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技術 直列共振型電源装置の制御方法及び制御装置

出願人 東洋電機製造株式会社
発明者 中村将之
出願日 2015年9月7日 (5年3ヶ月経過) 出願番号 2015-176099
公開日 2017年3月16日 (3年9ヶ月経過) 公開番号 2017-055496
状態 特許登録済
技術分野 インバータ装置 DC‐DCコンバータ
主要キーワード 高周波大電流 ブリッジ型全波整流回路 多巻線変圧器 出力パルス電圧 動力回路 直列共振型 一定パルス幅 PFM制御
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この項目の情報は公開日時点(2017年3月16日)のものです。
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図面 (8)

課題

電力損失で所望の出力が得られる直列共振型電源装置制御方法を提供する。

解決手段

インバータ回路と、該インバータ回路に接続された直列共振回路とを有する直列共振型電源装置の制御方法において、直列共振型電源装置から所望の出力を得るための制御量に基づいて、インバータ回路の出力パルスを、直列共振回路の共振周期の半分の奇数倍の幅を持つパルス波形に制御する。

概要

背景

従来、図7に示すような直列共振型電源装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。この直列共振型電源装置100は、入力される直流電力交流電力に変換するインバータ回路200と、インバータ回路200に接続された直列共振回路300と、直列共振回路300に接続された絶縁変圧器400と、絶縁変圧器400の二次巻線に接続された整流平滑回路500と、を備える。インバータ回路200は、公知の4つの半導体スイッチング素子201〜204を有して構成される。直列共振回路300は、コイル301とコンデンサ302とが直列に接続されて構成されている。整流平滑回路500は、ブリッジ型全波整流回路501と平滑コンデンサ502とを備え、絶縁変圧器400から得られる交流電力を直流電力に変換して出力する。

図7に示す直列共振型電源装置100は、インバータ回路200の半導体スイッチング素子201〜204のゲート電極に供給するゲート信号制御装置600により制御して、インバータ回路200から、直列共振回路300の共振周期の半分の幅のパルス波形を、直列共振回路300の共振周波数で出力することにより、ゼロ電流スイッチングすることができる。これにより、低い電力損失で動作させることができる。この時の出力電圧は、インバータ回路200の入力電圧変圧器130の変圧比とに比例した値となる。

しかし、このような動作方法では、入力電圧の変動によって出力電圧も変動することになる。その解決策として、インバータ回路200の出力パルス幅を短縮することで電力を制限するPWM制御、インバータ回路200の出力パルス周波数可変することで直列共振回路300による電圧降下により電圧を制御するPFM制御、インバータ回路200の出力パルスを一定パルス幅運転状態ゼロ電圧又はゲートブロック状態とした停止状態とに切り替え断続運転制御が知られている。

概要

低電力損失で所望の出力が得られる直列共振型電源装置の制御方法を提供する。インバータ回路と、該インバータ回路に接続された直列共振回路とを有する直列共振型電源装置の制御方法において、直列共振型電源装置から所望の出力を得るための制御量に基づいて、インバータ回路の出力パルスを、直列共振回路の共振周期の半分の奇数倍の幅を持つパルス波形に制御する。

目的

本発明によれば、低電力損失で、所望の出力が得られる直列共振型電源装置の制御方法及び制御装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

インバータ回路と、該インバータ回路に接続された直列共振回路とを有する直列共振型電源装置制御方法において、前記直列共振型電源装置から所望の出力を得るための制御量に基づいて、前記インバータ回路の出力パルスを、前記直列共振回路の共振周期の半分の奇数倍の幅を持つパルス波形に制御する、ことを特徴とする直列共振型電源装置の制御方法。

請求項2

前記直列共振型電源装置は整流平滑回路を備え、該整流平滑回路の出力に対する前記制御量に基づいて前記出力パルスを制御する、ことを特徴とする請求項1に記載の直列共振型電源装置の制御方法。

請求項3

前記直列共振型電源装置は、前記直列共振回路と前記整流平滑回路との間に接続された変圧器を備える、ことを特徴とする請求項2に記載の直列共振型電源装置の制御方法。

請求項4

前記直列共振型電源装置は、前記直列共振回路に並列に接続された複数の変圧器と、複数の前記変圧器の各々の二次巻線に接続された整流平滑回路とを備え、一つの前記整流平滑回路の出力に対する前記制御量に基づいて前記出力パルスを制御する、ことを特徴とする請求項1に記載の直列共振型電源装置の制御方法。

請求項5

前記直列共振型電源装置は、前記直列共振回路に接続された多巻線変圧器と、該多巻線変圧器の各々の二次巻線に接続された整流平滑回路とを備え、一つの前記整流平滑回路の出力に対する前記制御量に基づいて前記出力パルスを制御する、ことを特徴とする請求項1に記載の直列共振型電源装置の制御方法。

請求項6

前記制御量は、所望の出力電圧を得るための制御量である、ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の直列共振型電源装置の制御方法。

請求項7

前記制御量は、所望の出力電流を得るための制御量である、ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の直列共振型電源装置の制御方法。

請求項8

前記制御量は0から1までの実数として、該制御量を前記共振周期の半分の時間ごとに加算し、該加算値が1以上で、前記出力パルスのパルス幅が前記共振周期の半周期の奇数倍となる時に、前記加算値から1を減算するとともに前記出力パルスを反転させる、ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の直列共振型電源装置の制御方法。

請求項9

インバータ回路と、該インバータ回路に接続された直列共振回路とを有する直列共振型電源装置の制御装置において、前記直列共振型電源装置の出力のフィードバック信号を入力して所望の出力を得るための制御量を演算する制御量演算部と、該制御量演算部で演算された前記制御量に基づいて、前記インバータ回路の出力パルスを、前記直列共振回路の共振周期の半分の奇数倍の幅を持つパルス波形に制御するゲート信号を生成するゲート信号生成部と、を備える、ことを特徴とする直列共振型電源装置の制御装置。

請求項10

前記制御量演算部は、前記制御量を0から1までの実数として演算し、前記ゲート信号生成部は、前記制御量を前記共振周期の半分の時間ごとに加算し、該加算値が1以上で、前記出力パルスのパルス幅が、前記共振周期の半周期の奇数倍となる時に、前記加算値から1を減算するとともに前記出力パルスを反転させる前記ゲート信号を生成する、ことを特徴とする請求項9に記載の直列共振型電源装置の制御装置。

技術分野

0001

本発明は、直列共振型電源装置制御方法及び制御装置に関するものである。

背景技術

0002

従来、図7に示すような直列共振型電源装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。この直列共振型電源装置100は、入力される直流電力交流電力に変換するインバータ回路200と、インバータ回路200に接続された直列共振回路300と、直列共振回路300に接続された絶縁変圧器400と、絶縁変圧器400の二次巻線に接続された整流平滑回路500と、を備える。インバータ回路200は、公知の4つの半導体スイッチング素子201〜204を有して構成される。直列共振回路300は、コイル301とコンデンサ302とが直列に接続されて構成されている。整流平滑回路500は、ブリッジ型全波整流回路501と平滑コンデンサ502とを備え、絶縁変圧器400から得られる交流電力を直流電力に変換して出力する。

0003

図7に示す直列共振型電源装置100は、インバータ回路200の半導体スイッチング素子201〜204のゲート電極に供給するゲート信号を制御装置600により制御して、インバータ回路200から、直列共振回路300の共振周期の半分の幅のパルス波形を、直列共振回路300の共振周波数で出力することにより、ゼロ電流スイッチングすることができる。これにより、低い電力損失で動作させることができる。この時の出力電圧は、インバータ回路200の入力電圧変圧器130の変圧比とに比例した値となる。

0004

しかし、このような動作方法では、入力電圧の変動によって出力電圧も変動することになる。その解決策として、インバータ回路200の出力パルス幅を短縮することで電力を制限するPWM制御、インバータ回路200の出力パルス周波数可変することで直列共振回路300による電圧降下により電圧を制御するPFM制御、インバータ回路200の出力パルスを一定パルス幅運転状態ゼロ電圧又はゲートブロック状態とした停止状態とに切り替え断続運転制御が知られている。

先行技術

0005

特開2013−226002号公報

発明が解決しようとする課題

0006

しかしながら、PWM制御やPFM制御では、ゼロ電流スイッチングを行うことができないため、大きな電力損失が発生することになる。また、断続運転制御では、デッドタイム確保のためにゼロ電流スイッチングができない場合、運転状態から停止状態に移る直前共振電流の最大となる周期でスイッチングを行う必要があるため、電力損失が増加することになる。

0007

したがって、かかる点に鑑みてなされた本発明の目的は、低電力損失で、所望の出力が得られる直列共振型電源装置の制御方法及び制御装置を提供しようとするものである。

課題を解決するための手段

0008

上記目的を達成する本発明は、インバータ回路と、該インバータ回路に接続された直列共振回路とを有する直列共振型電源装置の制御方法において、
前記直列共振型電源装置から所望の出力を得るための制御量に基づいて、前記インバータ回路の出力パルスを、前記直列共振回路の共振周期の半分の奇数倍の幅を持つパルス波形に制御する、ことを特徴とするものである。

0009

前記直列共振型電源装置は整流平滑回路を備え、該整流平滑回路の出力に対する前記制御量に基づいて前記出力パルスを制御してもよい。

0010

前記直列共振型電源装置は、前記直列共振回路と前記整流平滑回路との間に接続された変圧器を備えてもよい。

0011

前記直列共振型電源装置は、前記直列共振回路に並列に接続された複数の変圧器と、複数の前記変圧器の各々の二次巻線に接続された整流平滑回路とを備え、一つの前記整流平滑回路の出力に対する前記制御量に基づいて前記出力パルスを制御してもよい。

0012

前記直列共振型電源装置は、前記直列共振回路に接続された多巻線変圧器と、該多巻線変圧器の各々の二次巻線に接続された整流平滑回路とを備え、一つの前記整流平滑回路の出力に対する前記制御量に基づいて前記出力パルスを制御してもよい。

0013

前記制御量は、所望の出力電圧を得るための制御量とするとよい。

0014

前記制御量は、所望の出力電流を得るための制御量とするとよい。

0015

前記制御量は0から1までの実数として、該制御量を前記共振周期の半分の時間ごとに加算し、該加算値が1以上で、前記出力パルスのパルス幅が前記直列共振回路の共振周期の半周期の奇数倍となる時に、前記加算値から1を減算するとともに前記出力パルスを反転させるとよい。

0016

さらに、上記目的を達成する本発明は、インバータ回路と、該インバータ回路に接続された直列共振回路とを有する直列共振型電源装置の制御装置において、
前記直列共振型電源装置の出力のフィードバック信号を入力して所望の出力を得るための制御量を演算する制御量演算部と、
該制御量演算部で演算された前記制御量に基づいて、前記インバータ回路の出力パルスを、前記直列共振回路の共振周期の半分の奇数倍の幅を持つパルス波形に制御するゲート信号を生成するゲート信号生成部と、
を備える、ことを特徴とするものである。

0017

前記制御量演算部は、前記制御量を0から1までの実数として演算し、
前記ゲート信号生成部は、前記制御量を前記共振周期の半分の時間ごとに加算し、該加算値が1以上で、前記出力パルスのパルス幅が、前記共振周期の半周期の奇数倍となる時に、前記加算値から1を減算するとともに前記出力パルスを反転させる前記ゲート信号を生成するとよい。

発明の効果

0018

本発明によれば、低電力損失で、所望の出力が得られる直列共振型電源装置の制御方法及び制御装置を提供することができる。

図面の簡単な説明

0019

第1実施の形態を説明するための図である。
図1のインバータ回路の出力パルス電圧Vと出力電流Iとを示す一例の波形図である。
図1のインバータ回路の出力パルス電圧Vと、制御量演算部による制御量Aと、ゲート信号生成部におけるバッファ変数Bとを示す一例の波形図である。
第2実施の形態を説明するための図である。
第3実施の形態を説明するための図である。
第4実施の形態を説明するための図である。
従来の技術を説明するための図である。

実施例

0020

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して説明する。

0021

(第1実施の形態)
図1は、第1実施の形態を説明するための図で、直列共振型電源装置及びその制御装置の要部の構成を示すものである。図1に示す直列共振型電源装置10は、図7と同様に、入力される直流電力を交流電力に変換するインバータ回路20と、インバータ回路20に接続された直列共振回路30と、直列共振回路30に接続された絶縁変圧器40と、絶縁変圧器40の二次巻線に接続された整流平滑回路50と、を備える。インバータ回路20は、公知の4つの半導体スイッチング素子21〜24を有して構成される。直列共振回路30は、コイル31とコンデンサ32とが直列に接続されて構成されている。整流平滑回路50は、ブリッジ型全波整流回路51と平滑コンデンサ52とを備え、絶縁変圧器40から得られる交流電力を直流電力に変換して出力する。

0022

また、制御装置60は、制御量演算部61とゲート信号生成部62とを備える。制御量演算部61は、整流平滑回路50の出力電圧を表すフィードバック信号を入力して、予め設定された所望の出力電圧を得るための制御量を演算する。ゲート信号生成部62は、制御量演算部61からの制御量に基づいて、インバータ回路20の出力パルスを制御するゲート信号を生成する。ゲート信号生成部62で生成されたゲート信号は、インバータ回路20の半導体スイッチング素子21〜24のゲート電極に入力される。

0023

本実施の形態において、制御量演算部61は、制御量を0から1までの実数として演算する。また、ゲート信号生成部62は、制御量演算部61で演算された制御量を、直列共振回路30の共振周期の半分の時間ごとに加算する。以下の説明では、この加算値を便宜上、バッファ変数と称する。そして、ゲート信号生成部62は、バッファ変数が1以上で、インバータ回路20の出力パルスのパルス幅が、直列共振回路30の共振周期の半周期の奇数倍となる時に、バッファ変数から1を減算するとともに、インバータ回路20の出力パルスを反転させるゲート信号を生成する。これにより、インバータ回路20の出力パルスを、直列共振回路30の共振周期の半分の奇数倍の幅を持つパルス波形に制御する。

0024

図2は、本実施の形態によるインバータ回路20の出力パルス電圧Vと出力電流Iとを示す一例の波形図である。また、図3は、インバータ回路20の出力パルス電圧Vと、制御量演算部61による制御量Aと、ゲート信号生成部62におけるバッファ変数Bとを示す一例の波形図である。

0025

本実施の形態によれば、所望の出力を得るための制御量に基づいて、インバータ回路20の出力パルスを、直列共振回路30の共振周期の半分の奇数倍の幅を持つパルス波形に制御するので、広い電圧制御範囲とゼロ電流スイッチングによる低い電力損失とを両立させながら、所望の出力電圧を得ることができる。また、デッドタイム確保のためにゼロ電流スイッチングができない場合でも、断続制御とは異なり、共振電流の最大となる周期でスイッチングを行わないので、低電力損失で高周波大電流を得ることができる。したがって、インバータ回路20の発熱を低減できるので、冷却器小型軽量化インバータ出力高周波化による直列共振回路30の小型軽量化が実現できる。

0026

(第2実施の形態)
図4は、第2実施の形態を説明するための図である。本実施の形態は、直列共振型電源装置11の構成が図1と異なるものである。すなわち、直列共振型電源装置11は、直列共振回路30に並列に接続された複数(図4では、2台)の絶縁変圧器40−1、40−2と、その各々の二次巻線に接続された整流平滑回路50−1、50−2とを備える。その他の構成は、図1の直列共振型電源装置10と同様である。制御装置60は、整流平滑回路50−1、50−2のいずれか一方の出力電圧を表すフィードバック信号を入力し、その制御量に基づいて第1実施の形態の場合と同様にインバータ回路20のゲート信号を制御する。

0027

本実施の形態によれば、第1実施の形態と同様の効果が得られる他、絶縁変圧器40−1、40−2の各々の変圧比を適宜設定することにより、異なる所望の出力電圧を得ることができる。したがって、例えば、高電圧動力回路低電圧制御回路とに同時に給電する多出力直流電源装置を実現することが可能となる。

0028

(第3実施の形態)
図5は、第3実施の形態を説明するための図である。本実施の形態は、直列共振型電源装置12の構成が図4と異なるものである。すなわち、直列共振型電源装置12は、図4の複数の絶縁変圧器40−1、40−2に代えて、直列共振回路30に多巻線変圧器41(図5では、三巻線変圧器)を接続し、その各々の二次巻線に整流平滑回路50−1、50−2を接続したものである。その他の構成及び動作は、第2実施の形態と同様である。

0029

本実施の形態によれば、第2実施の形態と同様の効果が得られる他、多巻線変圧器41を用いているので、異なる所望の出力電圧を得る絶縁型多出力直流電源装置を小型軽量で低価格で実現することが可能となる。

0030

(第4実施の形態)
図6は、第4実施の形態を説明するための図である。本実施の形態は、直列共振型電源装置13が、インバータ回路20と直列共振回路30とで構成され、直列共振回路30の出力が負荷に供給される。また、制御装置60は、図1と同様に構成されるが、本実施の形態では、直列共振回路30の出力電流すなわち負荷電流を表すフィードバック信号を入力して、予め設定された所望の出力電流を得るための制御量を演算し、その制御量に基づいて、上述した実施の形態と同様にゲート信号を生成してインバータ回路20の出力パルスを制御する。

0031

本実施の形態によれば、直列共振型電源装置13を小型軽量にできるとともに、低電力損失で所望の出力電流が得られる大電流高周波電源として利用することが可能となる。

0032

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、幾多の変更又は変形が可能である。例えば、第1〜3実施の形態においても、第4実施の形態と同様に、直列共振型電源装置の出力電流を表すフィードバック信号を入力して、予め設定された所望の出力電流を得るための制御量を演算し、その制御量に基づいてゲート信号を生成してインバータ回路20の出力パルスを制御することもできる。

0033

本発明は、DC−DCコンバータ装置、電気動車用補助電源装置非接触送電装置用電源装置の制御方法及び制御装置として幅広利用可能である。

0034

10、11、12、13直列共振型電源装置
20インバータ回路
21〜24半導体スイッチング素子
30直列共振回路
31コイル
32コンデンサ
40、40−1、40−2絶縁変圧器
41多巻線変圧器
50、50−1、50−2整流平滑回路
51ブリッジ型全波整流回路
52平滑コンデンサ
60制御装置
61制御量演算部
62ゲート信号生成部

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