JP4630173B2 - コンバータ装置およびその出力制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、直流電力を入力として、安定に制御された直流電圧を有する直流電力を出力するコンバータ装置と、そのようなコンバータ装置における出力制御方法とに関する。

なんらかの直流電源からの相対的に電圧が安定しない直流電力（入力直流電力）から、電圧が安定に制御された直流電力（出力直流電力）を得るために、コンバータ装置（電力変換装置）が使用される。コンバータ装置は電力用半導体素子やインダクタ、コンデンサ（キャパシタ）を用いて構成されるが、単一のコンバータ装置のみを使用して大きな直流電力を出力しようとすると、大容量用の半導体素子やインダクタ、コンデンサを使用する必要が生じ、その実現性やコスト面で不利となる。そこで、相対的に小容量のコンバータ装置（これをコンバータユニットと呼ぶ）を複数台用意し、これらのコンバータユニットを並列に接続することによって、大容量のコンバータ装置を実現することが一般的である。

図５は、複数台のコンバータユニットを並列に接続して構成された従来のコンバータ装置の構成の一例を示す図である。

直流電力が入力する入力端１と、電圧が安定に制御された直流電力を出力する出力端２との間に、複数のコンバータユニット５０が並列に接続している。図示したものでは、３台のコンバータユニット５１によってコンバータ装置５０が構成されている。図示した例では、入力端１の１対の端子は、一方が正側、他方が負側となっており、出力端２の一対の端子も、一方が正側、他方が負側となっている。もちろん、これらの端子の極性は逆のものであってもよい。

各コンバータユニット５１では、コンバータ装置５０の入力端１の一方の端子及び他方の端子にそれぞれ接続する入力端子５２Ａ、５２Ｂと、コンバータ装置５０の出力端２の一方の端子及び他方の端子にそれぞれ接続する出力端子５３Ａ、５３Ｂとを備え、入力端子５２Ｂと出力端子５３Ｂとは相互に直接接続している。入力端子５３Ａと出力端子５３Ｂとの間には、入力端子５３Ａ側から順に、半導体素子によるスイッチ９、インダクタ１０とが直列に設けられており、スイッチ９とインダクタ１０との共通接続点と入力端子５２Ｂ（すなわち出力端子５３Ｂ）の間にはダイオード１１が挿入されている。出力端子５３Ａ，５３Ｂに対して、コンデンサ１２及び電圧検出回路１３が並列に設けられている。電圧検出回路１３は、出力端子５３Ａ，５３Ｂでの直流出力電圧を検出するものである。さらにコンバータユニット５１は、電圧検出回路１３によって検出された電圧に基づいてスイッチ９のオンオフを制御する電圧制御回路１４を備えている。

このようなコンバータユニット５１では、入力端子５２Ａ，５２Ｂに直流電圧を印加し、スイッチ９をオン（ＯＮ）にすると、インダクタ１０内の磁束が増加してこのインダクタ１０に磁気エネルギーが蓄積されるとともに、コンデンサ１２が充電され、かつ、直流電力が出力端子５３Ａ，５３Ｂに現れるようになる。また、スイッチ９をオフ（ＯＦＦ）とすれば、インダクタ１０に蓄えられた磁気エネルギー１１がダイオード１１を介して、出力端子５３Ａ，５３Ｂに直流電力として出力される。ここでスイッチ９のオン時間およびオフ時間を変化させることにより、出力端子５３Ａ、５３Ｂにおける直流出力電圧を変化させることができる。電圧検出回路１３により直流出力電圧を検出し、この直流出力電圧が一定になるよう電圧制御回路１４によりスイッチ９のオンオフ時間比率を制御することにより、コンバータユニット５１は、一定の直流電圧（目標出力電圧）を有する直流電力を出力する。

コンバータユニット５１において、スイッチ９、インダクタ１０、ダイオード１１、コンデンサ１２、電圧検出回路１３及び電圧制御回路１３は、入力直流電力を、目標出力電圧に電圧制御された出力直流電力に変換する変換部を構成する。このような変換部自体は、コンバータ装置あるいはコンバータユニットにおいて、ごく一般的な構成のものである。

図５に示したコンバータ装置５０では、各コンバータユニット５１において同じ出力電圧となるように制御を行うことによって、コンバータ装置５０としても、安定に制御された直流電圧を有する直流電力を出力する。この場合、コンバータ装置５０は、全てのコンバータユニット５１からの出力を和して、負荷に電気エネルギーを供給する。

ところで、各コンバータユニット５１については、無出力（負荷が接続されていない状態）から定格出力までの出力範囲において、一定の安定した出力電圧を出力するように構成することができる。しかしながら、共通部分における損失や、コンバータユニットを構成する回路の特性から、コンバータユニットでは、負荷率の小さいときの効率は低く、負荷率が大きくなるにつれて効率が高くなる傾向がある。また、出力電流がコンバータユニット装の定格容量に対して非常に小さいときには、インダクタ１０に供給される電気エネルギーが小さくなって、そのため、出力電圧が不安定になる特性がある。

このように小負荷時に効率が低下し、また、極端に負荷が小さい場合に出力電圧が不安定になる、というコンバータユニットの特性は、複数台のコンバータユニットを並列に接続して構成された従来のコンバータ装置にも引き継がれる。図６は、このような従来のコンバータ装置における効率と出力電流との関係の一例を示すグラフであり、図７は、出力電圧と出力電流との関係の一例を示す図である。図６は、出力電流が小さい領域、すなわち低負荷率では効率が低いことを示している。図７において、Ｖｔはコンバータ装置の目標出力電圧であるが、Ｉｍｉｎ’より小さい出力電流では目標出力電圧Ｖｔを維持できずに出力電圧が不安定となっていることが示されている。また、Ｉｍａｘ’はコンバータ装置の最大出力電流値（垂下電流値）であり、この電流よりも出力電流が大きくなると、出力電圧が低下する。

なお、直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ装置であって、複数のインバータユニットを並列に接続して構成したものとして、例えば特許文献１に開示されたものがある。
特開平６−２７６７４９号公報

上述した従来のコンバータ装置では、各コンバータユニットごとに出力電圧を検出し、その検出結果に応じて各コンバータユニット内でフィードバック制御を行っている。それぞれのコンバータユニットの出力が並列に接続されているので、各コンバータユニットは、コンバータ装置全体としての出力電流の増減に応じて、ほぼ均等に出力電流を増減させる。したがって、各コンバータユニットの運転状態は、コンバータ装置が最大出力時のみ定格出力になる。コンバータ装置の最大出力は、その最大負荷に対してさらに余裕をもって設定されるのが一般的であるから、各コンバータユニットは、ほとんどの時間帯でその定格出力未満で動作することになる。

ところで、コンバータユニット自体は、その定格出力において効率が最も高くなるように製作されているものが多い。そのため、複数のコンバータユニットを備えるコンバータ装置の効率は、各コンバータユニットにおける最大効率より、常時、低い状態になっている。

本発明は、上述したような従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、コンバータユニットが複数並列に接続されて構成されたコンバータ装置であって、高効率で動作させることができるコンバータ装置を提供することにある。

本発明の別の目的は、コンバータユニットが複数並列に接続されて構成されたコンバータ装置を高効率で動作させることができる出力制御方法を提供することにある。

本発明のコンバータ装置は、直流電力を入力とし安定に制御された直流電圧を有する直流電力を出力するコンバータユニットが複数並列に接続されて構成されるコンバータ装置において、コンバータ装置の出力電圧を検出する電圧検出回路を備え、各コンバータユニットは、直流電力の出力を行う運転動作モードと直流電力の出力を行わない待機動作モードの２つの動作モードの間で切り替え可能であり、入力直流電力を、目標出力電圧に電圧制御された出力直流電力に変換する変換部と、そのコンバータユニットの出力電流を検出する電流検出回路と、電圧検出回路で検出された出力電圧の値があらかじめ設定された運転開始電圧以下であることを検出した場合に運転動作モードに遷移し、電流検出回路で検出された出力電流の値があらかじめ設定された運転停止電流以下であることを検出した場合に待機動作モードに遷移するように、そのコンバータユニットの動作モードを運転動作モードと待機動作モードのいずれとすべきかを決定する動作モード切替制御回路と、動作モード切替制御回路での判定結果に応じてそのコンバータユニットの動作モードを切り替える動作モード切替回路と、を有し、コンバータユニットごとに異なる運転開始電圧と目標出力電圧が設定されていることを特徴とする。

本発明の出力制御方法は、直流電力を入力とし安定に制御された直流電圧を有する直流電力を出力するコンバータユニットが複数並列に接続されて構成されるコンバータ装置の出力制御方法において、各コンバータユニットは、入力直流電力を、目標出力電圧に電圧制御された出力直流電力に変換する変換部を有して、直流電力の出力を行う運転動作モードと直流電力の出力を行わない待機動作モードの２つの動作モードの間で切り替え可能であり、各コンバータユニットごとに異なる運転開始電圧と目標出力電圧を設定し、各コンバータユニットごとに、コンバータ装置の出力電圧の値があらかじめ設定された運転開始電圧以下であることを検出した場合に運転動作モードに遷移し、当該コンバータユニットの出力電流の値があらかじめ設定された運転停止電流以下であることを検出した場合に待機動作モードに遷移することを特徴とする。

本発明では、各コンバータユニットごとに異なる運転開始電圧と目標出力電圧とを設定することにより、負荷が増大して現在運転中のコンバータユニットが定格容量の総和を越えるたびに、順次、待機動作中であったコンバータユニットが起動する動作が可能となる。また、コンバータユニットの出力電流が運転停止電流以下となった場合に、そのコンバータユニットを待機動作モードとすることで、運転中の残りのコンバータユニットの負荷率が高まって、効率が向上する。このようにして本発明によれば、コンバータ装置全体としての効率を高く保ったまま運転することが可能になる。

また、コンバータ装置における出力電流が小さいときには運転中のコンバータユニットの台数も減少するため、より小さな負荷に対しても安定した電力を供給することが可能になる。

本発明によれば、コンバータ装置の出力状態に関わらず、運転中のコンバータユニットを常に高い負荷率で運転することが可能になり、このことから、コンバータ装置の定格出力に対して低負荷率で運転中のコンバータ装置の効率を高めることが可能になる。また、コンバータ装置の定格出力に対して出力電流が極めて小さい場合であっても安定した出力電流が維持できるようになり、消費電力の少ない装置、もしくは広範に消費電力が変動する装置への電力供給が可能であるコンバータ装置を提供できる。

次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の一形態のコンバータ装置の構成を示すブロック図である。

図１に示したコンバータ装置２０は、直流電力が入力する入力端１と、電圧が安定に制御された直流電力を出力する出力端２と、出力端２における出力直流電圧を検出してこの値を表わす出力電圧信号を出力する電圧検出回路４と、入力端１と出力端２との間に相互に並列になるように接続された複数台のコンバータユニット２１と、を備えている。図示したものでは、３台のコンバータユニット２１が並列に接続されている。

本実施形態では、コンバータ装置２０からの出力電流の大きさに応じて、実際に運転されるコンバータユニットの数を増減するようにしている。そのため、各コンバータユニット２１は、図５に示した従来のコンバータ装置５０におけるコンバータユニット５１と同様のものであるが、出力を行わない待機動作と出力を行う運転動作との２モードの動作モードを備えている点で従来のコンバータ装置５０でのコンバータユニット５１とは異なっている。具体的には、コンバータユニット２１は、図５に示したコンバータユニット５１に対し、待機動作と運転動作の２つの動作モードを切り替える動作モード切替回路７と、コンバータユニット２１からの出力電流の値を検出してこの値を表わす出力電流信号を出力する電流検出回路５と、動作モード切替回路７での動作モードの切り替えを制御する動作モード切替制御回路６とを追加したものである。電流検出回路５は、コンバータユニット２１内において出力端子５３Ａにおける電流を検出するように設けられている。動作モード切替制御回路６は、電流検出回路５からの出力電流信号と電圧検出回路４からの出力電圧信号とに基づいて演算処理を行うことによって２つの動作モードのいずれとすべきかを判定し、その判定結果に基づいて動作モード切替回路７に動作切替信号を送出する。動作モード切替回路７は、入力端子５２Ａとスイッチ９との間の電流経路内に設けられ、動作モード切替制御回路６からの動作切替信号に応じてコンバータユニット２１の動作モードを切り替える。

本実施形態においては、コンバータユニット２１の待機動作から運転動作への動作モードの切替は、コンバータ装置１０の出力電圧があらかじめ設定した運転開始電圧を下回ることにより行われる。運転動作となったコンバータユニット２１では、あらかじめ設定した目標出力電圧を維持するよう出力制御がなされる。ここで、複数のコンバータユニット２１のそれぞれのあらかじめ設定された運転開始電圧とあらかじめ設定した目標出力電圧とについて、各コンバータユニット間で差を設けることにより、コンバータ装置としての起動時には１台のコンバータユニットのみが運転動作モードであって、負荷が増え運転中のコンバータユニットが定格容量を越えるたびに、順次、次のコンバータユニットが起動する動作を行うことが可能となり、コンバータ装置全体としてみて動作中のコンバータユニットの効率を高く保ったまま運転することができる。また、コンバータユニット２１の運転動作から待機動作への切替は、そのコンバータユニット２１の出力電流があらかじめ設定された運転停止電流値を下回るたびに行われる。この運転停止電流値としては、そのコンバータユニットに設定された目標出力電圧を安定して保てる最小の出力電流Ｉｍｉｎを用いることができる。上述したようにコンバータユニット２１間で目標出力電圧に差が設けてあるので、最後に動作状態となったコンバータユニットの目標出力電圧が一番小さく、それに対応してそのコンバータユニットからの出力電流が一番小さいはずなので、負荷が減少した場合には、運転動作モードに切り替わったのとは逆の順で、順次、コンバータユニットが待機動作モードに切り替わることとなる。

図２は、図１に示したコンバータ装置２０における出力制御の手順を詳細に示すフローチャートである。ここでは、コンバータ装置２０に含まれる３台のコンバータユニット２１を、それぞれ、第１のコンバータユニット、第２のコンバータユニット、第３のコンバータユニットと呼ぶことにする。また、各コンバータユニットにおけるスイッチ９がオンである時間をＴｏｎで表わすことにする。Ｔｏｎの時間を長めるとインダクタ１０に蓄えられるエネルギーが増加するので、出力電圧が増加する。ここでＴｏｎ１〜Ｔｏｎ３は、それぞれ、第１乃至第３のコンバータユニットにおけるスイッチのオン時間である。

以下の説明では、コンバータ装置２０において、第１のコンバータユニットから起動させるものとする。したがって、第１のコンバータユニットは、常時運転すべきものであるので、運転開始電圧は定義されない。第２及び第３のコンバータユニットの運転開始電圧をそれぞれＶｓ２、Ｖｓ３とする。ただし、Ｖｓ２＞Ｖｓ３である。第１乃至第３のコンバータユニットにおけるあらかじめ設定された目標出力電圧をそれぞれＶｔ１、Ｖｔ２、Ｖｔ３とする。ただし、Ｖｔ１＞Ｖｔ２＞Ｖｔ３である。これら運転開始電圧と出力目標電圧との関係は、Ｖｔ１＞Ｖｔ２＞Ｖｓ２＞Ｖｔ３＞Ｖｓ３である。実際にはこれらの電圧間の差は、コンバータ装置２０の負荷に対する影響が生じないように、小さな値に設定する。

図２に示すように、ステップ１０１においてコンバータ装置２０が起動すると、第１のコンバータユニットが起動し（ステップ１０２）、まず、Ｔｏｎ１を初期値（例えば０）に設定する（ステップ１０３）。次に、電圧制御回路１４によるフィードバック制御によるＴｏｎ１の更新処理が行われる。具体的にはまず、コンバータ装置２０の出力電圧Ｖと第１のコンバータユニットの出力目標電圧Ｖｔ１との差に所定の係数α１を乗じたものをＴｏｎ１に加えることによって、Ｔｏｎ１’を求める（ステップ１０４）。そして、動作モード切替制御回路６は、コンバータ装置２０の出力電圧Ｖが第２のコンバータユニットの運転開始電圧Ｖｓ２を上回っているかを判定する（ステップ１０５）。Ｖ＞Ｖｓ２であれば、第２のコンバータユニットを運転開始する必要がないので、Ｔｏｎ１＝Ｔｏｎ１’とＴｏｎ１を更新し（ステップ１０６）、ステップ１０４に戻る。

一方、ステップ１０５でＶ≦Ｖｓ２であれば、第２のコンバータユニットを起動し（ステップ１０７）、Ｔｏｎ２を初期値に設定する（ステップ１０８）。その後、第２のコンバータユニットの出力電流Ａ２が運転停止電流Ａｃを超えているかを判別する（ステップ１０９）。Ａ２≦Ａｃであれば、第２のコンバータユニットを待機動作にして（ステップ１１０）、ステップ１０４に戻る。これに対してＡ２＞Ａｃであれば、第１のコンバータユニットにおけるステップ１０４〜１０６と同様のステップ１１１〜１１３を実行する。なおステップ１１２では、動作モード切替制御回路６が、出力電圧Ｖが第３のコンバータユニットの運転開始電圧Ｖｓ３を上回っているかを判定し、Ｖ≦Ｖｓ３であれば、ステップ１１４に移行する。

ステップ１１４では、第３のコンバータユニットを起動し、その後、Ｔｏｎ３を初期値に設定する（ステップ１１５）。その後、第３のコンバータユニットの出力電流Ａ３が運転停止電流Ａｃを超えているかを判別する（ステップ１１６）。Ａ３≦Ａｃであれば、第３のコンバータユニットを待機動作にして（ステップ１１７）、ステップ１０９に戻る。これに対してＡ２＞Ａｃであれば、第１のコンバータユニットにおけるステップ１０４、１０６と同様にしてＴｏｎ３を更新するステップ１１８、１１９を実行する。

図３は、上述したコンバータ装置２０の動作を、コンバータ装置２０の出力電圧と出力電流の関係により示すものである。コンバータ装置２０が起動すると、まず第１のコンバータユニットが起動するが、負荷が増えるにしたがって出力電圧Ｖが低下すると、それに伴ってＴｏｎ１を長くすることによって出力電圧が第１のコンバータユニットの目標出力電圧Ｖｔ１に維持される。さらに負荷が増えて第１のコンバータユニットの出力電流がＩｍａｘを超えるとコンバータユニットの電圧垂下特性によって目標出力電圧Ｖｔ１を維持できなくなり、出力電圧Ｖが低下する。出力電圧ＶがＶｓ２を下回ると、第２のコンバータユニットが起動し、出力電圧を目標出力電圧Ｖｔ２に維持するように出力制御される。さらに負荷が増えで第１及び第２のコンバータユニット２台の定格出力を上回ると、コンバータ装置２０の出力電圧ＶはＶｔ２を維持できなくなり低下する。出力電圧ＶがＶｓ３を下回ると第３のコンバータユニットが起動し、出力電圧をＶｔ３に維持するように制御される。

このような状態から直流負荷が減少した時は、まず、第３のコンバータユニットから出力電流が減少する。そして、第３のコンバータユニットの出力電流が運転停止電流値（例えば、安定した出力電圧を維持できる最小の電流値Ｉｍｉｎ）を下回ることにより、第３のコンバータユニットが運転動作から待機動作へ切替わる。さらに負荷が減少すれば、同様に第２のコンバータユニットも待機動作へ切り替わることとなり、コンバータ装置におけるコンバータユニット運転台数が順次減少する。

本実施形態によれば、コンバータ装置についてのこのような出力制御方法を用いることにより、コンバータ装置としての負荷率に関わらず、コンバータ装置は常に最適なコンバータユニット台数による運転が可能となり、コンバータ装置の低負荷率運転時の変換効率の向上が可能になる。図４は、本実施形態のコンバータ装置と従来技術によるコンバータ装置との効率の違いを比較して示したものである。本実施形態のコンバータ装置では、低負荷率のときには運転中のコンバータユニットの台数が少ないため、従来のものに比べ、効率が向上する。また、本実施形態のコンバータ装置では、出力電流が極端に小さい状態であっても、従来のものと比べ、安定した出力電圧を維持することが可能となる。

本発明の実施の一形態のコンバータ装置の構成を示すブロック図である。 図１に示すコンバータ装置における出力制御方法を示すフローチャートである。 図１に示すコンバータ装置の出力電圧−出力電流特性を示すグラフである。 図１に示すコンバータ装置と従来のコンバータ装置との効率の差を説明するグラフである。 従来のコンバータ装置の構成の一例を示すブロック図である。 従来のコンバータ装置の効率−出力電流特性の一例を示すグラフである。 従来のコンバータ装置の出力電圧−出力電流特性の一例を示すグラフである。

符号の説明

１ 入力端
２ 出力端
４，１３ 電圧検出回路
５ 電流検出回路
６ 動作モード切替制御回路
７ 動作モード切替回路
９ スイッチ
１０ インダクタ
１１ ダイオード
１２ コンデンサ
１４ 電圧制御回路
２０，５０ コンバータ装置
２１，５１ コンバータユニット

Claims (4)

1. 直流電力を入力とし安定に制御された直流電圧を有する直流電力を出力するコンバータユニットが複数並列に接続されて構成されるコンバータ装置において、
   前記コンバータ装置の出力電圧を検出する電圧検出回路を備え、
   前記各コンバータユニットは、
   直流電力の出力を行う運転動作モードと直流電力の出力を行わない待機動作モードの２つの動作モードの間で切り替え可能であり、
   入力直流電力を、目標出力電圧に電圧制御された出力直流電力に変換する変換部と、
   当該コンバータユニットの出力電流を検出する電流検出回路と、
   前記電圧検出回路で検出された出力電圧の値があらかじめ設定された運転開始電圧以下であることを検出した場合に前記運転動作モードに遷移し、前記電流検出回路で検出された出力電流の値があらかじめ設定された運転停止電流以下であることを検出した場合に前記待機動作モードに遷移するように、当該コンバータユニットの動作モードを前記運転動作モードと前記待機動作モードのいずれとすべきかを決定する動作モード切替制御回路と、
   前記動作モード切替制御回路での判定結果に応じて当該コンバータユニットの動作モードを切り替える動作モード切替回路と、
   を有し、
   前記コンバータユニットごとに異なる運転開始電圧と目標出力電圧が設定されていることを特徴とする、コンバータ装置。
2. 前記運転停止電流は、前記コンバータユニットが前記目標出力電圧に電圧制御された直流電力を出力できる下限の出力電流値である、請求項１に記載のコンバータ装置。
3. 直流電力を入力とし安定に制御された直流電圧を有する直流電力を出力するコンバータユニットが複数並列に接続されて構成されるコンバータ装置の出力制御方法において、
   前記各コンバータユニットは、入力直流電力を、目標出力電圧に電圧制御された出力直流電力に変換する変換部を有して、直流電力の出力を行う運転動作モードと直流電力の出力を行わない待機動作モードの２つの動作モードの間で切り替え可能であり、
   前記各コンバータユニットごとに異なる運転開始電圧と目標出力電圧を設定し、
   前記各コンバータユニットごとに、前記コンバータ装置の出力電圧の値があらかじめ設定された運転開始電圧以下であることを検出した場合に前記運転動作モードに遷移し、当該コンバータユニットの出力電流の値があらかじめ設定された運転停止電流以下であることを検出した場合に前記待機動作モードに遷移することを特徴とする、出力制御方法。
4. 前記運転停止電流は、前記コンバータユニットが前記目標出力電圧に電圧制御された直流電力を出力できる下限の出力電流値である、請求項３に記載の出力制御方法。

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