特許 6443652 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6443652

(24)【登録日】2018年12月7日

(45)【発行日】2018年12月26日

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20181217BHJP

【ＦＩ】

   H02M3/28 D

   H02M3/28 H

【請求項の数】4

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2013-231407(P2013-231407)

(22)【出願日】2013年11月7日

(65)【公開番号】特開2015-91212(P2015-91212A)

(43)【公開日】2015年5月11日

【審査請求日】2016年10月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110000604

【氏名又は名称】特許業務法人 共立

(72)【発明者】

【氏名】白川 和博

(72)【発明者】

【氏名】瀧 浩志

【審査官】 坂東 博司

(56)【参考文献】

【文献】 再公表特許第２０１０／０８９８７５（ＪＰ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−２３６９９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６０−１４１１６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０４１５０４２４（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特開平０７−１７０７２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−２９９７７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１８８７０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１９９９９６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ３／２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

１次巻線と２次巻線を有するトランス（１２、２２）と、
前記１次巻線に接続され、前記１次巻線にパルス電圧を印加する電圧印加回路（１１、２１）と、
前記トランスの前記２次巻線に接続され、前記トランスから供給される交流電圧を整流する整流回路（１３、２３）と、
前記整流回路に接続され、前記整流回路から供給される直流電圧を平滑化して負荷に供給する平滑回路（１４、２４）と、
前記電圧印加回路に接続され、前記１次巻線が一方向及びその逆方向に交互に磁束を発生するように、前記電圧印加回路の出力するパルス電圧を制御する制御回路（１６、２６）と、
を備えた電力変換装置において、
前記１次巻線に流れる電流を検出する電流検出回路（１５、２５）を有し、
前記制御回路は、
前記電流検出回路の検出結果に基づいて、電力変換装置の出力電流を求めるとともに、一方向の磁束を発生しているときに前記１次巻線に流れる電流の大きさと逆方向の磁束を発生しているときに前記１次巻線に流れる電流の大きさの差を求める電流情報出力部（１６０）と、
電力変換装置の出力電流指令と、前記電流情報出力部の求めた電力変換装置の出力電流の偏差を演算する第１偏差演算部（１６１）と、
一方向の磁束を発生しているときに前記１次巻線に流れる電流の大きさと逆方向の磁束を発生しているときに前記１次巻線に流れる電流の大きさの差に対する指令と、前記電流情報出力部の求めた一方向の磁束を発生しているときに前記１次巻線に流れる電流の大きさと逆方向の磁束を発生しているときに前記１次巻線に流れる電流の大きさの差の偏差を演算する第２偏差演算部（１６５）と、
前記第１偏差演算部の演算結果を比例、積分演算する第１ＰＩ演算部（１６２）と、
前記第２偏差演算部の演算結果を比例、積分演算する第２ＰＩ演算部（１６６）と、
前記第１ＰＩ演算の演算結果に電力変換装置の入力電圧に対する出力電圧の比をフィードフォワード項として加算する加算部（１６３）と、
を有し、
前記加算部の演算結果と前記第２ＰＩ演算部の演算結果に基づいて前記１次巻線に印加するパルス電圧のパルス幅を演算することで、電力変換装置の出力電流が一定になるように前記電圧印加回路を制御するとともに、一方向の磁束を発生しているときに前記１次巻線に所定時間流れる電流と、逆方向の磁束を発生しているときに前記１次巻線に所定時間流れる電流の大きさが等しくなるように、前記電圧印加回路の出力するパルス電圧のパルス幅を制御することを特徴とする電力変換装置。

【請求項2】

前記制御回路は、前記トランスが磁気飽和しない不飽和領域の範囲内で動作するように、パルス電圧のパルス幅を制限することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記制御回路は、パルス電圧のパルス幅を制限している間、パルス電圧の周波数を上げることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記制御回路は、前記電流検出回路の検出結果から電力変換装置の出力電流を求め、求めた出力電流に基づいてパルス電圧のパルス幅を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項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、トランスを備えた電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、トランスを備えた電力変換装置として、例えば以下に示す特許文献１に開示されているインバータがある。

【0003】

このインバータは、トランスと、第１及び第２スイッチング素子と、ホール素子と、制御部とを備えている。

【0004】

制御部は、第１及び第２スイッチング素子を交互にオン、オフさせ、トランスの１次巻線に電圧を印加する。ホール素子は、トランスの磁束密度を検出する。制御部は、ホール素子の検出結果に基づいて、トランスが偏磁しているか否かを判定する。そして、トランスが偏磁していると判定した場合、偏磁を解消するように、第１及び第２スイッチング素子のスイッチング時間を制御する。これにより、トランスの偏磁を抑えながら、トランスを介して電力を変換し出力することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平５−２７６７６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

前述したインバータにおいて、トランスの偏磁を確実に抑えるためには、トランスの磁束密度を正確に検出する必要がある。トランスの磁束密度を正確に検出しようとすると、磁路の途中にホール素子を設けなければならない。また、インバータの動作開始時や負荷変動時に、励磁電流の直流成分である偏磁電流が重畳される。そのため、定常状態において必要とされるトランスのＥＴ積よりも大きなＥＴ積が必要なる。つまり、トランスのＥＴ積を過度に大きくする必要がある。

【0007】

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、トランスの磁束密度を直接検出せず、トランスのＥＴ積を過度に大きくすることなく偏磁を抑えることができる電力変換装置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】

上記課題を解決するためになされた本発明は、１次巻線と２次巻線を有するトランスと、１次巻線に接続され、１次巻線にパルス電圧を印加する電圧印加回路と、トランスの２次巻線に接続され、トランスから供給される交流電圧を整流する整流回路と、整流回路に接続され、整流回路から供給される直流電圧を平滑化して負荷に供給する平滑回路と、電圧印加回路に接続され、１次巻線が一方向及びその逆方向に交互に磁束を発生するように、電圧印加回路の出力するパルス電圧を制御する制御回路と、を備えた電力変換装置において、１次巻線に流れる電流を検出する電流検出回路を有し、制御回路は、電流検出回路の検出結果に基づいて、電力変換装置の出力電流を求めるとともに、一方向の磁束を発生しているときに１次巻線に流れる電流の大きさと逆方向の磁束を発生しているときに１次巻線に流れる電流の大きさの差を求める電流情報出力部と、電力変換装置の出力電流指令と、電流情報出力部の求めた電力変換装置の出力電流の偏差を演算する第１偏差演算部と、一方向の磁束を発生しているときに１次巻線に流れる電流の大きさと逆方向の磁束を発生しているときに１次巻線に流れる電流の大きさの差に対する指令と、電流情報出力部の求めた一方向の磁束を発生しているときに１次巻線に流れる電流の大きさと逆方向の磁束を発生しているときに１次巻線に流れる電流の大きさの差の偏差を演算する第２偏差演算部と、第１偏差演算部の演算結果を比例、積分演算する第１ＰＩ演算部と、第２偏差演算部の演算結果を比例、積分演算する第２ＰＩ演算部と、第１ＰＩ演算の演算結果に電力変換装置の入力電圧に対する出力電圧の比をフィードフォワード項として加算する加算部と、を有し、加算部の演算結果と第２ＰＩ演算部の演算結果に基づいて１次巻線に印加するパルス電圧のパルス幅を演算することで、電力変換装置の出力電流が一定になるように電圧印加回路を制御するとともに、一方向の磁束を発生しているときに１次巻線に所定時間流れる電流と、逆方向の磁束を発生しているときに１次巻線に所定時間流れる電流の大きさが等しくなるように、電圧印加回路の出力するパルス電圧のパルス幅を制御することを特徴とする。

【0009】

１次巻線に流れる電流は、励磁電流と負荷電流の和である。負荷電流は、２次巻線に流れる電流に対応した電流である。つまり、電力変換装置の出力電流に対応した電流である。電力変換装置の出力電流が一定になるように、電力変換装置が制御されている場合、１次巻線の負荷電流の大きさも一定になる。そのため、一方向の磁束を発生しているときに１次巻線に流れる電流と、逆方向の磁束を発生しているときに１次巻線に流れる電流の大きさが等しくなるように、電圧印加回路の出力するパルス電圧のパルス幅を制御することで、正の磁束を発生する際の励磁電流と、負の磁束を発生する際の励磁電流の大きさを等しくすることができる。つまり、正の磁束と負の磁束の大きさを等しくすることができる。従って、トランスの磁束密度を直接検出することなく偏磁を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１実施形態における電力変換装置の回路図である。

【図2】図１に示す電力変換装置の動作を説明するための各部の波形図である。

【図3】図１に示す電力変換装置におけるトランスの励磁電流の波形図である。

【図4】図１に示す電力変換装置において、正と負の磁束を発生しているときに１次巻線に流れる電流の大きさが等しくなるような制御をしていない場合におけるトランスの励磁電流の波形図である。

【図5】第２実施形態における電力変換装置の回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。本実施形態では、本発明に係る電力変換装置を、車両に搭載されたバッテリから負荷に電力を供給する電力変換装置に適用した例を示す。

【0012】

（第１実施形態）
まず、図１を参照して第１実施形態の電力変換装置の構成について説明する。

【0013】

図１に示す電力変換装置１は、バッテリＢ１から供給される直流電圧を所定の直流電圧に変換して負荷Ｓ１に供給する装置である。いわゆるプッシュプル方式の電力変換装置である。ここで、負荷Ｓ１は、所定の直流電圧で動作する装置である。電力変換装置１は、平滑用コンデンサ１０と、電圧印加回路１１と、トランス１２と、整流回路１３と、平滑回路１４と、電流センサ１５（電流検出回路）と、制御回路１６とを備えている。

【0014】

平滑用コンデンサ１０は、バッテリＢ１の出力する直流電圧を平滑化する素子である。平滑用コンデンサ１０の一端はバッテリＢ１の正極端に、他端はバッテリＢ１の負極端にそれぞれ接続されている。

【0015】

電圧印加回路１１は、トランス１２にパルス電圧を印加する回路である。電圧印加回路１１は、ＩＧＢＴ１１０、１１１を備えている。

【0016】

ＩＧＢＴ１１０、１１１は、制御回路１６によって制御され、平滑用コンデンサ１０によって平滑化された直流電圧をパルス電圧に変換してトランス１２に印加する素子である。ＩＧＢＴ１１０、１１１のコレクタはトランス１２に、エミッタは平滑用コンデンサ１０の他端に、ゲートは制御回路１６にそれぞれ接続されている。

【0017】

トランス１２は、電圧印加回路１１によって印加されたパルス電圧を、巻数比に応じた所定の交流電圧に変換して整流回路１３に供給する素子である。トランス１２は、１次巻線１２０、１２１と、２次巻線１２２、１２３とを有している。１次巻線１２０、１２１は直列接続されている。１次巻線１２０、１２１の直列接続点は、平滑用コンデンサ１０の一端に接続されている。１次巻線１２０の一端はＩＧＢＴ１１０のコレクタに、１次巻線１２１の一端はＩＧＢＴ１１１のコレクタにそれぞれ接続されている。２次巻線１２２、１２３は直列接続されている。２次巻線１２２、１２３の直列接続点、２次巻線１２２の一端及び２次巻線１２３の一端は、整流回路１３にそれぞれ接続されている。

【0018】

整流回路１３は、トランス１２から供給される交流電圧を整流し、直流電圧に変換して平滑回路１４に供給する回路である。整流回路１３は、ダイオード１３０、１３１を備えている。

【0019】

ダイオード１３０、１３１は、トランス１２から供給される交流電圧を整流し、直流電圧に変換する素子である。ダイオード１３０のカソードは２次巻線１２２の一端に、アノードは平滑回路１４にそれぞれ接続されている。ダイオード１３１のカソードは２次巻線１２３の一端に、アノードは平滑回路１４にそれぞれ接続されている。また、２次巻線１２２、１２３の直列接続点は、配線を介して平滑回路１４に接続されている。

【0020】

平滑回路１４は、整流回路１３から供給される直流電圧を平滑化する回路である。平滑回路１４は、リアクトル１４０と、コンデンサ１４１とを備えている。リアクトル１４０の一端は、ダイオード１３０、１３１のアノードに、他端は負荷Ｓ１の負極端にそれぞれ接続されている。コンデンサ１４１の一端は整流回路１３の配線を介して２次巻線１２２、１２３の直列接続点に接続されるとともに、負荷Ｓ１の正極端に接続され、他端はリアクトル１４０の他端に接続されている。

【0021】

電流センサ１５は、１次巻線１２０、１２１に流れる電流を検出し、検出結果を出力する素子である。電流センサ１５は、ＩＧＢＴ１１０、１１１のエミッタと平滑用コンデンサ１０の他端を接続する配線に設けられている。また、検出結果を出力する出力端は、制御回路１６に接続されている。

【0022】

制御回路１６は、電流センサ１５の検出結果から電力変換装置１の出力電流を求め、求めた出力電流に基づいて、１次巻線１２０、１２１が一方向及びその逆方向に交互に磁束を発生するように、電圧印加回路１１の出力するパルス電圧を制御する回路である。制御回路１６は、電流センサ１５の検出結果に基づいて、正の磁束（一方向の磁束）を発生しているときに１次巻線１２０に所定時間流れる電流と、負の磁束（逆方向の磁束）を発生しているときに１次巻線１２１に所定時間流れる電流の大きさが等しくなるように、電圧印加回路１１の出力するパルス電圧のパルス幅を制御する。また、トランス１２が磁気飽和しない不飽和領域の範囲内で動作するように、具体的には、トランス１２がＥＴ積の範囲内で動作するように、パルス電圧のパルス幅を制限する。そして、負荷電流変動時において、応答性を上げる必要がある場合には、一時的にパルス電圧のパルス幅を制限している間、パルス電圧の周波数を上げる。制御回路１６は、マイクロコンピュータを有し、電流情報出力部１６０と、偏差演算部１６１と、ＰＩ演算部１６２と、加算部１６３と、パルス幅制限部１６４と、偏差演算部１６５と、ＰＩ演算部１６６と、減算部１６７と、加算部１６８と、駆動回路１６９ａ、１６９ｂとを備えている。電流情報出力部１６０、偏差演算部１６１、ＰＩ演算部１６２、加算部１６３、パルス幅制限部１６４、偏差演算部１６５、ＰＩ演算部１６６、減算部１６７及び加算部１６８は、マイクロコンピュータ及びソフトウェアによって構成されている。

【0023】

電流情報出力部１６０は、電流センサ１５の検出結果から電力変換装置１の出力電流を求め、出力電流Ｉｏｕｔとして出力するブロックである。また、１次巻線１２０に流れる電流の大きさＩｓｗ１と、１次巻線１２１に流れる電流の大きさＩｓｗ２を求め、これらの差ΔＩｓｗ（＝Ｉｓｗ１−Ｉｓｗ２）を演算して出力するブロックである。

【0024】

偏差演算部１６１は、外部から入力される電力変換装置１の出力電流指令Ｉｏｕｔ＊と、電流情報出力部１６０の出力する出力電流Ｉｏｕｔの偏差を演算して出力するブロックである。

【0025】

ＰＩ演算部１６２は、偏差演算部１６１の出力を比例、積分演算して出力するブロックである。

【0026】

加算部１６３は、ＰＩ演算部１６２の出力に、電力変換装置１の入力電圧Ｖｉｎに対する出力電圧Ｖｏｕｔの比Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎをフィードフォワード項として加算し、１次巻線１２０、１２１に印加するパルス電圧のパルス幅として出力するブロックである。ここで、入力電圧ＶｉｎはバッテリＢ１から供給される電圧であり、出力電圧Ｖｏｕｔは負荷Ｓ１に供給される電圧である。

【0027】

パルス幅制限部１６４は、加算部１６３の出力がパルス幅制限値以下のときには加算部１６３の出力を、加算部１６３の出力がパルス幅制限値より大きいときにはパルス幅制限値を、１次巻線１２０、１２１に印加するパルス電圧のパルス幅として出力するブロックである。ここで、パルス幅制限値は、トランス１２のＥＴ積によって決まる、トランス１２が不飽和領域の範囲内で動作する場合に許容される最大パルス幅に設定されている。

【0028】

偏差演算部１６５は、１次巻線１２０、１２１に流れる電流の大きさの差に対する指令ΔＩｓｗ＊と、電流センサ１５の検出結果から求めた１次巻線１２０、１２１に流れる電流の大きさＩｓｗ１、Ｉｓｗ２の差ΔＩｓｗ（＝Ｉｓｗ１−Ｉｓｗ２）の偏差を演算し出力するブロックである。ここで、１次巻線１２０、１２１に流れる電流の大きさの差に対する指令ΔＩｓｗ＊は、０に設定されている。

【0029】

ＰＩ演算部１６６は、偏差演算部１６５の出力を比例、積分演算して出力するブロックである。

【0030】

減算部１６７は、パルス幅制限部１６４の出力から、ＰＩ演算部１６６の出力を減算し、１次巻線１２０に印加するパルス電圧のパルス幅として出力するブロックである。具体的には、ＩＧＢＴ１１０をオンするための駆動信号のパルス幅として出力するブロックである。

【0031】

加算部１６８は、パルス幅制限部１６４の出力に、ＰＩ演算部１６６の出力を加算し、１次巻線１２１に印加するパルス電圧のパルス幅として出力するブロックである。具体的には、ＩＧＢＴ１１１をオンするための駆動信号のパルス幅として出力するブロックである。

【0032】

駆動回路１６９ａは、減算部１６７の出力に基づいてＩＧＢＴ１１０をオン、オフする回路である。駆動回路１６９ａは、ＩＧＢＴ１１０のゲートに接続されている。

【0033】

駆動回路１６９ｂは、加算部１６８の出力に基づいてＩＧＢＴ１１１をオン、オフする回路である。駆動回路１６９ｂは、ＩＧＢＴ１１１のゲートに接続されている。

【0034】

次に、図１を参照して第１実施形態の電力変換装置の動作について説明する。

【0035】

図１に示す電流センサ１５は、トランスの１次巻線１２０、１２１に流れる電流を検出し、検出結果を出力する。ここで、１次巻線に流れる電流は、励磁電流と負荷電流の和である。負荷電流は、２次巻線に流れる電流に対応した電流である。つまり、電力変換装置の出力電流に対応した電流である。

【0036】

電流情報出力部１６０は、ＩＧＢＴ１１０がオンしているときの所定のタイミングにおける電流センサ１５の検出結果と、トランス１２の巻数比から、２次巻線１２２に流れる電流を求めるとともに、ＩＧＢＴ１１１がオンしているときの所定のタイミングにおける電流センサ１５の検出結果と、トランス１２の巻数比から、２次巻線１２３に流れる電流を求める。つまり、電力変換装置１の出力電流を求める。そして、求めた出力電流を、電力変換装置１の出力電流Ｉｏｕｔとして出力する。また、ＩＧＢＴ１１０がオンしているときの所定のタイミングにおける電流センサ１５の検出結果から、１次巻線１２０に流れる電流の大きさＩｓｗ１を求めるとともに、ＩＧＢＴ１１１がオンしているときの所定のタイミングにおける電流センサ１５の検出結果から、１次巻線１２１に流れる電流の大きさＩｓｗ２を求める。そして、これらの差ΔＩｓｗを演算し出力する。

【0037】

偏差演算部１６１は、外部から入力される出力電流指令Ｉｏｕｔ＊と、出力電流Ｉｏｕｔの偏差を演算して出力する。ＰＩ演算部１６２は、偏差演算部１６１の出力を比例、積分演算して出力する。

【0038】

加算部１６３は、ＰＩ演算部１６２の出力に、フィードフォワード項Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎを加算し、１次巻線１２０、１２１に印加するパルス電圧のパルス幅として出力する。パルス幅制限部１６４は、加算部１６３の出力がパルス幅制限値以下のときには加算部１６３の出力を、加算部１６３の出力がパルス幅制限値より大きいときにはパルス幅制限値を、１次巻線１２０、１２１に印加するパルス電圧のパルス幅として出力する。

【0039】

一方、偏差演算部１６５は、１次巻線１２０、１２１に流れる電流の大きさの差に対する指令ΔＩｓｗ＊と、１次巻線１２０、１２１に流れる電流の大きさの差ΔＩｓｗの偏差を演算して出力する。ＰＩ演算部１６６は、偏差演算部１６５の出力を比例、積分演算して出力する。

【0040】

減算部１６７は、パルス幅制限部１６４の出力から、ＰＩ演算部１６６の出力を減算し、ＩＧＢＴ１１０をオンするための駆動信号のパルス幅として出力する。

【0041】

加算部１６８は、パルス幅制限部１６４の出力に、ＰＩ演算部１６６の出力を加算し、ＩＧＢＴ１１１をオンするための駆動信号のパルス幅として出力する。

【0042】

駆動回路１６９ａは、減算部１６７の出力に基づいてＩＧＢＴ１１０をオン、オフする。駆動回路１６９ｂは、加算部１６８の出力に基づいてＩＧＢＴ１１１をオン、オフする。

【0043】

平滑用コンデンサ１０は、バッテリＢ１の出力する直流電圧を平滑化する。

【0044】

ＩＧＢＴ１１０、１１１は、駆動回路１６９ａ、１６９ｂによってオン、オフされる。ＩＧＢＴ１１０がオンし、ＩＧＢＴ１１１がオフすることで、１次巻線１２０にパルス電圧が印加される。その結果、ＩＧＢＴ１１０、１１１の直列接続点からＩＧＢＴ１１０の一端に向かって電流が流れ、１次巻線１２０は正の磁束を発生する。一方、ＩＧＢＴ１１０がオフし、ＩＧＢＴ１１１がオンすることで、１次巻線１２１にパルス電圧が印加される。その結果、ＩＧＢＴ１１０、１１１の直列接続点からＩＧＢＴ１１１の一端に向かって電流が流れ、１次巻線１２１は負の磁束を発生する。ＩＧＢＴ１１０、１１１がオン、オフすることで、１次巻線１２０、１２１は正負交互に磁束を発生する。

【0045】

２次巻線１２２、１２３は、電磁誘導によって、巻数比に応じた所定の交流電圧を発生する。整流回路１３は、ダイオード１３０、１３１によって、２次巻線１２２、１２３の発生する交流電圧を整流し、直流電圧に変換して平滑回路１４に供給する。平滑回路１４は、整流回路１３から供給される直流電圧を平滑化して負荷Ｓ１に供給する。

【0046】

これにより、バッテリＢ１から供給される直流電圧が、所定の直流電圧に変換され負荷Ｓ１に供給される。

【0047】

次に、図１及び図２を参照して第１実施形態の電力変換装置の動作をより詳細に説明する。

【0048】

図２に示すように、ＩＧＢＴ１１０がオンすることで１次巻線１２０に電流が流れ、トランス１２に正の磁束が発生する。１次巻線１２０に流れる電流は、時間の経過とともに増加し、ＩＧＢＴ１１０がオフする直前に最も大きくなる。また、ＩＧＢＴ１１１がオンすることで１次巻線１２１に電流が流れ、トランス１２に負の磁束が発生する。１次巻線１２１に流れる電流は、時間の経過とともに増加し、ＩＧＢＴ１１１がオフする直前に最も大きくなる。

【0049】

１次巻線１２０、１２１に流れる電流は、励磁電流と負荷電流の和である。そのため、励磁電流が０になるタイミングにおける１次巻線１２０、１２１に流れる電流が負荷電流になる。つまり、電力変換装置１の出力電流に対応した電流になる。また、ＩＧＢＴ１１０、１１１がオフ直前に励磁電流の大きさが最も大きくなる。

【0050】

図１に示す電力変換装置１が動作を開始すると、制御回路１６は、図２に示すように、１次巻線１２０に印加するパルス電圧のパルス幅が想定されるパルス幅の１／２（ただし、パルス幅制限値以上の場合はパルス幅制限値の１／２）となるように、ＩＧＢＴ１１０をオンする。これにより、１次巻線１２０に所定時間電流が流れ、トランス１２の励磁電流が０から増加して正の所定値になる。次に、ＩＧＢＴ１１１を想定されるパルス幅でオンする。これにより、１次巻線１２１に所定時間電流が流れ、トランス１２の励磁電流が減少して負の所定値になる。動作開始時のパルス幅を想定されるパルス幅の１／２にすることで、トランス１２の励磁電流を０基準で動作させることが可能になり、ＥＴ積を過度に大きくする必要がなくなる。

【0051】

図１に示す電流情報出力部１６０は、励磁電流が０になるタイミングである、ＩＧＢＴ１１１のオン期間中の中央点における電流センサ１５の検出結果と、トランス１２の巻数比から、電力変換装置１の出力電流Ｉｏｕｔを求める。ＰＩ演算部１６２は、出力電流指令Ｉｏｕｔ＊と出力電流Ｉｏｕｔの偏差に応じたパルス幅を出力する。加算部１６３は、ＰＩ演算部１６２の出力するパルス幅にフィードフォワード項Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎを加算し、パルス幅として出力する。加算部１６３の出力するパルス幅がパルス幅制限値以下である場合、パルス幅制限部１６４は、加算部１６３の出力するパルス幅を、１次巻線１２１に印加するパルス電圧のパルス幅として出力する。

【0052】

同様に、図１に示す電流情報出力部１６０は、励磁電流が０になるタイミングである、ＩＧＢＴ１１０のオン期間中の中央点における電流センサ１５の検出結果と、トランス１２の巻数比から、電力変換装置１の出力電流Ｉｏｕｔを求める。ＰＩ演算部１６２は、出力電流指令Ｉｏｕｔ＊と出力電流Ｉｏｕｔの偏差に応じたパルス幅を出力する。加算部１６３は、ＰＩ演算部１６２の出力するパルス幅にフィードフォワード項Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎを加算し、パルス幅として出力する。加算部１６３の出力するパルス幅がパルス幅制限値以下である場合、パルス幅制限部１６４は、加算部１６３の出力するパルス幅を、１次巻線１２０に印加するパルス電圧のパルス幅として出力する。

【0053】

以降、同様の制御が周期Ｔ１毎に繰り返され、出力電流Ｉｏｕｔは出力電流指令Ｉｏｕｔ＊に漸近する。

【0054】

次に、偏磁抑制について説明する。電流情報出力部１６０は、ＩＧＢＴ１１０がオフする直前のタイミング（Ｎ）における電流センサ１５の検出結果から、１次巻線１２０に流れる電流の大きさＩｓｗ１（Ｎ）を検出し保持する。また、ＩＧＢＴ１１１がオフする直前のタイミング（Ｎ）における電流センサ１５の検出結果から、１次巻線１２１に流れる電流の大きさＩｓｗ２（Ｎ）を検出し保持する。電流情報出力部１６０は、Ｉｓｗ１（Ｎ）からＩｓｗ２（Ｎ）を減算することで１次巻線１２０、１２１に流れる電流の差ΔＩｓｗ（Ｎ）を求める。１次巻線１２０、１２１の漏れインダクタや駆動回路１６９ａ、１６９ｂの性能差が原因で、１次巻線１２０、１２１に流れる電流の差ΔＩｓｗは、０でない所定値になる。その結果、ＰＩ演算部１６６は、０でない所定値を出力する。

【0055】

１次巻線１２０に流れる電流の大きさＩｓｗ１（Ｎ）が１次巻線１２１に流れる電流の大きさＩｓｗ２（Ｎ）よりも大きい場合、ΔＩｓｗ（Ｎ）は正の値になり、ＰＩ演算部１６６の出力は負の値になる。加算部１６７でパルス幅制限部１６４の出力とＰＩ演算部１６６の出力が加算され、駆動回路１６９ａに入力されるパルス幅は、パルス幅制限部１６４の出力パルス幅よりも小さくなる。また、加算部１６８でパルス幅制限部１６４の出力からＰＩ演算部１６６の出力が減算され、駆動回路１６９ａに入力されるパルス幅は、パルス幅制限部１６４の出力パルス幅よりも大きくなる。これにより、次のタイミング（Ｎ＋１）のオンにおいて１次巻線１２０に流れる電流の大きさＩｓｗ１（Ｎ＋１）は小さくなり、１次巻線１２１に流れる電流の大きさＩｓｗ２（Ｎ＋１）は大きくなる。その結果、１次巻線１２０、１２１に流れる電流の差ΔＩｓｗは是正され、励磁電流の偏りがなくなる。

【0056】

以降、同様の制御が繰り返され、その結果、正の磁束を発生する際の励磁電流と、負の磁束を発生する際の励磁電流の大きさを等しくすることができる。つまり、正の磁束と負の磁束の大きさを等しくすることができる。従って、トランスの偏磁を抑えることができる。

【0057】

ところで、出力電流指令Ｉｏｕｔ＊が急激に増加した場合、出力電流指令Ｉｏｕｔ＊と出力電流Ｉｏｕｔの偏差も急激に増加する。そのため、加算部１６３の出力するパルス幅が、パルス幅制限値より大きくなる。その結果、パルス幅制限部１６４は、パルス幅制限値を、１次巻線１２０に印加するパルス電圧のパルス幅として出力する。パルス幅制限値は、トランス１２のＥＴ積によって決まる、トランス１２が不飽和領域の範囲内で動作する際に許容される最大パルス幅に設定されている。

【0058】

ＰＩ演算部１６６は、１次巻線１２０、１２１に流れる電流の大きさの差に対する指令ΔＩｓｗ＊と、１次巻線１２０、１２１に流れる電流の大きさの差ΔＩｓｗの偏差を比例、積分演算して出力する。

【0059】

駆動回路１６９ａは、図２に示すように、１次巻線１２０に印加するパルス電圧のパルス幅が、パルス幅制限値からＰＩ演算部１６６の出力を減算したものとなるように、ＩＧＢＴ１１０をオンする。

【0060】

その後、図１に示す電流情報出力部１６０は、励磁電流が０になるタイミングにおける電流センサ１５の検出結果と、トランス１２の巻数比から、電力変換装置１の出力電流Ｉｏｕｔを求める。出力電流Ｉｏｕｔは出力電流指令Ｉｏｕｔ＊に追従しておらず、加算部１６３の出力するパルス幅は、パルス幅制限部１６４におけるパルス幅制限値より大きくなる。その結果、パルス幅制限部１６４は、パルス幅制限値を、１次巻線１２０に印加するパルス電圧のパルス幅として出力する。

【0061】

ＰＩ演算部１６６は、１次巻線１２０、１２１に流れる電流の大きさの差に対する指令ΔＩｓｗ＊と、１次巻線１２０、１２１に流れる電流の大きさの差ΔＩｓｗの偏差を比例、積分演算して出力する。

【0062】

駆動回路１６９ｂは、図２に示すように、１次巻線１２１に印加するパルス電圧のパルス幅が、パルス幅制限値にＰＩ演算部１６６の出力を加算したものとなるように、ＩＧＢＴ１１１をオンする。その結果、出力電流指令Ｉｏｕｔ＊が急激に増加した場合であっても、トランス１２の磁気飽和を防止することができる。また、出力電流の応答性が必要な場合は、パルス電圧の周波数を上げることで、一時的なスイッチング損失の増加のみで出力電流の応答性の低下を極力抑えることができる。

【0063】

なお、図２では、負荷変動後、正の磁束を発生する際の励磁電流の大きさが、負の磁束を発生する際の励磁電流の大きさより大きくなっているが、時間経過ともに、正の磁束を発生する際の励磁電流と、負の磁束を発生する際の励磁電流の大きさは等しくなる。

【0064】

次に、第１実施形態の電力変換装置の効果について説明する。

【0065】

１次巻線に流れる電流は、励磁電流と負荷電流の和である。負荷電流は、２次巻線に流れる電流に対応した電流である。つまり、電力変換装置１の出力電流に対応した電流である。電力変換装置１の出力電流が一定になるように、電力変換装置１が制御されている場合、１次巻線の負荷電流の大きさも一定になる。

【0066】

第１実施形態によれば、制御回路１６は、電流センサ１５の検出結果に基づいて、正の磁束を発生しているときに１次巻線１２０に所定時間流れる電流と、負の磁束を発生しているときに１次巻線１２１に所定時間流れる電流の大きさが等しくなるように、電圧印加回路１１の出力するパルス電圧のパルス幅を制御する。そのため、図２及び図３に示すように、正の磁束を発生する際の励磁電流と、負の磁束を発生する際の励磁電流の大きさを等しくすることができる。つまり、正の磁束と負の磁束の大きさを等しくすることができる。

【0067】

一方、正の磁束を発生しているときに１次巻線１２０に流れる電流と、負の磁束を発生しているときに１次巻線１２１に流れる電流の大きさが等しくなるようなパルス幅の制御をしていない場合、図４に示すように、正の磁束を発生する際の励磁電流の大きさが、負の磁束を発生する際の励磁電流の大きさより大きくなってしまう。つまり、正の磁束と負の磁束の大きさを等しくすることができない。

【0068】

従って、電力変換装置１は、トランス１２の磁束密度を直接検出することなく、偏磁を確実に抑えることができる。

【0069】

第１実施形態によれば、制御回路１６は、トランス１２が磁気飽和しない不飽和領域の範囲内で動作するように、具体的には、トランス１２がＥＴ積の範囲内で動作するように、パルス電圧のパルス幅を制限する。そのため、トランス１２の磁気飽和を防止することができる。

【0070】

制御回路１６がパルス幅を制限すると、出力電流の応答性が低下してしまう。しかし、第１実施形態によれば、出力電流の応答性が必要な場合は、周期Ｔ１を短くしてパルス電圧の周波数を上げることで、一時的なスイッチング損失の増加のみで出力電流の応答性の低下を極力抑えることができる。

【0071】

第１実施形態によれば、制御回路１６は、電流センサ１５の検出結果から電力変換装置１の出力電流を求め、求めた出力電流に基づいて電圧印加回路１１の出力するパルス電圧を制御する。そのため、出力電流を検出するための回路を別途設ける必要がない。従って、電力変換装置１を小型化するとともに、電力変換装置１のコストを抑えることができる。

【0072】

（第２実施形態）
次に、第２実施形態の電力変換装置について説明する。第２実施形態の電力変換装置は、第１実施形態の電力変換装置に対して、トランスの構成を変更するとともに、それに伴って電圧印加回路及び整流回路の構成を変更したものである。

【0073】

まず、図５を参照して第２実施形態の電力変換装置の構成について説明する。

【0074】

図５に示す電力変換装置２は、バッテリＢ２から供給される直流電圧を所定の直流電圧に変換して負荷Ｓ２に供給する装置である。いわゆるフルブリッジ方式の電力変換装置である。電力変換装置２は、平滑用コンデンサ２０と、電圧印加回路２１と、トランス２２と、整流回路２３と、平滑回路２４と、電流センサ２５（電流検出回路）と、制御回路２６とを備えている。

【0075】

平滑用コンデンサ２０の一端はバッテリＢ２の正極端に、他端はバッテリＢ２の負極端にそれぞれ接続されている。

【0076】

電圧印加回路２１は、ＩＧＢＴ２１０〜２１３を備えている。ＩＧＢＴ２１０、２１１及びＩＧＢＴ２１２、２１３はそれぞれ直列接続されている。具体的には、ＩＧＢＴ２１０のエミッタがＩＧＢＴ２１１のコレクタに、ＩＧＢＴ２１２のエミッタがＩＧＢＴ２１３のコレクタにそれぞれ接続されている。直列接続されたＩＧＢＴ２１０、２１１及び直列接続されたＩＧＢＴ２１２、２１３は並列接続されている。具体的には、ＩＧＢＴ２１０のコレクタとＩＧＢＴ２１２のコレクタが、ＩＧＢＴ２１１のエミッタとＩＧＢＴ２１３のエミッタがそれぞれ共通接続されている。共通接続されたＩＧＢＴ２１０、２１２のコレクタは平滑用コンデンサ２０の一端に、共通接続されたＩＧＢＴ２１１、２１３のエミッタは平滑用コンデンサ２０の他端にそれぞれ接続されている。また、ＩＧＢＴ２１０、２１１の直列接続点及びＩＧＢＴ２１２、２１３の直列接続点は、トランス２２にそれぞれ接続されている。さらに、ＩＧＢＴ２１０〜２１３のゲートは、制御回路２６にそれぞれ接続されている。

【0077】

トランス２２は、１次巻線２２０と、２次巻線２２１とを有している。１次巻線２２０の一端はＩＧＢＴ２１０、２１１の直列接続点に、他端はＩＧＢＴ２１２、２１３の直列接続点にそれぞれ接続されている。２次巻線２２１の一端及び他端は、整流回路２３に接続されている。

【0078】

整流回路２３は、ダイオード２３０〜２３３を備えている。ダイオード２３０、２３１及びダイオード２３２、２３３はそれぞれ直列接続されている。具体的には、ダイオード２３０のアノードがダイオード２３１のカソードに、ダイオード２３２のアノードがダイオード２３３のカソードにそれぞれ接続されている。直接接続されたダイオード２３０、２３１及び直接接続されたダイオード２３２、２３３は並列接続されている。具体的には、ダイオード２３０のカソードとダイオード２３２のカソードが、ダイオード２３１のアノードとダイオード２３３のアノードがそれぞれ共通接続されている。ダイオード２３０、２３１の直列接続点は２次巻線２２１の一端に、ダイオード２３２、２３３の直接接続点は２次巻線２２１の他端にそれぞれ接続されている。また、共通接続されたダイオード２３０、２３２のカソード及び共通接続されたダイオード２３１、２３３のアノードは、平滑回路２４にそれぞれ接続されている。

【0079】

平滑回路２４は、リアクトル２４０と、コンデンサ２４１とを備えている。リアクトル２４０の一端は、共通接続されたダイオード２３０、２３２のカソードに、他端は負荷Ｓ２の正極端にそれぞれ接続されている。コンデンサ２４１の一端はリアクトル２４０の他端に接続され、他端は共通接続されたダイオード２３１、２３３のアノードに接続されるとともに、負荷Ｓ２の負極端にそれぞれ接続されている。

【0080】

電流センサ２５は、ＩＧＢＴ２１１、２１３のエミッタと平滑用コンデンサ２０の他端を接続する配線に設けられている。また、検出結果を出力する出力端は、制御回路２６に接続されている。

【0081】

制御回路２６は、電流センサ２５の検出結果から電力変換装置２の出力電流を求め、求めた出力電流に基づいて、１次巻線２２０が一方向及び逆方向に交互に磁束を発生するように、電圧印加回路２１の出力するパルス電圧を制御する回路である。制御回路２６は、電流センサ２５の検出結果に基づいて、正の磁束（一方向の磁束）を発生しているときに１次巻線２２０に所定時間流れる電流と、負の磁束（逆方向の磁束）を発生しているときに１次巻線２２０に所定時間流れる電流の大きさが等しくなるように、電圧印加回路２１の出力するパルス電圧のパルス幅を制御する。また、トランス２２が磁気飽和しない不飽和領域の範囲内で動作するように、具体的には、トランス２２がＥＴ積の範囲内で動作するように、パルス電圧のパルス幅を制限する。そして、負荷電流変動時において、応答性を上げる必要がある場合には、一時的にパルス電圧のパルス幅を制限している間、パルス電圧の周波数を上げる。

【0082】

次に、図５を参照して第２実施形態の電力変換装置の動作について説明する。電力変換装置２は、周知のフルブリッジ方式の電力変換装置である。そのため、基本的な動作の説明は省略し、本発明の要点に関連する動作についてする。

【0083】

制御回路２６は、正の磁束を発生しているときに１次巻線２２０に所定時間流れる電流と、負の磁束を発生しているときに１次巻線２２０に所定時間流れる電流の大きさが等しくなるように、電圧印加回路２１の出力するパルス電圧のパルス幅を制御する。これにより、正の磁束を発生する際の励磁電流と、負の磁束を発生する際の励磁電流の大きさを等しくすることができる。つまり、正の磁束と負の磁束の大きさを等しくすることができる。従って、トランスの偏磁を抑えることができる。

【0084】

また、制御回路２６は、トランス２２が磁気飽和しない不飽和領域の範囲内で動作するように、具体的には、トランス２２がＥＴ積の範囲内で動作するように、パルス電圧のパルス幅を制限する。これにより、動作開始時に出力電流指令Ｉｏｕｔ＊が大きい場合や、出力電流指令Ｉｏｕｔ＊が急激に増加した場合であっても、トランス２２の磁気飽和を防止することができる。また、パルス幅を制限したことによって出力電流の応答性が低下してしまうが、パルス電圧の周波数を上げることで、出力電流の応答性の低下を極力抑えることができる。

【0085】

次に、第２実施形態の電力変換装置の効果について説明する。

【0086】

第２実施形態によれば、フルブリッジ方式の電力変換装置であっても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0087】

なお、第１及び第２実施形態では、制御回路が、正の磁束を発生しているときに１次巻線に流れる電流と、負の磁束を発生しているときに１次巻線に流れる電流の大きさが等しくなるように、電圧印加回路の出力するパルス電圧のパルス幅を制御する例を挙げているが、これに限られるものではない。１次巻線に流れる電流から励磁電流を求め、正の磁束を発生しているときに１次巻線に流れる電流の励磁電流成分と、負の磁束を発生しているときに１次巻線に流れる電流の励磁電流成分の大きさが等しくなるように、電圧印加回路の出力するパルス電圧のパルス幅を制御してもよい。

【符号の説明】

【0088】

１・・・電力変換装置、１１・・・電圧印加回路、１１０、１１１・・・ＩＧＢＴ、１２・・・トランス、１２０、１２１・・・１次巻線、１２２、１２３・・・２次巻線、１３・・・整流回路、１３０、１３１・・・ダイオード、１５・・・電流センサ（電流検出回路）、１６・・・制御回路、Ｂ１・・・バッテリ、Ｓ１・・・負荷

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】