JP7618100B2 - Power Conversion Equipment - Google Patents
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Description
本願は、電力変換装置に関するものである。 This application relates to a power conversion device.
コイル間の磁気結合を利用し、空間を介して電力供給する非接触給電技術が知られている。
従来の電力変換装置として、特許文献1に記載される非接触給電装置は、外部との磁気結合により非接触にて電力を授受するコイルと、前記コイルの一端が共振コンデンサを介して一方の交流端子に接続され、かつ、前記コイルの他端が他方の交流端子に接続されたブリッジ回路と、前記ブリッジ回路の直流端子間に接続された平滑コンデンサと、を備え、前記平滑コンデンサの両端に負荷が接続される。前記ブリッジ回路は、半導体スイッチとダイオードとの逆並列接続回路を上下アームにそれぞれ有する。そして、制御装置は、前記コイルに対する外部からの給電が停止している期間では、前記ブリッジ回路の上アームまたは下アームの半導体スイッチをオン状態とし、給電が開始された時には、前記コイルの電流のゼロクロスを検出した後に、前記ブリッジ回路の各半導体スイッチのスイッチング動作を行う。
2. Description of the Related Art A contactless power supply technology is known that utilizes magnetic coupling between coils to supply power through space.
A contactless power supply device described in
上記特許文献1記載の従来技術では、非接触で受電された高周波電力と同期してスイッチングするため、高精度な電流センサを要し、また、電流のゼロクロス検出に起因して遅延時間が発生する。このため、安定した高精度な出力制御が困難であった。In the conventional technology described in the above-mentioned
本願は、上記課題を解決するための技術を開示するものであり、非接触給電技術を用いた電力変換装置であって、高精度な電流センサを用いず、安定して高精度な出力制御が可能な電力変換装置を提供することを目的とする。This application discloses technology to solve the above problems, and aims to provide a power conversion device using non-contact power supply technology that is capable of stable and highly accurate output control without using a high-precision current sensor.
本願に開示される電力変換装置は、外部との磁気結合により非接触にて電力授受する第1コイルと、直流母線間に複数の半導体スイッチを有して交流直流間で電力変換し、交流側が前記第1コイルと接続される第1ブリッジ回路と、前記第1ブリッジ回路の直流側に流れる直流電流を検出する電流検出器と、前記第1ブリッジ回路を制御する第1制御回路とを備える。前記第1制御回路は、異なる2種のスイッチング周波数である第1、第2周波数を用いて、前記複数の半導体スイッチのスイッチングを制御し、前記第1、第2周波数を用いる時間比率を、演算周期毎に前記直流電流の変化率を減少させるように演算し、前記時間比率により前記演算周期を分割して設定される第1、第2期間を、それぞれ前記第1、第2周波数を用いて制御する。The power conversion device disclosed in the present application includes a first coil that receives and transmits power in a non-contact manner by magnetic coupling with the outside, a first bridge circuit that has multiple semiconductor switches between DC buses and converts power between AC and DC, with the AC side connected to the first coil, a current detector that detects DC current flowing on the DC side of the first bridge circuit, and a first control circuit that controls the first bridge circuit. The first control circuit controls the switching of the multiple semiconductor switches using first and second frequencies that are two different switching frequencies, calculates a time ratio for using the first and second frequencies so as to reduce the rate of change of the DC current for each calculation cycle, and controls a first and second period, which are set by dividing the calculation cycle by the time ratio, using the first and second frequencies, respectively.
本願に開示される電力変換装置によれば、非接触給電技術を用い、高精度な電流センサを用いず、安定して高精度な出力制御が可能になる。 The power conversion device disclosed in this application uses contactless power supply technology, making it possible to achieve stable, highly accurate output control without using a high-precision current sensor.
実施の形態1.
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
図1は、実施の形態1による電力変換装置を示す構成図である。
図1に示すように、電力変換装置1は、例えば直流電源2と負荷3との間に接続されて直流電力を負荷3に給電する。電力変換装置1は、負荷3に接続される受電装置10と直流電源2に接続される送電装置20とを備え、送電装置20から送られる電力を受電装置10が受け取る。
なお、電力変換装置1は、双方向動作が可能であり、受電装置10から送られる電力を送電装置20が受け取ることもあり得る。
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram showing a power conversion device according to a first embodiment.
1, a
It should be noted that the
受電装置10は、第1コイルとしての受電コイル11と、第1ブリッジ回路12と、共振回路13とを備える。第1ブリッジ回路12の2つの交流端子は、共振回路13を介して受電コイル11の両端に接続される。また、受電装置10は、第1ブリッジ回路12を出力制御する第1制御回路14と、第1ブリッジ回路12の直流側で負荷3へ流れる直流電流Iを検出する電流検出器15とを備える。
受電コイル11は、外部との磁気結合により非接触にて電力授受する。この場合、受電コイル11は、送電装置20内の第2コイルとしての送電コイル21と磁気結合することにより、送電コイル21との間で磁界を介して非接触で電力授受する。
The
The power receiving coil 11 receives and transmits electric power in a non-contact manner by magnetic coupling with the outside. In this case, the power receiving coil 11 is magnetically coupled with a
第1ブリッジ回路12は、直流母線間に複数の半導体スイッチQ1~Q4を有して、受電コイル11で受電して共振回路13を介した交流電力を直流電力に変換し、負荷3に出力する。
第1ブリッジ回路12は、並列接続された2つのレグ回路QA、QBにて構成されるフルブリッジ回路である。レグ回路QAは、半導体スイッチQ1と半導体スイッチQ2を直列接続して構成され、レグ回路QBは、半導体スイッチQ3と半導体スイッチQ4を直列接続して構成される。
なお、第1ブリッジ回路12は、フルブリッジ構成に限らず、ハーフブリッジ構成、あるいはその他の構成でも良い。
The
The
The
半導体スイッチQ1~Q4は、ダイオードが逆並列に接続されたIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、あるいはソース・ドレイン間にダイオードが接続されたMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などが用いられる。また、ダイオードは半導体スイッチ1~Q4に内蔵されたダイオードを用いても良く、外付けに別途接続して用いても良い。 The semiconductor switches Q1 to Q4 are IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) with diodes connected in inverse parallel, or MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) with diodes connected between the source and drain. The diodes may be built into the semiconductor switches Q1 to Q4, or may be connected separately to the outside.
第1制御回路14は、第1ブリッジ回路12の半導体スイッチQ1~Q4へのゲート信号G1を生成して、各半導体スイッチQ1~Q4のスイッチングを制御することで第1ブリッジ回路12を出力制御する。
第1制御回路14は、生成したゲート信号G1を各半導体スイッチQ1~Q4に送るように接続され、電流検出器15は、検出した直流電流Iの情報を第1制御回路14に送るように接続される。
そして、第1制御回路14は、電流検出器15が検出した直流電流Iに基づいて、ゲート信号G1を生成する。
The
The
Then, the
共振回路13は、共振リアクトルL1、L2と直列共振コンデンサC1、C2と並列共振コンデンサC3とを備える。共振リアクトルL1、L2と並列共振コンデンサC3とが直列に接続され、並列共振コンデンサC3に対して、直列共振コンデンサC1、C2と受電コイル11とが並列接続される。共振回路13は、送電コイル21と受電コイル11の漏れインダクタンスを補償し、力率と効率を向上させる効果がある。また、本願に記載の共振回路13では、受電コイル11が除去されたときに並列共振になり、意図しない過大な電流を抑制する効果もある。
なお、共振回路13は、図示したものに限らず、その他の接続構成でも良い。
The
The
次に、送電装置20について説明する。受電装置10と同様の部分は、適宜説明を省略する。
送電装置20は、送電コイル21と、第2ブリッジ回路22と、平滑コンデンサCと、共振回路23とを備える。第2ブリッジ回路22の2つの交流端子は、共振回路23を介して送電コイル21の両端に接続される。また、送電装置20は、第2ブリッジ回路22を出力制御する第2制御回路24を備える。
Next, a description will be given of the power transmitting
The
第2ブリッジ回路22は、直流母線間に複数の半導体スイッチS1~S4を有して、直流電源2に並列接続された平滑コンデンサCの直流電力を交流電力に変換し、共振回路23を介して送電コイル21に出力する。
半導体スイッチS1~S4は、ダイオードが逆並列に接続されたIGBT、あるいはソース・ドレイン間にダイオードが接続されたMOSFETなどが用いられる。また、ダイオードは半導体スイッチS1~S4に内蔵されたダイオードを用いても良く、外付けに別途接続して用いても良い。
The
The semiconductor switches S1 to S4 are made of IGBTs with diodes connected in inverse parallel, or MOSFETs with diodes connected between the source and drain, etc. The diodes may be built into the semiconductor switches S1 to S4, or may be connected externally.
第2ブリッジ回路22は、並列接続された2つのレグ回路SA、SBにて構成されるフルブリッジ回路で、レグ回路SAは、半導体スイッチS1と半導体スイッチS2を直列接続して成り、レグ回路SBは、半導体スイッチS3と半導体スイッチS4を直列接続して成る。
なお、第2ブリッジ回路22は、フルブリッジ構成に限らず、ハーフブリッジ構成、あるいはその他の構成であっても良い。
The
The
第2制御回路24は、第2ブリッジ回路22の半導体スイッチS1~S4へのゲート信号G2を生成して、各半導体スイッチS1~S4のスイッチングを制御することで第2ブリッジ回路22を出力制御する。
第2制御回路24は、生成したゲート信号G2を各半導体スイッチS1~S4に送るように接続される。
The
The
共振回路23は、受電装置10内の共振回路13と同様に、共振リアクトルL1、L2と直列共振コンデンサC1、C2と並列共振コンデンサC3とを備えて構成される。なお、受電装置10内の共振回路13と同様の構成でなくても良い。
上述したように、第2ブリッジ回路22が出力する交流電力は、共振回路23を介して送電コイル21に供給される。送電コイル21は、受電コイル11と磁界を介して磁気結合することにより、受電コイル11との間で非接触にて電力授受し、この場合、送電コイル21から受電コイル11に送電する。
The
As described above, the AC power output by the
次に、電力変換装置1の動作について説明する。電力変換装置1は双方向の電力伝送を可能とするが、この場合、送電装置20から受電装置10への送電について記載する。
図2は、実施の形態1による送電装置20内の第2ブリッジ回路22の出力電圧の例を示す波形図である。
図2に示すように、第2ブリッジ回路22の出力電圧Voutは、正電圧VAと負電圧(-VA)とが交互に現れる矩形波電圧となる。
第2制御回路24が生成する各半導体スイッチS1~S4へのPWM(パルス幅変調)信号であるゲート信号G2は、各半導体スイッチS1~S4がそれぞれ備える(図示省略)ゲート駆動回路に入力される。そして、各ゲート駆動回路は各半導体スイッチS1~S4のゲート端子を駆動する。
Next, a description will be given of the operation of the
FIG. 2 is a waveform diagram showing an example of an output voltage of the
As shown in FIG. 2, the output voltage Vout of the
The gate signal G2, which is a PWM (pulse width modulation) signal generated by the
第2ブリッジ回路22からの出力電圧Voutは、共振回路23を介して、送電コイル21に入力される。これにより、送電コイル21には交流電流が流れ、その周囲には磁界が生じる。その磁界が受電装置10内の受電コイル11に鎖交し、電磁誘導により受電コイル11に誘導起電力が生じ、これにより受電装置10が受電する。The output voltage Vout from the
受電装置10内の第1ブリッジ回路12は、各半導体スイッチQ1~Q4をオンオフ動作させて、受電した交流電力を直流電力に変換して負荷3に直流電力を供給する。この実施の形態では、第1制御回路14が生成するPWM(パルス幅変調)信号であるゲート信号G1に基づいて各半導体スイッチQ1~Q4をオンオフ動作させる。
なお、全ての半導体スイッチQ1~Q4をオフして第1ブリッジ回路12をダイオードブリッジとして機能させても、受電した交流電力は整流されて負荷3に直流電力を供給できる。
The
Even if all the semiconductor switches Q1 to Q4 are turned off and the
図3は、実施の形態1による電力変換装置1で用いるゲート信号G1、G2の波形図である。
受電装置10内の第1ブリッジ回路12へのゲート信号G1における、各半導体スイッチ素子Q1、Q2、Q3、Q4への信号を、便宜上、単にQ1、Q2、Q3、Q4と示す。また、送電装置20内の第2ブリッジ回路22へのゲート信号G2における、各半導体スイッチS1、S2、S3、S4への信号を、便宜上、単にS1、S2、S3、S4と示す。
なお、図中、ゲート信号である、例えばQ1のオンオフは、半導体スイッチQ1のオンオフに対応する。
FIG. 3 is a waveform diagram of gate signals G1, G2 used in
In the gate signal G1 to the
In the figure, the on/off of a gate signal, for example Q1, corresponds to the on/off of the semiconductor switch Q1.
図3に示すように、送電装置20内の第2ブリッジ回路22では、S1、S4が同時オンと同時オフとを交互に繰り返し、S1、S4とオンオフが反転するように、S2、S3が同時オンと同時オフとを交互に繰り返す。各ゲート信号G2(S1~S4)は、スイッチング周期Tsのほぼ1/2でオンとオフとを切り替える。
なお、ほぼ1/2としたのはデッドタイムの存在を意図している。本来は、完全に1/2にすることはできず、オンよりオフの期間を少し長く設ける必要があり、その差分期間をデッドタイムと呼ぶ。本願の実施の形態において、このデッドタイムの有無およびデッドタイムの長短は特に影響しないため、以降言及しない。
第2ブリッジ回路22は、S1、S4が同時オンしてS2、S3が同時オフする期間に、出力電圧Voutとして正電圧VAを出力し、S1、S4が同時オフしてS2、S3が同時オンする期間に、出力電圧Voutとして負電圧(-VA)を出力する(図2参照)。
3, in the
The reason for making it almost 1/2 is to take into account the presence of dead time. In reality, it is not possible to make it exactly 1/2, and it is necessary to set the off period slightly longer than the on period, and this difference period is called dead time. In the embodiments of this application, the presence or absence of this dead time and the length of the dead time do not have any particular impact, so they will not be mentioned hereinafter.
The
また、受電装置10内の第1ブリッジ回路12では、Q1、Q4が同時オンと同時オフとを交互に繰り返し、Q1、Q4とオンオフが反転するように、Q2、Q3が同時オンと同時オフとを交互に繰り返す。各ゲート信号G1(Q1~Q4)は、スイッチング周期Tqのほぼ1/2でオンとオフとを切り替える。
第1制御回路14は、第2制御回路24で用いるスイッチング周期Tsと設定上、同等になるようにスイッチング周期Tqを設定して用いる。
In the
The
図3に示すように、第1ブリッジ回路12のゲート信号G1(Q1~Q4)は、第2ブリッジ回路22のゲート信号G2(S1~S4)と位相差θを有する。例えば、Q1、Q4の立ち上がりタイミングは、対応するS1、S4の立ち上がりタイミングより位相差θで遅れている。この場合、位相差θは、ゲート信号G2(S1~S4)からのゲート信号G2(S1~S4)の遅れ位相を示し、図中右向きを正とする。
As shown in Figure 3, the gate signal G1 (Q1 to Q4) of the
電力変換装置1は、位相差θを変化させることで、送電装置20側から受電装置10側への送電電力を制御することができる。位相差θを小さくすることで送電電力を低下させ、位相差θを大きくすることで送電電力を増加させる。これは、実質的に、受電装置10が受電する際のインピ―ダンスを位相差θにより変化できることである。
このため、送電装置20側の第2ブリッジ回路22の出力電圧Voutが同じ状態で、位相差θを変化させることで、受電装置10側への送電電力を変化させて負荷3への供給電力を変更できる。
The
Therefore, by changing the phase difference θ while keeping the output voltage Vout of the
図4は、図3と同様に、実施の形態1による電力変換装置1で用いるゲート信号G1、G2の波形図である。この場合、位相差θの極性が負(図中左向き)である例を示した。
この場合、送電装置20側から受電装置10側への送電電力が負となる、即ち、送電方向が反転して、受電装置10側から送電装置20側への電力伝送となる。
Fig. 4 is a waveform diagram of the gate signals G1, G2 used in the
In this case, the power transmitted from the
以上のように、電力変換装置1では、第1ブリッジ回路12のゲート信号G1(Q1~Q4)と、第2ブリッジ回路22のゲート信号G2(S1~S4)との位相差θを変化させることで、送電電力を制御することができる。
上述したように、第1制御回路14で用いるスイッチング周期Tqは、第2制御回路24で用いるスイッチング周期Tsと設定上、同等である。しかし、送電装置20と受電装置10とは、それぞれ別構成で電気的に接続されていないため、実際のスイッチング周期Tqとスイッチング周期Tsとを完全に一致させるのは難しい。このため、生成されるゲート信号G1(Q1~Q4)と、ゲート信号G2(S1~S4)との位相差θは、時間の経過と共に変化していく。
このような位相差θの変化は、負荷3あるいは直流電源2の状態が一定でも発生する。さらに、ゲート信号G1、G2の生成に係る設定が一定のままでも発生する。
As described above, in the
As described above, the switching period Tq used in the
Such a change in the phase difference θ occurs even if the state of the
図5および図6は、実施の形態1による送電装置20のゲート信号G2と受電装置10のゲート信号G1との位相差θの経時変化を説明する図である。この場合、ゲート信号G1としてQ1を用い、ゲート信号G2としてS1を用いて説明する。
図5に示すように、スイッチング周期Ts<スイッチング周期Tqの場合、S1を基準としたQ1の位相差θは、時間の経過と共に、右にずれて変化量Δθ>0で変化、即ち増加する。
また、図6に示すように、スイッチング周期Ts>スイッチング周期Tqの場合、S1を基準としたQ1の位相差θは、時間の経過と共に、左にずれて変化量Δθ<0で変化、即ち減少する。
5 and 6 are diagrams illustrating a change over time in the phase difference θ between the gate signal G2 of the
As shown in FIG. 5, when the switching period Ts is smaller than the switching period Tq, the phase difference θ of Q1 based on S1 shifts to the right with the lapse of time and changes with an amount of change Δθ>0, that is, increases.
Also, as shown in FIG. 6, when the switching period Ts is greater than the switching period Tq, the phase difference θ of Q1 based on S1 shifts to the left with the lapse of time and changes with an amount of change Δθ<0, that is, decreases.
このような位相差θの経時変化は、送電電力を変動させるものであるが、この実施の形態では、位相差θが、時間平均して一定になるように制御することにより送電電力の変動を抑制する。
以下、受電装置10の制御の詳細について、説明する。
第1制御回路14は、第1ブリッジ回路12の半導体スイッチQ1~Q4のスイッチング制御に用いるため、異なる2種のスイッチング周波数である第1周波数fq1、第2周波数fq2(>fq1)を設定する。
なお、送電装置20では、第2制御回路24は、第2ブリッジ回路22の半導体スイッチS1~S4をスイッチング周波数fs(=1/Ts)にてスイッチング制御する。
Such a change in the phase difference θ over time causes fluctuations in the transmitted power, but in this embodiment, the phase difference θ is controlled so as to be constant on a time average, thereby suppressing fluctuations in the transmitted power.
The control of the
The
In the
図7および図8は、実施の形態1による電力変換装置1で用いる第1、第2周波数を説明する図である。
図7に示すように、第1ブリッジ回路12で用いられる第1周波数fq1、第2周波数fq2は、これらの間に第2ブリッジ回路22で用いられるスイッチング周波数fsが位置する大小関係(fq1<fs<fq2)で設定される。
7 and 8 are diagrams illustrating the first and second frequencies used in the
As shown in FIG. 7, the first frequency fq1 and the second frequency fq2 used in the
具体的には、例えば、以下のように第1周波数fq1、第2周波数fq2が設定される。
図8に示すように、送電装置20の第2ブリッジ回路22で用いられるスイッチング周波数fsをFs(n)とする。ここで、nは第1、第2制御回路14、24に内蔵されるマイコンのPWMタイマのカウント数とする。Fs(n)は、第2制御回路24でのカウント数nのときの周波数である。Fq(n)は、第1制御回路14でのカウント数nのときの周波数であり、この場合、Fq(n)は、Fs(n)よりも高周波側に僅かにずれている。
そして、カウント数n+1のときの第1制御回路14での周波数Fq(n+1)を第1周波数fq1とし、カウント数n-1のときの第1制御回路14での周波数Fq(n-1)を第2周波数fq2として設定する。
Specifically, for example, the first frequency fq1 and the second frequency fq2 are set as follows.
As shown in Fig. 8, the switching frequency fs used in the
Then, the frequency Fq(n+1) in the
このように、第1、第2制御回路14、24に内蔵されるマイコンのPWMタイマのカウント数を用いてスイッチング周波数を設定する。例えば、周波数100MHzのクロックを搭載したマイコンの場合、スイッチング周波数100kHzで半導体スイッチをスイッチングするにはPWMタイマのカウント数を1000に設定する。周波数100MHzのクロックにおいて、1クロックは10nsなので、1000カウントが10μsに対応する。1周期10μsは周波数に換算すると100kHzであり、この状態をFs(1000)=100kHz、と表記する。
第2ブリッジ回路22で用いられるスイッチング周波数fsがFs(1000)であるとき、第1ブリッジ回路12で用いられる第1周波数fq1、第2周波数fq2は、それぞれFq(1001)、Fq(999)に設定される。
In this way, the switching frequency is set using the count number of the PWM timer of the microcomputer built into the first and
When the switching frequency fs used in the
なお、カウント数は例示のための数値であり、第1周波数fq1、第2周波数fq2は、それぞれFq(1002)、Fq(998)の組み合わせでもよい。第2ブリッジ回路22側で設定したカウント数、この場合1000を基準として、一方は多く、他方は少ない数であればよい。
また、fq1<fs(=Fs(n))<fq2、を満たす条件で、第1周波数fq1、第2周波数fq2を、それぞれFq(n)、Fq(n-1)の組み合わせ、あるいは、Fq(n+1)、Fq(n)の組み合わせ、等でも適用できる。
The count numbers are merely examples, and the first frequency fq1 and the second frequency fq2 may be a combination of Fq (1002) and Fq (998), respectively. The count numbers set on the
In addition, under the condition that fq1<fs (=Fs(n))<fq2 is satisfied, the first frequency fq1 and the second frequency fq2 can also be applied as a combination of Fq(n) and Fq(n-1), or as a combination of Fq(n+1) and Fq(n), etc.
第2ブリッジ回路22側で用いられるカウント数nまたはスイッチング周波数fsは、事前に通信等で通知することにより設定されるが、その手段は特に限定しない。The count number n or switching frequency fs used on the
このように設定された第1周波数fq1、第2周波数fq2による2種のスイッチング周波数を用いて、第1制御回路14は、第1ブリッジ回路12を制御する。この制御は、受電装置10から負荷3に出力される直流電流Iを一定にする電流一定制御であり、これにより、上述した位相差θが、時間平均して一定になるように制御される。
図9は、実施の形態1による電力変換装置1の電流一定制御を説明する図である。
図10は、実施の形態1による電力変換装置1の電流一定制御を示す制御ブロック図である。
Using the two switching frequencies, the first frequency fq1 and the second frequency fq2 thus set, the
FIG. 9 is a diagram illustrating constant current control of the
FIG. 10 is a control block diagram showing constant current control of the
第1制御回路14は、演算周期Tc毎に、第1周波数fq1、第2周波数fq2を用いる時間比率α、(1-α)を、演算する。時間比率α、(1-α)は、0<α<1、0<(1-α)<1、である。そして、第1制御回路14は、演算された時間比率α、(1-α)により演算周期Tcを分割して第1期間TA、第2期間TBを設定する。この第1期間TA、第2期間TBに対し、それぞれ第1周波数fq1、第2周波数fq2をスイッチング周波数に用いて、第1ブリッジ回路12をスイッチング制御する。The
第1制御回路14は、時間比率α、(1-α)の演算において、負荷3に出力される直流電流Iの情報を電流検出器15から取得し、直流電流Iの変化率を減少させるように時間比率αを演算し、続いて時間比率(1-α)を算出する。この演算は、演算周期Tc毎に実施され、演算された時間比率α、(1-α)は、演算周期Tc毎に更新される。
In calculating the time ratios α and (1-α), the
図9に示すように、演算周期Tcは、第1期間TAと第2期間TBとに分割され、スイッチング周波数として、第1期間TAには第1周波数fq1が、第2期間TBには第2周波数fq2が用いられる。第1期間TA、第2期間TBは、演算された時間比率α、(1-α)によりαTc、(1-α)Tcの期間で設定される。そして、この周期(今回演算周期)にて演算される新たな時間比率α、(1-α)を便宜上、時間比率αa、(1-αa)とすると、次回演算周期において、第1期間TA、第2期間TBは、αa・Tc、(1-αa)・Tcの期間で設定される。As shown in FIG. 9, the calculation period Tc is divided into a first period TA and a second period TB, and as the switching frequency, a first frequency fq1 is used in the first period TA, and a second frequency fq2 is used in the second period TB. The first period TA and the second period TB are set to periods αTc and (1-α)Tc based on the calculated time ratios α and (1-α). If the new time ratios α and (1-α) calculated in this period (the current calculation period) are set as time ratios αa and (1-αa) for the sake of convenience, then in the next calculation period, the first period TA and the second period TB are set to periods αa·Tc and (1-αa)·Tc.
図10に基づいて、第1制御回路14による電流一定制御を、以下に説明する。
第1ブリッジ回路12は、第1制御回路14内のゲート信号生成回路14aが生成するゲート信号G1によりスイッチング制御されて動作し、負荷3へ直流電流Iを出力する。第1制御回路14は、電流検出器15が検出する直流電流Iの値を、この場合、ローパスフィルタ31を介して演算周期Tc毎に取得する。ローパスフィルタ31の出力は、前回値を出力する回路32に入力される。回路32は、例えばメモリ回路から成り、第n演算周期におけるローパスフィルタ31の出力Ilpf[n]を入力されるタイミングで、第(n-1)演算周期におけるローパスフィルタ31の出力Ilpf[n-1]を出力する。
The constant current control by the
The
減算器33は、回路32の入出力の双方の値に基づいて、前回演算周期の直流電流Iの情報Ilpf[n-1]と今回演算周期の直流電流Iの情報Ilpf[n]との差分である直流電流Iの変化率ΔIを演算する。
演算された直流電流Iの変化率ΔIは、減算器34にて変化率指令値ΔI*(=0)から減算されて偏差が得られる。この偏差を、例えば定数倍する演算器35にて演算処理してΔαを算出する。積算器36は、入力されたΔαを積算して時間比率αを演算し、時間比率αは、第1制御回路14内のゲート信号生成回路14aに入力される。
The
The calculated rate of change ΔI of DC current I is subtracted from the rate of change command value ΔI* (=0) by a
ゲート信号生成回路14aは、時間比率αに基づいて第1期間TA、第2期間TBを設定し、それぞれ第1周波数fq1、第2周波数fq2をスイッチング周波数に用いて第1、第2期間TA、TB毎にゲート信号G1を生成する。The gate
以上のように、第1制御回路14は、直流電流Iの変化率ΔIを変化率指令値ΔI*(=0)に近づけるように、即ち、制御量である変化率ΔIをできるだけ減少させるように、演算周期Tc毎に操作量である時間比率αを演算する。As described above, the
具体的な制御動作では、直流電流Iの変化率ΔIが正の場合には、Δα<0、となり、次の演算周期Tcでは、時間比率αを低下させ、第1周波数fq1をスイッチング周波数に用いる第1期間TAが短くなり、第2周波数fq2をスイッチング周波数に用いる第2期間TBが長くなる。また、直流電流Iの変化率ΔIが負の場合には、Δα>0、となり、次の演算周期Tcでは、時間比率αを増加させ、第1周波数fq1をスイッチング周波数に用いる第1期間TAが長くなり、第2周波数fq2をスイッチング周波数に用いる第2期間TBが短くなる。直流電流Iの変化率ΔIが0の場合には、Δα=0、となり、次の演算周期Tcにおいても時間比率αが変化せず、第1期間TA、第2期間TBの長さも変化しない。In a specific control operation, when the rate of change ΔI of the DC current I is positive, Δα<0, and in the next calculation period Tc, the time ratio α is reduced, the first period TA in which the first frequency fq1 is used as the switching frequency is shortened, and the second period TB in which the second frequency fq2 is used as the switching frequency is lengthened. Also, when the rate of change ΔI of the DC current I is negative, Δα>0, and in the next calculation period Tc, the time ratio α is increased, the first period TA in which the first frequency fq1 is used as the switching frequency is lengthened, and the second period TB in which the second frequency fq2 is used as the switching frequency is shortened. When the rate of change ΔI of the DC current I is 0, Δα=0, and the time ratio α does not change in the next calculation period Tc, and the lengths of the first period TA and the second period TB do not change.
このような制御演算は、例えばP(比例)制御、PI(比例積分)制御、PD(比例微分)制御、あるいはPID(比例積分微分)制御等を用いても、実施できる。
また、直流電流Iの変化率ΔIに許容範囲を設定し、その範囲内にあるときは時間比率αを変化させず、範囲から外れたときに時間比率αを変化させる、といった制御でもよい。
Such control calculations can be implemented using, for example, P (proportional) control, PI (proportional integral) control, PD (proportional differential) control, or PID (proportional integral differential) control.
Alternatively, a permissible range may be set for the rate of change ΔI of DC current I, and the time ratio α may not be changed when the rate of change ΔI is within the range, and the time ratio α may be changed when the rate of change ΔI is outside the range.
図11は、実施の形態1による電力変換装置1の電流一定制御の動作を説明する図である。なお、説明のために、便宜上、時間スケールを変更し一部極端な変化を表示している。
図11に示すように、第1ブリッジ回路12のスイッチング周波数に、第1周波数fq1を用いる期間において、ゲート信号G1(Q1~Q4)では、送電装置20内の第2ブリッジ回路22のゲート信号G2(S1~S4)との位相差θが時間経過と共に増加する。これは、第1ブリッジ回路12のスイッチング周波数、この場合、第1周波数fq1が第2ブリッジ回路22のスイッチング周波数fsより低いためである。
そして、位相差θの増加に伴い、直流電流Iも増加して、送電装置20から受電装置10への送電電力も増加する。
11 is a diagram for explaining the operation of the constant current control of the
11, in a period in which the first frequency fq1 is used as the switching frequency of the
As the phase difference θ increases, the DC current I also increases, and the power transmitted from the
また、第1ブリッジ回路12のスイッチング周波数に、第2周波数fq2を用いる期間において、ゲート信号G1(Q1~Q4)では、送電装置20内の第2ブリッジ回路22のゲート信号G2(S1~S4)との位相差θが時間経過と共に低下する。これは、第1ブリッジ回路12のスイッチング周波数、この場合、第2周波数fq2が第2ブリッジ回路22のスイッチング周波数fsより高いためである。
そして、位相差θの低下に伴い、直流電流Iも低下して、送電装置20から受電装置10への送電電力も低下する。
なお、図11において、ゲート信号G1としてQ1のみ、ゲート信号G2としてS1のみ図示した。
Furthermore, in a period in which the second frequency fq2 is used as the switching frequency of the
As the phase difference θ decreases, the DC current I also decreases, and the power transmitted from the
In FIG. 11, only Q1 is shown as the gate signal G1, and only S1 is shown as the gate signal G2.
このように、第1周波数fq1を用いる期間で直流電流Iが増加し、第2周波数fq2を用いる期間で直流電流Iが低下するため、これらの期間の長さ調整を行う事で、直流電流Iの増減をバランスさせることができ、直流電流Iを一定に制御できる。In this way, the DC current I increases during the period when the first frequency fq1 is used, and the DC current I decreases during the period when the second frequency fq2 is used. By adjusting the length of these periods, the increase and decrease in the DC current I can be balanced, and the DC current I can be controlled to a constant value.
図12は、実施の形態1による電力変換装置1の電流一定制御による電流波形を示す図である。
上述したように、第1制御回路14は、直流電流Iの変化率ΔIをできるだけ減少させるように、即ち、直流電流Iが一定になるように、演算周期Tc毎に時間比率αを演算する。そして、演算周期Tc毎に時間比率αを更新し、時間比率α、(1-α)により演算周期Tcを分割して第1期間TA、第2期間TBを設定する。
図12に示すように、演算周期Tc毎に、第1期間TAで直流電流Iが増加し、続く第2期間TBで直流電流Iが低下して、直流電流Iは、概ね一定値Iaに制御される。このとき、上述した位相差θも時間平均して一定に制御される。
FIG. 12 is a diagram showing a current waveform under constant current control of the
As described above, the
12, in each calculation cycle Tc, the DC current I increases in a first period TA, and then decreases in a subsequent second period TB, so that the DC current I is controlled to a substantially constant value Ia. At this time, the above-mentioned phase difference θ is also controlled to a constant value on a time average.
以上のように、この実施の形態による電力変換装置1では、受電装置10が、外部との磁気結合により非接触にて電力授受する受電コイル11を備えて受電する。受電装置10の第1ブリッジ回路12を出力制御する第1制御回路14は、異なる2種のスイッチング周波数である第1、第2周波数fq1、fq2を用いて、半導体スイッチQ1~Q4をスイッチング制御する。そして、第1制御回路14は、第1、第2周波数fq1、fq2を用いる時間比率α、(1-α)を、演算周期Tc毎に直流電流Iの変化率ΔIを減少させるように演算し、時間比率α、(1-α)により演算周期Tcを分割して設定される第1、第2期間TA、TBを、それぞれ第1、第2周波数fq1、fq2を用いて制御する。As described above, in the
このような電力変換装置1では、直流電流Iのみ検出して制御に用い、従来技術のようにゼロクロス検出も不要である。このため、非接触給電技術を用いて電力伝送を行う電力変換装置1は、高精度な電流センサを要することなく、直流電流Iを一定に制御でき、安定して高精度な出力制御が可能になる。電流電圧の大小によるゼロクロスタイミングの検出ずれの問題がないため、特に、大電力高周波への適用に有効である。In such a
なお、直流電流Iが一定になるように制御する際に、送電装置20側のゲート信号G2(S1~S4)との位相差θの情報は必要なく、本願による電力変換装置として、送電装置20を省略した構成としても良い。
When controlling the DC current I to be constant, information on the phase difference θ with the gate signal G2 (S1 to S4) on the
実施の形態2.
上記実施の形態1では、第1制御回路14は、負荷3に出力される直流電流Iを一定にする電流一定制御を行って演算周期Tc毎に時間比率αを演算して更新する。そして、時間比率αにより演算周期Tcを分割してそれぞれ第1、第2周波数fq1、fq2を用いて制御する。その場合、直流電流Iは、概ね一定値Iaに制御されるが、指令値I*に追従しない。
この実施の形態2では、第1制御回路14は、上記実施の形態1と同様に電流一定制御を行いつつ、直流電流Iが指令値I*に近づくように、時間比率αを調整する。その他の構成は、上記実施の形態1と同様である。
In the above-described first embodiment, the
In the second embodiment, the
図13は、実施の形態2による電力変換装置1の電流制御を示す制御ブロック図である。
図13に示すように、第1制御回路14は、上記実施の形態1と同様の電流一定制御を演算周期Tc毎に行う。即ち、電流検出器15が検出する直流電流Iの値を、ローパスフィルタ31を介して演算周期Tc毎に取得し、ローパスフィルタ31の出力Ilpf[n]は、前回値を出力する回路32に入力される。この入力のタイミングで、回路32は、前回演算周期のローパスフィルタ31の出力Ilpf[n-1]を出力する。減算器33は、回路32の入出力の双方の値に基づいて、直流電流Iの変化率ΔIを演算する。
FIG. 13 is a control block diagram showing current control of the
13, the
演算された直流電流Iの変化率ΔIは、減算器34にて変化率指令値ΔI*(=0)から減算されて偏差が得られる。この偏差を、例えば定数倍する演算器35にて演算処理してΔαを算出する。積算器36は、入力されたΔαを積算して時間比率αを演算する。The calculated rate of change ΔI of the DC current I is subtracted from the rate of change command value ΔI* (=0) by
また、第1制御回路14は、演算周期Tcとは異なる周期、例えば演算周期Tcの数倍以上の長い周期毎に、直流電流Iの値を、ローパスフィルタ31を介して取得し、減算器37にて、直流電流Iの指令値I*からの電流偏差ΔIxを演算する。この電流偏差ΔIxを、例えば定数倍する演算器38にて演算処理して、時間比率αを補正する補正値Δαxを算出する。
積算器36は、演算周期Tc毎に入力されたΔαを積算して時間比率αを演算すると共に、演算周期Tcよりも長い周期毎に、補正値Δαxが入力されて、Δαと同様に積算されることにより、時間比率αが補正されて調整される。そして、演算周期Tc毎に時間比率αが演算される。
Furthermore, the
The
積算器36にて演算された時間比率αは、第1制御回路14内のゲート信号生成回路14aに入力される。
ゲート信号生成回路14aは、時間比率αに基づいて第1期間TA、第2期間TBを設定し、それぞれ第1周波数fq1、第2周波数fq2をスイッチング周波数に用いて各第1、第2期間TA、TB毎にゲート信号G1を生成する。
The time ratio α calculated by the
The gate
なお、直流電流Iが指令値I*に追従する指令値追従制御は、電流一定制御に追加して行うもので、電流一定制御により得られる時間比率αを調整するものである。
具体的な制御動作では、直流電流Iの指令値I*からの電流偏差ΔIxが正の場合には、補正値Δαx>0、となる。これにより、次の演算周期Tcにて時間比率αを増加方向に調整し、第1周波数fq1をスイッチング周波数に用いる第1期間TAが長く調整され、第2周波数fq2をスイッチング周波数に用いる第2期間TBが短く調整される。
Note that the command value tracking control, in which the DC current I tracks the command value I*, is performed in addition to the constant current control, and adjusts the time ratio α obtained by the constant current control.
In a specific control operation, when the current deviation ΔIx of the DC current I from the command value I* is positive, the correction value Δαx>0. As a result, in the next calculation cycle Tc, the time ratio α is adjusted in the increasing direction, the first period TA in which the first frequency fq1 is used as the switching frequency is adjusted to be longer, and the second period TB in which the second frequency fq2 is used as the switching frequency is adjusted to be shorter.
また、電流偏差ΔIxが負の場合には、補正値Δαx<0、となる。これにより、次の演算周期Tcにて時間比率αを低下方向に調整し、第1周波数fq1をスイッチング周波数に用いる第1期間TAが短く調整され、第2周波数fq2をスイッチング周波数に用いる第2期間TBが長く調整される。
電流偏差ΔIxが0の場合には、補正値Δαx=0、となり、時間比率αは調整されず、第1期間TA、第2期間TBの長さも調整されない。
Moreover, when the current deviation ΔIx is negative, the correction value Δαx<0. As a result, in the next calculation cycle Tc, the time ratio α is adjusted downward, the first period TA in which the first frequency fq1 is used as the switching frequency is adjusted to be shorter, and the second period TB in which the second frequency fq2 is used as the switching frequency is adjusted to be longer.
When the current deviation ΔIx is 0, the correction value Δαx=0, the time ratio α is not adjusted, and the lengths of the first period TA and the second period TB are not adjusted.
このような制御演算は、例えばP(比例)制御、PI(比例積分)制御、PD(比例微分)制御、あるいはPID(比例積分微分)制御等を用いても、行う事ができる。
また、直流電流Iに許容範囲を設定し、その範囲内にあるときは補正値Δαxを変化させず、範囲から外れたときに補正値Δαxを変化させる、といった制御でもよい。
Such control calculations can be performed using, for example, P (proportional) control, PI (proportional integral) control, PD (proportional differential) control, or PID (proportional integral differential) control.
Alternatively, a permissible range may be set for the DC current I, and the correction value Δαx may not be changed when the DC current I is within the range, and the correction value Δαx may be changed when the DC current I is outside the range.
図14および図15は、実施の形態2による電力変換装置1の電流制御による電流波形を示す図である。図14は、直流電流Iが指令値I*より低い場合を示し、図15は、直流電流Iが指令値I*より高い場合を示す。
上述したように、第1制御回路14は、直流電流Iが一定になるように電流一定制御を行いつつ、直流電流Iが指令値I*に近づくように指令値追従制御を行う。
第1制御回路14は、演算周期Tc毎に時間比率αを演算して更新し、時間比率α、(1-α)により演算周期Tcを分割して第1期間TA、第2期間TBを設定する。図14、図15に示すように、第1期間TAで直流電流Iが増加し、続く第2期間TBで直流電流Iが低下する。
14 and 15 are diagrams showing current waveforms by current control of the
As described above, the
The
直流電流Iが指令値I*より低い場合、直流電流Iを指令値I*に近づける指令値追従制御により正の補正値Δαxが演算され、電流一定制御にて演算される時間比率αが増加するように調整される。これにより、図14に示すように、直流電流Iが増加する第1期間TAが長く調整され、直流電流Iが低下する第2期間TBが短く調整され、直流電流Iは、増加と低下とを交互に繰り返しながら平均して上昇し、次第に指令値I*に近づいていく。
この場合、第1ブリッジ回路12のゲート信号G1(Q1~Q4)と、送電装置20内の第2ブリッジ回路22のゲート信号G2(S1~S4)との位相差θは、時間平均して増加するように制御される。
When the DC current I is lower than the command value I*, a positive correction value Δαx is calculated by command value tracking control that brings the DC current I closer to the command value I*, and the time ratio α calculated by constant current control is adjusted to increase. As a result, as shown in Fig. 14, the first period TA during which the DC current I increases is adjusted to be longer, and the second period TB during which the DC current I decreases is adjusted to be shorter, so that the DC current I increases on average while alternately increasing and decreasing, and gradually approaches the command value I*.
In this case, the phase difference θ between the gate signal G1 (Q1 to Q4) of the
直流電流Iが指令値I*より高い場合、直流電流Iを指令値I*に近づける指令値追従制御により負の補正値Δαxが演算され、電流一定制御にて演算される時間比率αが低下するように調整される。これにより、図15に示すように、直流電流Iが増加する第1期間TAが短く調整され、直流電流Iが低下する第2期間TBが長く調整され、直流電流Iは、増加と低下とを交互に繰り返しながら平均して下降し、次第に指令値I*に近づいていく。
この場合、ゲート信号G1(Q1~Q4)とゲート信号G2(S1~S4)との位相差θは、時間平均して減少するように制御される。
When the DC current I is higher than the command value I*, a negative correction value Δαx is calculated by command value tracking control that brings the DC current I closer to the command value I*, and the time ratio α calculated by the constant current control is adjusted to decrease. As a result, as shown in Fig. 15, the first period TA during which the DC current I increases is adjusted to be shorter, and the second period TB during which the DC current I decreases is adjusted to be longer, so that the DC current I decreases on average while alternately increasing and decreasing, and gradually approaches the command value I*.
In this case, the phase difference θ between the gate signal G1 (Q1 to Q4) and the gate signal G2 (S1 to S4) is controlled so as to decrease on time average.
以上のように、この実施の形態2では、上記実施の形態1と同様に、第1制御回路14は、異なる2種のスイッチング周波数である第1、第2周波数fq1、fq2を用いる時間比率α、(1-α)を、演算周期Tc毎に直流電流Iの変化率ΔIを減少させるように演算する。さらに、第1制御回路14は、直流電流Iが指令値I*に近づくように、時間比率α、(1-α)を調整する。そして、演算された、時間比率α、(1-α)により演算周期Tcを分割して設定される第1、第2期間TA、TBを、それぞれ第1、第2周波数fq1、fq2を用いて制御する。
このため、上記実施の形態1と同様に、高精度な電流センサを要することなく、直流電流Iを一定に制御しつつ、さらに指令値I*に追従させることができ、より安定して高精度な出力制御が可能になる。
As described above, in this second embodiment, similarly to the first embodiment, the
Therefore, as in the above-mentioned
また、第1制御回路14は、演算周期Tcよりも長い周期毎に、時間比率αを補正する補正値Δαxを演算して時間比率αを調整するため、直流電流Iを一定にする電流一定制御と、直流電流Iを指令値I*に追従させる指令値追従制御とが、互いに干渉せず信頼性良く両立できる。補正値Δαxを演算する周期は、演算周期Tcの数倍以上の格段と長い周期が望ましい。In addition, the
なお、上記実施の形態2では、第1制御回路14は、直流電流Iの電流一定制御を行いつつ、同時に指令値追従制御を行う場合を説明したが、2つの制御を切り替えて行っても良く、図面を参照して以下に説明する。
図16は、実施の形態2の別例による電力変換装置の電流制御を示すフローチャートである。また、図17は、実施の形態2の別例による電力変換装置の電流制御を示す制御ブロック図である。
In the
Fig. 16 is a flowchart showing current control in a power conversion device according to another example of
図16に示すように、第1制御回路14は、まず、直流電流Iが目標範囲内か否かを、定期的に判定し(ステップS1)、直流電流Iが目標範囲内の場合には、直流電流Iの電流一定制御を行う(ステップS2)。
ステップS1において、直流電流Iが目標範囲を外れる場合は、第1制御回路14は、直流電流Iの電流一定制御を停止し、直流電流Iの指令値追従制御を、直流電流Iが目標範囲内に到達するまで行う(ステップS3)。
なお、直流電流Iの目標範囲は、直流電流Iの指令値I*を含み、指令値I*の上下に所定の幅を有して設定される。
As shown in FIG. 16, the
In step S1, if the DC current I falls outside the target range, the
The target range of the DC current I includes the command value I* of the DC current I, and is set with a predetermined width above and below the command value I*.
このように2つの制御を切り替えて行う場合、図17に示すように、第1制御回路14は、直流電流Iの電流一定制御と、直流電流Iの指令値追従制御とを独立して行う。
直流電流Iの電流一定制御では、上記実施の形態1の図10で示した同様の電流一定制御を演算周期Tc毎に行う。即ち、電流検出器15が検出する直流電流Iの値を、ローパスフィルタ31を介して演算周期Tc毎に取得し、直流電流Iの変化率ΔIを演算する。演算された直流電流Iの変化率ΔIを変化率指令値ΔI*(=0)に近づけるように、Δαを算出し、積算器36は、Δαを積算して時間比率αを演算する。
積算器36にて演算された時間比率αは、第1制御回路14内のゲート信号生成回路14aに入力される。
When switching between the two types of control in this way, as shown in FIG. 17, the
In the constant current control of the DC current I, the constant current control similar to that shown in Fig. 10 in the above-mentioned
The time ratio α calculated by the
ゲート信号生成回路14aは、時間比率αに基づいて第1期間TA、第2期間TBを設定し、それぞれ第1周波数fq1、第2周波数fq2をスイッチング周波数に用いて各第1、第2期間TA、TB毎にゲート信号G1を生成する。そして、第1ブリッジ回路12は、ゲート信号G1により出力制御される。The gate
直流電流Iの指令値追従制御では、第1制御回路14は、演算周期Tc毎に、直流電流Iの情報を、ローパスフィルタ31を介して取得し、減算器37にて、直流電流Iの指令値I*からの電流偏差ΔIxを演算する。この電流偏差ΔIxを、例えば定数倍する演算器38にて演算処理して、時間比率αを補正する補正値Δαxを算出する。
積算器36は、演算周期Tc毎に入力された補正値Δαxを積算して時間比率αを演算する。積算器36にて演算された時間比率αは、第1制御回路14内のゲート信号生成回路14aに入力される。
In the command value tracking control of the DC current I, the
The
そして、上述した電流一定制御の場合と同様に、ゲート信号生成回路14aは、時間比率αに基づいて第1期間TA、第2期間TBを設定し、それぞれ第1周波数fq1、第2周波数fq2をスイッチング周波数に用いて各第1、第2期間TA、TB毎にゲート信号G1を生成する。そして、第1ブリッジ回路12は、ゲート信号G1により出力制御される。
As in the case of the constant current control described above, the gate
このように2つの制御を切り替えて行う場合も、上記実施の形態2と同様に、高精度な電流センサを要することなく、直流電流Iを一定に制御しつつ、さらに指令値I*に追従させることができ、より安定して高精度な出力制御が可能になる。
When switching between the two types of control in this manner, as in
実施の形態3.
上記実施の形態1では、受電装置10内の第1ブリッジ回路12および送電装置20内の第2ブリッジ回路22は、対角関係にある半導体スイッチ(Q1、Q4)、(Q2、Q3)、(S1、S4)、(S2、S3)が同時オンと同時オフとを交互に繰り返すゲート信号G1、G2により出力制御された。
この実施の形態3では、第1、第2ブリッジ回路12、22は、フルブリッジ回路であり、第1、第2ブリッジ回路12、22内の2つのレグ回路(QA、QB)、(SA、SB)間のスイッチングの位相差を増減する位相シフト制御により第1、第2ブリッジ回路12、22を出力制御する。
In the above-described first embodiment, the
In this third embodiment, the first and
図18は、実施の形態3による送電装置20で用いるゲート信号G2と第2ブリッジ回路22の出力電圧を示す波形図である。
図18に示すように、送電装置20内の第2ブリッジ回路22では、各ゲート信号G2(S1~S4)は、スイッチング周期Tsのほぼ1/2でオンとオフとを切り替える。
ゲート信号G2(S1~S4)の内、レグ回路SA、SBへの各2つのゲート信号(S1、S2)、(S3、S4)は、オンオフが反転する。また、レグ回路SBへのゲート信号(S3、S4)は、レグ回路SAへのゲート信号(S1、S2)と、位相差Φsを有する。例えば、S3、S4の立ち上がりタイミングは、対角関係のS2、S1の立ち上がりタイミングより位相差Φsで遅れている。
FIG. 18 is a waveform diagram showing the gate signal G2 and the output voltage of the
As shown in FIG. 18, in the
Of the gate signals G2 (S1 to S4), the on/off states of the two gate signals (S1, S2) and (S3, S4) to the leg circuits SA and SB are inverted. Also, the gate signals (S3, S4) to the leg circuit SB have a phase difference Φs with the gate signal (S1, S2) to the leg circuit SA. For example, the rising timing of S3 and S4 lags behind the rising timing of the diagonally opposite signals S2 and S1 by a phase difference Φs.
第2ブリッジ回路22は、S1、S4が同時オンする期間に、出力電圧Voutとして正電圧VAを出力し、S2、S3が同時オンする期間に、出力電圧Voutとして負電圧(-VA)を出力する。出力電圧Voutは、正電圧パルスと負電圧パルスが交互に現れる矩形波電圧となる。位相差Φsを変化させることで、出力電圧Voutにおける電圧パルスの幅も変化し、送電装置20からの送電電力も制御することができる。The
図19は、実施の形態3による電力変換装置1で用いるゲート信号G1、G2の波形図である。なお、送電装置20で用いるゲート信号G2(S1~S4)は、図18で示したものである。
受電装置10内の第1ブリッジ回路12では、各ゲート信号G1(Q1~Q4)は、スイッチング周期Tqのほぼ1/2でオンとオフとを切り替える。
ゲート信号G1(Q1~Q4)の内、レグ回路QA、QBへの各2つのゲート信号(Q1、Q2)、(Q3、Q4)は、オンオフが反転する。また、レグ回路QBへのゲート信号(Q3、Q4)は、レグ回路QAへのゲート信号(Q1、Q2)と、位相差Φqを有する。例えば、Q3、Q4の立ち上がりタイミングは、対角関係のQ2、Q1の立ち上がりタイミングより位相差Φqで遅れている。
19 is a waveform diagram of the gate signals G1, G2 used in the
In the
Of the gate signals G1 (Q1 to Q4), the two gate signals (Q1, Q2) and (Q3, Q4) to leg circuits QA and QB are inverted on and off. The gate signal (Q3, Q4) to leg circuit QB has a phase difference Φq with the gate signal (Q1, Q2) to leg circuit QA. For example, the rising timing of Q3 and Q4 lags behind the rising timing of diagonally opposite Q2 and Q1 by a phase difference Φq.
また、第1ブリッジ回路12のゲート信号G1(Q1~Q4)は、第2ブリッジ回路22のゲート信号G2(S1~S4)と位相差θを有する。Q1、Q2の立ち上がりタイミングは、対応するS1、S2の立ち上がりタイミングより位相差θで遅れている。この場合、位相差θは、ゲート信号G2(S1~S4)からのゲート信号G1(Q1~Q4)の遅れ位相を示し、図中右向きを正とする。
In addition, the gate signal G1 (Q1 to Q4) of the
受電装置10においても、レグ回路QBへのゲート信号(Q3、Q4)と、レグ回路QAへのゲート信号(Q1、Q2)との位相差Φqを変化させることで、送電装置20から受電装置10への送電電力を制御することができる。
また、上記実施の形態1で説明したように、第1ブリッジ回路12のゲート信号G1(Q1~Q4)と第2ブリッジ回路22のゲート信号G2(S1~S4)との位相差θを変化させることで、送電装置20側から受電装置10側への送電電力を制御することができる。
In the
Furthermore, as described in the
上記位相差θ、および各第1、第2ブリッジ回路12、22における位相シフト制御の位相差Φq、Φsは、それぞれ独立して変化させることができ、独立して送電電力を制御できる。The above phase difference θ and the phase differences Φq, Φs of the phase shift control in each of the first and
この実施の形態においても、上記実施の形態1と同様に、受電装置10の第1ブリッジ回路12を出力制御する第1制御回路14は、異なる2種のスイッチング周波数である第1、第2周波数fq1、fq2を用いて、半導体スイッチQ1~Q4をスイッチング制御する。そして、第1制御回路14は、第1、第2周波数fq1、fq2を用いる時間比率α、(1-α)を、演算周期Tc毎に直流電流Iの変化率ΔIを減少させるように演算し、時間比率α、(1-α)により演算周期Tcを分割して設定される第1、第2期間TA、TBを、それぞれ第1、第2周波数fq1、fq2を用いて制御する。
この実施の形態においても、上記実施の形態1と同様の効果が得られると共に、位相シフト制御を併用するため、より高精度な出力制御が可能になる。
In this embodiment, as in the above-described first embodiment, the
In this embodiment as well, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and since phase shift control is also used, more precise output control is possible.
なお、上記実施の形態2を適用して、第1制御回路14が、直流電流Iの電流一定制御に加えて指令値追従制御を行っても良い。
In addition, by applying the above-mentioned
実施の形態4.
この実施の形態4では、上記実施の形態3で示したように、第1、第2ブリッジ回路12、22は、位相シフト制御により出力制御され、さらに、第1制御回路14が、直流電流Iの電流一定制御に加えて、位相シフト制御の中で指令値追従制御を行う。
電流一定制御については、上記実施の形態1の図10で示した制御と同様に、直流電流Iの変化率ΔIを減少させる制御を行う。即ち、演算周期Tc毎に、第1、第2周波数fq1、fq2を用いる第1、第2期間TA、TBの時間比率αを演算して更新する。
In this
10 in the first embodiment, the constant current control is performed to reduce the rate of change ΔI of the DC current I. That is, the time ratio α of the first and second periods TA, TB using the first and second frequencies fq1, fq2 is calculated and updated for each calculation period Tc.
また、指令値追従制御については、第1ブリッジ回路12の位相シフト制御における位相シフト量である位相差Φqを調整する。即ち、直流電流Iが指令値I*に追従するように、レグ回路QBへのゲート信号(Q3、Q4)と、レグ回路QAへのゲート信号(Q1、Q2)との位相差Φqを調整する。この場合、第1制御回路14は、演算周期Tcよりも長い周期、例えば演算周期Tcの数倍以上の長い周期毎に、位相差Φqを補正する補正値を演算して位相差Φqを補正する。
このように、第1制御回路14は、直流電流Iの電流一定制御と指令値追従制御との双方を同時に行い、直流電流Iは、増加と低下とを交互に繰り返しながら、指令値I*に追従する。なお、指令値追従制御を行う周期と、電流一定制御の演算周期Tcは、大きく相違するため、2つの制御は互いに干渉せず信頼性良く両立できる。
For command value tracking control, the phase difference Φq, which is the amount of phase shift in the phase shift control of the
In this way, the
なお、上記実施の形態4では、第1制御回路14は、直流電流Iの電流一定制御を行いつつ、同時に指令値追従制御を行う場合を説明したが、2つの制御を切り替えて行っても良い。
図20は、実施の形態4の別例による電力変換装置1の電流制御を示すフローチャートである。
図20に示すように、第1制御回路14は、まず、直流電流Iが目標範囲内か否かを、定期的に判定し(ステップSS1)、直流電流Iが目標範囲内の場合には、演算周期Tc毎に時間比率αを演算して、直流電流Iの電流一定制御を行う(ステップSS2)。
In the fourth embodiment, the
FIG. 20 is a flowchart showing current control of the
As shown in FIG. 20, the
ステップSS1において、直流電流Iが目標範囲を外れる場合は、第1制御回路14は、直流電流Iの電流一定制御を停止し、直流電流Iの指令値追従制御を行う。この制御は、直流電流Iが指令値I*に追従するように位相差Φqを増減し、直流電流Iが目標範囲内に到達するまで行う(ステップSS3)。
なお、直流電流Iの目標範囲は、直流電流Iの指令値I*を含み、指令値I*の上下に所定の幅を有して設定される。
In step SS1, if the DC current I falls outside the target range, the
The target range of the DC current I includes the command value I* of the DC current I, and is set with a predetermined width above and below the command value I*.
この実施の形態においても、上記実施の形態1と同様の効果が得られると共に、位相シフト制御を利用して、第1制御回路14が、直流電流Iの電流一定制御に加えて指令値追従制御を併用するため、より高精度な出力制御が可能になる。In this embodiment, the same effects as in the first embodiment can be obtained, and by utilizing phase shift control, the
実施の形態5.
この実施の形態5では、受電装置10と送電装置20との間で通信手段を備える電力変換装置について示す。
図21は、実施の形態5による電力変換装置を示す構成図である。上記実施の形態1と同様の箇所は、適宜、説明を省略する。
図21に示すように、電力変換装置1Aは、負荷3に接続される受電装置10と直流電源2に接続される送電装置20とを備える。受電装置10は、受電コイル11と、第1ブリッジ回路12と、共振回路13と、第1制御回路14と、電流検出器15とを備える。送電装置20は、送電コイル21と、第2ブリッジ回路22と、平滑コンデンサCと、共振回路23と、第2制御回路24とを備える。
Embodiment 5.
In the fifth embodiment, a power conversion device including a communication means between a
21 is a configuration diagram showing a power conversion device according to embodiment 5. Descriptions of the same parts as those in
21 , the
また、受電装置10は送信機41を備え、送電装置20は受信機42を備える。受電装置10内の第1制御回路14は、電流検出器15から取得した直流電流Iの情報を、送信機41から送電装置20内の受信機42に送信する。送電装置20内の第2制御回路24は、受信機42で受信した直流電流Iの情報を取得する。In addition, the
この実施の形態5では、上記実施の形態3で示したように、位相シフト制御により第1、第2ブリッジ回路12、22を出力制御し、さらに、第1制御回路14が、直流電流Iの電流一定制御を行い、それに加えて、第2ブリッジ回路22を制御する第2制御回路24が直流電流Iの指令値追従制御を行う。
電流一定制御については、上記実施の形態1の図10で示した制御と同様に、直流電流Iの変化率ΔIを減少させる制御を行う。即ち、演算周期Tc毎に、第1、第2周波数fq1、fq2を用いる第1、第2期間TA、TBの時間比率αを演算して更新する。
In this embodiment 5, as shown in the
10 in the first embodiment, the constant current control is performed to reduce the rate of change ΔI of the DC current I. That is, the time ratio α of the first and second periods TA, TB using the first and second frequencies fq1, fq2 is calculated and updated for each calculation period Tc.
また、指令値追従制御については、第2制御回路24が第2ブリッジ回路22を位相シフト制御する際の位相シフト量である位相差Φsを調整する。第2制御回路24は、受電装置10側から直流電流Iの情報を通信により取得し、直流電流Iが指令値I*に追従するように、レグ回路SBへのゲート信号(S3、S4)と、レグ回路SAへのゲート信号(S1、S2)との位相差Φsを調整する。この場合、第2制御回路24は、第1制御回路14の演算周期Tcよりも長い周期、例えば演算周期Tcの数倍以上の格段と長い周期毎に、位相差Φsを補正する補正値を演算して位相差Φsを補正する。
For command value tracking control, the
このように、電力変換装置1Aでは、第1制御回路14による直流電流Iの電流一定制御と、第2制御回路24による直流電流Iの指令値追従制御との双方を同時に行い、直流電流Iは、増加と低下とを交互に繰り返しながら、指令値I*に追従する。
なお、指令値追従制御を行う周期と、電流一定制御の演算周期Tcとは、大きく相違するため、2つの制御が互いに干渉せず信頼性良く両立できる。
In this way, in the
In addition, since the cycle in which the command value tracking control is performed and the calculation cycle Tc of the constant current control are significantly different, the two types of control do not interfere with each other and can be performed reliably.
なお、上記実施の形態5では、直流電流Iの電流一定制御を行いつつ、同時に指令値追従制御を行う場合を説明したが、2つの制御を切り替えて行っても良い。
図22は、実施の形態5の別例による電力変換装置1Aの電流制御を示すフローチャートである。
図22に示すように、第1制御回路14は、まず、直流電流Iが目標範囲内か否かを、定期的に判定し(ステップST1)、直流電流Iが目標範囲内の場合には、演算周期Tc毎に時間比率αを演算して、直流電流Iの電流一定制御を行う(ステップST2)。
In the above fifth embodiment, the case has been described in which the constant current control of the DC current I is performed while the command value tracking control is simultaneously performed, but the two types of control may be switched between.
FIG. 22 is a flowchart showing current control of the
As shown in FIG. 22, the
ステップST1において、直流電流Iが目標範囲を外れる場合は、第1制御回路14は、直流電流Iの電流一定制御を停止し、第2ブリッジ回路22を出力制御する第2制御回路24が、直流電流Iの指令値追従制御を行う。この制御は、直流電流Iが指令値I*に追従するように、第2ブリッジ回路22の位相シフト制御における位相差Φsを増減し、直流電流Iが目標範囲内に到達するまで行う(ステップST3)。
なお、直流電流Iの目標範囲は、直流電流Iの指令値I*を含み、指令値I*の上下に所定の幅を有して設定される。
In step ST1, if the DC current I falls outside the target range, the
The target range of the DC current I includes the command value I* of the DC current I, and is set with a predetermined width above and below the command value I*.
この実施の形態においても、上記実施の形態1と同様の効果が得られると共に、第1制御回路14が、直流電流Iの電流一定制御を行うのに加えて、第2制御回路24が直流電流Iの指令値追従制御を行うため、より高精度な出力制御が可能になる。In this embodiment, the same effects as those of the above-mentioned
なお、上記実施の形態5では、電力変換装置1Aが、送信機41、受信機42を備えて無線による通信を行うものを示したが、通信手段の構成はこれに限るものではなく、送電装置20側で直流電流Iの情報が取得できれば良い。In the above embodiment 5, the
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
Although the present application describes various exemplary embodiments and examples, the various features, aspects, and functions described in one or more embodiments are not limited to application to a particular embodiment, but may be applied to the embodiments alone or in various combinations.
Therefore, countless modifications not illustrated are conceivable within the scope of the technology disclosed in the present application, including, for example, modifying, adding, or omitting at least one component, and further, extracting at least one component and combining it with a component of another embodiment.
1,1A 電力変換装置、11 受電コイル、12 第1ブリッジ回路、14 第1制御回路、15 電流検出器、21 送電コイル、22 第2ブリッジ回路、24 第2制御回路、fq1 第1周波数、fq2 第2周波数、fs スイッチング周波数、G1,G2 ゲート信号、I 直流電流、ΔI 変化率、I* 指令値、Q1~Q4,S1~S4 半導体スイッチ、QA,QB レグ回路、SA,SB レグ回路、Tc 演算周期、TA 第1期間、TB 第2期間、α 時間比率、Δαx 補正値、θ 位相差、Φs,Φq 位相差。 1, 1A power conversion device, 11 receiving coil, 12 first bridge circuit, 14 first control circuit, 15 current detector, 21 transmitting coil, 22 second bridge circuit, 24 second control circuit, fq1 first frequency, fq2 second frequency, fs switching frequency, G1, G2 gate signal, I DC current, ΔI rate of change, I* command value, Q1 to Q4, S1 to S4 semiconductor switches, QA, QB leg circuit, SA, SB leg circuit, Tc calculation period, TA first period, TB second period, α time ratio, Δαx correction value, θ phase difference, Φs, Φq phase difference.
Claims (14)
直流母線間に複数の半導体スイッチを有して交流直流間で電力変換し、交流側が前記第1コイルと接続される第1ブリッジ回路と、
前記第1ブリッジ回路の直流側に流れる直流電流を検出する電流検出器と、
前記第1ブリッジ回路を制御する第1制御回路とを備え、
前記第1制御回路は、
異なる2種のスイッチング周波数である第1、第2周波数を用いて、前記複数の半導体スイッチのスイッチングを制御し、
前記第1、第2周波数を用いる時間比率を、演算周期毎に前記直流電流の変化率を減少させるように演算し、
前記時間比率により前記演算周期を分割して設定される第1、第2期間を、それぞれ前記第1、第2周波数を用いて制御する、
電力変換装置。 a first coil that receives and transmits electric power in a non-contact manner by magnetic coupling with an external device;
a first bridge circuit having a plurality of semiconductor switches between DC buses for AC-DC power conversion, the first bridge circuit having an AC side connected to the first coil;
a current detector for detecting a DC current flowing through a DC side of the first bridge circuit;
a first control circuit that controls the first bridge circuit,
The first control circuit is
Controlling switching of the plurality of semiconductor switches using first and second frequencies that are different from each other;
calculating a time ratio for using the first and second frequencies in each calculation period so as to reduce a rate of change of the DC current;
a first period and a second period set by dividing the calculation cycle by the time ratio are controlled using the first frequency and the second frequency, respectively;
Power conversion equipment.
請求項1に記載の電力変換装置。 the first control circuit uses the time ratio calculated in the current calculation cycle in the next calculation cycle to set the first and second periods;
The power conversion device according to claim 1 .
請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。 The first control circuit adjusts the time ratio so that the DC current approaches a command value.
The power conversion device according to claim 1 or 2.
請求項3に記載の電力変換装置。 the first control circuit calculates a correction value for correcting the time ratio for each period longer than the calculation period to adjust the time ratio.
The power conversion device according to claim 3 .
請求項3に記載の電力変換装置。 the first control circuit switches between a control of calculating the time ratio so as to reduce a rate of change of the DC current and a control of adjusting the time ratio so that the DC current approaches the command value, based on whether the DC current falls within a target range including the command value.
The power conversion device according to claim 3 .
前記第1制御回路は、前記2つのレグ回路内の前記半導体スイッチを、位相差を増減する位相シフト制御によりスイッチング制御し、前記直流電流が指令値に近づくように前記位相差を調整する、
請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。 The first bridge circuit is composed of two leg circuits connected in parallel,
the first control circuit controls the switching of the semiconductor switches in the two leg circuits by a phase shift control for increasing or decreasing a phase difference, and adjusts the phase difference so that the DC current approaches a command value.
The power conversion device according to claim 1 or 2.
請求項6に記載の電力変換装置。 the first control circuit calculates a correction value for correcting the phase difference for each period longer than the calculation period to adjust the phase difference.
The power converter according to claim 6.
請求項6に記載の電力変換装置。 the first control circuit switches between a control of calculating the time ratio so as to reduce a rate of change of the DC current and a control of adjusting the phase difference so that the DC current approaches the command value, based on whether the DC current falls within a target range including the command value.
The power converter according to claim 6.
直流母線間に複数の半導体スイッチを有して交流直流間で電力変換し、交流側が前記第2コイルと接続される第2ブリッジ回路と、
前記第2ブリッジ回路を制御する第2制御回路とを備え、
前記第2制御回路は、前記第1ブリッジ回路で用いられる前記2種のスイッチング周波数の間のスイッチング周波数を用いて、前記第2ブリッジ回路内の前記複数の半導体スイッチをスイッチング制御する、
請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の電力変換装置。 a second coil that is magnetically coupled to the first coil in a non-contact manner and that exchanges electric power with the first coil;
a second bridge circuit having a plurality of semiconductor switches between the DC bus bars for AC-DC power conversion, the second bridge circuit having an AC side connected to the second coil;
a second control circuit that controls the second bridge circuit,
the second control circuit controls switching of the plurality of semiconductor switches in the second bridge circuit by using a switching frequency between the two switching frequencies used in the first bridge circuit;
The power conversion device according to any one of claims 1 to 8.
請求項9に記載の電力変換装置。 The time ratio is calculated so that a time average phase difference between a gate signal for controlling switching of the first bridge circuit and a gate signal for controlling switching of the second bridge circuit converges to a constant value.
The power converter according to claim 9.
前記第2制御回路は、前記第2ブリッジ回路における前記2つのレグ回路内の前記半導体スイッチを、位相差を増減する位相シフト制御によりスイッチング制御する、
請求項9または請求項10に記載の電力変換装置。 The second bridge circuit is composed of two leg circuits connected in parallel,
the second control circuit controls switching of the semiconductor switches in the two leg circuits of the second bridge circuit by phase shift control for increasing or decreasing a phase difference;
The power conversion device according to claim 9 or 10.
それぞれ半導体スイッチを有する2つのレグ回路が並列接続されて交流直流間で電力変換し、交流側が前記第2コイルと接続される第2ブリッジ回路と、
前記第2ブリッジ回路を制御する第2制御回路とを備え、
前記第2制御回路は、
前記第1ブリッジ回路で用いられる前記2種のスイッチング周波数の間のスイッチング周波数を用いて、前記第2ブリッジ回路における前記2つのレグ回路内の前記半導体スイッチを、位相差を増減する位相シフト制御によりスイッチング制御し、
前記第1ブリッジ回路の直流側に流れる前記直流電流の値を取得し、該直流電流が指令値に近づくように前記位相差を調整する、
請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。 a second coil that is magnetically coupled to the first coil in a non-contact manner and that exchanges electric power with the first coil;
a second bridge circuit in which two leg circuits, each having a semiconductor switch, are connected in parallel to perform power conversion between AC and DC, the AC side of which is connected to the second coil;
a second control circuit that controls the second bridge circuit,
The second control circuit is
performing switching control of the semiconductor switches in the two leg circuits of the second bridge circuit by phase shift control for increasing or decreasing a phase difference, using a switching frequency between the two switching frequencies used in the first bridge circuit;
acquiring a value of the DC current flowing through the DC side of the first bridge circuit, and adjusting the phase difference so that the DC current approaches a command value;
The power conversion device according to claim 1 or 2.
請求項12に記載の電力変換装置。 the second control circuit calculates a correction value for correcting the phase difference and adjusts the phase difference for each period longer than the calculation period of the first control circuit.
The power converter according to claim 12.
請求項12に記載の電力変換装置。 a control by the first control circuit for calculating the time ratio so as to reduce a rate of change of the DC current and a control by the second control circuit for adjusting the phase difference so that the DC current approaches the command value are switched based on whether the DC current falls within a target range including the command value.
The power converter according to claim 12.
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