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公開番号2021058055
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210408
出願番号2019181705
出願日20191001
発明の名称電力変換装置
出願人株式会社SOKEN,株式会社デンソー
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H02M 3/28 20060101AFI20210312BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】抵抗性負荷30等に過電流が流れることを抑制できる電力変換装置40を提供する。
【解決手段】電力変換装置40は、第1スイッチQ1及び第2スイッチQ2の直列接続体と、第3スイッチQ3及び第4スイッチQ4の直列接続体とを有する第1フルブリッジ回路50と、第3フルブリッジ回路70と、トランス80と、第1スイッチQ1及び第2スイッチQ2を交互にオンし、第3スイッチQ3及び第4スイッチQ4を交互にオンする制御部100とを備えている。制御部100は、第1スイッチQ1のオン操作への切り替えタイミングと、第3スイッチQ3のオン操作への切り替えタイミングとの位相差を、抵抗性負荷30が接続された各端子CH3,CL3の電圧V3rが低いほど小さく設定する。
【選択図】 図1
特許請求の範囲【請求項1】
送電側端子(CH1,CL1)及び受電側端子(CH2,CL2)を備え、該受電側端子に抵抗性負荷(30)が接続される電力変換装置(40)において、
第1スイッチ(Q1)及び第2スイッチ(Q2)の直列接続体と、第3スイッチ(Q3)及び第4スイッチ(Q4)の直列接続体とを有し、これら直列接続体が前記送電側端子に接続されるフルブリッジ回路(50)と、
前記受電側端子に接続される電力変換回路(70,110,120,130)と、
前記フルブリッジ回路に接続された送電側コイル(81)と、前記電力変換回路に接続され、かつ、前記送電側コイルと磁気結合する受電側コイル(83)と、を有するトランス(80)と、
前記受電側端子の電圧を検出する受電側電圧センサ(93)と、
前記第1スイッチ及び前記第2スイッチを交互にオンし、前記第3スイッチ及び前記第4スイッチを交互にオンする制御部(100)と、を備え、
前記制御部は、前記第1スイッチのオン操作への切り替えタイミングと、前記第3スイッチのオン操作への切り替えタイミングとの位相差(λ1)を、検出された前記受電側端子の電圧(V3r)が低いほど小さく設定する電力変換装置。
続きを表示(約 1,700 文字)【請求項2】
前記送電側端子の電圧を検出する送電側電圧センサ(91)を備え、
前記制御部は、検出された前記受電側端子の電圧を検出された前記送電側端子の電圧(V1r)で除算した値が小さいほど、前記位相差を小さく設定する請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項3】
前記電力変換回路は、第1変換スイッチ(Q9)及び第2変換スイッチ(Q10)の直列接続体と、第3変換スイッチ(Q11)及び第4変換スイッチ(Q12)の直列接続体とを有し、これら直列接続体が前記受電側端子及び前記受電側コイルに接続されるフルブリッジ回路(70)であり、
前記制御部は、前記第1変換スイッチ及び前記第2変換スイッチを交互にオンし、前記第3変換スイッチ及び前記第4変換スイッチを交互にオンする請求項1又は2に記載の電力変換装置。
【請求項4】
前記第1変換スイッチ、前記第2変換スイッチ、前記第3変換スイッチ及び前記第4変換スイッチのスイッチング周期(Ts)は同じであり、
前記制御部は、前記第1変換スイッチのオンへの切り替えタイミングと前記第3変換スイッチのオンへの切り替えタイミングとを、前記スイッチング周期の1/2だけずらす請求項3に記載の電力変換装置。
【請求項5】
前記制御部は、前記第1変換スイッチのオンへの切り替えタイミングを、前記第1スイッチのオンへの切り替えタイミングよりも遅らせる請求項4に記載の電力変換装置。
【請求項6】
前記第1スイッチ、前記第2スイッチ、前記第3スイッチ及び前記第4スイッチのスイッチング周期(Ts)は、前記第1変換スイッチ、前記第2変換スイッチ、前記第3変換スイッチ及び前記第4変換スイッチのスイッチング周期と同じであり、
前記制御部は、
前記送電側端子の電圧及び前記受電側端子の電圧に基づいて規定時間(δ1)を算出する第1算出部(401,402)と、
前記受電側端子に流す電流をその指令値(Iref3)に制御するための指令位相(φb)を算出する第2算出部(300,305,310)と、を含み、
前記第1スイッチのオンへの切り替えタイミングから前記規定時間の1/2だけ遅れたタイミングである基準タイミングに対して、前記第1変換スイッチのオンへの切り替えタイミングを前記指令位相だけ遅らせる請求項4又は5に記載の電力変換装置。
【請求項7】
前記電力変換回路は、第1変換スイッチ(Q9)及び第2変換スイッチ(Q10)の直列接続体と、第1コンデンサ(111)及び第2コンデンサ(112)の直列接続体とを有し、これら直列接続体が前記受電側端子及び前記受電側コイルに接続されるハーフブリッジ回路(110)であり、
前記制御部は、前記第1変換スイッチ及び前記第2変換スイッチを交互にオンする請求項1又は2に記載の電力変換装置。
【請求項8】
前記電力変換回路は、第1変換スイッチ(Q9)及び第2変換スイッチ(Q10)の直列接続体と、コンデンサ(121)とを有し、前記第1変換スイッチ及び前記第2変換スイッチの直列接続体と前記コンデンサとが前記受電側端子及び前記受電側コイルに接続される非対称型のハーフブリッジ回路(120)であり、
前記制御部は、前記第1変換スイッチ及び前記第2変換スイッチを交互にオンする請求項1又は2に記載の電力変換装置。
【請求項9】
前記電力変換回路は、第1変換スイッチ(Q9)、コンデンサ(131)及び第2変換スイッチ(Q10)の直列接続体と、前記コンデンサ及び前記第2変換スイッチの直列接続体に並列接続された第3変換スイッチ(Q11)及び第4変換スイッチ(Q4)の直列接続体と、を有し、これら直列接続体が前記受電側端子及び前記受電側コイルに接続される回路(130)であり、
前記制御部は、前記第1変換スイッチ及び前記第2変換スイッチを交互にオンし、前記第3変換スイッチ及び前記第4変換スイッチを交互にオンする請求項1又は2に記載の電力変換装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、電力変換装置に関する。
続きを表示(約 7,300 文字)【背景技術】
【0002】
従来、例えば特許文献1に記載されているように、送電側端子及び受電側端子を備え、送電側端子から入力される電力を受電側端子から出力する電力変換装置が知られている。詳しくは、この電力変換装置は、フルブリッジ回路、電力変換回路、トランス及び制御部を備えている。フルブリッジ回路は、第1スイッチ及び第2スイッチの直列接続体と、第3スイッチ及び第4スイッチの直列接続体とを有している。これら直列接続体は、送電側端子に接続される。また、電力変換回路は、受電側端子に接続される。
【0003】
トランスは、フルブリッジ回路に接続された送電側コイルと、電力変換回路に接続され、かつ、送電側コイルと磁気結合する受電側コイルとを有している。
【0004】
制御部は、第1スイッチ及び第2スイッチを交互にオンし、第3スイッチ及び第4スイッチを交互にオンする。これにより、送電側端子から入力される電力を、フルブリッジ回路、トランス及び電力変換回路を介して受電側端子から出力する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特許第6140602号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ここで、受電側端子にヒータ等の抵抗性負荷が接続されることがある。この場合、受電側端子に例えば蓄電池が接続される場合と比較して、受電側端子の電圧が低い電圧(例えば0V)となる。その結果、送電側端子から入力される電力を受電側端子から出力する場合において、送電側コイルの電圧の実効値と、受電側コイルの電圧の実効値との差が大きくなり、トランス、電力変換回路及び抵抗性負荷に過電流が流れる懸念がある。
【0007】
本発明は、トランス、電力変換回路及び抵抗性負荷に過電流が流れることを抑制できる電力変換装置を提供することを主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明は、送電側端子及び受電側端子を備え、該受電側端子に抵抗性負荷が接続される電力変換装置において、
第1スイッチ及び第2スイッチの直列接続体と、第3スイッチ及び第4スイッチの直列接続体とを有し、これら直列接続体が前記送電側端子に接続されるフルブリッジ回路と、
前記受電側端子に接続される電力変換回路と、
前記フルブリッジ回路に接続された送電側コイルと、前記電力変換回路に接続され、かつ、前記送電側コイルと磁気結合する受電側コイルと、を有するトランスと、
前記受電側端子の電圧を検出する受電側電圧センサと、
前記第1スイッチ及び前記第2スイッチを交互にオンし、前記第3スイッチ及び前記第4スイッチを交互にオンする制御部と、を備え、
前記制御部は、前記第1スイッチのオン操作への切り替えタイミングと、前記第3スイッチのオン操作への切り替えタイミングとの位相差を、検出された前記受電側端子の電圧が低いほど小さく設定する。
【0009】
第1スイッチのオン操作への切り替えタイミングと、第3スイッチのオン操作への切り替えタイミングとの位相差を小さくするほど、送電側コイルの電圧の実効値と、受電側コイルの電圧の実効値との差を小さくできる。この点に鑑み、本発明では、上記位相差が、検出された受電側端子の電圧が低いほど小さく設定される。これにより、トランス、電力変換回路及び抵抗性負荷に過電流が流れることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
第1実施形態に係る電力変換装置を示す図。
制御部の処理内容を示すブロック図。
各スイッチの操作状態及びトランス電圧の推移を示すタイムチャート。
過電流の抑制効果を示す複素平面の図。
第1実施形態に係るトランス電流及びトランス電圧等の推移を示すタイムチャート。
比較例に係るトランス電流及びトランス電圧等の推移を示すタイムチャート。
第1実施形態の変形例に係る各スイッチの操作状態及びトランス電圧の推移を示すタイムチャート。
第2実施形態に係る電力変換装置を示す図。
各スイッチの操作状態及びトランス電圧の推移を示すタイムチャート。
第3実施形態に係る電力変換装置を示す図。
第4実施形態に係る電力変換装置を示す図。
各スイッチの操作状態及びトランス電圧の推移を示すタイムチャート。
第5実施形態に係る電力変換装置を示す図。
各スイッチの操作状態及びトランス電圧の推移を示すタイムチャート。
【発明を実施するための形態】
【0011】
<第1実施形態>
以下、本発明に係る電力変換装置を具体化した第1実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態の電力変換装置は、マルチポート型のものであり、例えば、プラグインハイブリッド自動車(PHEV)や電気自動車(EV)等の電動化車両に搭載されている。
【0012】
図1に示すように、電源システムは、第1蓄電池10、第2蓄電池20、抵抗性負荷30及び電力変換装置40を備えている。各蓄電池10,20は、充放電可能な2次電池であり、例えば、リチウムイオン蓄電池又はニッケル水素蓄電池である。第2蓄電池20の定格電圧は、例えば200Vである。
【0013】
電力変換装置40は、第1フルブリッジ回路50を備えている。第1フルブリッジ回路50は、第1〜第4スイッチQ1〜Q4と、第1コンデンサ51とを備えている。本実施形態において、第1〜第4スイッチQ1〜Q4は、NチャネルMOSFETである。第1スイッチQ1及び第3スイッチQ3のドレインには、電力変換装置40の第1高電位側端子CH1が接続されている。第1スイッチQ1のソースには、第2スイッチQ2のドレインが接続され、第3スイッチQ3のソースには、第4スイッチQ4のドレインが接続されている。第2スイッチQ2及び第4スイッチQ4のソースには、電力変換装置40の第1低電位側端子CL1が接続されている。第1高電位側端子CH1には、第1コンデンサ51の第1端と、第1蓄電池10の正極端子とが接続され、第1低電位側端子CL1には、第1コンデンサ51の第2端と、第1蓄電池10の負極端子とが接続されている。
【0014】
なお、第1高電位側端子CH1及び第1低電位側端子CL1には、第1蓄電池10に代えて、外部電源から入力される交流電力を直流電力に変換して出力するACDCコンバータの出力側が接続されていてもよい。また、本実施形態において、第1高電位側端子CH1及び第1低電位側端子CL1が「送電側端子」に相当する。
【0015】
電力変換装置40は、第2フルブリッジ回路60を備えている。第2フルブリッジ回路60は、第5〜第8スイッチQ5〜Q8と、第2コンデンサ61とを備えている。本実施形態において、第5〜第8スイッチQ5〜Q8は、NチャネルMOSFETである。第5スイッチQ5及び第7スイッチQ7のドレインには、電力変換装置40の第2高電位側端子CH2が接続されている。第5スイッチQ5のソースには、第6スイッチQ6のドレインが接続され、第7スイッチQ7のソースには、第8スイッチQ8のドレインが接続されている。第6スイッチQ6及び第8スイッチQ8のソースには、電力変換装置40の第2低電位側端子CL2が接続されている。第2高電位側端子CH2には、第2コンデンサ61の第1端と、第2蓄電池20の正極端子とが接続され、第2低電位側端子CL2には、第2コンデンサ61の第2端と、第2蓄電池20の負極端子とが接続されている。
【0016】
電力変換装置40は、第3フルブリッジ回路70(「電力変換回路」に相当)を備えている。第3フルブリッジ回路70は、第9〜第12スイッチQ9〜Q12と、第3コンデンサ71とを備えている。本実施形態において、第9〜第12スイッチQ9〜Q12は、NチャネルMOSFETである。第9スイッチQ9及び第11スイッチQ11のドレインには、電力変換装置40の第3高電位側端子CH3が接続されている。第9スイッチQ9のソースには、第10スイッチQ10のドレインが接続され、第11スイッチQ11のソースには、第12スイッチQ12のドレインが接続されている。第10スイッチQ10及び第12スイッチQ12のソースには、電力変換装置40の第3低電位側端子CL3が接続されている。第3高電位側端子CH3には、第3コンデンサ71の第1端と、抵抗性負荷30の第1端とが接続され、第3低電位側端子CL3には、第3コンデンサ71の第2端と、抵抗性負荷30の第2端とが接続されている。なお、本実施形態において、第3高電位側端子CH3及び第3低電位側端子CL3が「受電側端子」に相当する。また、第9〜第12スイッチQ9〜Q12が「第1〜第4変換スイッチ」に相当する。
【0017】
抵抗性負荷30は、第3高電位側端子CH3と第3低電位側端子CL3とを電気的に接続する抵抗体を有している。本実施形態において、抵抗性負荷30は、その抵抗体への通電による発熱を利用するヒータである。抵抗性負荷30は、蓄電池のように、電力変換装置40の起動前から0Vよりも高い電圧を持たない電気機器である。本実施形態では、第3高電位側端子CH3及び第3低電位側端子CL3に、抵抗性負荷30のみが接続され、蓄電池は接続されていない。なお、抵抗性負荷30は、ヒータに限らない。
【0018】
電力変換装置40は、第1コイル81(「送電側コイル」に相当)、第2コイル82及び第3コイル83(「受電側コイル」に相当)を有するトランス80を備えている。第1コイル81の第1端には、第1スイッチQ1のソース及び第2スイッチQ2のドレインが接続され、第1コイル81の第2端には、第3スイッチQ3のソース及び第4スイッチQ4のドレインが接続されている。第2コイル82の第1端には、第5スイッチQ5のソース及び第6スイッチQ6のドレインが接続され、第2コイル82の第2端には、第7スイッチQ7のソース及び第8スイッチQ8のドレインが接続されている。第3コイル83の第1端には、第9スイッチQ9のソース及び第10スイッチQ10のドレインが接続され、第3コイル83の第2端には、第11スイッチQ11のソース及び第12スイッチQ12のドレインが接続されている。
【0019】
第1コイル81、第2コイル82及び第3コイル83は、例えばトランス80が備えるコアを介して、互いに磁気結合する。第1コイル81の第2端に対する第1端の電位が高くなる場合、第2コイル82及び第3コイル83それぞれには、その第2端よりも第1端の電位が高くなるような誘起電圧が発生する。一方、第1コイル81の第1端に対する第2端の電位が高くなる場合、第2コイル82及び第3コイル83それぞれには、その第1端よりも第2端の電位が高くなるような誘起電圧が発生する。
【0020】
電力変換装置40は、第1〜第3電圧センサ91〜93と、第1〜第3電流センサ94〜96とを備えている。第1電圧センサ91は、第1コンデンサ51の端子電圧である第1電圧V1rを検出し、第2電圧センサ92は、第2コンデンサ61の端子電圧である第2電圧V2rを検出し、第3電圧センサ93は、第3コンデンサ71の端子電圧である第3電圧V3rを検出する。なお、本実施形態において、第1電圧センサ91が「送電側電圧センサ」に相当し、第3電圧センサ93が「受電側電圧センサ」に相当する。
【0021】
第1電流センサ94は、第1高電位側端子CH1に流れる電流である第1電流I1rを検出し、第2電流センサ95は、第2フルブリッジ回路60と第2高電位側端子CH2との間を流れる電流である第2電流I2rを検出し、第3電流センサ96は、第3フルブリッジ回路70と第3高電位側端子CH3との間を流れる電流である第3電流I3rを検出する。本実施形態では、第1蓄電池10の正極端子から第1フルブリッジ回路50へと向かう方向に第1高電位側端子CH1に流れる第1電流I1rの符号を正と定義し、第2フルブリッジ回路60から第2蓄電池20へと向かう方向に第2高電位側端子CH2に流れる第2電流I2rの符号を正と定義し、第3フルブリッジ回路70から抵抗性負荷30へと向かう方向に第3高電位側端子CH3に流れる第3電流I3rの符号を正と定義する。
【0022】
各センサ91〜96の検出値は、電力変換装置40が備える制御部100に入力される。制御部100は、第1〜第12スイッチQ1〜Q12をオンオフする。以下、図2を用いて、この操作方法について説明する。図2は、制御部100が実行する処理のブロック図である。
【0023】
制御部100は、第1指令電流算出部200と、第1電流制御部210とを備えている。第1指令電流算出部200は、第1電流算出部201と、第1最小値選択部202とを備えている。第1電流算出部201は、入力された第2指令電力P2*を、第2電圧センサ92により検出された第2電圧V2rで除算することにより、第2蓄電池20に流す充電電流の指令値である指令電流I2pを算出する。指令電流I2pは、定電力制御(CP)により第2蓄電池20に電力を供給するために設定される。指令電流I2pの符号が正の場合、第2蓄電池20が充電される側に第2高電位側端子CH2に電流が流れる。なお、第1指令電流算出部200に入力される第2指令電力P2*が0の場合、指令電流I2pが0となる。
【0024】
第1最小値選択部202は、第1電流算出部201により算出された指令電流I2pと、第2定電流指令値I2*とのうち小さい方を第2指令電流Iref2として選択する。第2定電流指令値I2*は、定電流制御(CC)により第2蓄電池20に電力を供給するために設定される。第1最小値選択部202から出力された第2指令電流Iref2は、リミッタ203により上限値又は下限値が制限される。
【0025】
第1電流制御部210は、第1電流偏差算出部211、第1フィードバック制御部212及び第1リミッタ213を備えている。第1電流偏差算出部211は、リミッタ203から出力された第2指令電流Iref2から、第2電流センサ95により検出された第2電流I2rを減算することにより、第2電流偏差ΔI2を算出する。
【0026】
第1フィードバック制御部212は、算出された第2電流偏差ΔI2を0にフィードバック制御するための操作量として、第1指令位相φaを算出する。本実施形態では、このフィードバック制御として、比例積分制御が用いられている。第1指令位相φaについては後述する。なお、第1フィードバック制御部212で用いられるフィードバック制御は、比例積分制御に限らず、例えば、比例積分微分制御であってもよい。
【0027】
第1フィードバック制御部212により算出された第1指令位相φaは、第1リミッタ213により上限値又は下限値が制限され、制御部100が備えるPWM生成部320に入力される。
【0028】
制御部100は、第2指令電流算出部300と、第2電流制御部310とを備えている。第2指令電流算出部300は、第2電流算出部301と、加算部302と、フィードバック制御部303と、第2最小値選択部304とを備えている。第2電流算出部301は、入力された第3指令電力P3*を、第3電圧センサ93により検出された第3電圧V3rで除算することにより、第3高電位側端子CH3に流す指令電流I3pを算出する。指令電流I3pは、定電力制御(CP)により抵抗性負荷30及び第3コンデンサ71に電力を供給するために設定される。指令電流I3pの符号が正の場合、第3高電位側端子CH3から抵抗性負荷30へと向かう方向に第3高電位側端子CH3に電流が流れる。
【0029】
加算部302は、抵抗性負荷30及び第3コンデンサ71の印加電圧の目標値V3*から第3電圧V3rを減算することにより、電圧偏差ΔVを算出する。フィードバック制御部303は、算出された電圧偏差ΔVを0にフィードバック制御するための操作量として、指令電流I3vを算出する。本実施形態では、このフィードバック制御として、比例積分制御が用いられている。指令電流I3vは、定電圧制御(CV)により抵抗性負荷30及び第3コンデンサ71に電力を供給するために設定される。なお、フィードバック制御部303で用いられるフィードバック制御は、比例積分制御に限らず、例えば、比例積分微分制御であってもよい。
【0030】
第2最小値選択部304は、第2電流算出部301により算出された指令電流I3p、フィードバック制御部303により算出された指令電流I3v、及び第3定電流指令値I3*のうち最小値を第3指令電流Iref3として選択する。第3定電流指令値I3*は、定電流制御により抵抗性負荷30及び第3コンデンサ71に電力を供給するために設定される。第2最小値選択部304から出力された第3指令電流Iref3は、リミッタ305により上限値又は下限値が制限される。
(【0031】以降は省略されています)

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