(57)【要約】【課題】  昇圧比が高い場合でも連続動作モード運転を安定して実施できる昇圧チョッパ制御装置を提供する。【解決手段】  減算器１２、比例積分器１３、リミッタ１４を備えた比例積分制御装置８と、比例積分制御装置８の出力を三角波と比較して昇圧チョッパ回路の制御信号を生成する電圧比較器９とを有する昇圧チョッパ制御装置２において、比例積分器１３の比例器のゲインを積分器に対して１０００倍とし、リミッタ１４の上限値を０．７８とし、スイッチング素子６のスイッチング周波数を１８．０ｋＨｚ、比例積分制御装置８の制御周波数を１５．６ｋＨｚとした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧指令値と直流出力電圧情報を基に比例積分演算を実施する比例積分器、及び前記比例積分器の出力値の上限値及び下限値を設定するリミッタを備えた比例積分制御装置と、前記比例積分制御装置の出力を、三角波と比較してＰＷＭ信号から成る昇圧チョッパ回路の制御信号を生成する電圧比較器とを有する昇圧チョッパ制御装置であって、
前記比例積分器は、数１００のゲイン値を備えた比例器を有すると共に、昇圧チョッパ回路のスイッチング周波数が、比例積分制御装置の制御周波数と異なる周波数であることを特徴とする昇圧チョッパ制御装置。
【請求項２】
比例器のゲイン値が略３００であり、リミッタの上限値が三角波波高値の略０．７８倍である請求項１記載の昇圧チョッパ制御装置。
【請求項３】
昇圧チョッパ回路のスイッチング周波数は、比例積分制御装置の制御周波数の整数倍でも整数分の１でもない請求項１又は２記載の昇圧チョッパ制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧を昇圧して出力する昇圧チョッパ回路に関し、詳しくは昇圧チョッパ回路を制御する昇圧チョッパ制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、燃料電池や太陽電池を商用電力系統に連系運転する場合、発電した直流電圧を昇圧チョッパ回路により昇圧した後、インバータにより連系する商用電力と同位相の交流電力に変換して連系可能としている。このような昇圧チョッパ回路は、直流電圧目標値と直流出力電圧情報を基に、比例積分器により比例積分演算（ＰＩ演算）が実施され、比較回路にてＰＷＭ制御信号が生成されて、スイッチング素子の制御が行われている（例えば、特許文献１参照）。
また、昇圧チョッパ回路による昇圧制御の形態としては、連続動作モードによる昇圧と、不連続動作モードによる昇圧の２種類がある（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−３９９３１号公報（図４，図８）
【特許文献２】特開２００５−３２８６０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記昇圧チョッパ回路による昇圧の形態のうち、連続動作モードによる昇圧は電流変動が小さいため、不連続動作モードに比べて高効率にできる。しかし、交流電圧又は交流電流を出力するインバータに昇圧比の高い直流電圧を供給する場合、連続動作モードで昇圧運転することは困難であった。
インバータに供給する電圧は、上述するように通常比例積分制御により昇圧チョッパ回路の出力電圧を目標値に一致させているが、このような目的で使用される昇圧チョッパ回路の場合、比例積分制御装置に備えられた比例器及び積分器のゲインを、夫々略０．００１〜１０倍の範囲に設定し、比例積分制御装置の後段に設けるリミッタの上限値，下限値を制御結果が最適になるように設定している。また、スイッチング素子の駆動周波数を比例積分制御装置の制御周波数に等しく、或いは整数倍にして制御し、良好な特性を得ていた。
【０００５】
しかし昇圧比の高い出力電圧を得たい場合、このような従来の制御では、制御が不完全なものとなり、出力電圧が安定せず、入力電圧が過大に流れてスイッチング素子が破壊される虞があった。図５はこの従来の昇圧チョッパ制御装置による昇圧比が高い場合の動作特性の一例を示すもので、（ａ）はリアクトル電流、（ｂ）は比例積分制御装置の出力、（ｃ）はチョッパ回路の出力電圧、（ｄ）はインバータ出力電流である。尚、ここで使用している昇圧チョッパ回路は、図１に示す本発明の回路と同様となっている。
【０００６】
この動作特性は、直流電源電圧Ｖｄｃ＝４８Ｖ、出力電圧目標値ＶＯ＝４００Ｖ、制御周波数ｆｐ＝１５．６ｋＨｚ、三角波周波数ｆｔ＝１５．６ｋＨｚ、三角波振幅±１、比例器のゲインＫｐ＝０．３、積分器のゲインＫｉ＝０．３、リミッタ上限値Ｌｕ＝０．７８、リミッタ下限値Ｌｌ＝−１の場合を示すもので、図からリアクトル電流が大きく変化し、連続モード運転が実現できないことが見て取れ、スイッチング素子への負担が大きいことが理解できる。また、出力直流電圧の変動も大きいことが分かる。
【０００７】
そこで、本発明はこのような問題点に鑑み、昇圧比が高い場合でも連続動作モード運転を安定して実施できる昇圧チョッパ制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する為に、請求項１に記載の発明は、直流電圧指令値と直流出力電圧情報を基に比例積分演算を実施する比例積分器、及び前記比例積分器の出力値の上限値及び下限値を設定するリミッタを備えた比例積分制御装置と、前記比例積分制御装置の出力を、三角波と比較してＰＷＭ信号から成る昇圧チョッパ回路の制御信号を生成する電圧比較器とを有する昇圧チョッパ制御装置であって、前記比例積分器は、数１００のゲイン値を備えた比例器を有すると共に、昇圧チョッパ回路のスイッチング周波数が、比例積分制御装置の制御周波数と異なる周波数であることを特徴とする。
この構成により、最大出力時に比例積分制御装置の出力はリミッタ上限値にほぼ貼り付いた状態の制御信号を出力するため、リアクトル電流及び昇圧チョッパ回路出力電圧は上昇する。その後、昇圧チョッパ回路出力電圧が上限となる所定値まで上昇したら、比例積分制御装置は一瞬低下するため出力電圧は低下し、この低下動作が数回繰り返されることで昇圧チョッパ回路出力電圧は徐々に低下する。こうして出力電圧が低下して所定値まで下がると、再び比例積分制御装置の出力が上限値になり、昇圧チョッパ回路出力電圧は上昇する。
この動作を繰り返すことで、昇圧比が高い場合でも、安定した連続動作モード運転が可能となる。その結果、入力電流の変動を小さくでき、定格電流の小さな直流電源の使用が可能となる。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１に記載の発明において、比例器のゲイン値が略３００であり、リミッタの上限値が三角波波高値の略０．７８倍であることを特徴とする。
この構成により、昇圧比が高い場合でも安定した連続動作モード運転ができ、高効率運転を実現できる。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、昇圧チョッパ回路のスイッチング周波数は、比例積分制御装置の制御周波数の整数倍でも整数分の１でもないことを特徴とする。
この構成により、制御上の共振が生ずることが無く、安定した昇圧動作を維持できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、昇圧比が高い場合でも、安定した連続動作モード運転が可能となる。また、入力電流の変動を小さくでき、定格電流の小さな直流電源の使用が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を具体化した実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明に係る昇圧チョッパ制御装置の一例を示す回路図であり、１は昇圧チョッパ回路、２は昇圧チョッパ制御装置、３はインバータである。基本回路構成は従来の昇圧チョッパ制御装置と同様である。図１において、５は直流電源、Ｌ１は入力電流平準用コイル、Ｌ２は昇圧用コイル、Ｃ１は入力電流平準用コンデンサ、Ｃ２は出力電圧平滑用コンデンサ、ｒは出力電圧平滑用コンデンサＣ２に含まれる等価直列抵抗、６はスイッチング素子、７は整流器、８は比例積分制御装置、９は電圧比較器、１０は三角波電源である。
【００１３】
比例積分制御装置８では、出力電圧目標値ＶＯと測定した昇圧チョッパ回路１の出力電圧ｖｏを減算器１２で差演算して偏差を算出し、比例積分器１３でＰＩ演算が行われる。演算結果はリミッタ１４に入力され、上限及び下限値が制限される。こうして生成された比例積分制御装置８の出力は、電圧比較器９で三角波電源１０が出力する三角波と比較され、ＰＷＭ制御信号が生成されてスイッチング素子６へ出力される。
こうして、昇圧チョッパ回路１の出力電圧ｖｏは、減算器１２と比例積分器１３によるＰＩ制御により入力電圧目標値に等しくなるよう制御される。
【００１４】
図２，図３は具体的な動作特性を示している。図２（ａ）は昇圧用コイルＬ２を流れるリアクトル電流、（ｂ）は比例積分制御装置の出力、（ｃ）は昇圧チョッパ回路の出力電圧、（ｄ）はインバータ出力電流を示し、図３（ａ）は図２のリアクトル電流の拡大図、図３（ｂ）は図２の比例積分制御装置出力の拡大図を示している。
【００１５】
これらの動作特性は、直流電源５の電圧Ｖｄｃ＝４８Ｖ、出力電圧目標値ＶＯ＝４００Ｖ、制御周波数ｆｐ＝１５．６ｋＨｚ、三角波周波数ｆｔ＝１８．０ｋＨｚ、三角波振幅±１、比例積分器１３の比例器のゲインＫｐ＝３００、比例積分器１３の積分器のゲインＫｉ＝０．３、リミッタ１４の上限値Ｌｕ＝０．７８、下限値Ｌｌ＝−１の場合の測定データを示している。
この動作特性と上述した図５に示す特性を比較すると、リアクトル電流Ｉｌの変動が小さくなり、結果として最大電流値を抑えることができることが分かる。これは、昇圧比を高くしても（ここでは約８．３倍）出力直流電圧の変動を小さくでき、良好な昇圧特性を得ることが可能なことを示している。
【００１６】
この動作を図３を基に具体的に説明すると、比例積分器１３の比例器のゲインＫｐを３００とし、リミッタ１４の上限値Ｌｕを約０．７８とすることで、最大出力時の比例積分制御装置８の出力は、リミッタ上限値にほぼ貼り付いた状態の出力信号を出すことになる（状態Ｐ１）。そのため、リアクトル電流Ｉｌが上昇（状態Ｐ２）し、昇圧チョッパ回路出力電圧ｖｏも上昇する。
【００１７】
そして、昇圧チョッパ回路出力電圧ｖｏが上限となる所定値まで上昇したら、比例積分制御装置８の出力は一瞬低下した出力を出し（状態Ｐ３）、リアクトル電流Ｉｌが一瞬で低下（状態Ｐ４）する。そして、この動作が数回繰り返される。ここでは、制御周波数ｆｐ＝１５．６ｋＨｚ、スイッチング周波数（三角波周波数ｆｔ）＝１８ｋＨｚであるため、その最大公約数である１．２ｋＨｚでこの低下動作は繰り返して発生する。
その結果、昇圧チョッパ回路出力電圧ｖｏが低下を繰り返し、所定値まで下がると、再び比例積分制御装置８の出力が上限値に貼り付き、昇圧チョッパ回路出力電圧ｖｏは上昇する。
【００１８】
具体的には、スイッチング素子６がオフした直後、昇圧用コイルＬ２の電流は出力電圧平滑用コンデンサＣ２（以下、単にコンデンサと称する）に流れ込み、電荷としてチャージされて高電圧が維持される。この時、コンデンサＣ２に含まれる抵抗成分ｒに電流が流れるため、１Ｖ程度のサージ電圧リプルが出力電圧波形に重畳される。
このサージ電圧リプルの周期はスイッチング周波数の１８ｋＨｚであるが、ＰＩ制御において出力電圧のサンプリングは制御周波数（１５．６ｋＨｚ）の一定位相のタイミングで行われているため、出力電圧波形のサンプリング位相が周期的に移動する。この実施形態では、両周波数の最大公約数（１．２ｋＨｚ）の周期でサージ電圧をサンプリングすることになる。
【００１９】
そのため、サージ電圧をサンプリングした期間のみ直前のサンプリング値との電圧差が大きくなり、ＰＩ出力の急激な低下が発生し、この一瞬で昇圧コイル電流が急減し、昇圧コイル電流の増加及び出力電圧の上昇が抑制される。そして、次のサンプリングにおいては、従前の電圧値がサンプリングされるため、ＰＩ出力も復帰（リミッタ上限に張り付き）し、再び昇圧コイル電流の上昇動作に戻る。
【００２０】
このような動作を繰り返すことで、昇圧比が高い場合でも、安定した連続動作モード運転が可能となり、高効率運転を実現できる。そして、リアクトル電流の変動を小さくできるので、入力電流の変動を小さくでき、定格電流の小さな直流電源の使用が可能となる。
【００２１】
但し、比例器のゲインＫｐとリミッタ１４の制限値が上記条件を満たし、駆動周波数（三角波周波数ｆｔ）と比例積分制御装置８の制御周波数ｆｐが異なる場合であっても、ｆｔ／ｆｐが整数の場合は図４に示すように不安定になる。図４は、制御周波数ｆｐと三角波周波数ｆｔが等しい場合のリアクトル電流Ｉｌと比例積分制御装置出力の特性を示し、これは駆動周波数が制御周波数ｆｐの整数倍、或いは整数分の１の場合も同様の特性を示す。これは、制御周期とスイッチング周期が同期していて、電圧波形のサンプリング位相の周期的移動が発生しないため、サンプリング電圧値の変動が緩やかになり、急激な昇圧コイル電流の減少を起こし得ないことに起因している。そのため、整数にならないように設定する必要があり、この条件を満たすことで安定した昇圧動作を維持できる。
【００２２】
尚、比例器のゲインＫｐは３００でなくとも良く、１００〜５００に設定しても良好な昇圧動作は可能であるし、リミッタ１４の上限値も０．７８でなくとも良く、最大出力時の制御を維持できる限界値に近い値、具体的には０．７０〜０．９に設定することで、昇圧比が高くても安定した動作が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る昇圧チョッパ制御装置の実施形態の一例を示す回路図である。
【図２】図１の回路の動作特性を示し、（ａ）はリアクトル電流、（ｂ）は比例積分制御装置の出力、（ｃ）は出力電圧、（ｄ）はインバータ出力電流である。
【図３】図２の一部拡大図を示し、（ａ）はリアクトル電流、（ｂ）は比例積分制御装置の出力である。
【図４】駆動周波数と制御周波数が同じ場合の特性を示し、（ａ）はリアクトル電流、（ｂ）は比例積分制御装置の出力である。
【図５】従来の昇圧チョッパ装置の動作特性を示し、（ａ）はリアクトル電流、（ｂ）は比例積分制御装置の出力、（ｃ）は出力電圧、（ｄ）はインバータ出力電流である。
【符号の説明】
【００２４】
１・・昇圧チョッパ回路、２・・昇圧チョッパ制御装置、３・・インバータ回路、６・・スイッチング素子、８・・比例積分制御装置、９・・電圧比較器、１０・・三角波電源、１２・・減算器、１３・・比例積分器、１４・・リミッタ、Ｌ２・・昇圧用コイル。
【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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