(57)【要約】【課題】  マルチフェーズ方式の電力変換装置において、リップル電流を抑制する。【解決手段】  交流電圧が入力される電源入力部と、インダクタ、ダイオード及びスイッチング素子からなるチョッパ回路を少なくとも並列に３つ以上備えた電圧変換回路と、電圧変換回路の出力側に接続される平滑コンデンサと、出力電圧を出力する出力部と、出力部において一定の電圧が出力されるように、スイッチング素子を、デューティ比を変化させて制御する制御部と、を備える電力変換装置において、制御部は、デューティ比に応じて、駆動するチョッパ回路の数を変化させる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電圧が入力される電源入力部と、
インダクタ、ダイオード及びスイッチング素子からなるチョッパ回路を少なくとも並列に３つ以上備えた電圧変換回路と、
前記電圧変換回路の出力側に接続される平滑コンデンサと、
出力電圧を出力する出力部と、
前記スイッチング素子を、デューティ比を変化させて制御する制御部と、
を備える電力変換装置において、
前記制御部は、デューティ比に応じて、駆動する前記チョッパ回路の数を変化させることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記電力変換装置は、前記チョッパ回路を並列に３つ備えており、
前記制御部は、前記出力部において一定の電圧が出力されるように、前記スイッチング素子を、デューティ比を変化させて制御するものであり、
さらに前記制御部は、デューティ比が５０％であるときは、３つの前記チョッパ回路のうち、２つだけを駆動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】
請求項１または２に記載の電力変換装置を備えたモータ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、入力電流の高調波成分や雑音端子電圧の抑制を可能とする電力変換装置に関するものである。また、家庭用電化製品などの民生機器の電源装置やロボットアームなどのＦＡシステム機器の電源装置などに適用可能な技術である。
【背景技術】
【０００２】
近年、民生機器や産業機器に対する省エネルギー化の要請が高まる中、力率補正機能を有する電力変換装置において、複数のチョッパ回路を構成し、各チョッパ回路のスイッチングタイミングが重ならないように駆動するマルチフェーズ方式の電力変換回路が提案されている。
【０００３】
例えば、図７（ａ）に示した、特許文献１に記載のコンバータ電源回路１００は、交流電源１０１を整流する全波整流器１０２と、全波整流器１０２の出力を平滑化するローパスフィルタ１０３を備え、ローパスフィルタ１０３の出力は、チョッパ回路群１０７に接続される。チョッパ回路群１０７は、例えば並列に接続された４個のチョッパ回路１０８〜１１１で構成される。
【０００４】
平滑コンデンサ１１２の端子電圧を検出する電圧検出部１１４の検出結果は、制御回路１１５に供給され、制御回路１１５は、検出された差電圧値に基づいて駆動回路１１６を制御する。駆動回路１１６から出力される駆動信号は、それぞれ同一周波数で位相のみが異なる信号であり、それによって各スイッチングトランジスタＱ１〜Ｑ４を、オン期間が重ならないように駆動する。
【０００５】
平滑コンデンサ１１２の端子電圧が低い場合は、全てのチョッパ回路１０８〜１１１を動作させ、平滑コンデンサ１１２の端子電圧が高い場合は、全てのチョッパ回路を動作させず、例えば３個や２個のチョッパ回路のみを動作させる。
【０００６】
図７（ｂ）は、動作させるチョッパ回路の個数によるリップル電流の低減比率を示すものであり、横軸にデューティサイクルを示し、縦軸は入力電流値を示している。
【０００７】
この図からわかるように、チョッパ回路が１個の場合（ＮＰＨ＝１）に比べて、チョッパ回路を２個駆動させた場合（ＮＰＨ＝２）には、リップル電流の最大値は１／２になり、チョッパ回路を３個駆動させた場合（ＮＰＨ＝３）には、リップル電流の最大値は１／３になることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−１８７１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
一般に、昇圧チョッパ回路において、入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔの関係は、チョッパ回路のインダクタに常に電流が流れる連続モードにおいて、デューティ比Ｄを用いて次のように表される。
【００１０】
Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ／（１−Ｄ）
したがって、交流の入力電圧に対し、出力電圧が一定となるように制御する場合は、入力電圧の１サイクルの中でデューティ比を変化させる必要がある。
【００１１】
しかしながら、図７（ｂ）に示したように、リップル電流の値は、駆動しているチョッパ回路の個数ＮＰＨとデューティ比Ｄに依存するため、デューティ比によってはリップル電流が十分に低減できないという課題があった。
【００１２】
そこで本発明は、マルチフェーズ方式の電力変換装置において、リップル電流を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の電力変換装置は、交流電圧が入力される電源入力部と、インダクタ、ダイオード及びスイッチング素子からなるチョッパ回路を少なくとも並列に３つ以上備えた電圧変換回路と、電圧変換回路の出力側に接続される平滑コンデンサと、出力電圧を出力する出力部と、出力部において一定の電圧が出力されるように、スイッチング素子を、デューティ比を変化させて制御する制御部と、を備える電力変換装置において、制御部は、デューティ比に応じて、駆動するチョッパ回路の数を変化させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、マルチフェーズ方式の電力変換装置において、リップル電流を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の電力変換装置の回路図である。
【図２】マルチフェーズ制御を行わない場合の電流値を示した比較例の図である。
【図３】マルチフェーズ制御を行った場合の電流値を示した図である。
【図４】入力電圧とデューティ比との関係を示した図である。
【図５】本発明のモータ駆動装置の回路図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係る、脈流電圧の出力を示した図である。
【図７】先行特許文献１の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（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の回路図である。
【００１７】
電力変換装置１は、電源入力部２、ダイオードブリッジ３、電圧変換回路４、平滑コンデンサ５を有する。ダイオードブリッジ３は、電源入力部２からの交流を整流する整流回路として働く。電圧変換回路４は、３つが並列に接続されたチョッパ回路からなるものである。このうち一つのチョッパ回路は、インダクタ６ａ、ダイオード７ａ、スイッチング素子８ａを有する昇圧回路である。インダクタ６ａは、一端がダイオードブリッジ３の高電位側の端子と接続され、他端がダイオード７ａのアノード側およびスイッチング素子８ａのコレクタ側に接続される。スイッチング素子８ａのエミッタは接地され、ベースは制御部１１に接続される。
【００１８】
スイッチング素子８ａしては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いるものとして説明するが、ＦＥＴ（Field Effect Transistor）などであってもよい。スイッチング素子８ａにおいては、制御部１１の制御よって、オン・オフのスイッチングが１０〜２００ｋＨｚ程度の周波数で行われる。
【００１９】
そして、これらのインダクタ６ａ、ダイオード７ａ、スイッチング素子８ａは、同様にさらに２組が並列となるように、それぞれインダクタ６ｂ、ダイオード７ｂ、スイッチング素子８ｂと、インダクタ６ｃ、ダイオード７ｃ、スイッチング素子８ｃが接続される。
【００２０】
ダイオード７ａのカソード側は、平滑コンデンサ５および出力部９に接続される。
【００２１】
次に、本発明におけるスイッチング制御について説明する。
【００２２】
出力部９における出力電圧は、出力電圧検出部１０において検出され、検出結果は制御部１１へと送られる。制御部１１は、受け取った出力電圧値をもとに、スイッチング素子８ａ〜８ｃの制御を行う。
【００２３】
図２は、本発明との比較例として、電力変換装置１において、スイッチング素子８ａ〜８ｃのいずれかのみを単相駆動させたときの入力電流の様子を示したものである。図２（ａ）および拡大図の図２（ｂ）に示されているように、入力電流は、高速でオン・オフが繰り返されるスイッチングの働きによってリップル電流を生じる。このリップル電流は、高周波のノイズ源となるため、ノイズを抑えるためには、ノイズフィルタ等の追加の部材が必要となる。
【００２４】
図３（ａ）は、本発明の一実施形態であり、スイッチング素子８ａ〜８ｃを全て駆動させて３相駆動としたマルチフェーズ方式における入力電流の変化を示したものである。図３（ｂ）は、各チョッパ回路を流れる電流値を、三種の線で区別して描いたものであり、図３（ａ）の入力電流を整流し、図を拡大したものに相当する。図３（ｃ）は、図３（ｂ）における各チョッパ回路を流れる電流値を足し合わせたものである。なお、各チョッパ回路を流れる電流値を分かりやすくするため、図３（ｂ）は、図２（ｂ）よりもさらに拡大したものを示している。
【００２５】
一般に、Ｎ相のマルチフェーズ方式においては、リップル電流をできるだけ低減させるため、各相のスイッチングのタイミングをそれぞれ３６０°／Ｎだけずらして駆動される。したがって、本実施形態の３相のチョッパ回路においては、各相を１２０°ずつずらして駆動することとなる。
【００２６】
また、この場合において、リップル電流を最小とするデューティ比は、ｋ／Ｎ（ｋ＝１，２，…，Ｎ−１）となる。したがって、３相においては、３３．３％（＝１／３），６６．７％（＝２／３）のときにリップル電流が最小となる。本例においては、デューティ比を３３．３％とした。なお、デューティ比Ｄは、スイッチング素子８ａ〜８ｃにおいて、全期間に対し、スイッチングがオンである期間の比率を示すものであり、オン期間長をＴｏｎ、オフ期間長をＴｏｆｆとしたときに、Ｄ＝Ｔｏｎ／（Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ）の関係が成り立つ。
【００２７】
図３（ｂ）に示すように、各チョッパ回路を流れる電流は、図２（ｂ）と同様に、スイッチングの周期に基づき、リップルが生じていることが分かる。一方で、図３（ｃ）に示したように、各相の電流を足し合わせたものでは、それぞれのリップル電流が打ち消しあっており、リップル電流がほぼ０にまで低減されていることが分かる。このことは、リップル電流の低減比率を示した図７（ｂ）のグラフにおいて、駆動するチョッパ回路の数（ＮＰＨ）が３、デューティ比が３３．３％のときに、リップル電流が０となっていることからも確認できる。
【００２８】
このように、リップル電流の大きさの比率Ｉｒは一般的に、デューティ比をＤ、駆動するチョッパ回路の数をＮとしたときに、Ｐを正の定数として、
Ｉｒ＝Ｐ（Ｄ−ｋ／Ｎ）（（ｋ＋１）／Ｎ−Ｄ）    ｋ＝０，１，…，Ｎ−１    ：式（１）
によって表される。したがって、一般に、駆動するチョッパ回路の数Ｎが大きいほどリップル電流は小さくなる傾向にある。
【００２９】
しかし、図７（ｂ）にも示した通り、デューティ比によっては、駆動するチョッパ回路の数が少ない場合の方がリップル電流を低減できることがある。例えば、デューティ比が４５〜５５％のときは、３相駆動時よりも２相駆動時の方がリップル電流を小さくできることが示されている。
【００３０】
このように、駆動するチョッパ回路が少ない方がリップル電流を抑制することができるデューティ比の範囲は、上述の式（１）を用いて求めることができる。
【００３１】
２相駆動時でデューティ比が５０％以下のときのリップル電流の値は、
Ｉｒ＝Ｐ・Ｄ（１／２−Ｄ）    ：式（１−１）
で表される。一方、３相駆動時でデューティ比が３３．３〜６６．７％のときのリップル電流の値は、
Ｉｒ＝Ｐ（Ｄ−１／３）（２／３−Ｄ）    ：式（１−２）
で表される。ここで、式（１−１）と式（１−２）の交点をとると、Ｄ＝４／９＝４４．４％となる。同様に、デューティ比が５０％以上のときに交わる点についても立式して求めると、Ｄ＝５／９＝５５．６％となる。
【００３２】
ここで、出力電圧を定圧とする場合の制御について説明を行う。図４（ａ）は電源入力部２に入力される入力電圧値を示したものである。図４（ｂ）は、図４（ａ）と同じ時間範囲について、本実施形態での制御におけるデューティ比の変化を示したものである。
【００３３】
図４（ｂ）に示したように、出力電圧を定圧とする場合は、入力される交流電圧の各サイクル内において、デューティ比Ｄを変化させる必要がある。すなわち、
Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ／（１−Ｄ）
で表される関係式において、Ｖｏｕｔが一定となるように、入力電圧の１サイクル内において、デューティ比Ｄを変化させるように制御する。
【００３４】
ここで、リップル電流を最小とするために、１サイクル内で変化するデューティ比に応じて、駆動するチョッパ回路の数を変化させるようにする。
【００３５】
具体的には、図４（ｂ）に示したように、デューティ比が０〜４５％または５５〜１００％のときは３相かつ位相差１２０°で駆動を行い、デューティ比が４５〜５５％のときは２相かつ位相差１８０°で駆動を行うようにする。これを実現するため、制御部１１は、出力電圧検出部１０によって検知された出力電圧値に応じて、デューティ比を決定する。さらに制御部１１は、決定されたデューティ比に基づいて、駆動するチョッパ回路の数を決定し、スイッチング素子８ａ〜８ｃのうち、必要なものについてのみ駆動を行う。
【００３６】
したがって、最大で３相駆動を行うことができる回路においては、１サイクルの大部分は３相で駆動を行い、２相の方がリップル電流を少なくすることができるデューティ比の場合においては２相のみを駆動することとなる。このように、駆動するチョッパ回路の数を１サイクル内で頻繁に切り替えることによって、マルチフェーズ方式の電力変換装置において、１サイクルの全体にわたってリップル電流を抑制することができる。
【００３７】
なお、式（１）からも分かるように、リップル電流を最小とするデューティ比Ｄは、駆動するチョッパ回路の数をＮとしたときに、Ｄ＝ｋ／Ｎ（ｋ＝１，２，…，Ｎ−１）で与えられる。したがって、例えば、駆動するチョッパ回路が２つであるときは、Ｄ＝１／２＝５０％のときに、リップル電流は最小となる。
【００３８】
また、式（１）はリップル電流の低減比率の理想的な計算式であるため、実際の回路の特性に合わせて、駆動するチョッパ回路の数を切り替えるデューティ比の範囲を調整するようにしてもよい。
【００３９】
また、本実施形態においては、各チョッパ回路は昇圧型であるものとして説明したが、降圧型であってもよい。この場合、出力電圧Ｖｏｕｔ、入力電圧Ｖｉｎ、デューティ比Ｄの間には、
Ｖｏｕｔ＝Ｄ×Ｖｉｎ
の関係が成り立つ。したがって、同様にデューティ比が０〜４５％または５５〜１００％のときは３相かつ位相差１２０°で駆動を行い、４５〜５５％のときは２相かつ位相差１８０°で駆動を行うようにする。このようにすることで、降圧チョッパ回路においても、１サイクルの全体にわたってリップル電流を抑制することができる。
【００４０】
また、本実施形態において説明した電力変換装置１において、交流入力が安定的になされる場合は、デューティ比の変化の周期は交流入力電圧の周期と一致する。したがって、交流入力を検知する手段を適宜備えたうえで、動作させるチョッパ回路の数を交流入力電圧値や交流入力の位相によって定義するようにしてもよい。
【００４１】
（第２の実施形態）
第２の実施形態においては、第１の実施形態で説明した電力変換装置１において、昇圧チョッパ回路が４つ並列に接続されたものについて説明を行う。なお、第１の実施形態で説明した電力変換装置１との違いは、チョッパ回路の数だけであるため、図面は省略する。
【００４２】
本実施形態の電力変換装置においては、デューティ比が０〜３０％、３９〜６１％、７０〜１００％のときは４相かつ位相差９０°で駆動を行い、３０〜３９％、６１〜７０％のときは３相かつ位相差１２０°で駆動を行う。
【００４３】
このようにすることによって、最大で４相駆動を行うことができる回路において、１サイクルの大部分は４相で駆動を行い、３相の方がリップル電流を少なくすることができる場合においては３相のみを駆動することとなる。これによって、マルチフェーズ方式の電力変換装置において、１サイクルの全体にわたってリップル電流を抑制することができる。
【００４４】
なお、５相以上を駆動できる回路においても同様であり、例えば６相駆動が行える回路においては、２２〜２８％、７２〜７８％のときのみ４相駆動を行い、それ以外は６相駆動とすることで、サイクル全体としてリップル電流を抑制することができる。
【００４５】
なお、本実施形態において示した、駆動するチョッパの数を切り替えるデューティ比の範囲は、第１の実施形態での説明と同様に、式（１）を用いて、各曲線の交点を求めることによって決定することができる。
【００４６】
（第３の実施形態）
図５は、第１の実施形態で説明した電力変換装置１を、ロボットアームを駆動するモータ駆動装置１２に適用した回路図である。
【００４７】
一般に、単相の交流電力を入力として３相のモータを回転させる場合、入力の交流を直流に変換・昇圧するコンバータ部と、直流を３相交流に変換してモータを回転させるインバータ部とを備える構成が知られている。
【００４８】
本実施形態のモータ駆動装置１２においては、電力変換装置１の他に、交流電圧へと変換するインバータ１３と、インバータ１３によって駆動されるモータ１４を有する。
【００４９】
このように、ノイズの発生を抑えることができる電力変換装置１を用いてモータ駆動装置１２とすることによって、ノイズフィルタを削減した、低価格のモータ駆動回路を実現することができる。
【００５０】
なお、このようなモータ駆動装置１２は、ロボットアームに限らず、空気調和機などに適用するようにしてもよい。また、第２の実施形態で説明した電力変換装置を適用するようにしてもよい。
【００５１】
（第４の実施形態）
図６は、チョッパ回路を３つ備えた昇圧回路である電力変換装置１において、電圧に比例した電流を流す負荷を接続し、平滑コンデンサ５の容量を出力電力１ｋＷに対して１．７μＦ程度にし、入力電圧の１サイクル内においてデューティ比を固定した際の、出力電圧を示したものである。図６においては、出力電圧の高い順にそれぞれ、デューティ比Ｄ＝６７％・３相駆動、デューティ比Ｄ＝５０％・２相駆動、デューティ比Ｄ＝３３％・３相駆動、昇圧なし、の場合を示しており、昇圧比はそれぞれ、３倍、２倍、１．５倍、１倍となっている。
【００５２】
なお、この昇圧比は、第１の実施形態で説明したように、Ｖｏｕｔ＝Ｖｉｎ／（１−Ｄ）の式より求まる。また、各デューティ比において駆動するチョッパ回路の数は、第１の実施形態と同様に、式（１）より求まるデューティ比範囲に基づき、生じるリップル電流を少なくするように決定され、昇圧比が３倍または１．５倍のときは３相駆動、昇圧比が２倍のときは２相駆動となる。また、駆動する各チョッパ回路の位相差も、第１の実施形態と同様に、３６０°／（駆動するチョッパ回路の数）で決定される。
【００５３】
したがって、出力する電圧の昇圧比に応じて、すなわちデューティ比に応じて、駆動するチョッパ回路の数を変えることで、リップル電流を抑制することができる。
【００５４】
次に、供給される入力電圧が不安定な場合について説明する。供給される電圧振幅が大きく変動する場合、昇圧比を変更することにより、出力電圧への影響を緩和する事ができる。
【００５５】
例えば、３相の回路構成であって、昇圧比１．５倍、デューティ比３３％で動作させた場合を考えると、入力電圧振幅が元の値から３０％低下してしまった場合、何もしなければ出力も同様に３０％低下してしまう。しかし、３相のうち２相のみを駆動させるように切り替え、デューティ比５０％とすることにより、昇圧比を１．５倍から２倍に向上できるため、出力は７０％×２÷１．５＝９３％となる。すなわち、出力電圧の低下は７％となる。
【００５６】
このように、昇圧比を変化させる場合においては、リップル電流を小さくするように、駆動するチョッパ回路の数を変更することで、入力電圧が不安定な場合においても、出力電圧の低下を抑えることができ、さらにはその際のリップル電流を抑制することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１  電力変換装置
２  電源入力部、  ３  ダイオードブリッジ、
４  電圧変換回路、  ５  平滑コンデンサ
６ａ  インダクタ、  ６ｂ  インダクタ、  ６ｃ  インダクタ
７ａ  ダイオード、  ７ｂ  ダイオード、  ７ｃ  ダイオード
８ａ  スイッチング素子、  ８ｂ  スイッチング素子、  ８ｃ  スイッチング素子
９  出力部
１０  出力電圧検出部、  １１  制御部
１２  モータ駆動装置、  １３  インバータ、  １４  モータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2014197945.tif 000008
【図７】
2014197945.tif 000009