JP7463420B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

車載のインバータとして、半導体スイッチング素子を過電流から保護するための電流リミッタを有し、インバータのＡＣ出力に負荷が接続された時点から所定期間のみ、電流リミッタのリミッタ値を広げる制御を実行するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このインバータでは、インバータのＡＣ出力に負荷が接続された際に発生するインバータの出力電圧の一時的な低下又は各種電流の一時的な増加を負荷接続検出回路により検出し、１秒間程度の短時間に限り、電流リミッタのリミッタ値を広げる。それにより、インバータのＡＣ出力に接続された負荷の起動に必要な電流を供給すると共に、インバータのスイッチング素子の過電流保護を図ろうとしている。

特開２０１８－１２５９１５号公報

特許文献１に記載のインバータでは、インバータの出力電圧や各種電流の一時的な変化を検出してからスイッチング素子の温度閾値を超えない程度の短時間でリミット値を広げる動作を終了する。そのため、インバータの出力電圧等の一時的な変化を検出するまでの時間遅れを極めて短くする必要があり、クロック周波数の高い高価格なマイコンを負荷接続検出回路に設ける必要がある。即ち、特許文献１に記載のインバータでは、負荷接続検出回路を設けること自体が大型化、高コスト化を招くのに加えて、高価格な負荷接続検出回路を設けることによる更なる高コスト化という課題がある。

本発明は、上記事情に鑑み、インバータ回路のＡＣ出力に接続された負荷の起動に対応できると共に、小型化、低コスト化を実現できる電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明の電力変換装置は、ＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換して負荷に出力するインバータ回路と、前記インバータ回路から出力されるＡＣ電流を検出するＡＣ電流センサと、前記インバータ回路から出力される前記ＡＣ電圧を検出するＡＣ電圧センサと、前記インバータ回路に入力される前記ＤＣ電圧を検出するＤＣ電圧センサと、前記ＡＣ電流センサにより検出された前記ＡＣ電流、前記ＡＣ電圧センサにより検出された前記ＡＣ電圧、及び前記ＤＣ電圧センサにより検出された前記ＤＣ電圧に基づいて、前記ＡＣ電圧を制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、所定の過電流閾値と前記ＡＣ電流センサにより検出された前記ＡＣ電流との差を積分して積分出力を出力する積分部と、前記積分部から出力された前記積分出力と前記ＡＣ電圧センサにより検出された前記ＡＣ電圧とを乗算して乗算出力を出力する乗算部と、前記乗算部から出力された前記乗算出力を前記ＤＣ電圧センサにより検出された前記ＤＣ電圧で除算することによりＤｕｔｙ比を算出して出力する除算部と、前記除算部から出力された前記Ｄｕｔｙ比に応じて前記ＡＣ電圧を制御する電圧制御部とを備える。

本発明によれば、インバータ回路のＡＣ出力に接続された負荷の起動に対応できると共に、小型化、低コスト化を実現できる。

図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置を示す回路図である。 図２は、図１に示す制御回路を示す回路図である。 図３は、負荷の起動時の出力電流、出力電圧、積分器の積分出力、負荷の抵抗、及びＤｕｔｙ比の関係を示す波形図である。

以下、本発明を好適な実施形態に沿って説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す実施形態においては、一部構成の図示や説明を省略している箇所があるが、省略された技術の詳細については、以下に説明する内容と矛盾点が発生しない範囲内において、適宜公知又は周知の技術が適用される。

図１は、本発明の一実施形態に係る電力変換装置１を示す回路図である。この回路図に示す電力変換装置１は、ＤＣ／ＡＣコンバータの機能を備え、バッテリ２から出力されたＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換して当該ＡＣ電圧を負荷３に出力する。例えば、電力変換装置１は、ＤＣ４００Ｖのバッテリ２から出力されたＤＣ電圧をＡＣ１００ＶのＡＣ電圧に変換する。なお、電力変換装置１を車載充電器に設けることも可能である。この場合、電力変換装置１を双方向のＡＣ／ＤＣコンバータとすることにより、系統電源（図示省略）から入力されるＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換してバッテリ２を充電し、バッテリ２から出力されるＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換して負荷３に出力することが可能である。

電力変換装置１は、インバータ回路１０と、出力電圧ＡＣ＿Ｒｅｆ用の電圧センサ２０と、出力電流Ｉ＿ＡＣ用の電流センサ３０と、ＤＣリンク電圧Ｖ＿ＤＣ＿ｆ用の電圧センサ４０と、制御回路１００とを備える。インバータ回路１０は、電圧型のフルブリッジＰＦＣ（Power Factor Correction）インバータであり、半導体スイッチング素子Ｓ１～Ｓ４と、コンデンサ１１と、インダクタ１２とを備える。なお、電圧型のフルブリッジＰＦＣインバータは一例であり、インバータ回路１０の構成を、電流型のハーフブリッジインバータ等の他のインバータ回路の構成にしてもよい。インバータ回路１０が、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータではない場合には、インバータ回路１０をＰＦＣ回路とすることは必須ではなく、インダクタ１２を備えることも必須ではない。

半導体スイッチング素子Ｓ１～Ｓ４としては、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等が挙げられる。半導体スイッチング素子Ｓ１～Ｓ４のＯＮ／ＯＦＦ制御は、制御回路１００から出力されるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号に従って行われる。

ここで、半導体スイッチング素子Ｓ１～Ｓ４のＯＮ／ＯＦＦの時間の比率であるＤｕｔｙ比によって、出力電圧ＡＣ＿Ｒｅｆが決定する。詳細は後述するが、制御回路１００は、このＤｕｔｙ比を算出し、算出したＤｕｔｙ比に従ってＰＷＭ信号を生成する。

ここで、インダクタ１２と半導体スイッチング素子Ｓ１～Ｓ４とは、過電流により熱破壊を起こす可能性がある。そのため、詳細は後述するが、制御回路１００は、出力電流Ｉ＿ＡＣの上限値である過電流閾値ＡＣ＿Ｌｉｍｉｔに基づいて、Ｄｕｔｙ比を算出する。

電圧センサ２０は、インバータ回路１０の出力電圧ＡＣ＿Ｒｅｆを検出して制御回路１００に出力する。また、電流センサ３０は、インバータ回路１０の出力電流Ｉ＿ＡＣを検出して制御回路１００に出力する。さらに、電圧センサ４０は、コンデンサ１１の電圧（ＤＣリンク電圧）Ｖ＿ＤＣ＿ｆを検出して制御回路１００に出力する。

図２は、図１に示す制御回路１００を示す回路図である。この図に示すように、制御回路１００は、電流センサ３０（図１参照）から出力された出力電流Ｉ＿ＡＣの絶対値と過電流閾値ＡＣ＿Ｌｉｍｉｔとの差に基づいて半導体スイッチング素子Ｓ１～Ｓ４のＤｕｔｙ比を算出する。

制御回路１００は、比較器１０１と、積分器１０２と、乗算器１０３と、除算器１０４と、ＰＷＭ生成回路１０５とを備える。さらに、制御回路１００は、絶対値回路１０６，１０７を備える。電流センサ３０（図１参照）から出力された出力電流Ｉ＿ＡＣは、絶対値回路１０６に入力され、絶対値回路１０６において、出力電流Ｉ＿ＡＣの絶対値が算出される。この出力電流Ｉ＿ＡＣの絶対値は、絶対値回路１０６から比較器１０１に入力される。また、過電流閾値ＡＣ＿Ｌｉｍｉｔが、不図示のメモリから比較器１０１に入力される。

比較器１０１は、過電流閾値ＡＣ＿Ｌｉｍｉｔと出力電流Ｉ＿ＡＣの絶対値との差を算出して積分器１０２に出力する。出力電流Ｉ＿ＡＣの絶対値が過電流閾値ＡＣ＿Ｌｉｍｉｔより小さい場合には、比較器１０１は、正の値を出力する。他方で、出力電流Ｉ＿ＡＣの絶対値が過電流閾値ＡＣ＿Ｌｉｍｉｔより大きい場合には、比較器１０１は、負の値を出力する。

積分器１０２は、比較器１０１の出力値を積分して乗算器１０３に出力する。ここで、積分器１０２の積分出力の最小値は０（０％）であり、積分器１０２の積分出力の最大値は１（１００％）である。出力電流Ｉ＿ＡＣの絶対値が過電流閾値ＡＣ＿Ｌｉｍｉｔより小さく比較器１０１から正の値が出力される場合には、積分器１０２の積分出力は最大値である１（１００％）に収束する。他方で、出力電流Ｉ＿ＡＣの絶対値が過電流閾値ＡＣ＿Ｌｉｍｉｔより大きく比較器１０１から負の値が出力される場合、積分器１０２の積分出力は、最小値である０（０％）側に変動する。

電圧センサ２０（図１参照）から出力された出力電圧ＡＣ＿Ｒｅｆは、絶対値回路１０７に入力され、絶対値回路１０７において、出力電圧ＡＣ＿Ｒｅｆの絶対値が算出される。この出力電圧ＡＣ＿Ｒｅｆの絶対値は、絶対値回路１０７から乗算器１０３に出力される。乗算器１０３は、積分器１０２の出力と出力電圧ＡＣ＿Ｒｅｆの絶対値とを乗算して除算器１０４に出力する。

除算器１０４には、電圧センサ４０から出力されたＤＣリンク電圧Ｖ＿ＤＣ＿ｆが入力される。除算器１０４は、積分器１０２の積分出力と出力電圧ＡＣ＿Ｒｅｆの絶対値との積をＤＣリンク電圧Ｖ＿ＤＣ＿ｆで除算することによりＤｕｔｙ比を算出し、算出したＤｕｔｙ比をＰＷＭ生成回路１０５に出力する。

ＰＷＭ生成回路１０５は、除算器１０４から出力されたＤｕｔｙ比で半導体スイッチング素子Ｓ１～Ｓ４をＯＮ／ＯＦＦさせるためのＰＷＭ信号を生成する。ここで、Ｄｕｔｙ比に応じて出力電圧ＡＣ＿Ｒｅｆの大きさが決定される。例えば、Ｄｕｔｙ比が最大値である１（１００％）の場合には、出力電圧ＡＣ＿ＲｅｆとＤＣリンク電圧Ｖ＿ＤＣ＿ｆとは一致する。他方で、Ｄｕｔｙ比が０（０％）に近づくほど、出力電圧ＡＣ＿Ｒｅｆは小さくなる。

図３は、負荷３の起動時の出力電流Ｉ＿ＡＣ、出力電圧ＡＣ＿Ｒｅｆ、積分器１０２の積分出力、負荷３の抵抗、及びＤｕｔｙ比の関係を示す波形図である。この波形図に示すように、負荷３の起動時には、負荷３の抵抗が最小値から漸次的に最大値まで増大する。そして、負荷３の起動後（抵抗が最大値まで増加した後）には、負荷３の抵抗は、最大値に収束する。この負荷３は、モータ等の起動電流が大きく起動時にインバータ回路１０の過電流保護が必要となるものを想定している。なお、図３に示す波形図は、モータ等の起動電流波形を表したものではなく、起動電流が大となる波形の一例として模擬したものである。

ここで、負荷３の起動時、負荷３の抵抗が起動後に比して小さいことから、出力電圧ＡＣ＿Ｒｅｆを抑える電圧制御が行われない場合には、出力電流Ｉ＿ＡＣは増大し、過電流閾値ＡＣ＿Ｌｉｍｉｔを超えることも想定される。それに対して、本実施形態では、負荷３の起動時、出力電流Ｉ＿ＡＣが過電流閾値ＡＣ＿Ｌｉｍｉｔを超える場合には、積分器１０２の積分出力が最大値１（１００％）から最小値０（０％）側に変動する。これにより、負荷３の起動時、除算器１０４から出力されるＤｕｔｙ比が、積分器１０２の積分出力が最大値１（１００％）の時に比して低く抑えられる。従って、負荷３の起動時、出力電圧ＡＣ＿Ｒｅｆが負荷３の起動後に比して抑えられることによって、負荷３の起動時の出力電流Ｉ＿ＡＣを負荷３の起動後と同等の大きさに抑えることが可能となり、負荷３の起動時のインバータ回路１０の過電流保護を実現できる。

そして、負荷３の抵抗が漸次的に増大するにつれて、積分器１０２の積分出力が徐々に最大値１（１００％）に収束していき、除算器１０４から出力されるＤｕｔｙ比が所定値（例えば３０～５０％）まで上昇する。ここで、当該所定値のＤｕｔｙ比により決定される出力電圧ＡＣ＿Ｒｅｆは、出力電流Ｉ＿ＡＣを過電流閾値ＡＣ＿Ｌｉｍｉｔ以下に維持することが可能な値である。

以上説明したように、本実施形態の電力変換装置１では、制御回路１００が、出力電流Ｉ＿ＡＣ、出力電圧ＡＣ＿Ｒｅｆ、及びＤＣリンク電圧Ｖ＿ＤＣ＿ｆに基づいて出力電圧ＡＣ＿Ｒｅｆを制御する。これにより、インバータ回路１０の過電流保護を実現しながらインバータ回路１０のＡＣ出力に接続されたモータ等の負荷３を起動させることが可能になる。

具体的には、制御回路１００において、積分器１０２が、過電流閾値ＡＣ＿Ｌｉｍｉｔと出力電流Ｉ＿ＡＣとの差を積分して積分出力を出力し、乗算器１０３が、積分器１０２の積分出力と出力電圧ＡＣ＿Ｒｅｆとを乗算して乗算出力を出力する。ここで、モータ等の負荷３の起動時には、積分器１０２の積分出力が最大値の１（１００％）から最小値の０（０％）側に変動することにより、乗算器１０３の乗算出力が、負荷３の起動後に比して小さくなる。

そして、除算器１０４が、乗算器１０３の乗算出力をＤＣリンク電圧Ｖ＿ＤＣ＿ｆで除算することによりＤｕｔｙ比を算出して出力する。ここで、モータ等の負荷３の起動時には、Ｄｕｔｙ比が、負荷３の起動後に比して低く抑えられる。

そして、ＰＷＭ生成回路１０５は、除算器１０４から出力されたＤｕｔｙ比に応じて出力電圧ＡＣ＿Ｒｅｆを制御する。ここで、モータ等の負荷３の起動時には、出力電圧ＡＣ＿Ｒｅｆが、負荷３の起動後に比して低く抑えられる。

以上により、モータ等の負荷３の起動時に、出力電流Ｉ＿ＡＣを、負荷３の起動後と同等の大きさに抑えながら、負荷３に起動電流を供給することが可能になる。即ち、インバータ回路１０の過電流保護を実現しながらインバータ回路１０のＡＣ出力に接続されたモータ等の負荷３を起動させることが可能になる。

ここで、本実施形態の電力変換装置１では、負荷３の接続を検出する負荷接続検出回路を要することなく、インバータ回路１０の過電流保護を実現しながらインバータ回路１０のＡＣ出力に接続されたモータ等の負荷３を起動させることが可能になる。従って、本実施形態の電力変換装置１によれば、負荷接続検出回路を要する電力変換装置に比して低コスト化、小型化を実現できる。

また、本実施形態の電力変換装置１では、負荷３の起動時と起動後とで、過電流閾値ＡＣ＿Ｌｉｍｉｔを変化させることなく、インバータ回路１０の過電流保護を実現しながらインバータ回路１０のＡＣ出力に接続されたモータ等の負荷３を起動させることが可能になる。従って、負荷３の起動時に過電流閾値ＡＣ＿Ｌｉｍｉｔを高くすることによりクロック周波数の高い高価格なマイコンが必要となる電力変換装置に比して、低コスト化を実現できる。また、負荷３の起動時に過電流閾値ＡＣ＿Ｌｉｍｉｔを高くすることにより高温環境下でのモータ等の起動への対応に難のある電力変換装置に比して、温度条件の制約によらず幅広い負荷３の起動を起動できるという効果を奏する。

また、本実施形態の電力変換装置１では、制御回路１００において、絶対値回路１０６が出力電流Ｉ＿ＡＣの絶対値を算出して出力し、比較器１０１が、過電流閾値ＡＣ＿Ｌｉｍｉｔと出力電流Ｉ＿ＡＣの絶対値との差を算出して積分器１０２に出力する。そして、積分器１０２が、過電流閾値ＡＣ＿Ｌｉｍｉｔと出力電流Ｉ＿ＡＣの絶対値との差を積分して積分出力を出力する。これにより、出力電流Ｉ＿ＡＣの絶対値が過電流閾値ＡＣ＿Ｌｉｍｉｔを超える場合には、積分出力が最大値の１（１００％）から最小値の０（０％）の側に変動する。他方で、出力電流Ｉ＿ＡＣの絶対値が過電流閾値ＡＣ＿Ｌｉｍｉｔを超えない場合には、積分出力が最大値の１（１００％）に収束する。

また、本実施形態の電力変換装置１では、制御回路１００において、絶対値回路１０７が、出力電圧ＡＣ＿Ｒｅｆの絶対値を算出して出力し、乗算器１０３が、積分器１０２から出力された積分出力と出力電圧ＡＣ＿Ｒｅｆの絶対値とを乗算して乗算出力を出力する。これにより、除算器１０４におけるＤｕｔｙ比の算出が可能になる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、適宜公知や周知の技術を組み合わせてもよい。

１ ：電力変換装置
３ ：負荷
１０ ：インバータ回路
２０ ：電圧センサ（ＡＣ電圧センサ）
３０ ：電流センサ（ＡＣ電流センサ）
４０ ：電圧センサ（ＤＣ電圧センサ）
１００ ：制御回路
１０１ ：比較器
１０２ ：積分器（積分部）
１０３ ：乗算器（乗算部）
１０４ ：除算器（除算部）
１０５ ：ＰＷＭ生成回路（電圧制御部）
１０６ ：絶対値回路（第１の絶対値回路）
１０７ ：絶対値回路（第２の絶対値回路）
ＡＣ＿Ｒｅｆ ：出力電圧（ＡＣ電圧）
ＡＣ＿Ｌｉｍｉｔ：過電流閾値（所定の過電流閾値）
Ｉ＿ＡＣ ：出力電流（ＡＣ電流）
Ｖ＿ＤＣ＿ｆ ：ＤＣリンク電圧（ＤＣ電圧）

Claims (3)

1. ＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換して負荷に出力するインバータ回路と、
   前記インバータ回路から出力されるＡＣ電流を検出するＡＣ電流センサと、
   前記インバータ回路から出力される前記ＡＣ電圧を検出するＡＣ電圧センサと、
   前記インバータ回路に入力される前記ＤＣ電圧を検出するＤＣ電圧センサと、
   前記ＡＣ電流センサにより検出された前記ＡＣ電流、前記ＡＣ電圧センサにより検出された前記ＡＣ電圧、及び前記ＤＣ電圧センサにより検出された前記ＤＣ電圧に基づいて、前記ＡＣ電圧を制御する制御回路と
   を備え、
   前記制御回路は、
   所定の過電流閾値と前記ＡＣ電流センサにより検出された前記ＡＣ電流との差を積分して積分出力を出力する積分部と、
   前記積分部から出力された前記積分出力と前記ＡＣ電圧センサにより検出された前記ＡＣ電圧とを乗算して乗算出力を出力する乗算部と、
   前記乗算部から出力された前記乗算出力を前記ＤＣ電圧センサにより検出された前記ＤＣ電圧で除算することによりＤｕｔｙ比を算出して出力する除算部と、
   前記除算部から出力された前記Ｄｕｔｙ比に応じて前記ＡＣ電圧を制御する電圧制御部と
   を備える電力変換装置。
2. 前記制御回路は、
   前記ＡＣ電流センサにより検出された前記ＡＣ電流の絶対値を算出して出力する第１の絶対値回路と、
   前記所定の過電流閾値と前記第１の絶対値回路から出力された前記ＡＣ電流の絶対値との差を算出して前記積分部に出力する比較器と
   を備え、
   前記積分部は、前記比較器から出力された前記所定の過電流閾値と前記ＡＣ電流の絶対値との差を積分して前記積分出力を出力する請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御回路は、
   前記ＡＣ電圧センサにより検出された前記ＡＣ電圧の絶対値を算出して出力する第２の絶対値回路を備え、
   前記乗算部は、前記積分部から出力された前記積分出力と前記第２の絶対値回路から出力された前記ＡＣ電圧の絶対値とを乗算して前記乗算出力を出力する請求項２に記載の電力変換装置。
   

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