JP6318115B2 - Power system - Google Patents
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Description
この発明は、電源システムに関し、より特定的には、パルス幅変調(PWM)制御を用いて、2つの直流電源と負荷との間で2つのリアクトルを通過する電流を介して直流電力変換を実行するための電源システムに関する。 The present invention relates to a power supply system, and more particularly, performs pulse-width modulation (PWM) control to perform DC power conversion between two DC power supplies and a load via current passing through two reactors. It relates to a power supply system.
複数の電源と負荷との間に接続された電力変換器を用いて、複数の電源を組み合わせて負荷へ電力を供給するハイブリッド電源システムが用いられている。 A hybrid power supply system that uses a power converter connected between a plurality of power supplies and a load to supply power to the load by combining the plurality of power supplies is used.
たとえば、特開2013−13234号公報(特許文献1)には、複数のスイッチング素子のスイッチングパターンを切換えることによって、動作モードを切換えることが可能な電力変換器の構成が記載されている。そして、動作モードには、2つの直流電源を並列に使用する状態で直流電力変換を行なうモード(並列接続モード)が含まれる。当該並列接続モードでは、2つの直流電源のそれぞれについて、出力制御のためのデューティ比とキャリア波との比較によるPWM制御によって、複数のスイッチング素子のオンオフが制御される。 For example, Japanese Patent Laying-Open No. 2013-13234 (Patent Document 1) describes a configuration of a power converter that can switch an operation mode by switching switching patterns of a plurality of switching elements. The operation mode includes a mode (parallel connection mode) in which DC power conversion is performed in a state where two DC power supplies are used in parallel. In the parallel connection mode, on / off of a plurality of switching elements is controlled by PWM control based on a comparison between a duty ratio for output control and a carrier wave for each of the two DC power supplies.
特許文献2には、特許文献1に記載された電力変換器等に使用される2個のリアクトルを一体的に構成するために磁気部品の構造が記載されている。
特許文献1には、2つのリアクトルを流れる電流の位相を制御することによって、複数のスイッチング素子での電力損失を低減することが記載されている。具体的には、それぞれのリアクトル電流の間で、上昇タイミングまたは下降タイミング(すなわち、変曲点)が同一タイミングとなるように電流位相を制御することが記載されている。
しかしながら、特許文献1では、2つの直流電源のそれぞれのPWM制御に用いられるキャリア信号間の位相差を制御する、キャリア位相制御によって上記の電流位相を実現する。このため、PWM制御でのデューティ比が変化する毎に、位相差を変化させることが必要となる。この結果、キャリア位相制御のための演算負荷が大きくなるため、演算遅れの影響によってキャリア位相差が不適切となることにより、リアクトル電流が変動する虞がある。
However, in
また、特許文献1には、リアクトル電流間で一致させるべき変曲点を、上昇タイミング(極小点)および下降タイミング(極大点)のいずれとするかについても、電力変換器の動作状態、具体的には、各直流電源が回生および力行のいずれで動作しているかに応じて変化することが記載されている。このため、キャリア位相の変化量が大きくなることによって、過渡的にリアクトル電流が変動する虞がある。
Further,
この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、2つの直流電源と負荷との間で2つのリアクトルを通過する電流を介して直流電力変換を実行する電源システムにおいて、PWM制御の演算負荷を増大することなく、リアクトル電流間で変曲点のタイミングを一致させる電流位相制御を簡易に実行することによって、電源システムの性能を向上することである。 The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to convert DC power conversion between two DC power sources and a load via currents passing through two reactors. In the power supply system to be executed, the performance of the power supply system is improved by simply executing the current phase control for matching the timing of the inflection point between the reactor currents without increasing the calculation load of the PWM control. .
この発明のある局面では、電源システムは、負荷と接続された高電圧側の第1の電力線および低電圧側の第2の電力線の間の直流電圧を制御する。電源システムは、第1の直流電源と、第2の直流電源と、第1および第2の直流電源と第1および第2の電力線との間で並列に直流電力変換を実行するための電力変換器と、電力変換器における直流電力変換を制御するための制御装置を備える。電力変換器は、第1のリアクトルと、第2のリアクトルと、複数のスイッチング素子とを含む。複数のスイッチング素子は、制御装置からの制御信号に応答したオンオフ制御によって、第1および第2のリアクトルのそれぞれを経由する電流経路を切換えるように配置される。第1のリアクトルを経由する電流経路は、第1および第2の電流経路を含む。第1の電流経路は、第1および第2の電力線の両方を含まずに第1の直流電源および第1のリアクトルの間で形成される。第2の電流経路は、第1および第2の電力線の間に第1の直流電源および第1のリアクトルを直列に接続する。第2のリアクトルを経由する電流経路は、第3および第4の電流経路を含む。第3の電流経路は、第1および第2の電力線の両方を含まずに第2の直流電源および第2のリアクトルの間で形成される。第4の電流経路は、第1および第2の電力線の間に第2の直流電源および第2のリアクトルを直列に接続する。第1の直流電源からの出力を制御する第1の出力デューティ比と、第1の出力デューティ比の最大値に相当する電圧幅を有する第1のキャリア波との比較に従って第1および第2の電流経路を選択的に形成し、かつ、第2の直流電源からの出力を制御する第2の出力デューティ比と、第2の出力デューティ比の最大値に相当する電圧幅を有する第2のキャリア波との比較に従って第3および第4の電流経路を選択的に形成するように複数のスイッチング素子の制御信号を生成する。第1および第2のキャリア波の各々は、同一周波数でエッジタイミングが同期した、右上がり直線部分を有する第1の鋸歯状波および右下がり直線部分を有する第2の鋸歯状波の一方を選択することによって構成される。制御装置は、電力変換器の動作中において、第1および第2のキャリア波の各々について、第1および第2の鋸歯状波の選択を電力変換器の動作状態に応じて切替える。 In one aspect of the present invention, the power supply system controls a DC voltage between the first power line on the high voltage side and the second power line on the low voltage side connected to the load. The power supply system includes a first DC power supply, a second DC power supply, a power conversion for executing DC power conversion in parallel between the first and second DC power supplies, and the first and second power lines. And a control device for controlling DC power conversion in the power converter. The power converter includes a first reactor, a second reactor, and a plurality of switching elements. The plurality of switching elements are arranged so as to switch a current path passing through each of the first and second reactors by on / off control in response to a control signal from the control device. The current path passing through the first reactor includes first and second current paths. The first current path is formed between the first DC power source and the first reactor without including both the first and second power lines. The second current path connects the first DC power source and the first reactor in series between the first and second power lines. The current path passing through the second reactor includes third and fourth current paths. The third current path is formed between the second DC power source and the second reactor without including both the first and second power lines. The fourth current path connects the second DC power source and the second reactor in series between the first and second power lines. According to the comparison between the first output duty ratio for controlling the output from the first DC power supply and the first carrier wave having a voltage width corresponding to the maximum value of the first output duty ratio, A second carrier having a voltage width corresponding to the maximum value of the second output duty ratio and a second output duty ratio for selectively forming a current path and controlling the output from the second DC power supply Control signals for the plurality of switching elements are generated so as to selectively form the third and fourth current paths according to the comparison with the wave. For each of the first and second carrier waves, one of the first sawtooth wave having a straight line portion rising right and the second sawtooth wave having a straight line portion falling right is selected at the same frequency and synchronized in edge timing. It is composed by doing. During operation of the power converter, the control device switches the selection of the first and second sawtooth waves for each of the first and second carrier waves according to the operating state of the power converter.
好ましくは、制御装置は、第1のキャリア波において第1および第2の鋸歯状波の選択を切換える場合に、第1および第2の鋸歯状波の周期と同一長の遷移周期を設けるとともに、遷移周期において、第1のキャリア波を、第1および第2の鋸歯状波と同一周波数の三角波、または、当該三角波の逆相三角波に設定し、さらに、遷移周期における第1のリアクトルの平均電流が、当該遷移周期の直前の周期と同等になるように、第1の出力デューティ比を変換する。さらに、制御措置は、第2のキャリア波において第1および第2の鋸歯状波の選択を切換える場合に、遷移周期を設けるとともに、遷移周期において、第2のキャリア波を三角波または逆相三角波に設定し、さらに、遷移周期における第2のリアクトルの平均電流が、当該遷移周期の直前の周期と同等になるように、第2の出力デューティ比を変換する。 Preferably, when switching the selection of the first and second sawtooth waves in the first carrier wave, the control device provides a transition period having the same length as that of the first and second sawtooth waves, In the transition period, the first carrier wave is set to a triangular wave having the same frequency as that of the first and second sawtooth waves, or a reverse-phase triangular wave of the triangular wave, and the average current of the first reactor in the transition period However, the first output duty ratio is converted so as to be equal to the period immediately before the transition period. Further, the control measure provides a transition period when switching the selection of the first and second sawtooth waves in the second carrier wave, and changes the second carrier wave to a triangular wave or a reverse-phase triangular wave in the transition period. Further, the second output duty ratio is converted so that the average current of the second reactor in the transition period becomes equal to the period immediately before the transition period.
さらに好ましくは、制御装置は、第1または第2のキャリア波の各々について、第1の鋸歯状波から第2の鋸歯状波に切換える場合には、遷移周期において逆相三角波を設定する一方で、第2の鋸歯状波から第1の鋸歯状波に切換える場合には、遷移周期において三角波を設定する。あるいは、制御装置は、第1または第2のキャリア波の各々について、第1の鋸歯状波から第2の鋸歯状波に切換える場合には、遷移周期において三角波を設定する一方で、第2の鋸歯状波から第1の鋸歯状波に切換える場合には、遷移周期において逆相三角波を設定する。 More preferably, when the control device switches from the first sawtooth wave to the second sawtooth wave for each of the first or second carrier waves, the control device sets an antiphase triangular wave in the transition period. When switching from the second sawtooth wave to the first sawtooth wave, a triangular wave is set in the transition period. Alternatively, when switching from the first sawtooth wave to the second sawtooth wave for each of the first or second carrier waves, the control device sets the triangular wave in the transition period while When switching from the sawtooth wave to the first sawtooth wave, an antiphase triangular wave is set in the transition period.
好ましくは、複数のスイッチング素子は、第1から第4のスイッチング素子を有する。第1のスイッチング素子は、第1のノードおよび第1の電力線の間に電気的に接続される。第2のスイッチング素子は、第2のノードおよび第1のノードの間に電気的に接続される。第3のスイッチング素子は、第3のノードおよび第2のノードの間に電気的に接続される。第4のスイッチング素子は、第2の直流電源の負極端子と電気的に接続された第2の電力線と、第3のノードとの間に電気的に接続される。第1のリアクトルは、第2のノードと第1または第2の電力線との間に、第1の直流電源と直列に電気的に接続される。第2のリアクトルは、第1および第3のノードの間に、第2の直流電源と直列に電気的に接続される。第1のリアクトルが第2のノードと第2の電力線との間に接続された構成では、第1の電流経路の形成時には第3および第4のスイッチング素子がオンされ、第2の電流経路の形成時には第1および第2のスイッチング素子がオンされ、第3の電流経路の形成時には第2および第3のスイッチング素子がオンされ、第4の電流経路の形成時には第1および第4のスイッチング素子がオンされる。第1のリアクトルが第1のノードと第2の電力線との間に接続された構成では、第1の電流経路の形成時には第1および第2のスイッチング素子がオンされ、第2の電流経路の形成時には第3および第4のスイッチング素子がオンされ、第3の電流経路の形成時には第2および第3のスイッチング素子がオンされ、第4の電流経路の形成時には第1および第4のスイッチング素子がオンされる。 Preferably, the plurality of switching elements include first to fourth switching elements. The first switching element is electrically connected between the first node and the first power line. The second switching element is electrically connected between the second node and the first node. The third switching element is electrically connected between the third node and the second node. The fourth switching element is electrically connected between the second power line electrically connected to the negative terminal of the second DC power supply and the third node. The first reactor is electrically connected in series with the first DC power source between the second node and the first or second power line. The second reactor is electrically connected in series with the second DC power source between the first and third nodes. In the configuration in which the first reactor is connected between the second node and the second power line, the third and fourth switching elements are turned on when the first current path is formed, and the second current path The first and second switching elements are turned on during formation, the second and third switching elements are turned on during formation of the third current path, and the first and fourth switching elements are formed during formation of the fourth current path. Is turned on. In the configuration in which the first reactor is connected between the first node and the second power line, the first and second switching elements are turned on when the first current path is formed, and the second current path The third and fourth switching elements are turned on during formation, the second and third switching elements are turned on during formation of the third current path, and the first and fourth switching elements are formed during formation of the fourth current path. Is turned on.
また好ましくは、電力変換器は、第1から第5の半導体素子を含む。第1の半導体素子は、第1の電力線と第1のノードとの間に電気的に接続される。第2の半導体素子は、第2の電力線と第1のノードとの間に電気的に接続される。第3の半導体素子は、第2のノードと、第2の電力線との間に電気的に接続される。第4の半導体素子は、第1の電力線と第2のノードとの間に電気的に接続される。第5の半導体素子は、第1のノードと第2のノードとの間に電気的に接続される。少なくとも第2、第4および第5の半導体素子は、スイッチング素子を有する。少なくとも第1および第3の半導体素子は、第2の電力線から第1の電力線へ向かう方向を順方向として配置されたダイオードを有する。第1のリアクトルは、第1のノードと第2の電力線との間に、第1の直流電源と直列に電気的に接続される。第2のリアクトルは、第2のノードと第1の電力線の間に、第2の直流電源と直列に電気的に接続される。第1の電流経路の形成時には、第2の半導体素子によって電流経路が形成され、第2の電流経路の形成時には第1の半導体素子によって電流経路が形成される。第3の電流経路の形成時には第4の半導体素子によって電流経路が形成され、第4の電流経路の形成時には第3の半導体素子によって電流経路が形成される。第5の半導体素子は、第1および第4の電流経路が同時に形成される期間、および、第2および第3の電流経路が同時に形成される期間において電流経路を形成する。 Preferably, the power converter includes first to fifth semiconductor elements. The first semiconductor element is electrically connected between the first power line and the first node. The second semiconductor element is electrically connected between the second power line and the first node. The third semiconductor element is electrically connected between the second node and the second power line. The fourth semiconductor element is electrically connected between the first power line and the second node. The fifth semiconductor element is electrically connected between the first node and the second node. At least the second, fourth, and fifth semiconductor elements have switching elements. At least the first and third semiconductor elements have diodes arranged with the direction from the second power line toward the first power line as the forward direction. The first reactor is electrically connected in series with the first DC power source between the first node and the second power line. The second reactor is electrically connected in series with the second DC power source between the second node and the first power line. When the first current path is formed, a current path is formed by the second semiconductor element, and when the second current path is formed, a current path is formed by the first semiconductor element. When the third current path is formed, a current path is formed by the fourth semiconductor element, and when the fourth current path is formed, a current path is formed by the third semiconductor element. The fifth semiconductor element forms a current path in a period in which the first and fourth current paths are formed simultaneously and in a period in which the second and third current paths are formed simultaneously.
さらに好ましくは、第1および第3の半導体素子の少なくとも一方において、ダイオードとは逆方向の電流経路を形成するためのスイッチング素子がダイオードと並列にさらに設けられ、当該スイッチング素子は、制御装置からの信号に応答して、第2または第4の電流経路の形成時にオンするように制御される。 More preferably, in at least one of the first and third semiconductor elements, a switching element for forming a current path in a direction opposite to that of the diode is further provided in parallel with the diode. Responsive to the signal, it is controlled to turn on when the second or fourth current path is formed.
あるいは、さらに好ましくは、第5の半導体素子は、第1および第2のサブスイッチング素子を有する。第1のサブスイッチング素子は、第1のノードから第2のノードへ向かう電流経路を第1および第2のノード間に形成するオン状態と当該電流経路を遮断するオフ状態とを制御装置からの信号に応答して選択的に形成するように構成される・第2のサブスイッチング素子は、第2のノードから第1のノードへ向かう電流経路を第1および第2のノード間に形成するオン状態と当該電流経路を遮断するオフ状態とを制御装置からの信号に応答して選択的に形成するように構成される。 Alternatively, more preferably, the fifth semiconductor element has first and second sub-switching elements. The first sub-switching element has an ON state that forms a current path from the first node to the second node between the first and second nodes and an OFF state that blocks the current path from the control device. The second sub-switching element is configured to selectively form in response to a signal. The second sub-switching element is turned on to form a current path from the second node to the first node between the first and second nodes. A state and an off state that interrupts the current path are selectively formed in response to a signal from the control device.
好ましくは、第1および第2のリアクトルは、単一の複合磁気部品によって一体的に構成される。複合磁気部品は、第1〜第3の巻線とコアとを含む。第1および第2の巻線は、電気的に直列接続されて、第1の電流が通過する。第1および第2の巻線は、電気的に直列に接続されて第1のリアクトルを構成する。第3の巻線は、第2のリアクトルを構成する。コアは、非線形磁性材料で構成される。コアは、第1の巻線が巻回される第1の磁脚部と、第2の巻線が巻回される第2の磁脚部と、第3の巻線が巻回される第3の磁脚部と、第1から第3の磁脚部の間に磁気経路を形成するための第4の磁脚部とを含むように構成される。 Preferably, the first and second reactors are integrally configured by a single composite magnetic component. The composite magnetic component includes first to third windings and a core. The first and second windings are electrically connected in series, and the first current passes therethrough. The first and second windings are electrically connected in series to form a first reactor. The third winding constitutes a second reactor. The core is made of a non-linear magnetic material. The core includes a first magnetic leg portion around which the first winding is wound, a second magnetic leg portion around which the second winding is wound, and a third winding around which the third winding is wound. 3 magnetic leg portions and a fourth magnetic leg portion for forming a magnetic path between the first to third magnetic leg portions.
さらに好ましくは、第1のリアクトルおよび第2のリアクトルの動作状態は、電流増加に応じて、第1および第2のリアクトルが磁気的に非干渉な状態で動作する非磁気結合モードから第1および第2のリアクトルが磁気的に干渉した状態で動作する磁気結合モードへ変化する。そして、非磁気結合モードにおいては、第1および第2の磁脚部における透磁率が同等である一方で、磁気結合モードにおいては、第1および第2の磁脚部の一方での透磁率が、第1および第2の磁脚部の他方の透磁率よりも低い。 More preferably, the operating states of the first reactor and the second reactor are the first and second reactors from the non-magnetic coupling mode in which the first and second reactors operate in a magnetically non-interfering state in response to an increase in current. It changes into the magnetic coupling mode which operate | moves in the state which the 2nd reactor interfered magnetically. In the nonmagnetic coupling mode, the magnetic permeability in the first and second magnetic leg portions is equal, while in the magnetic coupling mode, the magnetic permeability in one of the first and second magnetic leg portions is The permeability of the other of the first and second magnetic leg portions is lower.
あるいは、さらに好ましくは、第1および第2の直流電源の各々が力行動作する場合において、第1のリアクトルを通過する電流によって第1の巻線および第2の巻線からそれぞれ発生される第1の磁界および第2の磁界と、第2のリアクトルを通過する電流によって第3の巻線から発生される第3の磁界とが、第1または第2の磁脚部のいずれか一方の磁脚部では強め合う一方で他方の磁脚部では弱め合い、かつ、第1および第2の磁界が第3の磁脚部では互いに弱め合うように、第1から第3の巻線は第1から第3の磁脚部にそれぞれ巻回される。 Alternatively, more preferably, when each of the first and second DC power supplies performs a power running operation, the first generated from the first winding and the second winding by the current passing through the first reactor, respectively. Of the first and second magnetic leg portions, and the third magnetic field generated from the third winding by the current passing through the second reactor. The first to third windings from the first so that the first and second magnetic fields weaken each other at the third magnetic leg, while the other magnetic leg weakens at the other and the first and second magnetic fields weaken each other at the third magnetic leg. Each is wound around the third magnetic leg portion.
この発明によれば、2つの直流電源と負荷との間で2つのリアクトルを通過する電流を介して直流電力変換を実行する電源システムにおいて、PWM制御の演算負荷を増大することなく、リアクトル電流間で変曲点のタイミングを一致させる電流位相制御を簡易に実行することによって、電源システムの性能を向上することができる。 According to the present invention, in a power supply system that executes DC power conversion between two DC power supplies and a load through currents that pass through two reactors, the current between reactor currents is increased without increasing the calculation load of PWM control. Thus, the performance of the power supply system can be improved by simply executing the current phase control for matching the timing of the inflection points.
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。 Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In the following, the same or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated in principle.
[実施の形態1]
(回路構成)
図1は、本発明の実施の形態1に従う電源システムの構成例を示す回路図である。本実施の形態1に従う電源システム5Aは、特許文献1に示された電源システムと回路構成が共通する。
[Embodiment 1]
(Circuit configuration)
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration example of a power supply system according to the first embodiment of the present invention.
図1を参照して、電源システム5Aは、直流電源B1と、直流電源B2と、負荷30と、制御装置40と、電力変換器50とを備える。
Referring to FIG. 1,
本実施の形態1において、直流電源B1およびB2は、二次電池や電気二重層キャパシタ等の蓄電装置によって構成される。たとえば、直流電源B1は、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池のような二次電池で構成される。また、直流電源B2は、たとえば、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等の出力特性に優れた直流電圧源要素により構成される。 In the first embodiment, DC power supplies B1 and B2 are configured by a power storage device such as a secondary battery or an electric double layer capacitor. For example, DC power supply B1 is comprised with secondary batteries, such as a lithium ion secondary battery and a nickel metal hydride battery. The DC power source B2 is constituted by a DC voltage source element having excellent output characteristics such as an electric double layer capacitor and a lithium ion capacitor.
なお、直流電源B1およびB2を同種の蓄電装置によって構成することも可能である。また、直流電源B1およびB2の容量についても特に限定されることはなく、直流電源B1およびB2は、各々を同等の容量で構成してもよく、一方の直流電源の容量を他方の直流電源の容量より大きくしてもよい。 Note that the DC power supplies B1 and B2 can be configured by the same type of power storage device. Further, the capacities of the DC power supplies B1 and B2 are not particularly limited, and each of the DC power supplies B1 and B2 may be configured with an equivalent capacity, and the capacity of one DC power supply may be the same as that of the other DC power supply. It may be larger than the capacity.
電力変換器50は、高電圧側の電力線PLおよび低電圧側の電力線GLの間の直流電圧VH(以下、出力電圧VHとも称する)を制御するように構成される。電力線GLは、代表的には接地配線で構成される。電力線PLおよびGLは、負荷30と接続される。
The
負荷30は、電力線PLおよびGLを経由して、電力変換器50の出力電圧VHを受けて動作する。出力電圧VHの電圧指令値VH*は、負荷30の動作に適した電圧に設定される。電圧指令値VH*は、負荷30の状態に応じて可変に設定されてもよい。さらに、負荷30は、回生発電等によって、直流電源B1および/またはB2の充電電力を発生可能に構成されてもよい。
図2は、負荷30の構成例を示す概略図である。
図2を参照して、負荷30は、たとえば電動車両の走行用電動機を含むように構成される。負荷30は、平滑コンデンサCHと、インバータ32と、モータジェネレータ35と、動力伝達ギヤ36と、駆動輪37とを含む。
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating a configuration example of the
Referring to FIG. 2, load 30 is configured to include, for example, a traveling motor for an electric vehicle.
モータジェネレータ35は、車両駆動力を発生するための走行用電動機であり、たとえば、複数相の永久磁石型同期電動機で構成される。モータジェネレータ35の出力トルクは、減速機や動力分割機構によって構成される動力伝達ギヤ36を経由して、駆動輪37へ伝達される。駆動輪37に伝達されたトルクにより電動車両が走行する。また、モータジェネレータ35は、電動車両の回生制動時には、駆動輪37の回転力によって発電する。この発電電力は、インバータ32によってAC/DC変換される。この直流電力は、電源システム5Aに含まれる直流電源B1,B2の充電電力として用いることができる。なお、図2の構成例は、出力電圧VHは、モータジェネレータ35に生じる誘起電圧よりも高い電圧に制御することが必要である。
The
モータジェネレータの他にエンジン(図示せず)が搭載されたハイブリッド自動車では、このエンジンおよびモータジェネレータ35を協調的に動作させることによって、電動車両に必要な車両駆動力が発生される。この際には、エンジンの回転による発電電力を用いて直流電源B1,B2を充電することも可能である。
In a hybrid vehicle in which an engine (not shown) is mounted in addition to the motor generator, vehicle driving force required for the electric vehicle is generated by cooperatively operating the engine and the
このように、電動車両は、走行用電動機を搭載する車両を包括的に示すものであり、エンジンおよび電動機により車両駆動力を発生するハイブリッド自動車と、エンジンを搭載しない電気自動車および燃料電池車との両方を含むものである。 As described above, the electric vehicle comprehensively represents a vehicle equipped with the electric motor for traveling, and includes a hybrid vehicle that generates vehicle driving force by the engine and the electric motor, and an electric vehicle and a fuel cell vehicle not equipped with the engine. It includes both.
再び図1を参照して、電力変換器50は、電力用半導体スイッチング素子S1〜S4と、リアクトルL1,L2とを含む。本実施の形態において、電力用半導体スイッチング素子(以下、単に「スイッチング素子」とも称する)としては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、電力用MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタあるいは電力用バイポーラトランジスタ等を用いることができる。スイッチング素子S1〜S4に対しては、逆並列ダイオードD1〜D4が配置されている。
Referring to FIG. 1 again,
スイッチング素子S1〜S4は、制御装置40からの制御信号SG1〜SG4に応答して、オンオフを制御することが可能である。すなわち、スイッチング素子S1〜S4は、制御信号SG1〜SG4が論理ハイレベル(以下、「Hレベル」)のときにオンする一方で、論理ローレベル(以下、「Lレベル」)のときにオフする。
The switching elements S1 to S4 can be turned on and off in response to control signals SG1 to SG4 from the
スイッチング素子S1は、電力線PLおよびノードN1の間に電気的に接続される。リアクトルL2および直流電源B2は、ノードN1とノードN3との間に直列に、電気的に接続される。たとえば、リアクトルL2は、ノードN1と直流電源B2の正極端子との間に電気的に接続されるとともに、直流電源B2の負極端子は、ノードN3と電気的に接続される。 Switching element S1 is electrically connected between power line PL and node N1. Reactor L2 and DC power supply B2 are electrically connected in series between nodes N1 and N3. For example, reactor L2 is electrically connected between node N1 and the positive terminal of DC power supply B2, and the negative terminal of DC power supply B2 is electrically connected to node N3.
スイッチング素子S2は、ノードN1およびN2の間に電気的に接続される。リアクトルL1および直流電源B1は、ノードN2および電力線GLの間に直列に、電気的に接続される。たとえば、リアクトルL1は、直流電源B1の正極端子およびノードN1の間に電気的に接続されるとともに、直流電源B1の負極端子は、電力線GLと電気的に接続される。 Switching element S2 is electrically connected between nodes N1 and N2. Reactor L1 and DC power supply B1 are electrically connected in series between node N2 and power line GL. For example, reactor L1 is electrically connected between the positive terminal of DC power supply B1 and node N1, and the negative terminal of DC power supply B1 is electrically connected to power line GL.
スイッチング素子S3は、ノードN2およびN3の間に電気的に接続される。スイッチング素子S4は、ノードN3および電力線GLの間に電気的に接続される。電力線GLは、負荷30および、直流電源B1の負極端子と電気的に接続される。 Switching element S3 is electrically connected between nodes N2 and N3. Switching element S4 is electrically connected between node N3 and power line GL. Power line GL is electrically connected to load 30 and the negative terminal of DC power supply B1.
制御装置40は、たとえば、図示しないCPU(Central Processing Unit)およびメモリを有する電子制御ユニット(ECU)によって構成される。制御装置40は、メモリに記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、各センサによる検出値を用いた演算処理を行なうように構成される。あるいは、制御装置40の少なくとも一部は、電子回路等のハードウェアにより所定の数値・論理演算処理を実行するように構成されてもよい。
The
制御装置40は、出力電圧VHを制御するために、スイッチング素子S1〜S4のオンオフを制御する制御信号SG1〜SG4を生成する。
The
なお、図1では図示を省略しているが、直流電源B1の電圧(以下、V[1]と表記する)および電流(以下、I[1]と表記する)、直流電源B2の電圧(以下、V[2]と表記する)および電流(以下、I[2]と表記する)、ならびに、出力電圧VHの検出器(電圧センサ,電流センサ)が設けられている。これらの検出器の出力は、制御装置40へ与えられる。
Although not shown in FIG. 1, the voltage (hereinafter referred to as V [1]) and current (hereinafter referred to as I [1]) of the DC power supply B1, and the voltage (hereinafter referred to as I [1]) of the DC power supply B1. , V [2]) and current (hereinafter referred to as I [2]) and an output voltage VH detector (voltage sensor, current sensor). The outputs of these detectors are provided to the
図1の構成において、電力線PLは「第1の電力線」に対応し、電力線GLは「第2の電力線」に対応する。さらに、スイッチング素子S1〜S4は、「第1のスイッチング素子」〜「第4のスイッチング素子」にそれぞれ対応し、リアクトルL1およびL2は、「第1のリアクトル」および「第2のリアクトル」にそれぞれ対応する。 In the configuration of FIG. 1, the power line PL corresponds to a “first power line”, and the power line GL corresponds to a “second power line”. Further, switching elements S1 to S4 correspond to “first switching element” to “fourth switching element”, respectively, and reactors L1 and L2 respectively correspond to “first reactor” and “second reactor”. Correspond.
(パラレル昇圧モードでの回路動作)
次に、電力変換器50のパラレル昇圧モードでの制御動作について説明する。パラレル昇圧モードは、特許文献1での「パラレル接続モード」と同等である。
(Circuit operation in parallel boost mode)
Next, the control operation of the
図1を参照して、電力変換器50は、直流電源B1および直流電源B2の各々に対応して昇圧チョッパ回路を備えた構成となっている。すなわち、直流電源B1に対しては、スイッチング素子S1,S2を上アームとする一方で、スイッチング素子S3,S4を下アームとする電流双方向の第1の昇圧チョッパ回路が構成される。直流電源B2に対しては、スイッチング素子S1,S4を上アームとする一方で、スイッチング素子S2,S3を下アームとする電流双方向の第2の昇圧チョッパ回路が構成される。
Referring to FIG. 1,
図3および図4には、電力変換器50の電流変換回路が示される。図3には、直流電源B1およびリアクトルL1に対する第1の昇圧チョッパ回路での電流経路が示され、図4には、直流電源B2およびリアクトルL2に対する第2の昇圧チョッパ回路での電流経路が示される。
3 and 4 show a current conversion circuit of the
図3(a)を参照して、第1の昇圧チョッパ回路の下アームを構成するスイッチング素子S3,S4がオンすると、直流電源B1からの電流によってリアクトルL1にエネルギを蓄積する電流経路120が形成される。すなわち、直流電源B1に対しては、電力線PLおよびGLを含まずに、直流電源B1およびリアクトルL1を含むループ状の電流経路120が形成される。電流経路120は「第1の電流経路」に対応する。
Referring to FIG. 3A, when switching elements S3 and S4 constituting the lower arm of the first step-up chopper circuit are turned on, a
図3(b)を参照して、スイッチング素子S3,S4をオフするとともにスイッチング素子S1,S2をオンすると、ダイオードD1,D2(または、スイッチング素子S1,S2)を経由して、リアクトルL1に蓄積されたエネルギおよび直流電源B1からのエネルギを、電力変換器50から負荷30へ供給する電流経路121を形成することができる。すなわち、直流電源B1に対して、電力線PLおよびGLの間に直流電源B1およびリアクトルL1を直列に接続される電流経路121が形成される。電流経路121は「第2の電流経路」に対応する。
Referring to FIG. 3 (b), when switching elements S3 and S4 are turned off and switching elements S1 and S2 are turned on, accumulation is performed in reactor L1 via diodes D1 and D2 (or switching elements S1 and S2). It is possible to form a
なお、図3(b)の回路状態では、第1の昇圧チョッパ回路の上アームを構成するスイッチング素子S1,S2をオンすることによって、回生電流(電流経路121の逆方向電流)についても経路を確保することができる。すなわち、スイッチング素子S1,S2をオンすることにより、スイッチングパターンを切換えることなく、力行電流(B1の放電)および回生電流(B1の充電)の両方に対応することができる。 In the circuit state of FIG. 3B, by turning on the switching elements S1 and S2 constituting the upper arm of the first step-up chopper circuit, the path for the regenerative current (reverse current of the current path 121) is also passed. Can be secured. That is, by turning on the switching elements S1 and S2, it is possible to cope with both the powering current (B1 discharging) and the regenerative current (B1 charging) without switching the switching pattern.
直流電源B1からの出力は、下アームのオンにより電流経路120が形成される期間(下アームオン期間)と、上アームのオンにより電流経路121が形成される期間(上アームオン期間)とが交互に繰り返されることによって制御される。以下では、下アームオン期間および上アームオン期間の和(すなわち、スイッチング周期)に対する、下アームオン期間の時比率を「デューティ比」とも称する。
The output from the DC power supply B1 is such that the period during which the
図4(a)を参照して、第2の昇圧チョッパ回路の下アームを構成するスイッチング素子S2,S3がオンすると、直流電源B2からの電流によってリアクトルL2にエネルギを蓄積する電流経路130が形成される。すなわち、直流電源B2に対して、電力線PLおよびGLを含まずに、直流電源B1およびリアクトルL1を含むループ状の電流経路130が形成される。電流経路130は「第3の電流経路」に対応する。
Referring to FIG. 4A, when switching elements S2 and S3 constituting the lower arm of the second step-up chopper circuit are turned on, a
図4(b)を参照して、スイッチング素子S2,S3をオフするとともにスイッチング素子S1,S4をオンすると、ダイオードD1,D4(または、スイッチング素子S1,S4)を経由して、リアクトルL2に蓄積されたエネルギおよび直流電源B2からのエネルギを、電力変換器50から負荷30へ供給する電流経路131を形成することができる。すなわち、直流電源B2に対しては、電力線PLおよびGLの間に直流電源B2およびリアクトルL2を直列に接続される電流経路131が形成される。電流経路131は「第4の電流経路」に対応する。
Referring to FIG. 4B, when switching elements S2 and S3 are turned off and switching elements S1 and S4 are turned on, accumulation is performed in reactor L2 via diodes D1 and D4 (or switching elements S1 and S4). A
なお、図4(b)の回路状態では、第2の昇圧チョッパ回路の上アームを構成するスイッチング素子S1,S4をオンすることによって、回生電流(電流経路131の逆方向電流)についても経路を確保することができる。すなわち、スイッチング素子S1,S4をオンすることにより、スイッチングパターンを切換えることなく、力行電流(B2の放電)および回生電流(B2の充電)の両方に対応することができる。 In the circuit state of FIG. 4B, by turning on the switching elements S1 and S4 constituting the upper arm of the second step-up chopper circuit, the path for the regenerative current (reverse current of the current path 131) is also passed. Can be secured. That is, by turning on the switching elements S1 and S4, it is possible to cope with both the powering current (discharge of B2) and the regenerative current (charge of B2) without switching the switching pattern.
直流電源B2からの出力についても、電流経路130が形成される下アームオン期間と、電流経路131が形成される上アームオン期間とが交互に繰り返されることによって制御される。
The output from the DC power supply B2 is also controlled by alternately repeating the lower arm on period in which the
このように、第1および第2の昇圧チョッパ回路を並列動作させるとき(パラレル昇圧モード)には、第1の昇圧チョッパ回路によって直流電源B1および電力線PL,GLの間に形成される第1の電力変換経路と、第2の昇圧チョッパ回路によって直流電源B2および電力線PL,GLの間に形成される第2の電力変換経路との両方に、スイッチング素子S1〜S4の各々が含まれる。ここで、上記第1の電力変換経路は、リアクトルL1を流れるリアクトル電流IL1の経路に相当し、上記第2の電力変換経路は、リアクトルL2を流れるリアクトル電流IL2の経路に相当する。なお、リアクトル電流IL1は直流電源B1の電流I[1]に相当し、リアクトル電流IL2は直流電源B2の電流I[2]に相当する。 Thus, when the first and second boost chopper circuits are operated in parallel (parallel boost mode), the first boost chopper circuit formed between the DC power supply B1 and the power lines PL and GL is the first. Each of switching elements S1 to S4 is included in both the power conversion path and the second power conversion path formed between DC power supply B2 and power lines PL and GL by the second boost chopper circuit. Here, the first power conversion path corresponds to the path of the reactor current IL1 flowing through the reactor L1, and the second power conversion path corresponds to the path of the reactor current IL2 flowing through the reactor L2. Reactor current IL1 corresponds to current I [1] of DC power supply B1, and reactor current IL2 corresponds to current I [2] of DC power supply B2.
(パラレル昇圧モードでの制御動作)
図5は、本実施の形態に従う電源システムにおける電力変換器制御のための機能ブロック図である。なお、図5を始めとする以下の機能ブロック図中に示される各ブロックの機能は、制御装置40において、所定のプログラムの実行によるソフトウェア処理および/または専用の電子回路等によるハードウェア処理によって実現されるものとする。
(Control operation in parallel boost mode)
FIG. 5 is a functional block diagram for controlling the power converter in the power supply system according to the present embodiment. In addition, the function of each block shown in the following functional block diagrams including FIG. 5 is realized in the
図5を参照して、制御装置40は、直流電源B1の出力を制御するための出力制御部500と、直流電源B2の出力を制御するための出力制御部510とを有する。出力制御部500は、直流電源B1のデューティ比DT1を生成する。出力制御部510は、直流電源B2のデューティ比DT2を出力する。
Referring to FIG. 5,
たとえば、出力制御部500は、直流電源B1の出力を、出力電圧VHを電圧指令値VH*に設定するように制御する。出力制御部500は、偏差演算部502と、PI制御部505と、加算部507とを有する。
For example, the
偏差演算部502は、電圧指令値VH*に対する出力電圧VHの電圧偏差ΔVH(ΔVH=VH*−VH)を算出する。PI制御部505は、電圧偏差ΔVHに対するPI(比例積分)制御によってフィードバック制御量を設定する。加算部507は、PI制御部505からのフィードバック制御量と、フィードフォワード制御量Dff1とを加算してデューティ比DT1を算出する。
フィードフォワード制御量Dff1は、出力電圧VHと直流電源B1の電圧V[1]との電圧比により(1)式に従って設定される。すなわち、Dff1は、昇圧チョッパ回路の理論昇圧比に従って設定されるデューティ比を示している。 The feedforward control amount Dff1 is set according to the equation (1) according to the voltage ratio between the output voltage VH and the voltage V [1] of the DC power supply B1. That is, Dff1 represents a duty ratio set according to the theoretical boost ratio of the boost chopper circuit.
Dff1=1−(V[1]/VH*) …(1)
このように、直流電源B1からの出力を制御するためのデューティ比DT1は、直流電圧VHに対する直流電源B1の電圧V[1]の比が低くなる程、大きく設定されることが理解される。
Dff1 = 1− (V [1] / VH *) (1)
Thus, it is understood that the duty ratio DT1 for controlling the output from the DC power supply B1 is set larger as the ratio of the voltage V [1] of the DC power supply B1 to the DC voltage VH becomes lower.
たとえば、出力制御部510は、直流電源B2の出力を、電流指令値Io*に従って制御する。出力制御部510は、偏差演算部512と、PI制御部515と、加算部517とを有する。
For example,
特許文献1にも記載されるように、パラレル昇圧モードでは、直流電源B1,B2間の電力配分を制御することができるので、出力制御部510によって制御される直流電源B2について電力指令値P2*を設定することができる。これにより、電力変換器50から負荷30へ入出力される合計電力に対する、直流電源B1,B2間の配分を制御することが可能となる。このとき、図5の構成例では、電流指令値Io*=P2*/V[2]により設定することができる。
As described in
偏差演算部512は、電流指令値Io*に対する電流Ioの電流偏差ΔIo(ΔIo=Io*−Io)を算出する。たとえば、図5のように、直流電源B2を電流制御する構成では、電流Io=I[2]である。
The
PI制御部515は、電流偏差ΔIoに対するPI(比例積分)制御によってフィードバック制御量を設定する。加算部517は、PI制御部515からのフィードバック制御量と、フィードフォワード制御量Dff2とを加算してデューティ比DT2を算出する。
The
フィードフォワード制御量Dff2は、出力電圧VHと直流電源B2の電圧V[2]との電圧比により(2)式に従って設定される。すなわち、Dff2は、昇圧チョッパ回路の理論昇圧比に従って設定されるデューティ比を示している。 The feedforward control amount Dff2 is set according to the equation (2) according to the voltage ratio between the output voltage VH and the voltage V [2] of the DC power supply B2. That is, Dff2 indicates a duty ratio set according to the theoretical boost ratio of the boost chopper circuit.
Dff2=1−(V[2]/VH*) …(2)
このように、直流電源B2からの出力を制御するためのデューティ比DT2は、定性的には、直流電圧VHに対する直流電源B2の電圧V[2]の比が低くなる程、大きく設定されることが理解される。
Dff2 = 1− (V [2] / VH *) (2)
As described above, the duty ratio DT2 for controlling the output from the DC power supply B2 is qualitatively set larger as the ratio of the voltage V [2] of the DC power supply B2 to the DC voltage VH is lower. Is understood.
なお、直流電源B1およびB2の出力制御は、図5での例示に限定されず、デューティ比DT1,DT2の算出は、出力電圧VHを電圧指令値VH*に制御する機能を有する限り、任意の態様で実行することができる。 Note that the output control of the DC power supplies B1 and B2 is not limited to the example in FIG. 5, and the calculation of the duty ratios DT1 and DT2 is arbitrary as long as it has a function of controlling the output voltage VH to the voltage command value VH *. Can be implemented in a manner.
アレンジの一例として、出力電圧VHを電圧指令値VH*に制御するために電力変換器50から入出力される必要電力Prの算出に基づいて、直流電源B1,B2の出力を電力制御(電流制御)することも可能である。具体的には、当該必要電力Prを直流電源B1,B2の間で配分した電力指令値P1*,P2*に従って、直流電源B1およびB2の出力電力を制御することが可能である(Pr=P1*+P2*)。パラレル昇圧モードでは、電力指令値P1*,P2*間の配分を自由にすることができる。
As an example of the arrangement, the output of the DC power sources B1 and B2 is controlled by power control (current control) based on the calculation of the required power Pr input / output from the
この場合には、図5の制御構成において、出力制御部500,510は、電力指令値P1*,P2*から求められた、電流指令値I1*(I1*=P1*/V[1])およびI2*(I2*=P2*/V[2])を基準値とする電流I[1],I[2]のフィードバック制御によって、デューティ比DT1,DT2を算出することができる。
In this case, in the control configuration of FIG. 5, the
キャリア波発生部560は、直流電源B1の制御に用いるキャリア波CW1および直流電源B2の制御に用いるCW2を発生する。キャリア波CW1およびCW2は、スイッチング周波数に相当する同一周波数を有する。PWM制御部550は、デューティ比DT1,DT2およびキャリア波CW1,CW2から、電力変換器50のスイッチング素子S1〜S4を制御するための制御信号SG1〜SG4を生成する。
(PWM制御の詳細)
電力変換器50のパラレル昇圧モードにおける基本的な制御動作は、特許文献1のパラレル昇圧モードでの制御動作と同等である。さらに、特許文献1には、リアクトル電流の位相調整によってスイッチング素子S1〜S4での電力損失を低減するための手法として、直流電源B1および直流電源B2のPWM制御にキャリア波の位相制御(以下、「キャリア位相制御」とも称する)を適用することが記載されている。
(Details of PWM control)
The basic control operation in the parallel boost mode of the
本実施の形態に従う電源システムの電力変換器に対するPWM制御に対する比較例として、まず、当該キャリア位相制御について説明する。 As a comparative example for PWM control for the power converter of the power supply system according to the present embodiment, first, the carrier phase control will be described.
(1)キャリア位相制御の適用
図6は、比較例として示されるキャリア位相制御が適用されたパラレル制御モードでの動作例を説明する波形図である。
(1) Application of Carrier Phase Control FIG. 6 is a waveform diagram illustrating an operation example in a parallel control mode to which carrier phase control shown as a comparative example is applied.
図6を参照して、キャリア位相制御では、直流電源B1のPWM制御に用いられるキャリア波CW1と、直流電源B2のPWM制御に用いられるキャリア波CW2とには、同一周波数の三角波が用いられる。 Referring to FIG. 6, in carrier phase control, a carrier wave CW1 used for PWM control of DC power supply B1 and a carrier wave CW2 used for PWM control of DC power supply B2 use triangular waves of the same frequency.
キャリア波CW1,CW2の周期は、各スイッチング素子のスイッチング周波数に相当する。キャリア波CW1,CW2の電圧幅(ピークトゥピーク)は、デューティ比DT1=1.0およびDT2=1.0に対応する電圧に設定される。 The period of carrier waves CW1 and CW2 corresponds to the switching frequency of each switching element. The voltage width (peak-to-peak) of carrier waves CW1 and CW2 is set to a voltage corresponding to duty ratio DT1 = 1.0 and DT2 = 1.0.
直流電源B1の出力を制御するためのデューティ比DT1と、キャリア波CW1との電圧比較に基づいて、制御パルス信号SD1が生成される。制御パルス信号SD1は、デューティ比DT1を示す電圧が、キャリア波CW1の電圧よりも高いときにHレベルに設定される一方で、キャリア波CW1の電圧よりも低いときにLレベルに設定される。制御パルス信号SD1の周期(Hレベル期間+Lレベル期間)に対するHレベル期間の比、すなわち、制御パルス信号SD1のデューティ比は、DT1と同等である。 A control pulse signal SD1 is generated based on a voltage comparison between the duty ratio DT1 for controlling the output of the DC power supply B1 and the carrier wave CW1. Control pulse signal SD1 is set to the H level when the voltage indicating duty ratio DT1 is higher than the voltage of carrier wave CW1, while it is set to the L level when the voltage is lower than the voltage of carrier wave CW1. The ratio of the H level period to the cycle of the control pulse signal SD1 (H level period + L level period), that is, the duty ratio of the control pulse signal SD1 is equivalent to DT1.
制御パルス信号/SD1は、制御パルス信号SD1の反転信号である。デューティ比DT1が高くなると、制御パルス信号SD1のHレベル期間が長くなる。反対に、デューティ比DT1が低くなると、制御パルス信号SD1のLレベル期間が長くなる。 The control pulse signal / SD1 is an inverted signal of the control pulse signal SD1. As the duty ratio DT1 increases, the H level period of the control pulse signal SD1 increases. On the contrary, when the duty ratio DT1 becomes low, the L level period of the control pulse signal SD1 becomes long.
制御パルス信号SD1は、上述した第1の昇圧チョッパ回路の下アーム(スイッチング素子S3,S4)のオンオフを制御する信号に対応する。一方、制御パルス信号/SD1は、第1の昇圧チョッパ回路の上アーム(スイッチング素子S1,S2)のオンオフを制御する信号に対応する。 The control pulse signal SD1 corresponds to a signal for controlling on / off of the lower arms (switching elements S3 and S4) of the first boost chopper circuit described above. On the other hand, the control pulse signal / SD1 corresponds to a signal for controlling on / off of the upper arms (switching elements S1, S2) of the first boost chopper circuit.
同様に、直流電源B2の出力を制御するためのデューティ比DT2と、キャリア波CW2との電圧比較に基づいて、制御パルス信号SD2および、その反転信号/SD2が生成される。制御パルス信号SD2のデューティ比はDT2と同様であり、制御パルス信号/SD2のデューティ比は(1.0−DT2)と同等である。すなわち、デューティ比DT2が高くなると、制御パルス信号SD2のHレベル期間が長くなり、反対に、デューティ比DT2が低くなると、制御パルス信号SD2のLレベル期間が長くなる。 Similarly, control pulse signal SD2 and its inverted signal / SD2 are generated based on voltage comparison between duty ratio DT2 for controlling the output of DC power supply B2 and carrier wave CW2. The duty ratio of the control pulse signal SD2 is the same as that of DT2, and the duty ratio of the control pulse signal / SD2 is equivalent to (1.0−DT2). That is, when the duty ratio DT2 increases, the H level period of the control pulse signal SD2 becomes longer, and conversely, when the duty ratio DT2 decreases, the L level period of the control pulse signal SD2 becomes longer.
制御パルス信号SD2は、上述した第2の昇圧チョッパ回路の下アーム(スイッチング素子S2,S3)のオンオフを制御する信号に対応する。一方、制御パルス信号/SD2は、第2の昇圧チョッパ回路の上アーム(スイッチング素子S1,S4)のオンオフを制御する信号に対応する。 The control pulse signal SD2 corresponds to a signal for controlling on / off of the lower arms (switching elements S2, S3) of the second boost chopper circuit described above. On the other hand, the control pulse signal / SD2 corresponds to a signal for controlling on / off of the upper arms (switching elements S1, S4) of the second boost chopper circuit.
制御信号SG1〜SG4は、特許文献1に記載されるように、制御パルス信号SD1(/SD1)およびSD2(/SD2)の論理演算に基づいて設定される。
Control signals SG1 to SG4 are set based on the logical operation of control pulse signals SD1 (/ SD1) and SD2 (/ SD2), as described in
具体的には、スイッチング素子S1は、第1の昇圧チョッパ回路(図3)および第2の昇圧チョッパ回路(図4)の各々で上アームを形成するので、制御信号SG1は、制御パルス信号/SD1および制御パルス信号/SD2の論理和によって生成される。 Specifically, the switching element S1 forms an upper arm in each of the first boost chopper circuit (FIG. 3) and the second boost chopper circuit (FIG. 4), so that the control signal SG1 is the control pulse signal / It is generated by the logical sum of SD1 and control pulse signal / SD2.
スイッチング素子S2は、第1の昇圧チョッパ回路(図3)では上アームを形成し、第2の昇圧チョッパ回路(図4)では下アームを形成する。したがって、制御信号SG2は、制御パルス信号/SD1および制御パルス信号SD2の論理和によって生成される。 The switching element S2 forms an upper arm in the first boost chopper circuit (FIG. 3), and forms a lower arm in the second boost chopper circuit (FIG. 4). Therefore, control signal SG2 is generated by the logical sum of control pulse signal / SD1 and control pulse signal SD2.
同様にして、スイッチング素子S3は、第1の昇圧チョッパ回路(図3)および第2の昇圧チョッパ回路(図4)の両方で下アームを形成するので、制御信号SG3は、制御パルス信号SD1および制御パルス信号SD2の論理和によって生成される。 Similarly, the switching element S3 forms a lower arm in both the first boost chopper circuit (FIG. 3) and the second boost chopper circuit (FIG. 4), so that the control signal SG3 is the control pulse signal SD1 and It is generated by the logical sum of the control pulse signal SD2.
また、スイッチング素子S4は、第1の昇圧チョッパ回路(図3)では下アームを形成し、第2の昇圧チョッパ回路(図4)では上アームを形成するので、制御信号SG4は、制御パルス信号SD1および制御パルス信号/SD2の論理和によって生成される。 Since the switching element S4 forms a lower arm in the first boost chopper circuit (FIG. 3) and an upper arm in the second boost chopper circuit (FIG. 4), the control signal SG4 is a control pulse signal. It is generated by the logical sum of SD1 and control pulse signal / SD2.
制御信号SG1〜SG4に基づいてスイッチング素子S1〜S4をオンオフすることにより、リアクトル電流IL1およびIL2が図6に示すように制御される。リアクトル電流IL1は直流電源B1の電流I[1]に相当し、リアクトル電流IL2は直流電源B2の電流I[2]に相当する。すなわち、リアクトル電流IL1およびIL2の平均値は、デューティ比DT1およびDT2によってそれぞれ制御される。 By turning on and off switching elements S1 to S4 based on control signals SG1 to SG4, reactor currents IL1 and IL2 are controlled as shown in FIG. Reactor current IL1 corresponds to current I [1] of DC power supply B1, and reactor current IL2 corresponds to current I [2] of DC power supply B2. That is, the average values of reactor currents IL1 and IL2 are controlled by duty ratios DT1 and DT2, respectively.
一方で、キャリア波CW1,CW2を構成する三角波の間の位相差φを変化させることにより、電流平均値を変えることなく、リアクトル電流IL1およびリアクトル電流IL2の位相関係(電流位相)が変化する。したがって、キャリア位相制御によって、キャリア波CW1,CW2間の位相差φを適切に調整することにより、電力変換器50のパラレル昇圧モードにおける、スイッチング素子S1〜S4の電力損失を低減することができる。
On the other hand, the phase relationship (current phase) between reactor current IL1 and reactor current IL2 changes without changing the current average value by changing phase difference φ between the triangular waves constituting carrier waves CW1 and CW2. Therefore, the power loss of switching elements S1 to S4 in the parallel boost mode of
以下では、代表的な例として、直流電源B1およびB2の両方が力行状態、すなわちリアクトル電流IL1>0かつリアクトル電流IL2>0である状態での制御について説明する。 In the following, as a representative example, control in a state where both DC power sources B1 and B2 are in a power running state, that is, a reactor current IL1> 0 and a reactor current IL2> 0 will be described.
図7は、パラレル昇圧モードにおけるキャリア位相制御の動作例を説明するための電流波形図である。図8は、図7の所定期間における電力変換器50での電流経路を説明する回路図である。
FIG. 7 is a current waveform diagram for explaining an operation example of carrier phase control in the parallel boost mode. FIG. 8 is a circuit diagram illustrating a current path in
図7を参照して、時刻Taまでは、スイッチング素子S2〜S4がオンされるので、直流電源B1,B2の両方に対して、昇圧チョッパ回路の下アーム(第1および第3の電流経路)がオンされた状態となる。このため、リアクトル電流IL1およびIL2の両方は上昇する。 Referring to FIG. 7, switching elements S2 to S4 are turned on until time Ta, so that the lower arm (first and third current paths) of the boost chopper circuit with respect to both DC power supplies B1 and B2. Is turned on. For this reason, both reactor currents IL1 and IL2 rise.
時刻Taにおいて、スイッチング素子S2がターンオフされることにより、直流電源B2に対して昇圧チョッパ回路の下アーム(第3の電流経路)がオフされた状態となるので、リアクトル電流IL2が上昇から下降に転じる。すなわち、リアクトル電流IL2は極大となる。スイッチング素子S2のターンオフと入替わりに、スイッチング素子S1がターンオンされる。 At time Ta, the switching element S2 is turned off, so that the lower arm (third current path) of the step-up chopper circuit is turned off with respect to the DC power supply B2, so that the reactor current IL2 decreases from rising to falling. Turn. That is, reactor current IL2 becomes maximum. Instead of switching off the switching element S2, the switching element S1 is turned on.
時刻Ta以降では、直流電源B1に対して昇圧チョッパ回路の下アーム(第1の電流経路)がオンされ、直流電源B2に対して昇圧チョッパ回路の下アームがオフされた状態となる。すなわち、リアクトル電流IL2が上昇する一方で、リアクトル電流IL1が下降する。このとき、電力変換器50での電流経路は、図8(a)のようになる。
After the time Ta, the lower arm (first current path) of the boost chopper circuit is turned on with respect to the DC power supply B1, and the lower arm of the boost chopper circuit is turned off with respect to the DC power supply B2. That is, reactor current IL2 rises, while reactor current IL1 falls. At this time, the current path in the
図8(a)から理解されるように、時刻Ta以降では、スイッチング素子S4には、リアクトル電流IL1およびIL2の差電流が通過することになる。すなわち、スイッチング素子S4の通過電流が小さくなる。 As understood from FIG. 8A, after the time Ta, a difference current between the reactor currents IL1 and IL2 passes through the switching element S4. That is, the passing current of the switching element S4 becomes small.
再び図7を参照して、時刻Tb以降の状態から、スイッチング素子S4がターンオフすると、直流電源B1に対して昇圧チョッパ回路の下アームがオフされた状態となるので、リアクトル電流IL1が上昇から下降に転じる。すなわち、リアクトル電流IL1は極大となる。また、スイッチング素子S2がターンオンすると、直流電源B2に対して昇圧チョッパ回路の下アームがオンされた状態となるので、リアクトル電流IL2が再び下降から上昇に転じる。すなわち、リアクトル電流IL2は極小となる。 Referring to FIG. 7 again, when switching element S4 is turned off from the state after time Tb, the lower arm of the step-up chopper circuit is turned off with respect to DC power supply B1, so that reactor current IL1 falls from the rise. Turn to. That is, reactor current IL1 becomes maximum. Further, when switching element S2 is turned on, the lower arm of the step-up chopper circuit is turned on with respect to DC power supply B2, so that reactor current IL2 changes from falling to rising again. That is, reactor current IL2 is minimal.
これにより、電力変換器50での電流経路が、図8(a)の状態から、図8(b)の状態に変化する。図8(b)の状態では、スイッチング素子S2には、リアクトル電流IL1およびIL2の差電流が通過することになるため、スイッチング素子S2の通過電流が小さくなる。
Thereby, the current path in the
さらに、図8(a)の状態でスイッチング素子S4をターンオフさせることにより、スイッチング素子S4のターンオフ時の電流が低減してソフトスイッチングとなり、スイッチング損失を低減できる。また、図8(b)の状態でスイッチング素子S2をターンオンさせることにより、スイッチング素子S2のターンオン時の電流が低減してソフトスイッチングとなり、スイッチング損失を低減できる。 Further, by turning off the switching element S4 in the state of FIG. 8A, the current at the time of turning off the switching element S4 is reduced to perform soft switching, and the switching loss can be reduced. Further, by turning on the switching element S2 in the state of FIG. 8B, the current when the switching element S2 is turned on is reduced to perform soft switching, thereby reducing the switching loss.
したがって、図7に示されるように、リアクトル電流IL1が上昇から下降に転じるタイミングと、リアクトル電流IL2が下降から上昇に転じるタイミングとが一致するように、電流位相、すなわち、キャリア波CW1,CW2の位相差φを調整する。すなわち、リアクトル電流IL1の変曲点(極大点)と、リアクトル電流IL2の変曲点(極小点)とが同一タイミングとなるように位相差φを調整する。これにより、図7の時刻Tbにおいて、スイッチング素子S2がターンオンされるとともに、スイッチング素子S4がターンオフされる。 Therefore, as shown in FIG. 7, the current phase, that is, the carrier waves CW1 and CW2, is such that the timing at which the reactor current IL1 changes from rising to falling matches the timing at which the reactor current IL2 changes from falling to rising. Adjust the phase difference φ. That is, the phase difference φ is adjusted so that the inflection point (maximum point) of reactor current IL1 and the inflection point (minimum point) of reactor current IL2 are at the same timing. Thereby, at time Tb in FIG. 7, the switching element S2 is turned on and the switching element S4 is turned off.
再び図7を参照して、時刻Tcでは、スイッチング素子S1がターンオフされるとともに、スイッチング素子S4がターンオンされる。これにより、直流電源B1に対して昇圧チョッパ回路の下アームがオフされた状態となるので、リアクトル電流IL1が下降から上昇に転じる。すなわち、リアクトル電流IL2は極小となる。スイッチング素子S2のターンオフと入替わりに、スイッチング素子S1がターンオンされることにより、直流電源B1,B2の各々に対して昇圧チョッパ回路の下アームがオンされた状態となる。したがって、上述した時刻Ta以前の状態が再現されて、リアクトル電流IL1およびIL2の両方が上昇する。 Referring to FIG. 7 again, at time Tc, switching element S1 is turned off and switching element S4 is turned on. As a result, the lower arm of the step-up chopper circuit is turned off with respect to the DC power source B1, and the reactor current IL1 changes from falling to rising. That is, reactor current IL2 is minimal. When the switching element S1 is turned on instead of turning off the switching element S2, the lower arm of the step-up chopper circuit is turned on for each of the DC power supplies B1 and B2. Therefore, the state before time Ta described above is reproduced, and both reactor currents IL1 and IL2 rise.
このように、直流電源B1およびB2の両方が力行状態であるときには、リアクトル電流IL1の極大点と、リアクトル電流IL2の極小点とが図中の時刻Tbで重なるような電流位相となるように、キャリア波CW1,CW2間の位相差φを調整する。これにより、時刻Tbにおけるスイッチング素子S2のターンオン損失およびスイッチング素子S4のターンオフ損失を低減できる。 Thus, when both DC power supplies B1 and B2 are in a power running state, the current phase is such that the maximum point of reactor current IL1 and the minimum point of reactor current IL2 overlap at time Tb in the figure. The phase difference φ between the carrier waves CW1 and CW2 is adjusted. Thereby, the turn-on loss of switching element S2 and the turn-off loss of switching element S4 at time Tb can be reduced.
このように、図6におけるφ=φ*となるように位相差φを最適化することで、スイッチング素子S1〜S4での損失を低減するように、リアクトル電流IL1,IL2の位相を制御することができる。 As described above, by optimizing the phase difference φ so that φ = φ * in FIG. 6, the phases of the reactor currents IL1 and IL2 are controlled so as to reduce the loss in the switching elements S1 to S4. Can do.
図6から理解されるように、このような位相差φ*では、制御パルス信号SD1の立下りタイミング(または立上りタイミング)と、制御パルス信号SD2の立上りタイミング(または立下りタイミング)とが重なることになる。 As understood from FIG. 6, in such a phase difference φ *, the falling timing (or rising timing) of the control pulse signal SD1 and the rising timing (or falling timing) of the control pulse signal SD2 overlap. become.
制御パルス信号SD1,SD2の波形は、デューティ比DT1,DT2によって変化する。したがって、キャリア位相制御による最適な位相差φ*についても、デューティ比DT1,DT2に応じて変化する。このため、特許文献1のキャリア位相制御では、デューティ比DT1,DT2と、最適な位相差φ*との関係を予め求めるとともに、その対応関係に従って、デューティ比DT1、DT2が変化する毎に位相差φを変化させる必要がある。この結果、キャリア位相制御のための制御装置40での演算負荷が大きくなる点が課題となる。
The waveforms of the control pulse signals SD1 and SD2 vary depending on the duty ratios DT1 and DT2. Therefore, the optimum phase difference φ * by the carrier phase control also changes according to the duty ratios DT1 and DT2. For this reason, in the carrier phase control of
もし、演算負荷の影響で位相差φの制御が遅れると、リアクトル電流IL1,IL2の挙動が不安定になることが懸念される。あるいは、制御装置40のスペックに従ってPWM制御の制御周期が制約を受ける虞がある。反対に、PWM制御の制御周期を確保するために、制御装置40に高いスペックが要求される可能性もある。
If the control of the phase difference φ is delayed due to the influence of the calculation load, there is a concern that the behavior of the reactor currents IL1 and IL2 becomes unstable. Alternatively, the control cycle of the PWM control may be restricted according to the specifications of the
また、特許文献1にも記載されるように、リアクトル電流IL1,IL2の好ましい位相関係は、たとえば、直流電源B1,B2が力行(放電)/回生(充電)のいずれで動作しているか、すなわち、電力変換器50のリアクトル電流IL1,IL2の方向(正/負)の組み合わせに応じて異なる。
Further, as described in
図9は、リアクトル電流の方向に応じた電流位相の制御例を説明するための図表である。 FIG. 9 is a chart for explaining an example of control of the current phase according to the direction of the reactor current.
図9を参照して、リアクトル電流がIL1>0,IL2>0である状態Aでは、上述した、直流電源B1およびB2の両方が力行状態である。この場合には、図6〜8で説明したように、リアクトル電流についてはIL1の極大点(山)と、IL2の極小点(谷)とが同一タイミングとなる電流位相(以下、「位相パターンA」とも称する)とすることにより、スイッチング素子S1〜S4での電力損失を減少できる。 Referring to FIG. 9, in state A where the reactor current is IL1> 0, IL2> 0, both DC power supplies B1 and B2 described above are in a powering state. In this case, as described with reference to FIGS. 6 to 8, regarding the reactor current, the current phase (hereinafter referred to as “phase pattern A”) where the maximum point (crest) of IL1 and the minimum point (valley) of IL2 are the same timing. ”), The power loss in the switching elements S1 to S4 can be reduced.
同様に、リアクトル電流がIL1<0,IL2<0である状態Bでは、直流電源B1およびB2の両方が回生状態である。この場合には、リアクトル電流IL1,IL2の方向が状態Aと逆になるため、IL1の極小点(谷)と、IL2の極大点(山)とが同一タイミングとなる電流位相(以下、「位相パターンB」とも称する)とすることにより、スイッチング素子S1〜S4での電力損失を減少できる。 Similarly, in state B where the reactor current is IL1 <0, IL2 <0, both DC power supplies B1 and B2 are in the regenerative state. In this case, since the directions of the reactor currents IL1 and IL2 are opposite to those in the state A, the current phase (hereinafter referred to as “phase”) in which the minimum point (valley) of IL1 and the maximum point (peak) of IL2 are the same timing. In this case, the power loss in the switching elements S1 to S4 can be reduced.
また、リアクトル電流がIL1<0,IL2>0である状態Cでは、直流電源B1が回生状態である一方で、直流電源B2は力行状態である。この状態では、IL1の極大点(山)と、IL2の極大点(山)とが同一タイミングとなる電流位相(以下、「位相パターンC」とも称する)とすることにより、スイッチング素子S1〜S4での電力損失を減少できる。 In the state C where the reactor current is IL1 <0, IL2> 0, the DC power supply B1 is in the regenerative state, while the DC power supply B2 is in the powering state. In this state, by setting the current phase (hereinafter also referred to as “phase pattern C”) at which the local maximum point (crest) of IL1 and the local maximum point (crest) of IL2 have the same timing, switching elements S1 to S4 Power loss can be reduced.
同様に、リアクトル電流がIL1>0,IL2<0である状態Dでは、直流電源B1が力行状態である一方で、直流電源B2は回生状態である。この状態では、IL1の極小点(谷)と、IL2の極小点(谷)とが同一タイミングとなる電流位相(以下、「位相パターンD」とも称する)とすることにより、スイッチング素子S1〜S4での電力損失を減少できる。 Similarly, in the state D where the reactor currents IL1> 0 and IL2 <0, the DC power source B1 is in the power running state, while the DC power source B2 is in the regenerative state. In this state, the minimum phase (valley) of IL1 and the minimum point (valley) of IL2 have the same timing (hereinafter also referred to as “phase pattern D”), so that switching elements S1 to S4 Power loss can be reduced.
このように、電力変換器50の動作状態の1つである、リアクトル電流IL1,IL2の方向(正/負)に応じて、スイッチング素子S1〜S4での電力損失を減少するための好ましい電流位相が、上記4パターンの間で変化する。
Thus, a preferable current phase for reducing power loss in switching elements S1 to S4 according to the direction (positive / negative) of reactor currents IL1 and IL2, which is one of the operating states of
また、リアクトル電流IL1,IL2の方向(正/負)の同一の組み合わせに対して、上記4パターンの電流位相を適用すると、各スイッチング素子S1〜S4での電力損失、すなわち、発熱量が変化することが理解される。したがって、時分割で電流位相のパターンを切換えると、スイッチング素子S1〜S4間で発熱量を均一化できる可能性がある。この場合には、電力変換器50の動作状態の1つである、スイッチング素子S1〜S4の温度に応じて、好ましい電流位相が上記4パターンの間で変化する。
Further, when the above four patterns of current phases are applied to the same combination of reactor currents IL1 and IL2 (positive / negative), the power loss in each of the switching elements S1 to S4, that is, the amount of heat generated, changes. It is understood. Therefore, when the current phase pattern is switched in a time division manner, there is a possibility that the amount of heat generated can be made uniform between the switching elements S1 to S4. In this case, the preferred current phase changes between the four patterns according to the temperature of the switching elements S1 to S4, which is one of the operating states of the
したがって、電源システム5Aの動作中において、電力変換器50の動作状態に応じて、リアクトル電流IL1,IL2の位相を位相パターンA〜Dの間で切り替える電流位相制御によって、電力損失低減による高効率化、あるいは、素子温度抑制による高出力化を通じて電源システム5Aの性能を向上することができる。
Therefore, during operation of
しかしながら、三角波のキャリア位相制御によって上記電流位相制御を行うと、パターン切替えの際には、キャリア位相差の変化が大きくなる。このため、上述した演算負荷の高さの影響も考慮すれば、リアクトル電流の過渡的な挙動が不安定となって、電流変動が過大となることが懸念される。 However, when the current phase control is performed by the carrier phase control of the triangular wave, the change in the carrier phase difference becomes large at the time of pattern switching. For this reason, if the influence of the height of the calculation load mentioned above is also taken into consideration, there is a concern that the transient behavior of the reactor current becomes unstable and the current fluctuation becomes excessive.
(2)本実施の形態に従うPWM制御
上記のような、キャリア位相制御による問題点を解決するために、本実施の形態では、以下に説明するように、のこぎり波をキャリア波として用いるPWM制御によって、リアクトル電流IL1,IL2の電流位相のパターン切替えを伴う電流位相制御を実現する。
(2) PWM control according to the present embodiment In order to solve the problems caused by carrier phase control as described above, in the present embodiment, as described below, PWM control using a sawtooth wave as a carrier wave is used. , Current phase control involving switching of the current phase pattern of reactor currents IL1 and IL2 is realized.
図10〜図13は、本実施の形態に従う電源システムで適用されるPWM制御のキャリア波モードを説明するための波形図である。 10 to 13 are waveform diagrams for illustrating a carrier wave mode of PWM control applied in the power supply system according to the present embodiment.
図10〜図13を参照して、本実施の形態に従う電源システムでは、同一周波数で位相(エッジタイミング)が同期した2つののこぎり波によって、キャリア波CW1およびCW2を構成する。図10〜図13では、キャリア波CW1およびCW2以外については、図6と同様である。すなわち、制御パルス信号SD1,SD2に基づくスイッチング素子S1〜S4のオンオフ制御は、図6と同様に実行される。 Referring to FIGS. 10 to 13, in the power supply system according to the present embodiment, carrier waves CW <b> 1 and CW <b> 2 are configured by two sawtooth waves whose phases (edge timings) are synchronized at the same frequency. 10 to 13 are the same as FIG. 6 except for the carrier waves CW1 and CW2. That is, the on / off control of the switching elements S1 to S4 based on the control pulse signals SD1 and SD2 is performed in the same manner as in FIG.
のこぎり波には、右下り形状および右上り形状の2種類の波形が存在する。したがって、図14に示されるように、のこぎり波の波形の組み合わせによって、キャリア波CW1,CW2には4個のモードが存在することが理解される。図10〜図13には、図14に示されたキャリア波モード1〜4のそれぞれのときのPWM波形が示される。
There are two types of sawtooth waves: a right-down shape and an upper-right shape. Therefore, as shown in FIG. 14, it is understood that there are four modes in the carrier waves CW1 and CW2 depending on the combination of the sawtooth waveform. 10 to 13 show PWM waveforms in each of the
図10を参照して、キャリア波モード1では、キャリア波CW1が右下り形状ののこぎり波STDによって構成される、キャリア波CW2は右上り形状ののこぎり波STUによって構成される。
Referring to FIG. 10, in
図6で説明したのと同様に、制御パルス信号SD1は、キャリア波CW1およびデューティ比DT1の電圧比較に従って生成される。同様に、制御パルス信号SD2は、キャリア波CW2およびデューティ比DT2の電圧比較に従って生成される。制御パルス信号SD1,SD2に従って設定される制御信号SG1〜SG4によるスイッチング素子S1〜S4の制御によって、制御パルス信号SD1のHレベル期間では、リアクトル電流IL1が上昇し、制御パルス信号SD1のLレベル期間では、リアクトル電流IL1が低下する。同様に、制御パルス信号SD2のHレベル期間では、リアクトル電流IL2が上昇し、制御パルス信号SD2のLレベル期間では、リアクトル電流IL2が低下する。 As described with reference to FIG. 6, the control pulse signal SD1 is generated according to a voltage comparison between the carrier wave CW1 and the duty ratio DT1. Similarly, control pulse signal SD2 is generated in accordance with voltage comparison between carrier wave CW2 and duty ratio DT2. By control of switching elements S1 to S4 by control signals SG1 to SG4 set according to control pulse signals SD1 and SD2, reactor current IL1 rises during the H level period of control pulse signal SD1, and L level period of control pulse signal SD1. Then, the reactor current IL1 decreases. Similarly, reactor current IL2 increases during the H level period of control pulse signal SD2, and reactor current IL2 decreases during the L level period of control pulse signal SD2.
キャリア波CW1およびCW2は、同一周波数でエッジタイミングが同期しているので、周期の切替わりタイミングである時刻txにおいて、制御パルス信号SD1,SD2のレベルが遷移する。このタイミングで、リアクトル電流IL1,IL2は変曲点を有することになる。すなわち、キャリア波CW1,CW2の1周期毎に、図9に示された位相パターンA〜Dのように、リアクトル電流IL1,IL2の変曲点を同一タイミングとすることができる。さらに、位相パターンA〜Dは、キャリア波CW1,CW2を構成するのこぎり波の波形の組み合わせによって選択することができる。 Since the carrier waves CW1 and CW2 are synchronized in edge timing at the same frequency, the levels of the control pulse signals SD1 and SD2 transition at time tx, which is the cycle switching timing. At this timing, reactor currents IL1 and IL2 have inflection points. That is, the inflection points of reactor currents IL1 and IL2 can be set to the same timing as in phase patterns A to D shown in FIG. 9 for each cycle of carrier waves CW1 and CW2. Furthermore, the phase patterns A to D can be selected by a combination of sawtooth wave waveforms constituting the carrier waves CW1 and CW2.
図10に示されるように、右下り形状ののこぎり波(以下、単に「下りのこぎり波」とも称する)STDによって制御されるリアクトル電流IL1は、時刻txで極大点(山)を有することになる。一方で、右上り形状ののこぎり波(以下、単に「上りのこぎり波」とも称する)STUによって制御されるリアクトル電流IL2は、時刻txで極小点(谷)を有する。したがって、キャリア波モード1を適用すれば、図9の位相パターンAを実現するように電流位相を制御できる。なお、上りのこぎり波STUは、「第1の鋸歯状波」に対応し、下りのこぎり波STDは、「第2の鋸歯状波」に対応する。
As shown in FIG. 10, reactor current IL1 controlled by a sawtooth wave having a right-bottom shape (hereinafter also simply referred to as “down-sawtooth wave”) STD has a maximum point (mountain) at time tx. On the other hand, reactor current IL2 controlled by a sawtooth wave having an upper right shape (hereinafter also simply referred to as “upward sawtooth wave”) STU has a minimum point (valley) at time tx. Therefore, if the
図11および図14を参照して、キャリア波モード2では、キャリア波CW1が上りのこぎり波STUによって構成される一方で、キャリア波CW2は下りのこぎり波STDによって構成される。
Referring to FIG. 11 and FIG. 14, in
この結果、図10と同様の時刻txにおいて、リアクトル電流IL1が極小点(谷)を有する一方で、リアクトル電流IL2は極大点(山)を有する。したがって、図11に示されるように、キャリア波モード2を適用すれば、図9の位相パターンBを実現するように電流位相を制御できる。
As a result, at the same time tx as in FIG. 10, reactor current IL1 has a minimum point (valley), while reactor current IL2 has a maximum point (peak). Therefore, as shown in FIG. 11, if the
図12および図14を参照して、キャリア波モード3では、キャリア波CW1およびCW2の両方が上りのこぎり波STUによって構成される。
Referring to FIGS. 12 and 14, in
この結果、図10および図11と同様の時刻txにおいて、リアクトル電流IL1およびIL2の両方が極小点(谷)を有する。したがって、図12に示されるように、キャリア波モード3を適用すれば、図9の位相パターンCを実現するように電流位相を制御できる。
As a result, at the same time tx as in FIGS. 10 and 11, both reactor currents IL1 and IL2 have minimum points (valleys). Therefore, as shown in FIG. 12, when the
図13および図14を参照して、キャリア波モード4では、キャリア波CW1およびCW2の両方が下りのこぎり波STDによって構成される。
Referring to FIGS. 13 and 14, in
この結果、図10〜図12と同様の時刻txにおいて、リアクトル電流IL1およびIL2の両方が極大点(山)を有する。したがって、図13に示されるように、キャリア波モード4を適用すれば、図9の位相パターンDを実現するように電流位相を制御できる。
As a result, at the same time tx as in FIGS. 10 to 12, both reactor currents IL <b> 1 and IL <b> 2 have maximum points (mountains). Therefore, as shown in FIG. 13, if the
このように、本実施の形態1に従う電源システムによれば、キャリア波CW1,CW2にのこぎり波を適用することによって、リアクトル電流IL1,IL2の間で変曲点を同一タイミングに一致させる電流位相制御を、キャリア位相差の調整のような複雑な演算処理を行うことなく、簡易な制御処理で実現することができる。さらに、リアクトル電流IL1,IL2の位相パターンA〜Dの選択についても、のこぎり波の波形の選択によって、簡易に実現することができる。具体的には、キャリア波発生部560(図6)が、電力変換器50の動作状態(リアクトル電流IL1,IL2の方向および/またはスイッチング素子S1〜S4の温度等)に応じて、図14に示されたキャリア波モードの選択を伴ってキャリア波CW1,CW2を発生することにより、位相パターンA〜Dの選択が可能となる。 Thus, according to the power supply system according to the first embodiment, by applying the sawtooth wave to carrier waves CW1 and CW2, current phase control for matching the inflection points between reactor currents IL1 and IL2 at the same timing. Can be realized by simple control processing without performing complicated calculation processing such as adjustment of carrier phase difference. Further, the selection of the phase patterns A to D of the reactor currents IL1 and IL2 can be easily realized by selecting the sawtooth waveform. Specifically, the carrier wave generation unit 560 (FIG. 6) changes the operation state of the power converter 50 (the direction of the reactor currents IL1 and IL2 and / or the temperature of the switching elements S1 to S4, etc.) to FIG. By generating carrier waves CW1 and CW2 with the selection of the indicated carrier wave mode, the phase patterns A to D can be selected.
図1に示された電力変換器50では、スイッチング素子S1〜S4のオンオフ制御に応じて、スイッチング素子S1〜S4の少なくともいずれかにリアクトル電流IL1,IL2の両方が流れる。このため、図9に示された位相パターンA〜Dを電力変換器50の動作状態に応じて切替える電流位相制御により、高効率化あるいは高出力化を図ることができる。
In
したがって、図1に示された電力変換器50を含む電源システム5Aでは、本実施の形態に従うPWM制御によって直流電源B1,B2の出力を制御することによって、簡易な制御処理によって、リアクトル電流を大きく変動させることなく、性能を向上させることができる。
Therefore, in
[実施の形態1の変形例]
実施の形態1に従うPWM制御では、位相パターンを切替える際には、キャリア波CW1,CW2の周期間で、のこぎり波の波形を変化するためのキャリア波モードの切替えが必要である。実施の形態1の変形例では、キャリア波モードの切替え時における好ましい制御について、さらに説明する。
[Modification of Embodiment 1]
In the PWM control according to the first embodiment, when the phase pattern is switched, it is necessary to switch the carrier wave mode for changing the sawtooth waveform between the periods of the carrier waves CW1 and CW2. In the modification of the first embodiment, preferable control at the time of switching the carrier wave mode will be further described.
図15は、実施の形態1に従うPWM制御でのキャリア波モードの切替え時における問題点を説明するための動作波形図である。 FIG. 15 is an operation waveform diagram for illustrating problems at the time of switching of the carrier wave mode in PWM control according to the first embodiment.
図15を参照して、キャリア波CW1およびCW2の周期Tcy毎に、リアクトル電流IL1,IL2の変曲点が同一タイミングで発生する。時刻t1以前では、キャリア波モード2が適用されるので、時刻tx1,tx2において、リアクトル電流IL1の極小点(谷)とリアクトル電流IL2の極大点(山)とが一致する。すなわち、電流位相は、位相パターンBに制御される。
Referring to FIG. 15, inflection points of reactor currents IL1 and IL2 are generated at the same timing for every cycle Tcy of carrier waves CW1 and CW2. Since
時刻t1において、電力変換器50の動作状態に応じて、位相パターンBから位相パターンAに電流位相制御が切替えられる。これに応じて、時刻t1以降では、キャリア波モードが切替えられる。具体的には、キャリア波CW1を下りのこぎり波STDで構成し、キャリア波CW2を上りのこぎり波STUで構成するキャリア波モード1が新たに選択される。
At time t1, the current phase control is switched from the phase pattern B to the phase pattern A according to the operating state of the
時刻t1の直前の周期200Aと、時刻t1直後の周期200Bとの間では、切替え時点(時刻t1)を挟んで、キャリア波CW1およびキャリア波CW2の両方の波形が対称となる。この結果、リアクトル電流IL1は、通常の2倍の期間にわたって低下を続けるとともに、リアクトル電流IL2は通常の2倍の期間にわたって上昇する。これにより、リアクトル電流の変動が大きくなる。
Between the
さらに、周期200Bにおいて、デューティ比DT1およびDT2が変化していないにも関わらず、リアクトル電流IL1の平均値が低下するとともに、リアクトル電流IL2の平均値が上昇することが理解される。周期200Bにおいても、直流電源B1およびB2の各々に対する、下アームオン期間および上アームオン期間の比は変わらないが、リアクトル電流IL1,IL2が同一方向に連続的に変化する期間長が変化することから、平均電流が変化してしまう。 Furthermore, in cycle 200B, it is understood that the average value of reactor current IL1 decreases and the average value of reactor current IL2 increases while duty ratios DT1 and DT2 do not change. Even in the cycle 200B, the ratio of the lower arm on period and the upper arm on period with respect to each of the DC power sources B1 and B2 does not change, but the period length in which the reactor currents IL1 and IL2 continuously change in the same direction changes. The average current will change.
この結果、周期200Bの次の周期でも、リアクトル電流IL1,IL2の平均値は、時刻t1以前から変化してしまう。以降でのフィードバック制御によってデューティ比DT1,DT2が調整されることによって、リアクトル電流IL1,IL2の平均値は適正値に復帰することができるが、キャリア波モードの切替に伴って電流変動が生じることは好ましくない。 As a result, even in the period following the period 200B, the average value of reactor currents IL1 and IL2 changes from before time t1. By adjusting the duty ratios DT1 and DT2 by subsequent feedback control, the average value of the reactor currents IL1 and IL2 can be restored to an appropriate value, but current fluctuations occur when the carrier wave mode is switched. Is not preferred.
このように、キャリア波モードの切替え時に、切替え時点(時刻t1)を挟んでキャリア波の波形が対称形となると、リアクトル電流の過渡的な変動が大きくなることが懸念される。 As described above, when the carrier wave mode is switched, if the carrier wave waveform is symmetrical with respect to the switching time point (time t1), there is a concern that the transient fluctuation of the reactor current increases.
図16には、本実施の形態1の変形例に従うPWM制御におけるキャリア波モード切替え時の第1の制御例を説明する波形図が示される。 FIG. 16 is a waveform diagram for explaining a first control example at the time of carrier wave mode switching in PWM control according to the modification of the first embodiment.
図16を参照して、実施の形態1の変形例では、キャリア波モードを切替える周期200Aおよび200Bの間に、遷移周期205が設けられる。遷移周期205では、キャリア波モードの切替えによってのこぎり波の波形が切替えられるときには、のこぎり波と同一周期Tcyを有する三角波TWまたは逆相三角波RTWがキャリア波に適用される。
Referring to FIG. 16, in the modification of the first embodiment,
図16の例では、図15と同様に、時刻t1からキャリア波モード2からキャリア波モード1への切替えが行なわれる際に、下りのこぎり波STDから上りのこぎり波STUへの切替えの際には三角波TWがキャリア波に適用される。一方で、上りのこぎり波STUから下りのこぎり波STDへの切替えの際には逆相三角波RTWが適用される。このため、遷移周期205において、キャリア波CW1は逆相三角波RTWによって構成され、キャリア波CW2は三角波TWによって構成される。
In the example of FIG. 16, as in FIG. 15, when switching from the
三角波TWおよび逆相三角波RTWは、のこぎり波と同一周期を有するので、遷移周期205が適用される時刻t1〜tz間において、デューティ比DT1,DT2とキャリア波CW1,CW2との電圧高低関係が2回変化する。この結果、リアクトル電流IL1,IL2にも変曲点が2回生じる。
Since the triangular wave TW and the antiphase triangular wave RTW have the same period as the sawtooth wave, the voltage level relationship between the duty ratios DT1 and DT2 and the carrier waves CW1 and CW2 is 2 between the times t1 and tz when the
この結果、キャリア波モードを切替える際における、連続的な電流上昇または低下の期間が図15と比較して短くなる。したがって、リアクトル電流IL1,IL2の変動を軽減することができる。 As a result, the continuous current increase or decrease period when switching the carrier wave mode is shorter than that in FIG. Therefore, fluctuations in reactor currents IL1 and IL2 can be reduced.
一方で、三角波TWまたは逆相三角波RTWをキャリア波として適用する場合には、同一のデューティ比DT1,DT2に対して、図15と同様に、リアクトル電流IL1,IL2の平均値が変化してしまう。このため、リアクトル電流IL1,IL2の平均値を変化させないためには、三角波TWまたは逆相三角波RTWを適用する場合にデューティ比の変換が必要となる。 On the other hand, when the triangular wave TW or the anti-phase triangular wave RTW is applied as the carrier wave, the average values of the reactor currents IL1 and IL2 change for the same duty ratio DT1 and DT2 as in FIG. . Therefore, in order not to change the average values of reactor currents IL1 and IL2, it is necessary to convert the duty ratio when applying triangular wave TW or antiphase triangular wave RTW.
図17は、三角波TWをキャリア波として適用する場合におけるデューティ比変換を説明するための波形図である。 FIG. 17 is a waveform diagram for explaining duty ratio conversion when the triangular wave TW is applied as a carrier wave.
図17には、デューティ比DTに対して、三角波TWが適用された遷移周期205における変換デューティ比DTaの導出が示される。図17において、デューティ比DTは、DT1およびDT2を包括に表記するものであり、リアクトル電流ILは、IL1およびIL2を包括的に表記するものである。
FIG. 17 shows derivation of the conversion duty ratio DTa in the
変換デューティ比DTaは、デューティ比DT1に従う周期200Aおよび変換デューティ比DTaに従う遷移周期205の間で、リアクトル電流ILの平均値が変わらないように設定される。
Conversion duty ratio DTa is set so that the average value of reactor current IL does not change between
図17を参照して、遷移周期205の直前の周期200Aおよび直後の周期200Bにおいて、キャリア波CWは、下りのこぎり波STDおよび上りのこぎり波STUである。周期200Aにおいて、時刻t0〜taの間(期間長T1)ではCW>DTであるので、リアクトル電流ILは低下する。なお、当該期間では、リアクトル電流IL1に対しては電流経路121(図3(b))が形成され、リアクトル電流IL2に対しては電流経路131(図4(b))が形成される。
Referring to FIG. 17, in
一方で、時刻ta〜t1の間(期間長T2)では、CW<DTとなるのでリアクトル電流ILは上昇する。当該期間では、リアクトル電流IL1に対しては電流経路120(図3(a))が形成され、リアクトル電流IL2に対しては電流経路130(図4(a))が形成される。 On the other hand, between times ta and t1 (period length T2), CW <DT, so that reactor current IL increases. In this period, a current path 120 (FIG. 3A) is formed for the reactor current IL1, and a current path 130 (FIG. 4A) is formed for the reactor current IL2.
ここで、デューティ比DTおよび周期Tcyを用いると、T2=Tc×DT、かつ、T1=Tc×(1−DT)となる。そして、周期Tcy離れた時刻t0とt1とでリアクトル電流ILは等しい。 Here, when the duty ratio DT and the cycle Tcy are used, T2 = Tc × DT and T1 = Tc × (1−DT). The reactor current IL is equal at times t0 and t1 separated by the cycle Tcy.
まず、遷移周期205において、周期201と同等のデューティ比DT1を三角波TWと比較したときのリアクトル電流ILの波形が点線で示される。この場合には、DT1=TWとなる時刻tcおよびtdにおいてリアクトル電流ILに変曲点が生じる。TW>DT1となる時刻tc〜tdの期間長T5(すなわち、上アームオンの期間長)は、周期201での期間長T2と同等である。
First, in the
しかしながら、周期205では、時刻t1以降も下アームオンによる電流上昇期間が継続するため、上アームオンの期間長が周期201と同等に確保されても、リアクトル電流ILの平均値は、周期201よりも上昇してしまう。したがって、リアクトル電流ILの平均値を周期201と同等にするためには、変換デューティ比DTaを以下のように求める必要がある。
However, in
遷移周期205(時刻t1〜tz)において、変換デューティ比DTaに対して、時刻t1〜tbの間(期間長T3)は、DTa>CWであるので、リアクトル電流ILは上昇する。当該期間では、リアクトル電流IL1に対しては電流経路120(図3(a))が形成され、リアクトル電流IL2に対しては電流経路130(図4(a))が形成される。 In transition period 205 (time t1 to tz), reactor current IL rises since DTa> CW during time t1 to tb (period length T3) with respect to conversion duty ratio DTa. In this period, a current path 120 (FIG. 3A) is formed for the reactor current IL1, and a current path 130 (FIG. 4A) is formed for the reactor current IL2.
変換デューティ比DTaを三角波TWと比較したときには、時刻tb〜teの間はCW>DTaであるので、リアクトル電流ILは低下する。時刻te〜tz(期間長T7)では、再び、DTa>CWとなるので、時刻t1〜tbと同様にリアクトル電流ILは上昇する。三角波TWの波形から、T3=T7が成立する。また、T3+T7=Tc×DTaであるので、T3=T7=(Tc/2)×DTaと示されることが理解される。 When the conversion duty ratio DTa is compared with the triangular wave TW, the reactor current IL decreases because CW> DTa from time tb to time te. From time te to tz (period length T7), since DTa> CW again, reactor current IL rises in the same way as from time t1 to tb. From the waveform of the triangular wave TW, T3 = T7 is established. Further, since T3 + T7 = Tc × DTa, it is understood that T3 = T7 = (Tc / 2) × DTa.
上述したように、時刻tc〜tdまでの期間長T5は、周期201での上アームオン期間長T1と同等である。したがって、時刻tcにおけるリアクトル電流IL(以下、IL(tc)とも表記する)が時刻t0,t1でのリアクトル電流IL(以下、IL(t0),IL(t1)とも表記する)と同等であるようにすると、時刻tdでのリアクトル電流ILも、時刻taと同等となる。
As described above, the period length T5 from time tc to td is equal to the upper arm on period length T1 in the
三角波TWの対称性から、T3:T4=T7:T6となる。このため、IL(tc)=IL(t1)(=IL(t0))が実現されると、周期205が終了され、かつ、周期202が開始される時刻tzにおけるリアクトル電流ILを、周期201での最小値(時刻ta)と同等とすることができる。上りのこぎり波が適用される周期202では、周期202が開始される時刻tzにおいて、リアクトル電流ILは最小値となる。この結果、周期201、遷移周期205および周期202の各々において、リアクトル電流ILの平均値を同等とすることができる。
From the symmetry of the triangular wave TW, T3: T4 = T7: T6. For this reason, when IL (tc) = IL (t1) (= IL (t0)) is realized, the reactor current IL at the time tz at which the
時刻t1の前後で、リアクトル電流ILの上昇時の傾きおよび低下時の傾きは変わらない。したがって、電流波形の相似性から、IL(tc)=IL(t1)とするためには、T1:T2=T4:T3が成立するように、変換デューティ比DTaを定めればよいことが理解される。ここで、T1:T2=(1−DT):DT、および、T3=(Tc/2)×DTaから下記(1)式が成立する。 Before and after time t1, the slope when reactor current IL rises and the slope when it falls are unchanged. Therefore, it is understood from the similarity of the current waveform that the conversion duty ratio DTa should be determined so that T1: T2 = T4: T3 is satisfied in order to satisfy IL (tc) = IL (t1). The Here, the following formula (1) is established from T1: T2 = (1-DT): DT and T3 = (Tc / 2) × DTa.
(1−DT):DT=T4:(Tc/2)×DTa …(1)
(1)式を変形すると、下記(2)式が得られる。
(1-DT): DT = T4: (Tc / 2) × DTa (1)
When the equation (1) is modified, the following equation (2) is obtained.
T4=(DTa/DT)×(1−DT)×(Tc/2) …(2)
また、時刻tb〜tdでは、三角波TWの対称性から、下記(3)式が成立する。
T4 = (DTa / DT) × (1-DT) × (Tc / 2) (2)
Also, from time tb to td, the following equation (3) is established from the symmetry of the triangular wave TW.
T4×2+T5=(1−DTa)×Tc …(3)
式(3)に式(2)を代入し、さらに、周期200Aおよび遷移周期205の間で、電流変化量が同一であるT1=T5となるから、T5=Tc×(1−DT)を代入すると、(4)式が得られる。
T4 × 2 + T5 = (1−DTa) × Tc (3)
Substituting Equation (2) into Equation (3) and further substituting T5 = Tc × (1−DT) because T1 = T5 where the current change amount is the same between the
DTa/DT×(1−DT)+(1−DT)=(1−DTa) …(4)
式(4)をDTaについて解くと、DTa=DT^2(DTの2乗)が得られる。
DTa / DT × (1-DT) + (1-DT) = (1-DTa) (4)
Solving equation (4) for DTa yields DTa = DT ^ 2 (DT squared).
同様に、リアクトル電流ILの平均値が周期201と同等となるように、逆相三角波RTWが適用された遷移周期205における変換デューティ比DTbを求めると、詳細な導出は省略するが、DTb=1−(1−DT)^2が得られる。
Similarly, when the conversion duty ratio DTb in the
以上より、図16に示した第1の制御例に従う遷移周期でのキャリア波の設定の一覧は、図18に示すようになる。 As described above, a list of carrier wave settings in the transition period according to the first control example shown in FIG. 16 is as shown in FIG.
図18を参照して、キャリア波の切替モードは、切替え前のキャリア波モードおよび切替え後のキャリア波モードを続けて表記した2桁の整数で示される。たとえば、図16に示した、キャリア波モード2からキャリア波モード1への切替え時には、切替モード21が適用される。したがって、4個のキャリア波モードに対して、切替モードは3×4=12個存在する。
Referring to FIG. 18, the carrier wave switching mode is indicated by a two-digit integer that represents the carrier wave mode before switching and the carrier wave mode after switching in succession. For example, the switching
図18には、各切替モードにおける、キャリア波CW1,CW2および、適用されるデューティ比DT1♯,DT2♯が示される。上述のように、デューティ比DT1♯,DT2♯は、遷移周期205においても直前の周期200Aとリアクトル電流IL1,IL2の平均値を同等とするための換算値である。
FIG. 18 shows carrier waves CW1 and CW2 and applied duty ratios DT1 # and DT2 # in each switching mode. As described above, duty ratios DT1 # and DT2 # are converted values for making the average value of reactor currents IL1 and IL2 equal to
キャリア波CW1について、切替え前後とも下りのこぎり波が適用される、切替モード14および切替モード41では、遷移周期205において、キャリア波CW1の変更は必要ない。このため、キャリア波CW1には、下りのこぎり波STDが適用される。同様に、切替え前後とも上りのこぎり波が適用される、切替モード23および切替モード32では、キャリア波CW1には、上りのこぎり波STUが適用される。これらの切替モードでは、デューティ比の変換は不要であるので、DT1♯=DT1に設定される。
Regarding the carrier wave CW1, in the switching
キャリア波CW1について、切替え前に下りのこぎり波が適用される一方で切替え後には上りのこぎり波が適用される、切替モード12、切替モード13、切替モード42、および、切替モード43では、図16でのキャリア波CW2と同様に、三角波TWが適用される。この場合には、デューティ比換算により、DT1♯=DTa=(DT1)2(すなわち、DT1^2)に設定される。
For the carrier wave CW1, in the switching
一方で、切替え前に上りのこぎり波が適用される一方で切替え後には下りのこぎり波が適用される、切替モード21、切替モード24、切替モード31、および、切替モード34では、図16でのキャリア波CW1と同様に、逆相三角波RTWが適用される。この場合には、デューティ比換算により、DT1♯=DTb=1−(1−DT1)2(すなわち、1−(1−DT1)^2)に設定される。
On the other hand, in the switching
キャリア波CW2についても、キャリア波CW1と同様に、切替え前後とも下りのこぎり波が適用される、切替モード24および切替モード42では、遷移周期205におけるキャリア波CW2は、下りのこぎり波STDで構成される。また、切替え前後とも上りのこぎり波が適用される、切替モード13および切替モード31では、キャリア波CW2は、上りのこぎり波STUで適用される。これらの切替モードでは、DT2♯=DT2に設定される。
Also in the switching
一方で、切替え前に下りのこぎり波が適用される一方で切替え後には上りのこぎり波が適用される、切替モード21、切替モード23、切替モード41、および、切替モード43では、図16でのキャリア波CW2と同様に、三角波TWが適用される。DT2♯=DTa=(DT2)2(すなわち、DT2^2)に設定される。
On the other hand, in the switching
これに対して、切替え前に上りのこぎり波が適用される一方で切替え後には下りのこぎり波が適用される、切替モード12、切替モード14、切替モード32、および、切替モード34では、図16でのキャリア波CW1と同様に、逆相三角波RTWが適用される。そして、DT2♯=DTb=1−(1−DT2)2(すなわち、1−(1−DT2)^2)に設定される。
On the other hand, in the switching
このようにすると、リアクトル電流IL1,IL2の位相関係を変える電流位相制御のためにキャリア波モードを切替える場合に、リアクトル電流IL1,IL2の平均値を維持した上で、リアクトル電流IL1,IL2の変動を抑制することができる。 In this way, when the carrier wave mode is switched for current phase control that changes the phase relationship between reactor currents IL1 and IL2, the average values of reactor currents IL1 and IL2 are maintained, and fluctuations in reactor currents IL1 and IL2 are maintained. Can be suppressed.
なお、キャリア波モード切替え時における三角波および逆相三角波の適用は、図16の例と反対にすることも可能である。 Note that the application of the triangular wave and the anti-phase triangular wave at the time of switching the carrier wave mode can be reversed from the example of FIG.
図19には、本実施の形態1の変形例に従うPWM制御におけるキャリア波モード切替え時の第2の制御例を説明する波形図が示される。図19においても、図16と同様に、キャリア波モード2からキャリア波モード1への切替えが示される。
FIG. 19 is a waveform diagram for explaining a second control example at the time of switching the carrier wave mode in the PWM control according to the modification of the first embodiment. 19 also shows switching from the
図19を参照して、第2の制御例では、第1の制御例とは反対に、上りのこぎり波STUから下りのこぎり波STDの切替え時には、三角波TWがキャリア波に適用されるとともに、下りのこぎり波STDから上りのこぎり波STUの切替え時には、逆相三角波RTWがキャリア波に適用される。これにより、図16の例とは反対に、遷移周期205において、キャリア波CW1は三角波TWによって構成され、キャリア波CW2は逆相三角波RTWによって構成される。
Referring to FIG. 19, in the second control example, on the contrary to the first control example, at the time of switching from the upstream sawtooth wave STU to the downstream sawtooth wave STD, the triangular wave TW is applied to the carrier wave and the downstream sawtooth When switching from the wave STD to the upstream sawtooth wave STU, the anti-phase triangular wave RTW is applied to the carrier wave. Thereby, contrary to the example of FIG. 16, in the
図19に示した第2の制御例に従う遷移周期でのキャリア波の設定の一覧は、図20に示すようになる。 A list of carrier wave settings in the transition period according to the second control example shown in FIG. 19 is as shown in FIG.
図20を参照して、キャリア波CW1について、切替モード14および切替モード41では、切替え前後とも下りのこぎり波が適用されるため、図18と同様に、キャリア波CW1には下りのこぎり波STDが適用されて、DT1♯=DT1に設定される。同様に、切替モード23および切替モード32では、キャリア波CW1には上りのこぎり波STUが適用されて、DT1♯=DT1に設定される。
Referring to FIG. 20, with respect to carrier wave CW1, in switching
一方で、キャリア波CW1について、切替え前に下りのこぎり波が適用される一方で切替え後には上りのこぎり波が適用される、切替モード12、切替モード13、切替モード42、および、切替モード43では、図18とは反対に逆相三角波RTWが適用される。この場合には、DT1♯=1−(1−DT1)2(すなわち、1−(1−DT1)^2)に設定される。
On the other hand, for the carrier wave CW1, in the switching
また、切替え前に上りのこぎり波が適用される一方で切替え後には下りのこぎり波が適用される、切替モード21、切替モード24、切替モード31、および、切替モード34では、図18とは反対に三角波TWが適用される。そして、DT1♯=(DT1)2(すなわち、DT1^2)に設定される。
Further, in the switching
同様に、キャリア波CW2についても、切替え前後とも下りのこぎり波が適用される、切替モード24および切替モード42では、遷移周期205において、キャリア波CW2は、下りのこぎり波STDで構成されて、DT2♯=DT2に設定される。また、切替え前後とも上りのこぎり波が適用される、切替モード13および切替モード31においても、遷移周期205において、キャリア波CW2は、上りのこぎり波STUで構成されて、DT2♯=DT2に設定される。
Similarly, in the switching
一方で、切替え前に下りのこぎり波が適用される一方で切替え後には上りのこぎり波が適用される、切替モード21、切替モード23、切替モード41、および、切替モード43では、図18とは反対に、逆相三角波RTWがキャリア波CW2に適用される。そして、DT2♯=DTb=1−(1−DT2)2(すなわち、1−(1−DT2)^2)に設定される。
On the other hand, in the switching
また、切替え前に上りのこぎり波が適用される一方で切替え後には下りのこぎり波が適用される、切替モード12、切替モード14、切替モード32、および、切替モード34では、三角波TWがキャリア波CW2に適用される。そして、DT2♯=DTa=(DT2)2(すなわち、DT2^2)に設定される。
In addition, in the switching
再び図19を参照して、第2の制御例においても、遷移周期205内で、リアクトル電流IL1,IL2の変曲点が2回生じることが理解できる。さらに、第2の制御例では、上りのこぎり波STUと三角波TWとの位相関係、ならびに、下りのこぎり波STDと逆相三角波RTWとの位相関係から、遷移周期205の開始タイミング(時刻t1)においても、リアクトル電流IL1,IL2に変曲点を生じさせることができる。
Referring to FIG. 19 again, it can be understood that the inflection points of reactor currents IL1 and IL2 are generated twice in
同様に、遷移周期205の終了タイミング(時刻tz)においても、三角波TWと下りのこぎり波STDと三角波TWとの位相関係、ならびに、逆相三角波RTWと上りのこぎり波STUとの位相関係から、リアクトル電流IL1,IL2に変曲点を生じさせることができる。
Similarly, at the end timing (time tz) of the
この結果、第2の制御例に従って遷移周期205を設定することにより、リアクトル電流IL1,IL2の変曲点の数を増やすことができるので、リアクトル電流IL1,IL2の平均値を維持した上で、リアクトル電流IL1,IL2の変動をさらに抑制することができる。
As a result, by setting the
[実施の形態1のその他の変形例]
(パラレル昇圧モード以外の動作モード)
実施の形態1およびその変形例1で説明した電力変換器50については、特許文献1およにも記載されるように、パラレル昇圧モードとはDC/DC変換の態様が異なる、他の動作モードを適用することができる。
[Other Modifications of First Embodiment]
(Operation modes other than parallel boost mode)
Regarding
図21には、電力変換器50が有する複数の動作モードの一覧が示される。
図21を参照して、動作モードは、実施の形態1およびその変形例1に記載したパラレル昇圧モード(以下、PBモードとも称する)に加えて、特許文献1にも接続されたシリーズ昇圧モード(以下、SBモードとも称する)と、「直流電源B1による単独昇圧モード(以下、aBモード)」と、「直流電源B2による単独昇圧モード(以下、bBモード)」とをさらに含む。
FIG. 21 shows a list of a plurality of operation modes that the
Referring to FIG. 21, in addition to the parallel boost mode described in the first embodiment and its modification example 1 (hereinafter also referred to as PB mode), the operation mode is a series boost mode connected to Patent Document 1 ( Hereinafter, it further includes “single boosting mode by DC power supply B1 (hereinafter, aB mode)” and “single boosting mode by DC power supply B2 (hereinafter, bB mode)”.
SBモードは、特許文献1における「シリーズ接続モード」と同等である。特許文献1にも記載されるように、直流電源B1およびB2を直列接続した状態でDC/DC変換を実行することによって、昇圧比の低下による電力変換効率の向上を図ることができる。スイッチング素子S1〜S4のオンオフ制御の詳細は、特許文献1でのシリーズ接続モードと同様に実行することができるので、詳細な説明は繰り返さない。なお、特許文献1には、キャリア位相制御の適用によってシリーズ昇圧モードでの制御動作を簡易にできることが記載されているが、三角波のキャリア位相制御に代えて、実施の形態1またはその変形例に従って、のこぎり波を適用したPWM制御を行っても同等の効果を得ることができる。
The SB mode is equivalent to the “series connection mode” in
aBモードでは、直流電源B1のみを用いてDC/DC変換(昇圧)が実行される。aBモードでは、出力電圧VHが直流電源B2の電圧V[2]よりも高く制御されている限りにおいて、直流電源B2は、電力線PLと電気的に切り離された状態を維持されて不使用とされる。 In the aB mode, DC / DC conversion (boost) is executed using only the DC power supply B1. In the aB mode, as long as the output voltage VH is controlled to be higher than the voltage V [2] of the DC power supply B2, the DC power supply B2 is maintained in a state of being electrically disconnected from the power line PL and is not used. The
同様に、bBモードでは、直流電源B2のみを用いてDC/DC変換(昇圧)が実行される。bBモードでは、出力電圧VHが直流電源B1の電圧V[1]よりも高く制御されている限りにおいて、直流電源B1は、電力線PLと電気的に切り離された状態を維持されて不使用とされる。 Similarly, in the bB mode, DC / DC conversion (boost) is executed using only the DC power supply B2. In the bB mode, as long as the output voltage VH is controlled to be higher than the voltage V [1] of the DC power supply B1, the DC power supply B1 is maintained in a state of being electrically disconnected from the power line PL and is not used. The
PBモード、SBモード、aBモードおよびbBモードでは、たとえば、図5の制御構成を共有して、直流電源B1および/またはB2の出力が制御される。出力制御のためのPWM制御に従ってスイッチング素子S1〜S4の周期的なオンオフ制御を実行することによって、出力電圧VHは電圧指令値VH*に従って制御される。 In the PB mode, SB mode, aB mode, and bB mode, for example, the output of DC power supply B1 and / or B2 is controlled by sharing the control configuration of FIG. By executing periodic on / off control of switching elements S1 to S4 according to PWM control for output control, output voltage VH is controlled according to voltage command value VH *.
このように、本実施の形態1およびその変形例に従う電源システムでは、パラレル昇圧モードの他にも、効率に優れるSBモード(シリーズ昇圧モード)や、一方の電源のみを用いるaBモードおよびbBモードを選択することができるので、直流電源B1およびB2の利用効率を高めることができる。 As described above, in the power supply system according to the first embodiment and the modification thereof, in addition to the parallel boost mode, the SB mode (series boost mode) having excellent efficiency, and the aB mode and bB mode using only one power supply are provided. Since it can be selected, the utilization efficiency of the DC power supplies B1 and B2 can be increased.
aBモードでは、電力変換器50において、スイッチング素子S3およびS4を下アームとして共通にオンオフ制御する。さらに、スイッチング素子S1およびS2についても、上アームとして共通にオンオフ制御することができる。
In the aB mode, the
したがって、aBモードでは、図5の構成において、出力制御部510の動作をオフして、出力制御部500によって、VH制御のためのデューティ比DT1が算出される。さらに、デューティ比DT1を用いたPWM制御による制御パルス信号SD1に従って、下アーム(スイッチング素子S3,S4)のオン期間およびオフ期間(スイッチング素子S1,S2のオン期間)を、繰り返し設けることによって、出力電圧VHを電圧指令値VH*に従って制御することができる。
Therefore, in the aB mode, in the configuration of FIG. 5, the operation of the
bBモードにおいても同様に、図5の構成において、出力制御部510によって算出されたデューティ比を、直流電源B2の出力を制御するためのデューティ比DT2として用いることで、出力電圧VHを電圧指令値VH*に従って制御することができる。さらに、電力変換器50において、スイッチング素子S2およびS3を下アームとして共通にオンオフ制御するとともに、スイッチング素子S1およびS4について、上アームとして共通にオンオフ制御することができる。したがって、デューティ比DT2を用いたPWM制御による制御パルス信号SD2に従って、下アーム(スイッチング素子S2,S3)のオン期間およびオフ期間(スイッチング素子S1,S4のオン期間)を、繰り返し設けることによって、出力電圧VHを電圧指令値VH*に従って制御することができる。
Similarly in the bB mode, the output voltage VH is set to the voltage command value by using the duty ratio calculated by the
再び、図21を参照して、複数の動作モードは、スイッチング素子S1〜S4のオンオフを固定する「直結モード」をさらに含む。直結モードには、「並列直結モード(以下、PDモード)」と、「シリーズ直結モード(以下、SDモード)」と、「直流電源B1の直結モード(以下、aDモード)」と、「直流電源B2の直結モード(以下、bDモード)」とが含まれる。 Referring to FIG. 21 again, the plurality of operation modes further include a “direct connection mode” for fixing ON / OFF of switching elements S1 to S4. The direct connection mode includes “parallel direct connection mode (hereinafter referred to as PD mode)”, “series direct connection mode (hereinafter referred to as SD mode)”, “direct connection mode of DC power supply B1 (hereinafter referred to as aD mode)”, and “DC power supply” “B2 direct connection mode (hereinafter referred to as bD mode)”.
PDモードでは、スイッチング素子S1,S2,S4をオンに固定する一方で、スイッチング素子S3がオフに固定される。これにより、直流電源B1およびB2を負荷30(電力線PL,GL間)に並列に接続した状態が維持される。この結果、出力電圧VHは、直流電源B1,B2の出力電圧V[1],V[2](厳密にはV[1],V[2]のうちの高い方の電圧)と同等となる。V[1],V[2]間の電圧差は直流電源B1,B2に短絡電流を生じさせるので、当該電圧差が小さいときに限定して、PDモードを適用することができる。 In the PD mode, the switching elements S1, S2, and S4 are fixed on, while the switching element S3 is fixed off. Thereby, the state where DC power supplies B1 and B2 are connected in parallel to load 30 (between power lines PL and GL) is maintained. As a result, the output voltage VH is equivalent to the output voltages V [1] and V [2] (strictly, the higher voltage of V [1] and V [2]) of the DC power supplies B1 and B2. . Since the voltage difference between V [1] and V [2] causes a short circuit current in the DC power supplies B1 and B2, the PD mode can be applied only when the voltage difference is small.
SDモードでは、スイッチング素子S2,S4がオフに固定される一方で、スイッチング素子S1,S3がオンに固定される。これにより、直流電源B1およびB2を負荷30(電力線PL,GL間)に直列に接続した状態が維持される。この結果、出力電圧VHは、直流電源B1,B2の出力電圧V[1],V[2]の和と同等となる(VH=V[1]+V[2])。 In the SD mode, the switching elements S2 and S4 are fixed off, while the switching elements S1 and S3 are fixed on. Thereby, the state where DC power supplies B1 and B2 are connected in series to load 30 (between power lines PL and GL) is maintained. As a result, the output voltage VH is equivalent to the sum of the output voltages V [1] and V [2] of the DC power supplies B1 and B2 (VH = V [1] + V [2]).
aDモードでは、スイッチング素子S1,S2がオンに固定される一方で、スイッチング素子S3,S4がオフに固定される。これにより、直流電源B2は電力線PLから切り離された状態となり、出力電圧VHは、直流電源B1の電圧V[1]と同等となる(VH=V[1])。aDモードでは、直流電源B2は、電力線PLと電気的に切り離された状態を維持されて不使用とされる。なお、V[2]>V[1]の状態でaDモードを適用すると、スイッチング素子S2を介して直流電源B1からB2に短絡電流が生じる。このため、aDモードの適用には、V[1]>V[2]が必要条件となる。 In the aD mode, the switching elements S1 and S2 are fixed on, while the switching elements S3 and S4 are fixed off. As a result, the DC power supply B2 is disconnected from the power line PL, and the output voltage VH is equivalent to the voltage V [1] of the DC power supply B1 (VH = V [1]). In the aD mode, the DC power source B2 is not used because it is maintained in a state of being electrically disconnected from the power line PL. Note that when the aD mode is applied in a state of V [2]> V [1], a short-circuit current is generated from the DC power sources B1 to B2 via the switching element S2. For this reason, V [1]> V [2] is a necessary condition for applying the aD mode.
同様に、bDモードでは、スイッチング素子S1,S4がオンに固定される一方で、スイッチング素子S2,S3がオフに固定される。これにより、直流電源B1は電力線PLから切り離された状態となり、出力電圧VHは、直流電源B2の電圧V[2]と同等となる(VH=V[2])。bDモードでは、直流電源B1は、電力線PLと電気的に切り離された状態を維持されて不使用とされる。なお、V[1]>V[2]の状態でbDモードを適用すると、ダイオードD2を介して直流電源B1からB2に短絡電流が生じる。このため、bDモードの適用には、V[2]>V[1]が必要条件となる。 Similarly, in the bD mode, the switching elements S1 and S4 are fixed on, while the switching elements S2 and S3 are fixed off. As a result, the DC power supply B1 is disconnected from the power line PL, and the output voltage VH is equivalent to the voltage V [2] of the DC power supply B2 (VH = V [2]). In the bD mode, the DC power supply B1 is not used because it is maintained in a state of being electrically disconnected from the power line PL. When the bD mode is applied in a state where V [1]> V [2], a short-circuit current is generated from the DC power supply B1 to B2 via the diode D2. For this reason, in order to apply the bD mode, V [2]> V [1] is a necessary condition.
直結モードに含まれる、PDモード、SDモード、aDモードおよびbDモードの各々では、出力電圧VHは、直流電源B1,B2の電圧V[1],V[2]に依存して決まるため、直接制御することができなくなる。このため、直結モードに含まれる各モードでは、出力電圧VHが負荷30の動作に適した電圧に設定できなくなることにより、負荷30での電力損失が増加する虞がある。
In each of the PD mode, SD mode, aD mode, and bD mode included in the direct connection mode, the output voltage VH is determined depending on the voltages V [1] and V [2] of the DC power supplies B1 and B2, and therefore directly It becomes impossible to control. For this reason, in each mode included in the direct connection mode, the output voltage VH cannot be set to a voltage suitable for the operation of the
一方で、直結モードでは、スイッチング素子S1〜S4がオンオフされないため、電力変換器50の電力損失が大幅に抑制される。したがって、負荷30の動作状態によっては、直結モードの適用によって、負荷30の電力損失増加量よりも電力変換器50での電力損失減少量が多くなることにより、電源システム5A全体での電力損失が抑制できる可能性がある。
On the other hand, in the direct connection mode, since the switching elements S1 to S4 are not turned on / off, the power loss of the
このように、本実施の形態1およびその変形例1に従う電源システム5Aでは、キャリア波としてのこぎり波を用いた電流位相制御が適用されるパラレル昇圧モードを含む、図21に示された複数の動作モードを、負荷30および/または電力変換器50の動作状態に応じて適切に切換えることによって、DC/DC変換を実行できる。この結果、電力損失の小さい全電圧シリーズ(SR)モードの他、他の動作モードを適切に選択することによって、電源システム5A全体での高効率化を図ることができる。
As described above,
(電力変換器の回路構成アレンジ)
図22は、実施の形態1およびその変形例に従う電力変換器50の回路構成の変形例を示す回路図である。
(Circuit configuration arrangement of power converter)
FIG. 22 is a circuit diagram showing a modification of the circuit configuration of
図22を参照して、電力変換器50♯は、図1に示された電力変換器50と比較して、直流電源B1およびリアクトルL1が、ノードN2および電力線GLの間ではなく、電力線PLおよびノードN2の間に直列に接続される点で異なる。電力変換器50♯のその他の構成は、電力変換器50と同様であるのでその説明は繰返さない。
Referring to FIG. 22,
電力変換器50♯においては、電力変換器50と比較した回路の対称性から、直流電源B1に対する上アームと下アームとを入れ替えても、電力変換器50と同様のDC/DC変換を実行できることが理解される。
具体的には、電力変換器50♯では、スイッチング素子S1,S2を直流電源B1の下アームとし、スイッチング素子S3,S4を直流電源B1の上アームとするように制御することが必要である。この結果、電力変換器50♯の各動作モードにおいて、スイッチング素子S1は、電力変換器50のスイッチング素子S4と同等のパターンでオンオフ制御され、スイッチング素子S2は、電力変換器50のスイッチング素子S3と同等のパターンでオンオフ制御される。同様に、電力変換器50♯のスイッチング素子S3は、電力変換器50のスイッチング素子S2と同等のパターンでオンオフ制御され、スイッチング素子S4は、電力変換器50のスイッチング素子S1と同等のパターンでオンオフ制御される。
Specifically, in
たとえば、電力変換器50♯のパラレル昇圧モードでは、スイッチング素子S1およびS2をオンすることにより、図3(a)の電流経路120に相当する、直流電源B1およびリアクトルL1を含むループ状の電流経路を形成することができる。また、スイッチング素子S3およびS4をオンすることにより、図3(b)の電流経路121に相当する、電力線PLおよびGL間に直流電源B1およびリアクトルL1を直列に接続する電流経路を形成することができる。
For example, in parallel boost mode of
なお、直流電源B2に対しては、電力変換器50と同様に、スイッチング素子S2およびS3をオンすることによって図4(a)の電流経路130を形成することができる。また、スイッチング素子S1およびS4をオンすることによって、図4(b)の電流経路131を形成することができる。
For DC power supply B2, as with
このようにすると、電力変換器50♯についても、電力変換器50と同様に、パラレル昇圧モードを含む、図21に示された各動作モードによって、DC/DC変換を実行することができる。パラレル昇圧においては、実施の形態1およびその変形例1に従う、のこぎり波を用いたPWM制御を適用して各直流電源からの出力を制御することにより、リアクトル電流の位相を簡易に制御することができる。
In this manner, DC / DC conversion can also be performed for
以上説明したように、実施の形態1およびその変形例1に従う電源システムでは、電力変換器50,50♯を包括すると、スイッチング素子S1〜S4に対して、直流電源B1およびリアクトルL1は、電力線PLまたはGLと、ノードN2との間に直列に電気的に接続される。一方で、直流電源B2およびリアクトルL2は、ノードN1とN3との間に直列に電気的に接続される。
As described above, in the power supply system according to the first embodiment and its modification example 1, when
また、電力変換器50,50♯の各々において、リアクトルL1および直流電源B1の接続順序を入れ換えても、電気的には等価な回路構成が維持される。同様に、リアクトルL2および直流電源B2の接続順序を入れ換えても、電気的には等価な回路構成が維持される。
In each of
[実施の形態2]
実施の形態2では、電力変換器50,50♯とは異なる構成を有する電力変換器に対して、実施の形態1で説明したPWM制御を適用する例について説明する。
(電力変換器の回路構成)
図23は、本発明の実施の形態2に従う電源システム5Bの構成を説明する回路図である。
[Embodiment 2]
In the second embodiment, an example will be described in which the PWM control described in the first embodiment is applied to a power converter having a configuration different from that of
(Circuit configuration of power converter)
FIG. 23 is a circuit diagram illustrating a configuration of power supply system 5B according to the second embodiment of the present invention.
図23を図1と比較して、実施の形態2に従う電源システム5Bは、図1に示された電源システム5Aと比較して、電力変換器50に代えて電力変換器10を備える点で異なる。電源システム5Bの、その他の部分の構成は、電源システム5Aと同様である。
Compared with FIG. 1,
すなわち、電源システム5Bについても、負荷30と接続された電力線PLおよびGLと、直流電源B1およびB2との間で、DC/DC変換を実行するように構成される。 That is, power supply system 5B is also configured to perform DC / DC conversion between power lines PL and GL connected to load 30 and DC power supplies B1 and B2.
電力変換器10についても電力変換器50と同様に、負荷30への出力電圧VHを、電圧指令値VH*に従って制御する。
Similarly to the
図23を参照して、電力変換器10は、高電圧側の電力線PLおよび低電圧側の電力線GLの間の直流電圧(出力電圧)VHを制御するように構成される。
Referring to FIG. 23,
電力変換器10は、スイッチング素子Q1〜Q5と、リアクトルL1,L2とを含む。スイッチング素子Q1〜Q5は、制御装置40からの制御信号SQ1〜SQ5にそれぞれ応答して、オンオフを制御することが可能である。具体的には、スイッチング素子Q1〜Q5は、制御信号SQ1〜SQ5がHレベルのときにオン状態となって、電流経路を形成可能な状態となる。一方で、スイッチング素子Q1〜Q5は、制御信号SQ1〜SQ5がLレベルのときにオフ状態となって、当該電流経路を遮断する状態となる。
スイッチング素子Q1〜Q4に対しては、逆並列ダイオードD11〜D14がそれぞれ配置されている。ダイオードD11〜D14は、順バイアス時に、電力線GLから電力線PLへ向かう方向(図中、下から上へ向かう方向)の電流経路を形成するように配置される。一方で、ダイオードD11〜D14は、逆バイアス時には、当該電流経路を非形成とする。具体的には、ダイオードD11は、ノードN1から電力線PLへ向かう方向を順方向とするように接続され、ダイオードD12は、電力線GLからノードN11へ向かう方向を順方向とするように接続される。同様に、ダイオードD13は、電力線GLからノードN12へ向かう方向を順方向とするように接続され、ダイオードD14は、ノードN12から電力線PLへ向かう方向を順方向とするように接続される。 Anti-parallel diodes D11 to D14 are arranged for switching elements Q1 to Q4, respectively. The diodes D11 to D14 are arranged so as to form a current path in a direction from the power line GL to the power line PL (a direction from the bottom to the top in the figure) during forward bias. On the other hand, the diodes D11 to D14 do not form the current path during reverse bias. Specifically, diode D11 is connected so that the direction from node N1 toward power line PL is the forward direction, and diode D12 is connected so that the direction from power line GL toward node N11 is the forward direction. Similarly, diode D13 is connected so that the direction from power line GL to node N12 is the forward direction, and diode D14 is connected so that the direction from node N12 to power line PL is the forward direction.
スイッチング素子Q1は、電力線PLおよびノードN11の間に電気的に接続される。リアクトルL1および直流電源B1は、ノードN11および電力線GLの間に直列に、電気的に接続される。たとえば、リアクトルL1は、直流電源B1の正極端子およびノードN11の間に電気的に接続されるとともに、直流電源B1の負極端子は、電力線GLと電気的に接続される。スイッチング素子Q2は、ノードN11および電力線GLの間に電気的に接続される。なお、リアクトルL1および直流電源B1の接続順序を入れ換えても、電気的には等価な回路構成が維持される。 Switching element Q1 is electrically connected between power line PL and node N11. Reactor L1 and DC power supply B1 are electrically connected in series between node N11 and power line GL. For example, reactor L1 is electrically connected between the positive terminal of DC power supply B1 and node N11, and the negative terminal of DC power supply B1 is electrically connected to power line GL. Switching element Q2 is electrically connected between node N11 and power line GL. Even if the connection order of the reactor L1 and the DC power supply B1 is changed, an electrically equivalent circuit configuration is maintained.
スイッチング素子Q3は、ノードN12および電力線GLの間に電気的に接続される。スイッチング素子Q4は、電力線PLおよびノードN12の間に電気的に接続される。スイッチング素子Q5は、ノードN11およびN12の間に電気的に接続される。リアクトルL2および直流電源B2は、電力線PLおよびノードN12の間に直列に、電気的に接続される。たとえば、リアクトルL2は、直流電源B2の正極端子および電力線PLの間に電気的に接続されるとともに、直流電源B2の負極端子は、ノードN12と電気的に接続される。なお、リアクトルL2および直流電源B2の接続順序を入れ換えても、電気的には等価な回路構成が維持される。 Switching element Q3 is electrically connected between node N12 and power line GL. Switching element Q4 is electrically connected between power line PL and node N12. Switching element Q5 is electrically connected between nodes N11 and N12. Reactor L2 and DC power supply B2 are electrically connected in series between power line PL and node N12. For example, reactor L2 is electrically connected between the positive terminal of DC power supply B2 and power line PL, and the negative terminal of DC power supply B2 is electrically connected to node N12. Even if the connection order of reactor L2 and DC power supply B2 is changed, an electrically equivalent circuit configuration is maintained.
図23の構成例では、ノードN11は「第1のノード」に対応し、ノードN12は「第2のノード」に対応する。さらに、スイッチング素子Q1およびダイオードD1は「第1の半導体素子」に対応し、スイッチング素子Q2およびダイオードD2は「第2の半導体素子」に対応し、スイッチング素子Q3およびダイオードD3は「第3の半導体素子」に対応する。さらに、スイッチング素子Q4およびダイオードD4は「第4の半導体素子」に対応し、スイッチング素子Q5は、「第5の半導体素子」に対応する。また、リアクトルL1およびL2は、「第1のリアクトル」および「第2のリアクトル」にそれぞれ対応する。図1の例では、スイッチング素子Q1〜Q5のオンオフ制御により、第1〜第5の半導体素子の各々において、電流経路の形成および遮断を制御することができる。 In the configuration example of FIG. 23, the node N11 corresponds to a “first node”, and the node N12 corresponds to a “second node”. Further, switching element Q1 and diode D1 correspond to “first semiconductor element”, switching element Q2 and diode D2 correspond to “second semiconductor element”, and switching element Q3 and diode D3 correspond to “third semiconductor element”. Corresponds to "element". Further, the switching element Q4 and the diode D4 correspond to a “fourth semiconductor element”, and the switching element Q5 corresponds to a “fifth semiconductor element”. Reactors L1 and L2 correspond to “first reactor” and “second reactor”, respectively. In the example of FIG. 1, the formation and interruption of the current path can be controlled in each of the first to fifth semiconductor elements by the on / off control of the switching elements Q1 to Q5.
(パラレル昇圧モードでの回路動作)
実施の形態1およびその変形例1と同等のPWM制御が適用される、電力変換器10のパラレル昇圧モードでの回路動作および制御について、詳細に説明する。以下の説明で明らかになるように、電力変換器10は、パラレル昇圧モードにおけるスイッチング素子での損失が電力変換器50よりも小さいという特徴を有する。なお、電力変換器10についても、電力変換器50と同様に、パラレル昇圧モード以外の動作モードを有するが、本実施の形態では、実施の形態1またはその変形例に従う、のこぎり波を適用したPWM制御の適用が好ましいパラレル昇圧モードについて説明する。
(Circuit operation in parallel boost mode)
The circuit operation and control in the parallel boost mode of
電力変換器10は、パラレル昇圧モードにおいては、直流電源B1およびB2の各々に対して2つの昇圧チョッパ回路を並列に動作させる態様により動作する。すなわち、電力変換器10は、電力変換器50でのパラレル昇圧モードと同様に、直流電源B1およびB2と電力線PL,GL(負荷30)との間で並列なDC/DC変換を行なうことにより、電圧指令値VH*に従って出力電圧VHを制御する。
In the parallel boost mode,
再び図23を参照して、電力変換器10においては、スイッチング素子Q5をオンした場合と、オフした場合との間で、直流電源B1およびB2に対して形成される昇圧チョッパ回路が異なることが特徴である。
Referring to FIG. 23 again, in
電力変換器10において、スイッチング素子Q5のオフ時には、ノードN11およびN12が電気的に切り離される。このときの電力変換器10の等価回路が図24に示される。
In
図24を参照して、スイッチング素子Q5のオフ時には、直流電源B1に対して、スイッチング素子Q2およびダイオードD12を下アームとし、スイッチング素子Q1およびダイオードD11を上アームとする昇圧チョッパ回路が形成される。同様に、直流電源B2に対して、スイッチング素子Q4およびダイオードD14を下アームとし、スイッチング素子Q3およびダイオードD13を上アームとする昇圧チョッパ回路が形成される。 Referring to FIG. 24, when switching element Q5 is off, a boost chopper circuit is formed with DC element B2 and diode D12 as the lower arm and switching element Q1 and diode D11 as the upper arm with respect to DC power supply B1. . Similarly, a boost chopper circuit is formed for DC power supply B2 with switching element Q4 and diode D14 as the lower arm and switching element Q3 and diode D13 as the upper arm.
図25には、図24に示した等価回路図において、直流電源B1,B2の下アームオン時における電流経路が示される。 FIG. 25 shows a current path when the lower arms of DC power supplies B1 and B2 are turned on in the equivalent circuit diagram shown in FIG.
図25を参照して、スイッチング素子Q2をオンすることにより、直流電源B1の出力によりリアクトルL1にエネルギを蓄積するための電流経路191が形成される。これにより、直流電源B1に対しては、電力線PLおよびGLを含まずに、直流電源B1およびリアクトルL1を含むループ状の電流経路191が形成される。すなわち、電流経路191は「第1の電流経路」に対応する。
Referring to FIG. 25, when switching element Q2 is turned on, a
同様に、スイッチング素子Q4をオンすることにより、直流電源B2の出力によりリアクトルL2にエネルギを蓄積するための電流経路192が形成される。これにより、直流電源B2に対しては、電力線PLおよびGLを含まずに、直流電源B2およびリアクトルL2を含むループ状の電流経路192が形成される。電流経路192は「第3の電流経路」に対応する。
Similarly, by turning on switching element Q4,
図26には、図25に示した等価回路図において、直流電源B1,B2の上アームオン時における電流経路が示される。 FIG. 26 shows a current path when the upper arms of DC power supplies B1 and B2 are turned on in the equivalent circuit diagram shown in FIG.
図26を参照して、スイッチング素子Q2をオフすることにより、スイッチング素子Q1またはダイオードD11を経由して、リアクトルL1の蓄積エネルギを直流電源B1からのエネルギとともに電力線PLへ出力するための電流経路193が形成される。ここで、スイッチング素子Q1およびQ2を相補的にオンオフすることにより、スイッチング素子Q2のオフ期間にスイッチング素子Q1がオンされる。スイッチング素子Q1は、直流電源B1に対応して形成される昇圧チョッパ回路の上アームに相当する。これにより、直流電源B1に対して、電力線PLおよびGLの間に直流電源B1およびリアクトルL1を直列に接続される電流経路193が形成される。すなわち、電流経路193は「第2の電流経路」に対応する。
Referring to FIG. 26, by turning off switching element Q2,
同様に、スイッチング素子Q4をオフすることにより、スイッチング素子Q3またはダイオードD13を経由して、リアクトルL2の蓄積エネルギを直流電源B2からのエネルギとともに電力線PLへ出力するための電流経路194が形成される。スイッチング素子Q3およびQ4を相補的にオンオフすることにより、スイッチング素子Q4のオフ期間にスイッチング素子Q3がオンする。スイッチング素子Q3は、直流電源B2に対応して形成される昇圧チョッパ回路の上アームに相当する。これにより、直流電源B2に対しては、電力線PLおよびGLの間に直流電源B2およびリアクトルL2を直列に接続される電流経路194が形成される。すなわち、電流経路194は「第4の電流経路」に対応する。
Similarly, by turning off switching element Q4,
図25および図26から理解されるように、電流経路191および193を交互に形成することによって、直流電源B1および電力線PL,GLの間のDC/DC変換が実行される。同様に、電流経路192および194を交互に形成することによって、直流電源B2および電力線PL,GLの間のDC/DC変換が実行される。
As understood from FIGS. 25 and 26, by alternately forming
以下では、直流電源B1に対応して形成される昇圧チョッパ回路の上アームを「B1Uアーム」とも称し、下アームを「B1Lアーム」と称する。同様に、直流電源B2に対応して形成される昇圧チョッパ回路の上アームを「B2Uアーム」とも称し、下アームを「B2Lアーム」とも称する。 Hereinafter, the upper arm of the boost chopper circuit formed corresponding to the DC power supply B1 is also referred to as “B1U arm”, and the lower arm is referred to as “B1L arm”. Similarly, the upper arm of the step-up chopper circuit formed corresponding to the DC power supply B2 is also referred to as “B2U arm”, and the lower arm is also referred to as “B2L arm”.
なお、図25から理解されるように、B1LアームおよびB2Lアームの形成時には、ノードN12からN11へ向かう電流経路が形成されると、電力線PLから電力線GLへの短絡経路が形成されてしまうため、当該電流経路を遮断する必要がある。同様に、図26から理解されるように、B1UアームおよびB2Uアームの形成時には、ノードN11からN12へ向かう電流経路が形成されると、電力線PLから電力線GLへの短絡経路が形成されてしまうため、当該電流経路を遮断する必要がある。したがって、B1LアームおよびB2Lアームの形成時、および、B1UアームおよびB2Uアームの形成時の各々では、スイッチング素子Q5をオフすることによって、上記短絡経路の形成を回避することができる。 As can be understood from FIG. 25, when the current path from the node N12 to N11 is formed when the B1L arm and the B2L arm are formed, a short circuit path from the power line PL to the power line GL is formed. It is necessary to interrupt the current path. Similarly, as can be understood from FIG. 26, when the current path from the node N11 to N12 is formed when the B1U arm and the B2U arm are formed, a short-circuit path from the power line PL to the power line GL is formed. It is necessary to interrupt the current path. Therefore, the formation of the short-circuit path can be avoided by turning off the switching element Q5 in each of the formation of the B1L arm and the B2L arm and the formation of the B1U arm and the B2U arm.
一方で、電力変換器10では、スイッチング素子Q5のオン時には、ノードN11およびN12が電気的に接続される。このときの電力変換器10の等価回路が図27に示される。
On the other hand, in
図27を参照して、直流電源B1に関して、スイッチング素子Q5によってノードN12がノードN11と電気的に接続されるので、ノードN12および電力線GLの間に接続されたスイッチング素子Q3を、直流電源B1の下アーム(B1Lアーム)として昇圧チョッパ回路を形成することができる。同様に、ノードN12および電力線PLの間に電気的に接続されたスイッチング素子Q4を直流電源B1の上アーム(B1Uアーム)として、昇圧チョッパ回路を形成することができる。 Referring to FIG. 27, regarding DC power supply B1, since node N12 is electrically connected to node N11 by switching element Q5, switching element Q3 connected between node N12 and power line GL is connected to DC power supply B1. A step-up chopper circuit can be formed as the lower arm (B1L arm). Similarly, a step-up chopper circuit can be formed using switching element Q4 electrically connected between node N12 and power line PL as the upper arm (B1U arm) of DC power supply B1.
また、直流電源B2に対しては、ノードN11および電力線PLの間に接続されたスイッチング素子Q1を下アーム(B2Lアーム)とし、スイッチング素子Q2を上アーム(B2Uアーム)とした昇圧チョッパ回路を形成することができる。 For DC power supply B2, a step-up chopper circuit is formed in which switching element Q1 connected between node N11 and power line PL is the lower arm (B2L arm) and switching element Q2 is the upper arm (B2U arm). can do.
図28には、図27に示した等価回路図において、直流電源B1,B2の下アームオン時における電流経路が示される。 FIG. 28 shows a current path when the lower arms of DC power supplies B1 and B2 are turned on in the equivalent circuit diagram shown in FIG.
図28(a)を参照して、スイッチング素子Q3,Q5をオンすることにより、直流電源B1の出力によりリアクトルL1にエネルギを蓄積するための電流経路195が形成される。一方で、図28(b)に示されるように、スイッチング素子Q1,Q5をオンすることにより、直流電源B2の出力によりリアクトルL2にエネルギを蓄積するための電流経路196が形成される。
Referring to FIG. 28A, by turning on switching elements Q3 and Q5,
図29には、図27に示した等価回路図において、直流電源B1,B2の上アームオン時における電流経路が示される。 FIG. 29 shows a current path when the upper arms of DC power supplies B1 and B2 are turned on in the equivalent circuit diagram shown in FIG.
図29(a)を参照して、直流電源B1に関して、スイッチング素子Q5がオンされた状態でスイッチング素子Q3をオフすることにより、スイッチング素子Q4またはダイオードD14を経由してリアクトルL1の蓄積エネルギを直流電源B1からのエネルギとともに電力線PLへ出力するための電流経路197が形成される。上述のように、スイッチング素子Q3およびQ4は相補的にオンオフされるので、スイッチング素子Q3によってB1Lアームを形成するとともに、スイッチング素子Q4によってB1Uアームを形成することができる。
Referring to FIG. 29 (a), with respect to DC power supply B1, switching element Q3 is turned off while switching element Q5 is turned on, whereby the stored energy of reactor L1 is changed to DC via switching element Q4 or diode D14. A
図29(b)を参照して、直流電源B2に関しては、スイッチング素子Q5がオンされた状態でスイッチング素子Q1をオフすることにより、スイッチング素子Q2またはダイオードD12を経由してリアクトルL2の蓄積エネルギを直流電源B2からのエネルギとともに電力線PLへ出力するための電流経路198が形成される。上述のように、スイッチング素子Q1およびQ2は相補的にオンオフされるので、スイッチング素子Q1によってB2Lアームを形成するとともに、スイッチング素子Q2によってB2Uアームを形成することができる。
Referring to FIG. 29B, with respect to DC power supply B2, by turning off switching element Q1 while switching element Q5 is on, the stored energy of reactor L2 is reduced via switching element Q2 or diode D12. A
図30には、スイッチング素子Q5のオフ時およびオン時にそれぞれ形成される昇圧チョッパ回路の各アームとスイッチング素子のオンオフとの対応関係が示される。 FIG. 30 shows a correspondence relationship between each arm of the step-up chopper circuit formed when switching element Q5 is turned off and turned on and the switching element is turned on / off.
図30を参照して、スイッチング素子Q5のオフ時(図24〜図26)に形成される昇圧チョッパ回路における各アームを「第1アーム」と称し、スイッチング素子Q5のオン時(図27〜図29)に形成される昇圧チョッパ回路の各アームを「第2アーム」と称することとする。 Referring to FIG. 30, each arm in the step-up chopper circuit formed when switching element Q5 is turned off (FIGS. 24 to 26) is referred to as a “first arm”, and when switching element Q5 is turned on (FIGS. 27 to 26). Each arm of the step-up chopper circuit formed in 29) will be referred to as a “second arm”.
スイッチング素子Q5のオフ時、すなわち第1アームの形成時には、直流電源B1に対して、上述のように、スイッチング素子Q2のオンによってB1Lアームがオンされる一方で、スイッチング素子Q1のオン(スイッチング素子Q2のオフ)によってB1Uアームがオンされる。また、直流電源B2に対しては、スイッチング素子Q4のオンによってB2Lアームがオンされる一方で、スイッチング素子Q3のオン(スイッチング素子Q4のオフ)によってB2Uアームがオンされる。 When the switching element Q5 is turned off, that is, when the first arm is formed, the B1L arm is turned on when the switching element Q2 is turned on with respect to the DC power source B1, while the switching element Q1 is turned on (switching element Q1). The B1U arm is turned on by turning off Q2. For DC power supply B2, the B2L arm is turned on when switching element Q4 is turned on, while the B2U arm is turned on when switching element Q3 is turned on (switching element Q4 is turned off).
一方で、スイッチング素子Q5のオン時、すなわち第2アームの形成時には、直流電源B1に対して、上述のように、スイッチング素子Q3のオンによってB1Lアームがオンされる一方で、スイッチング素子Q4のオン(スイッチング素子Q3のオフ)によってB1Uアームがオンされる。また、直流電源B2に対しては、スイッチング素子Q1のオンによってB2Lアームがオンされる一方で、スイッチング素子Q2のオン(スイッチング素子Q1のオフ)によってB2Uアームがオンされる。 On the other hand, when the switching element Q5 is turned on, that is, when the second arm is formed, the B1L arm is turned on when the switching element Q3 is turned on, while the switching element Q4 is turned on. The B1U arm is turned on by (off of the switching element Q3). For DC power supply B2, the B2L arm is turned on when switching element Q1 is turned on, while the B2U arm is turned on when switching element Q2 is turned on (switching element Q1 is turned off).
このように、第1アームおよび第2アームのいずれにおいても、スイッチング素子Q1およびQ2を相補的にオンオフするとともに、スイッチング素子Q3およびQ4を相補的にオンオフすることにより、直流電源B1およびB2の各々に対して、上アームおよび下アームが交互にオンオフすされるように制御することができる。 As described above, in each of the first arm and the second arm, the switching elements Q1 and Q2 are complementarily turned on and off, and the switching elements Q3 and Q4 are complementarily turned on and off, so that each of the DC power sources B1 and B2 In contrast, the upper arm and the lower arm can be controlled to be turned on and off alternately.
実施の形態2に従う電力変換器10のパラレル昇圧モードでは、図30に示された第1アームおよび第2アームを併用してDC/DC変換を実行する。ただし、図30に示したように、各スイッチング素子Q1〜Q5は、直流電源B1,B2の一方に対して第1アームとして動作するとともに、直流電源B1,B2の他方に対して第2アームとして動作する。このような、第1アームおよび第2アーム間の干渉により、第2アームを適用できる期間が限定される点に留意する必要がある。
In parallel boost mode of
具体的には、直流電源B1,B2の一方について第2アームをオンすると、直流電源B1,B2の他方に対しては、上下反対側の第1アームがオンされることになる。たとえば、スイッチング素子Q3,Q5をオンして第2アームのうちのB1Lアームをオンすると(図28(a))、スイッチング素子Q3のオンに応じて、図26と同様に、直流電源B2に対しては第1アームのうちのB2Uアームがオンされる。反対に、スイッチング素子Q4,Q5のオンによって第2アームのうちのB1Uアームをオンすると(図29(a))、図25と同様に、直流電源B2に対しては第1アームのうちのB2Lアームがオンする。 Specifically, when the second arm is turned on for one of the DC power sources B1 and B2, the first arm on the opposite side to the other side of the DC power sources B1 and B2 is turned on. For example, when switching elements Q3 and Q5 are turned on and the B1L arm of the second arm is turned on (FIG. 28 (a)), in response to the switching element Q3 being turned on, The B2U arm of the first arm is turned on. On the contrary, when the B1U arm of the second arm is turned on by turning on the switching elements Q4 and Q5 (FIG. 29 (a)), the B2L of the first arm is connected to the DC power source B2 as in FIG. The arm turns on.
図28(a),(b)からも理解されるように、第2アームの形成時に、B1LアームおよびB2Lアームの両方をオンした場合には、オン状態のスイッチング素子Q1,Q3,Q5を経由して、電力線PLおよびGL間に短絡経路が形成されてしまう。このため、上述のように、B1LアームおよびB2Lアームの両方をオンする場合には、スイッチング素子Q5のオフによって、第1アーム(図25,図26)を適用することが必要である。 As can be understood from FIGS. 28A and 28B, when both the B1L arm and the B2L arm are turned on when the second arm is formed, the switching elements Q1, Q3, and Q5 are turned on. As a result, a short circuit path is formed between the power lines PL and GL. For this reason, as described above, when both the B1L arm and the B2L arm are turned on, it is necessary to apply the first arm (FIGS. 25 and 26) by turning off the switching element Q5.
同様に、図29(a),(b)からも理解されるように、第2アームの形成時に、B1UアームおよびB2Uアームの両方をオンした場合には、オン状態のスイッチング素子Q4,Q5,Q2を経由して、電力線PLおよびGL間に短絡経路が形成されてしまう。このため、上述のように、B1LアームおよびB2Lアームの両方をオンする場合には、スイッチング素子Q5のオフによって、第1アーム(図25,図26)を適用することが必要である。 Similarly, as understood from FIGS. 29A and 29B, when both the B1U arm and the B2U arm are turned on when the second arm is formed, the switching elements Q4, Q5 in the on state are turned on. A short-circuit path is formed between the power lines PL and GL via Q2. For this reason, as described above, when both the B1L arm and the B2L arm are turned on, it is necessary to apply the first arm (FIGS. 25 and 26) by turning off the switching element Q5.
したがって、第2アームを使用できる期間は、直流電源B1,B2の間で、上アームへの指令(オン/オフ)と下アームへの指令(オン/オフ)とが異なる期間に限定される。すなわち、直流電源B1に対して上アームオンが指令されている一方で直流電源B2に対して下アームオンが指令されている期間、または、直流電源B1に対して下アームオンが指令されている一方で直流電源B2に対して上アームオンが指令されている期間に限って、第2アームを使用することができる。 Therefore, the period during which the second arm can be used is limited to a period in which the command to the upper arm (on / off) and the command to the lower arm (on / off) are different between the DC power supplies B1 and B2. That is, while the upper arm on is instructed to the DC power source B1, the lower arm on is instructed to the DC power source B2, or the lower arm on is instructed to the DC power source B1. The second arm can be used only during the period when the upper arm on is commanded to the power supply B2.
図31には、電力変換器10のパラレル昇圧モードにおけるスイッチング素子Q1〜Q5の各々についてのオンオフ制御のためのゲート論理式が示される。
FIG. 31 shows a gate logical expression for on / off control of each of switching elements Q1 to Q5 in parallel boost mode of
電力変換器10のパラレル昇圧モードでは、スイッチング素子Q2は、制御パルス信号SD1に対応してオンオフ制御されるとともに、スイッチング素子Q1は、制御パルス信号/SD1に応答してオンオフされる。さらに、スイッチング素子Q4は、制御パルス信号SD2に応じてオンオフ制御されるとともに、スイッチング素子Q3は制御パルス信号/SD2に応答してオンオフされる。さらに、スイッチング素子Q5は、制御パルス信号SD1およびSD2の排他的論理和(XOR)に従ってオンオフ制御される。
In the parallel boost mode of
制御パルス信号SD1およびSD2の論理レベルが等しいとき(すなわち、SD1=SD2=Hレベル、または、SD1=SD2=Lレベル)である場合には、スイッチング素子Q5はオフされる。すなわち、スイッチング素子Q2,Q4のオンオフ状態が同一であるときには、スイッチング素子Q5がオフされる。このとき、直流電源B1,B2のそれぞれに対して、第1アームを用いた昇圧チョッパ回路が構成される。 When the logic levels of the control pulse signals SD1 and SD2 are equal (that is, SD1 = SD2 = H level or SD1 = SD2 = L level), the switching element Q5 is turned off. That is, when the on / off states of switching elements Q2, Q4 are the same, switching element Q5 is turned off. At this time, a boost chopper circuit using the first arm is configured for each of the DC power supplies B1 and B2.
したがって、第1アームを用いる場合には、制御パルス信号SD1およびSD2の論理レベルが等しいので、スイッチング素子Q2,Q4は共通にオンオフされることが理解される。さらに、スイッチング素子Q1,Q3についても共通にオンオフされる。さらに、スイッチング素子Q1,Q3のペアと、スイッチング素子Q2,Q4のペアとは、相補的にオンオフされることになる。したがって、スイッチング素子Q1およびQ2の相補的なオンオフ、ならびに、スイッチング素子Q3およびQ4の相補的なオンオフは確保されている。 Therefore, when the first arm is used, it is understood that the logic levels of control pulse signals SD1 and SD2 are equal, so that switching elements Q2 and Q4 are turned on / off in common. Further, switching elements Q1, Q3 are also turned on / off in common. Furthermore, the pair of switching elements Q1 and Q3 and the pair of switching elements Q2 and Q4 are turned on and off in a complementary manner. Therefore, complementary ON / OFF of switching elements Q1 and Q2 and complementary ON / OFF of switching elements Q3 and Q4 are ensured.
一方で、制御パルス信号SD1およびSD2の論理レベルが異なる場合(すなわち、SD1=Hレベル,SD2=Lレベル、または、SD1=Lレベル,SD2=Hレベル)には、スイッチング素子Q5がオンされる。すなわち、スイッチング素子Q2,Q4のオンオフ状態が異なるときには、スイッチング素子Q5がオンされる。このとき、直流電源B1,B2のそれぞれに対して、第2アームを用いた昇圧チョッパ回路が構成される。 On the other hand, when the logic levels of control pulse signals SD1 and SD2 are different (that is, SD1 = H level, SD2 = L level, or SD1 = L level, SD2 = H level), switching element Q5 is turned on. . That is, when the on / off states of switching elements Q2, Q4 are different, switching element Q5 is turned on. At this time, a boost chopper circuit using the second arm is configured for each of the DC power supplies B1 and B2.
したがって、第2アームを用いる場合には、スイッチング素子Q2,Q3が共通にオンオフされるとともに、スイッチング素子Q1,Q4が共通にオンオフされる。そして、スイッチング素子Q1,Q3のペアと、スイッチング素子Q2,Q4のペアとは、相補的にオンオフされることになる。したがって、第2アームの使用時にも、スイッチング素子Q1およびQ2の相補的なオンオフ、ならびに、スイッチング素子Q3およびQ4の相補的なオンオフは確保されている。 Therefore, when the second arm is used, switching elements Q2, Q3 are turned on / off in common, and switching elements Q1, Q4 are turned on / off in common. The pair of switching elements Q1 and Q3 and the pair of switching elements Q2 and Q4 are turned on and off in a complementary manner. Therefore, complementary on / off of switching elements Q1 and Q2 and complementary on / off of switching elements Q3 and Q4 are ensured even when the second arm is used.
このように、図31に示した論理演算式に従って、スイッチング素子Q1〜Q5のオンオフを、制御パルス信号SD1,SD2に応じて制御することにより、第1アームを用いる昇圧チョッパ回路と、第2アームを形成する用いる昇圧チョッパ回路とを自動的に選択しながら、パラレル昇圧モードにおけるDC/DC変換を実行することができる。特に、スイッチング素子Q5によるノードN11,N12間の電流経路の形成/遮断の制御によって、電力線PL,GL間に短絡経路が形成されることを回避しながら、第1アームおよび第2アームを切換えることができる。 As described above, according to the logical operation expression shown in FIG. 31, the switching elements Q1 to Q5 are controlled to be turned on / off according to the control pulse signals SD1 and SD2, so that the boost chopper circuit using the first arm and the second arm The DC / DC conversion in the parallel boost mode can be executed while automatically selecting the boost chopper circuit to be used. In particular, the switching of the first arm and the second arm while avoiding the formation of a short circuit path between the power lines PL and GL by controlling the formation / cutoff of the current path between the nodes N11 and N12 by the switching element Q5. Can do.
なお、制御パルス信号SD1(/SD1),SD2(/SD2)は、電力変換器50のパラレル昇圧モードと同様に、図5の制御構成によって生成することができる。さらに、PWM制御部550(図5)が図31に示されたゲート論理式に従って、制御信号SQ1〜SQ5を生成する。
Control pulse signals SD1 (/ SD1) and SD2 (/ SD2) can be generated by the control configuration shown in FIG. 5 as in the parallel boost mode of
図32には、電力変換器10のパラレル接続モードにおける制御動作の比較例を説明するための波形図が示される。図32では、実施の形態1での図6と同様に、三角波によって構成されたキャリア波を用いたPWM制御を比較例として説明する。
FIG. 32 is a waveform diagram for explaining a comparative example of the control operation in the parallel connection mode of the
図32を参照して、直流電源B1に対して、制御パルス信号SD1(/SD1)は、キャリア波CW1とデューティ比DT1との電圧比較に基づくPWM制御によって生成される。図31のゲート論理式に示されたように、直流電源B1の出力制御のための制御パルス信号SD1,/SD1に基づいて、スイッチング素子Q1,Q2のオンオフが制御される。 Referring to FIG. 32, for DC power supply B1, control pulse signal SD1 (/ SD1) is generated by PWM control based on voltage comparison between carrier wave CW1 and duty ratio DT1. As shown in the gate logical expression of FIG. 31, on / off of switching elements Q1, Q2 is controlled based on control pulse signals SD1, / SD1 for output control of DC power supply B1.
同様に、直流電源B2に対しても、デューティ比DT2とキャリア波CW2との電圧比較に基づくPWM制御によって、制御パルス信号SD2(/SD2)が生成される。図31のゲート論理式に示されたように、直流電源B2の出力制御のための制御パルス信号SD2,/SD2に基づいて、スイッチング素子Q3,Q4のオンオフが制御される。 Similarly, control pulse signal SD2 (/ SD2) is generated for DC power supply B2 by PWM control based on voltage comparison between duty ratio DT2 and carrier wave CW2. As shown in the gate logical expression of FIG. 31, on / off of switching elements Q3 and Q4 is controlled based on control pulse signals SD2 and / SD2 for output control of DC power supply B2.
スイッチング素子Q5は、リアクトル電流IL1が上昇する一方でリアクトル電流IL2が低下する期間、および、リアクトル電流IL2が上昇する一方でリアクトル電流IL1が低下する期間でオンされる。すなわち、スイッチング素子Q5は、リアクトル電流IL1について電流経路191が形成される一方で、リアクトル電流IL2について電流経路194が形成される期間、および、リアクトル電流IL1について電流経路193が形成される一方で、リアクトル電流IL2について電流経路192が形成される期間にオンされている。
Switching element Q5 is turned on in a period in which reactor current IL2 increases while reactor current IL2 decreases, and in a period in which reactor current IL2 increases while reactor current IL1 decreases. That is, in switching element Q5, while
制御信号SQ1〜SQ5は、図31に示されたゲート論理式に従って、上記PWM制御によって得られた制御パルス信号SD1(/SD1),SD2(/SD2)に応じて生成される。ここで、制御パルス信号SD1のH/Lレベルと、制御パルス信号SD2のH/Lレベルとの組合せに応じて、スイッチング素子Q1〜Q5のオンオフの組み合わせ(スイッチングパターン)は、図33に示す4通りに限定される。 Control signals SQ1 to SQ5 are generated according to control pulse signals SD1 (/ SD1) and SD2 (/ SD2) obtained by the PWM control in accordance with the gate logical expression shown in FIG. Here, depending on the combination of the H / L level of the control pulse signal SD1 and the H / L level of the control pulse signal SD2, the on / off combination (switching pattern) of the switching elements Q1 to Q5 is 4 shown in FIG. Limited to the street.
図33は、パラレル昇圧モードにおけるスイッチング素子Q1〜Q5のスイッチングパターンの一覧を示す図表である。 FIG. 33 is a chart showing a list of switching patterns of switching elements Q1 to Q5 in the parallel boost mode.
図32を参照して、時刻t0〜t1間では、SD1=SD2=Hレベルである。このとき、図33に示されるように、制御信号SQ1=SQ3=SQ5=Lレベルとなる一方で、SQ2=SQ4=Hレベルとなる。したがって、スイッチング素子Q5がオフされて、第1アームを用いた昇圧チョッパ回路が形成される下で、スイッチング素子Q1,Q3がオフする一方で、スイッチング素子Q2,Q4がオンする。 Referring to FIG. 32, SD1 = SD2 = H level between times t0 and t1. At this time, as shown in FIG. 33, the control signal SQ1 = SQ3 = SQ5 = L level, while SQ2 = SQ4 = H level. Therefore, while switching element Q5 is turned off and the step-up chopper circuit using the first arm is formed, switching elements Q1 and Q3 are turned off while switching elements Q2 and Q4 are turned on.
このとき、図30から理解されるように、第1アームのうちのB1LアームおよびB2Lアームがオンされる。すなわち、直流電源B1およびB2の各々に対して下アームオンが指令される。したがって、時刻t0〜t1間では、リアクトル電流IL1およびIL2の両方が上昇する。なお、電力変換器10の回路構成から明らかなとおり、リアクトル電流IL1は直流電源B1の電流I[1]に相当し、リアクトル電流IL2は直流電源B1の電流I[2]に相当する。
At this time, as understood from FIG. 30, the B1L arm and the B2L arm of the first arm are turned on. That is, lower arm on is commanded to each of DC power supplies B1 and B2. Therefore, both reactor currents IL1 and IL2 rise between times t0 and t1. As is clear from the circuit configuration of
再び図32を参照して、時刻t1において制御パルス信号SD2がHレベルからLレベルへ変化するため、時刻t1〜t2間では、SD1=Hレベル、かつ、SD2=Lレベルである。このとき、図15に示されるように、制御信号SQ2=SQ3=SQ5=Hレベルとなる一方で、SQ1=SQ4=Lレベルとなる。したがって、スイッチング素子Q5がオンされて、第2アームを用いた昇圧チョッパ回路が形成される下で、スイッチング素子Q2,Q3がオンする一方で、スイッチング素子Q1,Q4がオフする。 Referring again to FIG. 32, since control pulse signal SD2 changes from the H level to the L level at time t1, SD1 = H level and SD2 = L level between times t1 and t2. At this time, as shown in FIG. 15, the control signal SQ2 = SQ3 = SQ5 = H level, while SQ1 = SQ4 = L level. Therefore, while switching element Q5 is turned on and a boost chopper circuit using the second arm is formed, switching elements Q2 and Q3 are turned on, while switching elements Q1 and Q4 are turned off.
このとき、図30から理解されるように、第1アームのうちのB1LアームおよびB2Uアームがオンされる。すなわち、直流電源B1に対して下アームオンが指令される一方で、直流電源B2に対して上アームオンが指令される。したがって、時刻t1〜t2間では、リアクトル電流IL1が上昇する一方で、リアクトル電流IL2は低下する。 At this time, as understood from FIG. 30, the B1L arm and the B2U arm among the first arms are turned on. That is, the lower arm on is commanded to the DC power supply B1, while the upper arm on is commanded to the DC power supply B2. Accordingly, between times t1 and t2, reactor current IL1 increases while reactor current IL2 decreases.
再び図32を参照して、時刻t2において制御パルス信号SD1がHレベルからLレベルへ変化するため、時刻t2〜t3間では、SD1=SD2=Lレベルである。このとき、図33に示されるように、制御信号SQ2=SQ4=SQ5=Lレベルとなる一方で、SQ1=SQ3=Hレベルとなる。したがって、スイッチング素子Q5がオフされて第1アームを用いる昇圧チョッパ回路が形成される下で、スイッチング素子Q1,Q3がオンする一方で、スイッチング素子Q2,Q4がオフする。 Referring to FIG. 32 again, since control pulse signal SD1 changes from the H level to the L level at time t2, SD1 = SD2 = L level between times t2 and t3. At this time, as shown in FIG. 33, the control signal SQ2 = SQ4 = SQ5 = L level, while SQ1 = SQ3 = H level. Therefore, while switching element Q5 is turned off and a boost chopper circuit using the first arm is formed, switching elements Q1 and Q3 are turned on, while switching elements Q2 and Q4 are turned off.
このとき、図30から理解されるように、第1アームのうちのB1UアームおよびB2Uアームがオンされる。すなわち、直流電源B1およびB2の各々に対して上アームオンが指令される。したがって、時刻t2〜t3間では、リアクトル電流IL1およびIL2の両方が低下する。 At this time, as understood from FIG. 30, the B1U arm and the B2U arm among the first arms are turned on. That is, upper arm on is commanded to each of DC power supplies B1 and B2. Accordingly, both reactor currents IL1 and IL2 decrease between times t2 and t3.
再び図32を参照して、時刻t3において制御パルス信号SD1がLレベルからHレベルへ変化するため、時刻t3〜t4間では、SD1=Hレベル、かつ、SD2=Lレベルである。したがって、時刻t0〜t1間におけるスイッチングパターンが再現されることにより、第1アームの使用下で、リアクトル電流IL1が上昇する一方で、リアクトル電流IL2が低下するように、スイッチング素子Q1〜Q5が制御される。 Referring again to FIG. 32, since control pulse signal SD1 changes from the L level to the H level at time t3, SD1 = H level and SD2 = L level between times t3 and t4. Therefore, the switching elements Q1 to Q5 are controlled so that the reactor current IL1 increases while the reactor current IL2 decreases while the first arm is used by reproducing the switching pattern between times t0 and t1. Is done.
なお、図32の動作例では、DT1>DT2であるため、時刻t0〜t1間とは反対にSD1=Lレベル、かつ、SD2=Hレベルとなる期間が存在していないが、当該期間においては、図33に示されるように、制御信号SQ1=SQ4=SQ5=Hレベルとなる一方で、SQ2=SQ3=Lレベルとなる。したがって、スイッチング素子Q5がオンされて、第2アームを用いる昇圧チョッパ回路が形成される下で、スイッチング素子Q1,Q4がオンする一方で、スイッチング素子Q2,Q3がオフする。 In the operation example of FIG. 32, since DT1> DT2, there is no period in which SD1 = L level and SD2 = H level, contrary to the time t0 to t1, but in this period, 33, the control signal SQ1 = SQ4 = SQ5 = H level, while SQ2 = SQ3 = L level. Therefore, while switching element Q5 is turned on and the step-up chopper circuit using the second arm is formed, switching elements Q1 and Q4 are turned on, while switching elements Q2 and Q3 are turned off.
このとき、図30から理解されるように、第2アームのうちのB1UアームおよびB2Lアームがオンされる。すなわち、直流電源B2に対して下アームオンが指令される一方で、直流電源B1に対して上アームオンが指令される。したがって、当該期間では、リアクトル電流IL2が上昇する一方で、リアクトル電流IL1が低下するように、スイッチング素子Q1〜Q5が制御されることが理解される。 At this time, as understood from FIG. 30, the B1U arm and the B2L arm of the second arm are turned on. That is, the lower arm on is commanded to the DC power source B2, while the upper arm on is commanded to the DC power source B1. Therefore, it is understood that the switching elements Q1 to Q5 are controlled so that the reactor current IL1 increases while the reactor current IL1 decreases during the period.
図32での時刻t4以降についても、デューティ比DT1,DT2に応じたPWM制御によって、図33に示されたスイッチングパターンに従って、スイッチング素子Q1〜Q5を同様に制御することができる。 After time t4 in FIG. 32, switching elements Q1-Q5 can be similarly controlled according to the switching pattern shown in FIG. 33 by PWM control according to duty ratios DT1, DT2.
このように、実施の形態2に従う電力変換器10によれば、パラレル昇圧(PB)モードにおいて、直流電源B1,B2の出力制御のデューティ比DT1およびDT2に応じて、図31に示したゲート論理式に従って、スイッチング素子Q1〜Q5がオンオフ制御される。これにより、第1アームを用いる昇圧チョッパ回路が形成される期間と、第2アームを用いる昇圧チョッパ回路が形成される期間とを自動的に切換えながら、直流電源B1およびB2が、電力線PL,GLに対して並列にDC/DC変換を実行することができる。
Thus, according to
特に、電力変換器10のPBモードにおいても、電力変換器50と同様に、直流電源B1およびB2間の電力配分を制御するとともに、出力電圧VHを電圧指令値VH*に制御することができる。
In particular, in the PB mode of the
(パラレル昇圧モードにおける電力変換器の電力損失)
次に、電力変換器10のパラレル昇圧モードにおける電力損失低減効果について詳細に説明する。
(Power loss of power converter in parallel boost mode)
Next, the power loss reduction effect of the
電力変換器10は、スイッチング素子Q5のオフ時、すなわち、第1アームを用いる昇圧チョッパ回路が形成されている場合には、図29に示したように、2個の昇圧チョッパ回路を並列接続した回路構成となる。このときのスイッチング素子Q1〜Q5による電力損失は、昇圧チョッパ回路2個分の電力損失と同等であることが理解される。
The
一方で、電力変換器50(図1)では、特許文献1のパラレル接続モードと同様のパラレル昇圧(PB)モードにおいて、一部のスイッチング素子に2つの直流電源のDC/DC変換の電流が重畳して流れることにより、導通損失が増加することが懸念される。すなわち、電力変換器50のパラレル接続モードでは、スイッチング素子での電力損失が、昇圧チョッパ回路2個分の電力損失よりも高くなってしまう虞がある。
On the other hand, in the power converter 50 (FIG. 1), DC / DC conversion currents of two DC power sources are superimposed on some switching elements in the parallel boost (PB) mode similar to the parallel connection mode of
これに対して、電力変換器10では、以下に説明するように、上述した第2のアームを用いる昇圧チョッパ回路が形成される期間が設けられることにより、スイッチング素子の導通損失を低減することができる。
On the other hand, in the
再び図33を参照して、電力変換器10においてスイッチング素子Q5がオンされる場合、すなわち、第2のアームを用いる昇圧チョッパ回路が形成される期間には、スイッチング素子Q2,Q3,Q5がオン(Q1,Q4はオフ)されるパターンと、スイッチング素子Q1,Q4,Q5がオン(Q2,Q3はオフ)されるパターンとの2つのパターンのみが存在する。すなわち、第2アームを用いる場合には、直流電源B1,B2の間で、異なるアームがオンされる。
Referring to FIG. 33 again, when switching element Q5 is turned on in
図27から理解されるように、スイッチング素子Q1,Q4,Q5がオンされた場合(第2アーム使用時)には、スイッチング素子Q1およびQ4は、直流電源B1の上アームとして、スイッチング素子Q5を経由して、ノードN11および電力線PLの間に電気的に並列接続される構成となる。さらに、スイッチング素子Q1およびQ4は、直流電源B2の下アームとしては、スイッチング素子Q5およびリアクトルL2を経由して、直流電源B2の正極端子および負極端子間に電気的に並列接続される。 As understood from FIG. 27, when switching elements Q1, Q4, and Q5 are turned on (when the second arm is used), switching elements Q1 and Q4 use switching element Q5 as an upper arm of DC power supply B1. Via, it becomes the structure electrically connected in parallel between the node N11 and the power line PL. Furthermore, switching elements Q1 and Q4 are electrically connected in parallel between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of DC power supply B2 via switching element Q5 and reactor L2 as the lower arm of DC power supply B2.
また、スイッチング素子Q2,Q3,Q5がオンされた場合には、スイッチング素子Q2およびQ3は、直流電源B2の上アームとして、スイッチング素子Q5を経由して、ノードN2および電力線GLの間に電気的に並列接続される構成となる。さらに、スイッチング素子Q2およびQ3は、直流電源B1の下アームとしては、スイッチング素子Q5およびリアクトルL1を経由して、直流電源B1の正極端子および負極端子間に電気的に並列接続される。 When switching elements Q2, Q3, and Q5 are turned on, switching elements Q2 and Q3 are electrically connected between node N2 and power line GL via switching element Q5 as the upper arm of DC power supply B2. Are connected in parallel. Furthermore, switching elements Q2 and Q3 are electrically connected in parallel between the positive electrode terminal and the negative electrode terminal of DC power supply B1 via switching element Q5 and reactor L1 as the lower arm of DC power supply B1.
このため、スイッチング素子Q1〜Q5が、線形特性を有する半導体素子、たとえば、立上がり電圧が0であり、かつ、オン状態における順方向電流−電圧特性が線形である、電界効果トランジスタやショットキバリアダイオードで構成される場合には、B1Lアーム、B1Uアーム、B2LアームおよびB2Uアームの各々について、2個のスイッチング素子による電流経路が並列に存在することになる。この結果、並列回路における分流効果によって、各スイッチング素子の通過電流が、第1のアーム形成を有する昇圧チョッパ回路の形成時、すなわち、各アームが1個のスイッチング素子で構成される場合と比較して低減する。これにより電流量に依存する、スイッチング素子の導通損失を低減することができる。 Therefore, the switching elements Q1 to Q5 are semiconductor elements having linear characteristics, for example, field effect transistors or Schottky barrier diodes having a rising voltage of 0 and a forward current-voltage characteristic in an on state being linear. When configured, a current path by two switching elements exists in parallel for each of the B1L arm, the B1U arm, the B2L arm, and the B2U arm. As a result, due to the shunt effect in the parallel circuit, the passing current of each switching element is compared with that when forming the step-up chopper circuit having the first arm formation, that is, when each arm is composed of one switching element. Reduce. Thereby, the conduction loss of the switching element depending on the amount of current can be reduced.
一方で、スイッチング素子Q1〜Q5が、ダイオードやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)のような非線形特性を有する半導体素子で構成される場合には、単純な分流効果によらないメカニズムで導通損失の低減が実現される。以下では、そのメカニズムについて詳細に説明する。 On the other hand, when the switching elements Q1 to Q5 are composed of semiconductor elements having nonlinear characteristics such as diodes or IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), the conduction loss can be reduced by a mechanism not based on a simple shunt effect. Realized. Below, the mechanism is demonstrated in detail.
上述のように、第2アームを用いる場合には、スイッチング素子Q1,Q4,Q5がオン(Q2,Q3はオフ)されるパターンと、スイッチング素子Q2,Q3,Q5がオン(Q1,Q4はオフ)されるパターンとの2つのパターンしか存在しない。電力変換器10の回路構成の対称性から、上記のいずれのパターンでも生じる現象は同じであるので、以下では、スイッチング素子Q2,Q3,Q5がオン(Q1,Q4はオフ)されるパターン、すなわち、B1LアームおよびB2Uアームがオンされる場合の動作について説明する。
As described above, when the second arm is used, the switching elements Q1, Q4, and Q5 are turned on (Q2 and Q3 are turned off), and the switching elements Q2, Q3, and Q5 are turned on (Q1, Q4 are turned off). There are only two patterns. Since the phenomenon that occurs in any of the above patterns is the same due to the symmetry of the circuit configuration of the
まず比較のために、第1アームを用いる昇圧チョッパ回路において、B1LアームおよびB2Uアームをオンする場合を考える。この場合には、スイッチング素子Q1,Q3,Q5がオフされる一方で、スイッチング素子Q2およびQ3がオンされる。図34には、このときの等価回路図が示される。 First, for comparison, consider a case where the B1L arm and the B2U arm are turned on in the boost chopper circuit using the first arm. In this case, switching elements Q1, Q3, and Q5 are turned off, while switching elements Q2 and Q3 are turned on. FIG. 34 shows an equivalent circuit diagram at this time.
図34を参照してスイッチング素子Q2およびQ3は、対応の制御信号SQ2およびSQ3がHレベルに設定されることにより電流経路を形成可能な状態に制御されている。すなわち、スイッチング素子Q2,Q3は、双方向にダイオードが並列接続された状態と等価である。一方で、スイッチング素子Q5はオフ状態とされているため、ノードN11およびN12間の電流経路は遮断されている。 Referring to FIG. 34, switching elements Q2 and Q3 are controlled to a state in which a current path can be formed by setting corresponding control signals SQ2 and SQ3 to the H level. That is, the switching elements Q2 and Q3 are equivalent to a state where diodes are connected in parallel in both directions. On the other hand, since switching element Q5 is turned off, the current path between nodes N11 and N12 is blocked.
図35は、図34中の点線で囲まれた部分の拡大図である。
図35を参照して、スイッチング素子Q2によるB1Lアームのオンに応じて、直流電源B1からリアクトルL1を通過したリアクトル電流IL1は、スイッチング素子Q2によって形成された、ノードN11から電力線GLへの電流経路を流れる。
FIG. 35 is an enlarged view of a portion surrounded by a dotted line in FIG.
Referring to FIG. 35, in response to turning on of the B1L arm by switching element Q2, reactor current IL1 passing through reactor L1 from DC power supply B1 is formed by switching element Q2, and is a current path from node N11 to power line GL. Flowing.
また、スイッチング素子Q3によるB2Uアームのオンに応じて、直流電源B2からリアクトルL2を通過したリアクトル電流IL2は、スイッチング素子Q3によって形成された、電力線GLからノードN12への電流経路を流れる。このように、第1アーム形成時(Q5オフ時)においてB1LアームおよびB2Uアームがオンされる場合には、スイッチング素子Q2にリアクトル電流IL1が流れ、スイッチング素子Q3に電流IL2が流れる。 Further, in response to turning on of the B2U arm by switching element Q3, reactor current IL2 passing through reactor L2 from DC power supply B2 flows through a current path from power line GL to node N12 formed by switching element Q3. Thus, when the B1L arm and the B2U arm are turned on when the first arm is formed (when Q5 is off), reactor current IL1 flows through switching element Q2, and current IL2 flows through switching element Q3.
図36は、第2アームを用いる昇圧チョッパ回路においてB1LアームおよびB2Uアームがオンされた場合の等価回路図である。 FIG. 36 is an equivalent circuit diagram when the B1L arm and the B2U arm are turned on in the boost chopper circuit using the second arm.
図36を参照して、第2アームを用いる場合には、制御信号SQ2,SQ3,SQ5がHレベルに設定されることにより、スイッチング素子Q2,Q3,Q5の各々は、双方向に電流経路を形成可能な状態、すなわち、双方向にダイオードが並列接続された状態となる。 Referring to FIG. 36, when the second arm is used, control signals SQ2, SQ3, and SQ5 are set to the H level, so that each of switching elements Q2, Q3, and Q5 has a bidirectional current path. It is possible to form, that is, a state where diodes are connected in parallel in both directions.
図37は、図36における点線で囲んだ部分の等価回路図である。
図37を参照して、第2アームが用いられる場合には、図35とは異なり、スイッチング素子Q5によってもノードN11およびN12間に電流経路を形成することが可能である。したがって、リアクトル電流IL1およびIL2の経路は、ノードN11,N12の電位関係によって変化する。
FIG. 37 is an equivalent circuit diagram of a portion surrounded by a dotted line in FIG.
Referring to FIG. 37, when the second arm is used, unlike FIG. 35, a current path can be formed between nodes N11 and N12 also by switching element Q5. Therefore, the paths of reactor currents IL1 and IL2 change depending on the potential relationship between nodes N11 and N12.
図35および図37にも示したように、非線形特性を有するスイッチング素子(たとえばIGBT)は、オン状態では、ダイオードと同等の特性を有する。一般的に知られているように、ダイオードは電流−電圧特性が非線形であり、電流が流れる導通状態に遷移するためには、立上がり電圧以上の順方向電圧が印加されることが必要になる。 As shown in FIGS. 35 and 37, the switching element (for example, IGBT) having nonlinear characteristics has characteristics equivalent to those of the diode in the on state. As is generally known, a diode has a non-linear current-voltage characteristic, and in order to make a transition to a conducting state in which a current flows, it is necessary to apply a forward voltage higher than the rising voltage.
また、ダイオードにおいて、電流増加に対する順方向電圧増加の感度は低く、立上がり電圧の2倍以上の順方向電圧を生じさせるには、大きな電流が必要であることが知られている。すなわち、導通して電流が通流されている状態のダイオードの各々には、ほぼ同じ大きさの順方向電圧が発生している。 Further, it is known that a diode has a low sensitivity to an increase in forward voltage with respect to an increase in current, and a large current is required to generate a forward voltage more than twice the rising voltage. That is, a forward voltage having substantially the same magnitude is generated in each of the diodes that are in a conductive state and are energized.
ダイオードの上記性質のため、図37に示した等価回路において、ループ状に接続されたスイッチング素子Q2,Q3,Q5のすべてに電流が流れている状態(導通状態)は発生しない。なぜなら、ほぼ同等の3つの電圧がループ状の閉路を形成するとすれば、それぞれの電圧がどのような向きであっても、キルヒホッフ電圧則が成立しないからである。 Due to the above property of the diode, in the equivalent circuit shown in FIG. 37, a state (conductive state) in which current flows through all of the switching elements Q2, Q3, and Q5 connected in a loop shape does not occur. This is because the Kirchhoff voltage law does not hold regardless of the direction of each voltage if three substantially equal voltages form a loop-like closed circuit.
したがって、図37に示された等価回路中において、スイッチング素子Q2,Q3,Q5のうちの少なくとも2つのスイッチング素子までしか導通状態となることができない。したがって、図37の等価回路では、スイッチング素子Q2,Q3,Q5間の単純な分流効果による導通損失の低減は期待することができない。 Therefore, in the equivalent circuit shown in FIG. 37, only at least two of the switching elements Q2, Q3, and Q5 can be in a conductive state. Therefore, in the equivalent circuit of FIG. 37, reduction of conduction loss due to a simple shunt effect between the switching elements Q2, Q3, and Q5 cannot be expected.
しかしながら、スイッチング素子Q2,Q3,Q5の導通パターンの組合せ毎に導通損失は異なるため、最も損失の低い組み合わせに従う導通経路を選択することで、導通損失を低減することが可能である。特に、電力変換器10では、上記のような導通損失を低減するための導通経路の選択は、センサ等を用いた制御を行なうことなく、スイッチング素子Q2,Q3,Q5のすべてをオンしておくだけで、自動的に損失が最小となる導通経路が選択される点が特徴である。以下、この損失低減メカニズムをさらに詳細に説明する。
However, since the conduction loss differs depending on the combination of the conduction patterns of the switching elements Q2, Q3, and Q5, the conduction loss can be reduced by selecting the conduction path according to the combination with the lowest loss. In particular, in
まず、電力変換器10において、リアクトル電流IL1およびIL2の方向の組合せは、図38に示す4通りに区別される。
First, in
図38を参照して、リアクトル電流IL1およびIL2の正/負の組合せから、電力変換器10の動作領域は、直流電源B1およびB2の両方が力行動作する領域(IL1>0,IL2>0)と、直流電源B1が回生動作する一方で直流電源B2が力行動作する領域(IL1<0,IL2>0)と、直流電源B1,B2の両方が回生動作をする領域(IL1<0,IL2<0)と、直流電源B1が力行動作する一方で直流電源B2が回生動作する領域(IL1>0,IL2<0)に分けられる。
Referring to FIG. 38, based on the positive / negative combination of reactor currents IL1 and IL2, the operation region of
まず、直流電源B1およびB2の両方が力行動作する場合、すなわち図38の第1象限における電力変換器10の動作を説明する。この場合における、リアクトル電流IL1およびIL2の波形例が図39に示される。
First, the operation of
図39を参照して、リアクトル電流IL1およびIL2が正であって(IL1>0,IL2>0)、かつ、B1Lアームがオン(SD1=Hレベル)される一方で、B2Uアームがオフ(SD2=Lレベル)される期間T0における電流波形が示される。すなわち、期間T0において、制御パルス信号SD1=HレベルおよびSD2=Lレベルであるから、スイッチング素子Q2,Q3,Q5がオンされている。 Referring to FIG. 39, reactor currents IL1 and IL2 are positive (IL1> 0, IL2> 0), and B1L arm is turned on (SD1 = H level), while B2U arm is turned off (SD2 (= L level) shows a current waveform in a period T0. That is, in the period T0, since the control pulse signal SD1 = H level and SD2 = L level, the switching elements Q2, Q3, Q5 are turned on.
したがって、期間T0では、リアクトル電流IL1が上昇する一方で、リアクトル電流IL2が低下する。期間T0は、リアクトル電流IL1およびIL2の大小が逆転する時刻tyを境界として、IL2>IL1である期間Tαおよび、IL1>IL2である期間Tβに分割される。 Therefore, in period T0, reactor current IL1 increases while reactor current IL2 decreases. The period T0 is divided into a period Tα where IL2> IL1 and a period Tβ where IL1> IL2 with the time ty at which the magnitudes of the reactor currents IL1 and IL2 are reversed as boundaries.
上述のように、スイッチング素子Q2,Q3,Q5をオンする場合にも、スイッチング素子Q2,Q3,Q5のすべてが同時に導通状態とはならない。したがって、図37の等価回路で形成され得る電流経路は、図40の(a)〜(c)の3通りのいずれかとなる。 As described above, even when switching elements Q2, Q3, and Q5 are turned on, not all of switching elements Q2, Q3, and Q5 are simultaneously turned on. Therefore, the current path that can be formed by the equivalent circuit of FIG. 37 is one of the three types of (a) to (c) of FIG.
図40(a)を参照して、スイッチング素子Q2およびQ3が導通状態となるときには、電流経路121が形成される。電流経路121は、リアクトル電流IL1がスイッチング素子Q2を流れる電流経路と、リアクトル電流IL2がスイッチング素子Q3を流れる電流経路とを含む。この結果、スイッチング素子Q2,Q3,Q5による導通損失の和Pls1は、下記(5)式で示される。
Referring to FIG. 40A, when switching elements Q2 and Q3 are turned on,
Pls1=Vfe×(|IL1|+|IL2|)… (5)
式(5)において、Vfeは、オン状態のスイッチング素子に相当する各ダイオードの順方向電圧である。Vfeは、正の一定値とみなすことができる。
Pls1 = Vfe × (| IL1 | + | IL2 |) (5)
In Formula (5), Vfe is the forward voltage of each diode corresponding to the switching element in the on state. Vfe can be regarded as a positive constant value.
図40(b)を参照して、スイッチング素子Q2およびQ5が導通状態となるときには、電流経路122が形成される。電流経路122は、スイッチング素子Q2を電流(IL1−IL2)が流れる電流経路と、リアクトル電流IL2がスイッチング素子Q5を流れる電流経路とを含む。このときのスイッチング素子Q2,Q3,Q5による導通損失Pls2は、下記(6)式で示される。
Referring to FIG. 40B, when switching elements Q2 and Q5 are turned on,
Pls2=Vfe×(|IL2|+|IL1−IL2|)… (6)
図40(c)を参照して、スイッチング素子Q3およびQ5が導通状態となるときには、電流経路123が形成される。電流経路123は、スイッチング素子Q3を電流(IL2−IL1)が流れる電流経路と、リアクトル電流IL1がスイッチング素子Q5を流れる電流経路とを含む。このときのスイッチング素子Q2,Q3,Q5による導通損失Pls3は、下記(7)式で示される。
Pls2 = Vfe × (| IL2 | + | IL1-IL2 |) (6)
Referring to FIG. 40C, when switching elements Q3 and Q5 are turned on,
Pls3=Vfe×(|IL1|+|IL2−IL1|)… (7)
図40(a)に示された電流経路121は、図34に示された、第1アームを用いる昇圧チョッパ回路においてB1LアームおよびB2Uアームをオンするときの電流経路と同じである。したがって、図40(a)における導通損失は、第1アームの形成時と同等である。
Pls3 = Vfe × (| IL1 | + | IL2-IL1 |) (7)
The
図41は、図40(a)〜(c)に示された電流経路121〜123のそれぞれにおける導通損失Pls1〜Pls3の推移を示す波形図である。
FIG. 41 is a waveform diagram showing transition of conduction losses Pls1 to Pls3 in each of the
図41を参照して、図39に示されるようにリアクトル電流IL1およびIL2が推移することに伴い、導通損失Pls1〜Pls3は、いずれも正であるIL1およびIL2の変化に応じて、式(5)〜(7)に従って変化する。 Referring to FIG. 41, as reactor currents IL1 and IL2 change as shown in FIG. 39, conduction losses Pls1 to Pls3 are expressed in accordance with changes in IL1 and IL2 that are both positive (5) ) To (7).
IL2>IL1である期間Tαでは、式(5)〜式(7)の比較から理解されるとおり、電流経路123(図40(c))が形成されるときにおける導通損失Pls3が、電流経路121,122が形成されるときの導通損失Pls1,Pls2よりも小さくなる。
In the period Tα where IL2> IL1, the conduction loss Pls3 when the current path 123 (FIG. 40C) is formed is equal to the
これに対して、IL1>IL2となる期間Tβにおいては、電流経路122(図40(b))による導通損失Pls2が電流経路121,123を形成したときの導通損失Pls1およびPls3よりも小さくなる。
On the other hand, in the period Tβ where IL1> IL2, the conduction loss Pls2 due to the current path 122 (FIG. 40B) is smaller than the conduction losses Pls1 and Pls3 when the
ここで、期間Tα(IL1<IL2)に形成され得る電流経路について考察する。まず、図40(a)に示された電流経路121の場合、スイッチング素子Q5に、スイッチング素子Q2およびQ5の順方向電圧の和が印加されることになる。この順方向電圧の和は、スイッチング素子Q5の立上がり電圧を超えてしまうため、この現象は、スイッチング素子Q3が導通していない事象と矛盾する。したがって、期間Tαにおいて、図40(a)に示された電流経路121が形成されることはない。
Here, a current path that can be formed in the period Tα (IL1 <IL2) will be considered. First, in the case of the
図40(b)に示された電流経路122の場合、スイッチング素子Q2を流れる電流は、図示した方向とは反対方向になり、スイッチング素子Q3に、スイッチング素子Q2およびQ5の順方向電圧の和が印加されることになる。この順方向電圧の和は、スイッチング素子Q3の立上がり電圧を超えてしまう。したがって、期間Tαにおいて、スイッチング素子Q3が非導通となる電流経路122が形成されることはない。
In the case of the
一方、図40(c)に示される電流経路123の場合、スイッチング素子Q2に印加される電圧は、スイッチング素子Q3およびQ5の順方向電圧の差となり、ほとんど0となる。この現象は、スイッチング素子Q2が導通していない事象と一致する。言い換えると、期間Tαでは、図37に示された等価回路において、常に、図40(c)に示された電流経路123が形成される。図41に示されたように、期間Tαにおいては、電流経路123による導通損失Pls3が最小である。
On the other hand, in the case of the
次に、期間Tβ(IL1>IL2)に形成され得る電流経路について考察する。まず、図40(a)に示された電流経路121の場合、スイッチング素子Q5にスイッチング素子Q2およびQ3の順方向電圧の和が印加されることになる。したがって、期間Tβにおいて、スイッチング素子Q5が非導通となる電流経路122が形成されることはない。
Next, a current path that can be formed in the period Tβ (IL1> IL2) is considered. First, in the case of the
図40(c)に示された電流経路123では、スイッチング素子Q3を流れる電流は図示方向とは反対方向になり、スイッチング素子Q2にスイッチング素子Q3およびQ5の順方向電圧の和が印加されることになる。この順方向電圧の和は、スイッチング素子Q2の立上がり電圧を超えてしまう。したがって、期間Tβにおいて、スイッチング素子Q2が非導通となる電流経路123が形成されることはない。
In the
一方で、図40(b)に示された電流経路122の場合、スイッチング素子Q3に印加される電圧は、スイッチング素子Q5およびQ2の順方向電圧の差となり、ほとんど0である。この事象は、スイッチング素子Q3が導通していない事象と一致する。言い換えると、期間Tβでは、図37に示された等価回路において、常に、図40(b)に示された電流経路122が形成される。図41に示されたように、期間Tβにおいては、電流経路122による導通損失Pls2が最小である。
On the other hand, in the case of the
このように、リアクトル電流IL1およびIL2の大小が逆転する時刻tyを境に、スイッチング素子Q2,Q3,Q5によって形成される電流経路が自動的に選択されることが理解される。さらに、自動的に選択された電流経路は、図40(a)〜(c)に示された3通りの電流経路のうちの、オンされるスイッチング素子Q2,Q3,Q5における導通損失が最小となる。 As described above, it is understood that the current path formed by the switching elements Q2, Q3, and Q5 is automatically selected at the time ty when the magnitudes of the reactor currents IL1 and IL2 are reversed. Furthermore, the automatically selected current path has the minimum conduction loss in the switching elements Q2, Q3, and Q5 that are turned on among the three current paths shown in FIGS. 40 (a) to 40 (c). Become.
図42は、電力変換器10において図39および図41中の期間Tαに形成される電流経路を説明するための回路図である。
FIG. 42 is a circuit diagram for explaining a current path formed in period Tα in FIGS. 39 and 41 in
図42を参照して、期間Tαでは、オンされたスイッチング素子Q2,Q3,Q5に対して、図40(c)に示された電流経路123が形成される。すなわち、スイッチング素子Q2はオン状態とされるものの電流は通過しない。一方で、スイッチング素子Q5をリアクトル電流IL1が通過する一方で、スイッチング素子Q3には電流(IL1−IL2)が通過することになる。このように、図23に示された電力変換器10においても、スイッチング素子Q1〜Q5のオンオフ制御に応じて、スイッチング素子Q1〜Q5の一部(ここではQ3)に、リアクトル電流IL1,IL2の両方が流れる。なお、スイッチング素子Q1,Q5についても、リアクトル電流IL1,IL2の両方が流れ得る。
Referring to FIG. 42, in period Tα,
図39に示されるように、期間Tαでは、リアクトル電流IL2が低下する一方で、リアクトル電流IL1が上昇する。したがって、スイッチング素子Q3を流れる電流(IL2−IL1)は徐々に減少する。そして、時刻ty(図39)でIL1=IL2となると、スイッチング素子Q3の電流が0となる。これにより、図40(b)に示される、スイッチング素子Q3に電流が流れない電流経路122が形成される。
As shown in FIG. 39, in period Tα, reactor current IL2 decreases while reactor current IL1 increases. Therefore, the current (IL2-IL1) flowing through the switching element Q3 gradually decreases. Then, when IL1 = IL2 at time ty (FIG. 39), the current of switching element Q3 becomes zero. As a result, a
図43には、電力変換器10において図39および図41中の期間Tβに形成される電流経路が示される。
FIG. 43 shows current paths formed in period Tβ in FIGS. 39 and 41 in
図43を参照して、時刻ty以降の期間Tβでは、スイッチング素子Q3がリアクトル電流IL2を通流させる一方で、スイッチング素子Q3の電流が0を維持するように、すなわち、図40(b)の回路状態が維持されるように、ノードN12の電位が変化することになる。 Referring to FIG. 43, in period Tβ after time ty, switching element Q3 passes reactor current IL2, while switching element Q3 maintains a current of 0, that is, in FIG. The potential of the node N12 changes so that the circuit state is maintained.
このようなノードN12の電位変化は、リアクトル電流IL1がスイッチング素子Q2およびQ3に分流し、かつ、その分流比が変化することによって生じる。すなわち、期間Tβにおいて、スイッチング素子Q3では、リアクトル電流IL1の分流電流と、リアクトル電流IL2とが相殺されることにより、通過電流が0となる。 Such a potential change at the node N12 occurs when the reactor current IL1 is shunted to the switching elements Q2 and Q3 and the shunt ratio is changed. That is, in the period Tβ, the switching element Q3 cancels the shunt current of the reactor current IL1 and the reactor current IL2, so that the passing current becomes zero.
言い換えると、期間Tβでは、リアクトル電流IL1の分流比は、スイッチング素子Q3の電流が0となる状態が維持されるように、リアクトル電流IL2に応じて自動的に変化する。これにより、期間Tβでは、図40(b)に示した電流経路122が継続的に形成される。
In other words, in the period Tβ, the shunt ratio of the reactor current IL1 automatically changes according to the reactor current IL2 so that the state where the current of the switching element Q3 becomes zero is maintained. Thereby, in the period Tβ, the
図43の状態(期間Tβ)では、スイッチング素子Q3では導通損失が生じない。さらに、式(6)にも示されるように、スイッチング素子Q5には、リアクトル電流IL2に応じた導通損失が生じる一方で、スイッチング素子Q2には、リアクトル電流IL1が分流されることにより、IL1よりも小さい|IL1−IL2|に応じた導通損失しか生じない。 In the state of FIG. 43 (period Tβ), no conduction loss occurs in the switching element Q3. Further, as shown in the equation (6), the switching element Q5 has a conduction loss corresponding to the reactor current IL2. On the other hand, the reactor element IL1 is shunted to the switching element Q2, thereby causing the switching element Q2 to have a conduction loss. Also, only conduction loss according to | IL1-IL2 | occurs.
一方で、第1アームを用いた昇圧チョッパ回路でBILアームおよびB2Uアームをオンした場合(図34)におけるスイッチング素子Q2,Q4の導通損失Pls0は、式(5)〜(7)に従えば、式(8)で示される。 On the other hand, the conduction loss Pls0 of the switching elements Q2 and Q4 when the BIL arm and the B2U arm are turned on in the step-up chopper circuit using the first arm (FIG. 34) is expressed by the following equations (5) to (7): It is shown by Formula (8).
Pls0=Vfe×(|IL1|+|IL2|)… (8)
式(6)および式(8)を比較すると、IL1およびIL2が同符号であることから、(|IL2|+|IL1−IL2|)<(|IL1|+|IL2|)であることが理解される。このように、第2アームを用いる昇圧チョッパ回路では、第1アームを用いる昇圧チョッパ回路と比較して、スイッチング素子の導通損失が抑制される。
Pls0 = Vfe × (| IL1 | + | IL2 |) (8)
Comparing equation (6) and equation (8), it is understood that (| IL2 | + | IL1-IL2 |) <(| IL1 | + | IL2 |) because IL1 and IL2 have the same sign. Is done. As described above, in the boost chopper circuit using the second arm, the conduction loss of the switching element is suppressed as compared with the boost chopper circuit using the first arm.
次に、図40〜図41で説明した第2アームを用いた昇圧チョッパ回路における導通損失を、電力変換器50(図1)のPBモードにおける導通損失と比較する。 Next, the conduction loss in the step-up chopper circuit using the second arm described in FIGS. 40 to 41 is compared with the conduction loss in the PB mode of power converter 50 (FIG. 1).
図44は、電力変換器50において、B1Lアーム(直流電源B1)およびB2Uアーム(直流電源B2)をオンするときの電流経路を説明するための回路図である。すなわち、図44では、実施の形態1に従う電力変換器50が、パラレル昇圧(PB)モードにおいて、図36と同等に動作したときの電流経路が示される。
FIG. 44 is a circuit diagram for explaining a current path when B1L arm (DC power supply B1) and B2U arm (DC power supply B2) are turned on in
図44を参照して、電力変換器50では、スイッチング素子S3およびS4が直流電源B1の下アームとして機能する一方で、スイッチング素子S1およびS4が直流電源B2の上アームとして機能する。したがって、BILアームおよびB2Uアームのオン時には、両者の論理和に従って、スイッチング素子S1,S3およびS4がオンされる。
Referring to FIG. 44, in
この状態では、リアクトル電流IL1は、スイッチング素子S3およびS4を経由する電流経路を形成する。一方で、リアクトル電流IL2は、スイッチング素子S1およびS4を経由する電流経路を形成する。 In this state, reactor current IL1 forms a current path that passes through switching elements S3 and S4. On the other hand, reactor current IL2 forms a current path through switching elements S1 and S4.
したがって、電力変換器50では、スイッチング素子S3においてリアクトル電流|IL1|に応じた導通損失が生じるとともに、スイッチング素子S1においてリアクトル電流|IL2|に応じた導通損失が生じる。さらに、スイッチング素子S4では、|IL1−IL2|に応じた導通損失が生じる。
Therefore, in
このときのスイッチング素子S1,S3,S4での導通損失Pls♯は、式(5)〜(8)に従えば、式(9)で示される。 The conduction loss Pls # in the switching elements S1, S3, and S4 at this time is represented by the equation (9) according to the equations (5) to (8).
Pls♯=Vfe×(|IL1|+|IL2|+|IL1−IL2|)… (9)
式(8)および(9)の比較から、Pls0<Pls♯であるから、実施の形態1に従う電力変換器50は、PBモードでの動作時には、スイッチング素子の導通損失が、電力変換器10において第1アームを用いる昇圧チョッパ回路を形成した場合と比較して、大きいことが理解される。
Pls # = Vfe × (| IL1 | + | IL2 | + | IL1-IL2 |) (9)
From the comparison of equations (8) and (9), since Pls0 <Pls #,
整理すると、実施の形態2に従う電力変換器10において、第1アームを用いた昇圧チョッパ回路での導通損失は、2個の昇圧チョッパ回路が並列動作する際の導通損失と同等であり、かつ、電力変換器50のPBモードにおける導通損失よりも低い。
To summarize, in
さらに、式(6),(8),(9)から、Pls2<Pls0<Pls♯である。したがって、電力変換器10のパラレル昇圧(PB)モードおいて、直流電源B1,B2の各々が力行動作する場合には、第2アームを用いる昇圧チョッパ回路が形成される期間では、第1アームを用いる昇圧チョッパ回路形成される場合よりも、スイッチング素子の導通損失が低減される。
Furthermore, from Expressions (6), (8), and (9), Pls2 <Pls0 <Pls #. Therefore, in the parallel boost (PB) mode of
再び図38を参照して、直流電源B1およびB2の両方が回生動作する場合、すなわち、IL1<0およびIL2<0の場合にも、図40(a)〜(c)に示した電流経路121〜123が、電流方向が反転されて形成される。したがって、この場合においても、直流電源B1およびB2の両方が力行動作するときと同様のメカニズムで、リアクトル電流IL1およびIL2の変化に応じて、スイッチング素子の導通損失が最小となる電流経路が自動的に選択される。すなわち、直流電源B1およびB2の両方が回生動作する場合においても、第2アームを用いて昇圧チョッパ回路を構成する期間(スイッチング素子Q5のオン期間)におけるスイッチング素子の導通損失は、第1アームを用いて昇圧チョッパ回路が形成される場合よりも低い。
Referring to FIG. 38 again, even when both DC power supplies B1 and B2 perform a regenerative operation, that is, when IL1 <0 and IL2 <0,
次に、第2アームの使用時に、直流電源B1,B2の一方が力行動作するとともに、他方が回生動作するときの電力変換器10の回路動作について説明する。一例として、直流電源B1が力行動作する一方で、直流電源B2が回生動作するとき、すなわち、IL1>0かつIL2<0のときの電力変換器10の動作について説明する。この場合における、リアクトル電流IL1およびIL2の波形例が図45に示される。
Next, the circuit operation of the
図45を参照して、リアクトル電流IL1が正である一方でIL2が負であって(IL1>0,IL2<0)、かつ、B1Lアームがオン(SD1=Hレベル)される一方で、B2Uアームがオン(SD2=Lレベル)される期間Tγにおける電流波形が示される。この場合にも図33に示されたように、制御パルス信号SD1=HレベルおよびSD2=Lレベルであるから、スイッチング素子Q2,Q3,Q5がオンされている。このため、期間Tγにおいても図37に示した等価回路が形成される。 Referring to FIG. 45, reactor current IL1 is positive while IL2 is negative (IL1> 0, IL2 <0), and B1L arm is turned on (SD1 = H level), while B2U A current waveform in a period Tγ during which the arm is turned on (SD2 = L level) is shown. Also in this case, as shown in FIG. 33, since the control pulse signals SD1 = H level and SD2 = L level, the switching elements Q2, Q3, Q5 are turned on. For this reason, the equivalent circuit shown in FIG. 37 is also formed in the period Tγ.
期間Tγにおいても、期間T0と同様に、リアクトル電流IL1が上昇する一方で、リアクトル電流IL2が低下する。なお、リアクトル電流IL1およびIL2の向きが異なるため、期間T0とは異なり、期間Tγを通じてIL1>IL2である。 In the period Tγ, similarly to the period T0, the reactor current IL1 increases while the reactor current IL2 decreases. Since the directions of reactor currents IL1 and IL2 are different, IL1> IL2 is satisfied throughout period Tγ, unlike period T0.
図46には、期間Tγにおけるスイッチング素子Q2,Q3,Q5をオンした等価回路(図37)における電流経路が示される。このときに形成され得る電流経路は、図40(a)〜(c)と同様に、図46(a)〜(c)の3通りのいずれかとなる。 FIG. 46 shows a current path in an equivalent circuit (FIG. 37) in which switching elements Q2, Q3, and Q5 are turned on during period Tγ. The current path that can be formed at this time is one of the three types of FIGS. 46 (a) to 46 (c), as in FIGS. 40 (a) to 40 (c).
図46(a)では、図40(a)と同様に、スイッチング素子Q2およびQ3が導通状態となる。すなわち、リアクトル電流IL1がスイッチング素子Q2を流れるともに、スイッチング素子Q3をリアクトル電流IL2(IL2<0)が流れるように、電流経路124が形成される。電流経路124によるスイッチング素子Q2,Q3,Q5での導通損失の合計は、式(5)で示したPls1と同等である。
In FIG. 46 (a), the switching elements Q2 and Q3 are in the conductive state as in FIG. 40 (a). That is,
図46(b)では、図40(b)と同様に、スイッチング素子Q2およびQ5が導通状態となる。すなわち、スイッチング素子Q2を電流(IL1−IL2)が流れるとともに、リアクトル電流IL2(IL2<0)がスイッチング素子Q5を流れるように電流経路125が形成される。電流経路125によるスイッチング素子Q2,Q3,Q5での導通損失の合計は、式(6)で示したPls2と同等である。
In FIG. 46B, the switching elements Q2 and Q5 are in the conductive state, as in FIG. That is,
図46(c)では、図40(c)と同様に、スイッチング素子Q3およびQ5が導通状態となる。すなわち、スイッチング素子Q3を電流(IL1−IL2)が流れるとともに、リアクトル電流IL1(IL1>0)がスイッチング素子Q5を流れるように電流経路126が形成される。電流経路126によるスイッチング素子Q2,Q3,Q5での導通損失の合計は、式(7)で示したPls3と同等である。
In FIG. 46 (c), the switching elements Q3 and Q5 are turned on, as in FIG. 40 (c). That is,
次に、期間Tγ(IL1>0,IL2<0)における電流経路124〜126について考察する。
Next, the
まず、図46(a)に示された電流経路124の場合、スイッチング素子Q5には、スイッチング素子Q2およびQ3の順方向電圧の差が印加される。すなわち、スイッチング素子Q5に印加される電圧はほとんど0となるため、スイッチング素子Q5が導通していない事象と一致する。
First, in the case of the
これに対して、図46(b)に示された電流経路125の場合、スイッチング素子Q3には、スイッチング素子Q2およびQ5の順方向電圧の和が印加されることになる。この順方向電圧の和は、スイッチング素子Q3の立上がり電圧を超えてしまうため、この現象は、スイッチング素子Q3が導通していない事象と矛盾する。したがって、期間Tγにおいて、図46(b)に示された電流経路125が形成されることはない。
On the other hand, in the case of the
同様に、図46(c)に示された電流経路126の場合、スイッチング素子Q2には、スイッチング素子Q3およびQ5の順方向電圧の和が印加されることになる。この順方向電圧の和は、スイッチング素子Q2の立上がり電圧を超えてしまうため、この現象は、スイッチング素子Q2が導通していない事象と矛盾する。したがって、期間Tγにおいて、図46(c)に示された電流経路126が形成されることはない。
Similarly, in the case of the
図47には、図46に示した電流経路124〜126の期間Tγにおける導通損失の比較が示される。
FIG. 47 shows a comparison of conduction loss in the period Tγ of the
図47を参照して、期間Tγ中は、リアクトル電流IL1およびIL2の方向(極性)が反対であるので、|IL1−IL2|の項は、|IL1|および|IL2|のいずれよりも大きくなる。 Referring to FIG. 47, since the directions (polarities) of reactor currents IL1 and IL2 are opposite during period Tγ, the term | IL1-IL2 | is larger than both | IL1 | and | IL2 |. .
従って、式(5)〜(7)の比較から理解されるように、期間Tγを通じて、Pls1〜Pls3のうちでは、Pls1が最小となる。一方で、期間Tγでは、図46(a)〜(c)で説明したように、自動的に電流経路124が選択的に形成される。したがって、期間Tγを通じて、オン状態のスイッチング素子Q2,Q3,Q5では、自動的に導通損失が最小となる電流経路124が形成されることが理解される。
Therefore, as can be understood from the comparison of the expressions (5) to (7), Pls1 is the smallest among Pls1 to Pls3 throughout the period Tγ. On the other hand, in the period Tγ, as described in FIGS. 46A to 46C, the
再び図38を参照して、上記の例とは反対に、直流電源B1が回生動作する(IL1<0)一方で、直流電源B2が力行動作する(IL2>0)場合には、図46(a)〜(c)に示した電流経路124〜126が、電流方向が反転されて形成される。したがって、この場合においても、直流電源B1が力行動作する一方で直流電源B2が回生動作するときと同様のメカニズムで、スイッチング素子の導通損失が最小となる電流経路124が自動的に選択される。
Referring to FIG. 38 again, contrary to the above example, when DC power supply B1 performs a regenerative operation (IL1 <0), while DC power supply B2 performs a power running operation (IL2> 0), FIG. The
このように、電力変換器10では、第2アームの使用時に、直流電源B1,B2の一方が力行動作するとともに、他方が回生動作するときにも、オン状態のスイッチング素子Q2,Q3,Q5において、導通損失が最小となる電流経路が自動的に選択される。このときの導通損失Plsは、第1アームを用いた昇圧チョッパ回路における導通損失と同等である。
As described above, in the
また、第2アームが使用されるパターンには、図39〜図47で説明したのと反対に、B1UアームおよびB2Lアームがオンされる、すなわち、スイッチング素子Q1,Q4,Q5がオン(Q2,Q3はオフ)されるパターンが存在する。ただし、電力変換器10の回路構成の対称性から、B1UアームおよびB2Lアームがオンされるときの回路動作は、上述したB1LアームおよびB2Uアームがオンされるパターンのときと同様である。
In the pattern in which the second arm is used, the B1U arm and the B2L arm are turned on, that is, the switching elements Q1, Q4, Q5 are turned on (Q2, Q2), contrary to the case described in FIGS. There is a pattern in which Q3 is turned off. However, because of the symmetry of the circuit configuration of
したがって、電力変換器10では、第2アームを用いる昇圧チョッパ回路において、直流電源B1およびB2の一方ずつが力行動作および回生動作する場合には、スイッチング素子の導通損失は、第1アームを用いる昇圧チョッパ回路(2個の昇圧チョッパ回路の並列動作時)における導通損失と同等である。
Therefore, in
この結果、第2アームを用いた昇圧チョッパ回路が形成される全期間を通じて、直流電源B1およびB2の力行/回生動作が異なる場合においても、スイッチング素子の導通損失は、第1アームを用いた昇圧チョッパ回路での導通損失と同等となる。そして、少しでも、直流電源B1およびB2の各々が力行動作または回生動作する期間が存在すれば、第2アームを用いた昇圧チョッパ回路でのスイッチング素子の導通損失は、第1アームを用いた昇圧チョッパ回路よりも低減される。 As a result, even when the power supply / regenerative operations of the DC power supplies B1 and B2 are different throughout the entire period in which the boost chopper circuit using the second arm is formed, the conduction loss of the switching element is boosted using the first arm. This is equivalent to the conduction loss in the chopper circuit. As long as there is a period during which each of the DC power supplies B1 and B2 is in a power running operation or a regenerative operation, the conduction loss of the switching element in the boost chopper circuit using the second arm is the boost using the first arm. It is reduced more than the chopper circuit.
以上より、実施の形態2に従う電力変換器10では、パラレル昇圧モードにおいて、第1アームを用いる昇圧チョッパ回路と、第2アームを用いて昇圧チョッパ回路とを自動的に併用するように、直流電源B1およびB2が、電力線PL,GL(負荷30)に対して並列にDC/DC変換を実行することができる。
As described above, in
そして、第2アームを用いて昇圧チョッパ回路を形成する期間(スイッチング素子Q5のオン期間)が設けられることによって、スイッチング素子の導通損失を、第1アームを用いた昇圧チョッパ回路での導通損失よりも小さくすることができる。このため、電力変換器10のパラレル昇圧モードでは、実施の形態1に従う電力変換器50よりもスイッチング素子の導通損失を抑制することによって、DC/DC変換を高効率化することができる。
By providing a period for forming the boost chopper circuit using the second arm (the ON period of the switching element Q5), the conduction loss of the switching element is less than the conduction loss in the boost chopper circuit using the first arm. Can also be reduced. For this reason, in the parallel boost mode of
なお、上述のように、実施の形態2に従う電力変換器10では、第2アームを用いる昇圧期間を設けることによって、スイッチング素子の導通損失が低減される。一方で、図30,図31等から理解されるように、第2のアームを有する昇圧チョッパ回路が形成されるのは、制御パルス信号SD1およびSD2のレベルが異なる期間に限られる。
As described above, in
したがって、直流電源B1およびB2の各々が力行動作または回生動作する期間において、同一値のデューティ比DT1およびDT2に対して、制御パルス信号SD1およびSD2の論理レベルが異なる期間をなるべく長くとることによって、導通損失をさらに抑制することができる。このため、実施の形態1およびその変形例で電力変換器50に適用した、のこぎり波によってキャリア波を構成したPWM制御による電流位相制御を適用すると、電力変換器10の導通損失をさらに低減することができる。
Therefore, in the period in which each of the DC power supplies B1 and B2 is in the power running operation or the regenerative operation, by taking as long as possible the periods in which the logic levels of the control pulse signals SD1 and SD2 are different from each other with respect to the duty ratios DT1 and DT2 of the same value The conduction loss can be further suppressed. For this reason, when the current phase control by the PWM control in which the carrier wave is configured by the sawtooth wave applied to the
図48は、実施の形態2に従う電力変換器10に対する、実施の形態1と同様のPWM制御の適用を説明するための波形図である。
FIG. 48 is a waveform diagram for explaining application of PWM control similar to that in the first embodiment to
なお、図48において、キャリア波CW1およびCW2以外については、図32と同様である。すなわち、図48においても、制御パルス信号SD1,SD2に基づくスイッチング素子Q1〜Q5のオンオフ制御は、図32と同様に実行される。 In FIG. 48, the carrier waves other than the carrier waves CW1 and CW2 are the same as those in FIG. That is, also in FIG. 48, the on / off control of the switching elements Q1 to Q5 based on the control pulse signals SD1 and SD2 is executed similarly to FIG.
図48を参照して、キャリア波CW1およびCW2として、のこぎり波を適用することによって、キャリア波CW1,CW2の各周期(図53中の時刻tx1,tx2)において、リアクトル電流IL1の変曲点(図53の例では極大点)と、リアクトル電流IL2の変曲点(図53の例では極小点)とを同一タイミングにする電流位相制御を実現することができる。 Referring to FIG. 48, by applying sawtooth waves as carrier waves CW1 and CW2, inflection points (inflection points of reactor current IL1 (time tx1, tx2 in FIG. 53) of carrier waves CW1 and CW2 (time tx1 and tx2 in FIG. 53). It is possible to realize current phase control in which the maximum point in the example of FIG. 53 and the inflection point of the reactor current IL2 (the minimum point in the example of FIG. 53) are set at the same timing.
このような電流位相制御により、制御パルス信号SD1がHレベルからLレベルへ遷移するタイミング(立下りエッジ)と、制御パルス信号SD2がLレベルからHレベルへ遷移するタイミング(立上がりエッジ)とが同一タイミングとなる。このとき、制御パルス信号SD1およびSD2の論理レベルが異なる期間、すなわち、制御信号SQ5のHレベル期間(第2アームの使用期間)を最も長く確保することができる。これにより、電力変換器10のパラレル昇圧モードの導通損失をさらに低減して、DC/DC変換をさらに高効率化できる。
By such current phase control, the timing at which the control pulse signal SD1 transitions from the H level to the L level (falling edge) is the same as the timing at which the control pulse signal SD2 transitions from the L level to the H level (rising edge). It's time. At this time, the period in which the logic levels of the control pulse signals SD1 and SD2 are different, that is, the H level period (use period of the second arm) of the control signal SQ5 can be secured the longest. Thereby, the conduction loss in the parallel boost mode of the
このように、実施の形態2に従う電源システム5B(図23)に対して、実施の形態1およびその変形例と同様の、キャリア波CW1,CW2にのこぎり波を適用するPWM制御により、特許文献1でのキャリア位相制御の様にキャリア位相差を調整することなく、電力変換器10の電力損失低下のための電流位相制御を、簡易に実現することができる。
Thus, with respect to power supply system 5B (FIG. 23) according to the second embodiment, the same PWM control that applies sawtooth waves to carrier waves CW1 and CW2 as in the first embodiment and its modification is used. The current phase control for reducing the power loss of the
上述のように、電力変換器10では、直流電源B1およびB2の各々が力行動作または回生動作する期間において、第2アームを用いて昇圧チョッパ回路を形成する期間(スイッチング素子Q5のオン期間)をなるべく長くするための電流位相制御が求められる。したがって、実施の形態2に従う電源システム5Bでは、図9に示された4パターンの電流位相のうちの位相パターンAおよび位相パターンBを選択するように、電流位相制御が実行される。
As described above, in
したがって、位相パターンAまたはBを選択するために、図14中のキャリア波モード1またはキャリア波モード2を適用して、実施の形態1と同様のPWM制御を行うことにより、電力変換器10を含む電源システム5Bについて、簡易な制御処理によって、リアクトル電流を大きく変動させることなく、性能を向上させることができる。
Therefore, in order to select phase pattern A or B, by applying
また、電力変換器10の動作状態の1つである、リアクトル電流IL1,IL2の方向(正/負)に応じて、位相パターン(A/B)を切替えることによって、スイッチング素子Q1〜Q5での電力損失を低減することができる。また、実施の形態1でも説明したように、電力変換器50の動作状態の1つである、スイッチング素子S1〜S4の温度に応じて、特定のスイッチング素子での温度上昇を抑制するように、位相パターンを切替えるようにキャリア波モードを切替えるように制御することも可能である。この際にも、図14と同様に、キャリア波モードの切替によってのこぎり波の波形を切替えることで、任意の位相パターンを実現することができる。
Further, by switching the phase pattern (A / B) according to the direction (positive / negative) of the reactor currents IL1 and IL2, which is one of the operating states of the
また、キャリア波モードの切替え時には、実施の形態1の変形例1と同様に、図18または図21に従って、遷移周期205(図16,図19)を設けることができる。 Further, at the time of switching the carrier wave mode, the transition period 205 (FIGS. 16 and 19) can be provided in accordance with FIG. 18 or FIG. 21 as in the first modification of the first embodiment.
[実施の形態2の変形例]
実施の形態2の変形例では、図23に示した電力変換器10の回路構成の変形例について説明する。図23の構成において、電力変換器10に代えて、以下に説明する各変形例に従う電力変換器が適用された電源システム5Bに対しても、実施の形態2で説明したように、実施の形態1およびその変形例1に従うPWM制御を適用することが可能である。
[Modification of Embodiment 2]
In the modification of the second embodiment, a modification of the circuit configuration of the
(双方向スイッチの配置による変形)
図49は、実施の形態2の変形例の第1の例に従う電力変換器11の構成を説明するための回路図である。
(Deformation by arrangement of bidirectional switch)
FIG. 49 is a circuit diagram for illustrating a configuration of
図49を参照して、電力変換器11は、図23に示された電力変換器10と比較すると、ノードN11およびN12の間に接続される半導体素子として、スイッチング素子Q5に代えて、双方向スイッチQB5を有する点で異なる。すなわち、双方向スイッチQB5は、「第5の半導体素子」に対応する。電力変換器11のその他の構成は、電力変換器10と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。
Referring to FIG. 49,
双方向スイッチQB5は、ノードN1およびN2の間に電気的に直列接続された、ダイオードD15aおよびスイッチング素子Q5aを有する。ダイオードD15aは、ノードN11からノードN12へ向かう方向を順方向として、ノードN11およびN12の間に電気的に接続される。 Bidirectional switch QB5 includes a diode D15a and a switching element Q5a electrically connected in series between nodes N1 and N2. Diode D15a is electrically connected between nodes N11 and N12 with the direction from node N11 to node N12 as the forward direction.
双方向スイッチQB5は、ノードN11およびN12の間に電気的に直列接続された、ダイオードD15bおよびスイッチング素子Q5bをさらに有する。ダイオードD15bおよびスイッチング素子Q5bは、ノードN11およびN12間に、ダイオードD15aおよびスイッチング素子Q5aに対して並列に接続される。ダイオードD15bは、ノードN12からノードN11へ向かう方向を順方向として、ノードN11,N12間に電気的に接続される。 Bidirectional switch QB5 further includes a diode D15b and switching element Q5b electrically connected in series between nodes N11 and N12. Diode D15b and switching element Q5b are connected in parallel to diode D15a and switching element Q5a between nodes N11 and N12. Diode D15b is electrically connected between nodes N11 and N12 with the direction from node N12 toward node N11 as the forward direction.
スイッチング素子Q5a,Q5bは、制御装置40(図23)からの制御信号SQ5a,SQ5bにそれぞれ応じてオンオフ制御される。 Switching elements Q5a and Q5b are on / off controlled in response to control signals SQ5a and SQ5b from control device 40 (FIG. 23), respectively.
双方向スイッチQB5では、スイッチング素子Q5aがオンすると、ダイオードD15aにより、ノードN11からN12に向かう方向に電流経路が形成される。一方で、スイッチング素子Q5aがオフすると、ノードN11からN12に向かう方向の電流経路は遮断される。 In bidirectional switch QB5, when switching element Q5a is turned on, a diode D15a forms a current path in a direction from node N11 to N12. On the other hand, when switching element Q5a is turned off, the current path in the direction from node N11 to N12 is interrupted.
また、スイッチング素子Q5bがオンすると、ダイオードD15bにより、ノードN12からN11に向かう方向に電流経路が形成される。一方で、スイッチング素子Q5bがオフすると、ノードN12からN11に向かう方向の電流経路は遮断される。 When switching element Q5b is turned on, a current path is formed in the direction from node N12 to N11 by diode D15b. On the other hand, when switching element Q5b is turned off, the current path in the direction from node N12 to N11 is interrupted.
このように、双方向スイッチQB5において、スイッチング素子Q5aをオンする一方でスイッチング素子Q5bをオフすると、ノードN11からN12に向かう電流経路が形成される一方で、ノードN12からN11に向かう電流経路は遮断される。反対に、スイッチング素子Q5bをオンする一方でスイッチング素子Q5aをオフすると、ノードN12からN11に向かう方向に電流経路が形成される一方で、ノードN11からN12に向かう電流経路は遮断される。 Thus, in the bidirectional switch QB5, when the switching element Q5b is turned on while the switching element Q5b is turned off, a current path from the node N11 to N12 is formed, while a current path from the node N12 to N11 is blocked. Is done. Conversely, when switching element Q5b is turned on while switching element Q5a is turned off, a current path is formed in the direction from node N12 to N11, while the current path from node N11 to N12 is blocked.
図50には、電力変換器11のパラレル昇圧モードにおけるスイッチング素子Q1〜Q4,Q5a,Q5bをオンオフ制御するためのゲート論理式が示される。
FIG. 50 shows a gate logical expression for on / off control of switching elements Q1-Q4, Q5a, Q5b in
図50を参照して、スイッチング素子Q1〜Q4は、電力変換器10のパラレル昇圧モードでの図31と共通のゲート論理式に従ってオンオフ制御される。
Referring to FIG. 50, switching elements Q1-Q4 are on / off controlled according to the gate logic equation common to FIG. 31 in the parallel boost mode of
すなわち、スイッチング素子Q2が制御パルス信号SD1に応じてオンオフされる一方で、スイッチング素子Q1は制御パルス信号/SD1に応じてオンオフされる。同様に、スイッチング素子Q3は制御パルス信号SD2に応じてオンオフされる一方で、スイッチング素子Q4は制御パルス信号/SD2に応じてオンオフされる。 That is, the switching element Q2 is turned on / off according to the control pulse signal SD1, while the switching element Q1 is turned on / off according to the control pulse signal / SD1. Similarly, switching element Q3 is turned on / off in response to control pulse signal SD2, while switching element Q4 is turned on / off in response to control pulse signal / SD2.
スイッチング素子Q5a,Q5bは、電力変換器10のスイッチング素子Q5と共通のゲート論理式に従って、共通にオンオフすることができる。すなわち、スイッチング素子Q5のオン期間において、スイッチング素子Q5a,Q5bをともにオンする一方で、スイッチング素子Q5のオフ期間において、スイッチング素子Q5a,Q5bをともにオフする制御が可能である。すなわち、スイッチング素子Q5a,Q5bについては、制御パルス信号SD1およびSD2のXOR(排他的論理和)に従ってオンオフすることが可能である。
Switching elements Q5a and Q5b can be turned on / off in common according to a common gate logic formula with switching element Q5 of
一方で、PBモードにおいては、ノードN11およびN12間の電流経路は、B1Lアーム(スイッチング素子Q2オン)およびB2Lアーム(スイッチング素子Q4)の両方を形成する場合には、ノードN12からN11へ向かう電流経路を遮断する必要がある。したがって、スイッチング素子Q5bは、制御パルス信号/SD1および/SD2の論理和(OR)に従ってオンオフすることも可能である。 On the other hand, in the PB mode, when the current path between nodes N11 and N12 forms both the B1L arm (switching element Q2 on) and the B2L arm (switching element Q4), the current from node N12 to N11 The route needs to be blocked. Therefore, switching element Q5b can be turned on / off according to the logical sum (OR) of control pulse signals / SD1 and / SD2.
同様に、B1Uアーム(スイッチング素子Q1)およびB2Uアーム(スイッチング素子Q3)の両方を形成する場合には、ノードN11からN12へ向かう電流経路を遮断する必要がある。したがって、スイッチング素子Q5aは、制御パルス信号SD1およびSD2の論理和(OR)に従ってオンオフすることも可能である。 Similarly, when both the B1U arm (switching element Q1) and the B2U arm (switching element Q3) are formed, it is necessary to cut off the current path from the node N11 to N12. Therefore, switching element Q5a can be turned on / off according to the logical sum (OR) of control pulse signals SD1 and SD2.
このように、電力変換器11(図49)についても、電力変換器10と同様にパラレル昇圧モードを適用でき、さらに、実施の形態1およびその変形例に従うPWM制御を適用して制御パルス信号SD1,SD2を生成することにより、簡易な制御処理によって電力変換器11を含む電源システムの性能を向上させることができる。
Thus, parallel boost mode can be applied to power converter 11 (FIG. 49) as well as
(簡素化のための変形例)
ここまで、実施の形態2およびその変形例に従う電力変換器10,11では、「第1の半導体素子」〜「第4の半導体素子」の各々について、スイッチング素子Q1〜Q4および逆並列ダイオードD11〜D14のペアによって構成する例を説明した。
(Modification for simplification)
Up to this point, in
また、「第5の半導体素子」については、逆並列ダイオードが設けられないスイッチング素子Q5(図23)または、双方向スイッチを構成するためのスイッチング素子Q5a,Q5bのペア(図49)によって構成する例を示した。すなわち、「第1の半導体素子」〜「第5の半導体素子」の全てが、電流経路の形成(オン)および遮断(オフ)を制御可能なスイッチング素子を備えた構成を例示した。これらの構成例では、直流電源B1,B2の両方に対して回生充電を適用できる。 The “fifth semiconductor element” is configured by a switching element Q5 (FIG. 23) in which no antiparallel diode is provided or a pair of switching elements Q5a and Q5b (FIG. 49) for forming a bidirectional switch. An example is shown. That is, the configuration in which all of the “first semiconductor element” to “fifth semiconductor element” are provided with switching elements capable of controlling the formation (ON) and cutoff (OFF) of the current path is illustrated. In these configuration examples, regenerative charging can be applied to both DC power supplies B1 and B2.
しかしながら、直流電源B1およびB2の一方ないし両方を回生充電しない構成では、「第1の半導体素子」から「第4の半導体素子」の一部について、スイッチング素子もしくはダイオードのどちらかを省略することで構造を簡素化することができる。すなわち、「第1の半導体素子」から「第5の半導体素子」の一部のみが、上記スイッチング素子を有する構成とすることも原理上可能である。 However, in a configuration in which one or both of the DC power supplies B1 and B2 are not regeneratively charged, by omitting either the switching element or the diode for a part of the “first semiconductor element” to the “fourth semiconductor element”. The structure can be simplified. That is, in principle, only a part of the “first semiconductor element” to the “fifth semiconductor element” includes the switching element.
たとえば、直流電源B1を回生充電せず、放電(力行)のみで使用する場合には、図23に示された電力変換器10に代えて、図51に示される電力変換器12aの構成を用いることができる。
For example, when the DC power supply B1 is used only for discharging (powering) without regenerative charging, the configuration of the
図51を参照して、電力変換器12aでは、図23に示された電力変換器10と比較して、直流電源B1への回生を制御するためのスイッチング素子Q1の配置を省略することができる。すなわち、ノードN11および電力線PLの間の「第1の半導体素子」をダイオードD11のみで構成することができる。
Referring to FIG. 51, in
電力変換器12aにおいても、図31に従ってスイッチング素子Q2〜Q5をオンオフ制御することにより、パラレル昇圧モードを適用することができる。この際に、制御パルス信号SD1,SD2については、実施の形態1およびその変形例に従うPWM制御によって生成することができる。さらに、電力変換器12aでは、主に、直流電源B1への回生電流の経路を確保するために配置されるダイオードD12についても省略できる可能性がある。
Also in
同様に、直流電源B2を回生充電せず、放電(力行)のみで使用する場合には、図52に示される電力変換器13aの構成を用いることができる。
Similarly, when the DC power supply B2 is used only for discharging (power running) without regenerative charging, the configuration of the
図52を参照して、電力変換器13aでは、図23に示された電力変換器10と比較して、直流電源B2への回生を制御するためのスイッチング素子Q3の配置を省略することができる。すなわち、ノードN12および電力線GLの間の「第3の半導体素子」をダイオードD13のみで構成することができる。
Referring to FIG. 52, in
電力変換器13aにおいても、スイッチング素子Q1,Q2,Q4,Q5のオンオフを図31に従って制御することにより、パラレル昇圧モードを適用することができる。この際に、制御パルス信号SD1,SD2については、実施の形態1およびその変形例に従うPWM制御によって生成することができる。また、電力変換器13aでは、主に、直流電源B2への回生電流の経路を確保するために配置されるダイオードD14についても省略できる可能性がある。
Also in
さらに、直流電源B1およびB2の両方を回生充電せず、放電(力行)のみで使用する場合には、図53に示される電力変換器14aの構成を用いることができる。
Furthermore, when both DC power sources B1 and B2 are not regeneratively charged and used only by discharging (powering), the configuration of the
図53を参照して、電力変換器14aでは、図23に示された電力変換器10と比較して、直流電源B1,B2への回生を制御するためのスイッチング素子Q1,Q3の配置を省略することができる。すなわち、ノードN11および電力線PLの間の「第1の半導体素子」をダイオードD11のみで構成することができるとともに、ノードN12および電力線GLの間の「第3の半導体素子」をダイオードD13のみで構成することができる。
Referring to FIG. 53, in
電力変換器14aにおいても、スイッチング素子Q2,Q4,Q5のオンオフを図31に従って制御することにより、パラレル昇圧モードを適用することができる。この際に、制御パルス信号SD1,SD2については、実施の形態1およびその変形例に従うPWM制御によって生成することができる。さらに、電力変換器14aでは、主に、直流電源B1,B2への回生電流の経路を確保するために配置されるダイオードD12,D14についても省略できる可能性がある。
Also in
また、図49に示された電力変換器11において、直流電源B1およびB2の両方が回生不能で力行動作に限定される場合には、スイッチング素子Q5bが通流させる方向には電流が生じない。あるいは、直流電源B1およびB2の一方のみが回生不能で力行動作する場合には、スイッチング素子Q5には電流が流れない。
In the
したがって、図49に示された電力変換器11において、直流電源B1およびB2のいずれか一方でも回生充電しない場合には、ノードN12からN11へ向かう電流経路は常時不要であるので、スイッチング素子Q5bおよびダイオードD15bを省略することが可能である。すなわち、「第5の半導体素子」についても、ノードN11からN12へ向かう電流経路をオンオフする機能のみを持たせるように構成することが可能である。
Therefore, in the
したがって、直流電源B1を回生充電せず、放電(力行)のみで使用する場合には、図49に示された電力変換器11に代えて、図54に示される電力変換器12bの構成を用いることも可能である。
Therefore, when the DC power supply B1 is used only for discharging (power running) without regenerative charging, the configuration of the
図54を参照して、電力変換器12bでは、図51に示された電力変換器12aと比較して、スイッチング素子Q5に代えて、ノードN11からN12に向かう電流経路の形成/遮断を制御するためのスイッチング素子Q5aおよびダイオードD15aが配置される。すなわち、電力変換器12bでは、図49に示された電力変換器11の構成と比較して、直流電源B1への回生を制御するためのスイッチング素子Q1の配置が省略されるとともに、「第5の半導体素子」に関してスイッチング素子Q5bおよびダイオードD15bが省略されている。
Referring to FIG. 54,
また、ダイオードD12についても、電力変換器12a(図51)と同様に省略することが可能である。電力変換器12bにおいて、スイッチング素子Q2〜Q4,Q5aのオンオフを電力変換器11での図50に従って制御することにより、パラレル昇圧モードを適用することができる。この際に、制御パルス信号SD1,SD2については、実施の形態1およびその変形例に従うPWM制御によって生成することができる。
Also, the diode D12 can be omitted in the same manner as the
また、直流電源B2を回生充電せず、放電(力行)のみで使用する場合には、図49に示された電力変換器11に代えて、図55に示される電力変換器13bの構成を用いることも可能である。
When the DC power source B2 is used only for discharging (powering) without regenerative charging, the configuration of the
図55を参照して、電力変換器13bでは、図52に示された電力変換器13aと比較して、スイッチング素子Q5に代えて、ノードN11からN12に向かう電流経路の形成/遮断を制御するためのスイッチング素子Q5aおよびダイオードD15aが配置される。すなわち、電力変換器13bでは、図49に示された電力変換器11の構成と比較して、直流電源B2への回生を制御するためのスイッチング素子Q3の配置が省略されるとともに、「第5の半導体素子」に関してスイッチング素子Q5bおよびダイオードD15bが省略されている。
Referring to FIG. 55,
また、ダイオードD14についても、電力変換器13a(図52)と同様に省略することが可能である。なお、電力変換器13bにおいても、スイッチング素子Q1,Q2,Q4,Q5aのオンオフを、図50に従って制御することにより、パラレル昇圧モードを適用することができる。この際に、制御パルス信号SD1,SD2については、実施の形態1およびその変形例に従うPWM制御によって生成することができる。
Further, the diode D14 can be omitted in the same manner as the
同様に、直流電源B1およびB2の両方を回生充電せず、放電(力行)のみで使用する場合には、図49に示された電力変換器11に代えて、図56に示される電力変換器14bの構成を用いることも可能である。
Similarly, when both DC power sources B1 and B2 are used only for discharging (powering) without regenerative charging, the power converter shown in FIG. 56 is used in place of
図56を参照して、電力変換器14bでは、図53に示された電力変換器14aと比較して、スイッチング素子Q5に代えて、ノードN11からN12に向かう電流経路の形成/遮断を制御するためのスイッチング素子Q5aおよびダイオードD15aが配置される。すなわち、電力変換器14bでは、図49に示された電力変換器11の構成と比較して、直流電源B1,B2への回生を制御するためのスイッチング素子Q1,Q3の配置が省略されるとともに、「第5の半導体素子」に関してスイッチング素子Q5bおよびダイオードD15bが省略されている。
Referring to FIG. 56, power converter 14b controls the formation / cutoff of a current path from node N11 to N12 instead of switching element Q5, as compared with
また、ダイオードD12,D14についても、電力変換器14a(図53)と同様に省略することが可能である。なお、電力変換器14bにおいても、スイッチング素子Q2,Q4,Q5aのオンオフを図50に従って制御することにより、パラレル昇圧モードを適用することができる。この際に、制御パルス信号SD1,SD2については、実施の形態1およびその変形例に従うPWM制御によって生成することができる。
Also, the diodes D12 and D14 can be omitted in the same manner as the
なお、直流電源B1,B2の両方を回生充電しない電力変換器14b(図56)は、「第1の半導体素子」をダイオードD11で構成し、「第2の半導体素子」をスイッチング素子Q2で構成し、「第3の半導体素子」をダイオードD13で構成し、「第4の半導体素子」をスイッチング素子Q4で構成し、さらに、「第5の半導体素子」を少なくともノードN11からN12へ向かう電流経路をオンオフする機能のみを持たせるように構成したものである。この構成は、直流電源B1,B2と電力線PL,GLとの間で、複数の動作モードを切換えて直流電力変換(DC/DC変換)を実行するための必要最小限の構成に相当する。なお、図53の電力変換器14aでは、「第5の半導体素子」は、ノードN11からN12へ向かう電流経路に加えて、ノードN12からN11へ向かう電流経路についても共通にオンオフできる機能を有するように構成されている。
In addition, in power converter 14b (FIG. 56) that does not recharge both DC power supplies B1 and B2, “first semiconductor element” is configured by diode D11, and “second semiconductor element” is configured by switching element Q2. The “third semiconductor element” is configured by the diode D13, the “fourth semiconductor element” is configured by the switching element Q4, and the “fifth semiconductor element” is at least a current path from the node N11 to the node N12. Is configured to have only a function of turning on and off. This configuration corresponds to a minimum necessary configuration for performing DC power conversion (DC / DC conversion) by switching a plurality of operation modes between DC power supplies B1 and B2 and power lines PL and GL. In the
電力変換器14a(図53)および電力変換器14b(図56)の構成に対して、「第1の半導体素子」にスイッチング素子Q1をさらに設けることによって直流電源B1を回生充電することが可能となる(図52,図55)。この場合には、図52,図55にも示されるように、スイッチング素子Q2に対してダイオードD12を逆並列接続することが好ましい。
With respect to the configurations of the
また、電力変換器14a(図53)および電力変換器14b(図54)の構成に対して、「第3の半導体素子」にスイッチング素子Q3をさらに設けることによって直流電源B2を回生充電することが可能となる(図51,図54)。この場合には、図51,図54にも示されるように、スイッチング素子Q4に対してダイオードD14を逆並列接続することが好ましい。
Further, with respect to the configurations of the
なお、電力変換器10(図23)または電力変換器11(図49)のように、「第1の半導体素子」から「第4の半導体素子」の各々をスイッチング素子およびダイオードの組によって構成するとともに、「第5の半導体素子」を両方向の電流(ノードN11からN12へ向かう電流およびノードN12からN11へ向かう電流)についての遮断機能を有することにより、直流電源B1,B2の両方に対して回生充電を適用できる。 As in power converter 10 (FIG. 23) or power converter 11 (FIG. 49), each of “first semiconductor element” to “fourth semiconductor element” is configured by a combination of a switching element and a diode. In addition, the “fifth semiconductor element” has a cutoff function for currents in both directions (currents from the nodes N11 to N12 and currents from the nodes N12 to N11), thereby regenerating both the DC power supplies B1 and B2. Charging can be applied.
[実施の形態3]
実施の形態1および2では、スイッチング素子の少なくとも一部においてリアクトル電流IL1,IL2の両方が流れる動作状態を有する電力変換器10(11,12a〜14a,12b〜14b)および電力変換器50(50♯)に対して、キャリア波にのこぎり波を用いたPWM制御を適用することにより、簡易な制御処理によって当該電力変換器を含む電源システムの性能が向上する例を説明した。
[Embodiment 3]
In the first and second embodiments, power converter 10 (11, 12a to 14a, 12b to 14b) and power converter 50 (50) having an operation state in which both reactor currents IL1 and IL2 flow in at least a part of the switching elements. For example, by applying PWM control using a sawtooth wave as a carrier wave, an example in which the performance of the power supply system including the power converter is improved by simple control processing has been described.
実施の形態3では、リアクトル電流IL1,IL2の経路が各スイッチング素子で重ならない電力変換器の構成に対する、実施の形態1および変形例1で説明したPWM制御の適用について説明する。 In the third embodiment, the application of the PWM control described in the first embodiment and the first modification to the configuration of the power converter in which the paths of the reactor currents IL1 and IL2 do not overlap with each switching element will be described.
(電源システムの構成)
図57は、本発明の実施の形態3に従う電源システム5Cの構成例を示す回路図である。
(Power system configuration)
FIG. 57 is a circuit diagram showing a configuration example of a power supply system 5C according to the third embodiment of the present invention.
図57を参照して、電源システム5Cは、直流電源B1,B2と、電力変換器6,7とを備える。
Referring to FIG. 57, power supply system 5C includes DC power supplies B1 and B2 and
電力変換器6は、直流電源B1および負荷30の間に接続される。電力変換器7は直流電源B2および負荷30の間に接続される。電源システム5Cにおいて、直流電源B1および20は、電力変換器6および7を介して、負荷30に対して並列に接続される。
Power converter 6 is connected between DC power supply B1 and
電力変換器6および7の各々は、いわゆる昇圧チョッパ回路の構成を有する。具体的には、電力変換器6は、スイッチング素子Q1♯,Q2♯と、リアクトルL1とを有する。スイッチング素子Q1♯およびQ2♯は、電力線PLおよび電力線GLの間に直列に接続される。
Each of
リアクトルL1は、端子201および202を有する。端子201は、直流電源B1の正極端子と電気的に接続される。端子202は、スイッチング素子Q1およびQ2の接続ノードと電気的に接続される。これにより、リアクトルL1は、直流電源B1の正極端子と、スイッチング素子Q1♯およびQ2♯の接続ノードとの間に電気的に接続される。あるいは、リアクトルL1は、直流電源B1の負極端子およびスイッチング素子Q2♯の間に接続することも可能である。
Reactor L1 has
電力変換器6では、スイッチング素子Q2♯をオンすることによって、電流経路120(図3(a))および電流経路191(図25)と同様に、直流電源B1に対して、電力線PLおよびGLを含まずに、直流電源B1およびリアクトルL1を含むループ状の電流経路(すなわち「第1の電流経路」)を形成することができる。 In power converter 6, by turning on switching element Q2 #, power lines PL and GL are connected to DC power supply B1 similarly to current path 120 (FIG. 3A) and current path 191 (FIG. 25). Without being included, a loop-shaped current path including DC power supply B1 and reactor L1 (that is, “first current path”) can be formed.
さらに、スイッチング素子Q2♯をオフ(スイッチング素子Q1♯をオン)することによって、電流経路121(図3(b))および電流経路193(図26)と同様に、電力線PLおよびGLの間に直流電源B1およびリアクトルL1が直列に接続される電流経路(すなわち「第2の電流経路」)を形成することができる。 Further, switching element Q2 # is turned off (switching element Q1 # is turned on), so that direct current is connected between power lines PL and GL, similarly to current path 121 (FIG. 3B) and current path 193 (FIG. 26). A current path (that is, a “second current path”) in which power source B1 and reactor L1 are connected in series can be formed.
同様に、電力変換器7は、スイッチング素子Q3♯,Q4♯と、リアクトルL2とを有する。スイッチング素子Q3♯およびQ4♯は、電力線PLおよび電力線GLの間に直列に接続される。
Similarly,
リアクトルL2は、端子203および204を有する。端子203は、直流電源B2の正極端子と電気的に接続される。端子203は、スイッチング素子Q3♯およびQ4♯の接続ノードと電気的に接続される。これにより、リアクトルL2は、直流電源B2の正極端子と、スイッチング素子Q3♯およびQ4♯の接続ノードとの間に電気的に接続される。あるいは、リアクトルL2は、直流電源B2の負極端子およびスイッチング素子Q4♯の間に接続することも可能である。
Reactor L2 has
電力変換器7では、スイッチング素子Q4♯をオンすることによって、電流経路130(図4(a))および電流経路192(図25)と同様に、直流電源B2に対して、電力線PLおよびGLを含まずに、直流電源B2およびリアクトルL2を含むループ状の電流経路(すなわち「第3の電流経路」)を形成することができる。
In
さらに、スイッチング素子Q4♯をオフ(スイッチング素子Q3♯をオン)することによって、電流経路131(図4(b))および電流経路194(図26)と同様に、電力線PLおよびGLの間に直流電源B2およびリアクトルL2が直列に接続れる電流経路(すなわち「第4の電流経路」)を形成することができる。 Further, switching element Q4 # is turned off (switching element Q3 # is turned on), so that direct current is connected between power lines PL and GL, similarly to current path 131 (FIG. 4B) and current path 194 (FIG. 26). A current path in which power supply B2 and reactor L2 are connected in series (ie, “fourth current path”) can be formed.
電力変換器6,7において、スイッチング素子Q1♯〜Q4♯に対しては、逆並列ダイオードD11♯〜D14♯が配置されている。スイッチング素子Q1♯〜Q4♯は、制御装置40からの制御信号SQ1♯〜SQ4♯に応答して、オンオフを制御することが可能である。
In
電力変換器6,7は並列に動作して、直流電源B1およびB2と、負荷30と接続された電力線PL,GLとの間でDC/DC変換を実行する。
昇圧チョッパ回路によって構成される電力変換器6,7では、所定周期(スイッチング周期)内での上アーム(Q1♯,Q3♯)と下アーム(Q2♯,Q4♯)とのオン期間比を示すデューティ比に応じて、DC出力が制御される。デューティ比は、図5の制御構成と同等のPWM制御によって実行することができる。
In
具体的には、図5の構成において、PWM制御部550は、デューティ比DT1とキャリア波CW1との電圧比較に従う制御パルス信号SD1に従って制御信号SQ1♯,SQ2♯を生成する。すなわち、制御パルス信号SD1のHレベル期間において制御信号SQ2♯をHレベル(SQ1♯はLレベル)に設定する一方で、制御パルス信号SD1のLレベル期間において制御信号SQ1♯をHレベル(SQ2♯はLレベル)に設定することができる。
Specifically, in the configuration of FIG. 5,
同様に、PWM制御部550は、デューティ比DT2とキャリア波CW2との電圧比較に従う制御パルス信号SD2に従って制御信号SQ3♯,SQ4♯を生成する。すなわち、制御パルス信号SD2のHレベル期間において制御信号SQ4♯をHレベル(SQ3♯はLレベル)に設定する一方で、制御パルス信号SD2のLレベル期間において制御信号SQ3♯をHレベル(SQ4♯はLレベル)に設定することができる。
Similarly,
(磁気結合リアクトルの構成)
実施の形態3に従う電源システムでは、電力変換器6,7において、リアクトル電流IL1,IL2の経路は、スイッチング素子Q1♯〜Q4♯のいずれにおいても重なっていない。一方で、リアクトルL1,L2は、共通コアを用いた複合磁気部品によって一体的に構成される。これにより、リアクトルL1,L2を構成する磁気部品の小型軽量化を図ることができる。
(Configuration of magnetically coupled reactor)
In the power supply system according to the third embodiment, in
図58は、電力変換器6,7のリアクトルL1,L2を一体的に構成するための複合磁気部品として示される磁気結合リアクトルの概略的な外観図の一例である。
FIG. 58 is an example of a schematic external view of a magnetically coupled reactor shown as a composite magnetic component for integrally configuring reactors L1 and L2 of
図58には、磁気結合リアクトル100の斜視図が示される。
図58を参照して、磁気結合リアクトル100は、コア150と、巻線121a,121b,122aとを含む。巻線121aおよび121bは、電気的に直列接続されて、リアクトルL1のコイルを構成する。巻線122aは、リアクトルL2のコイルを構成する。図5から理解されるように、リアクトルL1を構成する巻線121a,121bと、リアクトルL2を構成する巻線122aとは、共通のコア150の別個の部位にそれぞれ巻回されている。
58 is a perspective view of the magnetically coupled
Referring to FIG. 58, magnetically coupled
図59は、図58に示した磁気結合リアクトル100の構造をさらに説明するための概念的な断面図である。
59 is a conceptual cross-sectional view for further explaining the structure of magnetically coupled
図59を参照して、コア150は、磁脚部151,152,153,154を有する。磁脚部151〜153には、ギャップ161〜163がそれぞれ設けられる。上述のように、ギャップ161〜163は、インダクタンスを調整する面で有用である。
Referring to FIG. 59,
巻線121aは、磁脚部151に巻回される。巻線121bは、磁脚部152に巻回される。巻線121aおよび121bは、端子201および202の間に電気的に直列接続される。したがって、リアクトルL1を流れるリアクトル電流IL1は、端子201から巻線121aおよび巻線121bを経由して端子202へ流れる。リアクトル電流IL1の通流により、巻線121aからは磁界211が発生され、巻線121bからは磁界212が発生される。
The winding 121a is wound around the
巻線122aは、磁脚部153に巻回される。巻線122aは、端子203および204の間に電気的に接続される。したがって、リアクトルL2を流れるリアクトル電流IL2は、端子203から巻線122aを経由して端子204へ流れる。リアクトル電流IL2の通流により、巻線122aによって磁界213が発生される。このように、磁脚部151〜153は、コア150における巻線121a,121b,122aの巻回部位に相当する。一方で、磁脚部154は、コア150における巻線の非巻回部位に相当し、巻線が巻回された磁脚部151〜153の間に磁気経路を形成するように機能する。
The winding 122 a is wound around the
巻線121aおよび121bは、共通のリアクトル電流IL1が巻線121aおよび121bを流れるときに、巻線121aにおける電流通流方向と、巻線121bにおける電流通流方向とは互いに逆となるように構成される。
巻線122aは、リアクトル電流IL2がリアクトル電流IL1と同じ向きで流れたときに(たとえば、IL1>0かつIL2>0)、巻線121aおよび121bの一方と電流の向きが同じである一方で、他方とは電流の向きが逆となる。以下では、巻線121aおよび122の間で電流通流方向が同じとなる例を示す。すなわち、巻線121aは「第1の巻線」に対応し、巻線121bは「第2の巻線」に対応する。巻線122aは、「第3の巻線」に対応する。
Winding 122a has the same current direction as one of
図60は、図59に示した各巻線の巻回態様の一例を説明するための概念図である。図61は、図58および図59に示した磁気結合リアクトル100の上面図に相当する。
FIG. 60 is a conceptual diagram for explaining an example of a winding mode of each winding shown in FIG. 61 corresponds to a top view of the magnetically coupled
図60を参照して、端子201および202の間にリアクトル電流IL1が流される。導線121cによって、巻線121aおよび121bの間は、電気的に直列接続される。この際に、導線121cは、巻線121aおよび121bによって構成されるコイルにおける電流の向きが反対となるように、巻線121aおよび121bの間に接続される。
Referring to FIG. 60, a reactor current IL1 flows between
この結果、図60に示されるように、巻線121aによって生じる磁界211は、コア上面側(図59中の上側)をN極とし、コア下面側(図59中の下側)をS極とする方向を有する。一方で、巻線121bによって生じる磁界212は、コア上面側(図59中の上側)をS極とし、コア下面側(図59中の下側)をN極とする方向を有する。すなわち、リアクトル電流IL1の通流によって、巻線121a,121bからそれぞれ発生される磁界211,212は、互いに反対方向である。
As a result, as shown in FIG. 60, the
さらに、端子203および204の間に、リアクトル電流IL1と同じ向きにリアクトル電流IL2が流される(たとえば、IL1>0,IL2>0)。これにより、巻線122aからは磁界213が発生される。磁界213は、コア上面側(図59中の上側)をN極とし、コア下面側(図59中の下側)をS極とする方向を有する。すなわち、同一方向のリアクトル電流IL1,IL2によって、巻線122aが生じる磁界213は、巻線121aが生じる磁界211とは同じ方向である一方で、巻線121bが生じる磁界212とは逆の方向である。
Furthermore, reactor current IL2 is allowed to flow between
図61は、図59に示した各巻線の巻回態様の他の例を説明するための概念図である。
図61に示した例では、端子204および導線121cが、図60とは異なる位置に設けられる。図61では、各巻線121a,121b,122aでの電流の向き、すなわち、磁界211〜213の方向を図7と同様にした上で、各巻線121a,121b,122aの巻数(ターン数)が厳密に同一とされている。逆にいうと図60の構成では、巻線121a,121bの巻数が、巻線122aよりも1/4ターンだけ多くなっている。
FIG. 61 is a conceptual diagram for explaining another example of the winding mode of each winding shown in FIG.
In the example shown in FIG. 61, the terminal 204 and the
図62は、実施の形態1に従う磁気結合リアクトル100の電気的な等価回路図である。
FIG. 62 is an electrical equivalent circuit diagram of magnetically coupled
図62を参照して、端子201および202間に直列接続された巻線121aおよび121bは、リアクトルL1を構成する。電圧源91は、端子201,202間にリアクトル電圧VL1を印加する。たとえば、電圧源91は、電力変換器6のスイッチング素子Q1♯,Q2♯のオンオフ制御によって、パルス状にリアクトル電圧VL1を発生するように構成される。具体的には、図57の電力変換器6において、スイッチング素子Q2♯のオン期間において、VL1=V[1]となる(VL1>0)。一方で、スイッチング素子Q2♯のオフ期間(スイッチング素子Q1♯のオン期間)においては、V[1]−VL1=VHが成立するので、VL1=V[1]−VHとなる(VL1<0)。
Referring to FIG. 62,
同様に、端子203および204間に接続された巻線122aは、リアクトルL2を構成する。電圧源92は、端子203,204間にリアクトル電圧VL2を印加する。たとえば、電圧源92は、電力変換器7のスイッチング素子Q3♯,Q4♯のオンオフ制御によって、パルス状にリアクトル電圧VL2を発生するように構成される。具体的には、図57の電力変換器7において、スイッチング素子Q4♯のオン期間には、VL2=V[2]となる(VL1>0)。一方で、スイッチング素子Q4♯のオフ期間(スイッチング素子Q3♯のオン期間)においては、V[2]−VL2=VHが成立するので、VL2=V[1]−VHとなる(VL2<0)。
Similarly, winding 122a connected between
ここで、巻線121a,121bおよび122は、図59に示されたように、磁脚部151〜153が一体的に構成された共通のコア150に巻回されている。したがって、巻線121a,121b,122aで発生した磁束は、互いに干渉し合うことになる。これにより、リアクトル電流IL1,IL2も、共通のコア150内の磁束を介して、互いに間接的に作用する。
Here, as shown in FIG. 59, the
次に、図63および図64を用いてコア内部における各巻線からの発生磁束の関係について説明する。 Next, the relationship of the magnetic flux generated from each winding in the core will be described with reference to FIGS.
図63および図64には、図59と同様の概念的な断面図が示される。図63には、リアクトルL1がコア内に発生する磁束が示される一方で、図64には、リアクトルL2がコア内に発生する磁束が示される。 63 and 64 are conceptual cross-sectional views similar to FIG. FIG. 63 shows the magnetic flux generated by reactor L1 in the core, while FIG. 64 shows the magnetic flux generated by reactor L2 in the core.
図63を参照して、磁脚部151に巻回された巻線121aから発生される磁界211による磁束221は、磁脚部154を経由して、磁脚部152および153にも作用する。同様に、磁脚部152に巻回された巻線121bから発生される磁界212による磁束222は、磁脚部154を経由して、磁脚部151および153にも作用する。磁界212および磁界212は、コア150内で、磁脚部151,152を含む一巡経路を形成する。
Referring to FIG. 63, the
磁脚部151および152の各々において、磁界211および212による磁束221および222は同一方向に作用する。すなわち、磁界211および212は、磁脚部151および152の各々において、互いに強め合う。
In each of the
一方、磁脚部153において、磁界211および212による磁束221および222は反対方向に作用する。すなわち、磁界211および212は、磁脚部153において、互いに弱め合う。
On the other hand, in the
図64を参照して、磁脚部153に巻回された巻線122aから発生される磁界213による磁束223は、磁脚部154を経由して、磁脚部151および152にも作用する。
Referring to FIG. 64,
図63および図64を総合すると、リアクトルL2に対応する磁脚部153では、巻線121aからの磁束221と巻線121bからの磁束222とが打ち消し合う一方で、巻線122aによる磁束223が通過する。すなわち、磁脚部153での磁界の大きさは、リアクトル電流IL2によって生じる磁界213相当である。
63 and 64, in the
これに対して、リアクトルL1に対応する磁脚部151および152の間では、リアクトルL2からの磁束との干渉によって、磁界の大きさが不均衡になる。磁脚部152では、磁界211および212による磁束221,222と、磁界213による磁束223(図64)とは同じ方向であるので、磁界211および212と磁界213とは強め合う。これに対して、磁脚部151では、磁界211および212による磁束221,222と、磁界213による磁束223(図64)とは反対方向であるので、磁界211および212と磁界213とは弱め合う。磁脚部151は「第1の磁脚部」に対応し、磁脚部152は「第2の磁脚部」に対応する。また、磁脚部153は「第3の磁脚部」に対応する。
On the other hand, between the
(磁気結合リアクトルの非磁気結合モードでの動作)
磁気結合リアクトル100では、リアクトルL1を形成する巻線121a,121bが巻回された磁脚部151および152の一方(本実施例では磁脚部152)において、リアクトル電流IL1およびIL2のそれぞれによる磁界が互いに強め合う。一方で、他方の磁脚部(本実施例では磁脚部151)では、リアクトル電流IL1およびIL2による磁界が打ち消し合う。このような相互磁化作用によって、リアクトル電流IL1およびIL2が流れている下で、磁脚部151および152の間で、磁界の大きさが不均衡となる。
(Operation of non-magnetic coupling mode of magnetic coupling reactor)
In the magnetically coupled
したがって、磁気結合リアクトル100では、リアクトル電流IL1,IL2の大きい領域では、磁脚部151および152の間で磁界の不均衡に起因して透磁率(比透磁率)に差が生じると、磁気結合による磁気的な干渉が発生することになる。ここで、磁界および磁束密度と透磁率の関係について図65および図66を用いて説明する。
Therefore, in the magnetically coupled
図65には、強磁性体の一般的な磁化曲線(B−H曲線)が示される。図66には、磁界が印加されていない状態から磁化されるときの磁化曲線305(いわゆる、初期磁化曲線)が示される。 FIG. 65 shows a general magnetization curve (BH curve) of a ferromagnetic material. FIG. 66 shows a magnetization curve 305 (so-called initial magnetization curve) when magnetized from a state where no magnetic field is applied.
図65を参照して、磁界Hが大きくなるに従って磁束密度Bが増加する。しかしながら、磁界Hが大きくなっていくと、磁束密度Bの増加の割合は徐々に減少する。そして、最終的には、B−H曲線が水平となる、すなわち、磁界を大きくしても磁束密度がこれ以上増加しない、磁気飽和と呼ばれる現象が発生する。磁気飽和時の磁束密度は、飽和磁束密度Bsmaxと称される。 Referring to FIG. 65, magnetic flux density B increases as magnetic field H increases. However, as the magnetic field H increases, the rate of increase of the magnetic flux density B gradually decreases. Eventually, the BH curve becomes horizontal, that is, a phenomenon called magnetic saturation occurs in which the magnetic flux density does not increase any more even when the magnetic field is increased. The magnetic flux density at the time of magnetic saturation is called saturation magnetic flux density Bsmax.
図65に示された、磁化曲線(B−H曲線)における接線の傾きが、磁性体(コア150)の透磁率に相当する。 The slope of the tangent in the magnetization curve (BH curve) shown in FIG. 65 corresponds to the magnetic permeability of the magnetic body (core 150).
図66には、図65に示された磁化曲線における磁束密度の変化に対する透磁率の変化特性が示される。 66 shows the change characteristic of the magnetic permeability with respect to the change of the magnetic flux density in the magnetization curve shown in FIG.
図66を参照して、磁界H<Ha、すなわち磁束密度B<Baの領域310では、磁界Hの変化に対して、磁束密度Bはほぼ線形に変化する。領域310では、透磁率μはほぼ一定値となる。このような領域を、以下では「線形領域310」とも称する。
66, in
これに対して、H>Ha、すなわち、B>Baの領域では、磁界Hの増加に対する磁束密度Bの増加率、すなわち、透磁率μが線形領域310よりも低くなる。また、透磁率μは、磁界Hの増加に対してさらに減少していく。このような領域を、以下では「非線形領域」または「飽和領域」とも称する。さらに磁束密度が上昇すると、透磁率μはさらに低下する。そして、B=Bsmaxに達すると、ほぼμ=0となってしまう。上記のような特性、すなわち、非線形領域を有する磁性材料は、一般に非線形磁性材料と称される。
On the other hand, in the region of H> Ha, that is, B> Ba, the rate of increase of the magnetic flux density B with respect to the increase of the magnetic field H, that is, the magnetic permeability μ is lower than that of the
一方、仮にこのような非線形領域を有さないような磁性材料(線形磁性材料)を用いる場合には、図66中に点線307で示されるように、磁束密度Bの変化に対して透磁率μは一定に維持される。あるいは、動作点が線形領域内に維持されるように磁束密度Bを制限して使用する場合にも、点線307に示すように、透磁率を一定としてリアクトルを動作させることができる。
On the other hand, if a magnetic material (linear magnetic material) that does not have such a non-linear region is used, the magnetic permeability μ against the change in the magnetic flux density B as indicated by a dotted
図63および図64で説明したように、リアクトル電流IL1およびIL2が流れている状態では、リアクトルL1に対応する磁脚部151および152の間では、磁界の大きさが不均衡になる。具体的には、磁脚部152では、リアクトル電流IL1による磁界とリアクトル電流IL2による磁界とが互いに強め合うので、磁界が大きくなる。一方で、磁脚部151では、リアクトル電流IL1による磁界とリアクトル電流IL2による磁界とが互いに弱め合うので、磁界が小さくなる。
As described with reference to FIGS. 63 and 64, in the state where reactor currents IL1 and IL2 are flowing, the magnitude of the magnetic field is unbalanced between
図67は、リアクトル電流IL1,IL2が小さい領域におけるコアの各磁脚部の磁気的な動作点を説明する概念図である。図67には、磁脚部151〜153のそれぞれの磁気的な動作点301〜303がB−H曲線上で示される。
FIG. 67 is a conceptual diagram illustrating magnetic operating points of the magnetic leg portions of the core in a region where reactor currents IL1 and IL2 are small. In FIG. 67, the magnetic operating points 301 to 303 of the
図67を参照して、磁界が強め合う磁脚部152の動作点302は、磁脚部153の動作点よりも、B−H曲線上で磁束密度Bが大きくなる。一方で、磁界が弱め合う磁脚部151の動作点301は、磁脚部153の動作点よりも、B−H曲線上で磁束密度Bが小さくなる。上述のように、磁脚部153では、巻線121aからの磁束221と巻線121bからの磁束222とが打ち消し合うため、磁界の大きさは、リアクトル電流IL2によって生じる磁界相当となる。
Referring to FIG. 67, the magnetic flux density B is larger on the BH curve at the
リアクトル電流IL1,IL2が小さい領域では、動作点301および302の両方は、図65に示した線形領域310内に位置する。各磁脚部151〜153の動作点301〜303が線形領域310内である状態では、リアクトルL1およびL2の間に磁気結合は生じず、両者を磁気的に非干渉としてリアクトルL1およびL2を動作させることができる。このとき、磁脚部151〜153は、線形領域310で磁化される状態である。すなわち、リアクトルL1およびL2は、非磁気結合モードで動作する。
In the region where reactor currents IL1 and IL2 are small, both operating
これらの動作点301〜303は、リアクトルL1,L2の設計、具体的には、コア150および巻線121a,121b,122a等の設計によって左右される。たとえば、最大定格時、すなわち、設計上の最大電流I(max)の通過にも、動作点301〜303が線形領域310内となるように、磁脚部151,152の断面積SC1,SC2を設計すれば、リアクトルL1,L2は、両者が磁気的に非干渉な状態を維持して使用することができる。
These operating
(磁気結合リアクトルの磁気結合モードでの動作)
非磁気結合モードに限定して磁気結合リアクトル100を動作させるためには、磁脚部151,152の断面積SC1,SC2を確保する等により、コア150の大型化によるリアクトルの大型化が懸念される。したがって、本実施の形態において、磁気結合リアクトル100は、リアクトルL1,L2が磁気結合モードでも動作するように設計することができる。
(Operation of magnetically coupled reactor in magnetic coupling mode)
In order to operate the
なお、以下の説明において、最大電流I(max)は、リアクトルL1,L2単体での最大定格電流のみを意味するのではなく、リアクトルL1,L2が組み込まれた電源システム(たとえば、図57に示された電源システム5C)の最大出力時におけるリアクトルL1,L2の通過電流をも意味する。たとえば、電源システム内のリアクトル以外の要素(たとえば、スイッチング素子)によって、システムの最大許容電流が規定される場合には、リアクトルL1,L2の電流容量に余裕があっても、電源システムが当該最大許容電流で動作するときのリアクトル電流を最大電流I(max)として、リアクトルL1,L2を設計することができる。すなわち、最大電流I(max)は、設計時に想定されたリアクトルL1,L2の使用電流範囲の上限値を意味する。 In the following description, the maximum current I (max) does not mean only the maximum rated current of reactors L1 and L2 alone, but a power supply system incorporating reactors L1 and L2 (for example, as shown in FIG. 57). It also means the passing current of reactors L1 and L2 at the maximum output of the power supply system 5C). For example, when the maximum allowable current of the system is defined by elements (for example, switching elements) other than the reactor in the power supply system, even if there is a margin in the current capacity of reactors L1 and L2, the power supply system Reactors L1 and L2 can be designed with the reactor current when operating at an allowable current as the maximum current I (max). That is, the maximum current I (max) means the upper limit value of the current usage range of reactors L1 and L2 assumed at the time of design.
図68には、リアクトル電流が大きい領域におけるコアの各磁脚部の磁気的な動作点を説明する概念図が示される。 FIG. 68 is a conceptual diagram for explaining the magnetic operating point of each magnetic leg portion of the core in the region where the reactor current is large.
図68を参照して、リアクトル電流IL1およびIL2が大きくなると、磁界が強め合う磁脚部152の動作点302は、図67と比較して、磁束密度Bがさらに大きくなる。一方で、磁界が弱め合う磁脚部152の動作点302は、図67と比較して、磁束密度Bがさらに小さくなる。この結果、動作点302が線形領域310内である一方で、動作点301が線形領域310から外れて、飽和領域に入ってしまう。このとき、磁脚部151は線形領域で磁化される一方で、磁脚部152は非線形領域(飽和領域)で磁化される状態となる。
Referring to FIG. 68, when reactor currents IL1 and IL2 increase, magnetic flux density B further increases at
図66に示されたように、磁束密度Bが大きくなることにより線形領域310から外れて、飽和領域に入ってしまうと、透磁率μ、すなわち、磁脚部の比透磁率が小さくなる。したがって、動作点301および302が線形領域および飽和領域にそれぞれ位置する状態では、リアクトルL1およびL2の間に、磁気結合による磁気的な干渉が発生する。すなわち、リアクトルL1およびL2は、磁気結合モードで動作する。
As shown in FIG. 66, when the magnetic flux density B is increased and deviates from the
リアクトルL1,L2間に磁気結合が生じている状態では、磁気干渉による影響が、リアクトル電流間の位相関係に応じて、インダクタンスを上昇させる方向、または、低下させる方向に作用することになる。このため、電力変換器6,7によってリアクトル電流IL1およびIL2が独立に制御され得る構成では、リアクトル電圧(電流)間の位相関係についても制御可能である。このため、磁気結合が生じている状態において、リアクトルL1,L2のインダクタンスが等価的に増大するように、電流位相を制御することが可能である。
In a state where magnetic coupling is generated between the reactors L1 and L2, the influence of magnetic interference acts in the direction of increasing or decreasing the inductance according to the phase relationship between the reactor currents. For this reason, in the configuration in which reactor currents IL1 and IL2 can be controlled independently by
このように、本実施の形態に従う磁気結合リアクトル100は、リアクトルL1およびL2が磁気的に非結合である状態(動作点301〜303が図67である状態)と、リアクトルL1およびL2が磁気的に結合している状態(動作点301〜303が図68である状態)との両方で動作し得る点が特徴である。
Thus, in magnetically coupled
この結果、最大電流I(max)での動作点302が線形領域310内に止まる様に断面積SC2を確保する必要がなくなる。また、磁界が弱め合う磁脚部151についても、非対称動作を前提として断面積SC1を縮小できる。さらに、上述した、インダクタンスを等価的に大きくする効果も生じるので、コア150を小型化しても、必要なインダクタンスを確保することができる。この結果、必要なインダクタンスを得るためのリアクトルの小型化を図ることができる。
As a result, it is not necessary to secure the cross-sectional area SC2 so that the
(非磁気結合モードでの動作のための電流位相制御)
特許文献2にも記載されるように、磁気結合リアクトル100を線形領域310、すなわち、非磁気結合モードのみに限定して動作させたい場合には、コア内での最大磁束密度B(max)が、線形領域310の境界に対応する閾値Bmaxを超えないことが必要である。磁束密度はリアクトル電流IL1,IL2に依存して変化するので、電流位相制御によって、最大磁束密度B(max)を抑制することができる。
(Current phase control for operation in non-magnetic coupling mode)
As described in
図69には、リアクトル電流の位相と磁束密度との関係を説明するための概念的な波形図が示される。 FIG. 69 shows a conceptual waveform diagram for explaining the relationship between the phase of the reactor current and the magnetic flux density.
図69を参照して、リアクトル電流IL1による磁束密度B(L1)は、電流IL1に比例し、リアクトルL2による磁束密度B(L2)は、リアクトル電流IL2に比例する。コア150内での最大磁束密度Bmaxは、トータル磁束密度Bt(Bt=B(L1)+B(L2))の最大値、すなわち、リアクトル電流の和(IL1+IL2)の最大値に比例する。
Referring to FIG. 69, magnetic flux density B (L1) due to reactor current IL1 is proportional to current IL1, and magnetic flux density B (L2) due to reactor L2 is proportional to reactor current IL2. The maximum magnetic flux density Bmax in the
したがって、リアクトル電流IL1の極大点(山)とリアクトル電流IL2の極小点(谷)とが同一タイミングとなるように電流位相を制御することにより、トータル磁束密度の最大値Bmaxを抑制することができる。 Therefore, the maximum value Bmax of the total magnetic flux density can be suppressed by controlling the current phase so that the maximum point (crest) of reactor current IL1 and the minimum point (valley) of reactor current IL2 are at the same timing. .
図70には、上記のような電流位相制御を実現するための、電源システム5Cにおける電流位相制御の例を説明する波形図が示される。 FIG. 70 is a waveform diagram for explaining an example of current phase control in the power supply system 5C for realizing the current phase control as described above.
図70を参照して、電力変換器6のスイッチング素子Q1♯およびQ2♯のオンオフを制御するための制御信号SQ1♯,SQ2♯は、デューティ比DT1およびキャリア波CW1を比較するPWM制御により、図5に示した制御構成によって算出することができる。 Referring to FIG. 70, control signals SQ1 # and SQ2 # for controlling on / off of switching elements Q1 # and Q2 # of power converter 6 are controlled by PWM control comparing duty ratio DT1 and carrier wave CW1. It can be calculated by the control configuration shown in FIG.
同様に、電力変換器7のスイッチング素子Q3♯およびQ4♯のオンオフを制御するための制御信号SQ3♯,SQ3♯は、デューティ比DT2およびキャリア波CW2を比較するPWM制御により、図5に示した制御構成によって算出することができる。
Similarly, control signals SQ3 # and SQ3 # for controlling on / off of switching elements Q3 # and Q4 # of
これらの直流電源B1,B2の出力を制御するPWM制御において、キャリア波CW1,CW2を、実施の形態1におけるキャリア波モード1(図14)に従って構成することによって、リアクトル電流IL1の極大点(山)とリアクトル電流IL2の極小点(谷)とが同一タイミングとなる電流位相制御を実現できる。この結果、簡易な制御によって、トータル磁束密度の最大値Bmaxを抑制することができる。 In PWM control for controlling the outputs of these DC power supplies B1 and B2, the carrier waves CW1 and CW2 are configured in accordance with the carrier wave mode 1 (FIG. 14) in the first embodiment, whereby the maximum point (mountain) of the reactor current IL1. ) And the minimum point (valley) of reactor current IL2 can be realized at the same timing. As a result, the maximum value Bmax of the total magnetic flux density can be suppressed by simple control.
なお、図69では、IL1>IL2(IL1>0かつIL2>0)の場合の電流位相制御を示したが、IL2>IL1の場合には、リアクトル電流IL2の極大点(山)とリアクトル電流IL1の極小点(谷)とが同一タイミングとなるように電流位相を制御することが好ましい。 69 shows the current phase control when IL1> IL2 (IL1> 0 and IL2> 0). However, when IL2> IL1, the maximum point (peak) of the reactor current IL2 and the reactor current IL1. It is preferable to control the current phase so that the local minimum point (valley) is at the same timing.
また、電力変換器6,7の動作状態に応じて、リアクトル電流IL1,IL2の方向(正/負)が変化しても、同様に電流位相を制御することができる。
Moreover, even if the direction (positive / negative) of reactor current IL1, IL2 changes according to the operating state of
図71には、リアクトル電流IL1<0かつIL2<0、すなわち、直流電源B1,B2の両方に回生動作している場合の波形図が示される。 FIG. 71 shows a waveform diagram when reactor currents IL1 <0 and IL2 <0, that is, when the regenerative operation is performed for both DC power supplies B1 and B2.
図71を参照して、リアクトル電流IL1,IL2の両方が回生電流である場合には、絶対値が大きい方のリアクトル電流の極小点(谷)と、絶対値が小さい方のリアクトル電流の極大点(山)とを同一タイミングとすることが好ましい。 Referring to FIG. 71, when both reactor currents IL1 and IL2 are regenerative currents, the minimum point (valley) of the reactor current with the larger absolute value and the maximum point of the reactor current with the smaller absolute value It is preferable that (mountains) have the same timing.
図71の例では、|IL1|>|IL2|であるため、リアクトル電流IL1の極小点(谷)と、リアクトル電流IL2の極大点(山)とが同一タイミングとなるように、電流位相が制御される。この場合には、実施の形態1におけるキャリア波モード2(図14)に従ったPWM制御によって、電力変換器6,7におけるスイッチング素子Q1♯〜Q4♯のオンオフが制御される。
In the example of FIG. 71, since | IL1 |> | IL2 |, the current phase is controlled so that the minimum point (valley) of reactor current IL1 and the maximum point (crest) of reactor current IL2 have the same timing. Is done. In this case, on / off of switching elements Q1 # to Q4 # in
図72には、リアクトル電流IL1およびIL2の方向が異なる場合の波形図が示される。特に、図72の例では、IL1>0(力行電流),IL2<0(回生電流)の場合の波形が示される。 FIG. 72 shows a waveform diagram when the directions of reactor currents IL1 and IL2 are different. In particular, in the example of FIG. 72, waveforms in the case of IL1> 0 (powering current) and IL2 <0 (regenerative current) are shown.
リアクトル電流IL1およびIL2の方向が異なる場合には、コア150内部で磁束が打ち消し合うため、力行電流および回生電流の最大値(絶対値)が同一タイミングとなるように電流位相を制御することが好ましい。したがって、力行電流であるリアクトル電流IL1の極大点(山)と、回生電流であるリアクトル電流IL2の極小点(谷)とを同一タイミングとすることが好ましい。
When the directions of the reactor currents IL1 and IL2 are different, the magnetic flux cancels out inside the
この場合には、実施の形態1におけるキャリア波モード1(図14)に従ったPWM制御によって、電力変換器6,7におけるスイッチング素子Q1♯〜Q4♯のオンオフが制御される。
In this case, on / off of switching elements Q1 # to Q4 # in
また、IL2>0,IL1<0の場合には、リアクトル電流IL2の極大点(山)と、回生電流であるリアクトル電流IL1の極小点(谷)とを同一タイミングとするために、実施の形態1におけるキャリア波モード2(図14)に従ったPWM制御が適用される。
Further, when IL2> 0 and IL1 <0, the maximum point (peak) of reactor current IL2 and the minimum point (valley) of reactor current IL1 that is a regenerative current are set at the same timing. PWM control according to the
このように、磁気結合リアクトル100の非磁気結合モード(非飽和領域)での動作において、電力変換器6,7の動作状態である、リアクトル電流IL1,IL2の方向(正/負)に応じて、実施の形態1に示したキャリア波パターンを適切に切替えたPWM制御を行うことにより、コア150内でのトータル磁束密度の最大値Bmaxを抑制するための電流位相制御を、簡易な制御処理によって実行することができる。この際に、リアクトル電流IL1,IL2の変化に応じてキャリア波モードを切替える場合には、実施の形態1の変形例に説明したように、図18または図21に従って遷移周期205(図16,図19)遷移周期205を設けることができる。
Thus, in the operation of the
(磁気結合モードでの動作のための電流位相制御)
磁気結合モードでは、リアクトル電流IL1,IL2の電流位相制御により、リアクトルL1,L2間に磁気結合が生じている状態における等価的なインダクタンスの増大効果を高めることができる。
(Current phase control for operation in magnetic coupling mode)
In the magnetic coupling mode, the effect of increasing the equivalent inductance in a state where magnetic coupling is generated between reactors L1 and L2 can be enhanced by controlling the current phase of reactor currents IL1 and IL2.
図73および図74には、本実施の形態に従う磁気結合リアクトルにおいてキャリア位相制御を適用したときの動作例が示される。図73および図74には、回路シミュレータによって解析された動作波形図が示される。 73 and 74 show an operation example when carrier phase control is applied in the magnetically coupled reactor according to the present embodiment. 73 and 74 show operation waveform diagrams analyzed by the circuit simulator.
図73を参照して、図73(a)には、リアクトルL1,L2間が磁気的に非結合であるときのシミュレーション波形が示され、図73(b)には、リアクトルL1,L2間が磁気的に結合状態であるときのシミュレーション波形が示される。図73(b)では、リアクトル電流IL1の極小点とリアクトル電流IL2の極大点とが同一タイミングとなるように、電流位相が制御されている。 Referring to FIG. 73, FIG. 73 (a) shows a simulation waveform when the reactors L1 and L2 are magnetically non-coupled, and FIG. 73 (b) shows the state between reactors L1 and L2. Simulation waveforms when magnetically coupled are shown. In FIG. 73 (b), the current phase is controlled so that the minimum point of the reactor current IL1 and the maximum point of the reactor current IL2 have the same timing.
なお、図73(a),(b)の間では、回路定数を同一とした下で、リアクトル電流IL1の平均値同士およびIL2の平均値同士が同じになるようにシミュレーション条件が定められている。 73 (a) and 73 (b), the simulation conditions are determined so that the average values of reactor current IL1 and the average values of IL2 are the same under the same circuit constant. .
図73(b)のリアクトル電流IL1のピークトゥピーク値(リップル成分)は、図73(a)のリアクトル電流IL1のリップル成分よりも抑制されていることが、両者の比較から理解される。同様に、リアクトル電流IL2についても、図73(b)の方が、図73(a)よりもリップル電流振幅が抑制されている。 It can be understood from a comparison between the two that the peak-to-peak value (ripple component) of the reactor current IL1 in FIG. 73 (b) is suppressed more than the ripple component of the reactor current IL1 in FIG. 73 (a). Similarly, with respect to the reactor current IL2, the ripple current amplitude in FIG. 73 (b) is suppressed more than in FIG. 73 (a).
図73(b)では、特に、小電流側のリアクトル電流IL2のピーク抑性に効果があることが理解される。すなわち、リアクトル電流IL2の極大点とリアクトル電流IL1の極小点とが同一タイミングとなるようにキャリア位相制御を行なうとリアクトル電流IL2のピーク抑制に効果がある。 In FIG. 73 (b), it is understood that the peak current suppression of the reactor current IL2 on the small current side is particularly effective. That is, if carrier phase control is performed so that the maximum point of reactor current IL2 and the minimum point of reactor current IL1 are at the same timing, it is effective in suppressing the peak of reactor current IL2.
この場合には、直流電源B1,B2の出力を制御するPWM制御において、キャリア波CW1,CW2を、実施の形態1におけるキャリア波モード2(図14)に従って構成することによって、リアクトル電流IL2の極大点(山)とリアクトル電流IL2の極小点(谷)とが同一タイミングとなる電流位相制御を実現できる。 In this case, in the PWM control for controlling the outputs of DC power supplies B1 and B2, carrier waves CW1 and CW2 are configured in accordance with carrier wave mode 2 (FIG. 14) in the first embodiment, whereby reactor current IL2 is maximized. It is possible to realize current phase control in which the point (mountain) and the minimum point (valley) of the reactor current IL2 have the same timing.
図74を参照して、図74(a)には、図73(a)と同一の波形、すなわち、リアクトルL1,L2間が磁気的に非結合であるときのシミュレーション波形が示される。図74(b)には、リアクトルL1,L2間が磁気的に結合状態であるときのシミュレーション波形が示される。図74(b)では、リアクトル電流IL1の極大点とリアクトル電流IL2の極小点とが同一タイミングとなるように、すなわち、図26と同等の電流位相となるように、キャリア位相制御が適用される。なお、図74(a),(b)の間でも、シミュレーション条件は、図73(a),(b)と同様である。 Referring to FIG. 74, FIG. 74 (a) shows the same waveform as FIG. 73 (a), that is, a simulation waveform when the reactors L1 and L2 are magnetically non-coupled. FIG. 74 (b) shows a simulation waveform when the reactors L1 and L2 are in a magnetically coupled state. In FIG. 74 (b), the carrier phase control is applied so that the maximum point of the reactor current IL1 and the minimum point of the reactor current IL2 have the same timing, that is, the current phase is equivalent to that in FIG. . Note that the simulation conditions are the same as those in FIGS. 73A and 73B even between FIGS. 74A and 74B.
図74(b)のリアクトル電流IL1のピークトゥピーク値(リップル成分)は、図74(a)のリアクトル電流IL1のリップル成分よりも抑制されていることが、両者の比較から理解される。同様に、リアクトル電流IL2についても、図74(b)の方が、図74(a)よりもリップル電流振幅が抑制されている。 It can be understood from the comparison between the two that the peak-to-peak value (ripple component) of the reactor current IL1 in FIG. 74 (b) is suppressed more than the ripple component of the reactor current IL1 in FIG. 74 (a). Similarly, for the reactor current IL2, the ripple current amplitude in FIG. 74 (b) is suppressed more than in FIG. 74 (a).
図74(b)では、特に、大電流側のリアクトル電流IL1のピーク抑性に効果があることが理解される。すなわち、リアクトル電流IL1の極大点とリアクトル電流IL2の極小点とが同一タイミングとなるようにキャリア位相制御を行なうとリアクトル電流IL1のピーク抑制に効果がある。 In FIG. 74 (b), it is understood that the peak current suppression of the reactor current IL1 on the large current side is particularly effective. That is, if carrier phase control is performed so that the maximum point of reactor current IL1 and the minimum point of reactor current IL2 are at the same timing, it is effective in suppressing the peak of reactor current IL1.
この場合には、直流電源B1,B2の出力を制御するPWM制御において、キャリア波CW1,CW2を、実施の形態1におけるキャリア波モード1(図14)に従って構成することによって、リアクトル電流IL1の極大点(山)とリアクトル電流IL2の極小点(谷)とが同一タイミングとなる電流位相制御を実現できる。この結果、簡易な制御によって、リアクトル電流のピーク値を抑制できる。 In this case, in the PWM control for controlling the outputs of DC power supplies B1 and B2, carrier waves CW1 and CW2 are configured in accordance with carrier wave mode 1 (FIG. 14) in the first embodiment, whereby reactor current IL1 is maximized. It is possible to realize current phase control in which the point (mountain) and the minimum point (valley) of the reactor current IL2 have the same timing. As a result, the peak value of the reactor current can be suppressed by simple control.
これらのシミュレーション波形から、本実施の形態に従う磁気結合リアクトルでは、リアクトルL1,L2間が磁気的に結合するように動作させることで、リアクトル電流IL1,IL2のリップル電流振幅を抑性、すなわち、等価的にインダクタンスを増大できることが理解される。 From these simulation waveforms, in the magnetically coupled reactor according to the present embodiment, the ripple current amplitude of reactor currents IL1 and IL2 is suppressed, that is, equivalent by operating so that reactors L1 and L2 are magnetically coupled. It can be understood that the inductance can be increased.
さらに、図73(b)および図74(b)では、電流位相制御の適用により、リアクトル電流IL1の傾き(変化率)の符号と、リアクトル電流IL2の傾き(変化率)の符号とが異なる期間Tmを長くし、両符号が同じである期間Tnを短くすることができる。この結果、磁気結合リアクトルにおけるインダクタンス増大効果を高めることができる。これらの等価的なインダクタンス増大効果により、共通化されたコア150を用いて2個のリアクトルL1,L2を一体化した複合磁気部品によって磁気結合リアクトルを構成することによって、リアクトルの小型軽量化を図ることができる。
Further, in FIG. 73 (b) and FIG. 74 (b), the period of the slope (change rate) of reactor current IL1 and the sign of the slope (change rate) of reactor current IL2 are different due to the application of current phase control. The period Tn in which both codes are the same can be shortened by increasing Tm. As a result, the effect of increasing inductance in the magnetically coupled reactor can be enhanced. Due to these equivalent inductance increasing effects, a magnetically coupled reactor is configured by a composite magnetic component in which two reactors L1 and L2 are integrated using a
なお、図73および74では、リアクトル電流IL1およびIL2が共に正の領域(IL1>0,IL2>0)における電流位相制御を説明した。リアクトル電流IL1,IL2の方向(正/負)が変化しても、同様に、実施の形態1およびその変形例1に従うPWM制御を適用して電流位相を制御することができる。 73 and 74, current phase control in a region where reactor currents IL1 and IL2 are both positive (IL1> 0, IL2> 0) has been described. Even if the directions (positive / negative) of reactor currents IL1 and IL2 change, the current phase can be similarly controlled by applying the PWM control according to the first embodiment and the first modification thereof.
たとえば、IL1<0かつIL2<0の場合には、リアクトル電流IL1による磁界の方向と、リアクトル電流IL2による磁界の方向との相対的な関係は、IL1>0,IL2>0のときと同様である。したがって、これらの動作パターンにおいても、磁脚部152で磁界が強め合う一方で、磁脚部151では磁界が弱め合う。
For example, when IL1 <0 and IL2 <0, the relative relationship between the direction of the magnetic field due to reactor current IL1 and the direction of the magnetic field due to reactor current IL2 is the same as when IL1> 0 and IL2> 0. is there. Therefore, also in these operation patterns, the
リアクトル電流IL1,IL2の極性(正/負)が同じ場合には、IL1>0.IL2>0の場合でも説明したように、一方のリアクトル電流の極大点と他方のリアクトル電流の極小点とが同一タイミングとなるように電流位相を制御することによって、リアクトル電流IL1,IL2のリップル電流振幅を抑性できる。 When the reactor currents IL1 and IL2 have the same polarity (positive / negative), IL1> 0. As described in the case of IL2> 0, the ripple current of the reactor currents IL1 and IL2 is controlled by controlling the current phase so that the maximum point of one reactor current and the minimum point of the other reactor current have the same timing. Amplitude can be suppressed.
したがって、リアクトル電流IL1,IL2のいずれをピーク値の抑制対象とするかによって、実施の形態1におけるキャリア波モード1またはキャリア波モード2(図14)を選択的に適用して電流位相制御を実行することができる。これにより、リアクトル電流IL1,IL2のピーク値を抑制できる。
Therefore, current phase control is executed by selectively applying
これに対して、リアクトル電流IL1およびIL2の方向(正/負)が異なる場合(IL1>0,IL2<0、または、IL1<0,IL2>0)には、リアクトル電流IL1による磁界の方向と、リアクトル電流IL2による磁界の方向との相対的な関係は、図63,64等で説明したのと反対である。 On the other hand, when the directions (positive / negative) of reactor currents IL1 and IL2 are different (IL1> 0, IL2 <0, or IL1 <0, IL2> 0), the direction of the magnetic field by reactor current IL1 The relative relationship with the direction of the magnetic field by the reactor current IL2 is opposite to that described with reference to FIGS.
したがって、図63および図64で説明したのとは反対に、磁脚部151で磁界が強め合う一方で、磁脚部152では磁界が弱め合う。この場合には、一方のリアクトル電流の極大点と他方のリアクトル電流の極大点とが同一タイミングとなるように、あるいは、一方のリアクトル電流の極小点と他方のリアクトル電流の極小点とが同一タイミングとなるように電流位相を制御することによって、リアクトル電流IL1,IL2のリップル電流振幅を抑性することができる。これにより、リアクトル電流IL1,IL2のピーク値を抑制できる。
Therefore, contrary to the description with reference to FIGS. 63 and 64, the
したがって、リアクトル電流IL1,IL2のいずれをピーク値の抑制対象とするかによって、実施の形態1におけるキャリア波モード3またはキャリア波モード4(図14)を選択的に適用して電流位相制御を実行することができる。これにより、リアクトル電流IL1,IL2のピーク値を抑制できる。
Therefore, current phase control is executed by selectively applying
このように、磁気結合リアクトル100の磁気結合モード(飽和領域)での動作においても、電力変換器6,7の動作状態である、リアクトル電流IL1,IL2の方向(正/負)に応じて、実施の形態1に示したキャリア波パターンを適切に切替えたPWM制御を行うことにより、リアクトル電流IL1,IL2のリップル電流振幅およびピーク値を抑制するための電流位相制御を、簡易な制御処理によって実行することができる。この際にも、リアクトル電流IL1,IL2の変化に応じてキャリア波モードを切替える場合には、実施の形態1の変形例に説明したように、図18または図21に従って遷移周期205(図16,図19)遷移周期205を設けることができる。
Thus, even in the operation of the
以上説明したように、電源システム5Cに対しても、実施の形態1およびその変形例1に従う、のこぎり波を用いたPWM制御を適用することができる。ここで、電源システム5Cは、電力変換器6,7の各スイッチング素子Q1♯〜Q4♯においてリアクトル電流IL1,IL2の経路が直接重ならない構成を有していない。しかしながら、電源システム5Cにおいても、コア150を介してリアクトル電流IL1,IL2によって生じる磁束同士が干渉する構成であるため、実施の形態1およびその変形例に従うPWM制御を適用して、リアクトル電流IL1,IL2の位相を制御することによって、簡易な制御処理によって性能が向上することができる。
As described above, PWM control using a sawtooth wave according to the first embodiment and its
以上から、本実施の形態1およびその変形例1で説明した、のこぎり波を用いたPWM制御は、リアクトル電流同士が重なることによって直接作用し合う構成を有する電源システムと、リアクトル電流が磁束を介して間接的に作用し合う構成の電源システムの両方に対して適用することが可能である。 As described above, the PWM control using the sawtooth wave described in the first embodiment and its modification example 1 is a power supply system having a configuration in which the reactor currents directly act by overlapping each other, and the reactor current passes through the magnetic flux. Therefore, the present invention can be applied to both of the power supply systems that are configured to operate indirectly.
(磁気結合リアクトルの構成の変形例)
次に、磁気結合リアクトルの構成の変形例について説明する。
(Modification of the configuration of the magnetically coupled reactor)
Next, a modified example of the configuration of the magnetic coupling reactor will be described.
図75には、変形例に従う磁気結合リアクトル100♯の概略的な外観が斜視図によって示される。
FIG. 75 is a perspective view showing a schematic appearance of magnetically coupled
図75を参照して、実施の形態2に従う磁気結合リアクトル100♯は、コア150♯と、巻線121a♯,121b♯,122a♯とを含む。巻線121a♯および121b♯は、巻線121aおよび121bと同様に、電気的に直列接続されて、リアクトルL1のコイルを構成する。巻線122a♯は、リアクトルL2のコイルを構成する。磁気結合リアクトル100♯においても、リアクトルL1を構成する巻線121a♯,121b♯と、リアクトルL2を構成する巻線122a♯とは、共通のコア150♯の別個の部位にそれぞれ巻回されている。
Referring to FIG. 75, magnetically coupled
図76は、図75に示された磁気結合リアクトルのコア150♯の外観を示す平面図である。
FIG. 76 is a plan view showing the appearance of
図76を参照して、コア150♯は、円環形状の外形部位と、外形部位から円環の中心に向かって延在する磁脚部151♯〜153♯とを有する。磁脚部151♯〜153♯は、円環の中心部で一体化される。すなわち、コア150♯では、外形部位および中心部位によって、磁気結合リアクトル100の磁脚部154と同様の磁脚部154♯が形成される。磁脚部151♯〜153♯には、ギャップ161♯〜163♯が設けられる。
Referring to FIG. 76,
磁脚部151♯〜153♯は、コア150♯における巻線121a♯,121b♯,122a♯の巻回部位に相当する。一方で、磁脚部154♯は、コア150♯における巻線の非巻回部位に相当し、巻線が巻回された磁脚部151♯〜153♯の間に磁気経路を形成するように機能する。
図77は、実施の形態2に従う磁気結合リアクトルにおける各巻線の巻回態様を説明するための概略的な平面図である。 FIG. 77 is a schematic plan view for illustrating a winding mode of each winding in the magnetic coupling reactor according to the second embodiment.
図77を参照して、端子201♯および202♯の間にリアクトル電流IL1が流される。導線121c♯によって、巻線121a♯および121b♯の間は、電気的に直列接続される。図70には、図60および図61等と同様に、IL1>0,IL2>0のときの電流方向が示される。
Referring to FIG. 77, reactor current IL1 flows between
リアクトル電流IL1が巻線121a♯および巻線121b♯を流れることによって、巻線121a♯から磁界211♯が生じるとともに、巻線121b♯から磁界212♯が生じる。この結果、磁界211♯は、円環中心側をN極とし、円環外周側をS極とする方向を有する。一方で、磁界212♯は、円環外周側をN極とし、円環中心側をS極とする方向を有する。すなわち、リアクトル電流IL1の通流によって、巻線121a♯,121b♯からそれぞれ発生される磁界211♯,212♯は、互いに反対方向であり、図6に示された磁界211および212と同様に、コア150♯内で、磁脚部151♯および152♯を含む一巡経路を形成する。このような磁界方向が実現されるように、導線121c♯は、巻線121a♯および121b♯の間に接続される。
Reactor current IL1 flows through winding 121a # and winding 121b #, thereby generating
さらに、端子203♯および204♯の間に、リアクトル電流IL2が流される(図30では、IL1>0,IL2>0)。これにより、巻線122a♯からは磁界213♯が発生される。磁界213♯は、円環中心側をN極とし、円環外周側をS極とする方向を有する。すなわち、同一方向のリアクトル電流IL1,IL2によって、巻線122a♯が生じる磁界213♯は、巻線121a♯からの磁界211♯とは同じ方向である一方で、巻線121b♯からの磁界212♯とは逆の方向である。
Furthermore, reactor current IL2 flows between
このように、磁気結合リアクトル100♯における、リアクトル電流IL1,IL2の通流による磁脚部151♯〜153♯での磁気的な挙動は、磁気結合リアクトル100の磁脚部151〜153と同様である。すなわち、実施の形態2に従う磁気結合リアクトル100♯において、磁脚部151♯は「第1の磁脚部」に対応し、磁脚部152♯は「第2の磁脚部」に対応する。また、磁脚部153♯は「第3の磁脚部」に対応する。
Thus, in
このように、変形例に従う磁気結合リアクトル100♯は、磁気結合リアクトル100と同様に、リアクトル電流IL1,IL2に応じて、リアクトルL1およびL2が非磁気結合モードおよび磁気結合モードの両方で動作することができる。
In this manner, magnetically coupled
したがって、磁気結合リアクトル100♯についても、図57に示された電源システム5Cにおいて、磁気結合リアクトル100に代えて使用することが可能である。磁気結合リアクトル100♯によってリアクトルL1,L2を構成した場合においても、実施の形態1およびその変形例1に示したPWM制御を適用して、リアクトル電流の位相を簡易に制御することができる。
Therefore,
なお、特許文献1にも記載されるように、実施の形態1に従う電源システム5Aの電力変換器50,50♯において、リアクトルL1,L2を実施の形態3で説明した磁気結合リアクトル100,100♯によって構成することも可能である。同様に、実施の形態2に従う電源システム5Bにおいても、電力変換器10,11,12a〜14a,12b〜14bにおいて、リアクトルL1,L2を実施の形態3で説明した磁気結合リアクトル100、100♯によって構成することも可能である。
As described in
また、電源システム5A〜5Cにおいて、負荷30は、電力変換器によって制御される直流電圧によって動作する機器であれば、任意の機器によって構成できる点について確認的に記載する。すなわち、本実施の形態では、電動車両の走行用電動機を含むように負荷30が構成される例を説明したが、本発明の適用はこのような負荷に限定されるものではない。
In addition, in the
さらに、2個の直流電源および2個のリアクトルを含む電力変換器であれば、本実施の形態で例示した回路構成に限定されることなく、実施の形態1およびその変形例1に従う、のこぎり波を用いたPWM制御を適用して各直流電源からの出力を制御することにより、リアクトル電流の位相を簡易に制御することが可能である。 Furthermore, if it is a power converter including two DC power supplies and two reactors, the sawtooth wave according to the first embodiment and its modification example 1 is not limited to the circuit configuration exemplified in the present embodiment. The phase of the reactor current can be easily controlled by controlling the output from each DC power source by applying PWM control using the.
なお、実施の形態1〜3および変形例では、各電力変換器の構成例について、スイッチング素子およびリアクトルの接続関係を図示して説明したが、各電力変換器の構成要素が、これらの素子のみに限定されることを意味するものではない。すなわち、本実施の形態において、構成要素同士が「電気的に接続される」との記載は、両要素間に他の回路要素やコネクタ端子が存在し、当該他の回路要素を経由して上記構成要素間に電気的な接続が確保されることを含むものとする。 In the first to third embodiments and the modified examples, the connection examples of the switching elements and the reactors are illustrated and described for the configuration examples of the power converters. However, the constituent elements of the power converters are only these elements. It is not meant to be limited to. That is, in the present embodiment, the description that the components are “electrically connected” means that there are other circuit elements and connector terminals between the two elements, and the above-described components are connected via the other circuit elements. This includes ensuring electrical connection between the components.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
5A,5B,5C 電源システム、6,7,10,11,12a,12b,13a,13b,14a,14b,50,50♯ 電力変換器、30 負荷、32 インバータ、35 モータジェネレータ、36 動力伝達ギヤ、37 駆動輪、40 制御装置、91,92 電圧源、100 磁気結合リアクトル、120〜126,130,131,191〜198 電流経路、121a,121a♯,121b,121b♯,122a,122a♯ 巻線、121c 導線、150,150♯ コア、151〜154,151♯〜154♯ 磁脚部、161〜163,161♯〜163♯ ギャップ、201〜204,201♯〜204♯ 端子、205 遷移周期、221〜223,221♯〜223♯ 磁束、301,302,303 動作点、305 磁化曲線、310 線形領域、500,510 出力制御部、502,512 偏差演算部、505,515 PI制御部、507,517 加算部、550 PWM制御部、560 キャリア波発生部、B1,B2 直流電源、GL,PL 電力線、CH 平滑コンデンサ、CW,CW1,CW2 キャリア波、D1〜D4,D11〜D14,D11♯〜D14♯ ダイオード、DT,DT1,DT2 デューティ比、DTa,DTb 変換デューティ比、Dff1,Dff2 フィードフォワード制御量、I[1],I[2] 電流(直流電源)、I 最大電流、I1 電流指令値、I1,Io 電流指令値、IL,IL1,IL2 リアクトル電流、L1,L2 リアクトル、N1,N2,N3,N11,N12 ノード、Pls,Pls0,Pls1,Pls2,Pls3 導通損失、Q1〜Q5,Q5a,Q5b,Q1♯〜Q4♯,S1〜S4 電力用半導体スイッチング素子(スイッチング素子)、QB5 双方向スイッチ、RTW 逆相三角波、SD1,SD2 制御パルス信号、SG1〜SG4,SQ1〜SQ5,SQ5a,SQ5b,SQ1♯〜SQ4♯ 制御信号(スイッチング素子)、STD 下りのこぎり波、STU 上りのこぎり波、TW 三角波、Tcy 周期(キャリア波)、V[1],V[2] 電圧(直流電源)、VH* 電圧指令値、VH 直流電圧(出力電圧)、VL1,VL2 リアクトル電圧。 5A, 5B, 5C power supply system, 6, 7, 10, 11, 12a, 12b, 13a, 13b, 14a, 14b, 50, 50 # power converter, 30 load, 32 inverter, 35 motor generator, 36 power transmission gear , 37 drive wheel, 40 control device, 91, 92 voltage source, 100 magnetic coupling reactor, 120-126, 130, 131, 191-198 current path, 121a, 121a #, 121b, 121b #, 122a, 122a # winding , 121c conductor, 150, 150 # core, 151-154, 151 # -154 # magnetic leg, 161-163, 161 # -163 # gap, 201-204, 201 # -204 # terminals, 205 transition period, 221 ˜223, 221 # ˜223 # magnetic flux, 301, 302, 303 operating point, 305 Magnetization curve, 310 linear region, 500, 510 output control unit, 502, 512 deviation calculation unit, 505, 515 PI control unit, 507, 517 addition unit, 550 PWM control unit, 560 carrier wave generation unit, B1, B2 DC power supply , GL, PL power line, CH smoothing capacitor, CW, CW1, CW2 carrier wave, D1-D4, D11-D14, D11 # -D14 # diode, DT, DT1, DT2 duty ratio, DTa, DTb conversion duty ratio, Dff1, Dff2 feedforward control amount, I [1], I [2] current (DC power supply), I maximum current, I1 current command value, I1, Io current command value, IL, IL1, IL2 reactor current, L1, L2 reactor, N1, N2, N3, N11, N12 nodes, Pls, Pls0, Pls 1, Pls2, Pls3 conduction loss, Q1 to Q5, Q5a, Q5b, Q1 # to Q4 #, S1 to S4 Power semiconductor switching element (switching element), QB5 bidirectional switch, RTW antiphase triangular wave, SD1, SD2 control pulse Signal, SG1 to SG4, SQ1 to SQ5, SQ5a, SQ5b, SQ1 # to SQ4 # Control signal (switching element), STD Down sawtooth wave, STU Up sawtooth wave, TW triangular wave, Tcy cycle (carrier wave), V [1] , V [2] Voltage (DC power supply), VH * Voltage command value, VH DC voltage (output voltage), VL1, VL2 Reactor voltage.
Claims (12)
第1の直流電源と、
第2の直流電源と、
前記第1および第2の直流電源と前記第1および第2の電力線との間で並列に直流電力変換を実行するための電力変換器と、
前記電力変換器における前記直流電力変換を制御するための制御装置を備え、
前記電力変換器は、
第1のリアクトルと、
第2のリアクトルと、
前記制御装置からの制御信号に応答したオンオフ制御によって、前記第1および第2のリアクトルのそれぞれを経由する電流経路を切換えるように配置された複数のスイッチング素子とを含み、
前記第1のリアクトルを経由する電流経路は、前記第1および第2の電力線の両方を含まずに前記第1の直流電源および前記第1のリアクトルの間で形成される第1の電流経路と、前記第1および第2の電力線の間に前記第1の直流電源および前記第1のリアクトルを直列に接続する第2の電流経路とを含み、
前記第2のリアクトルを経由する電流経路は、前記第1および第2の電力線の両方を含まずに前記第2の直流電源および前記第2のリアクトルの間で形成される第3の電流経路と、前記第1および第2の電力線の間に前記第2の直流電源および前記第2のリアクトルを直列に接続する第4の電流経路とを含み、
前記制御装置は、
前記第1の直流電源からの出力を制御する第1の出力デューティ比と、前記第1の出力デューティ比の最大値に相当する電圧幅を有する第1のキャリア波との比較に従って前記第1および第2の電流経路を選択的に形成し、かつ、前記第2の直流電源からの出力を制御する第2の出力デューティ比と、前記第2の出力デューティ比の最大値に相当する電圧幅を有する第2のキャリア波との比較に従って前記第3および第4の電流経路を選択的に形成するように前記複数のスイッチング素子の前記制御信号を生成し、
前記第1および第2のキャリア波の各々は、同一周波数でエッジタイミングが同期した、右上がり直線部分を有する第1の鋸歯状波および右下がり直線部分を有する第2の鋸歯状波の一方を選択することによって構成され、
前記制御装置は、前記電力変換器の動作中において、前記第1および第2のキャリア波の各々について、前記第1および第2の鋸歯状波の選択を前記電力変換器の動作状態に応じて切替える、電源システム。 A power supply system for controlling a DC voltage between a first power line on a high voltage side and a second power line on a low voltage side connected to a load,
A first DC power supply;
A second DC power source;
A power converter for performing DC power conversion in parallel between the first and second DC power supplies and the first and second power lines;
A control device for controlling the DC power conversion in the power converter;
The power converter is
A first reactor;
A second reactor,
A plurality of switching elements arranged to switch a current path passing through each of the first and second reactors by on / off control in response to a control signal from the control device;
A current path passing through the first reactor includes a first current path formed between the first DC power source and the first reactor without including both the first and second power lines. A second current path connecting the first DC power source and the first reactor in series between the first and second power lines,
A current path passing through the second reactor includes a third current path formed between the second DC power source and the second reactor without including both the first and second power lines. A fourth current path connecting the second DC power source and the second reactor in series between the first and second power lines,
The controller is
According to the comparison between the first output duty ratio for controlling the output from the first DC power supply and the first carrier wave having a voltage width corresponding to the maximum value of the first output duty ratio, A second output duty ratio for selectively forming a second current path and controlling an output from the second DC power supply; and a voltage width corresponding to a maximum value of the second output duty ratio. Generating the control signals of the plurality of switching elements to selectively form the third and fourth current paths according to a comparison with a second carrier wave having
Each of the first and second carrier waves is one of a first sawtooth wave having a right rising straight portion and a second sawtooth wave having a right falling straight portion having the same frequency and synchronized edge timing. Composed by choosing
In the operation of the power converter, the control device selects the first and second sawtooth waves for each of the first and second carrier waves according to the operating state of the power converter. Switching power supply system.
前記第1のキャリア波において前記第1および第2の鋸歯状波の選択を切換える場合に、前記第1および第2の鋸歯状波の周期と同一長の遷移周期を設けるとともに、前記遷移周期において、前記第1のキャリア波を、前記第1および第2の鋸歯状波と同一周波数の三角波、または、当該三角波の逆相三角波に設定し、さらに、前記遷移周期における前記第1のリアクトルの平均電流が当該遷移周期の直前の周期と同等になるように、前記第1の出力デューティ比を変換し、
前記第2のキャリア波において前記第1および第2の鋸歯状波の選択を切換える場合に、前記遷移周期を設けるとともに、前記遷移周期において、前記第2のキャリア波を前記三角波または前記逆相三角波に設定し、さらに、前記遷移周期における前記第2のリアクトルの平均電流が当該遷移周期の直前の周期と同等になるように、前記第2の出力デューティ比を変換する、請求項1記載の電源システム。 The controller is
When switching the selection of the first and second sawtooth waves in the first carrier wave, a transition cycle having the same length as that of the first and second sawtooth waves is provided, and in the transition cycle The first carrier wave is set to a triangular wave having the same frequency as that of the first and second sawtooth waves, or a reverse-phase triangular wave of the triangular wave, and the average of the first reactor in the transition period Converting the first output duty ratio so that the current is equal to the period immediately before the transition period;
When switching the selection of the first and second sawtooth waves in the second carrier wave, the transition period is provided, and in the transition period, the second carrier wave is the triangular wave or the antiphase triangular wave. The power supply according to claim 1, further comprising: converting the second output duty ratio so that an average current of the second reactor in the transition period is equal to a period immediately before the transition period. system.
第1のノードおよび前記第1の電力線の間に電気的に接続された第1のスイッチング素子と、
第2のノードおよび前記第1のノードの間に電気的に接続された第2のスイッチング素子と、
第3のノードおよび前記第2のノードの間に電気的に接続された第3のスイッチング素子と、
前記第2の直流電源の負極端子と電気的に接続された前記第2の電力線と、前記第3のノードとの間に電気的に接続された第4のスイッチング素子とを有し、
前記第1のリアクトルは、前記第2のノードと前記第2の電力線との間に、前記第1の直流電源と直列に電気的に接続され、
前記第2のリアクトルは、前記第1および第3のノードの間に、前記第2の直流電源と直列に電気的に接続され、
前記第1の電流経路の形成時には前記第3および第4のスイッチング素子がオンされ、
前記第2の電流経路の形成時には前記第1および第2のスイッチング素子がオンされ、
前記第3の電流経路の形成時には前記第2および第3のスイッチング素子がオンされ、
前記第4の電流経路の形成時には前記第1および第4のスイッチング素子がオンされる、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電源システム。 The plurality of switching elements are:
A first switching element electrically connected between a first node and the first power line;
A second switching element electrically connected between a second node and the first node;
A third switching element electrically connected between a third node and the second node;
A second switching line electrically connected between the second power line electrically connected to the negative terminal of the second DC power supply and the third node;
The first reactor is electrically connected in series with the first DC power source between the second node and the second power line,
The second reactor is electrically connected in series with the second DC power source between the first and third nodes,
When the first current path is formed, the third and fourth switching elements are turned on,
When the second current path is formed, the first and second switching elements are turned on,
When the third current path is formed, the second and third switching elements are turned on,
The power supply system according to any one of claims 1 to 3, wherein the first and fourth switching elements are turned on when the fourth current path is formed.
第1のノードおよび前記第1の電力線の間に電気的に接続された第1のスイッチング素子と、
第2のノードおよび前記第1のノードの間に電気的に接続された第2のスイッチング素子と、
第3のノードおよび前記第2のノードの間に電気的に接続された第3のスイッチング素子と、
前記第2の直流電源の負極端子と電気的に接続された前記第2の電力線と、前記第3のノードとの間に電気的に接続された第4のスイッチング素子とを有し、
前記第1のリアクトルは、前記第2のノードと前記第1の電力線との間に、前記第1の直流電源と直列に電気的に接続され、
前記第2のリアクトルは、前記第1および第3のノードの間に、前記第2の直流電源と直列に電気的に接続され、
前記第1の電流経路の形成時には前記第1および第2のスイッチング素子がオンされ、
前記第2の電流経路の形成時には前記第3および第4のスイッチング素子がオンされ、
前記第3の電流経路の形成時には前記第2および第3のスイッチング素子がオンされ、
前記第4の電流経路の形成時には前記第1および第4のスイッチング素子がオンされる、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電源システム。 The plurality of switching elements are:
A first switching element electrically connected between a first node and the first power line;
A second switching element electrically connected between a second node and the first node;
A third switching element electrically connected between a third node and the second node;
A second switching line electrically connected between the second power line electrically connected to the negative terminal of the second DC power supply and the third node;
The first reactor is electrically connected in series with the first DC power source between the second node and the first power line.
The second reactor is electrically connected in series with the second DC power source between the first and third nodes,
When the first current path is formed, the first and second switching elements are turned on,
The third and fourth switching elements are turned on when the second current path is formed,
When the third current path is formed, the second and third switching elements are turned on,
The power supply system according to any one of claims 1 to 3, wherein the first and fourth switching elements are turned on when the fourth current path is formed.
前記第1の電力線と第1のノードとの間に電気的に接続される第1の半導体素子と、
前記第2の電力線と前記第1のノードとの間に電気的に接続される第2の半導体素子と、
第2のノードと、前記第2の電力線との間に電気的に接続される第3の半導体素子と、
前記第1の電力線と前記第2のノードとの間に電気的に接続される第4の半導体素子と、
前記第1のノードと前記第2のノードとの間に電気的に接続される第5の半導体素子とを含み、
少なくとも前記第2、第4および第5の半導体素子は、前記スイッチング素子を有し、
少なくとも前記第1および第3の半導体素子は、前記第2の電力線から前記第1の電力線へ向かう方向を順方向として配置されたダイオードを有し、
前記第1のリアクトルは、前記第1のノードと前記第2の電力線との間に、前記第1の直流電源と直列に電気的に接続され、
前記第2のリアクトルは、前記第2のノードと前記第1の電力線の間に、前記第2の直流電源と直列に電気的に接続され、
前記第1の電流経路の形成時には前記第2の半導体素子によって電流経路が形成され、
前記第2の電流経路の形成時には前記第1の半導体素子によって電流経路が形成され、
前記第3の電流経路の形成時には前記第4の半導体素子によって電流経路が形成され、
前記第4の電流経路の形成時には前記第3の半導体素子によって電流経路が形成され、
前記第5の半導体素子は、前記第1および第4の電流経路が同時に形成される期間、および、前記第2および第3の電流経路が同時に形成される期間において電流経路を形成する、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電源システム。 The power converter is
A first semiconductor element electrically connected between the first power line and a first node;
A second semiconductor element electrically connected between the second power line and the first node;
A third semiconductor element electrically connected between a second node and the second power line;
A fourth semiconductor element electrically connected between the first power line and the second node;
Look including a fifth semiconductor element electrically connected between said second node and said first node,
At least the second, fourth, and fifth semiconductor elements include the switching element,
At least the first and third semiconductor elements have diodes arranged with the direction from the second power line toward the first power line as a forward direction,
The first reactor is electrically connected in series with the first DC power source between the first node and the second power line.
The second reactor is electrically connected in series with the second DC power source between the second node and the first power line.
Wherein at the time of formation of the first current path a current path is formed by the front Stories second semiconductor element,
When forming the second current path, a current path is formed by the first semiconductor element,
When the third current path is formed, a current path is formed by the fourth semiconductor element,
When forming the fourth current path, a current path is formed by the third semiconductor element,
The fifth semiconductor element forms a current path in a period in which the first and fourth current paths are formed simultaneously and in a period in which the second and third current paths are formed simultaneously. The power supply system of any one of 1-3.
前記第1のノードから前記第2のノードへ向かう電流経路を前記第1および第2のノード間に形成するオン状態と当該電流経路を遮断するオフ状態とを前記制御装置からの信号に応答して選択的に形成するための第1のサブスイッチング素子と、
前記第2のノードから前記第1のノードへ向かう電流経路を前記第1および第2のノード間に形成するオン状態と当該電流経路を遮断するオフ状態とを前記制御装置からの信号に応答して選択的に形成するための第2のサブスイッチング素子とを含む、請求項7または8記載の電源システム。 The fifth semiconductor element is:
In response to a signal from the control device, an on state in which a current path from the first node to the second node is formed between the first and second nodes and an off state in which the current path is interrupted are responded. A first sub-switching element for selectively forming,
In response to a signal from the control device, an on state in which a current path from the second node to the first node is formed between the first and second nodes and an off state in which the current path is cut off are responded to. And a second sub-switching element for selectively forming the power supply system.
前記複合磁気部品は、
前記第1のリアクトルを構成するための、電気的に直列接続された第1および第2の巻線と、
前記第1のリアクトルを構成するための第3の巻線と、
非線形磁性材料で構成されたコアとを含み、
前記コアは、前記第1の巻線が巻回される第1の磁脚部と、前記第2の巻線が巻回される第2の磁脚部と、前記第3の巻線が巻回される第3の磁脚部と、前記第1から第3の磁脚部の間に磁気経路を形成するための第4の磁脚部とを含むように構成される、請求項1記載の電源システム。 The first and second reactors are integrally configured by a single composite magnetic component,
The composite magnetic component is
First and second windings electrically connected in series to form the first reactor;
A third winding for constituting the first reactor;
A core composed of a non-linear magnetic material,
The core includes a first magnetic leg portion around which the first winding is wound, a second magnetic leg portion around which the second winding is wound, and the third winding. The third magnetic leg portion to be rotated, and a fourth magnetic leg portion for forming a magnetic path between the first to third magnetic leg portions. Power system.
前記非磁気結合モードにおいては、前記第1および第2の磁脚部における透磁率が同等である一方で、前記磁気結合モードにおいては、前記第1および第2の磁脚部の一方での透磁率が、前記第1および第2の磁脚部の他方の透磁率よりも低い、請求項10記載の電源システム。 The operating states of the first reactor and the second reactor are changed from the non-magnetic coupling mode in which the first and second reactors operate in a magnetically non-interfering state according to an increase in current. And the second reactor changes to a magnetic coupling mode that operates in a magnetically interfered state,
In the non-magnetic coupling mode, the magnetic permeability in the first and second magnetic leg portions is equal, while in the magnetic coupling mode, the permeability in one of the first and second magnetic leg portions is the same. The power supply system according to claim 10, wherein a magnetic permeability is lower than a magnetic permeability of the other of the first and second magnetic leg portions.
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