JP2020089088A - Power source device for electric motor vehicle - Google Patents
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Abstract
【課題】 共振インバータのスイッチング周波数を最低限に抑え、且つ変圧器により生じる騒音を抑制することができる電気車用電源装置を提供する。【解決手段】 実施形態に係る電気車用電源装置は、高周波変圧器と、昇圧チョッパと、インバータと、制御回路とを具備する。昇圧チョッパは、直流電源から供給される直流電圧を昇圧する。インバータは、前記昇圧チョッパから供給される直流電圧を用いて、前記高周波変圧器に交流電流を供給する。制御回路は、前記昇圧チョッパと前記インバータとを同期させ、且つ前記昇圧チョッパを、前記インバータのスイッチング周波数の偶数倍のスイッチング周波数でスイッチングさせる。【選択図】 図1A power supply device for an electric vehicle capable of minimizing the switching frequency of a resonance inverter and suppressing noise generated by a transformer. SOLUTION: An electric vehicle power supply device according to an embodiment includes a high-frequency transformer, a step-up chopper, an inverter, and a control circuit. The boost chopper boosts a DC voltage supplied from a DC power supply. The inverter uses the DC voltage supplied from the boost chopper to supply AC current to the high frequency transformer. A control circuit synchronizes the boost chopper and the inverter and causes the boost chopper to switch at a switching frequency that is an even multiple of the switching frequency of the inverter. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明の実施形態は、電気車用電源装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to an electric vehicle power supply device.
電気車(移動体)は、高圧の電車線(例えば架空電車線、または第三軌条など)から供給される直流電圧を、負荷に応じた電圧に変換し、直流電圧を負荷に出力する電源装置を備える。例えば、電気車は、電気車用電源装置として、走行用電動機の駆動用の電源装置と、照明及び空調などの他の機器に電力を供給する補助電源装置とを備える。 An electric vehicle (moving body) is a power supply device that converts a DC voltage supplied from a high-voltage train line (for example, an overhead train line or a third rail) into a voltage according to a load and outputs the DC voltage to the load. Equipped with. For example, an electric vehicle includes, as an electric vehicle power source device, a power source device for driving a traveling electric motor and an auxiliary power source device for supplying electric power to other devices such as lighting and air conditioning.
補助電源装置は、高周波数の交流電流により励磁される高周波変圧器と、電車線からの直流電圧を調整する昇圧チョッパと、昇圧チョッパの出力を高周波数の交流に変換し、高周波変圧器に供給する共振インバータとを備える。このような構成によると、昇圧チョッパ及び共振インバータのスイッチングのタイミングに起因する騒音が生じる可能性があるという課題がある。 The auxiliary power supply device is a high-frequency transformer that is excited by a high-frequency AC current, a step-up chopper that adjusts the DC voltage from the train line, and the output of the step-up chopper is converted to high-frequency AC and supplied to the high-frequency transformer. And a resonant inverter that operates. According to such a configuration, there is a problem that noise may occur due to the switching timing of the boost chopper and the resonance inverter.
本発明が解決しようとする課題は、共振インバータのスイッチング周波数を最低限に抑え、且つ変圧器により生じる騒音を抑制することができる電気車用電源装置を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide an electric vehicle power supply device capable of suppressing the switching frequency of the resonant inverter to a minimum and suppressing the noise generated by the transformer.
実施形態に係る電気車用電源装置は、高周波変圧器と、昇圧チョッパと、インバータと、制御回路とを具備する。昇圧チョッパは、直流電源から供給される直流電圧を昇圧する。インバータは、前記昇圧チョッパから供給される直流電圧を用いて、前記高周波変圧器に交流電流を供給する。制御回路は、前記昇圧チョッパと前記インバータとを同期させ、且つ前記昇圧チョッパを、前記インバータのスイッチング周波数の偶数倍のスイッチング周波数でスイッチングさせる。 The electric vehicle power supply device according to the embodiment includes a high-frequency transformer, a step-up chopper, an inverter, and a control circuit. The boost chopper boosts the DC voltage supplied from the DC power supply. The inverter supplies an alternating current to the high frequency transformer by using the direct current voltage supplied from the boost chopper. The control circuit synchronizes the boost chopper and the inverter, and switches the boost chopper at a switching frequency that is an even multiple of the switching frequency of the inverter.
以下、実施の形態について図面を参照して説明する。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る電気車用電源装置1の構成例を示す説明図である。電気車用電源装置1は、電気車などの移動体に搭載される。電気車用電源装置1は、架空電車線または第三軌条などの電車線2から集電器3を介して直流電力を受け取り、受け取った直流電力を負荷4の定格に応じて変換し、負荷4に供給する。本実施形態では、電気車用電源装置1は、電気車の照明及び空調などの負荷に電力を供給する補助電源装置であるとして説明する。なお、電気車は、走行用電動機を駆動する為の図示されない主電源装置を備える。主電源装置は、電車線2から集電器3を介して受け取った直流電力により、走行用電動機を駆動することにより、電気車に線路5上を走行させる。
Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration example of an electric vehicle power supply device 1 according to the first embodiment. The electric vehicle power supply device 1 is mounted on a moving body such as an electric vehicle. The electric vehicle power supply device 1 receives DC power from an overhead train line or a train line 2 such as a third railroad track via a current collector 3, converts the received DC power according to the rating of the load 4, and converts it into a load 4. Supply. In the present embodiment, the electric vehicle power supply device 1 will be described as an auxiliary power supply device that supplies electric power to a load such as lighting and air conditioning of the electric vehicle. The electric vehicle includes a main power supply device (not shown) for driving the traveling electric motor. The main power supply device causes the electric vehicle to travel on the track 5 by driving the traveling electric motor with the DC power received from the train line 2 via the current collector 3.
補助電源装置としての電気車用電源装置1には、走行用電動機に比べて低圧で動作する機器が接続される。この為、電気車用電源装置1は、電力が入力される1次側と、電力を出力する2次側とが絶縁されている必要がある。 The electric vehicle power supply device 1 as an auxiliary power supply device is connected to a device that operates at a lower voltage than a traveling electric motor. Therefore, in the electric vehicle power source device 1, the primary side to which electric power is input and the secondary side to output electric power need to be insulated.
1次側と2次側との絶縁を確保するために、電磁結合する一対の巻線(コイル)を備える変圧器を用いて、1次側と2次側とを絶縁する変圧器がある。変圧器は、励磁周波数が低くなる程大型化する。例えば、商用電源の周波数に対応する励磁周波数が設定された変圧器では、大型になる。そこで、本実施形態の電気車用電源装置1は、高周波変圧器を用いることにより、1次側と2次側とを絶縁し、且つ小型化を実現する。 In order to ensure insulation between the primary side and the secondary side, there is a transformer that uses a transformer provided with a pair of windings (coils) electromagnetically coupled to insulate the primary side and the secondary side. The transformer becomes larger as the excitation frequency becomes lower. For example, a transformer in which an excitation frequency corresponding to the frequency of a commercial power source is set becomes large. Therefore, the electric vehicle power supply device 1 of the present embodiment uses the high-frequency transformer to insulate the primary side and the secondary side from each other and realize miniaturization.
まず、電気車用電源装置1の構成について説明する。
電気車用電源装置1は、昇圧回路11、電力変換回路12、及び三相インバータ13を備える。また、電気車用電源装置1は、昇圧回路11、電力変換回路12、及び三相インバータ13を制御する制御回路14を備える。
First, the configuration of the electric vehicle power supply device 1 will be described.
The electric vehicle power supply device 1 includes a booster circuit 11, a power conversion circuit 12, and a three-phase inverter 13. The electric vehicle power supply device 1 also includes a control circuit 14 that controls the booster circuit 11, the power conversion circuit 12, and the three-phase inverter 13.
昇圧回路11は、電車線2から集電器3を介して入力された直流電力を昇圧させる。昇圧回路11は、昇圧リアクトルL、第1の昇圧チョッパ21及び第2の昇圧チョッパ22を備える。 The booster circuit 11 boosts the DC power input from the train line 2 via the current collector 3. The booster circuit 11 includes a booster reactor L, a first booster chopper 21 and a second booster chopper 22.
第1の昇圧チョッパ21は、第1のスイッチS1及び第1のダイオードD1を備える。第1の昇圧チョッパ21は、制御回路14の制御に基づいて、第1のスイッチS1をオンオフ制御することにより、昇圧リアクトルLに流れる電流を制御する。これにより、第1の昇圧チョッパ21は、昇圧リアクトルLに蓄えられた電磁エネルギーにより昇圧した直流電圧を出力する。また、第1の昇圧チョッパ21は、出力される直流電圧を安定させるフィルタコンデンサを備えていてもよい。 The first boost chopper 21 includes a first switch S1 and a first diode D1. The first boost chopper 21 controls the current flowing through the boost reactor L by turning on and off the first switch S1 based on the control of the control circuit 14. As a result, the first boost chopper 21 outputs a DC voltage boosted by the electromagnetic energy stored in the boost reactor L. Further, the first boost chopper 21 may include a filter capacitor that stabilizes the output DC voltage.
第2の昇圧チョッパ22は、第2のスイッチS2及び第2のダイオードD2を備える。第2の昇圧チョッパ22は、制御回路14の制御に基づいて、第2のスイッチS2をオンオフ制御することにより、昇圧リアクトルLに流れる電流を制御する。これにより、第2の昇圧チョッパ22は、昇圧リアクトルLに蓄えられた電磁エネルギーにより昇圧した直流電圧を出力する。また、第2の昇圧チョッパ22は、出力される直流電圧を安定させるフィルタコンデンサを備えていてもよい。 The second boost chopper 22 includes a second switch S2 and a second diode D2. The second step-up chopper 22 controls the current flowing through the step-up reactor L by turning on and off the second switch S2 based on the control of the control circuit 14. As a result, the second boost chopper 22 outputs the DC voltage boosted by the electromagnetic energy stored in the boost reactor L. In addition, the second boost chopper 22 may include a filter capacitor that stabilizes the output DC voltage.
電力変換回路12は、昇圧回路11から出力された直流電力を、直流負荷用の電力に変換する。電力変換回路12は、例えば、第1の共振インバータ31、第1の高周波変圧器32、第1の整流器33、第1のコンデンサC1、第2の共振インバータ34、第2の高周波変圧器35、第2の整流器36、及び第2のコンデンサC2を有する。 The power conversion circuit 12 converts the DC power output from the booster circuit 11 into DC load power. The power conversion circuit 12 includes, for example, a first resonant inverter 31, a first high-frequency transformer 32, a first rectifier 33, a first capacitor C1, a second resonant inverter 34, a second high-frequency transformer 35, It has a second rectifier 36 and a second capacitor C2.
第1の共振インバータ31は、第1の昇圧チョッパ21から供給される直流電圧を用いて、第1の高周波変圧器32に交流電流(インバータ電流、または単相交流電流など)を流す回路である。第1の共振インバータ31は、例えば、共振方式単相ハーフブリッジインバータとして構成される。第1の共振インバータ31は、第3のスイッチS3、第4のスイッチS4、第3のコンデンサC3、及び第4のコンデンサC4、を備える。第3のスイッチS3と第4のスイッチS4との接続点、及び第3のコンデンサC3と第4のコンデンサC4との接続点には、第1の高周波変圧器32が接続されている。第1の共振インバータ31は、制御回路14の制御に基づいて、第3のスイッチS3及び第4のスイッチS4をオンオフ制御することにより、第1の高周波変圧器32に交流電流を供給する。なお、第1の共振インバータ31の第3のスイッチS3側を、共振インバータの上アーム、第1の共振インバータ31の第4のスイッチS4側を、共振インバータの下アームと称する。 The first resonant inverter 31 is a circuit that causes an alternating current (inverter current, single-phase alternating current, or the like) to flow in the first high-frequency transformer 32 using the direct-current voltage supplied from the first boost chopper 21. .. The first resonant inverter 31 is configured as, for example, a resonant single-phase half bridge inverter. The first resonant inverter 31 includes a third switch S3, a fourth switch S4, a third capacitor C3, and a fourth capacitor C4. The first high-frequency transformer 32 is connected to the connection point between the third switch S3 and the fourth switch S4 and the connection point between the third capacitor C3 and the fourth capacitor C4. The first resonance inverter 31 supplies an alternating current to the first high-frequency transformer 32 by performing on/off control of the third switch S3 and the fourth switch S4 under the control of the control circuit 14. The third switch S3 side of the first resonant inverter 31 is referred to as the upper arm of the resonant inverter, and the fourth switch S4 side of the first resonant inverter 31 is referred to as the lower arm of the resonant inverter.
第1の高周波変圧器32は、磁束を発生させる1次側の巻線(1次巻線)と、1次巻線と絶縁され、且つ1次巻線に生じた磁束により励磁される2次側の巻線(2次巻線)とを有する絶縁トランスである。第1の高周波変圧器32の1次巻線に第1の共振インバータ31から交流電流が供給された場合、1次巻線に磁束が生じる。1次巻線に生じた磁束は、2次巻線に誘導電流を発生させる。これにより、第1の高周波変圧器32は、1次側から入力された交流電流に応じて、2次側に電力を供給する。 The first high-frequency transformer 32 is a secondary winding (primary winding) that generates a magnetic flux, and a secondary winding that is insulated from the primary winding and is excited by the magnetic flux generated in the primary winding. It is an insulation transformer having a side winding (secondary winding). When an alternating current is supplied from the first resonance inverter 31 to the primary winding of the first high frequency transformer 32, magnetic flux is generated in the primary winding. The magnetic flux generated in the primary winding causes an induced current in the secondary winding. As a result, the first high frequency transformer 32 supplies power to the secondary side according to the alternating current input from the primary side.
第1の整流器33は、第1の高周波変圧器32の2次巻線に生じた電力を整流する回路である。第1の整流器33は、例えば、複数のダイオードが組み合わされた整流ブリッジとして構成される。 The first rectifier 33 is a circuit that rectifies the electric power generated in the secondary winding of the first high frequency transformer 32. The first rectifier 33 is configured, for example, as a rectifying bridge in which a plurality of diodes are combined.
第1のコンデンサC1は、第1の整流器33から供給された正電圧を平滑化する。第1のコンデンサC1は、並列に接続された三相インバータ13に直流電圧を供給する。 The first capacitor C1 smoothes the positive voltage supplied from the first rectifier 33. The first capacitor C1 supplies a DC voltage to the three-phase inverters 13 connected in parallel.
第2の共振インバータ34は、第2の昇圧チョッパ22から供給される直流電圧を用いて、第2の高周波変圧器35に交流電流(インバータ電流、または単相交流電流など)を流す回路である。第2の共振インバータ34は、例えば、共振方式単相ハーフブリッジインバータとして構成される。第2の共振インバータ34は、第5のスイッチS5、第6のスイッチS6、第5のコンデンサC5、及び第6のコンデンサC6、を備える。第5のスイッチS5と第6のスイッチS6との接続点、及び第5のコンデンサC5と第6のコンデンサC6との接続点には、第2の高周波変圧器35が接続されている。第2の共振インバータ34は、制御回路14の制御に基づいて、第5のスイッチS5及び第6のスイッチS6をオンオフ制御することにより、第2の高周波変圧器35に交流電流を供給する。なお、第2の共振インバータ34の第5のスイッチS5側を、共振インバータの上アーム、第2の共振インバータ34の第6のスイッチS6側を、共振インバータの下アームと称する。 The second resonance inverter 34 is a circuit that causes an alternating current (inverter current, single-phase alternating current, or the like) to flow in the second high-frequency transformer 35 using the direct-current voltage supplied from the second boost chopper 22. . The second resonant inverter 34 is configured as, for example, a resonant single-phase half bridge inverter. The second resonant inverter 34 includes a fifth switch S5, a sixth switch S6, a fifth capacitor C5, and a sixth capacitor C6. The second high frequency transformer 35 is connected to a connection point between the fifth switch S5 and the sixth switch S6 and a connection point between the fifth capacitor C5 and the sixth capacitor C6. The second resonance inverter 34 supplies an alternating current to the second high-frequency transformer 35 by controlling on/off of the fifth switch S5 and the sixth switch S6 based on the control of the control circuit 14. The fifth switch S5 side of the second resonant inverter 34 is referred to as the upper arm of the resonant inverter, and the sixth switch S6 side of the second resonant inverter 34 is referred to as the lower arm of the resonant inverter.
第2の高周波変圧器35は、磁束を発生させる1次側の巻線(1次巻線)と、1次巻線と絶縁され、且つ1次巻線に生じた磁束により励磁される2次側の巻線(2次巻線)とを有する絶縁トランスである。第2の高周波変圧器35の1次巻線に第2の共振インバータ34から交流電流が供給された場合、1次巻線に磁束が生じる。1次巻線に生じた磁束は、2次巻線に誘導電流を発生させる。これにより、第2の高周波変圧器35は、1次側から入力された交流電流に応じて、2次側に電力を供給する。 The second high frequency transformer 35 is a secondary winding (primary winding) that generates a magnetic flux, and a secondary winding that is insulated from the primary winding and is excited by the magnetic flux generated in the primary winding. It is an insulation transformer having a side winding (secondary winding). When an alternating current is supplied from the second resonance inverter 34 to the primary winding of the second high frequency transformer 35, magnetic flux is generated in the primary winding. The magnetic flux generated in the primary winding causes an induced current in the secondary winding. As a result, the second high-frequency transformer 35 supplies power to the secondary side according to the alternating current input from the primary side.
第2の整流器36は、第2の高周波変圧器35の2次巻線に生じた電力を整流する回路である。第2の整流器36は、例えば、複数のダイオードが組み合わされた整流ブリッジとして構成される。 The second rectifier 36 is a circuit that rectifies the electric power generated in the secondary winding of the second high frequency transformer 35. The second rectifier 36 is configured, for example, as a rectifying bridge in which a plurality of diodes are combined.
第2のコンデンサC2は、第2の整流器36から供給された正電圧を平滑化する。第2のコンデンサC2は、並列に接続された三相インバータ13に直流電圧を供給する。この構成によると、第1のコンデンサC1及び第2のコンデンサC2からの直流電圧が、三相インバータ13に供給される。 The second capacitor C2 smoothes the positive voltage supplied from the second rectifier 36. The second capacitor C2 supplies a DC voltage to the three-phase inverter 13 connected in parallel. With this configuration, the DC voltage from the first capacitor C1 and the second capacitor C2 is supplied to the three-phase inverter 13.
三相インバータ13は、直流電力を交流電力(三相交流電力)に変換し、負荷4に出力する。三相インバータ13は、制御回路14によりオンオフが制御される複数のスイッチを備える。三相インバータ13は、制御回路14により複数のスイッチがオンオフされることにより、3つの端子から、互いに位相が120度異なる3相交流電力を出力する。 The three-phase inverter 13 converts DC power into AC power (three-phase AC power) and outputs the AC power to the load 4. The three-phase inverter 13 includes a plurality of switches whose on/off is controlled by the control circuit 14. The three-phase inverter 13 outputs three-phase AC power whose phases are different from each other by 120 degrees from each other by turning on and off a plurality of switches by the control circuit 14.
制御回路14は、昇圧回路11、電力変換回路12、及び三相インバータ13を制御する。制御回路14は、例えばパルス信号を生成する論理回路として構成される。また、制御回路14は、演算処理を実行する演算素子であるプロセッサと、プログラム及びプログラムで用いられるデータなどを記憶するメモリとを備え、プロセッサがプログラムを実行することにより、パルス信号を生成する構成であってもよい。 The control circuit 14 controls the booster circuit 11, the power conversion circuit 12, and the three-phase inverter 13. The control circuit 14 is configured as a logic circuit that generates a pulse signal, for example. Further, the control circuit 14 includes a processor that is an arithmetic element that executes arithmetic processing, and a memory that stores a program and data used in the program, and the processor executes the program to generate a pulse signal. May be
制御回路14は、パルス信号を昇圧回路11、電力変換回路12、及び三相インバータ13にそれぞれ入力することにより、昇圧回路11、電力変換回路12、及び三相インバータ13の動作を制御する。例えば、制御回路14は、図示されない電流検出器、または電圧検出器の検出結果に基づいて、パルス信号のオンオフデューティ比を調整するPWM制御を行う。これにより、制御回路14は、昇圧回路11の出力、電力変換回路12の出力、及び三相インバータ13の出力をそれぞれ調整する。 The control circuit 14 controls the operations of the booster circuit 11, the power conversion circuit 12, and the three-phase inverter 13 by inputting the pulse signal to the booster circuit 11, the power conversion circuit 12, and the three-phase inverter 13, respectively. For example, the control circuit 14 performs PWM control for adjusting the ON/OFF duty ratio of the pulse signal based on the detection result of a current detector or a voltage detector (not shown). As a result, the control circuit 14 adjusts the output of the booster circuit 11, the output of the power conversion circuit 12, and the output of the three-phase inverter 13, respectively.
制御回路14は、上記したように、第1の共振インバータ31及び第2の共振インバータ34にパルス信号を供給する。これにより、制御回路14は、電車線2から供給される直流電力を交流電力に変換させ、第1の共振インバータ31及び第2の共振インバータ34のそれぞれからインバータ電流を出力させる。 As described above, the control circuit 14 supplies the pulse signal to the first resonant inverter 31 and the second resonant inverter 34. As a result, the control circuit 14 converts the DC power supplied from the electric power line 2 into AC power, and outputs inverter currents from the first resonant inverter 31 and the second resonant inverter 34, respectively.
また、電車線2から供給される直流電圧が安定しない場合がある。そこで、制御回路14は、昇圧回路11の第1の昇圧チョッパ21及び第2の昇圧チョッパ22にパルス信号を供給する。これにより、制御回路14は、第1の共振インバータ31及び第2の共振インバータ34に安定した直流電圧が供給されるように制御する。 In addition, the DC voltage supplied from the train line 2 may not be stable. Therefore, the control circuit 14 supplies a pulse signal to the first boost chopper 21 and the second boost chopper 22 of the boost circuit 11. Thereby, the control circuit 14 controls so that the stable DC voltage is supplied to the first resonance inverter 31 and the second resonance inverter 34.
なお、第1の共振インバータ31及び第2の共振インバータ34は、第1の共振インバータ31及び第2の共振インバータ34から第1の高周波変圧器32及び第2の高周波変圧器35にそれぞれ供給されるインバータ電流の周波数(基本周波数)と同じスイッチング周波数で動作する。基本周波数は、第1の高周波変圧器32及び第2の高周波変圧器35の励磁周波数により決まる。また、制御回路14から第1の共振インバータ31及び第2の共振インバータ34に供給されるパルス信号のパルス幅(オンオフデューティ比)は常に一定である。 The first resonant inverter 31 and the second resonant inverter 34 are supplied from the first resonant inverter 31 and the second resonant inverter 34 to the first high frequency transformer 32 and the second high frequency transformer 35, respectively. It operates at the same switching frequency as the frequency of the inverter current (fundamental frequency). The fundamental frequency is determined by the excitation frequencies of the first high frequency transformer 32 and the second high frequency transformer 35. Further, the pulse width (on/off duty ratio) of the pulse signal supplied from the control circuit 14 to the first resonant inverter 31 and the second resonant inverter 34 is always constant.
次に、昇圧チョッパの動作と、インバータ電流との関係について説明する。
図2及び図3は、昇圧回路11の昇圧チョッパのオンオフタイミングと、昇圧チョッパの出力電圧と、共振インバータから高周波変圧器に供給されるインバータ電流との関係について説明する為の説明図である。なお、第1の昇圧チョッパ21と第2の昇圧チョッパ22、及び第1の共振インバータ31と第2の共振インバータ34とは同じ構成である。このため、第1の昇圧チョッパ21の動作タイミング(チョッパオンオフタイミング)、第1の昇圧チョッパ21の出力電圧(チョッパ出力電圧)、及び第1の共振インバータ31から第1の高周波変圧器32に供給される交流電流(インバータ電流)の例について説明する。
Next, the relationship between the operation of the boost chopper and the inverter current will be described.
2 and 3 are explanatory diagrams for explaining the relationship between the on/off timing of the boost chopper of the booster circuit 11, the output voltage of the boost chopper, and the inverter current supplied from the resonant inverter to the high frequency transformer. The first boost chopper 21 and the second boost chopper 22, and the first resonant inverter 31 and the second resonant inverter 34 have the same configuration. Therefore, the operation timing of the first step-up chopper 21 (chopper on/off timing), the output voltage of the first step-up chopper 21 (chopper output voltage), and the first resonance inverter 31 supply the first high-frequency transformer 32. An example of the generated alternating current (inverter current) will be described.
図2のグラフ41は、第1の昇圧チョッパ21を第1の共振インバータ31と同期させ、且つ第1の昇圧チョッパ21を第1の共振インバータ31と同じスイッチング周波数で動作させた場合の例を示す。この場合、第1の昇圧チョッパ21は、第1の共振インバータ31が正側の電流を発生させている時にオンになる。第1の昇圧チョッパ21のチョッパ出力電圧は、第1の共振インバータ31が負側の電流を発生させている時に比べて高くなる。第1の共振インバータ31は、上記したように、常に一定のパルス幅のパルス信号により制御される。この為、第1の共振インバータ31は、出力電圧を調整することができない。この為、第1の昇圧チョッパ21から供給されるチョッパ出力電圧が低下する場合、第1の共振インバータ31から第1の高周波変圧器32に供給されるインバータ電流も減少する。この結果、インバータ電流は、正側の振幅と負側の振幅とが不平衡となる。 The graph 41 of FIG. 2 shows an example in which the first boost chopper 21 is synchronized with the first resonant inverter 31 and the first boost chopper 21 is operated at the same switching frequency as that of the first resonant inverter 31. Show. In this case, the first boost chopper 21 is turned on when the first resonant inverter 31 is generating a positive current. The chopper output voltage of the first boost chopper 21 becomes higher than that when the first resonant inverter 31 is generating a negative current. As described above, the first resonance inverter 31 is always controlled by the pulse signal having the constant pulse width. Therefore, the first resonant inverter 31 cannot adjust the output voltage. Therefore, when the chopper output voltage supplied from the first boost chopper 21 decreases, the inverter current supplied from the first resonant inverter 31 to the first high frequency transformer 32 also decreases. As a result, the positive and negative amplitudes of the inverter current are unbalanced.
このように、インバータ電流の正側の振幅と負側の振幅とが不平衡になる場合、共振インバータの励磁周波数成分が、磁歪騒音として発生する。また、インバータ電流の正側の振幅と負側の振幅とが一致しない場合、インバータ電流に直流成分が含まれることになる。この結果、偏磁が生じる。 In this way, when the positive side amplitude and the negative side amplitude of the inverter current are unbalanced, the excitation frequency component of the resonant inverter is generated as magnetostrictive noise. Further, when the positive-side amplitude and the negative-side amplitude of the inverter current do not match, the inverter current contains a DC component. As a result, magnetic bias occurs.
図3のグラフ42は、第1の昇圧チョッパ21を第1の共振インバータ31と同期させ、且つ第1の昇圧チョッパ21を第1の共振インバータ31の偶数倍(本例では2倍)のスイッチング周波数で動作させた場合の例を示す。 The graph 42 of FIG. 3 shows that the first boost chopper 21 is synchronized with the first resonant inverter 31 and the first boost chopper 21 is switched at an even multiple (twice in this example) of the first resonant inverter 31. An example of operating at a frequency is shown.
この場合、第1の昇圧チョッパ21の出力電圧の脈動が、第1の共振インバータ31の半周期毎に完結する。この為、第1の昇圧チョッパ21のチョッパ出力電圧は、第1の共振インバータ31が正側の電流を発生させている時と、第1の共振インバータ31が負側の電流を発生させている時とで同等になる。この為、第1の共振インバータ31から第1の高周波変圧器32に供給されるインバータ電流の正側の振幅と負側の振幅とが一致する。 In this case, the pulsation of the output voltage of the first boost chopper 21 is completed every half cycle of the first resonant inverter 31. Therefore, the chopper output voltage of the first step-up chopper 21 is when the first resonant inverter 31 is generating a positive side current and when the first resonant inverter 31 is generating a negative side current. It is the same as time. Therefore, the positive-side amplitude and the negative-side amplitude of the inverter current supplied from the first resonance inverter 31 to the first high-frequency transformer 32 match.
このように、制御回路14は、第1の高周波変圧器32に供給されるインバータ電流の正側の振幅と負側の振幅とが一致するように、第1の昇圧チョッパ21及び第1の共振インバータ31を制御することにより、磁歪騒音を低減させることができる。また、偏磁が生じることを防ぐことができる。 In this way, the control circuit 14 controls the first boost chopper 21 and the first resonance so that the positive-side amplitude and the negative-side amplitude of the inverter current supplied to the first high-frequency transformer 32 match. By controlling the inverter 31, magnetostrictive noise can be reduced. Further, it is possible to prevent the occurrence of magnetic bias.
第1の共振インバータ31から第1の高周波変圧器32に供給されるインバータ電流の正側の振幅と負側の振幅とが一致する場合、第1の共振インバータ31のスイッチング周波数の二倍の周波数の騒音が生じる。この騒音の周波数が、人間の可聴域を外れた高周波にすることにより、低騒音化を実現することができる。即ち、共振インバータのスイッチング周波数を、人間の可聴域の上限に基づいて設定された閾値以上に設定し、昇圧チョッパのスイッチング周波数を共振インバータのスイッチング周波数の偶数倍に設定することにより、変圧器により生じる騒音を低減することができる。 When the positive-side amplitude and the negative-side amplitude of the inverter current supplied from the first resonance inverter 31 to the first high-frequency transformer 32 match, the switching frequency of the first resonance inverter 31 is twice the frequency. Noise. By reducing the frequency of this noise to a high frequency outside the audible range of human beings, noise reduction can be realized. That is, the switching frequency of the resonant inverter is set to be equal to or higher than the threshold value set based on the upper limit of the human audible range, and the switching frequency of the boost chopper is set to an even multiple of the switching frequency of the resonant inverter. The generated noise can be reduced.
人間の可聴域の上限は、種々の要因により個人差があるものの、概ね15kHz乃至16kHzの間である。この為、共振インバータのスイッチング周波数を、人間の可聴域の上限の半分である8kHz以上に設定し、昇圧チョッパのスイッチング周波数を共振インバータのスイッチング周波数(基本周波数)の偶数倍である16kHz以上に設定することにより、変圧器により生じる騒音を低減することができる。即ち、上記の閾値を、8kHz以上に設定することにより、共振インバータのスイッチング周波数を最低限に抑え、且つ変圧器により生じる騒音を抑制することができる。 The upper limit of the human audible range is generally between 15 kHz and 16 kHz, although there are individual differences due to various factors. Therefore, the switching frequency of the resonant inverter is set to 8 kHz or higher, which is half the upper limit of the human audible range, and the switching frequency of the boost chopper is set to 16 kHz or higher, which is an even multiple of the switching frequency (fundamental frequency) of the resonant inverter. By doing so, noise generated by the transformer can be reduced. That is, by setting the above threshold to 8 kHz or more, the switching frequency of the resonant inverter can be minimized and the noise generated by the transformer can be suppressed.
次に、図4乃至図6を参照し、制御回路14が、昇圧チョッパ及び共振インバータを動作させる為の構成について説明する。 Next, a configuration for the control circuit 14 to operate the boost chopper and the resonant inverter will be described with reference to FIGS. 4 to 6.
図4は、制御回路14の具体的な構成例について説明する為の説明図である。図5は、第1の昇圧チョッパ21及び第2の昇圧チョッパ22を第1の共振インバータ31及び第2の共振インバータ34とそれぞれ同期させ、且つ第1の昇圧チョッパ21及び第2の昇圧チョッパ22を第1の共振インバータ31及び第2の共振インバータ34と同じスイッチング周波数で動作させる例について説明する為の説明図である。図6は、第1の昇圧チョッパ21及び第2の昇圧チョッパ22を第1の共振インバータ31及び第2の共振インバータ34と同期させ、且つ第1の昇圧チョッパ21及び第2の昇圧チョッパ22を第1の共振インバータ31及び第2の共振インバータ34のスイッチング周波数の偶数倍(本例では2倍)のスイッチング周波数で動作させる為の構成について説明する為の説明図である。 FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining a specific configuration example of the control circuit 14. FIG. 5 shows that the first boost chopper 21 and the second boost chopper 22 are synchronized with the first resonant inverter 31 and the second resonant inverter 34, respectively, and the first boost chopper 21 and the second boost chopper 22 are also provided. FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining an example in which the first resonance inverter 31 and the second resonance inverter 34 are operated at the same switching frequency. In FIG. 6, the first boost chopper 21 and the second boost chopper 22 are synchronized with the first resonant inverter 31 and the second resonant inverter 34, and the first boost chopper 21 and the second boost chopper 22 are connected. It is explanatory drawing for demonstrating the structure for operating with the switching frequency of the even-numbered multiple (two times in this example) of the switching frequency of the 1st resonance inverter 31 and the 2nd resonance inverter 34.
図4の例では、制御回路14が、アナログ回路として構成されている例について説明するが、制御回路14は、図4のアナログ回路と同等の処理を行うプログラムが記憶されたメモリと、メモリのプログラムを実行するプロセッサとにより構成されていてもよい。 In the example of FIG. 4, an example in which the control circuit 14 is configured as an analog circuit will be described. However, the control circuit 14 includes a memory in which a program that performs processing equivalent to that of the analog circuit in FIG. It may be configured by a processor that executes a program.
制御回路14は、第1の比較器51、第2の比較器52、第1のオンタイムディレイ(ONTD)回路53、第2のONTD回路54、及びNOT回路55を備える。また、制御回路14には、図5及び図6に示される第1の搬送波61、第2の搬送波62、電圧指令63、及び固定値64が入力される。 The control circuit 14 includes a first comparator 51, a second comparator 52, a first on-time delay (ONTD) circuit 53, a second ONTD circuit 54, and a NOT circuit 55. Further, the first carrier wave 61, the second carrier wave 62, the voltage command 63, and the fixed value 64 shown in FIGS. 5 and 6 are input to the control circuit 14.
第1の搬送波61及び第2の搬送波62は、電気車の運転台、電気車の走行を制御する制御装置、または他の搬送波を出力する回路から供給される三角波である。なお、制御回路14は、第1の搬送波61及び第2の搬送波62を自身で生成する構成であってもよい。また、図5の例では、第1の搬送波61及び第2の搬送波62は、同じ周波数となっている。 The first carrier wave 61 and the second carrier wave 62 are triangular waves supplied from a driver's cab of an electric vehicle, a control device that controls traveling of the electric vehicle, or a circuit that outputs another carrier wave. The control circuit 14 may be configured to generate the first carrier wave 61 and the second carrier wave 62 by itself. Further, in the example of FIG. 5, the first carrier wave 61 and the second carrier wave 62 have the same frequency.
電圧指令63は、電気車の運転台、または電気車の走行を制御する制御装置から供給される制御信号(電圧値)である。 The voltage command 63 is a control signal (voltage value) supplied from a driver's cab of an electric vehicle or a control device that controls traveling of the electric vehicle.
固定値64は、電気車の運転台、電気車の走行を制御する制御装置、または他の固定値を出力する回路から供給される信号(電圧値)三角波である。 The fixed value 64 is a signal (voltage value) triangular wave supplied from a driver's cab of an electric vehicle, a control device that controls running of the electric vehicle, or another circuit that outputs a fixed value.
制御回路14の第1の比較器51には、第1の搬送波61及び電圧指令63が入力される。第1の比較器51は、第1の搬送波61と電圧指令63との比較結果を、昇圧チョッパをオンオフさせる為の信号(昇圧チョッパオンオフ指令)として、第1の昇圧チョッパ21及び第2の昇圧チョッパ22に出力する。具体的には、第1の比較器51は、電圧指令63が第1の搬送波61以上であるタイミングで、昇圧チョッパをオンにし、電圧指令63が第1の搬送波61未満であるタイミングで、昇圧チョッパをオフにする昇圧チョッパオンオフ指令を出力する。 The first carrier wave 61 and the voltage command 63 are input to the first comparator 51 of the control circuit 14. The first comparator 51 uses the result of comparison between the first carrier wave 61 and the voltage command 63 as a signal for turning on/off the boost chopper (boost chopper on/off command), and the first boost chopper 21 and the second booster. Output to the chopper 22. Specifically, the first comparator 51 turns on the boost chopper at the timing when the voltage command 63 is the first carrier wave 61 or more, and boosts at the timing when the voltage command 63 is less than the first carrier wave 61. Outputs a boost chopper on/off command to turn off the chopper.
制御回路14の第2の比較器52には、第2の搬送波62及び固定値64が入力される。第2の比較器52は、第2の搬送波62と固定値64との比較結果を出力する。なお、固定値64は、第2の搬送波62の最大値の半分の値になるように設定される。これにより、第2の比較器52の出力信号のオンオフデューティ比が50%に制御される。 The second carrier wave 62 and the fixed value 64 are input to the second comparator 52 of the control circuit 14. The second comparator 52 outputs the comparison result of the second carrier wave 62 and the fixed value 64. The fixed value 64 is set to be half the maximum value of the second carrier wave 62. As a result, the on/off duty ratio of the output signal of the second comparator 52 is controlled to 50%.
制御回路14の第1のONTD回路53には、第2の比較器52の出力信号が入力される。第1のONTD回路53は、第2の比較器52の出力信号のオフからオンになるタイミングを遅らせて出力する。第1のONTD回路53から出力される信号は、第1の共振インバータ31及び第2の共振インバータ34の上アームのスイッチをオンオフさせる為の信号(共振インバータ上アームオンオフ指令)である。第1のONTD回路53は、第1の共振インバータ31及び第2の共振インバータ34に、共振インバータ上アームオンオフ指令を供給する。 The output signal of the second comparator 52 is input to the first ONTD circuit 53 of the control circuit 14. The first ONTD circuit 53 delays the timing of turning on the output signal of the second comparator 52 and outputs it. The signal output from the first ONTD circuit 53 is a signal (resonant inverter upper arm on/off command) for turning on/off the switches of the upper arms of the first resonant inverter 31 and the second resonant inverter 34. The first ONTD circuit 53 supplies a resonance inverter upper arm ON/OFF command to the first resonance inverter 31 and the second resonance inverter 34.
制御回路14の第2のONTD回路54には、第2の比較器52の出力信号が、NOT回路55により反転された信号が入力される。第2のONTD回路54は、入力された信号のオフからオンになるタイミングを遅らせて出力する。第2のONTD回路54から出力される信号は、第1の共振インバータ31及び第2の共振インバータ34の下アームのスイッチをオンオフさせる為の信号(共振インバータ下アームオンオフ指令)である。第2のONTD回路54は、第1の共振インバータ31及び第2の共振インバータ34に、共振インバータ下アームオンオフ指令を供給する。 A signal obtained by inverting the output signal of the second comparator 52 by the NOT circuit 55 is input to the second ONTD circuit 54 of the control circuit 14. The second ONTD circuit 54 delays the timing at which the input signal is turned on and then outputs the delayed signal. The signal output from the second ONTD circuit 54 is a signal (resonant inverter lower arm on/off command) for turning on/off the switches of the lower arms of the first resonant inverter 31 and the second resonant inverter 34. The second ONTD circuit 54 supplies a resonance inverter lower arm ON/OFF command to the first resonance inverter 31 and the second resonance inverter 34.
上記した構成により、制御回路14は、昇圧チョッパを共振インバータと同期させ、且つ昇圧チョッパを共振インバータと同じスイッチング周波数で動作させることができる。昇圧チョッパを共振インバータのスイッチング周波数の偶数倍のスイッチング周波数で動作させるためには、図6に示されるように第1の搬送波61の周波数が、第2の搬送波62の周波数に対して偶数倍であればよい。 With the above configuration, the control circuit 14 can synchronize the boost chopper with the resonant inverter and operate the boost chopper at the same switching frequency as the resonant inverter. In order to operate the boost chopper at a switching frequency that is an even multiple of the switching frequency of the resonant inverter, as shown in FIG. 6, the frequency of the first carrier wave 61 is an even multiple of the frequency of the second carrier wave 62. I wish I had it.
上記のように、第1の実施形態の電気車用電源装置1は、高周波変圧器と、直流電源から供給される直流電圧を昇圧する昇圧チョッパと、昇圧チョッパから供給される直流電圧を用いて、高周波変圧器に交流電流(インバータ電流)を流す共振インバータと、制御回路14とを備える。制御回路14は、昇圧チョッパと共振インバータとを同期させ、且つ昇圧チョッパを共振インバータのスイッチング周波数の偶数倍のスイッチング周波数でスイッチングさせる。これにより、電気車用電源装置1は、磁歪騒音を低減させ、且つ偏磁が生じることを防ぐことができる。 As described above, the electric vehicle power source device 1 according to the first embodiment uses the high-frequency transformer, the step-up chopper for stepping up the DC voltage supplied from the DC power source, and the DC voltage supplied from the step-up chopper. A resonance inverter for supplying an alternating current (inverter current) to the high frequency transformer, and a control circuit 14. The control circuit 14 synchronizes the boost chopper and the resonant inverter, and switches the boost chopper at a switching frequency that is an even multiple of the switching frequency of the resonant inverter. As a result, the electric vehicle power source device 1 can reduce the magnetostrictive noise and prevent the occurrence of magnetic bias.
また、制御回路14は、共振インバータのスイッチング周波数を、予め設定された閾値以上の値に設定する。これにより、高周波変圧器において生じる騒音の周波数をコントロールすることができる。 Further, the control circuit 14 sets the switching frequency of the resonant inverter to a value equal to or higher than a preset threshold value. Thereby, the frequency of noise generated in the high frequency transformer can be controlled.
また、制御回路14は、閾値を、人間の可聴域の上限に基づいて設定する。これにより、高周波変圧器において生じる騒音が、人間の可聴域を外れた音になるようにコントロールすることができる。 The control circuit 14 also sets the threshold value based on the upper limit of the human audible range. As a result, the noise generated in the high frequency transformer can be controlled so as to be out of the human audible range.
また、制御回路14は、閾値を、人間の可聴域の上限の半分である8kHz以上に設定し、昇圧チョッパのスイッチング周波数を共振インバータのスイッチング周波数の偶数倍である16kHz以上に設定する。これにより、高周波変圧器により生じる騒音が、人間の可聴域を外れた音になるようにコントロールすることができる。 Further, the control circuit 14 sets the threshold value to 8 kHz or higher, which is half the upper limit of the human audible range, and sets the switching frequency of the boost chopper to 16 kHz or higher, which is an even multiple of the switching frequency of the resonant inverter. As a result, the noise generated by the high frequency transformer can be controlled so as to be out of the human audible range.
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態に係る電気車用電源装置1Aについて説明する。
電気車用電源装置1Aは、昇圧回路及び制御回路の構成が第1の実施形態に係る電気車用電源装置1と異なる。なお、第1の実施形態と同様の構成には、同じ参照符号を付し、詳細な説明を省略する。
(Second embodiment)
Next, the electric vehicle power supply device 1A according to the second embodiment will be described.
The electric vehicle power source device 1A is different from the electric vehicle power source device 1 according to the first embodiment in the configuration of the booster circuit and the control circuit. The same components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted.
図7は、第2の実施形態に係る電気車用電源装置1Aの例について説明する為の説明図である。電気車用電源装置1Aは、昇圧回路11A、電力変換回路12、三相インバータ13、及び制御回路14Aを備える。 FIG. 7 is an explanatory diagram for describing an example of the electric vehicle power source device 1A according to the second embodiment. The electric vehicle power supply device 1A includes a booster circuit 11A, a power conversion circuit 12, a three-phase inverter 13, and a control circuit 14A.
昇圧回路11Aは、2つの昇圧リアクトルLと、第1の昇圧チョッパ21と、第2の昇圧チョッパ22とを備える。2つの昇圧リアクトルLは、それぞれ集電器3に対して並列に接続されている。第1の昇圧チョッパ21及び第2の昇圧チョッパ22は、各昇圧リアクトルLの後段に接続されている。また、第1の昇圧チョッパ21に対して第1の共振インバータ31及び第2の共振インバータ34が並列に接続され、且つ第2の昇圧チョッパ22に対して第1の共振インバータ31及び第2の共振インバータ34が並列に接続されている。即ち、昇圧回路11Aは、集電器3と、第1の共振インバータ31及び第2の共振インバータ34との間に、第1の昇圧チョッパ21と第2の昇圧チョッパ22とが並列に接続された構成を備える。 The booster circuit 11A includes two booster reactors L, a first booster chopper 21, and a second booster chopper 22. The two boosting reactors L are connected in parallel to the collector 3. The first boost chopper 21 and the second boost chopper 22 are connected to the rear stage of each boost reactor L. Further, the first resonant inverter 31 and the second resonant inverter 34 are connected in parallel to the first boost chopper 21, and the first resonant inverter 31 and the second resonant inverter 31 are connected to the second boost chopper 22. The resonant inverter 34 is connected in parallel. That is, in the booster circuit 11A, the first boost chopper 21 and the second boost chopper 22 are connected in parallel between the current collector 3 and the first resonant inverter 31 and the second resonant inverter 34. With configuration.
次に、図8及び図9を参照し、制御回路14Aが、昇圧チョッパ及び共振インバータを動作させる為の構成について説明する。 Next, the configuration for the control circuit 14A to operate the boost chopper and the resonant inverter will be described with reference to FIGS. 8 and 9.
図8は、制御回路14Aの具体的な構成例について説明する為の説明図である。図9は、圧チョッパ及び共振インバータを動作させる例について説明する為の説明図である。 FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining a specific configuration example of the control circuit 14A. FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining an example of operating the pressure chopper and the resonance inverter.
図8の例では、制御回路14Aが、アナログ回路として構成されている例について説明するが、制御回路14Aは、図8のアナログ回路と同等の処理を行うプログラムが記憶されたメモリと、メモリのプログラムを実行するプロセッサとにより構成されていてもよい。 In the example of FIG. 8, an example in which the control circuit 14A is configured as an analog circuit will be described. However, the control circuit 14A includes a memory in which a program that performs processing equivalent to that of the analog circuit in FIG. It may be configured by a processor that executes a program.
制御回路14Aは、第2の比較器52、第1のONTD回路53、第2のONTD回路54、NOT回路55、第3の比較器56A、及び第4の比較器57Aを備える。また、制御回路14Aには、図9に示される第3の搬送波65A、第4の搬送波66A、電圧指令63、及び固定値64が入力される。また、制御回路14Aの第2の比較器52には、図5及び図6に示される第2の搬送波62が入力される。なお、第2の比較器52には、第3の搬送波65Aまたは第4の搬送波66Aが入力される構成であってもよい。 The control circuit 14A includes a second comparator 52, a first ONTD circuit 53, a second ONTD circuit 54, a NOT circuit 55, a third comparator 56A, and a fourth comparator 57A. Further, the third carrier wave 65A, the fourth carrier wave 66A, the voltage command 63, and the fixed value 64 shown in FIG. 9 are input to the control circuit 14A. The second carrier wave 62 shown in FIGS. 5 and 6 is input to the second comparator 52 of the control circuit 14A. The second comparator 52 may be configured to receive the third carrier wave 65A or the fourth carrier wave 66A.
第3の搬送波65A及び第4の搬送波66Aは、電気車の運転台、電気車の走行を制御する制御装置、または他の搬送波を出力する回路から供給される三角波である。なお、制御回路14Aは、第3の搬送波65A及び第4の搬送波66Aを自身で生成する構成であってもよい。例えば、第3の搬送波65A及び第4の搬送波66Aは、第2の搬送波62と同じ周波数である。図9の例では、第3の搬送波65A及び第4の搬送波66Aは、同じ周波数であり、位相が異なる三角波として構成されている。また、図9の例では、第3の搬送波65A及び第4の搬送波66Aは、位相が180度異なる三角波として構成されている。 The third carrier wave 65A and the fourth carrier wave 66A are triangular waves supplied from a driver's cab of an electric vehicle, a control device for controlling traveling of the electric vehicle, or a circuit for outputting another carrier wave. The control circuit 14A may be configured to generate the third carrier wave 65A and the fourth carrier wave 66A by itself. For example, the third carrier wave 65A and the fourth carrier wave 66A have the same frequency as the second carrier wave 62. In the example of FIG. 9, the third carrier wave 65A and the fourth carrier wave 66A are configured as triangular waves having the same frequency and different phases. Further, in the example of FIG. 9, the third carrier wave 65A and the fourth carrier wave 66A are configured as triangular waves whose phases are different by 180 degrees.
制御回路14Aの第3の比較器56Aには、第3の搬送波65A及び電圧指令63が入力される。第3の比較器56Aは、第3の搬送波65Aと電圧指令63との比較結果を、第1の昇圧チョッパ21をオンオフさせる為の信号(昇圧チョッパオンオフ指令)として、第1の昇圧チョッパ21に出力する。具体的には、第3の比較器56Aは、電圧指令63が第3の搬送波65A以上であるタイミングで、第1の昇圧チョッパ21をオンにし、電圧指令63が第3の搬送波65A未満であるタイミングで、第1の昇圧チョッパ21をオフにする昇圧チョッパオンオフ指令を、第1の昇圧チョッパ21に出力する。 The third carrier 56A and the voltage command 63 are input to the third comparator 56A of the control circuit 14A. The third comparator 56A sends the result of comparison between the third carrier wave 65A and the voltage command 63 to the first boost chopper 21 as a signal for turning on and off the first boost chopper 21 (boost chopper on/off command). Output. Specifically, the third comparator 56A turns on the first boost chopper 21 at the timing when the voltage command 63 is equal to or higher than the third carrier wave 65A, and the voltage command 63 is less than the third carrier wave 65A. At a timing, a boost chopper on/off command for turning off the first boost chopper 21 is output to the first boost chopper 21.
制御回路14Aの第4の比較器57Aには、第4の搬送波66A及び電圧指令63が入力される。第4の比較器57Aは、第4の搬送波66Aと電圧指令63との比較結果を、第2の昇圧チョッパ22をオンオフさせる為の信号(昇圧チョッパオンオフ指令)として、第2の昇圧チョッパ22に出力する。具体的には、第4の比較器57Aは、電圧指令63が第4の搬送波66A以上であるタイミングで、第2の昇圧チョッパ22をオンにし、電圧指令63が第4の搬送波66A未満であるタイミングで、第2の昇圧チョッパ22をオフにする昇圧チョッパオンオフ指令を、第2の昇圧チョッパ22に出力する。 The fourth carrier wave 66A and the voltage command 63 are input to the fourth comparator 57A of the control circuit 14A. The fourth comparator 57A sends the result of comparison between the fourth carrier 66A and the voltage command 63 to the second boost chopper 22 as a signal (step-up chopper on/off command) for turning on/off the second boost chopper 22. Output. Specifically, the fourth comparator 57A turns on the second boost chopper 22 at the timing when the voltage command 63 is equal to or higher than the fourth carrier wave 66A, and the voltage command 63 is less than the fourth carrier wave 66A. At a timing, a boost chopper on/off command for turning off the second boost chopper 22 is output to the second boost chopper 22.
上記した構成によると、第1の昇圧チョッパ21と、第2の昇圧チョッパ22とが交互にオンされる。この結果、昇圧回路11Aは、第3の搬送波65A及び第4の搬送波66Aの周波数の2倍のスイッチング周波数を得ることができる。即ち、第1の共振インバータ31及び第2の共振インバータ34の出力電流と同じ周波数の搬送波に基づいて、第1の昇圧チョッパ21及び第2の昇圧チョッパ22が制御された場合であっても、第1の昇圧チョッパ21及び第2の昇圧チョッパ22の出力電圧の脈動は、第1の共振インバータ31及び第2の共振インバータ34の出力電流の周波数の2倍の周波数になる。 According to the above configuration, the first boost chopper 21 and the second boost chopper 22 are alternately turned on. As a result, the booster circuit 11A can obtain a switching frequency that is twice the frequency of the third carrier wave 65A and the fourth carrier wave 66A. That is, even when the first boost chopper 21 and the second boost chopper 22 are controlled based on the carrier wave having the same frequency as the output currents of the first resonant inverter 31 and the second resonant inverter 34, The pulsation of the output voltage of the first boost chopper 21 and the second boost chopper 22 is twice the frequency of the output current of the first resonant inverter 31 and the second resonant inverter 34.
上記したように、第2の実施形態の電気車用電源装置1Aは、1対の高周波変圧器と、直流電源から供給される直流電圧を昇圧し、且つ直流電源と1対の高周波変圧器との間に並列に接続された1対の昇圧チョッパと、1対の昇圧チョッパから供給される直流電圧を用いて、各高周波変圧器に交流電流を供給する1対の共振インバータとを備える。電気車用電源装置1Aの制御回路14Aは、昇圧チョッパと共振インバータとの組合せ毎に同期させ、1対の昇圧チョッパを異なる位相でスイッチングさせ、昇圧チョッパを共振インバータのスイッチング周波数の整数倍のスイッチング周波数でスイッチングさせる。これにより、電気車用電源装置1Aは、磁歪騒音を低減させ、且つ偏磁が生じることを防ぐことができる。 As described above, the electric vehicle power source device 1A of the second embodiment includes a pair of high frequency transformers, a DC voltage boosted from a DC power source, and a DC power source and a pair of high frequency transformers. A pair of step-up choppers connected in parallel between the two and a pair of resonant inverters that supply an alternating current to each high-frequency transformer by using a DC voltage supplied from the pair of step-up choppers. The control circuit 14A of the electric vehicle power supply device 1A synchronizes each combination of the step-up chopper and the resonant inverter to switch the pair of step-up choppers at different phases, and switch the step-up chopper to an integral multiple of the switching frequency of the resonant inverter. Switching at frequency. As a result, the electric vehicle power source device 1A can reduce the magnetostrictive noise and prevent the occurrence of magnetic bias.
また、制御回路14Aは、2つの昇圧チョッパを、180度位相をずらしてスイッチングさせる。これにより、昇圧回路11Aの出力電圧の脈動が、第1の共振インバータ31及び第2の共振インバータ34のスイッチングの周期の半分(半周期)毎に完結する。この為、第1の共振インバータ31及び第2の共振インバータ34の出力電流の正側振幅と負側振幅とが一致する。この結果、電気車用電源装置1Aは、磁歪騒音を低減させ、且つ偏磁が生じることを防ぐことができる。 Further, the control circuit 14A switches the two boosting choppers by shifting their phases by 180 degrees. As a result, the pulsation of the output voltage of the booster circuit 11A is completed every half (half cycle) of the switching cycle of the first resonant inverter 31 and the second resonant inverter 34. Therefore, the positive side amplitude and the negative side amplitude of the output currents of the first resonance inverter 31 and the second resonance inverter 34 match. As a result, the electric vehicle power source device 1A can reduce the magnetostrictive noise and prevent the occurrence of magnetic bias.
また、制御回路14Aは、共振インバータのスイッチング周波数を、予め設定された閾値以上の値に設定する。これにより、高周波変圧器において生じる騒音の周波数をコントロールすることができる。 Further, the control circuit 14A sets the switching frequency of the resonant inverter to a value equal to or higher than a preset threshold value. Thereby, the frequency of noise generated in the high frequency transformer can be controlled.
また、制御回路14Aは、閾値を、人間の可聴域の上限に基づいて設定する。これにより、高周波変圧器において生じる騒音が、人間の可聴域を外れた音になるようにコントロールすることができる。 Further, the control circuit 14A sets the threshold value based on the upper limit of the human audible range. As a result, the noise generated in the high frequency transformer can be controlled so as to be out of the human audible range.
また、制御回路14Aは、閾値を、人間の可聴域の上限の半分である8kHz以上に設定し、昇圧チョッパのスイッチング周波数を共振インバータのスイッチング周波数の整数倍である8kHz以上に設定する。これにより、高周波変圧器により生じる騒音が、人間の可聴域を外れた音になるようにコントロールすることができる。 Further, the control circuit 14A sets the threshold to 8 kHz or higher, which is half the upper limit of the human audible range, and sets the switching frequency of the boost chopper to 8 kHz or higher, which is an integral multiple of the switching frequency of the resonant inverter. As a result, the noise generated by the high frequency transformer can be controlled so as to be out of the human audible range.
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the spirit of the invention. These embodiments and their modifications are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the invention described in the claims and the scope equivalent thereto.
1…電気車用電源装置、1A…電気車用電源装置、2…電車線、3…集電器、4…負荷、5…線路、11…昇圧回路、11A…昇圧回路、12…電力変換回路、13…三相インバータ、14…制御回路、14A…制御回路、21…第1の昇圧チョッパ、22…第2の昇圧チョッパ、31…第1の共振インバータ、32…第1の高周波変圧器、33…第1の整流器、34…第2の共振インバータ、35…第2の高周波変圧器、36…第2の整流器、51…第1の比較器、52…第2の比較器、53…第1のONTD回路、54…第2のONTD回路、55…NOT回路、56A…第3の比較器、57A…第4の比較器、61…第1の搬送波、62…第2の搬送波、63…電圧指令、64…固定値、65A…第3の搬送波、66A…第4の搬送波、C1…第1のコンデンサ、C2…第2のコンデンサ、C3…第3のコンデンサ、C4…第4のコンデンサ、C5…第5のコンデンサ、C6…第6のコンデンサ、D1…第1のダイオード、D2…第2のダイオード、S1…第1のスイッチ、S2…第2のスイッチ、S3…第3のスイッチ、S4…第4のスイッチ、S5…第5のスイッチ、S6…第6のスイッチ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1... Electric vehicle power supply device, 1A... Electric vehicle power supply device, 2... Train line, 3... Current collector, 4... Load, 5... Line, 11... Boost circuit, 11A... Boost circuit, 12... Power conversion circuit, 13... Three-phase inverter, 14... Control circuit, 14A... Control circuit, 21... 1st step-up chopper, 22... 2nd step-up chopper, 31... 1st resonance inverter, 32... 1st high frequency transformer, 33 ... 1st rectifier, 34... 2nd resonance inverter, 35... 2nd high frequency transformer, 36... 2nd rectifier, 51... 1st comparator, 52... 2nd comparator, 53... 1st ONTD circuit, 54... Second ONTD circuit, 55... NOT circuit, 56A... Third comparator, 57A... Fourth comparator, 61... First carrier wave, 62... Second carrier wave, 63... Voltage Command, 64... Fixed value, 65A... Third carrier wave, 66A... Fourth carrier wave, C1... First capacitor, C2... Second capacitor, C3... Third capacitor, C4... Fourth capacitor, C5 ...Fifth capacitor, C6...sixth capacitor, D1...first diode, D2...second diode, S1...first switch, S2...second switch, S3...third switch, S4... Fourth switch, S5... Fifth switch, S6... Sixth switch.
Claims (8)
直流電源から供給される直流電圧を昇圧する昇圧チョッパと、
前記昇圧チョッパから供給される直流電圧を用いて、前記高周波変圧器に交流電流を供給するインバータと、
前記昇圧チョッパと前記インバータとを同期させ、且つ前記昇圧チョッパを、前記インバータのスイッチング周波数の偶数倍のスイッチング周波数でスイッチングさせる制御回路と、
を具備する電気車用電源装置。 A high frequency transformer,
A boost chopper that boosts the DC voltage supplied from the DC power supply,
An inverter that supplies an alternating current to the high-frequency transformer using the direct-current voltage supplied from the boost chopper,
A control circuit that synchronizes the boost chopper and the inverter, and switches the boost chopper at a switching frequency that is an even multiple of the switching frequency of the inverter;
A power supply device for an electric vehicle, comprising:
直流電源から供給される直流電圧を昇圧し、且つ直流電源と1対の前記高周波変圧器との間に並列に接続された1対の昇圧チョッパと、
1対の前記昇圧チョッパから供給される直流電圧を用いて、前記各高周波変圧器に交流電流を供給する1対のインバータと、
前記昇圧チョッパと前記インバータとの組合せ毎に同期させ、1対の前記昇圧チョッパを異なる位相でスイッチングさせ、前記昇圧チョッパを前記インバータのスイッチング周波数の整数倍のスイッチング周波数でスイッチングさせる制御回路と、
を具備する電気車用電源装置。 A pair of high frequency transformers,
A pair of step-up choppers for boosting a DC voltage supplied from a DC power source and connected in parallel between the DC power source and the pair of high-frequency transformers;
A pair of inverters for supplying an alternating current to each of the high frequency transformers by using a direct current voltage supplied from a pair of the step-up choppers;
A control circuit that synchronizes each combination of the boost chopper and the inverter, switches a pair of the boost choppers in different phases, and switches the boost chopper at a switching frequency that is an integer multiple of the switching frequency of the inverter,
A power supply device for an electric vehicle, comprising:
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