JP5134263B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本発明は、直流電源から供給される直流電圧の電圧を調整して中間電圧を出力するコンバータと、該中間電圧を交流に変換するインバータとを有する電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device including a converter that adjusts the voltage of a DC voltage supplied from a DC power source and outputs an intermediate voltage, and an inverter that converts the intermediate voltage into AC.
太陽電池又は燃料電池等は直流電圧を生成するが、電力の伝送やモータの駆動のためには交流電圧が好適であり、直流電圧を交流電圧に変換する電力変換装置が用いられている。 A solar cell, a fuel cell, or the like generates a DC voltage, but an AC voltage is suitable for transmission of electric power and driving of a motor, and a power conversion device that converts the DC voltage into an AC voltage is used.
電力変換装置は、基本的構成として、直流電源から供給される直流電圧の電圧を調整して中間電圧を出力するコンバータと、該中間電圧を交流に変換するインバータと、該インバータを制御する制御部が設けられる。 A power conversion device includes, as a basic configuration, a converter that adjusts the voltage of a DC voltage supplied from a DC power source and outputs an intermediate voltage, an inverter that converts the intermediate voltage into AC, and a control unit that controls the inverter Is provided.
中間電圧は、インバータの入力として十分な電位の一定値の直流となるようにコンバータによって生成され、その電位は常に交流電圧のピーク値以上の電位に維持されている。 The intermediate voltage is generated by the converter so as to be a constant direct current having a sufficient potential as an input of the inverter, and the potential is always maintained at a potential equal to or higher than the peak value of the alternating voltage.
インバータはスイッチング素子を含むブリッジ回路を形成している。これらのスイッチング素子は制御部の作用下のPWM制御により出力電圧がサイン波形となるように微小周期でオン・オフを繰り返す。 The inverter forms a bridge circuit including a switching element. These switching elements are repeatedly turned on and off in a minute cycle so that the output voltage becomes a sine waveform by PWM control under the action of the control unit.
ところで、交流電圧がピーク値となるときには中間電圧との差は十分に小さく、スイッチング素子の損失(スイッチング損失や導通損失)は小さいが、交流電圧が0又はその近傍値であるときには、中間電圧との差が交流電圧のピーク値以上であって大きく、スイッチング素子の損失も大きくなる。 By the way, when the AC voltage has a peak value, the difference from the intermediate voltage is sufficiently small and the loss of the switching element (switching loss and conduction loss) is small. Is larger than the peak value of the AC voltage, and the loss of the switching element also increases.
このように損失が大きくなることは、コンバータによって生成される中間電圧が一定値に維持されていることに起因している。 This increase in loss is due to the fact that the intermediate voltage generated by the converter is maintained at a constant value.
一方、コンバータによって生成される中間電圧を出力の交流電圧と同期させて変化することは、特許文献1において提案されている。特許文献1記載のシステムでは、出力電流の歪みを抑制して高調波の発生を低減させることができると、している。
On the other hand,
上記の特許文献1記載のシステムでは、中間電圧を出力の交流電圧と同期させて変化させているが、該中間電圧は常に交流電圧のピーク値以上に維持されている。つまり、交流電圧が0又はその近傍値であるときには、中間電圧との差が交流電圧のピーク値以上であって、依然、スイッチング素子の損失が大きい。
In the system described in
また、特許文献1記載のシステムでは、中間電圧の変化は直線状であって、一定の傾斜の区間と一定値の区間とから構成されている。このような波形の中間電圧から、滑らかなサイン波形の交流電圧を得るためにインバータのスイッチング素子を複雑な手順でオン・オフ制御しなければならない。
Further, in the system described in
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、簡便な制御が可能であり、しかも損失が小さい電力変換装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of such problems, and an object of the present invention is to provide a power converter that can be easily controlled and has low loss.
本発明に係る電力変換装置は、直流電源から供給される直流電圧の電圧を調整して中間電圧を出力するコンバータと、前記中間電圧を交流に変換するインバータと、前記コンバータ及び前記インバータを制御する制御部と、を有し、前記インバータは、負荷に対して第1方向の電流を通電させる第1スイッチング素子対と、逆の第2方向の電流を通電させる第2スイッチング素子対とを備え、前記制御部は、前記コンバータにより前記中間電圧を出力する際、前記中間電圧を、前記交流に変換するための全波整流波形の周期性のある電圧に生成するとともに、前記交流のゼロクロスのタイミングに対応する、前記中間電圧の最も低電圧となる各タイミングを、前記第1スイッチング素子対と前記第2スイッチング素子対の制御を切り替える基準タイミングとし、前記全波整流波形の1つおきの周期では、前記第1スイッチング素子対を少なくとも所定時間オンさせるとともに、前記第2スイッチング素子対をオフにし又は前記第1スイッチング素子対よりも短い時間オンにし、前記全波整流波形の他の1つおきの周期では、前記第2スイッチング素子対を少なくとも所定時間オンにするとともに、前記第1スイッチング素子対をオフにし又は前記第2スイッチング素子対よりも短い時間オンにし、前記中間電圧の最も低電圧となる電圧を、前記インバータの出力電圧のピーク値よりも小さく設定することを特徴とする。
この場合、前記コンバータは、前記直流電源の正極と負極との間に設けられる入力側コンデンサと、前記直流電源の正極側から流れでる電流をオンオフするスイッチング素子と、前記スイッチング素子と前記負極との間に設けられるインダクタと、前記スイッチング素子の出力側と前記インダクタとの接続点にカソードが接続される逆流防止用のダイオードと、前記ダイオードのアノードと前記負極との間に設けられる出力側コンデンサと、を備え、前記制御部は、前記スイッチング素子を、前記全波整流波形の値が小さいときには、オン信号の幅が短くなり、前記全波整流波形の値が大きいときには、オン信号の幅が大きくなるようにチョッピング駆動することで、前記逆流防止用のダイオードのアノード側の電圧を、前記中間電圧の最小値側の電位とし、前記負極側の電圧を、前記中間電圧の最大値側の電位となるようにすることが好ましい。
A power converter according to the present invention controls a converter that adjusts the voltage of a DC voltage supplied from a DC power source and outputs an intermediate voltage, an inverter that converts the intermediate voltage into AC, the converter, and the inverter It includes a control unit, wherein the inverter comprises a first switching element pair energizing the first direction of the current to the load, and a second switching element pair energizing the second direction of current flow opposite wherein the control unit, when outputting the intermediate voltage by the converter, the intermediate voltage, generates a periodic of certain voltage full-wave rectified waveform for converting the alternating current, the zero crossing of the AC corresponding to the timing, most of each timing as a low voltage, the first switching element pair and the second switching element pair group for switching the control of the intermediate voltage And timing, in every period of the full-wave rectified waveform, shorter than the first Rutotomoni the switching element pair is turned on at least a predetermined time, and turning off the second switching element pairs or the first switching element pair time to turn, in other every other cycle of the full-wave rectified waveform, as well as at least a predetermined time on the second switching element pairs, and turns off the first switching element pair or the second switching element pairs It is turned on for a shorter time, and the voltage at which the intermediate voltage is the lowest is set smaller than the peak value of the output voltage of the inverter.
In this case, the converter includes an input side capacitor provided between a positive electrode and a negative electrode of the DC power supply, a switching element that turns on and off a current flowing from the positive electrode side of the DC power supply, and the switching element and the negative electrode. An inductor provided in between, a backflow prevention diode having a cathode connected to a connection point between the output side of the switching element and the inductor, and an output side capacitor provided between the anode and the negative electrode of the diode And the control unit reduces the ON signal width when the full-wave rectified waveform value is small, and increases the ON signal width when the full-wave rectified waveform value is large. By chopping driving so that the voltage on the anode side of the diode for backflow prevention becomes the minimum of the intermediate voltage The side of the potential, the voltage of the negative electrode side, it is preferable to maximize value side potential of the intermediate voltage.
このように、中間電圧を周期性のある電圧に生成し、交流のゼロクロスのタイミングに対応する、前記中間電圧の最も低電圧となる各タイミングを基準として、第1スイッチング素子対と第2スイッチング素子対で通電方向が切り換えられ、前記交流の出力電圧が簡便に得られる。 Thus, the intermediate voltage generated voltage with a periodicity corresponding to the timing of the zero crossing of the AC, based on the respective timing as the lowest voltage of the intermediate voltage, the first switching element pair and the second switching element energizing direction is switched in pairs, the output voltage of the AC is obtained conveniently.
また、中間電圧の最も低電圧となる電圧を、出力電圧のピーク値よりも小さく設定することにより、スイッチング素子の両端に印加される電圧が小さくなり、スイッチング素子で生じる損失を抑制することができる。 In addition, by setting the voltage that is the lowest of the intermediate voltages to be smaller than the peak value of the output voltage, the voltage applied to both ends of the switching element is reduced, and the loss that occurs in the switching element can be suppressed. .
なお、中間電圧の最も低電圧となるタイミングとは、中間電圧が実質的に低下する箇所であって、ノイズ等の影響により瞬間的に低下するような箇所を含まないことはもちろんである。 It should be noted that the timing at which the intermediate voltage is the lowest is a location where the intermediate voltage is substantially reduced and does not include a location where the intermediate voltage is instantaneously reduced due to the influence of noise or the like.
この場合、前記中間電圧を全波整流波形としているので、交流でサイン波の出力電圧が簡便に得られる。 In this case, the so the intermediate voltage is full-wave rectified waveform, the output voltage of the sine wave is conveniently obtained by exchange.
前記インバータ回路の前記第1スイッチング素子対及び前記第2スイッチイング素子対への指令信号を方形波電圧で制御して交流を出力してもよい。これにより、中間電圧を適度に減少させ、所望のピーク値又は実効値の出力電圧が得られる。 A command signal to the first switching element pair and the second switching element pair of the inverter circuit may be controlled by a square wave voltage to output an alternating current. Thereby, an intermediate voltage is reduced moderately and the output voltage of a desired peak value or effective value is obtained.
ゼロクロス近傍で前記指令信号のデューティ比を小さくすることにより、中間電圧に重畳するオフセットの影響を抑制し、適切な形状の出力電圧が得られる。 By reducing the duty ratio of the command signal in the vicinity of the zero cross, the influence of the offset superimposed on the intermediate voltage is suppressed, and an output voltage having an appropriate shape can be obtained.
前記インバータの出力電圧又は前記中間電圧の電圧値を検出する電圧検出手段を備え、前記電圧検出手段によって検出された電圧値に基づいて、前記出力電圧が所定ピーク値又は所定実効値となるように前記インバータ又は前記コンバータを制御をしてもよい。これにより、一層正確なピーク値又は実効値の出力電圧が得られる。 Voltage detection means for detecting the output voltage of the inverter or the voltage value of the intermediate voltage is provided, so that the output voltage becomes a predetermined peak value or a predetermined effective value based on the voltage value detected by the voltage detection means. The inverter or the converter may be controlled. As a result, a more accurate peak value or effective value output voltage can be obtained.
前記制御部は、前記交流のゼロクロスのタイミングに対応する、前記中間電圧の最も低電圧となる各タイミングで、1つおきの周期では、前記第1スイッチング素子対を常時オンにし、前記第2スイッチング素子対を常時オフにし、他の1つおきの周期では、前記第1スイッチング素子対を常時オフにし、前記第2スイッチング素子対を常時時間オンにしてもよい。これにより、簡便な構成で交流の出力電圧が得られる。 The control unit corresponds to the timing of the zero crossing of the AC at each timing when the lowest voltage of the intermediate voltage, in every other period, the always-on said first switching element pair, the second switching The element pair may be always turned off, and at every other period, the first switching element pair may be always turned off, and the second switching element pair may be always on. As a result, an AC output voltage can be obtained with a simple configuration.
本発明に係る電力変換装置によれば、中間電圧を全波整流波形の周期性のある電圧に生成し、交流のゼロクロスのタイミングに対応する、前記中間電圧の最も低電圧となる各タイミングを基準として、第1スイッチング素子対と第2スイッチング素子対で通電方向を切り換えることにより、前記交流の出力電圧が簡便に得られる。 According to the power conversion device according to the present invention, the intermediate voltage generated voltage with a periodicity of the full-wave rectified waveform, corresponding to the timing of the zero crossing of the AC, the reference each time the most a low voltage of the intermediate voltage As described above, the AC output voltage can be easily obtained by switching the energization direction between the first switching element pair and the second switching element pair.
また、中間電圧の最も低電圧となる電圧を、出力電圧のピーク値よりも小さく設定することにより、スイッチング素子の両端に印加される電圧が小さくなり、スイッチング素子で生じる損失を抑制することができる。 In addition, by setting the voltage that is the lowest of the intermediate voltages to be smaller than the peak value of the output voltage, the voltage applied to both ends of the switching element is reduced, and the loss that occurs in the switching element can be suppressed. .
以下、本発明に係る電力変換装置について第1〜第4の実施形態を挙げ、添付の図1〜図10を参照しながら説明する。 Hereinafter, the first to fourth embodiments of the power conversion device according to the present invention will be described with reference to the accompanying FIGS.
図1に示すように、第1の実施形態に係る電力変換装置10aは、直流電源12から供給される直流の入力電圧Viの電圧を調整して中間電圧Vmを出力するコンバータ14と、中間電圧Vmを交流に変換するインバータ16と、インバータ16の出力を安定化させる安定化回路18と、コンバータ14及びインバータ16を制御する制御部20とを有する。
As shown in FIG. 1, the
直流電源12は、例えば太陽電池又は燃料電池等であり、出力する入力電圧Viは変動しうるが、電力変換装置10aの作用により、出力電圧Voは安定した交流になる。
The
コンバータ14は、入力側コンデンサ24と、インダクタ26と、出力側コンデンサ28と、スイッチング素子30と、逆流を防止するダイオード32とを有する。入力側コンデンサ24は、直流電源12に対して並列に接続され、入力電圧Viの細かい変動を平滑化する。
The
スイッチング素子30(及びスイッチング素子22a〜22d)は、半導体素子であって、例えば、パワートランジスタ、IGBT、スイッチング素子等が挙げられる。
The switching element 30 (and the
スイッチング素子30は、直流電源12のプラス側ラインに直列に挿入されており、制御部20の作用下にチョッパ駆動される。スイッチング素子30には、並列に寄生ダイオード34が形成されている。
The
インダクタ26は、スイッチング素子30よりも下流側に並列に挿入されており、スイッチング素子30のチョッパ動作に基づいて起電力を発生する。このインダクタ26による起電力は直流電源12のマイナス側のラインが高電位となるように発生し、その電圧はスイッチング素子30のチョッパ信号により制御可能であって、制御部20によって制御される。
The
ダイオード32は、インダクタ26の作用によって発生した電力が逆流しないようにするものである。
The
出力側コンデンサ28は、インダクタ26の作用によって発生した電圧を安定化させるためのものである。
The
このコンバータ14によって生じる中間電圧Vmは、直流電源12のマイナス側のラインが高電位となることから、図1では、インバータ16に対する接続部ではラインをクロスさせて高電位側が上方、停電位側が下方となるように示している。
The intermediate voltage Vm generated by the
インバータ16は、4つのスイッチング素子22a、22b、22c及び22dを含むブリッジ回路22を形成している。これらのスイッチング素子22a〜22dは制御部20の作用下にオン・オフ制御される。スイッチング素子22a〜22dには、それぞれ寄生ダイオード23が形成されている。インバータ16のスイッチング素子はスイッチング素子に限らず、トランジスタやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等でも良い。
The
スイッチング素子22a及びスイッチング素子22cのドレインはプラス側ライン34aに接続され、スイッチング素子22b及びスイッチング素子22dのソースはマイナス側ライン34bに接続されている。スイッチング素子22aのソースとスイッチング素子22bのドレインとの接続点は第1出力ライン36aに分岐しており、スイッチング素子22cのソースとスイッチング素子22dのドレインとの接続点は第2出力ライン36bに分岐している。
The drains of the
安定化回路18は、第1出力ライン36aと第2出力ライン36bに直列に挿入されたインダクタ38と、該インダクタ38の下流側に設けられたコンデンサ40とを有する。安定化回路18で安定化された出力電圧Voは、負荷Rに供給される。
The
制御部20は、コンバータ14のチョッパ制御を行うコンバータ制御部42と、インバータ16の制御を行うインバータ制御部44とを有する。コンバータ制御部42とインバータ制御部44は同期しながらコンバータ14及びインバータ16の制御を行う。
The
コンバータ制御部42は、サイン波生成部46と、絶対値回路48と、増幅器50と、搬送波生成部52と、比較器54及び56とを有する。サイン波生成部46は、出力電圧Voとして得られるべき交流波形と同じ周波数、且つ同じピーク値(つまり、波高値)を有するサイン波形Vsをリアルタイムで生成する。
The
絶対値回路48は、サイン波生成部46から供給されるサイン波形Vsの絶対値を求め、全波整流波形を得る。
The
増幅器50は、絶対値回路48から供給される全波整流波形を増幅する。この増幅率は小さく、例えば1.1倍程度に設定されている。この増幅器50による増幅は、所望の出力電圧Voを得るために多少の余裕を設定するために行われる。
The
搬送波生成部52は、コンバータ14をチョッパ駆動する基礎となる高周波の三角波を生成する。搬送波生成部52が生成する三角波は、最低値が0となりプラス側に振幅する波形となっている。
The carrier
比較器54は、増幅器50から供給される増幅された全波整流波形と搬送波生成部52から供給される三角波を比較し、両波形の大小に応じてオン信号又はオフ信号を出力し、スイッチング素子30のゲートに供給することにより該スイッチング素子30をチョッパ駆動する。つまり、全波整流波形の値が小さいときには、比較器54のオン信号の幅が短くなってインダクタ26の起電力は小さくなり、全波整流波形の値が大きいときには、比較器54のオン信号の幅が長くなってインダクタ26の起電力は大きくなる。このようにして、コンバータ14は、コンバータ制御部42の作用下に、サイン波の全波整流波形の中間電圧Vmを生成することになる。
The
すなわち、従来の電力変換装置におけるコンバータは、中間電圧Vmとして一定の直流電圧を出力するのであるが、本実施の形態に係る電力変換装置10aにおけるコンバータ14は、サイン波の全波整流波形を生成するという特徴を有する。
That is, the converter in the conventional power converter outputs a constant DC voltage as the intermediate voltage Vm, but the
比較器56は、サイン波生成部46から供給されるサイン波形Vsの正負を判断し、正値であるときに1を出力し、負値であるときに−1を出力してインバータ制御部44に供給する。
The
インバータ制御部44は、搬送波生成部60と、比較器62及び64と、反転器66、出力反転器68及び70を有する。
The
搬送波生成部60はインバータ16をPWM制御するための基準となる高周波(例えば20kHz)の三角波を生成する部分である。搬送波生成部60が生成する三角波は、中央値が0でプラス側とマイナス側に1以上で振幅する波形となっている。搬送波生成部60は搬送波生成部52から得られる三角波をプラス側とマイナス側が等しいピーク値となるようにシフトして用いてもよい。
The
比較器62は、コンバータ制御部42の比較器56から供給される正負信号(1又は−1)と搬送波生成部60から供給される三角波とを比較し、両波形の大小に応じてオン信号又はオフ信号を出力し、スイッチング素子22aのゲートに供給する。出力反転器68は比較器62の出力を反転してスイッチング素子22bのゲートに供給する。つまり、スイッチング素子22aとスイッチング素子22bは逆位相で駆動される。
The
反転器66は、コンバータ制御部42の比較器56から供給される正負信号を反転させて比較器64に供給する。
The
比較器64は、反転器66から供給される正負信号と搬送波生成部60から供給される三角波とを比較し、両波形の大小に応じてオン信号又はオフ信号を出力し、スイッチング素子22cのゲートに供給する。出力反転器70は比較器64の出力を反転してスイッチング素子22dのゲートに供給する。つまり、スイッチング素子22cとスイッチング素子22dは逆位相で駆動される。
The
また、スイッチング素子22aとスイッチング素子22dは同期し、スイッチング素子22bとスイッチング素子22cは同期するので、比較器62の出力信号でスイッチング素子22dを駆動し、出力反転器68の出力信号でスイッチング素子22dを駆動してもよい(図6参照)。
Since the
インバータ制御部44によれば、コンバータ制御部42のサイン波生成部46が生成するサイン波が正値であるときには、スイッチング素子22aとスイッチング素子22dが高い値の一定のデューティ比でPWM駆動され、スイッチング素子22b及び22cは小さい値の一定のデューティ比でPWM駆動される。このインバータ16は、いわゆる相補PWMで駆動される。
According to the
これにより、中間電圧Vmのピーク値をやや抑えて所望のピーク値の出力電圧Voが得られる。中間電圧Vmのピーク値は増幅器50によって出力電圧Voのピーク値の1.1倍程度に調整されているが、実際には損失もあることからインバータ16に入力され、全波整流波形のピーク値は所望の出力電圧Voの例えば1.05倍程度になる。この場合、デューティ比は全波整流波形のピーク値はに対して出力電圧Voのピーク値が1/1.05となるように設定する。
Thereby, the peak value of the intermediate voltage Vm is somewhat suppressed, and the output voltage Vo having a desired peak value is obtained. The peak value of the intermediate voltage Vm is adjusted by the
これにより、デューティ比に応じて電流はプラスラインからスイッチング素子22a、第1出力ライン36a、負荷R、第2出力ライン36b及びスイッチング素子22dを通りマイナスラインに通電する(第1の方向)。
Thereby, according to the duty ratio, the current passes from the plus line to the minus line through the switching
また、サイン波が負値であるときには、スイッチング素子22bとスイッチング素子22cが高い値の一定のデューティ比でPWM駆動され、スイッチング素子22a及び22d低い値の一定のデューティ比でPWM駆動される。これにより、デューティ比に応じて電流はプラスラインからスイッチング素子22c、第1出力ライン36a、負荷R、第2出力ライン36b及びスイッチング素子22bを通りマイナスラインに通電する(第2の方向)。
When the sine wave has a negative value, the switching
すなわち、コンバータ14の出力する全波整流波形の中間電圧Vmが0となるタイミングを基準とし、1つおきの周期では、第1スイッチング素子対のスイッチング素子22a及び22dを高い値の一定デューティでオンさせ、第2スイッチング素子対のスイッチング素子22b及び22cを小さい値の一定のデューティでオンにする。他の1つおきの周期では、第1スイッチング素子対のスイッチング素子22a及び22dを小さい値の一定のデューティでオンにし、第2スイッチング素子対のスイッチング素子22b及び22cを高い値の一定のデューティでオンにする。これにより、所望のピーク値である出力電圧Voが得られる。
That is, on the basis of the timing at which the intermediate voltage Vm of the full-wave rectified waveform output from the
従来の電力変換装置におけるインバータは、中間電圧Vmとして一定の直流電圧が入力され、サイン波形を生成するためにデューティ比をリアルタイムで変化させる制御をするのであるが、本実施の形態に係る電力変換装置10aにおけるインバータ16のスイッチング素子22a〜22dは、サイン波形の正負に応じて一定のデューティで駆動するという簡便な制御で足りる。
In the inverter in the conventional power converter, a constant DC voltage is input as the intermediate voltage Vm, and the duty ratio is controlled in real time to generate a sine waveform. The power converter according to the present embodiment The
また、図2に示すように、絶対値で比較すると中間電圧Vmと出力電圧Voとの差は常に十分小さく、4つのスイッチング素子22a〜22dを通過する電流によるインバータ16の損失がそれぞれ十分小さくなる。さらに、コンバータ14からインバータ16に対して供給すべき電力の変動が小さいことになり、出力側コンデンサ28は小容量で足りる。
As shown in FIG. 2, when compared in absolute value, the difference between the intermediate voltage Vm and the output voltage Vo is always sufficiently small, and the loss of the
なお、電力変換装置10aにおいて、コンバータ14のスイッチング素子30では損失が生じうるのであるが、従来から適度な中間電圧Vmを生成するためにはコンバータにおけるチョッパ動作は必須構成であることから、従来技術と比較してこのコンバータ14で損失が増大している訳でないことはもちろんである。
In the
図3に電力変換装置10aの各部の信号波形を示す。すなわち、サイン波形Vs、中間電圧Vm、ソース・ドレイン間電圧Vds、インダクタ38を流れる電流Ic、出力電圧Voを示す。また、波形Aは、スイッチング素子22a及び22dに対するオン・オフ信号であり、波形Bは、スイッチング素子22b及び22cに対するオン・オフ信号である。波形A及びBは上方がオン、下方がオフである。
FIG. 3 shows signal waveforms of respective parts of the
図3から了解されるように、電力変換装置10aによれば相当に正確なサイン波形で交流の出力電圧Voが得られる。
As understood from FIG. 3, according to the
図4に、図3における時刻t1の拡大波形を示す。時刻t1は、中間電圧Vmがピーク値となる時刻である。 FIG. 4 shows an enlarged waveform at time t1 in FIG. Time t1 is a time at which the intermediate voltage Vm reaches a peak value.
ここで、電力変換装置10aのインバータ16における各損失を求める。スイッチング素子22a(以下、他のスイッチング素子22b〜22dも同様である。)のオフ時のスイッチング損失PSW#OFFは、PSW#OFF=Vds×Ic×Toff×f=127.0[V]×15.6[A]×270[ns]×20[kHz]=10.7[W]である。ここでToffはターンオフ時間であり、fは搬送波の周波数である。
Here, each loss in the
スイッチング素子22aのオン時のスイッチング損失PSW#ONは、PSW#ON=Vds×Ic×Ton×f=166.6[V]×13.7[A]×60[ns]×20[kHz]=2.7[W]である。ここでTonはターンオン時間である。
The switching loss P SW # ON when the switching
スイッチング素子22aの導通損失Pdsは、Pds=r×Iave×(T−(Ton+Toff))×f=0.052[Ω]×(15.6+13.7)/2[A]×(50[μs]−(270+60)[ns])×20[kHz]=11.1[W]である。ここで、rはスイッチング素子22aの導通抵抗である。
The conduction loss Pds of the
一方、従来技術のように中間電圧Vmを一定値に維持する場合については図示を省略するが、同様の計算を行うことにより、PSW#OFF=12.7[W]、PSW#ON=2.7[W]、Pds=10.3[W]となる。 On the other hand, when the intermediate voltage Vm is maintained at a constant value as in the prior art, illustration is omitted, but by performing the same calculation, P SW # OFF = 12.7 [W], P SW # ON = 2.7 [W] and Pds = 10.3 [W].
このように、時刻t1においては、従来技術に係る電力変換装置と、本実施の形態に係る電力変換装置10aでは、インバータにおけるスイッチング素子の損失に顕著な差はない。
Thus, at time t1, there is no significant difference in the loss of the switching element in the inverter between the power conversion device according to the conventional technique and the
次に、図5に、図3における時刻t2の拡大波形を示す。時刻t2は、中間電圧Vmが0近傍値となる時刻である。 Next, FIG. 5 shows an enlarged waveform at time t2 in FIG. Time t2 is a time at which the intermediate voltage Vm becomes a value close to zero.
時刻t1の場合と同様に時刻t2における電力変換装置10aのインバータ16の各損失を求める。スイッチング素子22aのオフ時のスイッチング損失PSW#OFFは、PSW#OFF=Vds×Ic×Toff×f=16.6[V]×0.8[A]×270[ns]×20[kHz]=0.07[W]である。
Similarly to the time t1, each loss of the
スイッチング素子22aのオン時のスイッチング損失PSW#ONは、PSW#ON=Vds×Ic×Ton×f=18.7[V]×0.6[A]×60[ns]×20[kHz]=0.01[W]である。
The switching loss P SW # ON when the switching
スイッチング素子22aの導通損失Pdsは、Pds=r×Iave×(T−(Ton+Toff))×f=0.052[Ω]×(0.8+0.6)/2[A]×(50[μs]−(270+60)[ns])×20[kHz]=0.03[W]である。
The conduction loss Pds of the
一方、従来技術のように中間電圧Vmを一定値に維持する場合については図示を省略するが、同様の計算を行うことにより、PSW#OFF=5.9[W]、PSW#ON=1.3[W]、Pds=2.3[W]となる。 On the other hand, when the intermediate voltage Vm is maintained at a constant value as in the prior art, illustration is omitted, but by performing the same calculation, P SW # OFF = 5.9 [W], P SW # ON = 1.3 [W] and Pds = 2.3 [W].
このように、時刻t2においては、従来技術に係る電力変換装置と比較して、本実施の形態に係る電力変換装置10aでは、損失が大幅に低減していることが確認できる。これは、電力変換装置10aでは、時刻t2においてVdsが16.6[V]又は18.7[V]と低電圧になっているのに対して、従来技術に係る電力変換装置では、中間電圧Vmが常に出力電圧Voのピーク値以上となっていることからVdsが160[V]程度に維持されることに起因している。
Thus, at time t2, it can be confirmed that the loss is significantly reduced in the
このような効果は、周期性のある中間電圧Vmの最も低い電圧が出力電圧Voのピーク値よりも低い電圧に設定されていることによってVdsが十分に小さくなって、顕著である。 Such an effect is remarkable because Vds becomes sufficiently small because the lowest voltage of the intermediate voltage Vm having periodicity is set to a voltage lower than the peak value of the output voltage Vo.
次に、第2の実施形態に係る電力変換装置10bについて説明する。以下、電力変換装置10b〜10dについて、第1の実施形態に係る電力変換装置10aと同構成の箇所については同符号を付して、その詳細な説明を省略する。
Next, the
図6に示すように、電力変換装置10bは、出力電圧Voの電圧を検出するセンサ80と、該センサ80の信号から出力電圧Voのピーク値を検出するピーク検出器82と、該ピーク値に基づいてコンバータ制御部42の比較器56の正負信号を調整するデューティコントロール部84とを有する。
As shown in FIG. 6, the
デューティコントロール部84は、ピーク値が所望の値よりも低いときには、該ピーク値に応じて比較器56の正負信号(1又は−1)をより高く(例えば0.9又は−0.9)設定して比較器62に供給する。これにより、出力電圧Voはピーク値が大きくなり所望の値に近づき、一致する。逆に、ピーク値が所望の値よりも高いときには、該ピーク値に応じて比較器56の正負信号(1又は−1)をより低く(例えば1.1又は−1.1)設定して比較器62に供給する。これにより、出力電圧Voはピーク値が小さくなり所望の値に近づき、一致する。つまり、デューティコントロール部84はフィードバック作用を奏する。デューティコントロール部84は、必ずしもピーク値に基づく処理ではなく、例えば実効値に基づいて同様の処理を行ってもよい。この場合、センサ80は交流型電圧計でもよい。センサ80は、必ずしも出力電圧Voを検出するのではなく、例えば中間電圧Vmを検出することによっても相当に高精度の出力電圧Voが得られる。
When the peak value is lower than the desired value, the
次に、第3の実施形態に係る電力変換装置10cについて説明する。
Next, the
図7に示すように、電力変換装置10cでは、デューティコントロール部84は、コンバータ制御部42の増幅器50に接続されており、出力電圧Voのピーク値に基づいて、増幅器50の増幅率を調整する。
As shown in FIG. 7, in the
また、電力変換装置10cは、比較器56の正負信号(1又は−1)を1又は0の信号に変換するバッファ86を有する。バッファ86の出力信号は、スイッチング素子22a及び22dを駆動するとともに、出力反転器68を介してスイッチング素子22b及び22cを駆動する。すなわち、電力変換装置10cは、コンバータ14の出力する全波整流波形の中間電圧Vmが0となるタイミングを基準とし、図8の波形A及びBに示すように、1つおきの周期では、第1スイッチング素子対のスイッチング素子22a及び22dが常時オンとし、第2スイッチング素子対のスイッチング素子22b及び22cを常時オフにする。他の1つおきの周期では、第1スイッチング素子対のスイッチング素子22a及び22dを常時オフにし、第2スイッチング素子対のスイッチング素子22b及び22cを常時オンにする。
The
電力変換装置10cのインバータ16内では、ピーク値を調整する機能はなく、中間電圧Vmの波形が極性だけ調整されてそのまま出力電圧Voとして出力されることになるが、センサ80の検出信号に基づいて全波整流波形の中間電圧Vmを調整するので、結局、所望のピーク値の出力電圧Voが得られる。
Within the
また、インバータ制御部44では、搬送波生成部60や比較器62(図6参照)が不要であり、構成が簡便である。なお、直流電源12の出力がある程度安定しており、又は出力電圧Voの精度が特に要求されない場合等においては、センサ80及びデューティコントロール部84を省略してもよい。
Further, the
次に、第4の実施形態に係る電力変換装置10dについて説明する。
Next, a
図9に示すように、電力変換装置10dは、電力変換装置10b(図6参照)に対してオフセット検出器90をさらに設けたものである。オフセット検出器90は、センサ80の信号に基づいて、中間電圧VmのオフセットVf(図10参照)による影響を検出してデューティコントロール部84に供給する。センサ80は、中間電圧Vmを直接に検出するように構成してもよい。
As shown in FIG. 9, the
デューティコントロール部84では、オフセット検出器90の作用下に中間電圧VmにオフセットVfが存在することを認識したときには、中間電圧Vmの最低電圧となる時刻の近傍、つまり出力電圧Voのゼロクロスの時刻の近傍でデューティ比を小さく設定し、出力電圧VoにオフセットVfによる歪みが表れないように制御する。
When the
すなわち、中間電圧Vmは、理想的には最低値が0となる全波整流波形であることが好ましいが、実際には図10に示すように、多少のオフセットVfが重畳することがある。この場合にはインバータ16において中間電圧Vmを一定比率で減少させると、オフセットVfの影響により出力電圧Voに歪みが生じ得る。
That is, the intermediate voltage Vm is ideally a full-wave rectified waveform having a minimum value of 0, but in reality, a slight offset Vf may be superimposed as shown in FIG. In this case, if the intermediate voltage Vm is decreased at a constant ratio in the
電力変換装置10dにおいては、このような歪みを抑制して、適切な波形の出力電圧Voするために、デューティコントロール部84により、波形A及びBで示すように、出力電圧Voのゼロクロスに近い期間でデューティ比Dを連続的に変化させ、特にゼロクロスの極近傍ではデューティ比を十分に小さく設定する。これにより、概念的には、中間電圧Vmが仮想線で示すように制限されて略サイン波形となることと等価となり、オフセットVfによる歪みを十分に抑制することができる。
In the
デューティ比Dの変化は、例えば図10に示すようにゼロクロスの近辺で直線的に変化させると、制御手順が簡便となる。 For example, when the duty ratio D is changed linearly in the vicinity of the zero cross as shown in FIG. 10, the control procedure becomes simple.
電力変換装置10dでは、中間電圧VmにオフセットVfが含まれていることが予め分かっている場合にはオフセット検出器90を省略し、デューティコントロール部84が自律的にデューティ比制御をしてもよい。
In the
上述したように、本実施の形態に係る電力変換装置10a〜10dによれば、中間電圧Vmを周期性のある電圧に生成し、前の周期と同位相となるタイミング(上記の各実施例では最も低電圧となるタイミング)を基準として、スイッチング素子22a及び22dとスイッチング素子22b及び22cで通電方向を切り換えることにより、交流の出力電圧Voが簡便に得られる。
As described above, according to the
また、中間電圧Vmの最も低電圧となる電圧を、少なくとも出力電圧Voのピーク値Vp(図2参照)よりも小さく設定することにより、スイッチング素子22a〜22dの両端に印加される電圧Vdsが小さくなり、スイッチング素子22a〜22dで生じる損失を抑制することができる。
Further, the voltage Vds applied to both ends of the
本発明に係る電力変換装置は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。 The power conversion device according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, but can of course adopt various configurations without departing from the gist of the present invention.
10a〜10d…電力変換装置 12…直流電源
14…コンバータ 16…インバータ
18…安定化回路 20…制御部
22…ブリッジ回路 22a〜22d、30…スイッチング素子
42…コンバータ制御部 44…インバータ制御部
80…センサ 82…ピーク検出器
84…デューティコントロール部 90…オフセット検出器
L…負荷 Vds…ソース・ドレイン間電圧
Vf…オフセット Vi…入力電圧
Vm…中間電圧 Vo…出力電圧
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記中間電圧を交流に変換するインバータと、
前記コンバータ及び前記インバータを制御する制御部と、
を有し、
前記インバータは、負荷に対して第1方向の電流を通電させる第1スイッチング素子対と、逆の第2方向の電流を通電させる第2スイッチング素子対とを備え、
前記制御部は、
前記コンバータにより前記中間電圧を出力する際、前記中間電圧を、前記交流に変換するための全波整流波形の周期性のある電圧に生成するとともに、
前記交流のゼロクロスのタイミングに対応する、前記中間電圧の最も低電圧となる各タイミングを、前記第1スイッチング素子対と前記第2スイッチング素子対の制御を切り替える基準タイミングとし、前記全波整流波形の1つおきの周期では、前記第1スイッチング素子対を少なくとも所定時間オンさせるとともに、前記第2スイッチング素子対をオフにし又は前記第1スイッチング素子対よりも短い時間オンにし、
前記全波整流波形の他の1つおきの周期では、前記第2スイッチング素子対を少なくとも所定時間オンにするとともに、前記第1スイッチング素子対をオフにし又は前記第2スイッチング素子対よりも短い時間オンにし、
前記中間電圧の最も低電圧となる電圧を、前記インバータの出力電圧のピーク値よりも小さく設定する
ことを特徴とする電力変換装置。 A converter that adjusts the voltage of the DC voltage supplied from the DC power supply and outputs an intermediate voltage;
An inverter that converts the intermediate voltage into alternating current;
A control unit for controlling the converter and the inverter;
Have
It said inverter comprises a first switching element pair energizing the first direction of the current to the load, and a second switching element pair energizing the second direction of the current reversed,
The controller is
When the intermediate voltage is output by the converter , the intermediate voltage is generated as a periodic voltage of a full-wave rectified waveform for converting to the alternating current ,
Each timing at which the intermediate voltage is the lowest corresponding to the AC zero-cross timing is set as a reference timing for switching control of the first switching element pair and the second switching element pair . 1 in every cycle, the first Rutotomoni the switching element pair is turned on at least a predetermined time, and turning off the second switching element pair or in the first shorter on than the switching element pairs,
The full wave In another every other period of the rectified waveform, as well as at least a predetermined time on the second switching element pairs, and turns off the first switching element pair or the second switching element pairs shorter than Turn on
A voltage that is the lowest of the intermediate voltages is set to be smaller than a peak value of an output voltage of the inverter.
前記コンバータは、
前記直流電源の正極と負極との間に設けられる入力側コンデンサと、
前記直流電源の正極側から流れでる電流をオンオフするスイッチング素子と、
前記スイッチング素子と前記負極との間に設けられるインダクタと、
前記スイッチング素子の出力側と前記インダクタとの接続点にカソードが接続される逆流防止用のダイオードと、
前記ダイオードのアノードと前記負極との間に設けられる出力側コンデンサと、を備え、
前記制御部は、
前記スイッチング素子を、前記全波整流波形の値が小さいときには、オン信号の幅が短くなり、前記全波整流波形の値が大きいときには、オン信号の幅が大きくなるようにチョッピング駆動することで、前記逆流防止用のダイオードのアノード側の電圧を、前記中間電圧の最小値側の電位とし、前記負極側の電圧を、前記中間電圧の最大値側の電位となるようにした
ことを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1,
The converter is
An input side capacitor provided between a positive electrode and a negative electrode of the DC power supply;
A switching element for turning on and off the current flowing from the positive electrode side of the DC power supply;
An inductor provided between the switching element and the negative electrode;
A backflow preventing diode having a cathode connected to a connection point between the output side of the switching element and the inductor;
An output-side capacitor provided between the anode and the negative electrode of the diode;
The controller is
When the switching element is chopped to reduce the width of the on signal when the value of the full-wave rectified waveform is small, and to increase the width of the on signal when the value of the full-wave rectified waveform is large, A voltage on the anode side of the diode for preventing backflow is set to a potential on the minimum value side of the intermediate voltage, and a voltage on the negative electrode side is set to a potential on the maximum value side of the intermediate voltage. Power conversion device.
前記制御部は、
前記インバータ回路の前記第1スイッチング素子対及び前記第2スイッチング素子対への指令信号を方形波電圧で制御して前記交流を出力することを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device according to claim 1 or 2,
The controller is
Power converter and outputting the alternating current command signal to said first switching element pair and the second switching element pairs of said inverter circuit is controlled by the square-wave voltage.
前記制御部は、
前記交流の前記ゼロクロス近傍で前記指令信号のデューティ比を小さくすることを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device according to any one of claims 1 to 3 ,
The controller is
A power conversion device, wherein the duty ratio of the command signal is reduced in the vicinity of the zero cross of the alternating current .
前記インバータの出力電圧又は前記中間電圧の電圧値を検出する電圧検出手段を備え、
前記電圧検出手段によって検出された電圧値に基づいて、前記出力電圧が所定ピーク値又は所定実効値となるように前記インバータ又は前記コンバータを制御することを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device according to any one of claims 1 to 4,
Voltage detecting means for detecting a voltage value of the output voltage or the intermediate voltage of the inverter;
It said voltage based on the voltage value detected by the detection means, the power converter in which the output voltage is characterized Rukoto Gyosu control the inverter or the converter to a predetermined peak value or the predetermined effective value.
前記制御部は、
前記1つおきの周期では、前記第1スイッチング素子対を常時オンにし、前記第2スイッチング素子対を常時オフにし、
前記他の1つおきの周期では、前記第1スイッチング素子対を常時オフにし、前記第2スイッチング素子対を常時オンにすることを特徴とする電力変換装置。 In the power converter device according to any one of claims 1 to 5 ,
The controller is
Prior SL every other period, the first switching element pair always turned on, the normally-off the second switching element pairs,
Wherein in the other every other period, the first to normally-off switching element pairs, the power conversion device, characterized in that said second switching element pair always Tokio down.
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