(57)【要約】【課題】絶縁トランスの損失を低減して効率を向上させた絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ及びその制御装置、並びにＤＣ／ＡＣ変換装置を提供する。【解決手段】ＤＣ／ＡＣ変換器３と絶縁トランス５と整流回路６と制御装置２０とを備え、制御装置２０は、ＤＣ／ＡＣ変換器３の直流入力電力を演算する乗算器２４と、整流回路６の出力電圧検出値が出力電圧指令値に追従するように直流入力電力指令値を演算する第１の調節器２２と、直流入力電力指令値の上限値を制限して出力する入力電力制限器２３と、乗算器２４による直流入力電力演算値が入力電力制限器２３により制限された直流入力電力指令値に追従するように整流回路６の出力電力指令値を演算する第２の調節器２６と、この出力電力指令値に基づいてＤＣ／ＡＣ変換器３のスイッチング素子の駆動パルスを生成する駆動パルス生成器２７と、を備える。【選択図】図１
2019187040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチング素子の動作により直流／交流変換を行うＤＣ／ＡＣ変換器と、前記ＤＣ／ＡＣ変換器の交流出力電圧を絶縁して所定の大きさに変圧する絶縁トランスと、前記絶縁トランスの交流出力電圧を直流電圧に変換する整流回路と、前記半導体スイッチング素子を駆動する制御装置と、を備えた絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、
前記制御装置は、
前記ＤＣ／ＡＣ変換器の直流入力電力を演算する直流入力電力演算手段と、
前記整流回路の直流出力電圧検出値が直流出力電圧指令値に追従するように直流入力電力指令値を演算する第１の調節手段と、
前記直流入力電力指令値の上限値を所定値に制限して出力する入力電力制限手段と、
前記直流入力電力演算手段による直流入力電力演算値が、前記入力電力制限手段により制限された直流入力電力指令値に追従するように前記整流回路の直流出力電力指令値を演算する第２の調節手段と、
前記直流出力電力指令値に基づいて前記半導体スイッチング素子の駆動パルスを生成する駆動パルス生成手段と、
を備えたことを特徴とする絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項２】
請求項１に記載した絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、
前記入力電力制限手段における前記所定値を、前記絶縁トランスの励磁インダクタンスの設計値に基づいて設定したことを特徴とする絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項３】
半導体スイッチング素子の動作により直流／交流変換を行うＤＣ／ＡＣ変換器と、前記ＤＣ／ＡＣ変換器の交流出力電圧を絶縁して所定の大きさに変圧する絶縁トランスと、前記絶縁トランスの交流出力電圧を直流電圧に変換する整流回路と、を備えた絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの、前記半導体スイッチング素子の駆動パルスを生成するための制御装置において、
前記ＤＣ／ＡＣ変換器の直流入力電力を演算する直流入力電力演算手段と、
前記整流回路の直流出力電圧検出値が直流出力電圧指令値に追従するように直流入力電力指令値を演算する第１の調節手段と、
前記直流入力電力指令値の上限値を所定値に制限して出力する入力電力制限手段と、
前記直流入力電力演算手段による直流入力電力演算値が、前記入力電力制限手段により制限された直流入力電力指令値に追従するように前記整流回路の直流出力電力指令値を演算する第２の調節手段と、
前記直流出力電力指令値に基づいて前記半導体スイッチング素子の駆動パルスを生成する駆動パルス生成手段と、
を備えたことを特徴とする絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの制御装置。
【請求項４】
請求項３に記載した絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの制御装置において、
前記入力電力制限手段における前記所定値を、前記絶縁トランスの励磁インダクタンスの設計値に基づいて設定したことを特徴とする絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの制御装置。
【請求項５】
請求項１または２に記載した絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記整流回路の直流出力電圧を交流電圧に変換するインバータと、を備えたことを特徴とするＤＣ／ＡＣ変換装置。
【請求項６】
請求項５に記載したＤＣ／ＡＣ変換装置において、
前記入力電力制限手段における前記所定値を、前記インバータの定格交流出力電力のほぼ１．５倍の大きさに設定したことを特徴とするＤＣ／ＡＣ変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの絶縁トランスにおいて発生する損失を低減するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図４は、特許文献１に記載された絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。
図４において、５１は直流電圧Ｖｉｎが印加される入力端子ａ，ｂ間に接続された平滑用コンデンサ、５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄはＤＣ／ＡＣ変換器５２を構成する半導体スイッチング素子、５３は共振コンデンサ、５４は共振リアクトル、５５は絶縁トランス、５６は絶縁トランス５５の一次巻線にコイル５７を並列接続するためのスイッチ、５８は並列共振インダクタンスを構成するコイル、５９は整流回路、６０は平滑コンデンサであり、その両端が出力端子ｃ，ｄに接続されて直流電圧Ｖｏｕｔが出力される。ここで、スイッチ５６及びコイル５７は、コイル５８の並列共振インダクタンスを調整する回路を構成している。
また、電圧検出器７１及び電流検出器７２による各検出値が制御ユニット７０に入力されており、この制御ユニット７０はＤＣ／ＡＣ変換器５２及びスイッチ５６のオン・オフを制御している。
【０００３】
この絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、入出力電圧の所定範囲、例えば、入力電圧の定格値を含む３２０［Ｖ］〜４４０［Ｖ］の範囲では、スイッチ５６をオフして絶縁トランス５５の一次巻線にコイル５８のみを並列に接続し、上記以外の電圧範囲では、スイッチ５６をオンしてコイル５７，５８を並列接続することで実質的にコイル５８の並列共振インダクタンスを小さくする。これにより、入力電圧が３２０［Ｖ］〜４４０［Ｖ］の範囲では絶縁トランス５５の一次側に流れる並列共振電流を小さくして回路全体の損失低減を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１７７５９５号公報（段落［００４０］〜［００５６］、図１〜図５等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図５は、図４の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータによる損失低減効果を示している。図示するように、この絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータでは、スイッチ５６を制御して並列共振インダクタンスを調整することにより、従来設計に比べて損失を全体的に低減することが可能である。
しかし、図５からも明らかなように、損失低減効果はもっぱらＤＣ／ＡＣ変換器５２の半導体スイッチング素子５２ａ，５２ｂ，５２ｃ，５２ｄや共振リアクトル５４及びコイル５８によるものであり、絶縁トランス５５における損失はほとんど変化していない。
【０００６】
一方、例えば車載電源装置の分野では、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの直流出力電圧をインバータにより交流電圧に変換して外部に供給する交流電源システムが知られている。この種の交流電源システムにおいて、電源の大容量化を目的としてインバータの交流最大出力に対応可能な絶縁トランスを製造するためには、励磁インダクタンスを小さく設計せざるを得ず、結果的に励磁電流が大きくなってしまう。
このため、絶縁トランスの励磁電流と負荷電流とによって決まる入力電流も大きくなるので銅損が増加すると共に効率が低下し、冷却能力の増強が必要になって装置の大型化やコストの上昇を招くという問題がある。
【０００７】
特許文献１記載の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータでは、所定の入出力電圧範囲における装置全体の損失を低減可能であるが、絶縁トランス自体の発生損失はほとんど変わらないため、更なる損失低減が求められていた。
【０００８】
そこで、本発明の解決課題は、絶縁トランスの損失を低減して効率を向上させた絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ及びその制御装置と、これらを備えたＤＣ／ＡＣ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】
【０００９】
上記課題を解決するため、請求項１に係る絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、半導体スイッチング素子の動作により直流／交流変換を行うＤＣ／ＡＣ変換器と、前記ＤＣ／ＡＣ変換器の交流出力電圧を絶縁して所定の大きさに変圧する絶縁トランスと、前記絶縁トランスの交流出力電圧を直流電圧に変換する整流回路と、前記半導体スイッチング素子を駆動する制御装置と、を備えた絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、
前記制御装置は、
前記ＤＣ／ＡＣ変換器の直流入力電力を演算する直流入力電力演算手段と、
前記整流回路の直流出力電圧検出値が直流出力電圧指令値に追従するように直流入力電力指令値を演算する第１の調節手段と、
前記直流入力電力指令値の上限値を所定値に制限して出力する入力電力制限手段と、
前記直流入力電力演算手段による直流入力電力演算値が、前記入力電力制限手段により制限された直流入力電力指令値に追従するように前記整流回路の直流出力電力指令値を演算する第２の調節手段と、
前記直流出力電力指令値に基づいて前記半導体スイッチング素子の駆動パルスを生成する駆動パルス生成手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１０】
請求項２に係る絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、請求項１に記載した絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、前記入力電力制限手段における前記所定値を、前記絶縁トランスの励磁インダクタンスの設計値に基づいて設定したことを特徴とする。
【００１１】
請求項３に係る絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの制御装置は、半導体スイッチング素子の動作により直流／交流変換を行うＤＣ／ＡＣ変換器と、前記ＤＣ／ＡＣ変換器の交流出力電圧を絶縁して所定の大きさに変圧する絶縁トランスと、前記絶縁トランスの交流出力電圧を直流電圧に変換する整流回路と、を備えた絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの、前記半導体スイッチング素子の駆動パルスを生成するための制御装置において、
前記ＤＣ／ＡＣ変換器の直流入力電力を演算する直流入力電力演算手段と、
前記整流回路の直流出力電圧検出値が直流出力電圧指令値に追従するように直流入力電力指令値を演算する第１の調節手段と、
前記直流入力電力指令値の上限値を所定値に制限して出力する入力電力制限手段と、
前記直流入力電力演算手段による直流入力電力演算値が、前記入力電力制限手段により制限された直流入力電力指令値に追従するように前記整流回路の直流出力電力指令値を演算する第２の調節手段と、
前記直流出力電力指令値に基づいて前記半導体スイッチング素子の駆動パルスを生成する駆動パルス生成手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの制御装置は、請求項３に記載した絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの制御装置において、前記入力電力制限手段における前記所定値を、前記絶縁トランスの励磁インダクタンスの設計値に基づいて設定したことを特徴とする。
【００１３】
請求項５に係るＤＣ／ＡＣ変換装置は、請求項１または２に記載した絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記整流回路の直流出力電圧を交流電圧に変換するインバータと、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項６に係るＤＣ／ＡＣ変換装置は、請求項５に記載したＤＣ／ＡＣ変換装置において、前記入力電力制限手段における前記所定値を、前記インバータの定格交流出力電力のほぼ１．５倍の大きさに設定したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを構成するＤＣ／ＡＣ変換器の直流入力電力の上限値を制限しているため、絶縁トランスの入力電力を低減してその励磁インダクタンスを大きい値に設計することが可能である。これにより、絶縁トランスの励磁電流ひいては入力電流を減少させて銅損を低減し、絶縁トランスの全体的な損失を低減することが可能になり、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータやこのＤＣ／ＤＣコンバータを備えたＤＣ／ＡＣ変換装置の効率を向上させることができる。従って、装置の冷却能力を必要以上に増強する必要がなく、装置全体の大型化やコストの上昇を招くおそれもない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係る絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを含むＤＣ／ＡＣ変換装置の回路図である。
【図２】図１の動作を説明するための模式的な波形図である。
【図３】入力電力指令値を制限しない場合の模式的な波形図である。
【図４】特許文献１に記載された絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。
【図５】特許文献１に記載された絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータによる損失低減効果の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態に係る絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを含むＤＣ／ＡＣ変換装置の回路図であり、まず、主回路の構成を説明する。
【００１８】
図１において、直流電源１の正負極間には平滑コンデンサ２が接続され、その両端は半導体スイッチング素子３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄからなるＤＣ／ＡＣ変換器３の直流入力側に接続されている。ＤＣ／ＡＣ変換器３の交流出力端子間には共振コンデンサ４を介して絶縁トランス５の一次巻線が接続され、その二次巻線の両端はダイオード６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄからなる整流回路６の交流入力側に接続されている。
整流回路６の直流出力端子間には平滑コンデンサ７が接続され、その両端は半導体スイッチング素子８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄのブリッジ回路と出力フィルタ８ｅとを備えた単相インバータ８の直流入力側に接続されている。なお、８ｆ，８ｇは交流電圧Ｖａｃ及び交流電流Ｉａｃが出力される交流出力端子である。
【００１９】
上記のＤＣ／ＡＣ変換器３及び単相インバータ８を構成する半導体スイッチング素子の種類は図示例に何ら限定されず、装置の定格や仕様に応じてＦＥＴやＩＧＢＴ、パワートランジスタ等、適宜な種類の素子を選択すれば良い。
【００２０】
次に、ＤＣ／ＡＣ変換器３の制御装置２０の構成を説明する。なお、インバータ８の制御装置については本発明の主要部ではないため、便宜上、図示及び説明を省略する。
前述した主回路には、ＤＣ／ＡＣ変換器３の直流入力電圧Ｖｉｎを検出する電圧検出器９と、直流入力電流Ｉｉｎを検出する電流検出器１０と、ＤＣ／ＤＣコンバータの直流出力電圧（ＤＣ／ＡＣ変換装置の直流中間電圧）Ｖｏを検出する電圧検出器１１とが設けられ、これらの検出器９〜１１による各検出値Ｖｉｎ，Ｉｉｎ，Ｖｏが制御装置２０に入力されている。
【００２１】
制御装置２０において、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧指令値Ｖｏ＊と出力電圧検出値Ｖｏとが減算器２１に入力され、出力電圧検出値Ｖｏが出力電圧指令値Ｖｏ＊に追従するようにＰ（比例）調節器やＰＩ（比例積分）調節器等からなる第１の調節器２２が動作して第１の入力電力指令値Ｐｉｎ＊を演算する。第１の入力電力指令値Ｐｉｎ＊は電力制限器２３に入力され、電力制限値Ｐｌｉｍにより上限値が制限された第２の入力電力指令値Ｐｉｎ＊＊が演算される。
【００２２】
一方、入力電圧検出値Ｖｉｎと入力電流検出値Ｉｉｎとを乗算器２４により乗算して得た入力電力検出値Ｐｉｎが、第２の入力電力指令値Ｐｉｎ＊＊と共に減算器２５に入力され、入力電力検出値Ｐｉｎと第２の入力電力指令値Ｐｉｎ＊＊との偏差がＰ調節器やＰＩ調節器等からなる第２の調節器２６に入力される。
第２の調節器２６は、上記偏差がゼロになるように出力電力指令値Ｐｏ＊を演算して駆動パルス生成器２７に出力する。
駆動パルス生成器２７は、出力電力指令値Ｐｏ＊に基づいてＰＷＭ（パルス幅変調）演算等を行い、所定の周波数、パルス幅及び位相を有する駆動パルスを生成してＤＣ／ＡＣ変換器３のスイッチング素子３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄに供給し、これらをオン・オフさせる。
【００２３】
次に、図２は本実施形態の動作を説明するための模式的な波形図であり、図１のインバータ８の交流出力電圧Ｖａｃ及び交流出力電流Ｉａｃ、第２の入力電力指令値Ｐｉｎ＊＊、入力電力検出値Ｐｉｎ、直流出力電圧Ｖｏの波形を示している。
この実施形態においては、インバータ８から出力される瞬時電力に応じて入力電力検出値Ｐｉｎが変化しようとするが、入力電力制限器２３の電力制限値Ｐｌｉｍにより上限値が制限された第２の入力電力指令値Ｐｉｎ＊＊に入力電力検出値Ｐｉｎが追従するように第２の調節器２６が動作して出力電力指令値Ｐｏ＊を生成し、この出力電力指令値Ｐｏ＊に基づいてＤＣ／ＡＣ変換器３のスイッチング素子３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄが駆動される。
【００２４】
このため、ＤＣ／ＡＣ変換器３の入力電力は第２の入力電力指令値Ｐｉｎ＊＊に追従することになり、インバータ８から出力される瞬時電力に対して要求される本来の入力電力（第１の入力電力指令値Ｐｉｎ＊）よりも小さくなる。従って、図２に示した制限範囲内では、直流出力電圧（平滑コンデンサ７の電圧）Ｖｏが図示するように減少する。
なお、図３は、上述した実施形態のようにＤＣ／ＡＣ変換器３の直流入力電力を制限することなくＤＣ／ＡＣ変換器３を制御した場合（以下、対比技術という）の模式的な波形図であり、直流出力電圧Ｖｏはほぼ一定に保たれている。
【００２５】
本発明の実施形態では、直流入力電力指令値の上限値を制限して直流入力電力のピーク値が低下するようにＤＣ／ＡＣ変換器３を制御しているため、直流入力電力指令値を制限しない対比技術に比べて絶縁トランス５の入力電力が小さくなり、絶縁トランス５の励磁インダクタンスを大きく設計することができる。これにより、絶縁トランス５の励磁電流が小さくなるので、負荷電流と励磁電流とによって決まる絶縁トランス５の入力電流が小さくなって銅損が減少する。
従って、冷却能力を必要以上に増強する必要がなく、冷却装置の大容量化によって装置の大型化やコストの上昇を招くおそれもない。
【００２６】
なお、絶縁トランス５の励磁インダクタンスを大きく設計すると磁束密度が大きくなるため鉄損が増加するが、励磁インダクタンスや巻数比等の絶縁トランス５の定数を適切に選択して電力制限値Ｐｌｉｍひいては第２の入力電力指令値Ｐｉｎ＊＊を適切に設定すれば、鉄損の増加よりも銅損の減少による効果の方が上回り、全体として絶縁トランス５の損失を減少させることができる。
【００２７】
また、実施形態のように本来の直流入力電力指令値（第１の入力電力指令値Ｐｉｎ＊＊）に制限を加えると直流出力電圧Ｖｏが歪み、インバータ８の交流出力電圧Ｖａｃの瞬時値に多少の影響が生じる場合がある。しかし、図１に示したように絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータとインバータ８とを組み合わせた絶縁型のＤＣ／ＡＣ変換装置では、ＤＣ／ＤＣコンバータの直流出力電圧Ｖｏとして厳密な一定電圧が求められることは少なく、直流出力電圧（ＤＣ／ＡＣ変換装置の直流中間電圧）Ｖｏに多少の歪みがあったとしても、交流出力電圧Ｖａｃの品質上、特に問題にはならない。
【００２８】
次に、本実施形態による絶縁トランスの損失低減効果を、実験により検証した結果について説明する。
以下の表１は、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを含むＤＣ／ＡＣ変換装置の入出力の設計条件を、対比技術（直流入力電力を制限せずにＤＣ／ＡＣ変換器を制御した場合）及び本実施形態について示したものである。
【表１】
2019187040.tif 000003
【００２９】
表１において、直流入力電圧の最小値、最大値は図１におけるＶｉｎに相当し、直流出力電圧はＶｏに相当し、交流出力電力はインバータ８の定格出力電力に相当し、最大ピーク電力はＰｉｎのピーク値に相当する。
この実施形態では、最大ピーク電力が２２５０[Ｗ]となるように入力電力制限器２３により第２の入力電力指令値Ｐｉｎ＊＊を制限している。すなわち、インバータ８の定格出力電力（＝１５００［Ｗ］）に対して、入力電力制限器２３における電力制限値Ｐｌｉｍを、１．５倍の２２５０［Ｗ］に設定している。
また、表１における共振周波数は、絶縁トランス５の一次側の共振コンデンサ４と漏れインダクタンスとによって構成される共振回路の共振周波数である。
【００３０】
表２は、共振コンデンサ４及び絶縁トランス５の定数設計例である。本実施形態では、絶縁トランス８の励磁インダクタンスを対比技術よりも約３３[％]大きい値に設計している。
【表２】
2019187040.tif 000004
【００３１】
次に、表３は絶縁トランス５の損失計算結果を示している。
本発明の実施形態を対比技術と比較すると、実施形態では鉄損が若干増加しているが一次巻線及び二次巻線の銅損が著しく減少しているため、絶縁トランス全体の損失が大幅に低減されていることがわかる。
【表３】
2019187040.tif 000005
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明は、直流電源電圧を絶縁して所定の大きさの直流電圧を得る各種の直流電源装置や、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧をインバータにより所定の大きさと周波数の交流電圧に変換して出力する交流電源装置として利用することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１：直流電源 
２，７：平滑コンデンサ
３：ＤＣ／ＡＣ変換器
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ：半導体スイッチング素子
４：共振コンデンサ
５：絶縁トランス
６：整流回路
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ：ダイオード
８：インバータ
８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ：半導体スイッチング素子
８ｅ：出力フィルタ
８ｆ，８ｇ：交流出力端子
９，１１：電圧検出器
１０：電流検出器
２０：制御装置
２１，２５：減算器
２２，２６：調節器 
２３： 入力電力制限器
２４：乗算器
２７：駆動パルス生成器 
【図１】
2019187040.tif 000006
【図２】
2019187040.tif 000007
【図３】
2019187040.tif 000008
【図４】
2019187040.tif 000009
【図５】
2019187040.tif 000010