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公開番号2024102763
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-07-31
出願番号2023006876
出願日2023-01-19
発明の名称ダイレクトAC-ACコンバータの電力制御回路及び電力制御方法
出願人国立大学法人神戸大学
代理人弁理士法人グローバル知財
主分類H02M 5/27 20060101AFI20240724BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】固定周波数による高周波電力制御が可能で、負荷変動に対する広範囲なソフト転流を実現でき、負荷インピーダンスの大幅な変化に対しても安定した動作を実現し、シームレスな駆動モードの切り替えが可能で、多彩なモード割合調整が適用できる電力制御方法を提供する。
【解決手段】共振タンクと双方向スイッチから構成される誘導加熱の高周波電力変換回路における電力制御回路であって、入力電源の正半サイクルで双方向スイッチの一方が主スイッチ、他方が副スイッチで、負半サイクルで主スイッチと副スイッチの対応を入れ変え、副スイッチを常時オフする第1モードと、副スイッチを常時オンする第2モードの2つの動作パターンの割合を誘導加熱負荷に応じて調整し、双方向スイッチの駆動周波数を固定したまま、高周波出力電力をほぼ線形に制御する。
【選択図】図1

特許請求の範囲【請求項１】
共振タンクと双方向スイッチから構成される誘導加熱の高周波電力変換回路における電力制御回路であって、
入力電源の正半サイクルで前記双方向スイッチの一方が主スイッチ、他方が副スイッチで、負半サイクルで主スイッチと副スイッチの対応を入れ変え、副スイッチを常時オフする第１モードと、副スイッチを常時オンする第２モードの２つの動作パターンの割合を誘導加熱負荷に応じて調整し、前記双方向スイッチの駆動周波数を固定したまま、高周波出力電力をほぼ線形に制御することを特徴とするダイレクトＡＣ－ＡＣコンバータの電力制御回路。
続きを表示（約 1,800 文字）【請求項２】
前記入力電源から得る電力と設定された電力指令値の偏差によるデューティ比に基づいてセレクタ信号を出力する追従制御部と、
前記双方向スイッチの電圧のゼロクロスのタイミングを判定し、前記タイミングから時間幅が一定の主スイッチ制御信号を生成する主スイッチ制御信号生成部と、
前記主スイッチ制御信号と前記入力電源電圧の極性に基づいて、前記双方向スイッチの前記第１及び第２モードの割合を調整してモード選択信号を出力するモード割合調整部と、
前記セレクタ信号と前記モード選択信号を入力して主回路における前記双方向スイッチのゲートを駆動するスイッチ駆動部、を備えることを特徴とする請求項１に記載のダイレクトＡＣ－ＡＣコンバータの電力制御回路。
【請求項３】
第１モードと第２モードの２つのモードの切り替わり時における前記双方向スイッチの副スイッチのゲート駆動信号に一定の遅延を与えるために、前記追従制御部が出力する前記セレクタ信号の後段に、前記双方向スイッチの主スイッチのターンオン及びターンオフのタイミングを遅延させる遅延回路を更に備えたことを特徴とする請求項２に記載のダイレクトＡＣ－ＡＣコンバータの電力制御回路。
【請求項４】
前記追従制御部における前記デューティ比は、一定周期内の第１モードと第２モードを前記電力指令値に応じてその割合を連続的に調整することを特徴とする請求項２に記載のダイレクトＡＣ－ＡＣコンバータの電力制御回路。
【請求項５】
第１モードでは、前記双方向スイッチの主スイッチのターンオフにより、前記共振タンクのキャパシタ電圧が上昇し、誘導加熱負荷のインダクタンスと共に共振し、主スイッチの電圧はゼロから上昇してゼロ電圧ターンオフとなり、前記双方向スイッチの電圧がピーク値に達した後に下降し負電圧へ反転し、前記負電圧は副スイッチの逆並列ダイオードに印加され、主スイッチの両端はゼロ電圧を保持する、
第２モードは、主スイッチのターンオフに合わせて副スイッチをオンし、前記共振タンクのキャパシタ電圧が上昇し、誘導加熱負荷のインダクタンスと共に共振し、主スイッチの電圧はゼロから上昇してゼロ電圧ターンオフとなり、前記双方向スイッチの電圧がピーク値に達した後に下降しゼロになると同時に副スイッチおよび主スイッチの逆並列ダイオードを経由して電流が逆流し、副スイッチは、主スイッチのオンタイミングに合わせオフする、
ことを特徴とする請求項１～４の何れかに記載のダイレクトＡＣ－ＡＣコンバータの電力制御回路。
【請求項６】
前記電力制御回路の制御周期を２０ｋＨｚ以上に調整することにより、前記入力電源の電流における低周波の階段状脈動が低減されることを特徴とする請求項１～４の何れかに記載のダイレクトＡＣ－ＡＣコンバータの電力制御回路。
【請求項７】
共振タンクと双方向スイッチから構成される誘導加熱の高周波電力変換回路における電力制御方法であって、
入力電源の正半サイクルで前記双方向スイッチの一方が主スイッチ、他方が副スイッチで、負半サイクルで主スイッチと副スイッチの対応を入れ変えるステップと、
前記双方向スイッチの駆動周波数を固定したままで、副スイッチを常時オフする第１モードと、副スイッチを常時オンする第２モードの２つの動作パターンの割合を誘導加熱負荷に応じて調整するステップ、を備え、高周波出力電力をほぼ線形に制御することを特徴とするダイレクトＡＣ－ＡＣコンバータの電力制御方法。
【請求項８】
前記入力電源から得る電力と設定された電力指令値の偏差によるデューティ比に基づいてセレクタ信号を出力する追従制御ステップと、
前記双方向スイッチの電圧のゼロクロスのタイミングを判定し、前記タイミングから時間幅が一定の主スイッチ制御信号を生成する主スイッチ制御信号生成ステップと、
前記主スイッチ制御信号と前記入力電源電圧の極性に基づいて、前記双方向スイッチの前記第１及び第２モードの割合を調整してモード選択信号を出力するモード割合調整ステップと、
前記セレクタ信号と前記モード選択信号を入力して主回路における前記双方向スイッチのゲートを駆動するスイッチ駆動ステップ、を備えることを特徴とする請求項７に記載のダイレクトＡＣ－ＡＣコンバータの電力制御方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、商用電源から単相高周波交流を直接に生成できるダイレクト方式周波数変換回路（ダイレクトＡＣ－ＡＣコンバータ）の電力制御に関するものである。
続きを表示（約 2,400 文字）【背景技術】
【０００２】
誘導加熱（ＩＨ；Induction Heating）システムは、多くの工業用、家庭用、および医療用アプリケーションで選択されている。高周波電力変換インバータは、整流回路により商用電源を一旦整流化して、それを直流パルス電力にし、インバータ回路によって高周波電流に変換している。高周波電力変換インバータは、通常、整流器ステージ、ブーストＰＦＣ（力率改善）ステージ、およびＤＣ／ＨＦＡＣ（直流／高周波交流）インバータで構成されており、これらの構成要素はＩＨシステムのコアコンポーネントである。一方で、パルス周波数変調（ＰＦＭ）を使用する電力変換デバイスの性能を簡素化し、さらに最適化するようにし、商用電源から単相高周波交流を直接生成可能なダイレクトＡＣ－ＡＣコンバータが提案されている（特許文献１，非特許文献１を参照）。
【０００３】
しかしながら、従来のダイレクトＡＣ－ＡＣコンバータの場合、異なる周波数で動作する複数のＩＨデバイスの間には、動作周波数の偏差により可聴音ノイズ（干渉音）が発生しやすい。そのため、複数のＩＨデバイス間の干渉音を低減するように、周波数一定（固定周波数）で電力制御を行うことが必要とされている。また、パルス周波数変調（ＰＦＭ）による電力制御のため、家庭用ＩＨ調理器の場合においては、日本の電波法の制約により９０ｋＨｚがスイッチング周波数の上限とされ出力範囲に制限がある一方で、それ以外の金属加熱などの産業工業用ＩＨ機器では、９０ｋＨｚを超えるスイッチング周波数を適用可能で出力範囲に制限がない。さらに、高出力の場合、パワー半導体スイッチのソフト転流動作（ソフトスイッチング）が行えず、電力損失と電磁ノイズの増大を招いてしまうといった問題もある。加えて、負荷インピーダンスが大きく変動し、ソフトスイッチングの範囲から逸脱した場合に、回路動作が安定しないといった問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
特開２０１７－１９９６２８号公報
【非特許文献】
【０００５】
三島智和ら，"高周波誘導加熱応用三相-単相ダイレクトAC-ACコンバータの実証評価″，電気学会全国大会，4-056，2019．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のとおり、従来技術の欠点として以下の４点が挙げられる。
１）パルス周波数変調（ＰＦＭ）による電力制御のため、複数のＩＨバーナを備えた調理器（複数のＩＨ負荷をもつ金属熱処理装置も含む）の場合には、動作周波数の差が要因となって可聴音ノイズ（干渉音）を発生する点。
２）同じくＰＦＭによる電力制御のため、負荷によっては電波法で定められた上限周波数を超えることができず、出力範囲に制限がある点。
３）出力によってはパワー半導体スイッチのソフトスイッチングが実現せず、電力損失と電磁ノイズの増大を招く点。
４）負荷インピーダンスが大きく変動し、ソフトスイッチングの範囲から逸脱すると回路動作が安定せず、出力停止をせざるを得ない点。
【０００７】
上記１）～４）に挙げられる従来技術の欠点を解決すべく、本発明は、固定周波数による高周波電力制御が可能で、負荷変動に対する広範囲なソフト転流を実現でき、負荷インピーダンスの大幅な変化に対しても安定した動作を実現し、シームレスな駆動モードの切り替えが可能で、多彩なモード割合調整が適用できる電力制御方法及び電力制御回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決すべく、本発明のダイレクトＡＣ－ＡＣコンバータの電力制御方法は、共振タンクと双方向スイッチから構成される誘導加熱の高周波電力変換回路における電力制御回路であって、入力電源の正半サイクルで双方向スイッチの一方が主スイッチ、他方が副スイッチで、負半サイクルで主スイッチと副スイッチの対応を入れ変え、副スイッチを常時オフする第１モードと、副スイッチを常時オンする第２モードの２つの動作パターンの割合を誘導加熱負荷に応じて調整し、双方向スイッチの駆動周波数を固定したまま、高周波出力電力をほぼ線形に制御する。
【０００９】
本発明のダイレクトＡＣ－ＡＣコンバータの電力制御方法は、具体的には、次の１）～４）を備える。
１）入力電源から得る電力と設定された電力指令値の偏差によるデューティ比に基づいてセレクタ信号を出力する追従制御部と、２）双方向スイッチの電圧のゼロクロスのタイミングを判定し、タイミングから時間幅が一定の主スイッチ制御信号を生成する主スイッチ制御信号生成部と、３）主スイッチ制御信号と入力電源電圧の極性に基づいて、双方向スイッチの第１及び第２モードの割合を調整してモード選択信号を出力するモード割合調整部と、４）セレクタ信号とモード選択信号を入力して主回路における前記双方向スイッチのゲートを駆動するスイッチ駆動部。
【００１０】
本発明の電力制御方法は、非接触・ワイヤレス給電や誘導加熱など高周波電力伝送システムにて適用するダイレクトＡＣ－ＡＣコンバータの新規な電力制御方法である。電力制御回路を構成する双方向スイッチの駆動パターンを切り替えることにより、固定周波数ながら高周波電力を広範囲に調整できる。システム構成も比較的シンプルであり、高い実用性を有することから、単相の非接触式高周波エネルギー伝送装置への応用に好適である。また、負荷変動に対する優れた安定性、パワー半導体スイッチの低損失動作など、ロバスト性と高効率性に優れた高周波電力制御を可能とする。
（【００１１】以降は省略されています）

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