特開 2024-163675 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024163675

(43)【公開日】2024-11-22

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/12 20060101AFI20241115BHJP

【ＦＩ】

H02M7/12 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023079494

(22)【出願日】2023-05-12

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100124062

【弁理士】

【氏名又は名称】三上 敬史

(74)【代理人】

【識別番号】100148013

【弁理士】

【氏名又は名称】中山 浩光

(74)【代理人】

【識別番号】100171583

【弁理士】

【氏名又は名称】梅景 篤

(72)【発明者】

【氏名】爲永 陽樹

(72)【発明者】

【氏名】尾形 卓也

(72)【発明者】

【氏名】杉本 拓也

【テーマコード（参考）】

5H006

【Ｆターム（参考）】

5H006CA01

5H006CA02

5H006CB08

5H006CC01

5H006DA04

5H006DB01

5H006DC02

5H006DC05

(57)【要約】

【課題】三相電源が電圧平衡状態であっても、三相電流の実効値のばらつきを低減可能な電力変換装置を提供すること。
【解決手段】電力変換装置１は、電源装置２から供給される三相交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換回路３と、Ｕ相電流の電流値Ｉｕ、Ｖ相電流の電流値Ｉｖ、及びＷ相電流の電流値Ｉｗを検出する電流検出回路７と、ＡＣ／ＤＣ変換回路３を駆動する駆動信号を出力する制御回路１０と、を備え、制御回路１０は、電流値Ｉｕ、電流値Ｉｖ、及び電流値Ｉｗに基づいて、Ｕ相電流の実効値、Ｖ相電流の実効値、及びＷ相電流の実効値のうちのいずれかの実効値と基準値との差が予め設定された閾値よりも大きいと判定した場合、いずれかの実効値が基準値に近づくように、各相の駆動信号のデューティー比を調整する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電源装置から供給される三相交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換回路と、
第１相電流の第１電流値、第２相電流の第２電流値、及び第３相電流の第３電流値を検出する検出回路と、
前記ＡＣ／ＤＣ変換回路を駆動する駆動信号を出力する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、前記第１電流値、前記第２電流値、及び前記第３電流値に基づいて、前記第１相電流の実効値、前記第２相電流の実効値、及び前記第３相電流の実効値のうちのいずれかの実効値と基準値との差が予め設定された閾値よりも大きいと判定した場合、前記いずれかの実効値が前記基準値に近づくように、各相の駆動信号のデューティー比を調整する、電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、三相電力系統が電圧不平衡状態になった場合でも、インバータ回路が安定して運転を継続でき、かつ、スイッチングロスを低減することができるようにＰＷＭ信号を生成するインバータ制御回路が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４－６４４６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の技術では、電圧不平衡状態が検出された場合に、不平衡状態の各相の電圧に応じて生成されたＰＷＭ信号がインバータ回路に出力される。しかしながら、三相電圧が平衡状態である場合でも、部品ばらつきなどに起因して三相電流の実効値が異なる場合がある。

【0005】

本開示は、三相電源が電圧平衡状態であっても、三相電流の実効値のばらつきを低減可能な電力変換装置を説明する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示の一側面に係る電力変換装置は、電源装置から供給される三相交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣ変換回路と、第１相電流の第１電流値、第２相電流の第２電流値、及び第３相電流の第３電流値を検出する検出回路と、ＡＣ／ＤＣ変換回路を駆動する駆動信号を出力する制御回路と、を備える。制御回路は、第１電流値、第２電流値、及び第３電流値に基づいて、第１相電流の実効値、第２相電流の実効値、及び第３相電流の実効値のうちのいずれかの実効値と基準値との差が予め設定された閾値よりも大きいと判定した場合、いずれかの実効値が基準値に近づくように、各相の駆動信号のデューティー比を調整する。

【0007】

この電力変換装置においては、第１相電流の第１電流値、第２相電流の第２電流値、及び第３相電流の第３電流値に基づいて、第１相電流の実効値、第２相電流の実効値、及び第３相電流の実効値のうちのいずれかの実効値と基準値との差が閾値よりも大きいと判定された場合、当該実効値が基準値に近づくように、各相の駆動信号のデューティー比が調整される。上記実効値と基準値との差が閾値よりも大きい場合には、三相電流の実効値に不平衡が生じていると考えられる。この場合、その実効値が基準値に近づけられるので、三相電流の実効値のばらつきが低減される。したがって、三相電源が電圧平衡状態であっても、三相電流の実効値のばらつきを低減することが可能となる。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、三相電源が電圧平衡状態であっても、三相電流の実効値のばらつきを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、一実施形態に係る電力変換装置の概略構成図である。

【図2】図２は、図１に示される制御回路が行う三相電流の実効値補正方法の一例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、添付図面を参照しながら一実施形態に係る電力変換装置を詳細に説明する。図面の説明において、同一又は同等の要素には同一符号が用いられ、重複する説明は省略される。

【0011】

図１を参照しながら、一実施形態に係る電力変換装置の構成を説明する。図１は、一実施形態に係る電力変換装置の概略構成図である。図１に示される電力変換装置１は、電源装置２から供給された三相交流電圧を直流電圧に変換する装置である。電力変換装置１は、例えば、充電器に適用される。

【0012】

電源装置２は、三相交流電源である。電源装置２は、Ｕ相電圧、Ｖ相電圧、及びＷ相電圧を含む三相交流電圧を供給する。Ｕ相電圧の位相、Ｖ相電圧の位相、及びＷ相電圧の位相は、互いに１２０°ずれている。

【0013】

電力変換装置１は、入力端子１ａ、入力端子１ｂ、入力端子１ｃ、及び入力端子１ｄを有している。電力変換装置１は、入力端子１ａ、入力端子１ｂ、入力端子１ｃ、及び入力端子１ｄを介して電源装置２に接続される。具体的には、入力端子１ａはＵ相電圧を受け、入力端子１ｂはＶ相電圧を受け、入力端子１ｃはＷ相電圧を受ける。入力端子１ｄは、電源装置２の中性点に接続されている。

【0014】

電力変換装置１は、出力端子１ｅ及び出力端子１ｆを有している。出力端子１ｅ及び出力端子１ｆは、直流電圧を出力する。出力端子１ｆは、接地されている。

【0015】

電力変換装置１は、ＡＣ／ＤＣ変換回路３と、フィルタ回路４と、フィルタ回路５と、電圧検出回路６と、電流検出回路７（検出回路）と、制御回路１０と、平滑コンデンサＣ１，Ｃ２と、を含む。

【0016】

ＡＣ／ＤＣ変換回路３は、電源装置２から供給される三相交流電圧を直流電圧に変換する回路である。ＡＣ／ＤＣ変換回路３は、複数のスイッチング素子（スイッチング素子ＳＷ１、スイッチング素子ＳＷ２、スイッチング素子ＳＷ３、スイッチング素子ＳＷ４、スイッチング素子ＳＷ５、及びスイッチング素子ＳＷ６）を含む。

【0017】

各スイッチング素子は、その両端の電気的な接続状態を導通状態（オン状態）と遮断状態（オフ状態）との間で切り替え可能な回路要素である。各スイッチング素子は、例えば、還流ダイオードが並列に接続された金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、又は還流ダイオードが並列に接続された絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）から構成されている。各スイッチング素子に制御回路１０から駆動信号が供給されることによって、スイッチング素子の状態がオン状態とオフ状態との間で切り替えられる。本実施形態では、スイッチング素子として、還流ダイオードが並列に接続されたｎチャネルＭＯＳＦＥＴが例示される。

【0018】

スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ４とは、出力端子１ｅと出力端子１ｆとの間に直列に接続されている。具体的には、スイッチング素子ＳＷ１のドレインは、出力端子１ｅに接続されている。スイッチング素子ＳＷ１のソースとスイッチング素子ＳＷ４のドレインとは互いに接続されており、後述のリアクトル５１及びフィルタ回路４を介して入力端子１ａに接続されている。スイッチング素子ＳＷ４のソースは、出力端子１ｆに接続されている。

【0019】

スイッチング素子ＳＷ２とスイッチング素子ＳＷ５とは、出力端子１ｅと出力端子１ｆとの間に直列に接続されている。具体的には、スイッチング素子ＳＷ２のドレインは、出力端子１ｅに接続されている。スイッチング素子ＳＷ２のソースとスイッチング素子ＳＷ５のドレインとは互いに接続されており、後述のリアクトル５２及びフィルタ回路４を介して入力端子１ｂに接続されている。スイッチング素子ＳＷ５のソースは、出力端子１ｆに接続されている。

【0020】

スイッチング素子ＳＷ３とスイッチング素子ＳＷ６とは、出力端子１ｅと出力端子１ｆとの間に直列に接続されている。具体的には、スイッチング素子ＳＷ３のドレインは、出力端子１ｅに接続されている。スイッチング素子ＳＷ３のソースとスイッチング素子ＳＷ６のドレインとは互いに接続されており、後述のリアクトル５３及びフィルタ回路４を介して入力端子１ｃに接続されている。スイッチング素子ＳＷ６のソースは、出力端子１ｆに接続されている。

【0021】

平滑コンデンサＣ１及び平滑コンデンサＣ２は、ＡＣ／ＤＣ変換回路３から出力される直流電圧を平滑化する。平滑コンデンサＣ１及び平滑コンデンサＣ２は、出力端子１ｅと出力端子１ｆとの間に直列に接続されている。

【0022】

フィルタ回路４及びフィルタ回路５は、ＡＣ／ＤＣ変換回路３のスイッチングによって発生する高調波成分を抑制する回路である。フィルタ回路４及びフィルタ回路５は、入力端子１ａ、入力端子１ｂ、及び入力端子１ｃと、ＡＣ／ＤＣ変換回路３との間に設けられている。フィルタ回路５は、リアクトル５１と、リアクトル５２と、リアクトル５３と、を含む。

【0023】

リアクトル５１の一端はフィルタ回路４を介して入力端子１ａに接続され、リアクトル５１の他端はスイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ４との接続点に接続されている。リアクトル５２の一端はフィルタ回路４を介して入力端子１ｂに接続され、リアクトル５２の他端はスイッチング素子ＳＷ２とスイッチング素子ＳＷ５との接続点に接続されている。リアクトル５３の一端はフィルタ回路４を介して入力端子１ｃに接続され、リアクトル５３の他端はスイッチング素子ＳＷ３とスイッチング素子ＳＷ６との接続点に接続されている。

【0024】

電圧検出回路６は、Ｕ相電圧の電圧値Ｖｕ、Ｖ相電圧の電圧値Ｖｖ、及びＷ相電圧の電圧値Ｖｗを検出する回路である。電圧値Ｖｕは、Ｕ相電圧の瞬時値である。電圧値Ｖｖは、Ｖ相電圧の瞬時値である。電圧値Ｖｗは、Ｗ相電圧の瞬時値である。電圧検出回路６は、電圧センサ６１と、電圧センサ６２と、電圧センサ６３と、を含む。電圧センサ６１は、電圧値Ｖｕを検出し、電圧値Ｖｕを制御回路１０に出力する。電圧センサ６２は、電圧値Ｖｖを検出し、電圧値Ｖｖを制御回路１０に出力する。電圧センサ６３は、電圧値Ｖｗを検出し、電圧値Ｖｗを制御回路１０に出力する。

【0025】

電流検出回路７は、Ｕ相電流（第１相電流）の電流値Ｉｕ（第１電流値）、Ｖ相電流（第２相電流）の電流値Ｉｖ（第２電流値）、及びＷ相電流（第３相電流）の電流値Ｉｗ（第３電流値）を検出する回路である。電流値Ｉｕは、Ｕ相電流の瞬時値である。電流値Ｉｖは、Ｖ相電流の瞬時値である。電流値Ｉｗは、Ｗ相電流の瞬時値である。電流検出回路７は、電流センサ７１と、電流センサ７２と、電流センサ７３と、を含む。電流センサ７１は、電流値Ｉｕを検出し、電流値Ｉｕを制御回路１０に出力する。電流センサ７２は、電流値Ｉｖを検出し、電流値Ｉｖを制御回路１０に出力する。電流センサ７３は、電流値Ｉｗを検出し、電流値Ｉｗを制御回路１０に出力する。

【0026】

制御回路１０は、ＡＣ／ＤＣ変換回路３を駆動するための駆動信号を出力する回路である。制御回路１０は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって駆動信号を生成し、ＡＣ／ＤＣ変換回路３に駆動信号を出力することによってＡＣ／ＤＣ変換回路３に含まれる各スイッチング素子のオン状態とオフ状態とを切り替える。制御回路１０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）などから構成される電子制御ユニットである。例えばＲＯＭに格納されているプログラムがＲＡＭ上にロードされてＣＰＵで実行されることにより、制御回路１０の各種機能が実現される。

【0027】

次に、図２を更に参照しながら、制御回路１０が行う三相電流の実効値補正方法を説明する。図２は、図１に示される制御回路が行う三相電流の実効値補正方法の一例を示すフローチャートである。図２に示される一連の処理は、例えば、所定の時間間隔（制御周期）で繰り返し行われる。なお、電流検出回路７は、電流値Ｉｕ、電流値Ｉｖ、及び電流値Ｉｗを連続的に検出している。制御回路１０は、ＰＷＭ制御によって、駆動信号を生成し、駆動信号をＡＣ／ＤＣ変換回路３に出力している。

【0028】

図２に示されるように、まず、制御回路１０は、電流検出回路７から電流値Ｉｕ、電流値Ｉｖ、及び電流値Ｉｗを取得する（ステップＳ１）。そして、制御回路１０は、Ｕ相電流の実効値Ｉｕｅ（第１実効値）、Ｖ相電流の実効値Ｉｖｅ（第２実効値）、及びＷ相電流の実効値Ｉｗｅ（第３実効値）を算出する（ステップＳ２）。ステップＳ２では、制御回路１０は、公知の手法により、電流値Ｉｕから実効値Ｉｕｅを算出し、電流値Ｉｖから実効値Ｉｖｅを算出し、電流値Ｉｗから実効値Ｉｗｅを算出する。

【0029】

続いて、制御回路１０は、三相電流の実効値に不平衡が生じているか否かを判定する（ステップＳ３）。ステップＳ３では、制御回路１０は、実効値Ｉｕｅ、実効値Ｉｖｅ、及び実効値Ｉｗｅのうちの少なくとも１つの実効値と基準値との差（絶対値）が、予め設定された判定閾値よりも大きいか否かを判定する。

【0030】

基準値としては、例えば、実効値Ｉｕｅ、実効値Ｉｖｅ、及び実効値Ｉｗｅの平均値が用いられる。この場合、制御回路１０は、実効値Ｉｕｅ、実効値Ｉｖｅ、及び実効値Ｉｗｅの平均値を算出する。そして、制御回路１０は、実効値Ｉｕｅと上記平均値との差分（絶対値）が判定閾値よりも大きいこと、実効値Ｉｖｅと上記平均値との差分（絶対値）が判定閾値よりも大きいこと、及び、実効値Ｉｗｅと上記平均値との差分（絶対値）が判定閾値よりも大きいことのいずれかが満たされた場合に、三相電流の実効値に不平衡が生じていると判定する。制御回路１０は、上記条件のいずれも満たされていない場合に、三相電流の実効値に不平衡が生じていないと判定する。

【0031】

基準値として、実効値Ｉｕｅ、実効値Ｉｖｅ、及び実効値Ｉｗｅのいずれかが用いられてもよい。この場合、制御回路１０は、実効値Ｉｕｅ、実効値Ｉｖｅ、及び実効値Ｉｗｅのうちの１つを基準値として選択する。例えば、実効値Ｉｖｅが基準値として選択された場合、制御回路１０は、実効値Ｉｕｅと実効値Ｉｖｅとの差分（絶対値）が判定閾値よりも大きいこと、及び、実効値Ｉｗｅと実効値Ｉｖｅとの差分（絶対値）が判定閾値よりも大きいことのいずれかが満たされた場合に、三相電流の実効値に不平衡が生じていると判定する。制御回路１０は、上記条件のいずれも満たされていない場合には、実効値Ｉｕｅ、実効値Ｉｖｅ、及び実効値Ｉｗｅのうちの基準値として用いられていない残りの２つの実効値の差分（ここでは、実効値Ｉｕｅと実効値Ｉｗｅとの差分）が判定閾値よりも大きい場合に、三相電流の実効値に不平衡が生じていると判定する。制御回路１０は、残りの２つの実効値の差分が判定閾値以下である場合に、三相電流の実効値に不平衡が生じていないと判定する。

【0032】

ステップＳ３において、三相電流の実効値に不平衡が生じていると判定された場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、制御回路１０は、各相の駆動信号のデューティー比を調整する（ステップＳ４）。ステップＳ４では、制御回路１０は、実効値Ｉｕｅ、実効値Ｉｖｅ、及び実効値Ｉｗｅが互いに近づくように、各相の駆動信号のデューティー比を調整する。

【0033】

具体的には、ステップＳ３において基準値との差分が判定閾値よりも大きいと判定された実効値が基準値に近づくように、各相の駆動信号のデューティー比が調整される。例えば、実効値が基準値よりも大きい場合には、制御回路１０は、その相の駆動信号のデューティー比を所定の割合で減少する。実効値が基準値よりも小さい場合には、制御回路１０は、その相の駆動信号のデューティー比を所定の割合で増加する。制御回路１０は、相電流の実効値が最も大きい相の駆動信号のデューティー比を所定の割合で減少してもよい。制御回路１０は、相電流の実効値が最も小さい相の駆動信号のデューティー比を所定の割合で増加してもよい。

【0034】

ステップＳ３において、三相電流の実効値に不平衡が生じていないと判定された場合（ステップＳ３：ＮＯ）、制御回路１０は、前回の制御周期において設定された各相の駆動信号のデューティー比を維持する（ステップＳ５）。

【0035】

続いて、制御回路１０は、各相の駆動信号をＡＣ／ＤＣ変換回路３に出力する（ステップＳ６）。以上により、図２に示される一連の処理が終了する。

【0036】

以上説明した電力変換装置１においては、電流値Ｉｕ、電流値Ｉｖ、及び電流値Ｉｗに基づいて、実効値Ｉｕｅ、実効値Ｉｖｅ、及び実効値Ｉｗｅのうちのいずれかの実効値と基準値との差が判定閾値よりも大きいと判定された場合、当該実効値が基準値に近づくように、各相の駆動信号のデューティー比が調整される。上記実効値と基準値との差が判定閾値よりも大きい場合には、三相電流の実効値に不平衡が生じていると考えられる。この場合、上記実効値が基準値に近づけられるので、三相電流の実効値のばらつきが低減される。したがって、電源装置２が電圧平衡状態であっても、三相電流の実効値のばらつきを低減することが可能となる。

【0037】

以上、本開示の一実施形態について詳細に説明されたが、本開示に係る電力変換装置は上記実施形態に限定されない。

【符号の説明】

【0038】

１…電力変換装置、２…電源装置、３…ＡＣ／ＤＣ変換回路、７…電流検出回路（検出回路）、１０…制御回路、Ｉｕ…電流値（第１電流値）、Ｉｕｅ…実効値、Ｉｖ…電流値（第２電流値）、Ｉｖｅ…実効値、Ｉｗ…電流値（第３電流値）、Ｉｗｅ…実効値。

【図1】

【図2】