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(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】
(24)【登録日】2024-10-16
(45)【発行日】2024-10-24
(54)【発明の名称】電力変換装置
(51)【国際特許分類】
H02M 3/28 20060101AFI20241017BHJP
【ＦＩ】
H02M3/28 D
H02M3/28 P
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2021091774
(22)【出願日】2021-05-31
(65)【公開番号】P2022184115
(43)【公開日】2022-12-13
【審査請求日】2023-10-04
(73)【特許権者】
【識別番号】000003115
【氏名又は名称】東洋電機製造株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【弁護士】
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100161148
【弁理士】
【氏名又は名称】福尾 誠
(72)【発明者】
【氏名】野嵜 正浩
(72)【発明者】
【氏名】大山 裕二
【審査官】冨永 達朗
(56)【参考文献】
【文献】特開平０９－１６８２７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－２４３８５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０６－０７８５６４（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】
半導体スイッチング素子をブリッジ接続し、直流電力を交流電力に変換して変圧器の一次巻線に印加する逆変換器と、前記変圧器の他の巻線の端子間の交流電力を直流電力へ変換する順変換器と、
前記半導体スイッチング素子のオンオフを制御して前記逆変換器の出力電力を調整する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記逆変換器のスイッチング周期を決定するキャリア波を発生するキャリア波発生部と、
前記変圧器の偏磁量又は該偏磁量の積算に応じて前記キャリア波の周期単位で値が調整された偏磁補償指令値を求める偏磁補償部と、
前記キャリア波と前記偏磁補償指令値とを比較することにより、前記半導体スイッチング素子のゲート信号を生成するゲートドライバ部と、
前記順変換器の出力電圧を制御するためのデューティー指令値を求める指令値演算部と、を有し、
前記偏磁補償部は、
前記変圧器の偏磁量を検出する偏磁検出部を有し、
前記キャリア波の周期単位で値が調整され、平均値が前記偏磁量に対応するオフセット値を求め、該オフセット値と前記デューティー指令値とを加算して前記偏磁補償指令値を生成することを特徴とする電力変換装置。
【請求項2】
前記指令値演算部は、前記キャリア波の整数周期の期間中において一定値の前記デューティー指令値を求め、前記偏磁補償部は、前記キャリア波の前記整数周期の期間中において、前記キャリア波の周期単位で値が調整された前記オフセット値を求め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】
前記偏磁検出部は、前記変圧器の一次巻線電流の周期を計数して整数周期に到達した到達信号を発生する周期カウンタ部と、
前記到達信号を遅延させてリセット信号を発生する遅延部と、
前記一次巻線電流を積分して積分値を出力し、かつ前記リセット信号により積分値を初期値にリセットする積分器と、
前記到達信号により、前記積分器より出力された積分値を保持するサンプルアンドホールド部と、
を有することを特徴とする、請求項１又は２に記載の電力変換装置。
【請求項4】
半導体スイッチング素子をブリッジ接続し、直流電力を交流電力に変換して変圧器の一次巻線に印加する逆変換器と、
前記変圧器の他の巻線の端子間の交流電力を直流電力へ変換する順変換器と、
前記半導体スイッチング素子のオンオフを制御して前記逆変換器の出力電力を調整する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記逆変換器のスイッチング周期を決定するキャリア波を発生するキャリア波発生部と、
前記変圧器の偏磁量又は該偏磁量の積算に応じて前記キャリア波の周期単位で値が調整された偏磁補償指令値を求める偏磁補償部と、
前記キャリア波と前記偏磁補償指令値とを比較することにより、前記半導体スイッチング素子のゲート信号を生成するゲートドライバ部と、
前記順変換器の出力電圧を制御するためのデューティー指令値を求める指令値演算部と、を有し、
前記偏磁補償部は、
前記変圧器の偏磁量を積算し、正側又は負側の一定値に到達すると正側偏磁補償信号又は負側偏磁補償信号を送出する偏磁検出部と、
前記正側偏磁補償信号又は前記負側偏磁補償信号により偏磁補償オフセット量を出力する偏磁補償選択部と、
前記偏磁補償オフセット量を前記デューティー指令値に加算する偏磁補償指令値生成部と、を有し、
前記偏磁検出部は、
前記変圧器の一次巻線電流の立ち上がりエッジ又は立ち下がりエッジを検出してエッジ検出パルスを発生するエッジ検出部と、
前記一次巻線電流を積分して積分値を出力し、かつリセット信号により積分値を初期値にリセットする積分器と、
前記エッジ検出パルスにより前記積分器より出力された積分値を保持するサンプルアンドホールド部と、
前記サンプルアンドホールド部により保持された一次巻線電流の一周期毎の偏差の積分値と正側積分閾値とを比較して前記正側偏磁補償信号を出力する比較器Ｐと、
前記サンプルアンドホールド部により保持された一次巻線電流の一周期毎の偏差の積分値と負側積分閾値とを比較して前記負側偏磁補償信号を出力する比較器Ｎと、
前記正側偏磁補償信号と前記負側偏磁補償信号との論理和を演算して前記積分器に入力するリセット信号を出力する論理和部と、を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項5】
前記偏磁補償選択部は、前記正側偏磁補償信号により正側偏磁補償オフセット量を選択する正側偏磁補償選択器と、
前記負側偏磁補償信号により負側偏磁補償オフセット量を選択する負側偏磁補償選択器と、
前記正側偏磁補償選択器の出力と前記負側偏磁補償選択器の出力とを加算する偏磁補償オフセット量加算部と、
を有することを特徴とする、請求項４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、電力変換装置に係り、特に変圧器を用いて電力変成を行う電力変換装置に関する。
【背景技術】
【0002】
変圧器の鉄心に通る磁束の密度には断面積と素材に依存する上限があり、許容される磁束密度よりも磁束が増加すると磁気飽和が発生し、巻線に過電流を発生させる。
【0003】
また、鉄心に発生する磁束は巻線に印加される電圧の積分に比例することから、巻線に印加される交流電圧の正負が不平衡であった場合には、正負いずれかに偏磁が発生し過電流が発生する。
【0004】
半導体スイッチング素子によるＤＣ／ＡＣ変換と変圧器とを使用した電力変成は幅広く使用されており、またそのスイッチング周波数の高周波化によって鉄心が磁気飽和しにくくなるので、変圧器の小型化が可能である。
【0005】
しかし、スイッチング周波数の高周波化が進むと、スイッチング素子自体やドライブ回路の個体差等の要因によるオン時間オフ時間の正負不平衡がスイッチング周期に占める割合が増加するため、スイッチングの正負不平衡が偏磁に繋がる。偏磁による過電流が発生すると、半導体スイッチング素子や周辺回路が破損するおそれがある。
【0006】
そこで、変圧器を用いる電力変換装置の偏磁抑制に関する技術が提案されている。例えば特許文献１には、変圧器の偏磁量を検出し、偏磁量の大きさに対して、変圧器の一次巻線へ交流電力を印加するインバータ部のスイッチング素子のオンオフ信号のデューティー比を変化させることにより、偏磁を抑制する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特開２０１９－１０３２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、特許文献１に開示された技術では、偏磁が発生すると、各スイッチング周期においてスイッチング素子のオンオフ時間を補正しているため、偏磁量が小さい場合や、スイッチング周期に対して制御周期が十分に短くない場合には、過補償となって逆方向の偏磁が発生し、過電流が流れるおそれがある。
【0009】
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、偏磁の過補償を防ぎ、スイッチングの高周波化に伴うスイッチング周期と制御周期との接近による補償量の低分解能化を防ぎつつ、偏磁を抑制することが可能な電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記課題を解決するため、本発明に係る電力変換装置は、半導体スイッチング素子をブリッジ接続し、直流電力を交流電力に変換して変圧器の一次巻線に印加する逆変換器と、前記変圧器の他の巻線の端子間の交流電力を直流電力へ変換する順変換器と、前記半導体スイッチング素子のオンオフを制御して前記逆変換器の出力電力を調整する制御部と、を備え、前記制御部は、前記変圧器の偏磁量を検出する偏磁検出部と、前記逆変換器のスイッチング周期を決定するキャリア波を発生するキャリア波発生部と、前記偏磁量に応じて前記キャリア波の周期単位で値が調整された偏磁補償指令値を求める偏磁補償部と、前記キャリア波と前記偏磁補償指令値とを比較することにより、前記半導体スイッチング素子のゲート信号を生成するゲートドライバ部と、前記順変換器の出力電圧を制御するためのデューティー指令値を求める指令値演算部と、を有し、前記偏磁補償部は、前記変圧器の偏磁量を検出する偏磁検出部を有し、前記キャリア波の周期単位で値が調整され、平均値が前記偏磁量に対応するオフセット値を求め、該オフセット値と前記デューティー指令値とを加算して前記偏磁補償指令値を生成することを特徴とする。
【0012】
また、本発明に係る電力変換装置において、前記指令値演算部は、前記キャリア波の整数周期の期間中において一定値の前記デューティー指令値を求め、前記偏磁補償部は、前記キャリア波の前記整数周期の期間中において、前記キャリア波の周期単位で値が調整された前記オフセット値を求めることを特徴とする。
【0013】
また、本発明に係る電力変換装置において、前記偏磁検出部は、前記変圧器の一次巻線電流の周期を計数して整数周期に到達した到達信号を発生する周期カウンタ部と、前記到達信号を遅延させてリセット信号を発生する遅延部と、前記一次巻線電流を積分して積分値を出力し、かつ前記リセット信号により積分値を初期値にリセットする積分器と、前記到達信号により、前記積分器より出力された積分値を保持するサンプルアンドホールド部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0014】
本発明によれば、偏磁の過補償を防ぎ、スイッチングの高周波化に伴う制御周期との接近による補償量の低分解能化を防ぎつつ、偏磁を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【図1】本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の構成例を示す図である。
【図2】本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置における偏磁補償部の構成例を示すブロック図である。
【図3】本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置における偏磁検出部の構成例を示すブロック図である。
【図4】本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置におけるオフセット値演算部の構成例を示すブロック図である。
【図5】本発明の第１の実施形態に係る半導体スイッチング素子のオンオフパターンの生成を示す図である。
【図6】本発明の第１の実施形態に係る半導体スイッチング素子のオンオフパターンの生成を示す図である。
【図7】本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の構成例を示す図である。
【図8】本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置における偏磁補償部の構成例を示すブロック図である。
【図9】本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置における偏磁検出部の構成例を示すブロック図である。
【図10】本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置における偏磁補償選択部の構成例を示すブロック図である。
【図11】本発明の第２の実施形態に係る半導体スイッチング素子のオンオフパターンの生成波形、電流波形、エッジパルス、及び偏磁検出量を示す図である。
【図12】本発明の第２の実施形態に係る半導体スイッチング素子のオンオフパターンの生成波形、電流波形、エッジパルス、及び偏磁検出量を示す図である。
【図13】本発明の第２の実施形態に係る半導体スイッチング素子のオンオフパターンの生成波形、電流波形、エッジパルス、及び偏磁検出量を示す図である。
【図14】従来の電力変換装置の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【0017】
図１４に、本発明との比較のために、従来の電力変換装置１００の構成例を示す。従来の電力変換装置１００は、制御部２００と、逆変換器３と、変圧器４と、順変換器５と、入力平滑コンデンサ６と、電流検出器７と、出力リアクトル８と、出力平滑コンデンサ９と、出力電圧検出器９１と、を備える。
【0018】
制御部２００は、指令値演算部２１と、三角波発生部２２と、ゲートドライバ部２３と、を備える。
【0019】
指令値演算部２１は、出力電圧検出器９１により検出された出力電圧ＶＯｕｔを、目標とする電圧に制御するためのデューティー指令値Ｐｒｅｆ，Ｎｒｅｆを求め、ゲートドライバ部２３に出力する。
【0020】
三角波発生部２２は、逆変換器３のスイッチング周期を決定するキャリア波（三角波）Ｖｔｒｉを発生し、ゲートドライバ部２３に出力する。
【0021】
ゲートドライバ部２３は、三角波発生部２２により発生された三角波Ｖｔｒｉと、指令値演算部２１により生成されたデューティー指令値Ｐｒｅｆ，Ｎｒｅｆとを比較することにより、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御されたゲート信号Ｇ３１，Ｇ３２，Ｇ３３，Ｇ３４を生成し、逆変換器３に出力する。
【0022】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置１の構成例を示す図である。電力変換装置１は、制御部２と、逆変換器３と、変圧器４と、順変換器５と、入力平滑コンデンサ６と、電流検出器７と、出力リアクトル８と、出力平滑コンデンサ９と、出力電圧検出器９１と、を備える。電力変換装置１の制御部２の構成が、従来の電力変換装置１００の制御部２００と相違する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置１の構成例を示す図である。電力変換装置１は、制御部２と、逆変換器３と、変圧器４と、順変換器５と、入力平滑コンデンサ６と、電流検出器７と、出力リアクトル８と、出力平滑コンデンサ９と、出力電圧検出器９１と、を備える。電力変換装置１の制御部２の構成が、従来の電力変換装置１００の制御部２００と相違する。
【0023】
電力変換装置１は、直流電源１０から入力された直流電力を絶縁及び変成し、負荷１１へ出力する。
【0024】
入力平滑コンデンサ６は、直流電源１０から入力された直流電力を平滑化する。
【0025】
逆変換器３は、半導体スイッチング素子３１，３２，３３，３４をブリッジ接続して、中間点ａ，ｂを変圧器４の一次巻線に接続する。これにより、逆変換器３は、入力平滑コンデンサ６により平滑化された直流電力を交流電力に変換して、変圧器４の一次巻線に印加する。
【0026】
変圧器４は、巻線が複数設けられており、一次巻線と他の巻線とが独立している。変圧器４は、逆変換器３により生成された交流電力を絶縁しつつ、図１の例では、二次巻線の端子間に交流電力を発生させて、順変換器５に出力する。
【0027】
変圧器４は図１に示す二巻線変圧器に限定されるものではなく、三巻線変圧器であってもよい。変圧器４が三巻線変圧器である場合には、電力変換装置１は、変圧器４の鉄心を共有する順変換器５と、出力リアクトル８と、出力平滑コンデンサ９とを更にもう１組備える。出力電圧検出器９１及び制御部２は、１つのままでよい。
【0028】
順変換器５は、変圧器４の他の巻線の端子間の交流電力を直流電力へ変換する。なお、変圧器４の他の巻線とは、変圧器４が二巻線変圧器の場合には二次巻線であり、変圧器４が三巻線変圧器の場合には二次巻線及び三次巻線である。
【0029】
出力リアクトル８及び出力平滑コンデンサ９は、順変換器５により生成された直流電力の品質を整え、電力変換装置１の外部の負荷１１に出力とする。
【0030】
電流検出器７は、変圧器４の一次巻線に流れる電流（一次巻線電流）ＩＰｒｉを検出し、制御部２に出力する。
【0031】
出力電圧検出器９１は、出力平滑コンデンサ９の両端にて出力電圧を検出し、制御部２に出力する。
【0032】
制御部２は、偏磁補償部２０と、指令値演算部２１と、三角波発生部（キャリア波発生部）２２と、ゲートドライバ部２３と、を有する。制御部２は、出力電圧検出器９１により検出された出力電圧ＶＯｕｔと、電流検出器７により検出された一次巻線電流ＩＰｒｉとに基づいて、逆変換器３のゲート信号Ｇ３１，Ｇ３２，Ｇ３３，Ｇ３４を生成することにより、半導体スイッチング素子３１，３２，３３，３４のオンオフを制御して逆変換器３の出力電力を調整する。
【0033】
指令値演算部２１は、出力電圧検出器９１により検出された出力電圧ＶＯｕｔを、目標とする電圧に制御するためのデューティー指令値Ｐｒｅｆ，Ｎｒｅｆを求め、偏磁補償部２０に出力する。
【0034】
三角波発生部２２は、逆変換器３のスイッチング周期を決定するキャリア波（三角波）Ｖｔｒｉを発生し、偏磁補償部２０及びゲートドライバ部２３に出力する。なお、キャリア波はのこぎり波であってもよい。
【0035】
偏磁補償部２０は、変圧器４の偏磁量ＩＳａｔに応じて、三角波発生部２２により発生された三角波Ｖｔｒｉの周期単位で、指令値演算部２１により演算されたデューティー指令値Ｐｒｅｆ，Ｎｒｅｆの値を調整し、偏磁補償指令値ＰｒｅｆＣｏｍｐ，ＮｒｅｆＣｏｍｐを求める。本明細書において、「値を調整」とは、値を変化させないことも含む。すなわち、偏磁補償指令値ＰｒｅｆＣｏｍｐ，ＮｒｅｆＣｏｍｐは、三角波Ｖｔｒｉのある周期においてはデューティー指令値Ｐｒｅｆ，Ｎｒｅｆから変化し、別のある周期においてはデューティー指令値Ｐｒｅｆ，Ｎｒｅｆから変化しなくてもよい。偏磁補償部２０の詳細については後述する。
【0036】
ゲートドライバ部２３は、三角波発生部２２により発生された三角波Ｖｔｒｉと、偏磁補償部２０により生成された偏磁補償指令値ＰｒｅｆＣｏｍｐ，ＮｒｅｆＣｏｍｐとを比較することによりＰＷＭ制御されたゲート信号Ｇ３１，Ｇ３２，Ｇ３３，Ｇ３４を生成し、逆変換器３に出力する。
【0037】
【0038】
偏磁検出部２４は、電流検出器７により検出された一次巻線電流ＩＰｒｉを整数周期Ｎ（Ｎ≧２）の期間にわたって積分して変圧器４の偏磁量ＩＳａｔを検出し、偏磁量ＩＳａｔをオフセット値演算部２５に出力する。整数周期Ｎを固定値としない場合には、偏磁検出部２４は、周期数Ｎも出力する。偏磁検出部２４の詳細については後述する。
【0039】
オフセット値演算部２５は、偏磁量ＩＳａｔに応じて三角波Ｖｔｒｉの周期単位で値が調整されたオフセット値Ｉｃｏｍｐ
＊を求め、偏磁補償指令値生成部２６に出力する。オフセット値Ｉｃｏｍｐ
＊の平均値は偏磁量ＩＳａｔに対応する値となり、オフセット値Ｉｃｏｍｐ
＊により偏磁量ＩＳａｔは相殺される。オフセット値演算部２５の詳細については後述する。
【0040】
偏磁補償指令値生成部２６は、オフセット値演算部２５により演算されたオフセット値Ｉｃｏｍｐ
＊と、デューティー指令値Ｐｒｅｆ，Ｎｒｅｆとを加算して偏磁補償指令値ＰｒｅｆＣｏｍｐ，ＮｒｅｆＣｏｍｐを生成し、ゲートドライバ部２３に出力する。
【0041】
（（偏磁検出部））
図３は、偏磁検出部２４の構成例を示すブロック図である。図３に示す偏磁検出部２４は、積分器２４１と、周期カウンタ部２４２と、遅延部２４３と、サンプルアンドホールド部２４４と、を有する。
図３は、偏磁検出部２４の構成例を示すブロック図である。図３に示す偏磁検出部２４は、積分器２４１と、周期カウンタ部２４２と、遅延部２４３と、サンプルアンドホールド部２４４と、を有する。
【0042】
周期カウンタ部２４２は、電流検出器７により検出された一次巻線電流ＩＰｒｉの周期を計数して、予め設定された整数周期Ｎ（Ｎ≧２）に到達すると、到達信号を遅延部２４３及びサンプルアンドホールド部２４４に出力する。
【0043】
遅延部２４３は、周期カウンタ部２４２により発生された到達信号を遅延させてリセット信号を生成し、積分器２４１に出力する。
【0044】
積分器２４１は、電流検出器７により検出された一次巻線電流ＩＰｒｉを積分し、遅延部２４３から出力されたリセット信号によって周期的に初期値へリセットする積分値を求め、サンプルアンドホールド部２４４に出力する。
【0045】
サンプルアンドホールド部２４４は、積分器２４１により求められた積分値を、周期カウンタ部２４２により発生された到達信号の入力タイミングで保持し、偏磁量ＩＳａｔとして出力する。
【0046】
（（オフセット値演算部））
図４は、オフセット値演算部２５の構成例を示すブロック図である。図４に示すオフセット値演算部２５は、ＰＩ制御部２５１と、スケール調整部２５２と、小数検出部２５３と、小数補償パルス発生部２５４と、オフセット値生成部２５５と、を有する。
図４は、オフセット値演算部２５の構成例を示すブロック図である。図４に示すオフセット値演算部２５は、ＰＩ制御部２５１と、スケール調整部２５２と、小数検出部２５３と、小数補償パルス発生部２５４と、オフセット値生成部２５５と、を有する。
【0047】
ＰＩ制御部２５１は、偏磁量ＩＳａｔをＰＩ制御（比例積分制御）して偏磁補償量ＣｏｍｐＮｔを求め、スケール調整部２５２及び小数検出部２５３に出力する。
【0048】
スケール調整部２５２は、スケール調整と、小数部分の切り捨てを行う。具体的には、ＰＩ制御部２５１により求められた偏磁補償量ＣｏｍｐＮｔに１／Ｎを乗算して小数点を切り捨てて整数偏磁補償量ＣｏｍｐＩｎｔとして求め、小数検出部２５３及びオフセット値生成部２５５に出力する。ここでＮは、上述の偏磁検出部２４で用いられた整数の周期数である。
【0049】
小数検出部２５３は、偏磁補償量ＣｏｍｐＮｔと、整数偏磁補償量ＣｏｍｐＩｎｔをＮ倍した値とを減算して、小数部分のみを取り出した小数偏磁補償量ＣｏｍｐＤｅｃを求め、小数補償パルス発生部２５４に出力する。
【0050】
小数補償パルス発生部２５４は、三角波Ｖｔｒｉ及び小数偏磁補償量ＣｏｍｐＤｅｃから、三角波ＶｔｒｉがＮ周期中にＣｏｍｐＤｅｃ周期の頻度で単位量変化する小数補償パルスＣｏｍｐＤｅｃ
＊を発生し、オフセット値生成部２５５に出力する。ここで、ＣｏｍｐＤｅｃは整数であり、Ｎ＞ＣｏｍｐＤｅｃである。例えば、Ｎ=１０,ＣｏｍｐＮｔ＝１２の場合、ＣｏｍｐＤｅｃ＝２となるので、三角波Ｖｔｒｉの１０周期中に２周期の間、ＣｏｍｐＤｅｃ
＊が単位量変化する。単位量とは、整数偏磁補償量ＣｏｍｐＩｎｔ＝１に相当する電圧値である。
【0051】
オフセット値生成部２５５は、整数偏磁補償量ＣｏｍｐＩｎｔと、小数補償パルスＣｏｍｐＤｅｃ
＊とを加算して、オフセット値ＩＣｏｍｐ
＊を生成する。このようにして、オフセット値ＩＣｏｍｐ
＊は周期単位で値が調整される。
【0052】
（偏磁抑制制御方法）
図５及び図６は、半導体スイッチング素子のオンオフパターンの生成の概念を示す図である。それぞれのパターンで、横軸は時間経過を示す。上から一番目の波形は、三角波Ｖｔｒｉと、偏磁補償指令値ＰｒｅｆＣｏｍｐ，ＮｒｅｆＣｏｍｐとの波形を示している。上から二番目の波形は、逆変換器３のゲート信号Ｇ３１，Ｇ３４のオンオフ指令の波形を示している。上から三番目の波形は、逆変換器３のゲート信号Ｇ３２，Ｇ３３のオンオフ指令の波形を示している。
図５及び図６は、半導体スイッチング素子のオンオフパターンの生成の概念を示す図である。それぞれのパターンで、横軸は時間経過を示す。上から一番目の波形は、三角波Ｖｔｒｉと、偏磁補償指令値ＰｒｅｆＣｏｍｐ，ＮｒｅｆＣｏｍｐとの波形を示している。上から二番目の波形は、逆変換器３のゲート信号Ｇ３１，Ｇ３４のオンオフ指令の波形を示している。上から三番目の波形は、逆変換器３のゲート信号Ｇ３２，Ｇ３３のオンオフ指令の波形を示している。
【0053】
図５及び図６に示す波形は、図４におけるＮ＝１０の場合を示している。ここでは、指令値演算部２１は、三角波Ｖｔｒｉの整数周期（１０周期）の期間中において一定値のデューティー指令値Ｐｒｅｆ，Ｎｒｅｆを求めるものとする。また、オフセット値演算部２５は、三角波Ｖｔｒｉの周期単位で値が調整されたオフセット値ＩＣｏｍｐ
＊を求めるものとする。
【0054】
図５（ａ）は、オフセットが０（オフセット値ＩＣｏｍｐ
＊＝０）の場合を示している。この場合には、偏磁補償指令値ＰｒｅｆＣｏｍｐ，ＮｒｅｆＣｏｍｐを一定値とし、ゲート信号Ｇ３１，Ｇ３４のオンオフ指令の波形と、ゲート信号Ｇ３２，Ｇ３３のオンオフ指令の波形とを、一定のデューティーとする。
【0055】
図５（ｂ）は、オフセットが＋１（整数偏磁補償量ＣｏｍｐＩｎｔ＝１、小数偏磁補償量ＣｏｍｐＤｅｃ＝０）の場合を示している。この場合には、オフセットが０の場合に対して偏磁補償指令値ＰｒｅｆＣｏｍｐ，ＮｒｅｆＣｏｍｐを最小単位操作量分オフセットさせることにより、すべてのスイッチング周期において、ゲート信号Ｇ３１，Ｇ３４のオンオフ指令の波形のデューティーを大きくし、ゲート信号Ｇ３２，Ｇ３３のオンオフ指令の波形のデューティーを小さくする。これにより、偏磁を補償するスイッチングパターンとなる。
【0056】
図５（ｃ）は、オフセットが＋１／１０（整数偏磁補償量ＣｏｍｐＩｎｔ＝０、小数偏磁補償量ＣｏｍｐＤｅｃ＝１）の場合を示している。この場合には、偏磁補償指令値ＰｒｅｆＣｏｍｐ，ＮｒｅｆＣｏｍｐを最小単位操作量分オフセットさせることを１０周期に１回ずつ発生させることにより、ゲート信号Ｇ３１，Ｇ３４のオンオフ指令の波形のデューティーを大きくし、ゲート信号Ｇ３２，Ｇ３３のオンオフ指令の波形のデューティーを小さくするスイッチングパターンを１０周期に１回ずつ発生させる。これにより、最小単位操作量より小さな偏磁補償量を得ることができる。
【0057】
図６（ａ）は、オフセットが＋２／１０（整数偏磁補償量ＣｏｍｐＩｎｔ＝０、小数偏磁補償量ＣｏｍｐＤｅｃ＝２）の場合を示している。この場合には、オフセットが＋１／１０の場合と同様に、偏磁補償指令値ＰｒｅｆＣｏｍｐ，ＮｒｅｆＣｏｍｐを最小単位操作量分オフセットさせることを１０周期に２回ずつ発生させる。これにより、最小単位操作量より小さな偏磁補償量を得ることができる。
【0058】
図６（ｂ）は、オフセットが－１／１０（整数偏磁補償量ＣｏｍｐＩｎｔ＝０、小数偏磁補償量ＣｏｍｐＤｅｃ＝－１）の場合を示している。この場合には、オフセットが＋１／１０の場合と逆極性に操作することにより、逆極性の偏磁補償が可能となる。
【0059】
オフセットが１よりも大きい場合、及びオフセットが－１よりも小さい場合も同様にしてゲート信号Ｇ３１～Ｇ３４を生成することができる。例えば、オフセットが＋１５／１０（整数偏磁補償量ＣｏｍｐＩｎｔ＝１、小数偏磁補償量ＣｏｍｐＤｅｃ＝５）の場合には、偏磁補償指令値ＰｒｅｆＣｏｍｐ，ＮｒｅｆＣｏｍｐを１０周期のうち５回は最小単位操作量分オフセットさせ、残りの５回は最小単位操作量の２倍オフセットさせる。これにより、偏磁補償量を高精度に制御することができる。
【0060】
電力変換装置１は、図１４に示した従来の電力変換装置１００に、偏磁補償部２０を追加するだけで構成することが可能である。そして、上述したように、電力変換装置１は、変圧器４の偏磁量を検出して偏磁を補償し、かつ偏磁量に応じてキャリア波の周期単位で補償量を調整する。そのため、変圧器４の偏磁を過補償なく高精度に補償することが可能となる。
【0061】
＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態に係る電力変換装置１ａについて説明する。図７は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置１ａの構成例を示す図である。本実施形態に係る電力変換装置１ａは、第１の実施形態に係る電力変換装置１と比較して、偏磁補償部２０に代えて偏磁補償部２０ａを備える点が相違する。その他の構成については第１の実施形態と同一であるため、説明を省略する。
次に、第２の実施形態に係る電力変換装置１ａについて説明する。図７は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置１ａの構成例を示す図である。本実施形態に係る電力変換装置１ａは、第１の実施形態に係る電力変換装置１と比較して、偏磁補償部２０に代えて偏磁補償部２０ａを備える点が相違する。その他の構成については第１の実施形態と同一であるため、説明を省略する。
【0062】
【0063】
偏磁検出部２７は、電流検出器７により検出された一次巻線電流ＩＰｒｉより変圧器４の偏磁量を検出して積算し、正側の一定値以上となると正側偏磁補償信号ＳａｔＰ
＊を偏磁補償選択部２８に出力し、負側の一定値以下となると負側偏磁補償信号ＳａｔＮ
＊を偏磁補償選択部２８出力する。偏磁検出部２７の詳細については後述する。
【0064】
偏磁補償選択部２８は、偏磁検出部２７により出力された正側偏磁補償信号ＳａｔＰ
＊及び負側偏磁補償信号ＳａｔＮ
＊と、正側偏磁補償オフセット量Ｃｏｍp＊Ｐ及び負側偏磁補償オフセット量Ｃｏｍｐ＊Ｎとを入力し、正側偏磁補償信号ＳａｔＰ
＊又は負側偏磁補償信号ＳａｔＮ
＊が入力された場合に、正側偏磁補償オフセット量Ｃｏｍｐ＊Ｐ又は負側偏磁補償オフセット量Ｃｏｍｐ＊Ｎを偏磁補償オフセット量Ｃｏｍｐ＊の出力として選択して偏磁補償指令値生成部２９に送出する。偏磁補償選択部２８の詳細については後述する。
【0065】
偏磁補償指令値生成部２９は、Ｐｒｅｆ加算器２９１と、Ｎｒｅｆ加算器２９２と、を有する。
【0066】
Ｐｒｅｆ加算器２９１は、偏磁補償選択部２８により送出された偏磁補償オフセット量Ｃｏｍp＊と、デューティー指令値Ｐｒｅｆとを加算して偏磁補償指令値ＰｒｅｆＣｏｍｐを生成し、ゲートドライバ部２３に出力する。
【0067】
Ｎｒｅｆ加算器２９２は、偏磁補償選択部２８により送出された偏磁補償オフセット量Ｃｏｍp＊と、デューティー指令値Ｎｒｅｆとを加算して偏磁補償指令値ＮｒｅｆＣｏｍｐを生成し、ゲートドライバ部２３に出力する。
【0068】
（（偏磁検出部））
図９は、偏磁検出部２７の構成例を示すブロック図である。図９に示す偏磁検出部２７は、積分器２７１と、エッジ検出部２７２と、サンプルアンドホールド部２７３と、比較器Ｐ２７４と、比較器Ｎ２７５と、論理和部２７６と、を有する。
図９は、偏磁検出部２７の構成例を示すブロック図である。図９に示す偏磁検出部２７は、積分器２７１と、エッジ検出部２７２と、サンプルアンドホールド部２７３と、比較器Ｐ２７４と、比較器Ｎ２７５と、論理和部２７６と、を有する。
【0069】
エッジ検出部２７２は、電流検出器７により検出された一次巻線電流ＩＰｒｉの立ち上がり又は立ち下がりのエッジを検出して、エッジパルス信号Ｅｄｇｅをサンプルアンドホールド部２７３に出力する。
【0070】
積分器２７１は、電流検出器７により検出された一次巻線電流ＩＰｒｉを積分し、積分値をサンプルアンドホールド部２７３に出力する。積分値は論理和部２７６から出力されるリセット信号で０にリセットされる。
【0071】
サンプルアンドホールド部２７３は、積分器２７１により求められた積分値を、エッジ検出部２７２により発生されたエッジパルス信号Ｅｄｇｅの入力タイミングで保持し、偏磁量ＩＳａｔとして出力する。
【0072】
比較器Ｐ２７４は、サンプルアンドホールド部２７３により保持された偏磁量ＩＳａｔと、予め設定した正側積分閾値ＳａｔＰｌｉｍと、を比較し、偏磁量ＩＳａｔが正側積分閾値ＳａｔＰｌｉｍを上回ったときに正側偏磁補償信号ＳａｔＰ
＊を出力する。
【0073】
比較器Ｎ２７５は、サンプルアンドホールド部２７３により保持された偏磁量ＩＳａｔと、予め設定した負側積分閾値ＳａｔＮｌｉｍと、を比較し、偏磁量ＩＳａｔが負側積分閾値ＳａｔＮｌｉｍを下回ったときに負側偏磁補償信号ＳａｔＮ
＊を出力する。
【0074】
論理和部２７６は、比較器Ｐ２７４により出力された正側偏磁補償信号ＳａｔＰ
＊と、比較器Ｎ２７５により出力された負側偏磁補償信号ＳａｔＮ
＊との論理和を求めて、積分器２７１にリセット信号を出力する。
【0075】
（（偏磁補償選択部））
図１０は、偏磁補償選択部２８の構成例を示すブロック図である。図１０に示す偏磁補償選択部２８は、正側偏磁補償選択器２８１と、負側偏磁補償選択器２８２と、偏磁補償オフセット量加算部２８３と、を有する。
図１０は、偏磁補償選択部２８の構成例を示すブロック図である。図１０に示す偏磁補償選択部２８は、正側偏磁補償選択器２８１と、負側偏磁補償選択器２８２と、偏磁補償オフセット量加算部２８３と、を有する。
【0076】
正側偏磁補償選択器２８１は、正側偏磁補償信号ＳａｔＰ
＊が入力されたときに予め設定した正側偏磁補償オフセット量Ｃｏｍｐ＊Ｐを出力し、それ以外のときは０を出力する。
【0077】
負側偏磁補償選択器２８２は、負側偏磁補償信号ＳａｔＮ
＊が入力されたときに予め設定した負側偏磁補償オフセット量Ｃｏｍｐ＊Ｎを出力し、それ以外のときは０を出力する。
【0078】
偏磁補償オフセット量加算部２８３は、正側偏磁補償選択器２８１の出力と負側偏磁補償選択器２８２の出力とを加算して偏磁補償オフセット量Ｃｏｍｐ＊を出力する。
【0079】
（偏磁抑制制御方法）
図１１から図１３は、半導体スイッチング素子のオンオフパターンの生成波形、電流波形、エッジパルス信号及び、偏磁量の概念を示す図である。それぞれのパターンで、横軸は時間経過を示す。上から一番目の波形は、三角波Ｖｔｒｉと、偏磁補償指令値ＰｒｅｆＣｏｍｐ，ＮｒｅｆＣｏｍｐとの波形を示している。上から二番目の波形は、逆変換器３のゲート信号Ｇ３１，Ｇ３４のオンオフ指令の波形を示している。上から三番目の波形は、逆変換器３のゲート信号Ｇ３２，Ｇ３３のオンオフ指令の波形を示している。上から四番目の波形は、電流検出器７により検出された一次巻線電流ＩＰｒｉの波形を示している。上から五番目の波形は、エッジ検出部２７２により検出されたエッジパルス信号Ｅｄｇｅの波形を示している。上から六番目の波形は、サンプルアンドホールド部２７３により保持された偏磁量ＩＳａｔと、正側積分閾値ＳａｔＰｌｉｍ及び負側積分閾値ＳａｔＮｌｉｍの波形を示している。
図１１から図１３は、半導体スイッチング素子のオンオフパターンの生成波形、電流波形、エッジパルス信号及び、偏磁量の概念を示す図である。それぞれのパターンで、横軸は時間経過を示す。上から一番目の波形は、三角波Ｖｔｒｉと、偏磁補償指令値ＰｒｅｆＣｏｍｐ，ＮｒｅｆＣｏｍｐとの波形を示している。上から二番目の波形は、逆変換器３のゲート信号Ｇ３１，Ｇ３４のオンオフ指令の波形を示している。上から三番目の波形は、逆変換器３のゲート信号Ｇ３２，Ｇ３３のオンオフ指令の波形を示している。上から四番目の波形は、電流検出器７により検出された一次巻線電流ＩＰｒｉの波形を示している。上から五番目の波形は、エッジ検出部２７２により検出されたエッジパルス信号Ｅｄｇｅの波形を示している。上から六番目の波形は、サンプルアンドホールド部２７３により保持された偏磁量ＩＳａｔと、正側積分閾値ＳａｔＰｌｉｍ及び負側積分閾値ＳａｔＮｌｉｍの波形を示している。
【0080】
【0081】
図１１は、スイッチング周期に正負アンバランスが無く偏磁が発生していない場合を示している。この場合には、偏磁量ＩＳａｔが正側積分閾値ＳａｔＰｌｉｍ及び負側積分閾値ＳａｔＮｌｉｍを超過しないため、正側偏磁補償選択器２８１及び負側偏磁補償選択器２８２いずれも動作しないので偏磁補償オフセット量Ｃｏｍp＊は０となり、偏磁補償指令値生成部２９は指令値演算部２１により出力されたデューティー指令値Ｐｒｅｆ，Ｎｒｅｆへ干渉しない。
【0082】
図１２は、スイッチング周期に正側に偏磁が発生している場合を示している。この場合には、偏磁量ＩＳａｔが正側積分閾値ＳａｔＰｌｉｍを超過したとき、正側偏磁補償選択器２８１が動作し、偏磁補償オフセット量Ｃｏｍｐ＊はＣｏｍｐ＊Ｐと等しくなり、偏磁補償指令値ＰｒｅｆＣｏｍｐ，ＮｒｅｆＣｏｍｐを正側偏磁補償オフセット量Ｃｏｍｐ＊Ｐ分オフセットさせて、スイッチング周期一周期期間におけるゲート信号Ｇ３１，Ｇ３４のオンオフ指令の波形のデューティーを小さくし、ゲート信号Ｇ３２，Ｇ３３のオンオフ指令の波形のデューティーを大きくするスイッチングパターンを発生させる。これにより、必要最低限の偏磁補償を行うことができる。
【0083】
図１３は、スイッチング周期に負側に偏磁が発生している場合を示している。この場合には、偏磁量ＩＳａｔが負側積分閾値ＳａｔＮｌｉｍを超過したとき、負側偏磁補償選択器２８２が動作し、偏磁補償オフセット量Ｃｏｍｐ＊はＣｏｍｐ＊Ｎと等しくなり、偏磁補償指令値ＰｒｅｆＣｏｍｐ，ＮｒｅｆＣｏｍｐを負側偏磁補償オフセット量Ｃｏｍｐ＊Ｎ分オフセットさせて、スイッチング周期一周期期間におけるゲート信号Ｇ３１，Ｇ３４のオンオフ指令の波形のデューティーを大きくし、ゲート信号Ｇ３２，Ｇ３３のオンオフ指令の波形のデューティーを小さくするスイッチングパターンを発生させる。これにより、必要最低限の偏磁補償を行うことができる。
【0084】
電力変換装置１ａは、図１４に示した従来の電力変換装置１００に、偏磁補償部２０ａを追加するだけで構成することが可能である。そして、上述したように、電力変換装置１ａは、変圧器４の偏磁量ＩＳａｔを検出して偏磁を補償し、かつ偏磁量ＩＳａｔに応じて偏磁補償オフセット量Ｃｏｍｐ＊の印加周期を調整する。そのため、変圧器４の偏磁を過補償なく高精度に補償することが可能となる。
【0085】
また、特許文献１に開示された技術では、デューティ生成部及びゲートドライブ回路に補正回路が常に影響を及ぼすため、偏磁の発生していない場合や出力が小さい場合などの偏磁補償が必要ない場合においても出力に影響を与えてしまう。この点、電力変換装置１ａは、変圧器４に偏磁が発生していない場合には、指令値演算部２１のデューティー指令値に偏磁補償オフセット量Ｃｏｍｐ＊を加算しない。そのため、偏磁が発生していない場合には指令値演算部２１の発生したデューティー指令値Ｐｒｅｆ及びＮｒｅｆに干渉しない。すなわち、電力変換装置１ａは、過度にスイッチング素子のオンオフ信号に干渉することなく、偏磁を抑制することが可能となる。
【0086】
また、本発明に係る電力変換装置１ａは、独立して存在する偏磁検出部２７と、偏磁補償選択部２８と、偏磁補償指令値生成部２９と、によって偏磁補償を実現する。そのため、偏磁補償を行っていない既存の電力変換装置に対して簡易に追加することができる。
【0087】
上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形又は変更が可能である。
【符号の説明】
【0088】
１，１ａ 電力変換装置
２ 制御部
３ 逆変換器
４ 変圧器
５ 順変換器
６ 入力平滑コンデンサ
７ 電流検出器
８ 出力リアクトル
９ 出力平滑コンデンサ
１０ 直流電源
１１ 負荷
２０，２０ａ 偏磁補償部
２１ 指令値演算部
２２ 三角波発生部（キャリア波発生部）
２３ ゲートドライバ部
２４，２７ 偏磁検出部
２２ 偏磁補償部
２５ オフセット値演算部
２６ 偏磁補償指令値生成部
２８ 偏磁補償選択部
３１～３４ 半導体スイッチング素子
９１ 出力電圧検出器
２４１ 積分器
２４２ 周期カウンタ部
２４３ 遅延部
２４４ サンプルアンドホールド部
２５１ ＰＩ制御部
２５２ スケール調整部
２５３ 小数検出部
２５４ 小数補償パルス発生部
２５５ オフセット値生成部
２７１ 積分器
２７２ エッジ検出部
２７３ サンプルアンドホールド部
２７４ 比較器Ｐ
２７５ 比較器Ｎ
２７６ 論理和部
２８１ 正側偏磁補償選択器
２８２ 負側偏磁補償選択器
２８３ 偏磁補償オフセット量加算部
２ 制御部
３ 逆変換器
４ 変圧器
５ 順変換器
６ 入力平滑コンデンサ
７ 電流検出器
８ 出力リアクトル
９ 出力平滑コンデンサ
１０ 直流電源
１１ 負荷
２０，２０ａ 偏磁補償部
２１ 指令値演算部
２２ 三角波発生部（キャリア波発生部）
２３ ゲートドライバ部
２４，２７ 偏磁検出部
２２ 偏磁補償部
２５ オフセット値演算部
２６ 偏磁補償指令値生成部
２８ 偏磁補償選択部
３１～３４ 半導体スイッチング素子
９１ 出力電圧検出器
２４１ 積分器
２４２ 周期カウンタ部
２４３ 遅延部
２４４ サンプルアンドホールド部
２５１ ＰＩ制御部
２５２ スケール調整部
２５３ 小数検出部
２５４ 小数補償パルス発生部
２５５ オフセット値生成部
２７１ 積分器
２７２ エッジ検出部
２７３ サンプルアンドホールド部
２７４ 比較器Ｐ
２７５ 比較器Ｎ
２７６ 論理和部
２８１ 正側偏磁補償選択器
２８２ 負側偏磁補償選択器
２８３ 偏磁補償オフセット量加算部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】