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JP2019122173A - Power converter - Google Patents

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JP2019122173A
JP2019122173A JP2018001454A JP2018001454A JP2019122173A JP 2019122173 A JP2019122173 A JP 2019122173A JP 2018001454 A JP2018001454 A JP 2018001454A JP 2018001454 A JP2018001454 A JP 2018001454A JP 2019122173 A JP2019122173 A JP 2019122173A
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Japan
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switching
control
switching element
conduction
pwm
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JP2018001454A
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明磊 顧
ming lei Gu
明磊 顧
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Toyo Electric Manufacturing Ltd
Original Assignee
Toyo Electric Manufacturing Ltd
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Abstract

To suppress the switching loss.SOLUTION: The power converter 10 according to the present invention includes: a switching element 101 and a switching element 103 serially connected to each other; a switching element 102 and a switching element 104 serially connected to each other; a controller 120 for outputting the conduction ratio for each PWM cycle; and a PWM signal generator 130 for generating a PWM signal controlling the switch elements 101 to 104 on the basis of the output conduction ratio. The controller 120 calculates the conduction ratio D(n-1) in the first PWM cycle and the conduction ratio D(n) in the second PWM cycle on the basis of the input voltage and the output voltage instruction, and outputs the conduction ratio D'(n-1) at which the switching elements 101, 102 are constantly in the on-state and the switching elements 103 and 104 are constantly in the off-state in the frist PWM cycle and outputs the conduction ratio D'(n) according to the conduction ratios D(n-1) and D(n) in the second PWM cycle.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、直流電圧を等しいあるいはより小さい直流電圧に変換する電力変換器に関する。   The present invention relates to a power converter which converts direct current voltage into equal or smaller direct current voltage.

架線から直流電力を取り入れて動作する鉄道車両(電気車)には、一般的に、架線電圧の急変への対策として、補助電源装置への入力電力を安定化する直流−直流電力変換器(以下、電力変換器と称する)が搭載されている。このような電力変換器として、非特許文献1には、直並列連続切り替えチョッパ(SPCH:Serial-Parallel Continuously Regulated Chopper)が記載されている。   In a railway vehicle (electric vehicle) that operates by taking in DC power from an overhead wire, a DC-DC power converter (hereinafter referred to as a DC-DC power converter) that stabilizes input power to an auxiliary power supply device as a countermeasure against sudden changes in overhead wire voltage , Referred to as a power converter). Non-Patent Document 1 describes a serial-parallel continuously regulated chopper (SPCH) as such a power converter.

図6は、上述した直並列連続切り替えチョッパである電力変換器10aの構成例を示す回路図である。   FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration example of the power converter 10a which is the series-parallel continuous switching chopper described above.

図6に示す電力変換器10aは、スイッチング素子101〜104と、コンデンサ105,107と、負荷106,108と、インダクタ109,110と、制御部120aと、PWM(Pulse Width Modulation)信号生成部130とを備える。   Power converter 10a shown in FIG. 6 includes switching elements 101 to 104, capacitors 105 and 107, loads 106 and 108, inductors 109 and 110, control unit 120a, and PWM (Pulse Width Modulation) signal generation unit 130. And

スイッチング素子101〜104はそれぞれ、オンオフ可能なIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのスイッチング素子とダイオードとが逆並列接続されて構成される。   Each of the switching elements 101 to 104 is configured by reverse parallel connection of a switching element such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) that can be turned on and off, and a diode.

スイッチング素子101(第1のスイッチング素子)とスイッチング素子103(第3のスイッチング素子)とは直列に接続され、レグ113(第1のレグ)を構成する。スイッチング素子102(第2のスイッチング素子)とスイッチング素子104(第4のスイッチング素子)とは直列に接続され、レグ114(第2のレグ)を構成する。   The switching element 101 (first switching element) and the switching element 103 (third switching element) are connected in series to constitute a leg 113 (first leg). The switching element 102 (second switching element) and the switching element 104 (fourth switching element) are connected in series to constitute a leg 114 (second leg).

レグ113には、コンデンサ105(第1のコンデンサ)と負荷106(第1の負荷)とが並列に接続される。また、レグ114には、コンデンサ107(第2のコンデンサ)と負荷108(第2の負荷)とが並列に接続される。負荷106,108はそれぞれ、例えば、コンデンサと抵抗とが並列に接続された抵抗負荷、インバータなどであるが、これらに限られるものではない。   A capacitor 105 (first capacitor) and a load 106 (first load) are connected in parallel to the leg 113. Also, a capacitor 107 (second capacitor) and a load 108 (second load) are connected in parallel to the leg 114. Each of the loads 106 and 108 is, for example, a resistive load in which a capacitor and a resistor are connected in parallel, an inverter or the like, but is not limited thereto.

スイッチング素子103のスイッチング素子101と接続されていない端と、スイッチング素子102とスイッチング素子104との接続点との間には、インダクタ109(第1のインダクタ)が接続される。また、スイッチング素子101とスイッチング素子103との接続点と、スイッチング素子104のスイッチング素子102と接続されていない端との間には、インダクタ110(第2のインダクタ)が接続される。   An inductor 109 (first inductor) is connected between the end of the switching element 103 not connected to the switching element 101 and the connection point between the switching element 102 and the switching element 104. In addition, an inductor 110 (second inductor) is connected between a connection point of the switching element 101 and the switching element 103 and an end of the switching element 104 not connected to the switching element 102.

スイッチング素子101のスイッチング素子103と接続されていない端と、スイッチング素子102のスイッチング素子104と接続されていない端との間には、直流電源20が接続される。なお、直流電源20は、電力変換器10aが電気車に搭載される場合には、架線に相当する。   A DC power supply 20 is connected between the end of the switching element 101 not connected to the switching element 103 and the end of the switching element 102 not connected to the switching element 104. In addition, DC power supply 20 is corresponded to an overhead wire, when power converter 10a is mounted in an electric vehicle.

以下では、直流電源20からの入力電圧(電源電圧)をVin、インダクタ109に流れる電流をIL1、インダクタ110に流れる電流をIL2、コンデンサ105の電圧をVC1、コンデンサ107の電圧をVC2、負荷106への出力負荷電力をPout1、負荷106への出力電圧をVout1、出力電圧Vout1を指示する出力電圧指令をVout1_ref、負荷106に流れる出力負荷電流をIout1、負荷108への出力負荷電力をPout2、負荷108への出力電圧をVout2、出力電圧Vout2を指示する出力電圧指令をVout2_ref、負荷108に流れる出力負荷電流をIout2と定義する。また、以下では、コンデンサ105のキャパシタンスをC、コンデンサ107のキャパシタンスをC、インダクタ109のインダクタンスをL、インダクタ110のインダクタンスをLと定義する。 In the following, the input voltage (power supply voltage) from the DC power supply 20 is V in , the current flowing in the inductor 109 is I L1 , the current flowing in the inductor 110 is I L2 , the voltage of the capacitor 105 is V C1 , and the voltage of the capacitor 107 is V C2 , output load power to load 106 P out1 , output voltage to load 106 V out1 , output voltage command indicating output voltage V out1 V out1_ref , output load current flowing to load 106 I out1 , load 108 The output load power to the load 108 is defined as P out2 , the output voltage to the load 108 as V out2 , the output voltage command designating the output voltage V out2 as V out2 — ref , and the output load current flowing through the load 108 as I out2 . Further, hereinafter, the capacitance of the capacitor 105 is defined as C 1 , the capacitance of the capacitor 107 as C 2 , the inductance of the inductor 109 as L 1 , and the inductance of the inductor 110 as L 2 .

=L=L、C=C=C、IL1=IL2=I、VC1=VC2=V、Iout1=Iout2=Iout、Vout1=Vout2=Vout、Vout1_ref=Vout2_ref=Vout_ref、Pout1=Pout2=Poutと設定すると、制御部120aは、以下の式(1)により決定される値D,Dをそれぞれ、スイッチング素子101,102のデューティー比(通流率D=D=D)を制御するデューティー指令値として算出し、PWM信号生成部130に出力する。PWM信号生成部130は、三角波、のこぎり波などのPWMキャリアの振幅と通流率との大小関係に応じたパルス幅のPWM信号S〜Sをスイッチング素子101〜104に出力する。 L 1 = L 2 = L, C 1 = C 2 = C, I L1 = I L2 = I L , V C1 = V C2 = V C , I out1 = I out2 = I out , V out1 = V out2 = V out, V out1_ref = V out2_ref = V out_ref, by setting the P out1 = P out2 = P out , the control unit 120a, the following values D 1, which is determined by equation (1), D 2, respectively, switching elements 101 , 102 as a duty command value for controlling the duty ratio (conduction ratio D = D 1 = D 2 ), and outputs it to the PWM signal generation unit 130. PWM signal generating unit 130 outputs a triangular wave, a PWM signal S 1 to S 4 of the pulse width corresponding to the magnitude relation between the amplitude and the duty ratio of the PWM carrier, such as a sawtooth wave to the switching element 101 to 104.

Figure 2019122173
Figure 2019122173

特開2017−127142号公報JP, 2017-127142, A

電力変換器の特性および経済性の改善のためには、PWMキャリアのキャリア周波数の向上が有効である。一方で、IGBTなどのパワーデバイスでは、スイッチ動作の過渡状態においてスイッチング損失が発生する。スイッチング損失は、動作周波数に比例して増加する。そのため、スイッチング損失の抑制は電力変換にとって重要な課題となっている。   In order to improve the characteristics and economy of the power converter, it is effective to improve the carrier frequency of the PWM carrier. On the other hand, in a power device such as an IGBT, switching loss occurs in a transition state of switch operation. Switching losses increase in proportion to the operating frequency. Therefore, suppression of switching loss is an important issue for power conversion.

上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、スイッチング損失の抑制を図ることができる電力変換器を提供することである。   An object of the present invention made in view of the above problems is to provide a power converter capable of suppressing switching loss.

上記課題を解決するため、本発明に係る電力変換器は、第1のスイッチング素子と第3のスイッチング素子とを直列接続した第1のレグと、前記第1のレグと並列接続された第1のコンデンサおよび第1の負荷と、第2のスイッチング素子と第4のスイッチング素子とを直列接続した第2のレグと、前記第2のレグと並列接続された第2のコンデンサおよび第2の負荷と、前記第3のスイッチング素子の前記第1のスイッチング素子と接続されていない端と、前記第2のスイッチング素子と前記第4のスイッチング素子との接続点との間に接続された第1のインダクタと、前記第1のスイッチング素子と前記第3のスイッチング素子との接続点と、前記第4のスイッチング素子の前記第2のスイッチング素子と接続されていない端との間に接続された第2のインダクタとを備え、前記第1のスイッチング素子の前記第3のスイッチング素子と接続されていない端と、前記第2のスイッチング素子の前記第4のスイッチング素子と接続されていない端との間に直流電源が接続された電力変換器であって、PWM周期毎に通流率を出力する制御部と、前記制御部から出力された通流率に基づき、前記第1から第4のスイッチング素子を制御するPWM信号を生成するPWM信号生成部と、を有し、前記制御部は、前記直流電源からの入力電圧と、前記第1の負荷および前記第2の負荷への出力電圧を指示する出力電圧指令とに基づき、第1のPWM周期における第1の通流率および前記第1のPWM周期に続く第2のPWM周期における第2の通流率を算出し、前記第1のPWM周期では、前記第1および第2のスイッチング素子が常にオンとなり、前記第3および第4のスイッチング素子が常にオフとなる第3の通流率を前記PWM信号生成部に出力し、前記第2のPWM周期では、前記第1の通流率と前記第2の通流率とに応じた第4の通流率を前記PWM信号生成部に出力する。   In order to solve the above-mentioned subject, the power converter concerning the present invention is the 1st leg which connected the 1st switching element and the 3rd switching element in series, and the 1st connected in parallel with the 1st leg. And a second leg in which a second switching element and a fourth switching element are connected in series, a second capacitor connected in parallel to the second leg, and a second load A first switching element connected between the end of the third switching element not connected to the first switching element and the connection point between the second switching element and the fourth switching element A contact is made between an inductor, a connection point between the first switching element and the third switching element, and an end of the fourth switching element not connected to the second switching element. An end of the first switching element not connected to the third switching element, and an end not connected to the fourth switching element of the second switching element And a control unit for outputting a conduction ratio at each PWM cycle, and the first to fourth power conversion devices based on the conduction ratio output from the control unit. A PWM signal generation unit for generating a PWM signal for controlling the switching elements of the first and second control units, the control unit further comprising: an input voltage from the DC power supply; and an output voltage to the first load and the second load. Calculating a first conduction rate in a first PWM cycle and a second conduction rate in a second PWM cycle subsequent to the first PWM cycle, based on the output voltage command instructing the In the PWM cycle Outputting a third conduction ratio to the PWM signal generator, wherein the first and second switching elements are always on and the third and fourth switching elements are always off, and the second PWM In the cycle, a fourth conduction rate corresponding to the first conduction rate and the second conduction rate is output to the PWM signal generation unit.

また、本発明に係る電力変換器において、前記制御部は、前記第4の通流率に応じた前記出力電圧の時間積分値が、前記第1の通流率に応じた前記出力電圧の時間積分値と、前記第2の通流率に応じた前記出力電圧の時間積分値との和と等しくなるように、前記第4の通流率を決定することことが好ましい。   Further, in the power converter according to the present invention, the control unit is configured to calculate the time integral value of the output voltage according to the fourth current conduction rate according to the time of the output voltage according to the first current conduction rate Preferably, the fourth conduction ratio is determined to be equal to the sum of the integral value and the time integration value of the output voltage according to the second conduction ratio.

また、本発明に係る電力変換器において、前記PWM信号生成部に、前記第1のPWM周期では前記第1の通流率を出力し、前記第2のPWM周期では前記第2の通流率を出力する、第1の制御を行うか、前記PWM信号生成部に、前記第1のPWM周期では前記第3の通流率を出力し、前記第2のPWM周期では前記第4の通流率を出力する、第2の制御を行うかを、切り替える切替制御部を、さらに備えることが好ましい。   Further, in the power converter according to the present invention, the first conduction ratio is output to the PWM signal generation unit in the first PWM cycle, and the second conduction ratio is output in the second PWM cycle. To perform the first control, or to the PWM signal generation unit to output the third conduction ratio in the first PWM cycle, and to output the fourth conduction in the second PWM cycle. It is preferable to further include a switching control unit that switches whether to output the ratio or to perform the second control.

また、本発明に係る電力変換器において、前記切替制御部は、前記第4の通流率が、前記第2の制御を行う場合における前記インダクタで発生する電流リップルが、前記第1の制御を行う場合における前記インダクタで発生する電流リップルよりも小さくなる範囲内にあり、かつ、前記第2の制御を行う場合における前記インダクタで発生する鉄心損失と、前記第1の制御を行う場合における前記インダクタで発生する鉄心損失との差が、前記第1の制御を行う場合における前記スイッチング素子で発生するスイッチング損失と、前記第2の制御を行う場合における前記スイッチング素子で発生するスイッチング損失との差よりも小さい場合、前記第2の制御を行うと決定し、その他の場合、前記第1の制御を行うと決定することが好ましい。   Further, in the power converter according to the present invention, the switching control unit may be configured such that current ripples generated in the inductor when the fourth conduction rate performs the second control perform the first control. Iron core loss generated in the inductor in the case of performing the second control, and the inductor in the case of performing the first control in a range smaller than the current ripple generated in the inductor in the case of performing From the difference between the switching loss generated in the switching element when the first control is performed and the switching loss generated in the switching element when the second control is performed. Is also smaller, it is preferable to determine to perform the second control, and otherwise to determine to perform the first control

また、本発明に係る電力変換器において、前記鉄心損失は、後述する式(6)に基づき算出されることが好ましい。   Further, in the power converter according to the present invention, preferably, the iron core loss is calculated based on a formula (6) described later.

本発明に係る電力変換器によれば、スイッチング損失の抑制を図ることができる。   According to the power converter of the present invention, the switching loss can be suppressed.

本発明の第1の実施形態に係る電力変換器の構成例を示す図である。It is a figure showing an example of composition of a power converter concerning a 1st embodiment of the present invention. 従来の電力変換器におけるPWM信号の生成について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the production | generation of the PWM signal in the conventional power converter. 図1に示す電力変換器におけるPWM信号の生成について説明するための図である。It is a figure for demonstrating the production | generation of the PWM signal in the power converter shown in FIG. 本発明の第2の実施形態に係る電力変換器の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the power converter which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図4に示す電力変換器の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the power converter shown in FIG. 従来の電力変換器の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the conventional power converter.

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る電力変換器10の構成例を示す図である。本実施形態に係る電力変換器10は、図6に示す電力変換器と比較して、制御部120aを制御部120に変更した点が異なる。すなわち、本実施形態に係る電力変換器10は、スイッチング素子101〜104と、コンデンサ105,107と、負荷106,108と、インダクタ109,110と、制御部120と、PWM信号生成部130とを備える。スイッチング素子101〜104、コンデンサ105,107、負荷106,108およびインダクタ109,110の接続関係は、図6に示す電力変換器10aと同様である。
First Embodiment
FIG. 1 is a view showing a configuration example of a power converter 10 according to a first embodiment of the present invention. The power converter 10 according to the present embodiment is different from the power converter shown in FIG. 6 in that the control unit 120a is changed to a control unit 120. That is, the power converter 10 according to the present embodiment includes the switching elements 101 to 104, the capacitors 105 and 107, the loads 106 and 108, the inductors 109 and 110, the control unit 120, and the PWM signal generation unit 130. Prepare. The connection relationship between switching elements 101 to 104, capacitors 105 and 107, loads 106 and 108, and inductors 109 and 110 is the same as that of power converter 10a shown in FIG.

制御部120は、PWMキャリアの振幅と通流率との大小関係に応じて、PWM制御におけるPWM周期毎に、通流率をPWM信号生成部130に出力する。   The control unit 120 outputs the conduction ratio to the PWM signal generation unit 130 for each PWM cycle in PWM control according to the magnitude relationship between the amplitude of the PWM carrier and the conduction ratio.

PWM信号生成部130は、制御部120から出力された通流率に基づきPWM信号S〜Sを生成し、スイッチング素子101〜104それぞれに出力する。 The PWM signal generation unit 130 generates PWM signals S 1 to S 4 based on the conduction ratio output from the control unit 120, and outputs the PWM signals S 1 to S 4 to the switching elements 101 to 104, respectively.

次に、制御部120が出力する通流率について説明する。   Next, the conduction ratio output by the control unit 120 will be described.

制御部120は、PWM周期毎に、上述した式(1)に基づき、通流率Dを算出する。より具体的には、制御部120は、直流電源20からの入力電圧Vinと、出力電圧Voutを指示する出力電圧指令Vout_refとに基づき、第n−1次のPWM周期(nは偶数)(第1のPWM周期)における通流率D(以下、通流率D(n−1)と称する)、および、第n−1次のPWM周期に続く第n次のPWM周期(第2のPWM周期)における通流率D(以下、通流率D(n)と称する)を算出する。 The control unit 120 calculates the conduction rate D based on the above equation (1) for each PWM cycle. More specifically, the control unit 120, the input voltage V in from the DC power source 20, based on the output voltage command V Out_ref instructing output voltage V out, the first n-1 primary PWM cycle (n an even number ) (The first PWM cycle) (hereinafter referred to as “the conduction rate D (n−1)”), and the nth PWM cycle (the second cycle following the n−1th PWM cycle) The conduction rate D (hereinafter referred to as the conduction rate D (n)) in the PWM cycle of 1) is calculated.

次に、制御部120は、第n−1次のPWM周期(奇数次のPWM周期)では、スイッチング素子101,102が常にオンとなり、スイッチング素子103,104が常にオフとなる通流率D(以下、通流率D’(n−1)と称する)を、PWM信号生成部130に出力する。すなわち、制御部120は、第n−1次のPWM周期では、以下の式(2)で示される通流率D’(n−1)を、PWM信号生成部130に出力する。   Next, in the nth-1st PWM cycle (odd-order PWM cycle), the control unit 120 continuously changes the switching ratio D (the switching elements 101 and 102 are always on and the switching elements 103 and 104 are always off). Hereinafter, the conduction ratio D ′ (n−1) is output to the PWM signal generation unit 130. That is, the control unit 120 outputs, to the PWM signal generation unit 130, a conduction ratio D '(n-1) represented by the following equation (2) in the (n-1) th PWM cycle.

Figure 2019122173
Figure 2019122173

また、制御部120は、第n次のPWM周期(偶数次のPWM周期)では、通流率D(n−1)と通流率D(n)とに応じた通流率D(以下、通流率D’(n)と称する)を、PWM信号生成部130に出力する。具体的には、制御部120は、第n次のPWM周期では、以下の式(3)で示される通流率D’(n)を、PWM信号生成部130に出力する。   Further, in the nth PWM cycle (even-order PWM cycle), control unit 120 determines a conduction rate D (hereinafter referred to as “D”) corresponding to conduction rate D (n−1) and conduction rate D (n). The conduction ratio D ′ (n) is output to the PWM signal generator 130. Specifically, the control unit 120 outputs, to the PWM signal generation unit 130, a conduction ratio D '(n) represented by the following equation (3) in the nth PWM cycle.

Figure 2019122173
Figure 2019122173

すなわち、制御部120は、直流電源20からの入力電圧Vinと、負荷106(第1の負荷)および負荷108(第2の負荷)への出力電圧Voutを指示する出力電圧指令Vout_refとに基づき、第n−1次のPWM周期(第1のPWM周期)における通流率D(n−1)(第1の通流率)、および、第n−1次のPWM周期に続く第n次のPWM周期(第2のPWM周期)における通流率D(n)(第2の通流率)を算出する。そして、制御部120は、第n−1次のPWM周期では、スイッチング素子101,102が常にオンとなり、スイッチング素子103,104が常にオフとなる通流率D’(n−1)(第3の通流率)をPWM信号生成部130に出力し、第n次のPWM周期では、通流率D(n−1)と通流率D(n)とに応じた通流率D’(n)(第4の通流率)をPWM信号生成部130に出力する。 That is, control unit 120 outputs input voltage V in from DC power supply 20, and output voltage command V out — ref instructing output voltage V out to load 106 (first load) and load 108 (second load). , The conduction rate D (n-1) (first conduction rate) in the n-1st PWM cycle (first PWM cycle), and the 1st PWM cycle following the n-1th PWM cycle The conduction rate D (n) (second conduction rate) in the n-th PWM cycle (second PWM cycle) is calculated. Then, in the control unit 120, in the (n−1) th PWM cycle, the switching elements 101 and 102 are always on, and the switching elements 103 and 104 are always off. A conduction ratio D ′ (n−1) (third Current ratio) to the PWM signal generation unit 130, and in the nth PWM cycle, the current ratio D ′ (n) according to the current ratio D (n−1) and the current ratio D (n). n) (the fourth conduction rate) is output to the PWM signal generator 130.

図2は、図6に示す従来の電力変換器10aにおけるPWM信号S〜Sの生成について説明するための図である。図2においては、PWMキャリアが、振幅が0から1の範囲で変化する三角波である例を示している。 FIG. 2 is a diagram for explaining generation of PWM signals S 1 to S 4 in the conventional power converter 10 a shown in FIG. 6. FIG. 2 shows an example in which the PWM carrier is a triangular wave whose amplitude changes in the range of 0 to 1.

PWM信号生成部130は、第n−1周期(第n−1次のPWM周期)では、制御部120aから出力された通流率D(n−1)とPWMキャリアの振幅とを比較し、通流率D(n−1)がPWMキャリア以上である場合には、PWM信号S,SをHighレベルとし、PWM信号S,SをLowレベルとする。また、PWM信号生成部130は、通流率D(n−1)がPWMキャリアより小さい場合には、PWM信号S,SをLowレベルとし、PWM信号S,SをHighレベルとする。同様に、PWM信号生成部130は、第n−1周期に続く第n周期(第n次のPWM周期)においても、制御部120aから出力された通流率D(n)とPWMキャリアとの大小関係に応じて、PWM信号S〜Sの論理レベルを変更する。このように従来の電力変換器10aにおいては、PWM周期毎に、スイッチング素子101〜104のスイッチングが行われる。 The PWM signal generation unit 130 compares the conduction ratio D (n−1) output from the control unit 120 a with the amplitude of the PWM carrier in the n−1th period (n−1 th order PWM period), duty ratio D (n-1) is the case where more than PWM carrier the PWM signal S 1, S 2 and High level, the PWM signal S 3, S 4 Low level. Further, when the conduction ratio D (n−1) is smaller than the PWM carrier, the PWM signal generation unit 130 sets the PWM signals S 1 and S 2 to Low level, and sets the PWM signals S 3 and S 4 to High level. Do. Similarly, also in the nth period (nth PWM period) following the n-1th period, the PWM signal generation unit 130 outputs the conduction ratio D (n) output from the control unit 120a and the PWM carrier. depending on the magnitude relationship, it changes the logic level of the PWM signal S 1 to S 4. Thus, in the conventional power converter 10a, switching of the switching elements 101 to 104 is performed for each PWM cycle.

図3は、本実施形態に係る電力変換器10におけるPWM信号S〜Sの生成について説明するための図である。図3においては、PWMキャリアが、振幅が0から1の範囲で変化する三角波である例を示している。 FIG. 3 is a diagram for describing generation of PWM signals S 1 to S 4 in the power converter 10 according to the present embodiment. FIG. 3 shows an example in which the PWM carrier is a triangular wave whose amplitude changes in the range of 0 to 1.

本実施形態においては、制御部120は、第n−1周期(第n−1次のPWM周期)では、通流率D’(n−1)=1とする。通流率D’(n−1)=1であるため、図3に示すように、第n−1周期においては常に、通流率D’(n−1)がPWMキャリア以上である。そのため、PWM信号生成部130は、第n−1周期においては、PWM信号S,SをHighレベルのままとし、PWM信号S,SをLowレベルのままとする。したがって、第n−1周期(第n−1次のPWM周期)においては、スイッチング素子101,102は常にオンであり、スイッチング素子103,104は常にオフである。 In the present embodiment, the control unit 120 sets the conduction ratio D ′ (n−1) = 1 in the n−1 th cycle (n−1 th order PWM cycle). Since the conduction rate D '(n-1) = 1, as shown in FIG. 3, the conduction rate D' (n-1) is always equal to or higher than the PWM carrier in the (n-1) th cycle. Therefore, the PWM signal generation unit 130 keeps the PWM signals S 1 and S 2 at the High level and keeps the PWM signals S 3 and S 4 at the Low level in the n−1th cycle. Therefore, in the (n−1) th cycle (the n−1 th order PWM cycle), the switching elements 101 and 102 are always on, and the switching elements 103 and 104 are always off.

第n−1周期に続く第n周期(第n次のPWM周期)では、PWM信号生成部130は、制御部120から出力された通流率D’(n)とPWMキャリアとの大小関係に応じて、PWM信号S〜Sの論理レベルを変更する。 In the nth period (nth PWM period) subsequent to the n-1th period, the PWM signal generation unit 130 compares the magnitude of the conduction ratio D ′ (n) output from the control unit 120 with the PWM carrier. Correspondingly, changes the logic level of the PWM signal S 1 to S 4.

したがって、本実施形態に係る電力変換器10においては、第n−1周期(第n−1次のPWM周期)では、スイッチング素子101〜104のスイッチングが行われない。そのため、第n−1次のPWM周期と第n次のPWM周期とを合わせた期間でみると、本実施形態に係る電力変換器10は、図6に示す電力変換器10aと比較して、スイッチング素子101〜104のスイッチングが半分になる。そのため、スイッチング素子101〜104のスイッチングによるスイッチング損失の抑制を図ることができる。なお、制御部120は、第n次のPWM周期における通流率D’(n)に応じた出力電圧Voutの時間積分値が、第n−1次のPWM周期における通流率D(n−1)に応じた出力電圧Voutの時間積分値と、第n次のPWM周期における通流率D(n)に応じた出力電圧Voutの時間積分値との和と等しくなるように、通流率D’(n)を決定する。そのため、出力電圧指令Vout_refに追従しつつ、スイッチング損失の抑制を図ることができる。 Therefore, in the power converter 10 according to the present embodiment, switching of the switching elements 101 to 104 is not performed in the n-1st period (the n-1th PWM period). Therefore, the power converter 10 according to the present embodiment can be compared with the power converter 10a shown in FIG. 6 in terms of a period in which the n-1st PWM period and the nth PWM period are combined. The switching of the switching elements 101 to 104 is halved. Therefore, the switching loss due to the switching of the switching elements 101 to 104 can be suppressed. It is noted that control unit 120 sets the time integral value of output voltage V out according to conduction ratio D ′ (n) in the n th PWM period to the conduction ratio D (n th a time integration value of the output voltage V out corresponding to -1), to be equal to the sum of the time integral value of the output voltage V out corresponding to the duty ratio in the n-th PWM cycle D (n), Determine the conduction rate D '(n). Therefore, the switching loss can be suppressed while following the output voltage command V out — ref .

このように本実施形態においては、制御部120は、直流電源20からの入力電圧Vinと、出力電圧指令Vout_refとに基づき、第n−1次のPWM周期(第1のPWM周期)における通流率D(n−1)(第1の通流率)および第n−1次のPWM周期に続く第n次のPWM周期(第2のPWM周期)における通流率D(n)(第2のPWM周期)を算出し、第n−1次のPWM周期では、スイッチング素子101,102が常にオンとなり、スイッチング素子103,104が常にオフとなる通流率D’(n−1)(第3の通流率)をPWM信号生成部130に出力し、第n次のPWM周期では、通流率D(n−1)と通流率D(n)とに応じた通流率D’(n)(第4の通流率)をPWM信号生成部130に出力する。 As described above, in the present embodiment, the control unit 120 determines whether or not the (n−1) th PWM cycle (the first PWM cycle) is based on the input voltage V in from the DC power supply 20 and the output voltage command V out — ref . The conduction ratio D (n-1) (first conduction ratio) and the conduction ratio D (n) in the nth PWM cycle (second PWM cycle) following the n-1st PWM cycle The second PWM cycle is calculated, and in the n-1st PWM cycle, the switching elements 101 and 102 are always on, and the switching elements 103 and 104 are always off. A conduction ratio D '(n-1) (The third conduction rate) is output to the PWM signal generation unit 130, and in the nth PWM cycle, the conduction rate according to the conduction rate D (n-1) and the conduction rate D (n) D ′ (n) (fourth conduction ratio) is output to the PWM signal generator 130.

そのため、第n−1次のPWM周期では、スイッチング素子101〜104のスイッチングが行われないので、スイッチング損失の抑制を図ることができる。   Therefore, switching of the switching elements 101 to 104 is not performed in the (n−1) th PWM cycle, so that switching loss can be suppressed.

(第2の実施形態)
上述したように、従来の電力変換器10aにおいては、PWM信号生成部130に、第n−1次のPWM周期では通流率D(n−1)を出力し、第n次のPWM周期では通流率D(n)を出力する制御(以下、第1の制御と称する)が行われる。一方、第1の実施形態においては、PWM信号生成部130に、第n−1次のPWM周期では通流率D’(n−1)を出力し、第n次のPWM周期では通流率D’(n)を出力する制御(以下、第2の制御と称する)が行われる。
Second Embodiment
As described above, in the conventional power converter 10a, the conduction rate D (n-1) is output to the PWM signal generation unit 130 in the n-1st PWM cycle, and in the nth PWM cycle. Control (hereinafter, referred to as first control) for outputting the current conduction rate D (n) is performed. On the other hand, in the first embodiment, the conduction ratio D '(n-1) is output to the PWM signal generation unit 130 in the n-1st PWM cycle, and the conduction ratio is output in the nth PWM cycle. Control for outputting D ′ (n) (hereinafter, referred to as second control) is performed.

ここで、第2の制御を行う場合、第2の制御を行う場合におけるインダクタ109,110の電流リップルが、第1の制御を行う場合におけるインダクタ109,110の電流リップルの上限を超えない(第2の制御を行う場合における電流リップルが、第1の制御を行う場合における電流リップルよりも小さい)という条件(第1の条件)を満たすことが望ましい。また、第2の制御を行う場合、第2の制御を行う場合におけるインダクタ109,110の鉄心損失の増加分が、第2の制御を行う場合におけるスイッチング損失の低減分よりも小さいという条件(第2の条件)を満たすことが望ましい。   Here, in the case of performing the second control, the current ripple of the inductors 109 and 110 in the case of performing the second control does not exceed the upper limit of the current ripple of the inductors 109 and 110 in the case of performing the first control. It is desirable to satisfy the condition (first condition) that the current ripple in the case of performing control 2 is smaller than the current ripple in the case of performing the first control. In addition, when performing the second control, the condition that the increase in iron core loss of the inductors 109 and 110 in the case of performing the second control is smaller than the reduction in switching loss in the case of performing the second control It is desirable to satisfy the condition 2).

そこで、本発明の第2の実施形態においては、上述した条件を満たすか否かに応じて、第1の制御を行うか、第2の制御を行うかを切り替えるようにした。   Therefore, in the second embodiment of the present invention, whether to perform the first control or to perform the second control is switched depending on whether the above-described condition is satisfied.

図4は、本発明の第2の実施形態に係る電力変換器10Aの構成例を示す図である。なお、図4においては、直流電源20、スイッチング素子101〜104、コンデンサ105,107、負荷106,108およびインダクタ109,110については、記載を省略しているが、これらの接続関係は、図1に示す電力変換器10と同様である。   FIG. 4 is a view showing a configuration example of a power converter 10A according to a second embodiment of the present invention. In addition, although description is abbreviate | omitted about the direct-current power supply 20, the switching elements 101-104, the capacitors 105 and 107, the loads 106 and 108, and the inductors 109 and 110 in FIG. Are similar to the power converter 10 shown in FIG.

図4に示す電力変換器10Aは、図1に示す電力変換器10と比較して、制御部120を制御部120Aに変更した点と、切替器121、切替制御部122、鉄心損失算出部123およびスイッチング損失算出部124を追加した点が異なる。   Power converter 10A shown in FIG. 4 is different from power converter 10 shown in FIG. 1 in that control unit 120 is changed to control unit 120A, switch 121, switching control unit 122, iron core loss calculation unit 123. And a switching loss calculation unit 124 is added.

制御部120Aは、式(1)に従い算出した、第n−1次のPWM周期における通流率D(n−1)および第n次のPWM周期における通流率D(n)を、切替器121に出力する。また、制御部120Aは、式(2)および式(3)に基づき算出した第n−1次のPWM周期の通流率D’(n−1)および第n次のPWM周期の通流率D’(n)を、切替器121に出力する。また、制御部120Aは、算出した通流率D’(n)を切替制御部122に出力する。   The control unit 120A switches the conduction rate D (n-1) in the (n-1) th PWM cycle and the conduction rate D (n) in the nth PWM cycle, which are calculated according to equation (1). Output to 121. The control unit 120A further calculates the conduction rate D ′ (n−1) of the (n−1) th PWM cycle and the conduction rate of the nth PWM cycle, which are calculated based on the equations (2) and (3). D ′ (n) is output to the switch 121. Further, the control unit 120A outputs the calculated conduction ratio D '(n) to the switching control unit 122.

切替器121は、切替制御部122の制御に従い、制御部120Aから出力された、第1の制御に応じた通流率(通流率D(n−1)および通流率D(n))、および、第2の制御に応じた通流率(通流率D’(n−1)および通流率D’(n))のうち、一方をPWM信号生成部130に出力する。   The switching device 121 outputs the conduction rate according to the first control (the conduction rate D (n-1) and the conduction rate D (n)) output from the control unit 120A according to the control of the switching control unit 122. And one of the conduction rates (the conduction rate D ′ (n−1) and the conduction rate D ′ (n)) corresponding to the second control are output to the PWM signal generation unit 130.

切替制御部122は、制御部120Aから出力された通流率D’(n)、後述する鉄心損失算出部123により算出された鉄心損失、および、後述するスイッチング損失算出部124により算出されたスイッチング損失に基づき、上述した第1の条件および第2の条件が満たされるか否かを判定する。切替制御部122は、第1の条件および第2の条件が満たされる場合には、第2の制御を行うと決定する。そして、切替制御部122は、第2の制御に応じた通流率がPWM信号生成部130に入力されるように、切替器121を制御する。また、切替制御部122は、その他の場合には、第1の制御を行うと決定する。そして、切替制御部122は、第1の制御に応じた通流率がPWM信号生成部130に入力されるように、切替器121を制御する。   The switching control unit 122 controls the conduction rate D ′ (n) output from the control unit 120A, the iron core loss calculated by the iron core loss calculating unit 123 described later, and the switching calculated by the switching loss calculating unit 124 described later. Based on the loss, it is determined whether the first and second conditions described above are satisfied. The switching control unit 122 determines that the second control is to be performed when the first condition and the second condition are satisfied. Then, the switching control unit 122 controls the switching device 121 such that the conduction ratio according to the second control is input to the PWM signal generation unit 130. Further, in other cases, the switching control unit 122 determines to perform the first control. Then, the switching control unit 122 controls the switching device 121 such that the conduction ratio according to the first control is input to the PWM signal generation unit 130.

具体的には、切替制御部122は、制御部120Aから出力された通流率D’(n)が上述した第1の条件を満たすか否かを判定する。   Specifically, the switching control unit 122 determines whether or not the current conduction rate D '(n) output from the control unit 120A satisfies the first condition described above.

SPCHのインダクタ109,110における電流リップルΔIは、以下の式(4)に基づき算出することができる。なお、式(4)において、TはPWMキャリアのキャリア周期である。 Current ripple [Delta] I L in the inductor 109 and 110 of the SPCH can be calculated based on the following equation (4). In equation (4), T is the carrier period of the PWM carrier.

Figure 2019122173
Figure 2019122173

式(4)より、第1の条件(第2の制御を行う場合における電流リップルが、第1の制御を行う場合における電流リップルよりも小さい)が満たされる通流率Dの範囲(以下、通流率動作範囲)は、以下の式(5)で表される。   From the equation (4), the range of the conduction ratio D in which the first condition (the current ripple in the case of performing the second control is smaller than the current ripple in the case of performing the first control) is satisfied The flow rate operating range is expressed by the following equation (5).

Figure 2019122173
Figure 2019122173

式(5)において、L’は、通流率Dが1に近づく場合に、定電力負荷でインダクタ電流Iが大きくなり、磁気飽和により小さくなったインダクタンスである。 In the equation (5), L ′ is an inductance in which the inductor current I L increases at a constant power load when the conduction ratio D approaches 1 and decreases due to magnetic saturation.

切替制御部122は、制御部120により算出された通流率D’(n)が通流率動作範囲内にある場合には、第1の条件が満たされると判定し、その他の場合には、第1の条件が満たされないと判定する。切替制御部122による第2の条件が満たされるか否かの判定については後述する。   The switching control unit 122 determines that the first condition is satisfied when the conduction rate D ′ (n) calculated by the control unit 120 is within the conduction rate operation range, and in other cases, , It is determined that the first condition is not satisfied. The determination as to whether or not the second condition is satisfied by the switching control unit 122 will be described later.

鉄心損失算出部123は、インダクタ109,110における鉄心損失Pfeを以下の式(6)に基づき算出する。 The iron core loss calculation unit 123 calculates the iron core loss P fe in the inductors 109 and 110 based on the following equation (6).

Figure 2019122173
Figure 2019122173

式(6)において、Vfeはインダクタ109,110のインダクタコアの体積であり、K、α、βは鉄心材料データシートにおける鉄心損失特性に応じた定数パラメータであり、fはキャリア周波数であり、Nはインダクタ109,110の巻数であり、Aはインダクタ109,110のインダクタ鉄心の断面積である。 In equation (6), V fe is the volume of the inductor core of inductors 109 and 110, K c , α and β are constant parameters according to the core loss characteristics in the core material data sheet, and f is the carrier frequency , N P is the number of turns of the inductors 109 and 110, and A C is a cross-sectional area of the inductor core of the inductors 109 and 110.

以下では、式(5)に示す通流率動作範囲において、出力電圧Voutは一定として、第1の制御を行う場合における1個のインダクタの鉄心損失をPfe(D,f)と定義し、第2の制御を行う場合における1個のインダクタの鉄心損失をPfe(D,f/2)と定義する。鉄心損失算出部123は、鉄心損失Pfe(D,f)および鉄心損失Pfe(D,f/2)を算出し、切替制御部122に出力する。 In the following, assuming that the output voltage Vout is constant in the conduction ratio operation range shown in the equation (5), the iron core loss of one inductor in the case of performing the first control is defined as P fe (D, f) The iron core loss of one inductor in the case of performing the second control is defined as P fe (D, f / 2). The iron core loss calculation unit 123 calculates the iron core loss P fe (D, f) and the iron core loss P fe (D, f / 2), and outputs the iron core loss P fe (D, f / 2) to the switching control unit 122.

スイッチング損失算出部124は、インダクタ電流Iにより発生するスイッチング素子101〜104のスイッチング損失を、通流率Dに応じた電流リップルを考慮して、パワーデバイスのデータシートにおけるスイッチング損失特性を用いて算出する。以下では、第1の制御を行う場合の、キャリア周波数fにおける1レグあたりのスイッチング損失をPSW(I,D,f)と定義し、第2の制御を行う場合の、1レグあたりのスイッチング損失をPSW(I,D,f/2)と定義する。スイッチング損失算出部124は、スイッチング損失PSW(I,D,f)およびスイッチング損失PSW(I,D,f/2)を算出し、切替制御部122に出力する。なお、上述したようなスイッチング損失の算出は当業者によく知られているため、詳細な説明を省略する。 Switching loss calculation unit 124 uses the switching loss characteristics in the data sheet of the power device in consideration of the switching loss of switching elements 101 to 104 generated by inductor current I L according to the current ripple corresponding to conduction ratio D. calculate. In the following, the switching loss per leg at the carrier frequency f in the case of performing the first control is defined as P SW (I L , D, f), and in the case of performing the second control, per switching. The switching loss is defined as P SW (I L , D, f / 2). The switching loss calculation unit 124 calculates the switching loss P SW (I L , D, f) and the switching loss P SW (I L , D, f / 2), and outputs this to the switching control unit 122. The calculation of the switching loss as described above is well known to those skilled in the art, and thus the detailed description is omitted.

切替制御部122は、鉄心損失算出部123から出力された鉄心損失Pfe(D,f)および鉄心損失Pfe(D,f/2)と、スイッチング損失PSW(I,D,f)およびスイッチング損失PSW(I,D,f/2)とに基づき、上述した第2の条件が満たされるか否かを判定する。 The switching control unit 122 outputs the iron core loss P fe (D, f) and the iron core loss P fe (D, f / 2) output from the iron core loss calculation unit 123 and the switching loss P SW ( IL , D, f). And, based on the switching loss P SW (I L , D, f / 2), it is determined whether or not the second condition described above is satisfied.

第2の制御を行う場合における1個のインダクタによる鉄心損失の増加分ΔPfe(D,f/2)は、以下の式(7)で表される。 The increase ΔP fe (D, f / 2) of the core loss due to one inductor in the case of performing the second control is expressed by the following equation (7).

Figure 2019122173
Figure 2019122173

また、第2の制御を行う場合における1レグあたりのスイッチング損失の減少分ΔPSW(I,D,f/2)は、以下の式(8)で表される。 Further, the decrease ΔP SW (I L , D, f / 2) of the switching loss per one leg when the second control is performed is expressed by the following equation (8).

Figure 2019122173
Figure 2019122173

切替制御部122は、式(7)に基づき算出した1個のインダクタによる鉄心損失の増加分ΔPfe(D,f/2)と、式(8)に基づき算出した1レグあたりのスイッチング損失の減少分ΔPSW(I,D,f/2)とを比較し、以下の式(9)が成立するか否かを判定する。 The switching control unit 122 is configured to calculate an increase ΔP fe (D, f / 2) of iron core loss due to one inductor calculated based on Expression (7) and switching loss per one leg calculated based on Expression (8). The decrease amount ΔP SW (I L , D, f / 2) is compared to determine whether or not the following equation (9) is established.

Figure 2019122173
Figure 2019122173

切替制御部122は、式(9)が成立する場合には、第2の条件が満たされると判定する。そして、切替制御部122は、第1の条件および第2の条件が満たされる場合には、第2の制御を行うと決定し、その他の場合には、第1の制御を行うと決定する。すなわち、切替制御部122は、通流率D’(n)が、第2の制御を行う場合におけるインダクタで発生する電流リップルが、第1の制御を行う場合におけるインダクタで発生する電流リップルよりも小さくなる範囲内にあり、かつ、第2の制御を行う場合におけるインダクタで発生する鉄心損失と、第1の制御を行う場合におけるインダクタで発生する鉄心損失との差が、第1の制御を行う場合におけるスイッチング損失と、第2の制御を行う場合におけるスイッチング損失との差よりも小さい場合、第2の制御を行うと決定し、その他の場合、第1の制御を行うと決定する。   The switching control unit 122 determines that the second condition is satisfied when Expression (9) is satisfied. Then, the switching control unit 122 determines that the second control is to be performed when the first condition and the second condition are satisfied, and determines that the first control is to be performed in other cases. That is, in the switching control unit 122, the current ripple generated in the inductor when the conduction ratio D ′ (n) performs the second control is higher than the current ripple generated in the inductor when the first control is performed. The difference between the iron core loss generated in the inductor when the second control is performed and the iron core loss generated in the inductor when the first control is performed performs the first control. If it is smaller than the difference between the switching loss in the case and the switching loss in the case of performing the second control, it is determined to perform the second control, otherwise it is determined to perform the first control.

次に、本実施形態に係る電力変換器10Aの動作について、図5に示すフローチャートを参照して説明する。   Next, the operation of the power converter 10A according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG.

まず、切替制御部122は、制御部120Aが算出した通流率D’(n)が通流率動作範囲内にあるか否かを判定する(ステップS11)。   First, the switching control unit 122 determines whether or not the current conduction rate D '(n) calculated by the control unit 120A is within the current conduction rate operation range (step S11).

通流率D’(n)が通流率動作範囲内にある場合(ステップS11:Yes)、鉄心損失算出部123は、式(6)に基づき、鉄心損失Pfe(D,f)および鉄心損失Pfe(D,f/2)を算出する(ステップS12)。また、スイッチング損失算出部124は、スイッチング損失PSW(I,D,f)およびスイッチング損失PSW(I,D,f/2)を算出する(ステップS13)。 If the current conduction rate D '(n) is within the current conduction rate operating range (step S11: Yes), the iron core loss calculation unit 123 calculates the iron core loss P fe (D, f) and the iron core based on equation (6). The loss P fe (D, f / 2) is calculated (step S12). Further, the switching loss calculation unit 124 calculates the switching loss P SW (I L , D, f) and the switching loss P SW (I L , D, f / 2) (step S 13).

切替制御部122は、鉄心損失Pfe(D,f)、鉄心損失Pfe(D,f/2)、スイッチング損失PSW(I,D,f)およびスイッチング損失PSW(I,D,f/2)に基づき、第2の制御を行うことによる、1レグあたりのスイッチング損失の減少分ΔPSW(I,D,f/2)が、1個のインダクタによる鉄心損失の増加分ΔPfe(D,f/2)よりも大きいか否かを判定する(ステップS14)。 The switching control unit 122 includes iron core loss P fe (D, f), iron core loss P fe (D, f / 2), switching loss P SW (I L , D, f), and switching loss P SW (I L , D). , F / 2), the decrease in switching loss per leg ΔP SW (I L , D, f / 2) by the second control is the increase in iron core loss due to one inductor. It is determined whether it is larger than ΔP fe (D, f / 2) (step S14).

通流率D’(n)が通流率動作範囲内にない場合(ステップS11:No)、および、スイッチング損失の減少分ΔPSW(I,D,f/2)が、鉄心損失の増加分ΔPfe(D,f/2)よりも大きくない場合(ステップS14:No)、切替制御部122は、第1の制御を行うと決定する(ステップS15)。そして、切替制御部122は、切替器121を制御し、第1の制御に応じた通流率(通流率D(n−1)および通流率D(n))が、PWM信号生成部130に出力されるようにする。 If the conduction rate D '(n) is not within the conduction rate operating range (step S11: No) and the decrease in switching loss ΔP SW (I L , D, f / 2) increases the iron core loss When it is not larger than the minute ΔP fe (D, f / 2) (step S14: No), the switching control unit 122 determines to perform the first control (step S15). Then, the switching control unit 122 controls the switching device 121, and the conduction rate (the conduction rate D (n-1) and the conduction rate D (n)) corresponding to the first control is a PWM signal generation unit. Make it output to 130.

スイッチング損失の減少分ΔPSW(I,D,f/2)が、鉄心損失の増加分ΔPfe(D,f/2)よりも大きい場合(ステップS14:Yes)、切替制御部122は、第2の制御を行うと決定する(ステップS16)。そして、切替制御部122は、切替器121を制御し、第2の制御に応じた通流率(通流率D’(n−1)および通流率D’(n))が、PWM信号生成部130に出力されるようにする。 When the decrease ΔP SW (I L , D, f / 2) of the switching loss is larger than the increase ΔP fe (D, f / 2) of the core loss (step S 14: Yes), the switching control unit 122 It is determined that the second control is to be performed (step S16). Then, the switching control unit 122 controls the switching device 121, and the conduction rate (the conduction rate D '(n-1) and the conduction rate D' (n)) corresponding to the second control is a PWM signal. It is output to the generation unit 130.

PWM信号生成部130は、切替器121を介して制御部120から出力された通流率(第1の制御に応じた通流率、または、第2の制御に応じた通流率)と、PWMキャリアとの大小関係に応じて、PWM信号を生成する(ステップS17)。   The PWM signal generation unit 130 outputs a conduction rate (a conduction rate according to the first control or a conduction rate according to the second control) output from the control unit 120 via the switch 121; A PWM signal is generated according to the magnitude relationship with the PWM carrier (step S17).

このように本実施形態においては、電力変換器10Aは、第1の制御を行うか、第2の制御を行うかを、切り替える切替制御部122をさらに備える。そのため、より確実に、スイッチング損失の抑制を図ることができる。   As described above, in the present embodiment, the power converter 10A further includes the switching control unit 122 that switches whether to perform the first control or the second control. Therefore, the switching loss can be suppressed more reliably.

上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨および範囲内で、多くの変更および置換が可能であることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形および変更が可能である。例えば、実施形態の構成図に記載の複数の構成ブロックを1つに組み合わせたり、あるいは1つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。   Although the embodiments described above have been described as representative examples, it will be obvious to those skilled in the art that many modifications and substitutions are possible within the spirit and scope of the present invention. Accordingly, the present invention should not be construed as being limited by the above-described embodiments, and various modifications and changes are possible without departing from the scope of the claims. For example, it is possible to combine a plurality of configuration blocks described in the configuration diagram of the embodiment into one, or to divide one configuration block.

10 電力変換器
20 直流電源
101,102,103,104 スイッチング素子
105,107 コンデンサ
106,108 負荷
109,110 インダクタ
113,114 レグ
120,120A 制御部
121 切替器
122 切替制御器
123 鉄心損失算出部
124 スイッチング損失算出部
130 PWM信号生成部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Power converter 20 DC power supply 101, 102, 103, 104 Switching element 105, 107 Capacitor 106, 108 Load 109, 110 Inductor 113, 114 Leg 120, 120A Control part 121 Switching device 122 Switching controller 123 Iron core loss calculation part 124 Switching loss calculation unit 130 PWM signal generation unit

Claims (5)

第1のスイッチング素子と第3のスイッチング素子とを直列接続した第1のレグと、
前記第1のレグと並列接続された第1のコンデンサおよび第1の負荷と、
第2のスイッチング素子と第4のスイッチング素子とを直列接続した第2のレグと、
前記第2のレグと並列接続された第2のコンデンサおよび第2の負荷と、
前記第3のスイッチング素子の前記第1のスイッチング素子と接続されていない端と、前記第2のスイッチング素子と前記第4のスイッチング素子との接続点との間に接続された第1のインダクタと、
前記第1のスイッチング素子と前記第3のスイッチング素子との接続点と、前記第4のスイッチング素子の前記第2のスイッチング素子と接続されていない端との間に接続された第2のインダクタとを備え、
前記第1のスイッチング素子の前記第3のスイッチング素子と接続されていない端と、前記第2のスイッチング素子の前記第4のスイッチング素子と接続されていない端との間に直流電源が接続された電力変換器であって、
PWM周期毎に通流率を出力する制御部と、
前記制御部から出力された通流率に基づき、前記第1から第4のスイッチング素子を制御するPWM信号を生成するPWM信号生成部と、を有し、
前記制御部は、前記直流電源からの入力電圧と、前記第1の負荷および前記第2の負荷への出力電圧を指示する出力電圧指令とに基づき、第1のPWM周期における第1の通流率および前記第1のPWM周期に続く第2のPWM周期における第2の通流率を算出し、前記第1のPWM周期では、前記第1および第2のスイッチング素子が常にオンとなり、前記第3および第4のスイッチング素子が常にオフとなる第3の通流率を前記PWM信号生成部に出力し、前記第2のPWM周期では、前記第1の通流率と前記第2の通流率とに応じた第4の通流率を前記PWM信号生成部に出力することを特徴とする電力変換器。
A first leg in which a first switching element and a third switching element are connected in series;
A first capacitor and a first load connected in parallel with the first leg;
A second leg in which a second switching element and a fourth switching element are connected in series;
A second capacitor and a second load connected in parallel with the second leg;
A first inductor connected between an end of the third switching device not connected to the first switching device, and a connection point between the second switching device and the fourth switching device; ,
A second inductor connected between a connection point between the first switching element and the third switching element and an end of the fourth switching element not connected to the second switching element; Equipped with
A DC power supply is connected between an end of the first switching element not connected to the third switching element and an end of the second switching element not connected to the fourth switching element A power converter,
A control unit that outputs a conduction rate at each PWM period;
And a PWM signal generation unit that generates a PWM signal for controlling the first to fourth switching elements based on the conduction ratio output from the control unit.
The control unit is configured to generate a first current in a first PWM cycle based on an input voltage from the DC power supply and an output voltage command instructing an output voltage to the first load and the second load. Rate and a second conduction rate in a second PWM cycle subsequent to the first PWM cycle, and in the first PWM cycle, the first and second switching elements are always on, and A third conduction ratio at which the third and fourth switching elements are always off is output to the PWM signal generation unit, and in the second PWM cycle, the first conduction ratio and the second conduction ratio are output. Outputting a fourth conduction ratio corresponding to the ratio to the PWM signal generation unit.
請求項1に記載の電力変換器において、
前記制御部は、前記第4の通流率に応じた前記出力電圧の時間積分値が、前記第1の通流率に応じた前記出力電圧の時間積分値と、前記第2の通流率に応じた前記出力電圧の時間積分値との和と等しくなるように、前記第4の通流率を決定することを特徴とする電力変換器。
In the power converter according to claim 1,
The control unit is configured such that a time integral value of the output voltage according to the fourth conduction rate is a time integral value of the output voltage according to the first conduction rate, and the second conduction rate And determining the fourth conduction ratio to be equal to the sum of the output voltage and the time integral value of the output voltage.
請求項1または2に記載の電力変換器において、
前記PWM信号生成部に、前記第1のPWM周期では前記第1の通流率を出力し、前記第2のPWM周期では前記第2の通流率を出力する、第1の制御を行うか、前記PWM信号生成部に、前記第1のPWM周期では前記第3の通流率を出力し、前記第2のPWM周期では前記第4の通流率を出力する、第2の制御を行うかを、切り替える切替制御部を、さらに備えることを特徴とする電力変換器。
The power converter according to claim 1 or 2
Is the first control of outputting the first conduction rate in the first PWM cycle and outputting the second conduction rate in the second PWM cycle to the PWM signal generation unit? Performing second control of outputting the third conduction ratio in the first PWM cycle and outputting the fourth conduction ratio in the second PWM cycle to the PWM signal generation unit; Power converter characterized by further comprising a switching control unit for switching between
請求項3に記載の電力変換器において、
前記切替制御部は、
前記第4の通流率が、前記第2の制御を行う場合における前記インダクタで発生する電流リップルが、前記第1の制御を行う場合における前記インダクタで発生する電流リップルよりも小さくなる範囲内にあり、かつ、
前記第2の制御を行う場合における前記インダクタで発生する鉄心損失と、前記第1の制御を行う場合における前記インダクタで発生する鉄心損失との差が、前記第1の制御を行う場合における前記スイッチング素子で発生するスイッチング損失と、前記第2の制御を行う場合における前記スイッチング素子で発生するスイッチング損失との差よりも小さい場合、前記第2の制御を行うと決定し、その他の場合、前記第1の制御を行うと決定することを特徴とする電力変換器。
In the power converter according to claim 3,
The switching control unit
The fourth current conduction rate is within a range in which the current ripple generated in the inductor when performing the second control is smaller than the current ripple generated in the inductor when performing the first control. Yes, and
The switching in the case where the first control is performed when the difference between the iron core loss generated in the inductor in the case of performing the second control and the core loss generated in the inductor in the case of performing the first control If it is smaller than the difference between the switching loss generated in the element and the switching loss generated in the switching element when performing the second control, it is determined that the second control is performed; A power converter characterized in that it is determined to perform control of 1.
請求項4に記載の電力変換器において、
feを前記インダクタのインダクタコアの体積とし、K、α、βを鉄心損失特性に応じた定数パラメータとし、fをキャリア周波数とし、Voutを前記出力電圧とし、Nを前記インダクタの巻数とし、Aを前記インダクタのインダクタ鉄心の断面積とし、Dを通流率とすると、前記鉄心損失は、以下の式に基づき算出されることを特徴とする電力変換器。
Figure 2019122173
In the power converter according to claim 4,
Let V fe be the volume of the inductor core of the inductor, K c , α, and β be constant parameters according to the core loss characteristics, f be the carrier frequency, V out be the output voltage, and N p be the number of turns of the inductor Assuming that A c is a cross-sectional area of the inductor core of the inductor and D is a flow rate, the core loss is calculated based on the following equation.
Figure 2019122173
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