JP2019058021A - Three-level chopper and control circuit of the same - Google Patents
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Abstract
【課題】二個の直列コンデンサの電圧を均等化しつつ、スイッチング素子の過熱を防止して運転を継続すると共に、リップル電流を抑制可能な3レベルチョッパ及びその制御回路を提供する。【解決手段】スイッチング素子S1,S2、コンデンサC1,C2等を備えた3レベルチョッパにおいて、コンデンサC1,C2の電圧に応じてこれらの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部102と、バランス指令値に基づいてスイッチング素子S1,S2をオン・オフする駆動信号を生成するPWM回路105,106と、チョッパの入力電圧及び出力電圧とチョッパの降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比とに応じて、バランス指令値を調整するバランス指令値調整部200Aと、を備える。【選択図】図5PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a three-level chopper capable of suppressing overheating of a switching element to continue operation and suppressing a ripple current while equalizing the voltages of two series capacitors, and a control circuit thereof. SOLUTION: In a three-level chopper provided with switching elements S1, S2, capacitors C1, C2 and the like, a balance command value generation for generating a balance command value for equalizing these voltages according to the voltages of the capacitors C1 and C2 is generated. The unit 102, the PWM circuits 105 and 106 that generate drive signals for turning on / off the switching elements S1 and S2 based on the balance command value, the input voltage and output voltage of the chopper, and the current flowing through the chopper during the step-down operation of the chopper. A balance command value adjusting unit 200A that adjusts the balance command value according to the input / output voltage ratio that maximizes the ripple rate is provided. [Selection diagram] FIG. 5
Description
本発明は、3レベルチョッパの出力電圧を分担する二個のコンデンサの電圧を均等化する技術に関する。 The present invention relates to a technique for equalizing the voltages of two capacitors that share the output voltage of a three-level chopper.
図13は、特許文献1に記載された直流電源システムの主回路構成図である。
この直流電源システムは、半導体スイッチング素子(以下、単にスイッチング素子という)の動作により、直流電源電圧を昇圧して中性点を持つ直流電圧に変換するものであり、いわゆる3レベルチョッパによって構成されている。
FIG. 13 is a main circuit configuration diagram of the DC power supply system described in
This DC power supply system boosts a DC power supply voltage and converts it into a DC voltage having a neutral point by operation of a semiconductor switching element (hereinafter simply referred to as a switching element), and is constituted by a so-called three-level chopper. Yes.
この3レベルチョッパは、直流電源BATと、その正負極間にリアクトルL1,L2を介して接続されたスイッチング素子S1,S2の直列回路と、この直列回路の両端にスイッチング素子S3,S4をそれぞれ介して直列に接続されたコンデンサC1,C2とを備え、コンデンサC1,C2の直列回路の両端に負荷LDが接続されている。
なお、D1〜D4はスイッチング素子S1〜S4にそれぞれ逆並列に接続された還流ダイオード、Pは正側端子、Nは負側端子であり、Mはスイッチング素子S1,S2の直列接続点に接続されたコンデンサC1,C2の直列接続点(中性点)である。
The three-level chopper includes a DC power source BAT, a series circuit of switching elements S 1 and S 2 connected between the positive and negative electrodes via reactors L 1 and L 2 , and a switching element S 3 at both ends of the series circuit. , S 4 and capacitors C 1 and C 2 connected in series, respectively, and a load LD is connected to both ends of the series circuit of the capacitors C 1 and C 2 .
D 1 to D 4 are free-wheeling diodes connected in reverse parallel to the switching elements S 1 to S 4 , P is a positive terminal, N is a negative terminal, and M is the switching elements S 1 and S 2 . This is a series connection point (neutral point) of the capacitors C 1 and C 2 connected to the series connection point.
以下、この回路の動作を簡単に説明する。
まず、スイッチング素子S1,S2を共にオンするとリアクトルL1,L2にエネルギーが蓄積される。次に、スイッチング素子S1をオンしたままでスイッチング素子S2をオフすると、リアクトルL1,L2の蓄積エネルギーによりスイッチング素子S1と還流ダイオードD4とを介してコンデンサC2が充電される。次いで、スイッチング素子S1をオフしてスイッチング素子S2をオンすると、リアクトルL1,L2の蓄積エネルギーにより還流ダイオードD3とスイッチング素子S2とを介してコンデンサC1が充電される。
The operation of this circuit will be briefly described below.
First, when both switching elements S 1 and S 2 are turned on, energy is accumulated in reactors L 1 and L 2 . Next, to turn off the switching element S 2 remains turned on the switching element S 1, the capacitor C 2 is charged via a switching element S 1 and the freewheeling diode D 4 by stored energy of the reactor L 1, L 2 . Then, when turning on the switching element S 2 turns off the switching element S 1, the capacitor C 1 is charged through the stored energy of the
上記の動作を繰り返すことにより、端子P,N間の出力電圧Vpnは直流電源電圧Vbatよりも高い電圧に昇圧される。ここで、出力電圧Vpnは3つのレベル(Vdcp、Vdcn、及び、Vdcp+Vdcn)をとり得るため、3レベルチョッパと呼ばれている。 By repeating the above operation, the output voltage V pn between the terminals P and N is boosted to a voltage higher than the DC power supply voltage V bat . Here, since the output voltage V pn can take three levels (V dcp , V dcn , and V dcp + V dcn ), it is called a three-level chopper.
この種の3レベルチョッパにおいて、スイッチング素子の故障や回路定数のばらつき等に起因して、出力側のコンデンサC1,C2の電圧Vdcp,Vdcnに偏りが生じると、スイッチング素子やコンデンサが過電圧によって破壊されることがある。
このため、特許文献1では、図14の制御回路を用いて電圧Vdcp,Vdcnを等しくする制御を行っている。
In this type of three-level chopper, if the voltages V dcp and V dcn of the output-side capacitors C 1 and C 2 are biased due to a failure of the switching element or a variation in circuit constants, the switching element or the capacitor May be destroyed by overvoltage.
For this reason, in
図14は、スイッチング素子S1〜S4を駆動するための制御回路を示している。
図14において、コンデンサC1,C2の電圧Vdcp,Vdcnが直流電圧指令値(出力電圧指令値)Vpn *の1/2とそれぞれ等しくなるように電圧調節器AVR1,AVR2が動作し、これらの出力が切替スイッチSW1,SW2を介して同一構成のPWM回路PWMA,PWMBに加えられている。
FIG. 14 shows a control circuit for driving the switching elements S 1 to S 4 .
In FIG. 14, the voltage regulators AVR 1 and AVR 2 are set so that the voltages V dcp and V dcn of the capacitors C 1 and C 2 are respectively equal to ½ of the DC voltage command value (output voltage command value) V pn *. In operation, these outputs are applied to PWM circuits PWM A and PWM B having the same configuration via changeover switches SW 1 and SW 2 .
PWM回路PWMA,PWMBは、コンパレータCmp、タイマTM1,TM2、論理回路11〜15、立下り検出回路16,17、DQフリップフロップ18を備え、DQフリップフロップ18の出力が、それぞれの入力側の切替スイッチSW1,SW2に対する切替信号1,2となる。
パルス出力判定回路PJは、電圧検出値Vdcp,Vdcnの大小関係に応じて、PWM回路PWMA,PWMBの出力信号S1’〜S4’をスイッチング素子S1〜S4の駆動信号(ゲート信号)として選択し、出力する。
The PWM circuits PWM A and PWM B each include a comparator Cmp, timers TM 1 and TM 2 ,
The pulse output determination circuit PJ uses the output signals S 1 ′ to S 4 ′ of the PWM circuits PWM A and PWM B as drive signals for the switching elements S 1 to S 4 according to the magnitude relationship between the voltage detection values V dcp and V dcn. Select (gate signal) and output.
上記制御回路では、図15(a),(b)に示すように、電圧検出値Vdcp,Vdcnの大小関係に応じてスイッチング素子S1,S2のオン時間を調節している。具体的には、電圧が低い方のコンデンサの充電量を多くするように、当該コンデンサに直列接続されたスイッチング素子のオン時間を長くして図13の電流Ichを増減させ、電圧Vdcp,Vdcnを均等化する制御を行っている。
なお、スイッチング素子S3,S4は、コンデンサC1,C2のエネルギーを直流電源側に回生して電圧Vdcp,Vdcnを所定値に維持するように機能するものである。
In the control circuit, as shown in FIGS. 15A and 15B , the ON times of the switching elements S 1 and S 2 are adjusted according to the magnitude relationship between the voltage detection values V dcp and V dcn . Specifically, in order to increase the charge amount of the capacitor having the lower voltage, the on-time of the switching element connected in series to the capacitor is increased to increase or decrease the current I ch in FIG. 13, and the voltage V dcp , Control to equalize V dcn is performed.
The switching elements S 3 and S 4 function to regenerate the energy of the capacitors C 1 and C 2 to the DC power supply side and maintain the voltages V dcp and V dcn at predetermined values.
特許文献1に記載された技術において、電圧を均等化するためにスイッチング素子S1またはS2のオン時間が長くなり過ぎると、素子の温度が設計値以上になり、結果的に、スイッチング素子の破壊を防止するための保護動作が働いて装置の運転が停止してしまう場合がある。
一方、コンデンサC1,C2の電圧が均等でない場合には、チョッパを流れる電流にリップル電流が多く含まれることになり、このチョッパにインバータ回路を介して連系される電力系統やその接続負荷に悪影響を与える等の問題があった。
In the technique described in
On the other hand, when the voltages of the capacitors C 1 and C 2 are not equal, a large amount of ripple current is included in the current flowing through the chopper, and the power system connected to the chopper via the inverter circuit and its connected load There was a problem such as adversely affecting.
そこで、本発明の解決課題は、出力側の直列コンデンサの電圧を均等化しつつ、スイッチング素子の過熱を防止して安定的に運転を継続させると共に、リップル電流を抑制することができる3レベルチョッパ及びその制御回路を提供することにある。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a three-level chopper that can equalize the voltage of the series capacitor on the output side, prevent overheating of the switching element and continue the operation stably, and suppress the ripple current. It is to provide the control circuit.
上記課題を解決するため、請求項1に係る3レベルチョッパは、直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第1,第2のスイッチング素子が直列に接続され、前記第1,第2のスイッチング素子の直列回路の両端に、第1,第2のダイオードをそれぞれ介して第1,第2のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第1,第2のスイッチング素子の直列接続点と前記第1,第2のコンデンサの直列接続点とが接続され、前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される3レベルチョッパであって、
前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのPWM指令値を生成するPWM指令生成部と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧に応じて、前記第1,第2のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記3レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記3レベルチョッパの降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記PWM指令値と前記バランス指令調整値とに基づいて前記第1,第2のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする。
In order to solve the above-described problem, a three-level chopper according to
A PWM command generator for generating a PWM command value for making the voltage across the series circuit of the first and second capacitors coincide with the command value;
A balance command value generator for generating a balance command value for equalizing the voltages of the first and second capacitors in accordance with the voltages of the first and second capacitors;
The balance command value is adjusted according to the input voltage and output voltage of the three-level chopper and the input / output voltage ratio that maximizes the ripple rate of the current flowing through the chopper during the step-down operation of the three-level chopper. A balance command value adjustment unit for generating a balance command adjustment value;
Means for generating a drive signal for turning on and off the first and second switching elements based on the PWM command value and the balance command adjustment value;
It is provided with.
請求項2に係る3レベルチョッパは、直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第1,第2のスイッチング素子が直列に接続され、前記第1,第2のスイッチング素子の直列回路の両端に、第1,第2のダイオードをそれぞれ介して第1,第2のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第1,第2のスイッチング素子の直列接続点と前記第1,第2のコンデンサの直列接続点とが接続され、前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される3レベルチョッパであって、
前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのPWM指令値を生成するPWM指令生成部と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧に応じて、前記第1,第2のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記3レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記3レベルチョッパの昇圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記PWM指令値と前記バランス指令調整値とに基づいて前記第1,第2のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする。
In the three-level chopper according to
A PWM command generator for generating a PWM command value for making the voltage across the series circuit of the first and second capacitors coincide with the command value;
A balance command value generator for generating a balance command value for equalizing the voltages of the first and second capacitors in accordance with the voltages of the first and second capacitors;
For adjusting the balance command value according to the input voltage and output voltage of the three-level chopper and the input / output voltage ratio that maximizes the ripple rate of the current flowing through the chopper during the boost operation of the three-level chopper A balance command value adjustment unit for generating a balance command adjustment value;
Means for generating a drive signal for turning on and off the first and second switching elements based on the PWM command value and the balance command adjustment value;
It is provided with.
請求項3に係る3レベルチョッパは、直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第1,第2のスイッチング素子が直列に接続され、前記第1,第2のスイッチング素子の直列回路の両端に、第1,第2のダイオードをそれぞれ介して第1,第2のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第1,第2のスイッチング素子の直列接続点と前記第1,第2のコンデンサの直列接続点とが接続され、前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される3レベルチョッパであって、
前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのPWM指令値を生成するPWM指令生成部と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧に応じて、前記第1,第2のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記3レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記3レベルチョッパの昇圧・降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率がそれぞれ最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記PWM指令値と前記バランス指令調整値とに基づいて前記第1,第2のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする。
In the three-level chopper according to
A PWM command generator for generating a PWM command value for making the voltage across the series circuit of the first and second capacitors coincide with the command value;
A balance command value generator for generating a balance command value for equalizing the voltages of the first and second capacitors in accordance with the voltages of the first and second capacitors;
The balance command value is adjusted according to the input voltage and output voltage of the three-level chopper and the input / output voltage ratio at which the ripple rate of the current flowing through the chopper at the time of step-up / step-down operation of the three-level chopper is maximized. A balance command value adjustment unit for generating a balance command adjustment value for
Means for generating a drive signal for turning on and off the first and second switching elements based on the PWM command value and the balance command adjustment value;
It is provided with.
請求項4に係る3レベルチョッパは、請求項1〜3の何れか1項に記載した3レベルチョッパにおいて、
前記バランス指令値調整部は、前記出力電圧と前記入出力電圧比との積と前記入力電圧との偏差を求め、この偏差と所定のゲインとの積に基づいて前記バランス指令値を調整することを特徴とする。
The three-level chopper according to
The balance command value adjustment unit obtains a deviation between the product of the output voltage and the input / output voltage ratio and the input voltage, and adjusts the balance command value based on a product of the deviation and a predetermined gain. It is characterized by.
請求項5に係る3レベルチョッパは、請求項1〜4の何れか1項に記載した3レベルチョッパにおいて、
前記第1のダイオードに第3のスイッチング素子を逆並列に接続し、かつ、前記第2のダイオードに第4のスイッチング素子を逆並列に接続したことを特徴とする。
The three-level chopper according to
A third switching element is connected in antiparallel to the first diode, and a fourth switching element is connected in antiparallel to the second diode.
請求項6に係る3レベルチョッパは、請求項5に記載した3レベルチョッパにおいて、
前記第3,第4のスイッチング素子をオンさせて前記第1,第2のコンデンサのエネルギーを前記直流電源に回生することを特徴とする。
The three-level chopper according to
The third and fourth switching elements are turned on to regenerate the energy of the first and second capacitors to the DC power supply.
請求項7に係る3レベルチョッパの制御回路は、直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第1,第2のスイッチング素子が直列に接続され、前記第1,第2のスイッチング素子の直列回路の両端に、第1,第2のダイオードをそれぞれ介して第1,第2のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第1,第2のスイッチング素子の直列接続点と前記第1,第2のコンデンサの直列接続点とが接続されて前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される3レベルチョッパの制御回路であって、
前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのPWM指令値を生成するPWM指令生成部と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧に応じて、前記第1,第2のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記3レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記3レベルチョッパの降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記PWM指令値と前記バランス指令調整値とに基づいて前記第1,第2のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする。
The control circuit of the three-level chopper according to claim 7 is configured such that the first and second switching elements are connected in series via a reactor between the positive and negative electrodes of the DC power source, and the first and second switching elements are connected in series. A first capacitor and a second capacitor are connected in series to both ends of the circuit via first and second diodes, respectively, and a series connection point of the first and second switching elements is connected to the first and second capacitors. A control circuit for a three-level chopper in which a load is connected to both ends of the series circuit of the first and second capacitors.
A PWM command generator for generating a PWM command value for making the voltage across the series circuit of the first and second capacitors coincide with the command value;
A balance command value generator for generating a balance command value for equalizing the voltages of the first and second capacitors in accordance with the voltages of the first and second capacitors;
The balance command value is adjusted according to the input voltage and output voltage of the three-level chopper and the input / output voltage ratio that maximizes the ripple rate of the current flowing through the chopper during the step-down operation of the three-level chopper. A balance command value adjustment unit for generating a balance command adjustment value;
Means for generating a drive signal for turning on and off the first and second switching elements based on the PWM command value and the balance command adjustment value;
It is provided with.
請求項8に係る3レベルチョッパの制御回路は、直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第1,第2のスイッチング素子が直列に接続され、前記第1,第2のスイッチング素子の直列回路の両端に、第1,第2のダイオードをそれぞれ介して第1,第2のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第1,第2のスイッチング素子の直列接続点と前記第1,第2のコンデンサの直列接続点とが接続されて前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される3レベルチョッパの制御回路であって、
前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのPWM指令値を生成するPWM指令生成部と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧に応じて、前記第1,第2のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記3レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記3レベルチョッパの昇圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記PWM指令値と前記バランス指令調整値とに基づいて前記第1,第2のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする。
In the control circuit for a three-level chopper according to claim 8, the first and second switching elements are connected in series via a reactor between the positive and negative electrodes of the DC power supply, and the first and second switching elements are connected in series. A first capacitor and a second capacitor are connected in series to both ends of the circuit via first and second diodes, respectively, and a series connection point of the first and second switching elements is connected to the first and second capacitors. A control circuit for a three-level chopper in which a load is connected to both ends of the series circuit of the first and second capacitors.
A PWM command generator for generating a PWM command value for making the voltage across the series circuit of the first and second capacitors coincide with the command value;
A balance command value generator for generating a balance command value for equalizing the voltages of the first and second capacitors in accordance with the voltages of the first and second capacitors;
For adjusting the balance command value according to the input voltage and output voltage of the three-level chopper and the input / output voltage ratio that maximizes the ripple rate of the current flowing through the chopper during the boost operation of the three-level chopper A balance command value adjustment unit for generating a balance command adjustment value;
Means for generating a drive signal for turning on and off the first and second switching elements based on the PWM command value and the balance command adjustment value;
It is provided with.
請求項9に係る3レベルチョッパの制御回路は、直流電源の正負極間に、リアクトルを介して第1,第2のスイッチング素子が直列に接続され、前記第1,第2のスイッチング素子の直列回路の両端に、第1,第2のダイオードをそれぞれ介して第1,第2のコンデンサが直列に接続されると共に、前記第1,第2のスイッチング素子の直列接続点と前記第1,第2のコンデンサの直列接続点とが接続されて前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端に負荷が接続される3レベルチョッパの制御回路であって、
前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのPWM指令値を生成するPWM指令生成部と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧に応じて、前記第1,第2のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記3レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記3レベルチョッパの昇圧・降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率がそれぞれ最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記PWM指令値と前記バランス指令調整値とに基づいて前記第1,第2のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする。
In the control circuit for a three-level chopper according to claim 9, the first and second switching elements are connected in series via a reactor between the positive and negative electrodes of the DC power supply, and the first and second switching elements are connected in series. A first capacitor and a second capacitor are connected in series to both ends of the circuit via first and second diodes, respectively, and a series connection point of the first and second switching elements is connected to the first and second capacitors. A control circuit for a three-level chopper in which a load is connected to both ends of the series circuit of the first and second capacitors.
A PWM command generator for generating a PWM command value for making the voltage across the series circuit of the first and second capacitors coincide with the command value;
A balance command value generator for generating a balance command value for equalizing the voltages of the first and second capacitors in accordance with the voltages of the first and second capacitors;
The balance command value is adjusted according to the input voltage and output voltage of the three-level chopper and the input / output voltage ratio at which the ripple rate of the current flowing through the chopper at the time of step-up / step-down operation of the three-level chopper is maximized. A balance command value adjustment unit for generating a balance command adjustment value for
Means for generating a drive signal for turning on and off the first and second switching elements based on the PWM command value and the balance command adjustment value;
It is provided with.
請求項10に係る3レベルチョッパの制御回路は、
請求項7〜9の何れか1項に記載した3レベルチョッパの制御回路において、
前記バランス指令値調整部は、前記出力電圧と前記入出力電圧比との積と前記入力電圧との偏差を求め、この偏差と所定のゲインとの積に基づいて前記バランス指令値を調整することを特徴とする。
A control circuit for a three-level chopper according to claim 10 is:
In the control circuit of the three-level chopper according to any one of claims 7 to 9,
The balance command value adjustment unit obtains a deviation between the product of the output voltage and the input / output voltage ratio and the input voltage, and adjusts the balance command value based on a product of the deviation and a predetermined gain. It is characterized by.
本発明によれば、3レベルチョッパの降圧モード領域、昇圧モード領域のそれぞれについて、出力側の直列コンデンサの電圧を均等化するためにスイッチング素子のオン時間を必要以上に長くする必要がない。このため、スイッチング素子の過熱を防止することができ、保護動作を働かせずに装置の安定した運転を継続させることが可能である。
また、チョッパに流れる電流のリップル成分を抑制し、電力系統やその接続負荷に与える悪影響を防止することができる。
According to the present invention, in each of the step-down mode region and the step-up mode region of the three-level chopper, it is not necessary to unnecessarily increase the ON time of the switching element in order to equalize the voltage of the output side series capacitor. For this reason, it is possible to prevent overheating of the switching element, and it is possible to continue the stable operation of the apparatus without performing the protective operation.
Moreover, the ripple component of the electric current which flows into a chopper can be suppressed, and the bad influence given to an electric power grid | system and its connection load can be prevented.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
初めに、本発明の原理を説明する。本発明では、3レベルチョッパ(以下、単にチョッパともいう)の直流入力電流のリップル率が出力側のコンデンサC1,C2の電圧のアンバランスに応じて変化することに着目したものである。すなわち、チョッパの降圧動作、昇圧動作のそれぞれについて、チョッパの入出力電圧の関係に応じて、コンデンサC1,C2の電圧を均等化するためのバランス指令値(バランス指令率)を調整することにより、リップル電流を抑制してコンデンサC1,C2の電圧を均等化する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, the principle of the present invention will be described. The present invention focuses on the fact that the ripple rate of the DC input current of a three-level chopper (hereinafter also simply referred to as “chopper”) changes according to the voltage imbalance of the capacitors C 1 and C 2 on the output side. That is, for each of the step-down operation and step-up operation of the chopper, the balance command value (balance command rate) for equalizing the voltages of the capacitors C 1 and C 2 is adjusted according to the relationship between the input and output voltages of the chopper. Thus, the ripple current is suppressed and the voltages of the capacitors C 1 and C 2 are equalized.
まず、図1は、チョッパの降圧モード領域及び昇圧モード領域における、入力電圧と電流リップル率(ΔI/Idc)との関係を示している。ここで、チョッパの直流入力電流Idcは、図13におけるIchと同じものであり、出力電圧Voは図13におけるVpnと同じものである。
なお、チョッパの降圧モードとは入力電圧Vin>(出力電圧Vo/2)となるモードを言い、チョッパの昇圧モードとは入力電圧Vin<(出力電圧Vo/2)となるモードを言う。
図1の降圧モード領域及び昇圧モード領域において、電流リップル率が最大になるときの入出力電圧の関係は、以下のようにして求めることができる(結論として、チョッパの降圧モードでは、入力電圧Vinが出力電圧Voの(√3+3)/6倍である時、チョッパの昇圧モードでは、入力電圧Vinが出力電圧Voの1/3倍である時に、それぞれ電流リップル率が最大となる)。
First, FIG. 1 shows the relationship between the input voltage and the current ripple rate (ΔI / I dc ) in the step-down mode region and the step-up mode region of the chopper. Here, the DC input current I dc chopper is the same as the I ch in FIG 13, the output voltage V o is the same as the V pn in FIG.
The step-down mode of the chopper refers to a mode where the input voltage V in > (output voltage V o / 2), and the step-up mode of the chopper refers to a mode where the input voltage V in <(output voltage V o / 2). say.
In the step-down mode region and the step-up mode region of FIG. 1, the relationship between the input and output voltages when the current ripple ratio becomes maximum can be obtained as follows (in conclusion, in the chopper step-down mode, the input voltage V when in is (√3 + 3) / 6 times the output voltage V o, in boost mode chopper, when the input voltage V in is 1/3 times the output voltage V o, each current ripple factor becomes maximum ).
図2は、チョッパの降圧モードにおいて、電流リップル率が最大になるときの入出力電圧の関係を説明するための図である。図2(a)は、スイッチング素子S1をオンしてスイッチング素子S2をオフした時、図2(b)は、スイッチング素子S1,S2をオフした時の入力電流Idcの経路(矢印)を示している。なお、Cinは平滑コンデンサ、Vinはチョッパの入力電圧である。 FIG. 2 is a diagram for explaining the relationship between input and output voltages when the current ripple rate becomes maximum in the step-down mode of the chopper. 2A shows the path of the input current I dc when the switching element S 1 is turned on and the switching element S 2 is turned off. FIG. 2B shows the path of the input current I dc when the switching elements S 1 and S 2 are turned off. Arrow). C in is a smoothing capacitor, and V in is an input voltage of the chopper.
図2(c)に示すように、スイッチング素子S1,S2が周期T=1/fsw(fsw:スイッチング周波数)にて交互にスイッチングする場合、スイッチング素子S1のオン時間は数式1によって表される。
電流リップル率(ΔI/Idc)が最大になる時の入力電圧Vinは、数式2をVinにより微分した値が0になる時の値であり、数式3により表すことができる。
また、図3は、チョッパの昇圧モードにおいて、電流リップル率が最大になるときの入出力電圧の関係を説明するための図であり、図3(a)はスイッチング素子S1,S2をオンした時、図3(b)はスイッチング素子S1をオンしたままスイッチング素子S2をオフした時の入力電流Idcの経路(矢印)を示している。なお、図3(c)において、tonS12はスイッチング素子S1,S2の両方をオンする時間である。 FIG. 3 is a diagram for explaining the relationship between the input and output voltages when the current ripple ratio becomes maximum in the step-up mode of the chopper. FIG. 3A shows the switching elements S 1 and S 2 turned on. 3B shows a path (arrow) of the input current I dc when the switching element S 2 is turned off while the switching element S 1 is turned on. In FIG. 3C, t onS12 is a time for turning on both of the switching elements S 1 and S 2 .
ここで、スイッチング素子S1のオン時間は数式4によって表される。
電流リップル率(ΔI/Idc)が最大になる時の入力電圧Vinは、数式5をVinにより微分した値が0になる時の値であり、数式6により表すことができる。
図4(a)は、コンデンサC1,C2の電圧が均等である時の入力電流Idcに含まれるリップル電流ΔIを示し、図4(b)は、コンデンサC1,C2の電圧が均等でない時のリップル電流ΔIを示す。これらの図4(a),(b)から、コンデンサC1,C2の電圧がアンバランスである時には、リップル電流ΔIひいては電流リップル率(ΔI/Idc)が大きくなることがわかる。 4A shows the ripple current ΔI included in the input current I dc when the voltages of the capacitors C 1 and C 2 are equal, and FIG. 4B shows the voltage of the capacitors C 1 and C 2 . The ripple current ΔI when it is not equal is shown. 4 (a) and 4 (b), it can be seen that when the voltages of the capacitors C 1 and C 2 are unbalanced, the ripple current ΔI and the current ripple rate (ΔI / I dc ) increase.
次に、図5は本発明の第1実施形態に係る制御回路の構成図である。
この第1実施形態は、チョッパを降圧モード領域(図1参照)で運転するときに、コンデンサC1,C2の電圧を均等化するためにスイッチング素子S1〜S4の駆動信号を生成するものである。
Next, FIG. 5 is a block diagram of the control circuit according to the first embodiment of the present invention.
In the first embodiment, when the chopper is operated in the step-down mode region (see FIG. 1), the drive signals for the switching elements S 1 to S 4 are generated in order to equalize the voltages of the capacitors C 1 and C 2. Is.
第1実施形態の動作の概要は、以下の通りである。
すなわち、降圧モードにおいて、Vin=Voである時にはバランス指令値(バランス指令率)を0とすることにより、スイッチング素子の熱の偏りを防いで装置の運転を継続させる。
また、Vin=Voの状態からVinの低下に応じてバランス指令値を徐々に増加させていき、電流リップル率が最大になるVin={(√3+3)/6}Voの時点でバランス指令値を最大(バランス指令率を100%)にすることにより、リップル電流を低減し、電力系統の接続機器を保護する。
更に、Vin={(√3+3)/6}Voの時点からVinの低下に応じてバランス指令値を徐々に減少させ、Vin=Vo/2の時点でバランス指令値を0(バランス指令率を0%)にすることにより、スイッチング素子の熱の偏りを防いで装置の運転を継続させる。
The outline of the operation of the first embodiment is as follows.
That is, in the step-down mode, when V in = V o , the balance command value (balance command rate) is set to 0, thereby preventing the bias of the switching element and continuing the operation of the apparatus.
Further, the balance command value is gradually increased from the state of V in = V o according to the decrease of V in , and the time point at which V in = {(√3 + 3) / 6} V o at which the current ripple rate becomes maximum is reached. By maximizing the balance command value (balance command rate is 100%), the ripple current is reduced and the connected devices of the power system are protected.
Further, the balance command value is gradually decreased from the time point of V in = {(√3 + 3) / 6} V o according to the decrease of V in , and the balance command value is reduced to 0 (at the time of V in = V o / 2. By setting the balance command rate to 0%, the bias of the switching element is prevented and the operation of the apparatus is continued.
第1実施形態に係る図5の制御回路において、PWM指令生成部101は、チョッパの直流電圧指令値Vo *及び直流電圧検出値Voと直流電流検出値Idcとに基づいて、上記VoをVo *に制御するためのPWM指令(電圧指令)を生成する。
このPWM指令は、加減算器103,104により、後述するバランス指令値調整部200Aの上下限リミッタ211から出力されるバランス指令値とそれぞれ加減算され、PWM回路105,106(PWM1,PWM2)に入力される。PWM回路105,106では、入力された指令値とキャリア1,2とをそれぞれ比較することにより、図13のスイッチング素子S1,S3用、及び、スイッチング素子S2,S4用の駆動信号を生成する。
In the control circuit of FIG. 5 according to the first embodiment, the PWM
This PWM command is added / subtracted to / from a balance command value output from an upper /
バランス指令値生成部102は、直流電圧上側検出値(図13のコンデンサC1の電圧検出値)VC1と直流電圧下側検出値(コンデンサC2の電圧検出値)VC2とからバランス指令値を生成し、このバランス指令値はバランス指令値調整部200Aに入力される。
Balance command
次に、バランス指令値調整部200Aの構成について説明する。
まず、チョッパの入力電圧Vinはローパスフィルタ201を介して加減算器204に入力される。また、チョッパの出力電圧Voはローパスフィルタ202を介して乗算器203に入力され、定数{(√3+3)/6}との乗算結果が加減算器204に入力される。
加減算器204の出力aは、その正負を判別するためのコンパレータ205に入力され、「0000hex(hexは16進数)」との比較結果が切替スイッチ206に加えられている。
Next, the configuration of the balance command
First, the input voltage V in of the chopper is input to the adder-
The output a of the adder /
また、加減算器204の出力aはゲイン1,2を介して切替スイッチ206の入力端子T,Fにそれぞれ入力されている。ここで、ゲイン1は、Vin=Vo/2であるときに「1000hex」となる係数であり、ゲイン2は、Vin=Voであるときに「1000hex」となる係数である。なお、切替スイッチ206の入力端子Tは「True」を示し、Fは「False」を示す。
前記コンパレータ205は、入力aが負である時に切替スイッチ206の入力端子T側を選択させる信号を出力する。
The output a of the adder /
The
切替スイッチ206の出力は、絶対値演算回路207により絶対値信号bとなって加減算器208に入力される。加減算器208では、「1000hex」と絶対値信号bとの偏差cを検出し、この偏差cは乗算器209,210に入力される。
乗算器209,210は、偏差cと上限リミッタ値、下限リミッタ値とをそれぞれ乗算し、これらの乗算結果を上下限リミッタ211の上限リミッタ値、下限リミッタ値として出力する。上下限リミッタ211は、バランス指令値生成部102から入力されたバランス指令値を上下限処理し、その出力信号dを前記加減算器103,104に出力する。
The output of the
The
図6は、チョッパの入力電圧Vinと図5における各信号a〜dとの関係を示す図である。図5の制御回路の動作により、バランス指令値調整部200Aから最終的に出力されるバランス指令値dは、Vin=Vo/2,Vin=Voの時に0となり、Vin={(√3+3)/6}Voの時に最大値(バランス指令率が100%)となる。
Figure 6 is a diagram showing the relationship between each signal a~d in the input voltage V in and 5 of the chopper. The balance command value d finally output from the balance command
次に、図7は、第1実施形態に基づく設計例における、入力電圧と電流リップル率及びバランス指令率との関係を示す図である。ここでは、電流リップル率の最大値を20[%]、チョッパの出力電圧Voを1100[V]とする。このため、電流リップル率が最大になる時の入力電圧Vinは、Vin={(√3+3)/6}Vo≒868[V]となる。 Next, FIG. 7 is a diagram illustrating a relationship between the input voltage, the current ripple rate, and the balance command rate in the design example based on the first embodiment. Here, the maximum value of the current ripple rate 20 [%], the output voltage V o of the chopper and 1100 [V]. For this reason, the input voltage V in when the current ripple ratio becomes maximum is V in = {(√3 + 3) / 6} V o ≈868 [V].
前述した動作の概要から明らかなように、図7における(1),(3)の時点では、電流リップル率が小さいため、コンデンサC1,C2の電圧不均等によるリップル電流はほとんど問題にならない。従って、図5のバランス指令値調整部200Aから出力するバランス指令値を0(バランス指令率を0%)としてスイッチング素子S1,S2のオン時間に偏りが生じないようにし、素子の熱バランスを保つ。
図7における(2)の時点は電流リップル率が大きいため、コンデンサC1,C2の電圧不均等によるリップル電流が大きい。このため、バランス指令値調整部200Aから出力するバランス指令値を最大値(バランス指令率を100%)としてリップル電流を抑制し、電力系統の接続機器を保護する。
As is clear from the outline of the operation described above, the ripple current due to the voltage non-uniformity of the capacitors C 1 and C 2 is hardly a problem because the current ripple rate is small at the time points (1) and (3) in FIG. . Therefore, the balance command value output from the balance command
Since the current ripple rate is large at the point (2) in FIG. 7, the ripple current due to the voltage non-uniformity of the capacitors C 1 and C 2 is large. For this reason, the balance command value output from the balance command
上記のように、電流リップル率に応じて図7の(1)〜(2)〜(3)の範囲でバランス指令値を徐々に変化させることにより、チョッパの降圧モードにおけるスイッチング素子S1,S2の過熱保護、及びリップル電流の抑制が可能になる。 As described above, by gradually changing the balance command value in the range of (1) to (2) to (3) in FIG. 7 in accordance with the current ripple rate, the switching elements S 1 and S in the step-down mode of the chopper. 2 overheat protection and ripple current suppression.
次いで、図8は本発明の第2実施形態に係る制御回路の構成図である。
この第2実施形態は、チョッパを昇圧モード領域(図1参照)で運転するときに、コンデンサC1,C2の電圧を均等化するためにスイッチング素子S1〜S4の駆動信号を生成するものである。
Next, FIG. 8 is a block diagram of a control circuit according to the second embodiment of the present invention.
In the second embodiment, when the chopper is operated in the boost mode region (see FIG. 1), the drive signals of the switching elements S 1 to S 4 are generated in order to equalize the voltages of the capacitors C 1 and C 2. Is.
第2実施形態の動作の概要は、以下の通りである。
すなわち、昇圧モードにおいて、Vin=Vo/2である時にはバランス指令値(バランス指令率)を0とすることにより、スイッチング素子の熱の偏りを防いで装置の運転を継続させる。
また、Vin=Vo/2の状態からVinの低下に応じてバランス指令値を徐々に増加させていき、電流リップル率が最大になるVin=Vo/3の時点でバランス指令値を最大(バランス指令率を100%)にすることにより、リップル電流を低減し、電力系統の接続機器を保護する。
更に、Vin=Vo/3の時点からVinの低下に応じてバランス指令値を徐々に減少させ、Vin=0の時点でバランス指令値を0(バランス指令率を0%)にすることにより、スイッチング素子の熱の偏りを防いで装置の運転を継続させる。
The outline of the operation of the second embodiment is as follows.
That is, in the boost mode, when V in = V o / 2, the balance command value (balance command rate) is set to 0, so that the bias of the switching element is prevented and the operation of the device is continued.
Further, the balance command value is gradually increased from the state of V in = V o / 2 according to the decrease of V in , and the balance command value is reached at the time of V in = V o / 3 when the current ripple rate becomes maximum. Is maximized (balance command rate is 100%) to reduce ripple current and protect connected devices in the power system.
Further, the balance command value is gradually decreased as V in decreases from the time point of V in = V o / 3, and the balance command value is set to 0 (the balance command rate is 0%) when V in = 0. Thus, the operation of the apparatus is continued while preventing the bias of the heat of the switching element.
なお、降圧モード、昇圧モードを問わず、コンデンサC1,C2の電圧の一方が過電圧、他方が不足電圧となる場合は、入力電圧の大きさに関係なくバランス指令値を最大にすることで、装置の運転を継続させることができる。 In either step-down mode or step-up mode, when one of the voltages of the capacitors C 1 and C 2 is an overvoltage and the other is an undervoltage, the balance command value is maximized regardless of the magnitude of the input voltage. The operation of the device can be continued.
第2実施形態に係る図8の制御回路が図5と異なる点は、バランス指令値調整部200B内の乗算器203に入力される定数が図5の(√3+3)/6に代えて1/3となっている点、及び、切替スイッチ206の入力側のゲインが、ゲイン3,4となっている点である。ここで、ゲイン3は、Vin=0であるときに「1000hex」となる係数であり、ゲイン4は、Vin=Vo/2であるときに「1000hex」となる係数である。
The control circuit of FIG. 8 according to the second embodiment is different from that of FIG. 5 in that the constant input to the
図9は、チョッパの入力電圧Vinと図8における各信号a〜dとの関係を示す図である。図8の制御回路の動作により、バランス指令値調整部200Bから最終的に出力されるバランス指令値dは、Vin=0,Vin=Vo/2の時に0となり、Vin=Vo/3の時に最大値(バランス指令率が100%)となる。
Figure 9 is a diagram showing the relationship between each signal a~d in the input voltage V in and 8 of the chopper. The balance command value d finally output from the balance command
次に、図10は、第2実施形態に基づく設計例における、入力電圧と電流リップル率及びバランス指令率との関係を示す図である。第1実施形態と同様に、電流リップル率の最大値を20[%]、チョッパの出力電圧Voを1100[V]とする。このため、電流リップル率が最大になる時の入力電圧Vinは、Vin=Vo/3≒367[V]となる。 Next, FIG. 10 is a diagram illustrating a relationship between an input voltage, a current ripple rate, and a balance command rate in a design example based on the second embodiment. Like the first embodiment, the maximum value of the current ripple rate 20 [%], the output voltage V o of the chopper and 1100 [V]. For this reason, the input voltage V in when the current ripple ratio becomes maximum is V in = V o / 3≈367 [V].
前述した動作の概要から明らかなように、図10における(4),(6)の時点では、電流リップル率が小さいため、コンデンサC1,C2の電圧不均等によるリップル電流はほとんど問題にならない。従って、図8のバランス指令値調整部200Bから出力するバランス指令値を0(バランス指令率を0%)としてスイッチング素子S1,S2のオン時間に偏りが生じないようにし、素子の熱バランスを保つ。
図10における(5)の時点は電流リップル率が大きいため、コンデンサC1,C2の電圧不均等によるリップル電流が大きい。このため、バランス指令値調整部200Bから出力するバランス指令値を最大値(バランス指令率を100%)としてリップル電流を抑制し、電力系統の接続機器を保護する。
As is clear from the outline of the operation described above, the ripple current due to the voltage non-uniformity of the capacitors C 1 and C 2 is hardly a problem because the current ripple ratio is small at the points (4) and (6) in FIG. . Accordingly, the balance command value output from the balance command
Since the current ripple rate is large at the time point (5) in FIG. 10, the ripple current due to the voltage nonuniformity of the capacitors C 1 and C 2 is large. For this reason, the balance command value output from the balance command
上記のように、電流リップル率に応じて図10の(4)〜(5)〜(6)の範囲でバランス指令値を徐々に変化させることにより、チョッパの昇圧モードにおけるスイッチング素子S1,S2の過熱保護、及びリップル電流の抑制が可能になる。 As described above, by gradually changing the balance command value in the range of (4) to (5) to (6) in FIG. 10 according to the current ripple rate, the switching elements S 1 and S in the step-up mode of the chopper. 2 overheat protection and ripple current suppression.
更に、図11は本発明の第3実施形態に係る制御回路の構成図である。
この第3実施形態は、チョッパを昇・降圧チョッパとして運転する場合(図1の降圧モード領域、昇圧モード領域を使い分ける場合)に、コンデンサC1,C2の電圧を均等化するためにスイッチング素子S1〜S4の駆動信号を生成するものである。
FIG. 11 is a block diagram of a control circuit according to the third embodiment of the present invention.
In the third embodiment, when the chopper is operated as a step-up / step-down chopper (when the step-down mode region and the step-up mode region in FIG. 1 are used separately), the switching elements are used to equalize the voltages of the capacitors C 1 and C 2. The drive signals S 1 to S 4 are generated.
図11において、バランス指令値調整部200C以外の部分は図5及び図8と同一であり、このバランス指令値調整部200Cは、図5におけるバランス指令値調整部200Aの主要部と図8におけるバランス指令値調整部200Bの主要部とを組み合わせたものに相当する。
バランス指令値調整部200Cでは、コンパレータ230によりVinとVo/2とを比較して降圧モード、昇圧モードを判別し、降圧モード(Vin>Vo/2)であれば切替スイッチ229を端子T側に、昇圧モード(Vin<Vo/2)であれば切替スイッチ229を端子F側に切り替える。
11, parts other than the balance command
In the balance command
なお、バランス指令値調整部200C内の昇圧モード側において、221,222はローパスフィルタ、223は乗算器、224,228は加減算器、225はコンパレータ、226は切替スイッチ、227は絶対値演算器である。また、ゲイン5は、電流リップル率に適合するバランス指令値となるように補正するための適宜な係数である。
On the boost mode side in the balance command
図12は、第3実施形態に基づく設計例における、入力電圧と電流リップルとの関係を示す図である。なお、入力電圧とバランス指令率との関係は図7,図10と同一であるため、図示を省略する。
第1,第2実施形態と同様に、電流リップル率の最大値を20[%]、チョッパの出力電圧Voを1100[V]とすると、電流リップル率が最大になる時の入力電圧Vinは、降圧モードではVin≒868[V]、昇圧モードではVin≒367[V]となる。
FIG. 12 is a diagram illustrating the relationship between the input voltage and the current ripple in the design example based on the third embodiment. Since the relationship between the input voltage and the balance command rate is the same as in FIGS. 7 and 10, the illustration is omitted.
First, as in the second embodiment, the maximum value of the current ripple rate 20 [%], and the output voltage V o of the chopper and 1100 [V], the input voltage V in when the current ripple ratio becomes maximum In the step-down mode, V in ≈868 [V], and in the step-up mode, V in ≈367 [V].
図12における(1),(3),(4),(6)の時点では、電流リップル率が小さいため、コンデンサC1,C2の電圧不均等によるリップル電流はほとんど問題にならない。従って、図11のバランス指令値調整部200Cから出力するバランス指令値を0(バランス指令率を0%)としてスイッチング素子S1,S2のオン時間に偏りが生じないようにし、素子の熱バランスを保つ。
図12の降圧モード領域における(2)の時点は電流リップル率が大きいため、コンデンサC1,C2の電圧不均等によるリップル電流が大きい。このため、バランス指令値調整部200Cから出力するバランス指令値を最大値(バランス指令率を100%)としてリップル電流を抑制し、電力系統の接続機器を保護する。
また、昇圧モード領域における(5)の時点については、電流リップル率に応じたバランス指令値とすれば良い。
At the time of (1), (3), (4), and (6) in FIG. 12, since the current ripple rate is small, the ripple current due to the voltage nonuniformity of the capacitors C 1 and C 2 hardly poses a problem. Therefore, the balance command value output from the balance command
Since the current ripple rate is large at the point (2) in the step-down mode region of FIG. 12, the ripple current due to the voltage nonuniformity of the capacitors C 1 and C 2 is large. For this reason, the balance command value output from the balance command
Further, the time point (5) in the boost mode region may be a balance command value corresponding to the current ripple rate.
上記のように、降圧モード領域、昇圧モード領域のそれぞれについて、電流リップル率に応じて図12の(1)〜(2)〜(3)または(4)〜(5)〜(6)の範囲でバランス指令値を徐々に変化させることにより、スイッチング素子S1,S2の過熱保護及びリップル電流の抑制が可能になる。 As described above, for each of the step-down mode region and the step-up mode region, the range of (1) to (2) to (3) or (4) to (5) to (6) in FIG. 12 according to the current ripple rate. By gradually changing the balance command value, the overheating protection of the switching elements S 1 and S 2 and the ripple current can be suppressed.
なお、図13におけるスイッチング素子S3,S4をオンさせればコンデンサC1,C2のエネルギーを直流電源BATに回生することが可能であるが、本発明は、スイッチング素子S3,S4を備えていない3レベルチョッパにも適用することができる。 Note that if the switching elements S 3 and S 4 in FIG. 13 are turned on, the energy of the capacitors C 1 and C 2 can be regenerated to the DC power source BAT. However, the present invention is based on the switching elements S 3 and S 4. It can also be applied to a three-level chopper that does not have
本発明に係る3レベルチョッパは、例えば無停電電源装置や太陽光発電システムあるいは入力電圧が大きく変動する鉄道車両や電気自動車などの車両用電力変換装置等に利用可能である。 The three-level chopper according to the present invention can be used for, for example, an uninterruptible power supply device, a photovoltaic power generation system, or a vehicle power conversion device such as a railway vehicle or an electric vehicle whose input voltage greatly varies.
BAT:直流電源
S1〜S4:スイッチング素子
D1〜D4:還流ダイオード
L1,L2:リアクトル
C1,C2:コンデンサ
Cin:平滑コンデンサ
LD:負荷
P:正側端子
N:負側端子
M:中性点
101:PWM指令生成部
102:バランス指令値生成部
103,104,204,208,224,228:加減算器
105,106:PWM回路
200A,200B,200C:バランス指令値調整部
201,202,221,222:ローパスフィルタ
203,209,210,223:乗算器
205,225,230:コンパレータ
206,226,229:切替スイッチ
207,227:絶対値演算器
211:上下限リミッタ
BAT: DC power supply S 1 to S 4 : switching elements D 1 to D 4 : freewheeling diodes L 1 and L 2 : reactors C 1 and C 2 : capacitor C in : smoothing capacitor LD: load P: positive terminal N: negative Side terminal M: Neutral point 101: PWM command generation unit 102: Balance command
Claims (10)
前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのPWM指令値を生成するPWM指令生成部と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧に応じて、前記第1,第2のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記3レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記3レベルチョッパの降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記PWM指令値と前記バランス指令調整値とに基づいて前記第1,第2のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする3レベルチョッパ。 The first and second switching elements are connected in series between the positive and negative electrodes of the DC power supply via a reactor, and the first and second diodes are connected to both ends of the series circuit of the first and second switching elements. The first and second capacitors are connected in series via each, and the series connection point of the first and second switching elements and the series connection point of the first and second capacitors are connected, A three-level chopper in which a load is connected to both ends of a series circuit of first and second capacitors,
A PWM command generator for generating a PWM command value for making the voltage across the series circuit of the first and second capacitors coincide with the command value;
A balance command value generator for generating a balance command value for equalizing the voltages of the first and second capacitors in accordance with the voltages of the first and second capacitors;
The balance command value is adjusted according to the input voltage and output voltage of the three-level chopper and the input / output voltage ratio that maximizes the ripple rate of the current flowing through the chopper during the step-down operation of the three-level chopper. A balance command value adjustment unit for generating a balance command adjustment value;
Means for generating a drive signal for turning on and off the first and second switching elements based on the PWM command value and the balance command adjustment value;
A three-level chopper characterized by comprising
前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのPWM指令値を生成するPWM指令生成部と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧に応じて、前記第1,第2のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記3レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記3レベルチョッパの昇圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記PWM指令値と前記バランス指令調整値とに基づいて前記第1,第2のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする3レベルチョッパ。 The first and second switching elements are connected in series between the positive and negative electrodes of the DC power supply via a reactor, and the first and second diodes are connected to both ends of the series circuit of the first and second switching elements. The first and second capacitors are connected in series via each, and the series connection point of the first and second switching elements and the series connection point of the first and second capacitors are connected, A three-level chopper in which a load is connected to both ends of a series circuit of first and second capacitors,
A PWM command generator for generating a PWM command value for making the voltage across the series circuit of the first and second capacitors coincide with the command value;
A balance command value generator for generating a balance command value for equalizing the voltages of the first and second capacitors in accordance with the voltages of the first and second capacitors;
For adjusting the balance command value according to the input voltage and output voltage of the three-level chopper and the input / output voltage ratio that maximizes the ripple rate of the current flowing through the chopper during the boost operation of the three-level chopper A balance command value adjustment unit for generating a balance command adjustment value;
Means for generating a drive signal for turning on and off the first and second switching elements based on the PWM command value and the balance command adjustment value;
A three-level chopper characterized by comprising
前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのPWM指令値を生成するPWM指令生成部と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧に応じて、前記第1,第2のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記3レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記3レベルチョッパの昇圧・降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率がそれぞれ最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記PWM指令値と前記バランス指令調整値とに基づいて前記第1,第2のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする3レベルチョッパ。 The first and second switching elements are connected in series between the positive and negative electrodes of the DC power supply via a reactor, and the first and second diodes are connected to both ends of the series circuit of the first and second switching elements. The first and second capacitors are connected in series via each, and the series connection point of the first and second switching elements and the series connection point of the first and second capacitors are connected, A three-level chopper in which a load is connected to both ends of a series circuit of first and second capacitors,
A PWM command generator for generating a PWM command value for making the voltage across the series circuit of the first and second capacitors coincide with the command value;
A balance command value generator for generating a balance command value for equalizing the voltages of the first and second capacitors in accordance with the voltages of the first and second capacitors;
The balance command value is adjusted according to the input voltage and output voltage of the three-level chopper and the input / output voltage ratio at which the ripple rate of the current flowing through the chopper at the time of step-up / step-down operation of the three-level chopper is maximized. A balance command value adjustment unit for generating a balance command adjustment value for
Means for generating a drive signal for turning on and off the first and second switching elements based on the PWM command value and the balance command adjustment value;
A three-level chopper characterized by comprising
前記バランス指令値調整部は、
前記出力電圧と前記入出力電圧比との積と前記入力電圧との偏差を求め、この偏差と所定のゲインとの積に基づいて前記バランス指令値を調整することを特徴とする3レベルチョッパ。 In the three-level chopper according to any one of claims 1 to 3,
The balance command value adjustment unit
A three-level chopper characterized by obtaining a deviation between the product of the output voltage and the input / output voltage ratio and the input voltage and adjusting the balance command value based on a product of the deviation and a predetermined gain.
前記第1のダイオードに第3のスイッチング素子を逆並列に接続し、かつ、前記第2のダイオードに第4のスイッチング素子を逆並列に接続したことを特徴とする3レベルチョッパ。 In the 3 level chopper described in any one of Claims 1-4,
3. A three-level chopper, wherein a third switching element is connected in antiparallel to the first diode, and a fourth switching element is connected in antiparallel to the second diode.
前記第3,第4のスイッチング素子をオンさせて前記第1,第2のコンデンサのエネルギーを前記直流電源に回生することを特徴とする3レベルチョッパ。 The three-level chopper according to claim 5,
A three-level chopper, wherein the third and fourth switching elements are turned on to regenerate the energy of the first and second capacitors to the DC power source.
前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのPWM指令値を生成するPWM指令生成部と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧に応じて、前記第1,第2のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記3レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記3レベルチョッパの降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記PWM指令値と前記バランス指令調整値とに基づいて前記第1,第2のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする3レベルチョッパの制御回路。 The first and second switching elements are connected in series between the positive and negative electrodes of the DC power supply via a reactor, and the first and second diodes are connected to both ends of the series circuit of the first and second switching elements. The first and second capacitors are connected in series via each, and the series connection point of the first and second switching elements and the series connection point of the first and second capacitors are connected to each other. A control circuit of a three-level chopper in which a load is connected to both ends of a series circuit of first and second capacitors,
A PWM command generator for generating a PWM command value for making the voltage across the series circuit of the first and second capacitors coincide with the command value;
A balance command value generator for generating a balance command value for equalizing the voltages of the first and second capacitors in accordance with the voltages of the first and second capacitors;
The balance command value is adjusted according to the input voltage and output voltage of the three-level chopper and the input / output voltage ratio that maximizes the ripple rate of the current flowing through the chopper during the step-down operation of the three-level chopper. A balance command value adjustment unit for generating a balance command adjustment value;
Means for generating a drive signal for turning on and off the first and second switching elements based on the PWM command value and the balance command adjustment value;
A control circuit for a three-level chopper, comprising:
前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのPWM指令値を生成するPWM指令生成部と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧に応じて、前記第1,第2のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記3レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記3レベルチョッパの昇圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率が最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記PWM指令値と前記バランス指令調整値とに基づいて前記第1,第2のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする3レベルチョッパの制御回路。 The first and second switching elements are connected in series between the positive and negative electrodes of the DC power supply via a reactor, and the first and second diodes are connected to both ends of the series circuit of the first and second switching elements. The first and second capacitors are connected in series via each, and the series connection point of the first and second switching elements and the series connection point of the first and second capacitors are connected to each other. A control circuit of a three-level chopper in which a load is connected to both ends of a series circuit of first and second capacitors,
A PWM command generator for generating a PWM command value for making the voltage across the series circuit of the first and second capacitors coincide with the command value;
A balance command value generator for generating a balance command value for equalizing the voltages of the first and second capacitors in accordance with the voltages of the first and second capacitors;
For adjusting the balance command value according to the input voltage and output voltage of the three-level chopper and the input / output voltage ratio that maximizes the ripple rate of the current flowing through the chopper during the boost operation of the three-level chopper A balance command value adjustment unit for generating a balance command adjustment value;
Means for generating a drive signal for turning on and off the first and second switching elements based on the PWM command value and the balance command adjustment value;
A control circuit for a three-level chopper, comprising:
前記第1,第2のコンデンサの直列回路の両端電圧を指令値に一致させるためのPWM指令値を生成するPWM指令生成部と、
前記第1,第2のコンデンサの電圧に応じて、前記第1,第2のコンデンサの電圧を等しくするためのバランス指令値を生成するバランス指令値生成部と、
前記3レベルチョッパの入力電圧及び出力電圧と、前記3レベルチョッパの昇圧・降圧運転時にチョッパを流れる電流のリップル率がそれぞれ最大となる入出力電圧比と、に応じて、前記バランス指令値を調整するためのバランス指令調整値を生成するバランス指令値調整部と、
前記PWM指令値と前記バランス指令調整値とに基づいて前記第1,第2のスイッチング素子をオン・オフする駆動信号を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする3レベルチョッパの制御回路。 The first and second switching elements are connected in series between the positive and negative electrodes of the DC power supply via a reactor, and the first and second diodes are connected to both ends of the series circuit of the first and second switching elements. The first and second capacitors are connected in series via each, and the series connection point of the first and second switching elements and the series connection point of the first and second capacitors are connected to each other. A control circuit of a three-level chopper in which a load is connected to both ends of a series circuit of first and second capacitors,
A PWM command generator for generating a PWM command value for making the voltage across the series circuit of the first and second capacitors coincide with the command value;
A balance command value generator for generating a balance command value for equalizing the voltages of the first and second capacitors in accordance with the voltages of the first and second capacitors;
The balance command value is adjusted according to the input voltage and output voltage of the three-level chopper and the input / output voltage ratio at which the ripple rate of the current flowing through the chopper at the time of step-up / step-down operation of the three-level chopper is maximized. A balance command value adjustment unit for generating a balance command adjustment value for
Means for generating a drive signal for turning on and off the first and second switching elements based on the PWM command value and the balance command adjustment value;
A control circuit for a three-level chopper, comprising:
前記バランス指令値調整部は、
前記出力電圧と前記入出力電圧比との積と前記入力電圧との偏差を求め、この偏差と所定のゲインとの積に基づいて前記バランス指令値を調整することを特徴とする3レベルチョッパの制御回路。 In the control circuit of the three-level chopper according to any one of claims 7 to 9,
The balance command value adjustment unit
A deviation between the product of the output voltage and the input / output voltage ratio and the input voltage is obtained, and the balance command value is adjusted based on a product of the deviation and a predetermined gain. Control circuit.
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