JP6784249B2 - Ａｃインバータ - Google Patents

Description

本発明は、ＡＣインバータに関する。

既存のＡＣインバータとして、例えば、絶縁型ＤＣＤＣ変換部と、ＤＣＡＣ変換部とを備えるものがある。
絶縁型ＤＣＤＣ変換部は、スイッチング素子がオン、オフすることにより、入力される直流電力を交流電力に変換してトランスの１次コイルから２次コイルへ伝え、２次コイルへ伝わった交流電力を整流するとともに平滑することにより直流電力に変換する。

ＤＣＡＣ変換部は、例えばＨブリッジ状に接続されたスイッチング素子がオン、オフすることにより、絶縁型ＤＣＤＣ変換部から出力される直流電力を交流電力に変換して負荷へ出力する。

また、上述の既存のＡＣインバータでは、負荷へ出力される交流電流の実効値の増加に伴って、ＡＣインバータ内の抵抗成分による電圧降下により絶縁型ＤＣＤＣ変換部から出力される出力電圧が低下すると、その分、ＤＣＡＣ変換部のスイッチング素子のオン、オフを制御する制御信号のデューティ比を大きくして、負荷へ出力される交流電圧の実効値が減少することを抑える。

関連する技術として、例えば、特許文献１参照。

特開２０１３−２１９９８２号公報

しかしながら、上述の既存のＡＣインバータでは、負荷へ出力される交流電流の実効値の変動に伴って、ＡＣインバータ内の抵抗成分による電圧降下により絶縁型ＤＣＤＣ変換部の出力電圧が変動すると、制御信号のデューティ比も変動するため、負荷へ出力される交流電圧の波形が不安定になり、負荷を安定して駆動させることができなくなるおそれがある。

また、上述の既存のＡＣインバータでは、負荷へ出力される交流電流の実効値の増加に伴って、ＡＣインバータ内の抵抗成分による電圧降下により絶縁型ＤＣＤＣ変換部の出力電圧が低下すると、負荷へ出力される交流電圧の最大値（波高値）が、負荷を駆動させるために必要な交流電圧の最大値よりも小さくなり、負荷を駆動することができなくなるおそれがある。

本発明の一側面に係る目的は、負荷へ流れる交流電流の実効値が変動しても、安定した波形の交流電圧を負荷へ出力することが可能なＡＣインバータを提供することである。

本発明に係る一つの形態であるＡＣインバータは、車両に搭載され、入力される直流電力を商用交流電力に変換するＡＣインバータであって、絶縁型ＤＣＤＣ変換部と、制御部と、ＤＣＡＣ変換部とを備える。

絶縁型ＤＣＤＣ変換部は、スイッチング素子がオン、オフすることにより、直流電力を交流電力に変換してトランスの１次コイルから２次コイルへ伝え、２次コイルへ伝わった交流電力を整流するとともに平滑することにより直流電力に変換する。

制御部は、絶縁型ＤＣＤＣ変換部に入力される入力電圧に基づいてスイッチング素子のオン、オフを制御する制御信号のデューティ比を求めるとともに、そのデューティ比を、少なくとも絶縁型ＤＣＤＣ変換部に入力される入力電流に基づいて補正する。

ＤＣＡＣ変換部は、絶縁型ＤＣＤＣ変換部から出力される直流電力を商用交流電力に変換する。

本発明によれば、ＡＣインバータから負荷へ流れる交流電流の実効値が変動しても、安定した波形の交流電圧を負荷へ出力することができる。

実施形態のＡＣインバータを示す図である。 制御部の動作の一例を示すフローチャートである。 記憶部に記憶される情報の一例を示す図である。

以下図面に基づいて実施形態について詳細を説明する。
図１は、実施形態のＡＣインバータを示す図である。
図１に示すＡＣインバータは、プラグインハイブリッド車や電気自動車などの車両に搭載され、バッテリＢから出力される直流電力を商用交流電力に変換してパーソナルコンピュータやゲーム機器などの負荷Ｌｏへ供給する。例えば、商用交流電力は、商用電源の交流電力と周波数が同じ矩形波の交流電力とする。

また、図１に示すＡＣインバータは、絶縁型ＤＣＤＣ変換部１１と、電流検出部１２と、制御部１３と、記憶部１４と、ＤＣＡＣ変換部１５と、制御部１６とを備える。
絶縁型ＤＣＤＣ変換部１１は、スイッチング素子ＳＷｄｃと、トランスＴと、ダイオードＤ１と、ダイオードＤ２と、インダクタＬと、コンデンサＣとを備える。

スイッチング素子ＳＷｄｃは、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）とする。スイッチング素子ＳＷｄｃのソース端子はバッテリＢのマイナス端子に接続されている。バッテリＢのプラス端子は電流検出部１２を介してトランスＴの１次コイルの一方端に接続されている。トランスＴの１次コイルの他方端はスイッチング素子ＳＷｄｃのドレイン端子に接続されている。トランスＴの２次コイルの一方端はダイオードＤ１のアノード端子に接続されている。ダイオードＤ１のカソード端子はダイオードＤ２のカソード端子及びインダクタＬの一方端に接続されている。インダクタＬの他方端はコンデンサＣの一方端に接続されている。コンデンサＣの他方端はトランスＴの２次コイルの他方端及びダイオードＤ２のアノード端子に接続されている。なお、絶縁型ＤＣＤＣ変換部１１の回路構成は、図１に示す回路構成に限定されない。

絶縁型ＤＣＤＣ変換部１１は、スイッチング素子ＳＷｄｃがオン、オフすることにより、バッテリＢから出力され絶縁型ＤＣＤＣ変換部１１に入力される直流電力を交流電力に変換してトランスＴの１次コイルから２次コイルへ伝え、２次コイルへ伝わった交流電力をダイオードＤ１、Ｄ２により整流するとともにインダクタＬ及びコンデンサＣにより平滑することにより直流電力に変換する。

電流検出部１２は、例えば、シャント抵抗やホール素子により構成され、絶縁型ＤＣＤＣ変換部１１の入力電流Ｉｉｎを検出する。
制御部１３は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）またはプログラマブルデバイス（ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＰＬＤ（Programmable Logic Device）など）により構成される。

また、制御部１３は、スイッチング素子ＳＷｄｃのオン、オフを制御する制御信号Ｓｄｃのデューティ比を制御することにより、絶縁型ＤＣＤＣ変換部１１の入力電圧Ｖｉｎに対する絶縁型ＤＣＤＣ変換部１１の出力電圧Ｖｏｕｔの昇圧比または降圧比を制御する。

また、制御部１３は、入力電圧Ｖｉｎに基づいて、制御信号Ｓｄｃのデューティ比を求める。このように、入力電圧Ｖｉｎだけでなく出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて、制御信号Ｓｄｃのデューティ比を求める構成に比べて、出力電圧Ｖｏｕｔを制御部１３へフィードバックさせるためのフォトカプラなどの絶縁素子をＡＣインバータに備える必要がない分、ＡＣインバータの製造コストを抑えることができる。

また、制御部１３は、少なくとも絶縁型ＤＣＤＣ変換部１１に入力される入力電流Ｉｉｎ（電流検出部１２により検出される電流値）に基づいて、制御信号Ｓｄｃのデューティ比を補正する。例えば、ＡＣインバータから負荷Ｌｏへ出力される交流電流の実効値が大きくなり、すなわち、入力電流Ｉｉｎが大きくなり、ＡＣインバータ内の抵抗成分による電圧降下が増加する分、制御信号Ｓｄｃのデューティ比を大きくして出力電圧Ｖｏｕｔを増加させることにより、ＡＣインバータから負荷Ｌｏへ出力される交流電流の実効値の変動に伴う出力電圧Ｖｏｕｔの変動を抑えることができる。これにより、出力電圧Ｖｏｕｔの変動に伴う制御信号Ｓａｃ１〜Ｓａｃ４のデューティ比の変動を抑えることができる。また、出力電圧Ｖｏｕｔが低下することによる、ＡＣインバータから負荷Ｌｏへ出力される交流電圧の最大値（波高値）が低下することを抑えることができる。従って、安定した波形の交流電圧を負荷Ｌｏへ出力することができるため、負荷Ｌｏを安定して駆動させることができる。

記憶部１４は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）により構成される。
ＤＣＡＣ変換部１５は、スイッチング素子ＳＷａｃ１〜スイッチング素子ＳＷａｃ４を備える。

スイッチング素子ＳＷａｃ１〜スイッチング素子ＳＷａｃ４は、それぞれ、例えば、ＭＯＳＦＥＴとする。スイッチング素子ＳＷａｃ１のドレイン端子はコンデンサＣの一方端及びスイッチング素子ＳＷａｃ２のドレイン端子に接続され、スイッチング素子ＳＷａｃ１のソース端子はスイッチング素子ＳＷａｃ３のドレイン端子及び負荷Ｌｏの一方の入力端子に接続されている。スイッチング素子ＳＷａｃ３のソース端子はコンデンサＣの他方端及びスイッチング素子ＳＷａｃ４のソース端子に接続されている。スイッチング素子ＳＷａｃ４のドレイン端子はスイッチング素子ＳＷａｃ２のソース端子及び負荷Ｌｏの他方の入力端子に接続されている。なお、ＤＣＡＣ変換部１５の回路構成は、図１に示す回路構成に限定されない。スイッチング素子ＳＷａｃ１は、制御信号Ｓａｃ１によりオン、オフが制御され、スイッチング素子ＳＷａｃ２は、制御信号Ｓａｃ２によりオン、オフが制御され、スイッチング素子ＳＷａｃ３は、制御信号Ｓａｃ３によりオン、オフが制御され、スイッチング素子ＳＷａｃ４は、制御信号Ｓａｃ４によりオン、オフが制御される。

ＤＣＡＣ変換部１５は、スイッチング素子ＳＷａｃ１及びスイッチング素子ＳＷａｃ４がオンするとともに、スイッチング素子ＳＷａｃ２及びスイッチング素子ＳＷａｃ３がオフした後、スイッチング素子ＳＷａｃ１及びスイッチング素子ＳＷａｃ４がオフするとともに、スイッチング素子ＳＷａｃ２及びスイッチング素子ＳＷａｃ３がオンすることを繰り返すことにより、絶縁型ＤＣＤＣ変換部１１から出力される直流電力を商用交流電力に変換する。

制御部１６は、例えば、ＣＰＵまたはプログラマブルデバイスにより構成される。
また、制御部１６は、ＤＣＡＣ変換部１５から負荷Ｌｏへ出力される交流電圧の実効値が、負荷Ｌｏを駆動させることが可能な交流電圧の実効値の許容範囲内になるように、絶縁型ＤＣＤＣ変換部１１の出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて、制御信号Ｓａｃ１〜制御信号Ｓａｃ４のデューティ比を求める。

図２は、制御部１３の動作の一例を示すフローチャートである。なお、制御部１３は、例えば、制御タイミング毎に、図２に示すＳ２１〜Ｓ２６の処理を実行するものとする。
まず、制御部１３は、入力電圧Ｖｉｎを取得するとともに（Ｓ２１）、入力電流Ｉｉｎを取得する（Ｓ２２）。

次に、制御部１３は、入力電圧Ｖｉｎに基づいて、制御信号Ｓｄｃのデューティ比を求める（Ｓ２３）。
例えば、制御部１３は、図３（ａ）に示すように、入力電圧Ｖｉｎと、制御信号Ｓｄｃのデューティ比Ｄｕｔｙとの関係を示す入力電圧−デューティ比対応情報Ｄ１を参照して、Ｓ２１で取得した入力電圧Ｖｉｎに対応するディーティ比Ｄｕｔｙを、今回の制御タイミングにおける制御信号Ｓｄｃのデューティ比として求める。

図３（ａ）に示す入力電圧Ｖｉｎ１〜入力電圧Ｖｉｎ３の大小関係は、入力電圧Ｖｉｎ１＜入力電圧Ｖｉｎ２＜入力電圧Ｖｉｎ３とし、図３（ａ）に示すデューティ比Ｄｕｔｙ１〜デューティ比Ｄｕｔｙ３の大小関係は、デューティ比Ｄｕｔｙ１＜デューティ比Ｄｕｔｙ２＜デューティ比Ｄｕｔｙ３とする。すなわち、入力電圧Ｖｉｎが大きくなるほど、制御信号Ｓｄｃのデューティ比が小さくなる。

これにより、入力電圧Ｖｉｎが大きくなるほど、制御信号Ｓｄｃのデューティ比を低下させることができるため、入力電圧Ｖｉｎの変動に伴って出力電圧Ｖｏｕｔが変動することを抑えることができる。なお、図３（ａ）に示す入力電圧−デューティ比対応情報Ｄ１は、例えば、実験やシミュレーションなどを行うことにより予め求められ、記憶部１４に記憶されているものとする。

次に、図２に示すフローチャートにおいて、制御部１３は、少なくとも入力電流Ｉｉｎに基づいて、補正値Ｄｕｔｙ＋を求めるとともに（Ｓ２４）、その求めた補正値Ｄｕｔｙ＋に基づいて、Ｓ２３で求めた制御信号Ｓｄｃのデューティ比を補正する（Ｓ２５）。

例えば、制御部１３は、図３（ｂ）に示すように、入力電流Ｉｉｎと、補正値Ｄｕｔｙ＋との関係を示す入力電流−補正値対応情報Ｄ２を参照して、今回の制御タイミングのＳ２２で取得した入力電流Ｉｉｎに対応する補正値Ｄｕｔｙ＋を、今回の制御タイミングにおける補正値Ｄｕｔｙ＋として取得し、その取得した補正値Ｄｕｔｙ＋を、Ｓ２３で求めたデューティ比Ｄｕｔｙに加算することにより、制御信号Ｓｄｃのデューティ比を補正する。

図３（ｂ）に示す入力電流Ｉｉｎ１〜入力電流Ｉｉｎ３の大小関係は、入力電流Ｉｉｎ１＜入力電流Ｉｉｎ２＜入力電流Ｉｉｎ３とする。図３（ｂ）に示す補正値Ｄｕｔｙ＋１〜補正値Ｄｕｔｙ＋３の大小関係は、補正値Ｄｕｔｙ＋１＜補正値Ｄｕｔｙ＋２＜補正値Ｄｕｔｙ＋３とする。すなわち、入力電流Ｉｉｎが大きくなるほど、補正値Ｄｕｔｙ＋が大きくなる。

これにより、入力電流Ｉｉｎが大きくなるほど、すなわち、ＡＣインバータから負荷Ｌｏへ出力される交流電流の実効値が大きくなるほど、補正値Ｄｕｔｙ＋が大きくなるため、ＡＣインバータから負荷Ｌｏへ出力される交流電流の実効値が大きくなるほど、制御信号Ｓｄｃのデューティ比が大きくなる。そのため、ＡＣインバータから負荷Ｌｏへ出力される交流電流の実効値の増加に伴ってＡＣインバータ内の抵抗成分による電圧降下が増加する分、制御信号Ｓｄｃのデューティ比を大きくして出力電圧Ｖｏｕｔを上昇させることができ、ＡＣインバータから負荷Ｌｏへ出力される交流電流の実効値の変動に伴う出力電圧Ｖｏｕｔの変動を抑えることができる。そのため、出力電圧Ｖｏｕｔの変動に伴う制御信号Ｓａｃ１〜Ｓａｃ４のデューティ比の変動を抑えることができる。また、出力電圧Ｖｏｕｔが低下することによる、ＡＣインバータから負荷Ｌｏへ出力される交流電圧の最大値（波高値）が低下することを抑えることができる。従って、安定した波形の交流電圧を負荷Ｌｏへ出力することができるため、負荷Ｌｏを安定して駆動させることができる。

なお、制御部１３は、図３（ｃ）に示すように、入力電流Ｉｉｎと、入力電圧Ｖｉｎと、補正値Ｄｕｔｙ＋との関係を示す入力電流−入力電圧−補正値対応情報Ｄ３を参照して、今回の制御タイミングのＳ２２で取得した入力電流Ｉｉｎ及びＳ２１で取得した入力電圧Ｖｉｎに対応する補正値Ｄｕｔｙ＋を、今回の制御タイミングにおける補正値Ｄｕｔｙ＋として取得し、その取得した補正値Ｄｕｔｙ＋を、Ｓ２３で求めたデューティ比に加算することにより、制御信号Ｓｄｃのデューティ比を補正するように構成してもよい。

図３（ｃ）に示す入力電流Ｉｉｎ１〜入力電流Ｉｉｎ３の大小関係は、入力電流Ｉｉｎ１＜入力電流Ｉｉｎ２＜入力電流Ｉｉｎ３とする。図３（ｃ）に示す入力電圧Ｖｉｎ１〜入力電圧Ｖｉｎ３の大小関係は、入力電圧Ｖｉｎ１＜入力電圧Ｖｉｎ２＜入力電圧Ｖｉｎ３とする。図３（ｃ）に示す補正値Ｄｕｔｙ＋１〜補正値Ｄｕｔｙ＋５の大小関係は、補正値Ｄｕｔｙ＋１＜補正値Ｄｕｔｙ＋２＜補正値Ｄｕｔｙ＋３＜補正値Ｄｕｔｙ＋４＜補正値Ｄｕｔｙ＋５とする。すなわち、入力電流Ｉｉｎ及び入力電圧Ｖｉｎが大きくなるほど、補正値Ｄｕｔｙ＋が大きくなる。

このように、図３（ｃ）に示す入力電流−入力電圧−補正値対応情報Ｄ３を参照して、補正値Ｄｕｔｙ＋を求める場合は、図３（ｂ）に示す入力電流−デューティ比対応情報Ｄ２を参照して、補正値Ｄｕｔｙ＋を求める場合に比べて、入力電圧Ｖｉｎの変動に伴うＡＣインバータ内の抵抗成分による電圧降下の変動を考慮して、補正値Ｄｕｔｙ＋をより正確に求めることができるため、出力電圧Ｖｏｕｔをより安定させることができ、ＡＣインバータから負荷Ｌｏへ出力される交流電圧の波形をより安定させることができる。

なお、図３（ｂ）に示す入力電流−デューティ比対応情報Ｄ２、または、図３（ｃ）に示す入力電流−入力電圧−補正値対応情報Ｄ３は、例えば、記憶部１４に記憶され、実験やシミュレーションなどを行うことにより予め求められているものとする。また、入力電流−入力電圧−補正値対応情報Ｄ３の入力電圧Ｖｉｎ１〜入力電圧Ｖｉｎ３の大小関係は、図３（ｃ）に示す大小関係に限定されない。

そして、図２に示すフローチャートにおいて、制御部１３は、補正後の制御信号Ｓｄｃによりスイッチング素子ＳＷｄｃのオン、オフを制御する（Ｓ２６）。
なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。

１１ 絶縁型ＤＣＤＣ変換部
１２ 電流検出部
１３ 制御部
１４ 記憶部
１５ ＤＣＡＣ変換部
１６ 制御部

Claims (3)

1. 車両に搭載され、入力される直流電力を商用交流電力に変換するＡＣインバータであって、
   スイッチング素子がオン、オフすることにより、前記直流電力を交流電力に変換してトランスの１次コイルから２次コイルへ伝え、前記２次コイルへ伝わった交流電力を整流するとともに平滑することにより直流電力に変換する絶縁型ＤＣＤＣ変換部と、
   前記絶縁型ＤＣＤＣ変換部に入力される入力電圧に基づいて前記スイッチング素子のオン、オフを制御する制御信号のデューティ比を求めるとともに、そのデューティ比を、少なくとも前記絶縁型ＤＣＤＣ変換部に入力される入力電流に基づいて補正する制御部と、
   前記絶縁型ＤＣＤＣ変換部から出力される直流電力を前記商用交流電力に変換するＤＣＡＣ変換部と、
   を備えるＡＣインバータ。
2. 請求項１に記載のＡＣインバータであって、
   前記入力電流と、補正値とが対応付けられた入力電流−補正値対応情報を記憶する記憶部を備え、
   前記制御部は、前記入力電流−補正値対応情報を参照して、前記絶縁型ＤＣＤＣ変換部に入力される入力電流に対応する補正値を求め、その補正値を、前記入力電圧に基づいて求めたデューティ比に加算することにより、前記制御信号のデューティ比を補正する
   ことを特徴とするＡＣインバータ。
3. 請求項１に記載のＡＣインバータであって、
   前記入力電流と、前記入力電圧と、補正値とが対応付けられた入力電流−入力電圧−補正値対応情報を記憶する記憶部を備え、
   前記制御部は、前記入力電流−入力電圧−補正値対応情報を参照して、前記絶縁型ＤＣＤＣ変換部に入力される入力電流及び前記絶縁型ＤＣＤＣ変換部に入力される入力電圧に対応する補正値を求め、その補正値を、前記入力電圧に基づいて求めたデューティ比に加算することにより、前記制御信号のデューティ比を補正する
   ことを特徴とするＡＣインバータ。
   

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