電力變換裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及獲得期望的直流電壓的電力變換裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]以往的電力變換裝置是一種DC/DC電力變換裝置，該DC/DC電力變換裝置具有2個(gè)以上的由2個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)元件構(gòu)成的開關(guān)部件，串聯(lián)地構(gòu)成各開關(guān)部件中的各半導(dǎo)體開關(guān)元件，并且具有進(jìn)行充放電的能量轉(zhuǎn)移用電容器和電感，通過基于4種開關(guān)模式的動(dòng)作，調(diào)整輸入輸出電壓之比和電力方向(參照例如專利文獻(xiàn)1)。
[0003]專利文獻(xiàn)1:日本特開2012-016075號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在上述以往的電力變換裝置中，在對(duì)輸入側(cè)連接了交流電源的情況下，無法進(jìn)行與交流電源相位對(duì)應(yīng)的控制，所以無法進(jìn)行輸入電流的高功率因數(shù)控制，并且難以將能量轉(zhuǎn)移用電容器電壓控制為恒定。
[0005]本發(fā)明是為了消除上述那樣的問題而完成的，其目的在于在對(duì)來自交流電源的輸入進(jìn)行整流之后利用直流電容器的充放電而變換為期望的電壓的電力變換裝置中，能夠?qū)崿F(xiàn)輸入電流的高功率因數(shù)控制和使直流電容器的電壓成為恒定的控制這兩者。
[0006]本發(fā)明提供一種電力變換裝置，其特征在于，具備:整流電路，對(duì)來自交流電源的輸入進(jìn)行整流;開關(guān)部，使所述整流電路的輸出升壓而輸出；平滑電容器，對(duì)所述開關(guān)部的輸出進(jìn)行平滑；以及控制電路，控制所述開關(guān)部。所述開關(guān)部具備:電抗器，第一端連接到整流電路的正極側(cè)端子;支路部，分別控制電流的導(dǎo)通以及切斷的第一半導(dǎo)體元件、第二半導(dǎo)體元件、第一開關(guān)元件以及第二開關(guān)元件串聯(lián)地連接于所述平滑電容器的正負(fù)端子之間，所述電抗器的第二端連接到所述第二半導(dǎo)體元件和所述第一開關(guān)元件的連接點(diǎn)；以及直流電容器，連接于所述第一半導(dǎo)體元件、所述第二半導(dǎo)體元件的連接點(diǎn)與所述第一開關(guān)元件、所述第二開關(guān)元件的連接點(diǎn)之間。所述控制電路通過對(duì)所述開關(guān)部進(jìn)行高頻PWM控制，將所述直流電容器的電壓控制為指令值，并且控制從所述交流電源經(jīng)由所述整流電路流過的電路電流以改善來自所述交流電源的輸入功率因數(shù)，同時(shí)將所述平滑電容器的電壓控制為目標(biāo)電壓，按照相等的驅(qū)動(dòng)周期以使基準(zhǔn)相位錯(cuò)開半周期的方式對(duì)所述第一開關(guān)元件和所述第二開關(guān)元件進(jìn)行高頻驅(qū)動(dòng)，控制1個(gè)周期內(nèi)的所述第一開關(guān)元件的第一接通期間和1個(gè)周期內(nèi)的所述第二開關(guān)元件的第二接通期間的總和，從而控制所述電路電流，并且控制所述第一接通期間與所述第二接通期間的比率，從而控制所述直流電容器的電壓。
[0007]本發(fā)明的電力變換裝置如以上那樣構(gòu)成，所以能夠?qū)崿F(xiàn)輸入電流的高功率因數(shù)控制和使直流電容器的電壓成為恒定的控制，能夠可靠地得到期望的直流電壓。另外，能夠降低電抗器的電容以及直流電容器的電容而實(shí)現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)的小型化。
【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式1的電力變換裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0009]圖2是本發(fā)明的實(shí)施方式1的電力變換裝置的第一控制模式下的選通信號(hào)以及各部的波形圖。
[0010]圖3是說明本發(fā)明的實(shí)施方式1的電力變換裝置的第一控制模式下的動(dòng)作的電流路徑圖。
[0011]圖4是說明本發(fā)明的實(shí)施方式1的電力變換裝置的第一控制模式下的動(dòng)作的電流路徑圖。
[0012]圖5是說明本發(fā)明的實(shí)施方式1的電力變換裝置的第一控制模式下的動(dòng)作的電流路徑圖。
[0013]圖6是本發(fā)明的實(shí)施方式1的電力變換裝置的第二控制模式下的選通信號(hào)以及各部的波形圖。
[0014]圖7是說明本發(fā)明的實(shí)施方式1的電力變換裝置的第二控制模式下的動(dòng)作的電流路徑圖。
[0015]圖8是說明本發(fā)明的實(shí)施方式1的電力變換裝置的第二控制模式下的動(dòng)作的電流路徑圖。
[0016]圖9是說明本發(fā)明的實(shí)施方式1的電力變換裝置的第二控制模式下的動(dòng)作的電流路徑圖。
[0017]圖10是示出本發(fā)明的實(shí)施方式1的電力變換裝置的基本控制的控制框圖。
[0018]圖11是示出本發(fā)明的實(shí)施方式1的電力變換裝置的控制中的調(diào)整相位以及控制模式的選擇的控制框圖。
[0019]圖12是示出本發(fā)明的實(shí)施方式1的各開關(guān)元件的占空指令的生成的控制框圖。
[0020]圖13是示出本發(fā)明的實(shí)施方式1的各開關(guān)元件的選通信號(hào)的生成的控制框圖。
[0021]圖14是示出本發(fā)明的實(shí)施方式1的各開關(guān)元件的選通信號(hào)的生成中使用的三角波的圖。
[0022]圖15是本發(fā)明的實(shí)施方式2的電力變換裝置的第一控制模式下的選通信號(hào)以及各部的波形圖。
[0023]圖16是本發(fā)明的實(shí)施方式2的電力變換裝置的第二控制模式下的選通信號(hào)以及各部的波形圖。
[0024]圖17是示出本發(fā)明的實(shí)施方式2的電力變換裝置的控制中的調(diào)整相位的選擇的控制框圖。
[0025]圖18是示出本發(fā)明的實(shí)施方式2的各開關(guān)元件的占空指令的生成的控制框圖。
[0026]圖19是示出本發(fā)明的實(shí)施方式2的各開關(guān)元件的選通信號(hào)的生成的控制框圖。
[0027]圖20是本發(fā)明的實(shí)施方式3的電力變換裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0028]圖21是本發(fā)明的實(shí)施方式3的電力變換裝置的第一控制模式下的選通信號(hào)以及各部的波形圖。
[0029]圖22是本發(fā)明的實(shí)施方式3的電力變換裝置的第二控制模式下的選通信號(hào)以及各部的波形圖。
[0030]圖23是本發(fā)明的實(shí)施方式3的其他例子的電力變換裝置的第一控制模式下的選通信號(hào)以及各部的波形圖。
[0031]圖24是本發(fā)明的實(shí)施方式3的其他例子的電力變換裝置的第二控制模式下的選通信號(hào)以及各部的波形圖。
[0032]圖25是本發(fā)明的實(shí)施方式4的電力變換裝置的結(jié)構(gòu)圖。
[0033]圖26是示出本發(fā)明的實(shí)施方式4的電力變換裝置的基本控制的控制框圖。
[0034]圖27是本發(fā)明的實(shí)施方式5的電力變換裝置的結(jié)構(gòu)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035]實(shí)施方式1.
[0036]以下，說明本發(fā)明的實(shí)施方式1。
[0037]圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式1的電力變換裝置的概略結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，電力變換裝置具備用于將交流電源1的交流電力變換為直流電力而輸出的主電路和控制電路10。
[0038]主電路具備:整流電路200，對(duì)交流電源1的輸入進(jìn)行整流;開關(guān)部100，使整流電路200的輸出升壓而輸出；以及平滑電容器9，對(duì)開關(guān)部100的輸出進(jìn)行平滑。整流電路200是將4個(gè)二極管201?204設(shè)為全橋結(jié)構(gòu)而得到的二極管整流電路。開關(guān)部100具備作為限流電路的電抗器3、作為第一半導(dǎo)體元件的二極管4、作為第二半導(dǎo)體元件的二極管5、第一開關(guān)元件6a、第二開關(guān)元件7a以及直流電容器8。另外，二極管4、二極管5、第一開關(guān)元件6a以及第二開關(guān)元件7a在平滑電容器9的正負(fù)端子之間串聯(lián)地連接而構(gòu)成支路部300。
[0039 ]交流電源1的輸出與整流電路200的輸入端子連接。整流電路200的第一輸出端子與電抗器3的一端連接，對(duì)電抗器3的另一端連接二極管5的陽(yáng)極端子和第一開關(guān)元件6a的連接點(diǎn)。二極管4連接于二極管5的陰極端子與平滑電容器9的正極之間。第二開關(guān)元件7a連接于第一開關(guān)元件6a與平滑電容器9的負(fù)極之間。直流電容器8連接于二極管5的陰極端子與第一開關(guān)元件6a、第二開關(guān)元件7a的連接點(diǎn)之間。平滑電容器9的負(fù)極和整流電路200的第二輸出端子被直接連接。
[0040]第一開關(guān)元件6a、第二開關(guān)元件7a分別由將二極管6b、7b反并聯(lián)地連接而得到的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)構(gòu)成。
[0041]另外，第一開關(guān)元件6a、第二開關(guān)元件7a除了IGBT以外，也可以是在源極、漏極之間內(nèi)置有二極管的M0SFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)等半導(dǎo)體開關(guān)元件。
[0042]另外，具備分別檢測(cè)交流電源的電壓Vac、直流電容器8的電壓Vcl、平滑電容器9的電壓Vc2的電壓傳感器以及檢測(cè)作為從交流電源1經(jīng)由整流電路200流過的電路電流的電流I c的電流傳感器。在該情況下，作為電流I c，檢測(cè)在電抗器3中流過的電流。
[0043]控制電路10根據(jù)所檢測(cè)到的直流電容器電壓Vcl、平滑電容器電壓Vc2以及交流電源電壓Vac和電流Ic，以使平滑電容器電壓Vc2成為所設(shè)定的恒定電壓即目標(biāo)電壓Vc2*的方式，生成選通信號(hào)G1、G2，對(duì)第一開關(guān)元件6a、第二開關(guān)元件7a進(jìn)行接通/斷開控制，對(duì)開關(guān)部100進(jìn)行輸出控制。
[0044]另外，對(duì)平滑電容器9連接未圖示的負(fù)載，在通常時(shí)，平滑電容器電壓Vc2比目標(biāo)電壓Vc2*低，控制電路10為了變換來自交流電源1的交流電力并對(duì)平滑電容器9供給直流電力，對(duì)開關(guān)部100進(jìn)行輸出控制。
[0045]以下，說明這樣構(gòu)成的電力變換裝置的動(dòng)作。
[0046]整流電路200對(duì)來自交流電源1的輸入電力進(jìn)行全波整流，開關(guān)部100通過第一開關(guān)元件6a、第二開關(guān)元件7a的接通/斷開動(dòng)作，利用直流電容器8的充放電，向平滑電容器9輸出直流電力。
[0047]控制電路10以使來自交流電源1的輸入功率因數(shù)大致為1的方式，控制電流Ic，并且以使平滑電容器9的電壓成為目標(biāo)電壓Vc2*的方式，通過高頻PWM(pulSe widthmodulat1n，脈沖寬度調(diào)制)控制，使第一開關(guān)元件6a、第二開關(guān)元件7a接通/斷開而對(duì)開關(guān)部100進(jìn)行輸出控制。另外，在該輸出控制中，調(diào)整直流電容器8的充放電量而將直流電容器電壓Vcl控制為恒定的指令值Vcl*。以下，簡(jiǎn)稱為電流控制的情況是指以使來自交流電源1的輸入功率因數(shù)大致為1的方式控制電流I c。
[0048]輸出級(jí)的平滑電容器電壓Vc2比交流電源電壓Vac的峰值電壓高，開關(guān)部100執(zhí)行升壓。另外，直流電容器電壓Vcl的指令值Vcl*被設(shè)定為平滑電容器9的目標(biāo)電壓Vc2*的1/2。
[0049]控制電路10在交流電源1的絕對(duì)值電壓I Vac |比直流電容器電壓Vcl低的情況和絕對(duì)值電壓I Vac I是直流電容器電壓Vcl以上的情況下具有不同的控制模式，以第一控制模式控制前者，以第二控制模式控制后者。即，在交流電源電壓Vac的峰值電壓是直流電容器電壓Vc 1以上時(shí)，在交流電源1的絕對(duì)值電壓I Vac I與直流電容器電壓Vc 1相等的相位下，切換第一控制模式和第二控制模式。如果交流電源電壓Vac的峰值電壓小于直流電容器電壓Vcl，則僅使用第一控制模式。以下，將交流電源1的絕對(duì)值電壓I Vac I簡(jiǎn)記為電壓I Vac I。
[0050]圖2是第一控制模式下的第一開關(guān)元件6a、第二開關(guān)元件7a的各選通信號(hào)G1、G2、電流Ic以及直流電容器電壓Vcl的各波形圖。另外，圖3?圖5是說明第一控制模式下的電力變換裝置的動(dòng)作的電流路徑圖。
[0051]另外，圖6是第二控制模式下的第一開關(guān)元件6a、第二開關(guān)元件7a的各選通信號(hào)G1、G2、電流Ic以及直流電容器電壓Vcl的各波形圖。另外，圖7?圖9是說明第二控制模式下的電力變換裝置的動(dòng)作的電流路徑圖。
[0052]如圖2、圖6所示，將被進(jìn)行高頻PWM控制的第一開關(guān)元件6a、第二開關(guān)元件7a的驅(qū)動(dòng)周期(載波周期)設(shè)為T，在相位0?相位(T/2)的半周期內(nèi)，設(shè)定第一相位α，在相位(T/2)?相位Τ的半周期內(nèi)，設(shè)定第二相位β，將驅(qū)動(dòng)周期Τ分割為4個(gè)期間。另外，示出了該4個(gè)期間內(nèi)的第一開關(guān)元件6a、第二開關(guān)元件7a這2個(gè)開關(guān)元件的接通/斷開以及各部的波形圖。另夕卜，關(guān)于第一相位α、第二相位β的設(shè)定方法，在后面敘述。
[0053]另外，圖2、圖6的波形圖示出平滑電容器電壓Vc2被控制為目標(biāo)電壓Vc2*而恒定的狀態(tài)。
[0054]首先，示出電壓| Vac |比直流電容器電壓Vc 1低的情況下的第一控制模式。
[0055]如圖2所示，使第一開關(guān)元件6a在相位0下接通并在第二相位β下斷開，使第二開關(guān)元件7a在相位(Τ/2)下接通并在第一相位α下斷開。即，第一開關(guān)元件6a將相位0作為基準(zhǔn)相位而在相位0?第二相位β的第一接通期間內(nèi)接通，第二開關(guān)元件7a將相位(T/2)作為基準(zhǔn)相位，在相位(T/2)?第一相位α的第二接通期間內(nèi)接通。此時(shí)，第一接通期間、第二接通期間的長(zhǎng)度分別是半周期(Τ/2)以上。
[0056]另外，相位(Τ/2)?第一相位α是指將相位0?第一相位α和相位(Τ/2)?相位Τ合起來的期間，但由于是以反復(fù)周期而連續(xù)的期間，所以表示為相位(Τ/2)?第一相位α。
[0057]在相位0?第一相位α的第一期間和相位(Τ/2)?第二相位β的第三期間內(nèi)，第一開關(guān)元件6a、第二開關(guān)元件7a都是接通狀態(tài)，在圖3所示的電流路徑中流過電流Ic。即，直流電容器8和平滑電容器9被旁路，從交流電源1經(jīng)由整流電路200流入到電抗器3的電流Ic通過第一開關(guān)元件6a和第二開關(guān)元件7a并經(jīng)由整流電路200而返回到交流電源1。此時(shí)，通過電抗器3而電流Ic增加。直流電容器8被旁路，所以不進(jìn)行充放電，電壓不變動(dòng)。
[0058]在相位α?相位(T/2)的第二期間內(nèi)，第一開關(guān)元件6a是接通狀態(tài)，且第二開關(guān)元件7a是斷開狀態(tài)，在圖4所示的電流路徑中流過電流Ic。即，從交流電源1經(jīng)由整流電路200流入到電抗器3的電流Ic依次經(jīng)由開關(guān)元件6a、直流電容器8、二極管4、平滑電容器9、整流電路200而返回到交流電源1。此時(shí)，直流電容器8被放電而電壓Vcl降低。另外，電壓I Vac I與直流電容器電壓Vcl之和比平滑電容器電壓Vc2低，所以通過電抗器3而電流Ic減少。
[0059]在相位β?相位T的第四期間內(nèi)，第一開關(guān)元件6a是斷開狀態(tài)，第二開關(guān)元件7a是接通狀態(tài)，在圖5所示的電流路徑中流過電流Ic。即，平滑電容器9被旁路，從交流電源1經(jīng)由整流電路200流入到電抗器3的電流Ic依次經(jīng)由二極管5、直流電容器8、第二開關(guān)元件7a、整流電路200而返回到交流電源1。此時(shí)，直流電容器8被充電而電壓Vcl增加。另外，電壓I Vac |比直流電容器電壓Vcl低，所以通過電抗器3而電流Ic減少。
[0060]如上所述，控制電路10通過將驅(qū)動(dòng)周期的1個(gè)周期分割為4個(gè)期間而組合3種控制，對(duì)