を各々選択して出力するスイッチである。
52 selects 2Vds, which is the output of the multiplier 51, when the power converter is stopped, and V * ′, which is the output of the
53は、スイッチ52の出力と、後述の正弦値テーブル58から出力される、交流電源電圧に対して90deg遅れた正弦波sinθとの積を求める乗算器である。
54は乗算器53の出力から直流成分を抽出するLPFである。
55は、LPF54の出力と位相指令値(零とする)との偏差を求める減算器である。
Reference numeral 55 denotes a subtractor for obtaining the deviation between the output of the
56は、減算器55の出力を入力し、ゲインをかけて比例した値と積分した値を足し合わせて出力するPIアンプであり、PIアンプ56の出力は交流電源電圧の角周波数ωに相当する。
57は、PIアンプ56の出力である角周波数ωを積分して位相信号θを求める積分器である。積分器57から出力される位相信号θは、図2の余弦値テーブル31に入力されるとともに、正弦値テーブル58に入力され、該正弦値テーブル58に用意された位相θに対応する正弦値が参照され、交流電源電圧に対して90deg遅れた正弦波sinθが生成される。
PLLブロック50において、装置の停止中ではVds検出信号を、運転中では1演算周期前の出力電圧指令値V*´を入力し、90degずれた正弦波sinθ(正弦値テーブル58の出力)との積を求める。入力がsinθに対して正確に90degずれているならば、乗算器53の出力からLPF54によって抽出した直流成分は零である。
In the
しかし、入力がθに対して遅れていてsinθとの位相ずれが90degに満たない場合は、入力にsinθとの同相成分が含まれるので、直流成分はプラスになる。同様に、入力が進みならばLPF54の出力はマイナスになる。LPF54の出力と位相指令値である0との偏差をPIアンプ56で増幅しており、入力が遅れならば、PIアンプ56の出力である角周波数ωは減少し、位相θも遅れて入力信号に同期する。
However, when the input is delayed with respect to θ and the phase shift from sin θ is less than 90 deg, the input contains an in-phase component with sin θ, so that the DC component becomes positive. Similarly, if the input advances, the output of the
装置の運転中は、1演算周期前の出力電圧指令値V*´をPLLブロック50の入力信号としている。これは、特許文献1と同じ動作である。ただし、特許文献1は電源電圧の位相を高い精度で推定するのに対し、本発明では異常な電流が流れない程度の精度があればよいので、インピーダンスの電圧降下を無視しPLLブロック50を単純な構成にした。
During operation of the apparatus, the output voltage command value V * ′ one calculation cycle before is used as the input signal of the
また、ひずみの小さな電流波形を得るためには、兼用レグ10U内の半導体スイッチング素子Sa,Sbのどちらをスイッチングさせるべきかの判断を、単相交流電源14の電圧位相ではなく半導体スイッチング素子SaとSbの共通接続点における電圧位相で行った方がよい。そのためにはトランス15やリアクトル16のインピーダンス電圧降下を無視した方がよく、本発明では特許文献1に比べて図3に示す単純な構成のPLLが適している。
Further, in order to obtain a current waveform with small distortion, it is determined whether to switch the semiconductor switching element Sa or Sb in the dual-purpose leg 10U, not with the voltage phase of the single-phase
PLLブロック50の出力位相であるθと交流電源位相が大きくずれた場合、本来ならば異常な電流が流れるが、電流制御ブロックの制御により異常電流が抑制されるよう、すなわち電源電圧位相と装置の出力電圧位相が揃うように出力電圧指令値V*が補正される。その結果をバッファ34を介してPLLブロック50に入力することで、位相信号θを交流電源位相に同期させることができる。
When θ, which is the output phase of the
装置の停止中は、Vds検出信号をPLLブロック50の入力信号としている。Vds検出信号にはゲインGをG=2倍する乗算器51を追加しているが、これは交流電源電圧がプラスの場合電流はVds分圧抵抗(抵抗17,18)とダイオード下アーム(ダイオード13b)を通過し、Vds検出信号は交流電源電圧に比例した値となる。交流電源電圧がマイナスの場合は電流の流れる経路が存在せず、Vds検出信号は零である。
While the device is stopped, the Vds detection signal is used as the input signal of the
そのため、Vds検出信号は半波整流状の波形になり、LPF54の出力は半分になる。一方、1演算周期前の出力電圧指令値V*´は正弦波状の波形のためLPF54の出力に2倍の差が生じる。この差を除去するため、乗算器51においてVdsをあらかじめ2倍してPLLブロック(50)に入力している。
Therefore, the Vds detection signal has a half-wave rectified waveform, and the output of the
以上のように本実施例1によれば、装置の停止中はVds検出信号から交流電源位相を検出するため、運転直後の過電流を防ぐことができる。装置の運転中は、非常に大きなスイッチングリプルが重畳したVds検出信号は使用せずに電流制御ブロックの出力である出力電圧指令値V*を使用することで、スイッチングリプルの影響を受けずに交流電源位相を推定することができる。 As described above, according to the first embodiment, since the AC power supply phase is detected from the Vds detection signal while the device is stopped, it is possible to prevent an overcurrent immediately after the operation. During operation of the device, the output voltage command value V * , which is the output of the current control block, is used instead of the Vds detection signal on which a very large switching ripple is superimposed, so that the AC is not affected by the switching ripple. The power supply phase can be estimated.
また、追加のPTや絶縁アンプなどの部品を削減でき、コストおよび航続距離への影響を抑えることができる。 In addition, parts such as additional PTs and insulated amplifiers can be reduced, and the impact on cost and cruising range can be suppressed.
本実施例2では、図3(PLLブロック50)の乗算器51のゲインGに2を超える値を設定する。図3では、減算器55に入力する位相指令値が零なので乗算器51のゲインGをG>2に設定するとPIアンプ56のゲインをG/2倍したことと等価である。
In the second embodiment, the gain G of the
これにより装置の停止中のみPLLブロック50の応答速度が向上し、交流電源位相との同期が早く完了し、交流電源投入後から運転準備が完了するまでの時間を短縮することができる。装置の運転中はPLLブロック50の応答速度が低下し、安定性を維持できる。実施例1に対しての変更はゲインGの値だけであるため、実施例1と全く同じ演算負荷で上述の実施例2の効果を得ることができる。
As a result, the response speed of the
実施例1では、交流電源電圧がプラスの時は電流がVds分圧抵抗(抵抗17,18)とダイオードレグ(ダイオード13a,13bの直列回路)の下アーム(ダイオード13b)を流れ、ダイオードレグの下アームがONになるのでバッテリ11のマイナス側端子に対する交流側の電位が安定し、ノイズの影響を受けにくい。
In the first embodiment, when the AC power supply voltage is positive, the current flows through the Vds voltage dividing resistor (
しかし、交流電源電圧がマイナスの時は電流が流れず半導体スイッチング素子はすべてOFFとなるので、バッテリ11のマイナス側端子に対する交流側の電位の安定性はVdsの分圧抵抗17,18に依存し、ノイズにより電位が変動するとVds検出信号にもノイズが重畳する。
However, when the AC power supply voltage is negative, no current flows and all semiconductor switching elements are turned off. Therefore, the stability of the AC side potential with respect to the negative terminal of the
電位を安定させるにはVds分圧抵抗(17,18)の値を小さくすればよいが、半導体スイッチング素子SaがONになるたびに分圧抵抗(17,18)に電流が流れて損失が発生し、バッテリ充電中の効率が低下するだけでなく航続距離にも影響してしまう。 To stabilize the potential, the value of the Vds voltage dividing resistor (17, 18) may be reduced, but every time the semiconductor switching element Sa is turned on, a current flows through the voltage dividing resistor (17, 18) and a loss occurs. However, not only the efficiency during battery charging is reduced, but also the cruising range is affected.
そこで本実施例3は、交流電源電圧がマイナスの時の交流側電位を安定させるため、図4に示すように、ダイオードレグの下アーム(ダイオード13b)に並列に抵抗70を追加した。図4において図1と同一部分は同一符号をもって示している。
Therefore, in the third embodiment, in order to stabilize the AC side potential when the AC power supply voltage is negative, a resistor 70 is added in parallel to the lower arm (
図4の構成とすることにより、交流電源電圧がマイナスの時は、電流が、追加した抵抗70と半導体スイッチング素子Sbの逆並列ダイオードを流れ、半導体スイッチング素子Sbの逆並列ダイオードがONすることで交流側電位が安定する。 With the configuration shown in FIG. 4, when the AC power supply voltage is negative, the current flows through the added resistor 70 and the antiparallel diode of the semiconductor switching element Sb, and the antiparallel diode of the semiconductor switching element Sb is turned on. The AC side potential is stable.
そのため、Vds検出信号はノイズの影響を受けにくくなる。本実施例3は実施例1に比べて部品点数は抵抗1個分増加してしまうが、抵抗には数mAの電流が流れればよく、ダイオードレグ下アーム(ダイオード13b)に追加した並列抵抗70もVds分圧抵抗(17,18)も抵抗値を大きくすることができ、損失を低減し航続距離への影響を抑えることができる。
Therefore, the Vds detection signal is less susceptible to noise. In the third embodiment, the number of parts increases by one resistor as compared with the first embodiment, but it is sufficient that a current of several mA flows through the resistor, and a parallel resistor added to the diode leg lower arm (
以上の構成では、Vds検出信号がアナログであることを想定している。しかしVds検出がディジタルであり、半導体スイッチング素子SbのON時に想定される最大電流が通過したときのドレイン・ソース間電圧を超えたときに1、それ以下ならば0で入力される場合でも本方式を適用することができる。 In the above configuration, it is assumed that the Vds detection signal is analog. However, even if Vds detection is digital and the voltage between the drain and source when the maximum current assumed when the semiconductor switching element Sb is turned on is exceeded, it is input as 1, and if it is less than that, it is input as 0. Can be applied.
このとき、装置停止中のVds検出信号は交流電源電圧がプラスならば1、それ以外ならば0の矩形波状の波形になり、基本波成分の振幅はπ/2である。1演算周期前の出力電圧指令値V*´は最大振幅1の正弦波のため、乗算器51のゲインGをG=2/πとすれば運転中と停止中のPLL応答速度をほぼ等しくすることができる。
At this time, the Vds detection signal when the device is stopped has a rectangular wave-like waveform of 1 if the AC power supply voltage is positive, and 0 otherwise, and the amplitude of the fundamental wave component is π / 2. Since the output voltage command value V * ´ before one calculation cycle is a sine wave with a maximum amplitude of 1, if the gain G of the
Vds検出をディジタルとし実施例2を適用する場合は、乗算器51のゲインGをG>2/πに指定する。
When Vds detection is digital and Example 2 is applied, the gain G of the
10…3相インバータ
10U…兼用レグ
11…バッテリ
12…モータ
13a,13b…ダイオード
14…単相交流電源
15…トランス
16…リアクトル
17,18,70…抵抗
19…変流器
21,54…LPF
22,32,51,53…乗算器
23,25,55,63,67…減算器
24…Pアンプ
31…余弦値テーブル
33…除算器
34…バッファ
50…PLLブロック
52…スイッチ
56…PIアンプ
57…積分器
58…正弦値テーブル
60…PWMブロック
61a,61b,64a,64b…比較器
62,66…キャリア生成部
65,68…AND素子
Sa〜Sf…半導体スイッチング素子
10 ... 3-phase inverter 10U ...
22, 32, 51, 53 ...
Claims (7)
前記3相インバータのいずれか1相の交流を出力する1レグ内の一組の半導体スイッチング素子を、前記バッテリの充電回路の一部として兼用し、前記1レグ内の一組の半導体スイッチング素子に並列に接続された一組のダイオードの直列回路と、前記直列回路の一組のダイオードの共通接続点および前記1レグ内の一組の半導体スイッチング素子の共通接続点の間に接続された単相交流電源とによってバッテリの充電回路を構成した電力変換装置であり、
前記3相インバータの前記1レグ内の一組の半導体スイッチング素子のうち下アームに接続された半導体スイッチング素子の両端間電圧を検出する半導体スイッチング素子電圧検出回路と、
前記リアクトルに流れる電流を検出し、前記電流が電流振幅指令値になるように制御して出力電圧指令値を演算する電流制御ブロックと、
電力変換装置の停止中は、前記半導体スイッチング素子電圧検出回路の検出電圧に、設定したゲインGを乗じた信号に基づいて、電力変換装置の運転中は、前記電流制御ブロックで演算された1演算周期前の出力電圧指令値に基づいて、前記単相交流電源の電圧に同期した位相信号を各々演算するPLLブロックと、
前記電流制御ブロックで演算された出力電圧指令値、キャリア信号および前記PLLブロックで演算された位相信号に基づいて、前記3相インバータの、前記1レグ内の一組の半導体スイッチング素子のゲート信号を生成するPWMブロックと、
を備えたことを特徴とする電力変換装置の制御システム。 A semiconductor switching element is connected to the positive and negative ends of the battery in a three-phase bridge to form a three-phase inverter for driving the motor.
A set of semiconductor switching elements in one leg that outputs AC of any one phase of the three-phase inverter is also used as a part of the charging circuit of the battery, and is used as a set of semiconductor switching elements in the one leg. A single phase connected between a series circuit of a set of diodes connected in parallel, a common connection point of a set of diodes in the series circuit, and a common connection point of a set of semiconductor switching elements in the one leg. It is a power conversion device that constitutes a battery charging circuit with an AC power supply.
A semiconductor switching element voltage detection circuit that detects the voltage between both ends of the semiconductor switching element connected to the lower arm of the set of semiconductor switching elements in the one leg of the three-phase inverter.
A current control block that detects the current flowing through the reactor, controls the current to be the current amplitude command value, and calculates the output voltage command value.
One calculation calculated by the current control block during operation of the power conversion device based on a signal obtained by multiplying the detection voltage of the semiconductor switching element voltage detection circuit by the set gain G while the power conversion device is stopped. Based on the output voltage command value before the cycle, the PLL block that calculates the phase signal synchronized with the voltage of the single-phase AC power supply, and
Based on the output voltage command value calculated by the current control block, the carrier signal, and the phase signal calculated by the PLL block, the gate signal of a set of semiconductor switching elements in the one leg of the three-phase inverter is generated. The PWM block to be generated and
A control system for a power converter, which is characterized by being equipped with.
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