JP2019122173A - Power converter - Google Patents
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Abstract
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
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
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。
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
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
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
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
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C1、コンデンサ107のキャパシタンスをC2、インダクタ109のインダクタンスをL1、インダクタ110のインダクタンスをL2と定義する。
In the following, the input voltage (power supply voltage) from the
L1=L2=L、C1=C2=C、IL1=IL2=IL、VC1=VC2=VC、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D1,D2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=D1=D2)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S1〜S4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
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.
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
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
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S1〜S4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
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
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
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
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),
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,
図2は、図6に示す従来の電力変換器10aにおけるPWM信号S1〜S4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
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S1,S2をHighレベルとし、PWM信号S3,S4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S1,S2をLowレベルとし、PWM信号S3,S4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S1〜S4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
図3は、本実施形態に係る電力変換器10におけるPWM信号S1〜S4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
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S1,S2をHighレベルのままとし、PWM信号S3,S4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
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S1〜S4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
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
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
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
(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
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
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
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。
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
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
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
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
SPCHのインダクタ109,110における電流リップルΔIL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
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).
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IL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
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
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、Kc、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、NPはインダクタ109,110の巻数であり、AC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
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
スイッチング損失算出部124は、インダクタ電流IL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(IL,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(IL,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(IL,D,f)およびスイッチング損失PSW(IL,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
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(IL,D,f)およびスイッチング損失PSW(IL,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
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).
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(IL,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).
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(IL,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
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
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
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
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(IL,D,f)およびスイッチング損失PSW(IL,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
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(IL,D,f)およびスイッチング損失PSW(IL,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(IL,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
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(IL,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
スイッチング損失の減少分ΔPSW(IL,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
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
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
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
Claims (5)
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.
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.
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
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.
Vfeを前記インダクタのインダクタコアの体積とし、Kc、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、Npを前記インダクタの巻数とし、Ac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。
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.
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