(57)【要約】【課題】制御における応答性の向上と、スイッチング素子のエネルギー損失および発熱の抑制を両立させたチョッパ装置を提供する。【解決手段】チョッパ部５，６を複数個直列に接続し、前記複数のチョッパ部５，６のうち少なくとも一つを、その他のチョッパ部５と比較して高いキャリア周波数に設定した高キャリア周波数チョッパ部６とし、この高キャリア周波数チョッパ部６の制御周期を短く設定する。また、前記その他のチョッパ部５により、前記チョッパ装置の電圧指令値となる電圧を出力する。そして、前記高キャリア周波数チョッパ部６により、前記電圧指令値と前記チョッパ装置の出力電圧検出値との偏差電圧を出力する。【選択図】図１
2012157153.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子をオンオフ制御することにより、直流電圧を降圧または昇圧して負荷に供給するチョッパ部と、
前記スイッチング素子にゲート信号を出力する制御部と、を備えたチョッパ装置であって、
前記チョッパ部は、複数個が直列に接続され、
前記制御部は、前記複数のチョッパ部のうち少なくとも一つを、その他のチョッパ部と比較して高いキャリア周波数に設定した高キャリア周波数チョッパ部とし、この高キャリア周波数チョッパ部の制御周期を短く設定し、
前記その他のチョッパ部により、前記チョッパ装置の電圧指令値となる電圧を出力し、
前記高キャリア周波数チョッパ部により、前記電圧指令値と前記チョッパ装置の出力電圧検出値との偏差電圧を出力することを特徴とするチョッパ装置。
【請求項２】
前記チョッパ部は、２つ直列に接続され、
前記制御部は、
前記２つのチョッパ部にそれぞれ異なるキャリア周波数を設定し、他方のチョッパ部と比較して低いキャリア周波数が設定された低キャリア周波数チョッパ部のスイッチング素子を、前記電圧指令値と低キャリア周波数チョッパ部の出力電圧検出値との偏差に基づいて電圧制御し、前記低キャリア周波数チョッパ部と比較して高いキャリア周波数が設定された高キャリア周波数チョッパ部のスイッチング素子を、前記電圧指令値と前記出力電圧検出値との偏差に基づいて電圧制御することを特徴とする請求項１記載のチョッパ装置。  
【請求項３】
前記制御部は、
前記電圧指令値と低キャリア周波数チョッパ部の出力電圧検出値との偏差に基づいて電圧制御を行い、第１電流指令値を出力する第１電圧制御部と、
前記第１電流指令値と低キャリア周波数チョッパ部の電流検出値との偏差に基づいて電流制御を行う第１電流制御部と、
他方と比較して低いキャリア周波数が設定されたキャリア信号と前記第１電流制御部の出力とを比較し、第１ゲート信号を出力する第１ＰＷＭ信号生成部と、
前記電圧指令値と前記出力電圧検出値との偏差に基づいて電圧制御を行い、第２電流指令値を出力する第２電圧制御部と、
前記第２電流指令値と高キャリア周波数チョッパ部の電流検出値との偏差に基づいて電流制御を行う第２電流制御部と、
他方と比較して高いキャリア周波数が設定されたキャリア信号と前記第２電流制御部の出力とを比較し、第２ゲート信号を出力する第２ＰＷＭ信号生成部と、を備えたことを特徴とする請求項２記載のチョッパ装置。
【請求項４】
前記チョッパ部は、
直流電源と、
前記直流電源に対して、直列接続された２つのスイッチング素子と、
前記スイッチング素子のそれぞれに逆並列に接続された２つのダイオードと、
前記２つのスイッチング素子の中間接続点に一端が接続されたリアクトルと、
前記リアクトルの他端と一方のスイッチング素子との間に介挿されたコンデンサと、をそれぞれ備えたことを特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項に記載のチョッパ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はチョッパ装置に係り、特に出力電圧を高精度に制御するチョッパ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、チョッパ装置において、制御における応答性の向上が要求されている。チョッパ装置に高い応答性を得る手法としては、指令に応じた周波数の正弦波信号と比較する三角波キャリア信号の周波数（すなわち、キャリア周波数）を高く設定する方法が知られている。
【０００３】
しかしながら、キャリア周波数を高く設定することにより、スイッチング素子でのエネルギー損失や発熱が上昇する等の問題がある。キャリア周波数の上限は、主回路定数と素子特性により定まる。
【０００４】
なお、インバータにおいては、負荷状態に応じてキャリア周波数を切り換えることにより、上記の問題を解決した装置が特許文献１に開示されている。
【０００５】
また、チョッパ装置においても、負荷状態に応じてキャリア周波数を切り換える方法が特許文献２に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２１７７７６号公報（段落［００２４］〜［００３３］，第１図）
【特許文献２】特開２００６−１５８１０９号公報（段落［０００８］〜［００１８］，第１図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１，２に示すような負荷状態に応じたキャリア周波数の切替では、キャリア周波数を高く設定して制御における応答性を向上させるか、キャリア周波数を低く設定してスイッチング素子のエネルギー損失および発熱を抑制するか、のどちらか一方を優先させることはできるが、制御における応答性の向上と、スイッチング素子のエネルギー損失および発熱の抑制を、同時に両立することはできなかった。
【０００８】
以上示したようなことから、制御における応答性の向上と、スイッチング素子のエネルギー損失および発熱の抑制を両立させたチョッパ装置を提供することが課題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、スイッチング素子をオンオフ制御することにより、直流電圧を降圧または昇圧して負荷に供給するチョッパ部と、前記スイッチング素子にゲート信号を出力する制御部と、を備えたチョッパ装置であって、前記チョッパ部は、複数個が直列に接続され、前記制御部は、前記複数のチョッパ部のうち少なくとも一つを、その他のチョッパ部と比較して高いキャリア周波数に設定した高キャリア周波数チョッパ部とし、この高キャリア周波数チョッパ部の制御周期を短く設定し、前記その他のチョッパ部により、前記チョッパ装置の電圧指令値となる電圧を出力し、前記高キャリア周波数チョッパ部により、前記電圧指令値と前記チョッパ装置の出力電圧検出値との偏差電圧を出力することを特徴とする。
【００１０】
また、その他の態様は、前記チョッパ部は、２つ直列に接続され、前記制御部は、前記２つのチョッパ部にそれぞれ異なるキャリア周波数を設定し、他方のチョッパ部と比較して低いキャリア周波数が設定された低キャリア周波数チョッパ部のスイッチング素子を、前記電圧指令値と低キャリア周波数チョッパ部の出力電圧検出値との偏差に基づいて電圧制御し、前記低キャリア周波数チョッパ部と比較して高いキャリア周波数が設定された高キャリア周波数チョッパ部のスイッチング素子を、前記電圧指令値と前記出力電圧検出値との偏差に基づいて電圧制御することを特徴とする。
【００１１】
また、前記制御部は、前記電圧指令値と低キャリア周波数チョッパ部の出力電圧検出値との偏差に基づいて電圧制御を行い、第１電流指令値を出力する第１電圧制御部と、前記第１電流指令値と低キャリア周波数チョッパ部の電流検出値との偏差に基づいて電流制御を行う第１電流制御部と、他方と比較して低いキャリア周波数が設定されたキャリア信号と前記第１電流制御部の出力とを比較し、第１ゲート信号を出力する第１ＰＷＭ信号生成部と、前記電圧指令値と前記出力電圧検出値との偏差に基づいて電圧制御を行い、第２電流指令値を出力する第２電圧制御部と、前記第２電流指令値と高キャリア周波数チョッパ部の電流検出値との偏差に基づいて電流制御を行う第２電流制御部と、他方と比較して高いキャリア周波数が設定されたキャリア信号と前記第２電流制御部の出力とを比較し、第２ゲート信号を出力する第２ＰＷＭ信号生成部と、を備えた構成としても良い。
【００１２】
また、前記チョッパ部は、直流電源と、前記直流電源に対して、直列接続された２つのスイッチング素子と、前記スイッチング素子のそれぞれに逆並列に接続された２つのダイオードと、前記２つのスイッチング素子の中間接続点に一端が接続されたリアクトルと、前記リアクトルの他端と一方のスイッチング素子との間に介挿されたコンデンサと、をそれぞれ備えた構成としても良い。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、制御における応答性の向上と、スイッチング素子のエネルギー損失および発熱の抑制を両立したチョッパ装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態におけるチョッパ装置の主回路の構成図である。
【図２】実施形態におけるチョッパ装置の制御部の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
［実施形態］
本実施形態におけるチョッパ装置を図１，図２に基づいて説明する。図１は、チョッパ装置の主回路を示し、図２はチョッパ装置１の制御部を示す。
【００１６】
本実施形態におけるチョッパ装置の主回路は、図１に示すように、低キャリア周波数チョッパ部５，高キャリア周波数チョッパ部６が直列に接続されている。前記低キャリア周波数チョッパ部５は、スイッチングモジュール１と、直流電源３と、リアクトルＤＣＬ１と、コンデンサＣ１と、を備えている。
【００１７】
前記スイッチングモジュール１は、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２および、そのスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２に逆並列に接続されたダイオードＤ１，Ｄ２を備えている。
【００１８】
前記低キャリア周波数チョッパ部５は、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２およびダイオードＤ１とダイオードＤ２とをそれぞれ直列接続して各両端同士および各中間接続点同士を共通接続し、かつ、中間接続点にリアクトルＤＣＬ１の一端を接続したものである。そして、リアクトルＤＣＬ１の他端とスイッチング素子Ｓ２との間にコンデンサＣ１を介挿する。
【００１９】
なお、図１に示したスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２はＩＧＢＴであるが、これはＩＧＢＴに限定されるものではなく、ＩＧＢＴやＧＴＯ等の自己消弧形スイッチングデバイスであれば良い。
【００２０】
また、高キャリア周波数チョッパ部６も低キャリア周波数チョッパ部５と同様に、スイッチングモジュール２と、直流電源４と、リアクトルＤＣＬ２と、コンデンサＣ２と、を備えている。また、スイッチングモジュール２は、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４と、そのスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４に逆並列に接続されたダイオードＤ３，Ｄ４を備えている（図示省略）。
【００２１】
上記のように構成されたチョッパ装置において、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３をオンオフ制御することにより、直流電源３，４の直流電圧をスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３において降圧し、リアクトルＤＣＬ１，ＤＣＬ２を介してコンデンサＣ１，Ｃ２に充電する。
【００２２】
ここで、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３をオンすると、低キャリア周波数チョッパ部電流Ｉ1，高キャリア周波数チョッパ部電流Ｉ2がスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３→リアクトルＤＣＬ１，ＤＣＬ２→コンデンサＣ１，Ｃ２の経路で流れ、コンデンサＣ１，Ｃ２を充電する。
【００２３】
次に、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ３をオフすると、リアクトルＤＣＬの蓄積エネルギーとして流れていた低キャリア周波数チョッパ部電流Ｉ1，高キャリア周波数チョッパ部電流Ｉ2は、コンデンサＣ１，Ｃ２→ダイオードＤ２，Ｄ４→リアクトルＤＣＬ１，ＤＣＬ２の経路で循環電流として流れ、リアクトルＤＣＬ１，ＤＣＬ２の残留エネルギーをコンデンサＣ１，Ｃ２に充電する。
【００２４】
また、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４をオンオフ制御することにより、コンデンサＣ１，Ｃ２の電流を放電し、直流電源３，４に回生する。
【００２５】
まず、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４をオンすることによって、コンデンサＣ１，Ｃ２の電流はリアクトルＤＣＬ１，ＤＣＬ２およびスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４を介して放電し、この時のエネルギーがＤＣＬ１，ＤＣＬ２に蓄積される。
【００２６】
次に、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ４をオフにすると、リアクトルＤＣＬ１，ＤＣＬ２には逆起電力による電圧が発生し、コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧とリアクトルＤＣＬ１，ＤＣＬ２の逆起電力による電圧が加算されてダイオードＤ１，Ｄ３を介して直流電源３，４に回生し、昇圧チョッパの動作を行う。
【００２７】
ここで、図２に基づき、本実施形態におけるチョッパ装置の制御部１０について説明する。この制御部１０における信号処理は、コンピュータを利用したディジタル処理で行われる。
【００２８】
本実施形態におけるチョッパ装置の制御部１０は、第１電圧制御器１１，第２電圧制御器１２と、第１電流制御器１３，第２電流制御器１４と、第１ＰＷＭ信号生成部１５，第２ＰＷＭ信号生成部１６と、キャリア生成部１７，１８と、を備える。
【００２９】
まず、第１電圧制御器（ＡＶＲ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｒｅｇｕｒａｔｏｒ）１１は、電圧指令値Ｖref*と低キャリア周波数チョッパ部５の出力電圧検出値Ｖ1との偏差が、下記（１）式となるように、電圧制御を行う。この第１電圧制御器１１の出力は第１電流指令値Ｉ1ref*となる。
【００３０】
【数１】
2012157153.tif 000003
【００３１】
次に、前記第１電流指令値Ｉ1ref*と低キャリア周波数チョッパ部５の電流検出値Ｉ1を第１電流制御器１３（ＡＣＲ：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ  ｃｕｒｒｅｎｔ  Ｒｅｇｕｒａｔｏｒ）に入力し、その偏差に基づきスイッチングモジュール１から出力される電流Ｉ1が電流指令値Ｉ1ref*となるように制御する。
【００３２】
第１ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号生成部１５は、キャリア生成部１７で生成された周波数Ｆ1の三角波キャリア信号と第１電流制御器１３の出力とを比較してＰＷＭ波形を生成し、スイッチングモジュール１（スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２）に出力する第１ゲート信号Ｇ１を生成する。
【００３３】
第２電圧制御器１２は、電圧指令値Ｖref*と負荷７の両端電圧となるチョッパ装置１の出力電圧検出値Ｖoutの偏差が、下記（２）式となるように、電圧制御を行う。この第２電圧制御器１２の出力は第２電流指令値Ｉ2ref*となる。
【００３４】
【数２】
2012157153.tif 000004
【００３５】
次に、前記第２電流指令値Ｉ2ref*と、高キャリア周波数チョッパ部６の電流検出値Ｉ2を第２電流制御器１４に入力し、その偏差に基づきスイッチングモジュール２から出力される電流Ｉ2が第２電流指令値Ｉ2ref*となるように制御する。
【００３６】
第２ＰＷＭ信号生成部１６は、キャリア生成部１８で生成された周波数Ｆ2の三角波キャリア信号と第２電流制御器１４の出力とを比較してＰＷＭ波形を生成し、スイッチングモジュール２（スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４）に出力するゲート信号Ｇ２を生成する。
【００３７】
ここで、キャリア生成部１７，１８において生成されるキャリア周波数Ｆ1，Ｆ2は、Ｆ1＜Ｆ2という関係になるように設定する。また、第１電圧制御器１１，第１電流制御器１３はキャリア周波数Ｆ1に、第２電圧制御器１２，第２電流制御器１４はキャリア周波数Ｆ2に、同期する制御周期で制御する。
【００３８】
これにより、スイッチングモジュール２はスイッチングモジュール１よりキャリア周期，制御周期ともに短くなり、高応答の制御性能が得られる。
【００３９】
ここで、スイッチングモジュール２の出力電圧をＶ2とすると、下記（３）式が成り立つ。
【００４０】
【数３】
2012157153.tif 000005
【００４１】
前記（２），（３）式より、下記（４）式が成り立つ。
【００４２】
【数４】
2012157153.tif 000006
【００４３】
また、前記（１）式，（４）式から、下記（５）式となる。
【００４４】
【数５】
2012157153.tif 000007
【００４５】
よって、下記（６）式となる。
【００４６】
【数６】
2012157153.tif 000008
【００４７】
この（６）式に示すように、電圧指令値Ｖref*と低キャリア周波数チョッパ部５の出力電圧検出値Ｖ1との偏差が小さくなるようにスイッチングモジュール１を制御することにより、負荷７で必要とされる電力の大部分をスイッチングモジュール１（スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２）により供給することができる。その結果、スイッチングモジュール２（スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４）には小容量の電力しか通過しないため、発熱およびスイッチング損失等の影響が少なく、キャリア周波数Ｆ2を高速化することができる。
【００４８】
すなわち、本実施形態のチョッパ装置は、キャリア周波数の低いスイッチングモジュール１（低キャリア周波数チョッパ部５）により、チョッパ装置１の電圧指令値となる電圧を出力し、キャリア周波数の高いスイッチングモジュール２（高キャリア周波数チョッパ部６）により、チョッパ装置１の電圧指令値とチョッパ装置１の出力電圧検出値との偏差電圧を出力し、電圧制御における応答性向上のための補償を行うものである。
【００４９】
以上より、本実施形態のチョッパ装置によれば、スイッチング素子の発熱およびスイッチング損失を抑制する共に、キャリア周波数を上昇させ、電圧制御における応答性の向上を図ることが可能となる。
【００５０】
以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。
【００５１】
例えば、本実施形態では、低キャリア周波数チョッパ部５，高キャリア周波数チョッパ部６に２象限の可逆チョッパを適用したが、低キャリア周波数チョッパ部５，高キャリア周波数チョッパ部６はそれに限られるものではなく、その他の構成でも良い。
【符号の説明】
【００５２】
１，２…スイッチングモジュール
３，４…直流電源
５…低キャリア周波数チョッパ部
６…高キャリア周波数チョッパ部
７…負荷
１０…制御部
１１，１２…第１，第２電圧制御部（ＡＶＲ）
１３，１４…第１，第２電流制御部（ＡＣＲ）
１５，１６…第１，第２ＰＷＭ信号生成部
１７，１８…キャリア生成部
Ｓ１〜Ｓ４…スイッチング素子
Ｄ１〜Ｄ４…ダイオード
ＤＣＬ１，ＤＣＬ２…リアクトル
Ｃ１，Ｃ２…コンデンサ
Ｖ1…低キャリア周波数チョッパ部の出力電圧検出値
Ｖ2…高キャリア周波数チョッパ部の出力電圧検出値
Ｖout…負荷電圧検出値
Ｉ1…低キャリア周波数チョッパ部の電流検出値
Ｉ2…高キャリア周波数チョッパ部の電流検出値
Ｖref*…電圧指令値
Ｇ1，Ｇ2…第１，第２ゲート信号
Ｆ1，Ｆ2…キャリア周波数
Ｉ1ref*，Ｉ2ref*…第１，第２電流指令値
【図１】
2012157153.tif 000009
【図２】
2012157153.tif 000010