DE112021007583T5

DE112021007583T5 - Elektrische Leistungswandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112021007583T5
Application number: DE112021007583.7T
Authority: DE
Inventors: Kenichi Fukuno; Takaharu ISHIBASHI; Takato TOI
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-04-26
Filing date: 2021-04-26
Publication date: 2024-02-29
Also published as: US20240235404A9; US20240136935A1; WO2022230005A1; CN117099294A; JPWO2022230005A1

Abstract

In einer elektrischen Leistungswandlungsvorrichtung, das mit zwei Brückenschaltungen ausgestattet ist, wird dessen Steuerung kompliziert, wenn sowohl der erste als auch der zweite Phasenverschiebungsbetrag verwendet werden, um einem Elektrische-Leistung-Sollwert zu folgen, wenn eine Kurzschlussverhinderungsperiode eingerichtet ist. Um dieses Problem zu lösen, umfasst eine elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Offenbarung: eine Spannungsdetektionseinrichtung (33, 34), die die Spannungen beider Brückenschaltungen (12, 22) detektiert, und eine Steuervorrichtung (40), die die Halbleiterschaltelemente beider Brückenschaltungen (12, 22) steuert. Die Steuervorrichtung umfasst einen Phasendifferenz-Betriebsteil (401), der eine Phasendifferenz zwischen dem Ausgang der ersten Brückenschaltung und dem Ausgang der zweiten Brückenschaltung basierend auf den Spannungswerten beider Brückenschaltungen (12, 22), die von der Spannungsdetektionseinrichtung (33, 34) detektiert wird, und einem Elektrische-Leistung-Sollwert berechnet; einen Kompensationsbetrag-Betriebsteil (402), der einen Kompensationsbetrag berechnet, der einen Fehler aufgrund der Phasendifferenz kompensiert; und einen PWM-Signalerzeugungsteil (403), der Gate-Signale der Halbleiterschaltelemente aus einem ersten Betriebsergebnis des Phasendifferenz-Betriebsteils (401) und einem zweiten Betriebsergebnis des Kompensationsbetrag-Betriebsteils (402) erzeugt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine elektrische Leistungswandlungsvorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Diese elektrische Leistungswandlungsvorrichtung ist ein isolierter DC/DC-Wandler und ist insbesondere für einen DC/DC-Wandler beabsichtigt, der elektrische Leistung in beiden Richtungen zwischen zwei Gleichstromanschlüssen überträgt. Ein bidirektionaler isolierter DC/DC-Wandler umfasst zwei Sätze von Vollbrückenschaltungen, die an der Primärseite und der Sekundärseite eines isolierten Transformators angeschlossen sind. Jede der Vollbrückenschaltungen ist aus einer Brückenschaltung, die mit zwei oder mehr Halbleiterschaltelementen ausgestattet ist. Bei dem bidirektionalen isolierten DC/DC-Wandler ist es wünschenswert, dass die Übertragung von elektrischer Leistung in einem breiten Spannungsbereich mit einer einfachen Schaltungskonfiguration durchgeführt werden kann und dass eine sehr zuverlässige Ausgangssteuerung durchgeführt werden kann, ohne die Steuerbarkeitsverschlechterung in einem Step-up-Betriebsbereich aufgrund einer Kurzschlussverhinderungsperiode.
Aus diesem Grund wird ein Wandler vorgeschlagen, der die Unfähigkeit zur Durchführung eines Step-up-Betriebs beseitigt (z. B. Patentdokument 1). Hier werden DUTY-Verhältnisse basierend auf einer elektrischen Übertragungsleistung und einem Sollwert berechnet, und jedes der Halbleiterschaltelemente wird antriebsgesteuert. Darüber hinaus wird ein Halbleiterschaltelement in einer Brückenschaltung als erstes Standardelement festgelegt. Der Phasenverschiebungsbetrag zwischen dem Steuersignal des ersten Standardelements und dem Steuersignal eines ersten Diagonalelements wird als ein erster Phasenverschiebungsbetrag festgelegt, wobei das erste Diagonalelement ein Halbleiterschaltelement ist, das eine diagonale Beziehung zu dem ersten Standardelement hat. Ferner wird ein Halbleiterschaltelement in der anderen Brückenschaltung als ein zweites Standardelement eingestellt. Der Phasenverschiebungsbetrag zwischen dem Steuersignal eines zweiten Diagonalelements und dem Steuersignal des ersten Standardelements wird als ein zweiter Phasenverschiebungsbetrag festgelegt, wobei das zweite Diagonalelement ein Halbleiterschaltelement ist, das in einer diagonalen Beziehung zu dem zweiten Standardelement steht. Wenn ein Step-up-Betrieb durchgeführt wird, wird der zweite Phasenverschiebungsbetrag so gesteuert, dass er größer als der erste Phasenverschiebungsbetrag wird und die Kurzschlussverhinderungsperiode in jeder der Vollbrückenschaltungen unabhängig von den DUTY-Verhältnissen überschreitet.
ZITATLISTE
PATENTLITERATUR
Patentdokument 1: WO 2016 / 125374
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
PROBLEM, DAS DURCH DIE ERFINDUNG GELÖST WERDEN SOLL
Es wird angenommen, dass der im Patentdokument 1 vorgeschlagene DC/DC-Wandler auf ein System angewandt wird, das die Übertragung von elektrischer Leistung in einem Zustand durchführt, in dem sich das Verhältnis zwischen der Gleichspannung eines ersten Gleichstromanschlusses und der Gleichspannung eines zweiten Gleichstromanschlusses von dem Übersetzungsverhältnis eines Transformators unterscheidet. Es wird jedoch nicht davon ausgegangen, dass der Wandler im Step-up-Betrieb oder Step-down-Betrieb ist. Ferner wird keine Beschreibung der Übertragung von elektrischer Leistung gefunden, die durchgeführt wird, wenn das Verhältnis zwischen der Gleichspannung eines ersten Gleichstromanschlusses und der Gleichspannung eines zweiten Gleichstromanschlusses gleich dem Windungsverhältnis eines Transformators ist.
Darüber hinaus, wenn die zu übertragende elektrische Leistung gering ist, werden der erste Phasenverschiebungsbetrag und der zweite Phasenverschiebungsbetrag reduziert, um die zu übertragende elektrische Leistung an einen Sollwert anzupassen, aber der untere Grenzwert des Phasenverschiebungsbetrags ist auf eine Kurzschlussverhinderungsperiode in jeder der Brückenschaltungen begrenzt. Dadurch gibt es eine Grenze zur Verringerung des ersten Phasenverschiebungsbetrags und des zweiten Phasenverschiebungsbetrags. Infolgedessen ist es wahrscheinlich, dass eine große Menge an elektrischer Leistung übertragen werden kann, die sich von dem Sollwert unterscheidet.
In einem solchen Fall wird ein unkontrollierbarer Betriebsbereich im DC/DC-Wandler erzeugt, der die Verschlechterung von Steuerleistung zur Folge haben kann.
Die vorliegende Offenbarung dient der Lösung der oben genannten Probleme und zielt darauf ab, eine elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung anzubieten, die unabhängig von der Gleichspannung des ersten Gleichstromanschlusses, der Gleichspannung des zweiten Gleichstromanschlusses und dem Windungsverhältnis eines Transformators arbeiten kann und außerdem einen Phasenverschiebungsbetrag zur Steuerung der zu übertragenden elektrischen Leistung erzeugen kann, der nicht durch den Einfluss einer Kurzschlussverhinderungsperiode beeinträchtigt wird.
MITTEL ZUR LÖSUNG DES PROBLEMS
Eine elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung, die in der vorliegenden Anmeldung offenbart ist, umfasst:

einen Transformator,
eine erste Brückenschaltung mit einem ersten Halbleiterschaltelement, die mit einer Primärseitenwicklung des Transformators verbunden ist und mit einer Kurzschlussverhinderungsperiode eingerichtet ist,
eine zweite Brückenschaltung mit einem zweiten Halbleiterschaltelement, die mit einer Sekundärseitenwicklung des Transformators verbunden ist und mit einer Kurzschlussverhinderungsperiode eingerichtet ist,
eine erste Spannungsdetektionseinrichtung, die eine erste in die erste Brückenschaltung eingegebene Spannung detektiert,
eine zweite Spannungsdetektionseinrichtung, die eine zweite in die zweite Brückenschaltung eingegebene Spannung detektiert, und
eine Steuervorrichtung, die das erste Halbleiterschaltelement und das zweite Halbleiterschaltelement steuert,
wobei die Steuervorrichtung aufweist:
- einen Phasendifferenz-Betriebsteil, der eine Phasendifferenz zwischen einem ersten Ausgang der ersten Brückenschaltung und einem zweiten Ausgang der zweiten Brückenschaltung basierend auf einem ersten Spannungswert, der durch die erste Spannungsdetektionseinrichtung detektiert wird, einem zweiten Spannungswert, der durch die zweite Spannungsdetektionseinrichtung detektiert wird, und einem Elektrische-Leistung-Sollwert berechnet,
- einen Kompensationsbetrag-Betriebsteil, der einen Kompensationsbetrag zum Kompensieren eines in der Phasendifferenz verursachten Fehlers aus einem ersten Betriebsergebnis des Phasendifferenz-Betriebsteils, dem ersten Spannungswert und dem zweiten Spannungswert berechnet, und
- einen PWM-Signalerzeugungsteil, der ein erstes Gate-Signal des ersten Halbleiterschaltelements und ein zweites Gate-Signal des zweiten Halbleiterschaltelements aus dem ersten Betriebsergebnis des Phasendifferenz-Betriebsteils und einem zweiten Betriebsergebnis des Kompensationsbetrag-Betriebsteils erzeugt.

EFFEKTE DER ERFINDUNG
Gemäß der elektrischen Leistungswandlungsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung wird es möglich, elektrische Leistung zu übertragen, die mit einem Sollwert der elektrischen Leistung übereinstimmt, ohne unter dem Einfluss einer Kurzschlussverhinderungsperiode zu leiden.
KURZE ERLÄUTERUNG DER ZEICHNUNGEN

1 ist ein Konfigurationsschaubild der elektrischen Leistungswandlungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform 1.
2 ist ein erstes Wellenform-Diagramm, das einen Wechselstrom und Spannungen zeigt, die an eine Transformatorwicklung gemäß der Ausführungsform 1 angelegt werden.
3 ist ein erstes erläuterndes Schaubild von Ladevorgängen der elektrischen Leistungswandlungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform 1.
4 ist ein zweites erläuterndes Schaubild von Ladevorgängen der elektrischen Leistungswandlungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform 1.
5 ist ein zweites Wellenform-Diagramm, das einen Wechselstrom und Spannungen zeigt, die an eine Transformatorwicklung gemäß der Ausführungsform 1 angelegt werden.
6 ist ein Schaubild zur Erläuterung von Ladevorgängen der elektrischen Leistungswandlungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform 1.
7 ist eine charakteristische Zeichnung der elektrischen Leistungswandlungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform 1.
8 ist ein Wellenform-Diagramm, das einen Wechselstrom und Spannungen zeigt, die an eine Transformatorwicklung gemäß der Ausführungsform 2 angelegt werden.
9 ist ein Schaubild zur Erläuterung von Ladevorgängen der elektrischen Leistungswandlungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform 2.
10 ist eine charakteristische Zeichnung der elektrischen Leistungswandlungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform 2.
11 ist ein Wellenform-Diagramm, das einen Wechselstrom und Spannungen zeigt, die an eine Transformatorwicklung gemäß der Ausführungsform 3 angelegt werden.
12 ist eine charakteristische Zeichnung der elektrischen Leistungswandlungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform 3.
13 ist ein Schaubild zur Darstellung der Ausgestaltung einer Steuervorrichtung gemäß der Ausführungsform 4.
14 ist ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Arbeitsprozesses der Steuervorrichtung gemäß der Ausführungsform 4.
15 ist ein Konfigurationsschaubild der elektrischen Leistungswandlungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform 5.
16 ist ein Konfigurationsschaubild der Steuervorrichtung der gemäß der Ausführungsform 5.
17 ist ein Hardware- Konfigurationsschaubild der Steuervorrichtung.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend werden die Ausführungsformen der elektrischen Leistungswandlungsvorrichtung anhand der Zeichnungen im Detail erläutert. Es ist erwähnenswert, dass die gleichen Symbole in den Zeichnungen die gleichen oder entsprechende Teile zeigen.
Ausführungsform 1
In der Ausführungsform 1 wird eine elektrische Leistungswandlungsvorrichtung erläutert, die elektrische Energie von einem Gleichstromanschluss zum anderen Gleichstromanschluss überträgt. Die Elektrische Leistungswandlungsvorrichtung ist ein DC / DC-Wandler mit zwei Sätzen von Brückenschaltungen und einem Transformator mit zwei Wicklungen ausgestattet.
1 ist ein Schaltplan, der die Konfiguration der elektrischen Leistungswandlungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform 1 der vorliegenden Offenbarung zeigt.
Wie in 1 gezeigt, ist die Leistungswandlungsvorrichtung 1 mit einer ersten Brückenschaltung 12, die mit einem ersten Gleichstromanschluss 11 verbunden ist, der elektrischen Gleichstrom von einer Gleichstromleistungsversorgung 10 erhält, einer zweiten Brückenschaltung 22, die mit einem zweiten Gleichstromanschluss 21 von einem zweiten Gleichstromanschluss 21 verbunden ist, und einem Transformator 30 ausgestattet.
Die erste Brückenschaltung 12 hat einen Gleichstromkondensator Cdc1, der parallel zu dem ersten Gleichstromanschluss 11 geschaltet ist, und zwei Schaltschenkel, die in Reihe geschaltete Halbleiterschaltelemente Q11 - Q14 aufweisen, wobei diese Halbleiterschaltelemente als Halbleitervorrichtungen an einer Anodenseite und Halbleitervorrichtungen an einer Kathodenseite bezeichnet werden.
Die zweite Brückenschaltung 22 hat einen Gleichstromkondensator Cdc2, der parallel zu dem zweiten Gleichstromanschluss 21 geschaltet ist, und zwei Schaltschenkel, die in Reihe geschaltete Halbleiterschaltelementen Q21 - Q24 aufweisen, wobei diese Halbleiterschaltelemente als Halbleitervorrichtungen an einer Anodenseite und Halbleitervorrichtungen an einer Kathodenseite bezeichnet werden.
In der ersten Brückenschaltung 12 ist jeder mittlere Anschlusspunkt der Schaltschenkel mit der Primärseitenwicklung 31 des Transformators 30 verbunden. In der zweiten Brückenschaltung 22 ist jeder mittlere Anschlusspunkt der Schaltschenkel mit der Sekundärseitenwicklung 32 des Transformators 30 verbunden.
Die elektrische Leistungswandlungsvorrichtung 1 ist eine Schaltung, die die Spannung V1 des ersten Gleichstromanschlusses 11 über die erste Brückenschaltung 12, den Transformator 30 und die zweite Brückenschaltung 22 in die Spannung V2 umwandelt, die an den zweiten Gleichstromanschluss 21 angelegt wird. Zudem kann die Leistungswandlungsvorrichtung die bidirektionale Umwandlung von elektrischer Leistung frei steuern.
Die Spannung V1 des ersten Gleichstromanschlusses 11 wird von der ersten Spannungsdetektionseinrichtung 33 detektiert. Außerdem wird die Spannung V2 des zweiten Gleichstromanschlusses 21 von der zweiten Spannungsdetektionseinrichtung 34 detektiert.
Es wird davon ausgegangen, dass derjenige, dessen Ausgangsspannung schwankt, wie z. B. ein Photovoltaik-Paneel (PV) oder ein Akku, als eine Gleichstromleistungsversorgung angeschlossen wird. Ferner wird von einem Fall ausgegangen, in dem elektrische Wechselstromleistung mit einem AC/DC-Wandler in Gleichstrom umgewandelt wird. Außerdem wird davon ausgegangen, dass an die Last 20 derjenige angeschlossen wird, dessen Spannung schwankt, wie z. B. ein Akku. Ferner wird angenommen, dass die Last eine Wechselstromlast ist, wie z. B. ein Motor, der über einen DC/AC-Wandler angeschlossen ist, oder LEDs und dergleichen, die über einen DC/DC-Wandler angeschlossen sind.
Als die Halbleiterschaltelemente Q11 - Q24 wird ein Halbleiterschaltelement mit Selbstlöschfunktion verwendet, z. B. ein IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder ein MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect), der mit einer Diode gegenläufig parallel geschaltet ist. In manchen Ausführungsformen können zwei oder mehr parallel geschaltete Halbleiterschaltelemente als jedes der Halbleiterschaltelemente Q11 - Q24 verwendet werden, je nach Stromkapazität.
Eine Steuervorrichtung 40 erzeugt ein Gate-Signal 41 und ein Gate-Signal 42, die an die Halbleiterschaltelemente Q11 - Q24 in der ersten Brückenschaltung 12 auf der Leistungsversorgungsseite und in der zweiten Brückenschaltung 22 auf der Lastseite gesendet werden. Außerdem steuert die Steuervorrichtung das Schalten jedes der Halbleiterschaltelemente Q11 - Q24. Da die Steuervorrichtung das Schalten jedes der Halbleiterschaltelemente Q11 - Q24 steuert, gibt die erste Brückenschaltung 12 eine Wechselspannung VT1 an die Primärseitenwicklung 31 des Transformators 30 aus, und die zweite Brückenschaltung 22 gibt eine Wechselspannung VT2 an die Sekundärseitenwicklung 32 des Transformators 30 aus.
In diesem Fall kann jedes der Halbleiterschaltelemente Q11 - Q24 durch die Wirkung von Induktivitätselementen zwischen der ersten Brückenschaltung 12 und dem Transformator 30 bzw. zwischen der zweiten Brückenschaltung 22 und dem Transformator 30 eine Nullspannungsschaltungs-(ZVS, zero voltage switching)-Bewegung oder eine sanfte Schaltung durchführen.
In diesem Fall führt jedes der Halbleiterschaltelemente Q11 - Q24 das sanfte Schalten durch, wodurch die Schaltverluste reduziert werden können. Ferner kann die Betriebsfrequenz erhöht und die Größenreduktion des Transformators 30 erreicht werden.
Es ist erwähnenswert, dass das sanfte Schalten eine Technologie zur Reduzierung des Stroms oder der Spannung ist, die an die Halbleiterschaltelemente Q11 - Q24 während einer Schaltübergangsperiode angelegt wird, und zur Reduzierung von Schaltverlusten und elektromagnetischem Rauschen. Außerdem kann in einigen Ausführungsformen die Streuinduktivität des Transformators 30 als ein Induktivitätselement verwendet werden.
Außerdem werden Elektrolytkondensatoren oder Folienkondensatoren für die Gleichstromkondensatoren Cdc1 und Cdc2 verwendet. In die Gleichstromkondensatoren Cdc1 und Cdc2 fließen hochfrequente Ströme. Wenn ein Folienkondensator verwendet wird, kann eine durch den hochfrequenten Strom bedingte Verschlechterung eingedämmt und eine Lebensdauerverlängerung erreicht werden.
Es ist erwähnenswert, dass in 1 die Richtung eines Pfeils als positiv festgelegt ist.
Wie in 1 gezeigt, ist die Steuervorrichtung 40 gemäß der Ausführungsform 1 mit einem Phasendifferenz-Betriebsteil 401, einem Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 und einem PWM-Signalerzeugungsteil 403 ausgestattet.
Die erste Brückenschaltung 12 gibt eine Wechselspannung VT1 an die Primärseitenwicklung 31 des Transformators 30 aus, und die zweite Brückenschaltung 22 gibt eine Wechselspannung VT2 an die Sekundärseitenwicklung 32 des Transformators 30 aus. Basierend auf der Gleichspannung V1, die von der ersten Spannungsdetektionseinrichtung 33 detektiert wird, und einem Elektrische-Leistung-Sollwert P ref, berechnet der Phasendifferenz-Betriebsteil 401 eine Phasendifferenz φ cal zwischen der Wechselspannung VT1 und der Wechselspannung VT2.
Der Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 berechnet einen Kompensationsbetrag, der für die Kompensation eines Fehlers erforderlich ist, der durch die Phasendifferenz bei den Wechselspannungen VT1 und VT2 verursacht wird, die an die Primärseitenwicklung 31 und die Sekundärseitenwicklung 32 des Transformators 30 während der Kurzschlussverhinderungsperiode angelegt werden. Beim Berechnen eines Kompensationsbetrags berechnet der Kompensationsbetrag-Betriebsteil einen Kompensationsbetrag φ comp aus der Gleichspannung V1, die von der ersten Spannungsdetektionseinrichtung 33 detektiert wird, der Gleichspannung V2, die von der zweiten Spannungsdetektionseinrichtung 34 detektiert wird, und der Phasendifferenz φ cal, die ein Ergebnis ist, das in dem Phasendifferenz-Betriebsteil 401 berechnet wird.
Außerdem berechnet der Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 aus der Gleichspannung V1, die von der ersten Spannungsdetektionseinrichtung 33 detektiert wird, der Gleichspannung V2, die von der zweiten Spannungsdetektionseinrichtung 34 detektiert wird, und der Phasendifferenz, die in dem Phasendifferenz-Betriebsteil 401 berechnet wird, Ströme kurz vor dem Einschalten der Halbleiterschaltelemente Q11 - Q24, wobei diese Ströme in der ersten Brückenschaltung 12 und der zweiten Brückenschaltung 22 sind. Darüber hinaus beurteilt der Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 anhand dieser berechneten Ströme, ob eine ZVS-Bewegung in der ersten Brückenschaltung 12 und der zweiten Brückenschaltung 22 erreicht werden kann oder nicht.
Wenn die ZVS-Bewegung in der Brückenschaltung auf einer Lastseite zwischen der ersten Brückenschaltung 12 und der zweiten Brückenschaltung 22 nicht erreicht wird, gibt der Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 einen Phasenbetrag aus, der äquivalent zu einer Kurzschlussverhinderungsperiode ist und eine umgekehrte Polarität zu der in dem Phasendifferenz-Betriebsteil 401 berechneten Phasendifferenz hat. Wenn die ZVS-Bewegung in der Brückenschaltung auf einer Leistungsversorgungsseite zwischen der ersten Brückenschaltung 12 und der zweiten Brückenschaltung 22 nicht erreicht wird, gibt der Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 außerdem einen Phasenbetrag aus, der äquivalent zu einer Kurzschlussverhinderungsperiode ist und die gleiche Polarität wie die in dem Phasendifferenz-Betriebsteil 401 berechnete Phasendifferenz hat.
Die Phasendifferenz, die die Summe aus einer Phasendifferenz φ cal, die in dem Phasendifferenz-Betriebsteil 401 berechnet wird, und einem Kompensationsbetrag φ comp, der in dem Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 berechnet wird, wird als Phasendifferenz-Sollwert φ ref bezeichnet. Der PWM-Signalerzeugungsteil 403 erzeugt die Gate-Signale 41 und 42 der Halbleiterschaltelemente Q11 - Q24 basierend auf diesem Phasendifferenz-Sollwert φ ref.
In 2 sind die Gate-Signale der Halbleiterschaltelemente Q11 - Q24 als das Signal a1 und das Signal a2 gemäß der Ausführungsform 1 dargestellt. Die erste Brückenschaltung 12 und die zweite Brückenschaltung 22 geben eine Wechselspannung VT1 und eine Wechselspannung VT2 an die Primärseitenwicklung 31 und die Sekundärseitenwicklung 32 des Transformators 30 ab. Die Wellenformen der Wechselspannung VT1 und der Wechselspannung VT2 sind als die Wellenform b1 und die Wellenform b2 dargestellt, und die Wellenform des Wechselstroms IL ist als die Wellenform c dargestellt. Es ist erwähnenswert, dass in 2 das Symbol φ td eine Kurzschlussverhinderungsperiode ist, und das Symbol φ ref ein Phasendifferenz-Sollwert ist, der innerhalb der Steuervorrichtung 40 erzeugt wird, und das Symbol φ eine Phasendifferenz zwischen der tatsächlichen Wechselspannung VT1 und der Wechselspannung VT2 ist.
Wenn die Betriebsfrequenz der Halbleiterschaltelemente Q11 - Q24 auf eine höhere Frequenz (z. B. 61 Hz oder mehr) erhöht wird, um die Größe des Transformators 30 zu verringern, steigt der Verlust des Transformators 30. Der Anstieg eines durch eine höhere Frequenz bedingten Verlustes kann durch Verwenden von amorphem (amorphous) Material oder einer Siliziumstahlplatte, deren Siliziumgehalt 6,5 % ist, oder einer Siliziumstahlplatte, deren Plattendicke etwa 0,1 mm ist, als Eisenkernmaterialkontrolliert werden.
Wie in 2 gezeigt, gibt es eine Phasendifferenz φ zwischen der Wechselspannung VT1, die die erste Brückenschaltung 12 ausgibt, und der Wechselspannung VT2, die die zweite Brückenschaltung 22 ausgibt. In der elektrischen Leistungswandlungsvorrichtung 1 von 1 wird die Phasendifferenz φ gesteuert, um die Übertragung elektrischer Leistung zu steuern. Elektrische Leistung wird von einer Seite mit vorlaufender Phasendifferenz zu einer Seite mit nachlaufender Phasendifferenz übertragen.
In dem Fall von 2 wird beispielsweise elektrische Leistung von der ersten Brückenschaltung 12 auf einer Leistungsversorgungsseite zu der zweiten Brückenschaltung 22 auf einer Lastseite übertragen, da die Phase der Wechselspannung VT1 gegenüber der Wechselspannung Vt2 vorlaufend ist. Die elektrische Leistung P, die von der Gleichstromleistungsversorgung 10 an die Last 20 übertragen wird, kann durch die folgende Gleichung (1) ermittelt werden.
[Gl. 1]
Gl. 1 $P = \frac{V_{1} V_{2}}{2 π f_{sw} L} ϕ (1 - \frac{ϕ}{π})$
Es ist erwähnenswert, dass in der Gleichung (1) das Symbol fSW die Schaltfrequenz der Halbleiterschaltelemente Q11 - Q24 ist und das Symbol L ein Gesamtwert aller Induktivitätselemente ist, die in einem Strompfad enthalten sind, durch den Wechselstrom fließt, einschließlich der Streuinduktivität zwischen der Primärseitenwicklung 31 und der Sekundärseitenwicklung 32. Es ist erwähnenswert, dass in diesem Induktivitätselement die Induktivität einer Verdrahtung und eine parasitäre Induktivität, die in den Halbleiterschaltelementen enthalten ist, im Allgemeinen ignoriert werden. Die Induktivität L bezeichnet im Wesentlichen die Induktivität, die in Reihe mit dem Transformator 30 geschaltet ist.
Außerdem ist das Symbol V2 ein Spannungswert, der in einen Wert umgewandelt wird, der von der Primärseitenwicklung 31 des Transformators 30 aus gesehen wird.
Wenn elektrische Leistung P an die Last 20 übertragen wird, fließt ferner Wechselstrom IL innerhalb der ersten Brückenschaltung 12 und der zweiten Brückenschaltung 22. Was den Wechselstrom IL betrifft, so können Wechselstrom IL0, Wechselstrom IL1 und Wechselstrom IL2 an wechselnden Punkten anhand der folgenden Gleichungen (2), (3) und (4) berechnet werden.
[Gl. 2]
Gl. 2 $I_{L 0} = \frac{1}{2} [(A - B) ϕ + B (π - ϕ)]$
[Gl. 3]
Gl. 3 $I_{L 1} = I_{L 0} + A ϕ$
[Gl. 4]
Gl. 4 $I_{L 2} = I_{L 1} + B (π - ϕ)$
In der Gleichung (2) bis zur Gleichung (4) sind das Symbol A und das Symbol B jedoch aus der Gleichung (5) abgeleitet.
[Gl. 5]
Gl. 5 $A = \frac{V_{1} + V_{2}}{2 π f_{sw} L}, B = \frac{V_{1} - V_{2}}{2 π f_{sw} L}$
Außerdem führt die Umformung von Gleichung (1) zu folgender Gleichung (6). Die Phasendifferenz φ zum Steuern der elektrischen Leistung wird unter Verwendung der Gleichung (6) in dem Phasendifferenz-Betriebsteil 401 der Steuervorrichtung 40 ermittelt.
[Gl. 6]
Gl. 6 $ϕ_{c a l} = \frac{π}{2} - \sqrt{{(\frac{π}{2})}^{2} - \frac{2 π^{2} f_{s w} L P}{V_{1} V_{2}}}$
Darüber hinaus lässt sich die Phasendifferenz φ unter Verwendung der Gleichung (1) auch näherungsweise aus der Gleichung (7) ableiten, die nachstehend dargestellt ist.
[Gl. 7]
Gl. 7 $ϕ_{c a l} = \frac{2 π f_{s w} L P}{V_{1} V_{2}}$
Wenn die Phasendifferenz φ einfach aus der Gleichung (7) berechnet wird, wird es möglich, die Berechnungslast des Phasendifferenz-Betriebsteils 401 zu reduzieren und die Steuervorrichtung 40 kostengünstiger zu gestalten. Wenn in der Steuervorrichtung 40 kein Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 vorhanden ist, wird ein Berechnungsergebnis φ cal des Phasendifferenz-Betriebsteils 401 als ein Phasendifferenz-Sollwert φ ref in den PWM-Signalerzeugungsteil 403 eingegeben, und jedes der Gate-Signale 41 und 42 wird in dem PWM-Signalerzeugungsteil 403 erzeugt.
3 zeigt den Zustand der Halbleiterschaltelemente Q11 - Q24 und des Wechselstroms IL, die sich kurz vor dem Einschalten der Halbleiterschaltelemente Q11 und Q14 in der ersten Brückenschaltung 12 befinden. Es ist erwähnenswert, dass in 3 die Halbleiterschaltelemente Q11, Q12, Q13, Q14, Q21 und Q24, die jeweils mit einer gestrichelten Linie gekennzeichnet sind, zeigen, dass sie sich in einem AUS-Zustand befinden oder Elemente sind, die keinen elektrischen Strom führen. Außerdem zeigen die Halbleiterschaltelemente Q22 und Q23, die jeweils mit einer durchgezogenen Linie gekennzeichnet sind, dass sie sich in einem EIN-Zustand befinden oder Elemente sind, die einen elektrischen Strom führen.
Außerdem zeigt 3 einen Zustand kurz vor dem Einschalten der Halbleiterschaltelemente Q11 und Q14. Dabei befindet sich die erste Brückenschaltung 12 in einer Kurzschlussverhinderungsphase, in der sich alle Halbleiterschaltelemente Q11 - Q14 in einem AUS-Zustand befinden.
Wie in 3 gezeigt, wird, wenn sich die erste Brückenschaltung 12 in der Kurzschlussverhinderungsperiode befindet, ein Zustand hergestellt, in dem die Dioden, die gegenläufig parallel zu den Halbleiterschaltelementen Q11 und Q14 geschaltet sind, einen elektrischen Strom führen, und die Spannungen, die an die Halbleiterschaltelemente Q11 und Q14 angelegt werden, werden null. Wenn die Halbleiterschaltelemente Q11 und Q14 zu diesem Zeitpunkt eingeschaltet werden, beginnen sie eine ZVS-Bewegung.
Der Strom, der kurz vor dem Einschalten der Halbleiterschaltelemente Q11 - Q14 fließt, muss einen negativen Wert haben, um die ZVS-Bewegung innerhalb der ersten Brückenschaltung 12 zu erreichen. Daher muss die folgende Formel erfüllt sein: Wechselstrom IL0 < 0. Außerdem werden, wenn die erste Brückenschaltung 12 kurz vor dem Beginn einer Kurzschlussverhinderungsperiode steht, die Halbleiterschaltelemente Q12 und Q13 ausgeschaltet, und es wird ein Zustand hergestellt, in dem die Dioden, die gegenläufig parallel zu den Halbleiterschaltelementen Q11 und Q14 geschaltet sind, einen elektrischen Strom führen. Mit dem Beginn der Kurzschlussverhinderungsperiode schaltet die Wechselspannung VT1 des ersten Wechselstromanschlusses 13 dann in ihrer Polarität von negativ auf positiv um.
4 zeigt den Zustand der Halbleiterschaltelemente Q11 - Q24 und des Wechselstroms IL, die sich kurz vor dem Einschalten der Halbleiterschaltelemente Q21 bis Q24 in der zweiten Brückenschaltung 22 befinden. Es ist erwähnenswert, dass in 4 die Halbleiterschaltelemente Q12, Q13, Q21, Q22, Q23 und Q24, die jeweils mit einer gestrichelten Linie gekennzeichnet sind, zeigen, dass sie sich in einem AUS-Zustand befinden oder Elemente sind, die keinen elektrischen Strom führen. Außerdem zeigen die Halbleiterschaltelemente Q11 und Q14, die jeweils mit einer durchgezogenen Linie gekennzeichnet sind, dass sie sich in einem EIN-Zustand befinden oder Elemente sind, die einen elektrischen Strom führen. Außerdem zeigt 4 einen Zustand kurz vor dem Einschalten der Halbleiterschaltelemente Q21 und Q24. Dabei befindet sich die zweite Brückenschaltung 22 in einer Kurzschlussverhinderungsperiode, in der sich alle Halbleiterschaltelemente Q21 - Q24 in einem AUS-Zustand befinden.
Wie in 4 gezeigt, wird, wenn sich die zweite Brückenschaltung 22 in der Kurzschlussverhinderungsperiode befindet, ein Zustand hergestellt, in dem die Dioden, die gegenläufig parallel zu den Halbleiterschaltelementen Q21 und Q24 geschaltet sind, einen elektrischen Strom führen, und die Spannungen, die an die Halbleiterschaltelemente Q21 und Q24 angelegt werden, werden null. Wenn die Halbleiterschaltelemente Q21 und Q24 zu diesem Zeitpunkt eingeschaltet werden, beginnen sie eine ZVS-Bewegung.
Der Strom, der kurz vor dem Einschalten der Halbleiterschaltelemente Q21 - Q24 fließt, muss einen positiven Wert haben, um die ZVS-Bewegung in der zweiten Brückenschaltung 22 zu erreichen. Daher muss die folgende Formel erfüllt sein: Wechselstrom IL1 > 0. Außerdem werden, wenn die zweite Brückenschaltung 22 kurz vor dem Beginn einer Kurzschlussverhinderungsperiode steht, die Halbleiterschaltelemente Q22 und Q23 ausgeschaltet, und es wird ein Zustand hergestellt, in dem die Dioden, die gegenläufig parallel zu den Halbleiterschaltelementen Q21 und Q24 geschaltet sind, einen elektrischen Strom führen. Mit dem Beginn einer Kurzschlussverhinderungsperiode schaltet die Spannung VT2 des zweiten Wechselstromanschlusses 23 dann in ihrer Polarität von negativ auf positiv um.
In Bezug auf das Gate-Signal 41 der Halbleiterschalter Q11 - Q14 in der ersten Brückenschaltung 12 wird das Gate-Signal 42 der Halbleiterschalter Q21 - Q24 in der zweiten Brückenschaltung 22 nur um eine Phasendifferenz φ cal (= φ ref) verzögert, die in dem Phasendifferenz-Betriebsteil 401 berechnet wird. Auf diese Weise werden mit dem Ausschalten der Halbleiterschaltelemente Q11 - Q24 in der ersten Brückenschaltung 12 und der zweiten Brückenschaltung 22 die Wechselspannung VT1 und die Wechselspannung VT2 in der Polarität vertauscht. Dann wird auch die Phasendifferenz zwischen der Wechselspannung VT1 und der Wechselspannung VT2 φ cal.
Als nächstes sind in 5 die Gate-Signale der Halbleiterschaltelemente Q11 - Q24 als das Signal a1 und das Signal a2 dargestellt, für den Fall, dass die Spannung V1 des ersten Gleichstromanschlusses 11 im Vergleich zur Spannung V2 des zweiten Gleichstromanschlusses 21 groß ist. Die Wellenformen der Wechselspannung VT1 und der Wechselspannung VT2 sind als die Wellenform b1 und die Wellenform b2 dargestellt, wobei diese Spannungen an die Primärseitenwicklung 31 und die Sekundärseitenwicklung 32 des Transformators 30 von der ersten Brückenschaltung 12 und der zweiten Brückenschaltung 22 ausgegeben werden, und die Wellenform des Wechselstroms IL ist als die Wellenform c dargestellt.
Wie in 5 gezeigt, ist der Wechselstrom IL0 ein negativer Wert, der ein Strom zu dem Zeitpunkt ist, zu dem die Halbleiterschaltelemente Q11 und Q14 in der ersten Brückenschaltung 12 eingeschaltet werden. Da der Zustand kurz vor dem Einschalten der Halbleiterschaltelemente Q11 und Q14 in der ersten Brückenschaltung 12 derselbe ist wie in 3, kann eine ZVS-Bewegung in der ersten Brückenschaltung 12 erreicht werden. Der Wechselstrom IL1 ist jedoch ein negativer Wert, der ein Strom zu dem Zeitpunkt ist, zu dem die Halbleiterschaltelemente Q21 und Q24 in der zweiten Brückenschaltung 22 eingeschaltet werden. Der Zustand kurz vor dem Einschalten der Halbleiterschaltelemente Q21 und Q24 in der zweiten Brückenschaltung 22 unterscheidet sich von dem in 4.
6 zeigt den Zustand der Halbleiterschaltelemente Q11 - Q24 und des Wechselstroms IL, die sich kurz vor dem Einschalten der Halbleiterschaltelemente Q21 und Q24 der zweiten Brückenschaltung 22 befinden, für den Fall, dass die Spannung V1 des ersten Gleichstromanschlusses 11 im Vergleich zur Spannung V2 des zweiten Gleichstromanschlusses 21 groß ist. Es ist erwähnenswert, dass in 6 die Halbleiterschaltelemente, die jeweils mit einer gestrichelten Linie gekennzeichnet sind, zeigen, dass sie sich in einem AUS-Zustand befinden oder Elemente sind, die keinen elektrischen Strom führen. Außerdem zeigen die Halbleiterschaltelemente, die jeweils mit einer durchgezogenen Linie gekennzeichnet sind, dass sie sich in einem EIN-Zustand befinden oder Elemente sind, die einen elektrischen Strom führen.
Wie in 6 gezeigt, fließt Wechselstrom durch die Dioden, die gegenläufig parallel zu den Halbleiterschaltelementen Q22 und Q23 geschaltet sind, sogar kurz bevor die Halbleiterschaltelemente Q21 und Q24 eingeschaltet werden, da der Wechselstrom IL ein negativer Wert ist. In diesem Zustand bleibt die Polarität der Wechselspannung VT2 weiterhin negativ. Wenn die Kurzschlussverhinderungsperiode endet, werden die Halbleiterschaltelemente Q21 und Q24 eingeschaltet, und dann wird die Polarität der Wechselspannung VT2 auf einen positiven Wert umgeschalten.
Zu diesem Zeitpunkt werden die Halbleiterschaltelemente Q21 und Q24 eingeschaltet, während sich die Dioden, die gegenläufig parallel zu den Halbleiterschaltelementen Q22 und Q23 geschaltet sind, in einem Zustand befinden, in dem sie einen elektrischen Strom führen. Dann tritt bei den Dioden, die gegenläufig parallel zu den Halbleiterschaltelementen Q22 und Q23 geschaltet sind, eine Erholung auf.
Außerdem ändert sich die Polarität der Spannung nicht, bis eine Kurzschlussverhinderungsperiode endet. Dann wird die Phasendifferenz φ zwischen der Wechselspannung VT1 und der Wechselspannung VT2 um eine Kurzschlussverhinderungsperiode φ t groß, in Bezug auf die Phasendifferenz φ cal, die im Phasendifferenz-Betriebsteil 401 berechnet wird. Dadurch wird ein Fehler in der zu übertragenden elektrischen Leistung verursacht.
Das heißt, wenn eine ZVS-Bewegung auf der Seite der zweiten Brückenschaltung 22 nicht erreicht werden kann, umfasst die Phasendifferenz φ zwischen der Wechselspannung VT1 und der Wechselspannung VT2 einen Fehler durch die Kurzschlussverhinderungsperiode φ td.
So berechnet der Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 eine Kompensationsphasendifferenz φ comp, um einen Fehler φ td zu kompensieren, der in der Phasendifferenz φ verursacht wird. In der Steuervorrichtung wird die Kompensationsphasendifferenz zu der Phasendifferenz φ cal addiert, die in dem Phasendifferenz-Betriebsteil 401 berechnet wird. Dann berechnet die Steuervorrichtung einen Phasendifferenz-Sollwert φ ref, zu dem die Kompensationsphasendifferenz φ comp addiert wird, und gibt ihn in einen PWM-Signalerzeugungsteil ein und erfasst die Gate-Signale 41 und 42. Dadurch wird eine elektrische Leistung P, die mit dem Sollwert übereinstimmt, an die Last 20 übertragen.
Genauer gesagt, werden in dem Phasendifferenz-Betriebsteil 401 die Spannung V1 des ersten Gleichstromanschlusses 11, die Spannung V2 des zweiten Gleichstromanschlusses 21 und der Sollwert P der elektrischen Leistung, die mit der Leistungswandlungsvorrichtung 1 übertragen werden soll, in die Gleichung (6) oder die Gleichung (7) eingesetzt. Dadurch erhält man eine Phasendifferenz φ cal. Hier verwendet der Phasendifferenz-Betriebsteil 401 die detektierte Spannung V1 des ersten Gleichstromanschlusses 11 und die detektierte Spannung V2 des zweiten Gleichstromanschlusses 21 für die Berechnung einer Phasendifferenz. Es ist erwähnenswert, dass eine Schaltfrequenz fsw und ein Induktivitätselement L für die Berechnung in der Gleichung (6) oder der Gleichung (7) verwendet werden. Bei diesen Werten handelt es sich jedoch um Werte, die zum Entwurfszeitpunkt der elektrischen Leistungswandlungsvorrichtung 1 bestimmt werden, und Entwurfswerte werden zuvor in die Steuervorrichtung 40 eingegeben.
Andererseits werden in dem Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 die Phasendifferenz φ cal, die ein Output des Phasendifferenz-Betriebsteils 401 ist, die detektierte Spannung V1 des ersten Gleichstromanschlusses 11 und die detektierte Spannung V2 des zweiten Gleichstromanschlusses 21 in die Gleichung (2) und die Gleichung (5) eingesetzt, um einen Wechselstrom IL0 zu berechnen. Ferner werden der berechnete Wechselstrom IL0, die berechnete Phasendifferenz φ cal, die detektierte Spannung V1 des ersten Gleichstromanschlusses 11 und die detektierte Spannung V2 des zweiten Gleichstromanschlusses 21 in die Gleichung (3) und die Gleichung (5) eingesetzt, um einen Wechselstrom IL1 zu berechnen.
Zu diesem Zeitpunkt wird, wie oben erwähnt, wenn ein Wechselstrom IL1 > 0 ist, eine ZVS-Bewegung in der zweiten Brückenschaltung 22 erreicht, und ein Fehler φ td der Phasendifferenz, die im Zusammenhang mit einer Kurzschlussverhinderungsperiode steht, wird nicht verursacht. Wenn ein Wechselstrom IL1 > 0 ist, wird daher in dem Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 eine Kompensationsphasendifferenz φ comp = 0 ausgegeben, und wenn ein Wechselstrom IL1 < 0 ist, wird eine Kompensationsphasendifferenz φ comp = - φ td ausgegeben.
In der Steuervorrichtung 40 wird die Ausgabe φ cal des Phasendifferenz-Betriebsteils 401 zu der Kompensationsphasendifferenz φ comp der Ausgabe des Kompensationsbetrag-Betriebsteils 402 addiert, um den Phasendifferenz-Sollwert φ ref zu berechnen. Dann erfüllt der Phasendifferenz-Sollwert φ ref die Gleichung φ ref= φ cal - φ td und kann den Fehler einer Phasendifferenz kompensieren, der durch die Kurzschlussverhinderungsperiode verursacht wird.
7 zeigt den Vergleich des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins eines Kompensationsbetrags φ comp durch den Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402, wobei der Vergleich durch Simulation durchgeführt wird. Wie in 7 gezeigt, kann bestätigt werden, dass die elektrische Leistung, die von der elektrischen Leistungswandlungsvorrichtung 1 ausgegeben wird, aufgrund der Wirkung des Kompensationsbetrags φ comp durch den Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 gut mit einem Elektrische-Leistung-Sollwert übereinstimmt.
Gemäß einer solchen Ausgestaltung, wenn die Ausgangsspannung der Gleichstromleistungsversorgung 10 schwankt, ohne die komplizierte Steuerung der elektrischen Leistung zu verwenden, und selbst wenn die Spannung der Last 20 schwankt, wird kein Fehler in der elektrischen Leistung verursacht, die an die Last 20 übertragen wird, und es wird möglich, eine elektrische Leistungswandlungsvorrichtung 1 mit einer hohen Steuerungsgenauigkeit zu erreichen.
Ausführungsform 2.
In der Ausführungsform 1 wird der Fall erläutert, in dem die Spannung V1 des ersten Gleichstromanschlusses 11 im Verhältnis zu der Spannung V2 des zweiten Gleichstromanschlusses 21 groß wird. In der Ausführungsform 2 wird der Fall erläutert, in dem die Spannung V1 des ersten Gleichstromanschlusses 11 im Verhältnis zu der Spannung V2 des zweiten Gleichstromanschlusses 21 klein wird.
In 8 sind die Gate-Signale der Halbleiterschaltelemente Q11 - Q24 als das Signal a1 und das Signal a2 für den Fall dargestellt, in dem die Spannung V1 des ersten Gleichstromanschlusses 11 im Vergleich zu der Spannung V2 des zweiten Gleichstromanschlusses 21 groß ist. Die Wellenformen der Wechselspannung VT1 und der Wechselspannung VT2 sind als die Wellenform b1 und die Wellenform b2 dargestellt, wobei diese Spannungen an die Primärseitenwicklung 31 und die Sekundärseitenwicklung 32 des Transformators 30 von der ersten Brückenschaltung 12 und der zweiten Brückenschaltung 22 ausgegeben werden, und die Wellenform des Wechselstroms IL ist als die Wellenform c dargestellt.
Wie in 8 gezeigt, ist der Wechselstrom IL1 ein positiver Wert, der ein Strom zu dem Zeitpunkt ist, zu dem die Halbleiterschaltelemente Q21 und Q24 in der zweiten Brückenschaltung 22 eingeschaltet werden. Dann ist der Zustand kurz vor dem Einschalten der Halbleiterschaltelemente Q21 und Q24 in der zweiten Brückenschaltung 22 der gleiche wie der in 4, und eine ZVS-Bewegung wird in der zweiten Brückenschaltung 22 erreicht. Der Strom IL0 ist jedoch ein positiver Wert, der ein Strom zu dem Zeitpunkt ist, zu dem die Halbleiterschaltelemente Q11 und Q14 in der ersten Brückenschaltung 12 eingeschaltet werden. Dann ist der Zustand kurz vor dem Einschalten der Halbleiterschaltelemente Q11 und Q14 in der ersten Brückenschaltung 12 anders als der in 3.
In 9 sind der Zustand der Halbleiterschaltelemente Q11 - Q24 und der Wechselstrom IL dargestellt, die sich kurz vor dem Einschalten der Halbleiterschaltelemente Q11 und Q14 der ersten Brückenschaltung 12 befinden, wenn die Spannung V1 des ersten Gleichstromanschlusses 11 im Vergleich zur Spannung V2 des zweiten Gleichstromanschlusses 21 klein ist. Es ist erwähnenswert, dass in 9 die Halbleiterschaltelemente, die jeweils mit einer gestrichelten Linie gekennzeichnet sind, zeigen, dass sie sich in einem AUS-Zustand befinden oder Elemente sind, die einen elektrischen Strom führen. Zudem zeigen die Halbleiterschaltelemente, die jeweils mit einer durchgezogenen Linie dargestellt sind, dass sie sich in einem EIN-Zustand befinden oder Elemente sind, die einen elektrischen Strom führen.
Wie in 9 gezeigt, fließt Strom durch die Dioden, die gegenläufig parallel zu den Halbleiterschaltelementen Q12 und Q13 geschaltet sind, auch kurz bevor die Halbleiterschaltelemente Q11 und Q14 eingeschaltet werden, da der Wechselstrom IL ein positiver Wert ist. In diesem Zustand bleibt die Polarität der Wechselspannung VT1 weiterhin negativ. Wenn eine Kurzschlussverhinderungsperiode endet, wechselt die Polarität der Wechselspannung VT1 auf einen positiven Wert, da die Halbleiterschaltelemente Q11 und Q14 eingeschaltet werden. Zu diesem Zeitpunkt sind die Halbleiterschaltelemente Q11 und Q14 eingeschaltet, in dem Zustand, in dem die gegenläufig parallel zu den Halbleiterschaltelementen Q12 und Q13 geschalteten Dioden einen elektrischen Strom führen. Dann tritt bei den Dioden, die gegenläufig parallel zu den Halbleiterschaltelementen Q12 und Q13 geschaltet sind, eine Erholung auf.
Ferner ändert sich die Polarität der Spannung nicht, bis eine Kurzschlussverhinderungsperiode endet. Dann wird die Phasendifferenz φ zwischen der Wechselspannung VT1 und der Wechselspannung VT2 um die Kurzschlussverhinderungsperiode φ td klein, in Bezug auf die Phasendifferenz φ cal, die in dem Phasendifferenz-Betriebsteil 401 berechnet wird. Dadurch wird ein Fehler in der zu übertragenden elektrischen Leistung verursacht.
Das heißt, wenn eine ZVS-Bewegung auf der Seite der ersten Brückenschaltung 12 nicht erreicht werden kann, umfasst die Phasendifferenz φ zwischen der Wechselspannung VT1 und der Wechselspannung VT2 einen Fehler um die Kurzschlussverhinderungsperiode <ptd.
So berechnet der Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 eine Phasendifferenz φ comp, die einen Fehler φ td kompensiert, der in der Phasendifferenz φ verursacht wird, und die Steuervorrichtung 40 addiert sie zu der Phasendifferenz φ cal, die im Phasendifferenz-Betriebsteil 401 berechnet wird. Dann berechnet die Steuervorrichtung einen Phasendifferenz-Sollwert φ ref, zu dem die Phasendifferenz φ comp addiert wird, und gibt ihn in einen PWM-Signalerzeugungsteil ein und erfasst die Gate-Signale 41 und 42. Dadurch überträgt das Steuergerät die elektrische Leistung P, die mit dem Sollwert übereinstimmt, an die Last 20.
Genauer gesagt, werden in dem Phasendifferenz-Betriebsteil 401 die Spannung V1 des ersten Gleichstromanschlusses 11, die Spannung V2 des zweiten Gleichstromanschlusses 21 und der Sollwert P der elektrischen Leistung, die mit der Leistungswandlungsvorrichtung 1 übertragen werden soll, in die Gleichung (6) oder die Gleichung (7) eingesetzt. Dadurch erhält die Steuervorrichtung die Phasendifferenz φ cal. Hier verwendet der Phasendifferenz-Betriebsteil 401 die detektierte Spannung V1 des ersten Gleichstromanschlusses 11 und die detektierte Spannung V2 des zweiten Gleichstromanschlusses 21 für die Berechnung einer Phasendifferenz.
Es ist erwähnenswert, dass eine Schaltfrequenz fsw und ein Induktivitätselement L für die Anwendung der Gleichung (6) oder der Gleichung (7) verwendet werden. Bei diesen Werten handelt es sich um Werte, die zum Entwurfszeitpunkt der elektrischen Leistungswandlungsvorrichtung 1 bestimmt werden, und Entwurfswerte werden zuvor in die Steuervorrichtung 40 eingegeben.
Andererseits werden in dem Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 die Phasendifferenz φ cal, die ein Output des Phasendifferenz-Betriebsteils 401 ist, die detektierte Spannung V1 des ersten Gleichstromanschlusses 11 und die detektierte Spannung V2 des zweiten Gleichstromanschlusses 21 in die Gleichung (2) und die Gleichung (5) eingesetzt, um einen Wechselstrom IL0 zu berechnen. Wie oben erwähnt, wird, wenn der Wechselstrom IL0 < 0 ist, eine ZVS-Bewegung in der ersten Brückenschaltung 12 erreicht, und ein Fehler φ td der Phasendifferenz, die im Zusammenhang mit einer Kurzschlussverhinderungsperiode steht, wird nicht verursacht. Daher wird in dem Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402, wenn der Wechselstrom IL0 < 0 ist, die Kompensationsphasendifferenz φ comp = 0 ausgegeben, und wenn der Wechselstrom IL0 > 0 ist, wird die Kompensationsphasendifferenz φ comp = φ td ausgegeben.
In der Steuervorrichtung 40 wird die Ausgabe φ cal des Phasendifferenz-Betriebsteils 401 zur Kompensationsphasendifferenz φ comp der Ausgabe des Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 addiert, um einen Phasendifferenz-Sollwert φ ref zu berechnen. Dann erfüllt der Phasendifferenz-Sollwert φ ref die Gleichung φ ref (Phasendifferenz-Sollwert) = φ cal + φ td und kann den Fehler der Phasendifferenz kompensieren, der durch die Kurzschlussverhinderungsperiode verursacht wird.
10 zeigt den Vergleich des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins eines Kompensationsbetrags φ comp durch den Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402, wobei der Vergleich durch Simulation durchgeführt wird. Wie in 11 gezeigt, kann bestätigt werden, dass die elektrische Leistung, die von der elektrischen Leistungswandlungsvorrichtung 1 ausgegeben wird, aufgrund der Wirkung des Kompensationsbetrags φ comp durch den Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 gut mit einem Elektrische-Leistung-Sollwert übereinstimmt.
Gemäß einer solchen Ausgestaltung, wenn die Ausgangsspannung der Gleichstromleistungsversorgung 10 schwankt, ohne die komplizierte Steuerung der elektrischen Leistung zu verwenden, und selbst wenn die Spannung der Last 20 schwankt, wird kein Fehler in der elektrischen Leistung verursacht, die an die Last 20 übertragen wird, und es wird möglich, eine elektrische Leistungswandlungsvorrichtung 1 mit einer hohen Steuerungsgenauigkeit zu erreichen.
Es ist erwähnenswert, dass in einer solchen Betriebssituation, wenn eine ZVS-Bewegung in der zweiten Brückenschaltung nicht erreicht wird, die Phasendifferenz φ aufgrund des Einflusses der Kurzschlussverhinderungsperiode φ td, wie oben erwähnt, groß wird. Da die ZVS-Bewegung der ersten Brückenschaltung 12 nicht erreicht wird, wird die Phasendifferenz φ um die Kurzschlussverhinderungsperiode φ td kurz. Da die ZVS-Bewegung in der zweiten Brückenschaltung 22 nicht erreicht wird, wird die Phasendifferenz φ um die Kurzschlussverhinderungsperiode φ td lang.
In diesem Fall heben sich diese Effekte gegenseitig auf und der Einfluss der Kurzschlussverhinderungsperiode φ td verschwindet. Dann erfüllt der Ausgang φ comp des Kompensationsbetrag-Betriebsteils 402 die Gleichung φ comp (Ausgang) = O.
Ausführungsform 3.
In der Ausführungsform 2 wird der Fall erläutert, in dem die Spannung V1 des ersten Gleichstromanschlusses 11 im Verhältnis zu der Spannung V2 des zweiten Gleichstromanschlusses 21 klein wird. In der Ausführungsform 3 wird ein Fall erläutert, in dem die elektrische Leistung, die die elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung 1 an die Last 20 überträgt, klein ist.
In 11 sind die Gate-Signale der Halbleiterschaltelemente zu Q24 als die Wellenform a1 und die Wellenform a2 für den Fall dargestellt, in dem die elektrische Leistung, die von dem ersten Gleichstromanschluss 11 zu dem zweiten Gleichstromanschluss 21 übertragen wird, klein ist. Die Wellenformen der Wechselspannung VT1 und der Wechselspannung VT2 sind als die Wellenform b1 und die Wellenform b2 dargestellt, wobei diese Spannungen an die Primärseitenwicklung 31 und die Sekundärseitenwicklung 32 des Transformators 30 von der ersten Brückenschaltung 12 und der zweiten Brückenschaltung 22 ausgegeben werden, und die Wellenform des Wechselstroms IL ist als die Wellenform c dargestellt.
Wie in 11 gezeigt, ist der Wechselstrom ILO ein negativer Wert, der ein Strom zu dem Zeitpunkt ist, zu dem die Halbleiterschaltelemente Q11 und Q14 in der ersten Brückenschaltung 12 eingeschaltet werden. Dann ist der Zustand kurz vor dem Einschalten der Halbleiterschaltelemente Q11 und Q14 in der ersten Brückenschaltung 12 derselbe wie der in 4. Andererseits ist der Wechselstrom IL1 ein positiver Wert, d der ein Strom zu dem Zeitpunkt ist, zu dem die Halbleiterschaltelemente Q21 und Q24 in der zweiten Brückenschaltung 22 eingeschaltet werden. Dann ist der Zustand kurz vor dem Einschalten der Halbleiterschaltelemente Q21 und Q24 in der zweiten Brückenschaltung 22 derselbe wie der in 4. Daher wird in diesem Fall eine ZVS-Bewegung in der ersten Brückenschaltung 12 und der zweiten Brückenschaltung 22 erreicht, und es wird kein Fehler in der Phasendifferenz zwischen der Wechselspannung VT1 und der Wechselspannung VT2 verursacht.
Wie aus 11 gezeigt, hat der Wechselstrom IL jedoch eine Periode φ Z, in der Strom null wird, wenn eine Polarität umschaltet. Da diese Periode nicht zur Übertragung der elektrischen Leistung beiträgt, wird die Phasendifferenz φ um eine Periode φ Z kleiner als der Sollwert φ ref. Infolgedessen wird ein Fehler in der elektrischen Leistung verursacht, die an die Last 20 übertragen wird. Außerdem tritt dieser Zeitraum auf, wenn sich die erste Brückenschaltung 12 in der Kurzschlussverhinderungsperiode befindet und der Wechselstrom IL null ist. Dadurch stimmt die Polarität der Wechselspannung VT1 mit derjenigen der Wechselspannung VT2 überein.
Diese Periode φ Z tritt ab dem Zeitpunkt auf, an dem der Wechselstrom IL IL0 ist, bis zu dem Zeitpunkt, an dem der Wechselstrom IL1 wird. Daher wird die Beziehung der Gleichung (8) aus der Gleichung (2) und der Gleichung (5) hergestellt, wobei die Phase zu dem Zeitpunkt, an dem die Gleichung: Wechselstrom IL = 0 erfüllt ist, während einer Periode ab dem Zeitpunkt, an dem der Wechselstrom IL IL0 ist, bis zu dem Moment, in dem der Wechselstrom IL1 wird, als Phase φ 0 definiert wird.
[Gl. 8]
Gl. 8 $I_{L0} + A ϕ_{0} = 0$
Hier erhält man durch Umformen der Gleichung (8) die Phase φ 0 zu dem Zeitpunkt, an dem die Gleichung: Wechselstrom IL = 0 erfüllt ist, wie in Gleichung (9) gezeigt.
[Gl. 9]
Gl. 9 $ϕ_{0} = - \frac{I_{L 0}}{A}$
Wie in 11 dargestellt, beginnt nach dem Ablauf einer Periode φ 0 die Periode φ Z, in der die Polarität der Wechselspannung VT1 umgeschaltet wird und der Wechselstrom von IL0 auf IL 1 wechselt. Während der Periode φ Z wird der Wechselstrom IL null.
Und dann, wenn die Kurzschlussverhinderungsperiode φ td in der ersten Brückenschaltung 12 endet, kehrt die Polarität der Wechselspannung VT1 zu der Polarität zurück, die vor dem Beginn der Periode φ Z liegt. In Anbetracht der Rückkehr der Polarität kann die Periode φ Z, die nicht zur Übertragung elektrischer Leistung beiträgt, durch die folgende Gleichung (10) erhalten werden.
[Gl. 10]
Gl. 10 $ϕ_{Z} = ϕ_{t d} - ϕ_{0}$
Daher setzt der Phasendifferenz-Betriebsteil 401 in der Steuervorrichtung 40 die Spannung V1 des ersten Gleichstromanschlusses 11, die Spannung V2 des zweiten Gleichstromanschlusses 21 und den Sollwert P der elektrischen Leistung, die mit der elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung 1 übertragen wird, in die Gleichung (6) oder die Gleichung (7) ein, um eine Phasendifferenz φ cal zu berechnen, und gibt sie aus. Außerdem berechnet der Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 die Kompensationsphasendifferenz φ comp, basierend auf der Gleichung (10). Nachdem das Ergebnis ausgegeben wurde, wird die Kompensationsphasendifferenz zu der Phasendifferenz φ cal addiert. Auf diese Weise kann der Phasendifferenz-Sollwert φ ref, der keinen Fehler in der an die Last 20 übertragenen elektrischen Leistung verursacht, erhalten werden. Es ist erwähnenswert, dass in dem Fall einer Periode φ Z > 0 in der Gleichung (10) die Periode auftritt, in der Wechselstrom IL = 0 erfüllt ist, und ein Fehler in der elektrischen Leistung verursacht wird. In dem Fall einer Periode φ Z < 0 wird der Output des Kompensationsbetrag-Betriebsteils 402 zu φ comp = 0.
Gemäß einer solchen Ausgestaltung, wenn die Ausgangsspannung der Gleichstromleistungsversorgung 10 schwankt, ohne die komplizierte Steuerung der elektrischen Leistung zu verwenden, und selbst wenn die Spannung der Last 20 schwankt, wird kein Fehler in der elektrischen Leistung verursacht, die an die Last 20 übertragen wird, und es wird möglich, eine elektrische Leistungswandlungsvorrichtung 1 mit einer hohen Steuerungsgenauigkeit zu erreichen.
12 zeigt den Vergleich des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins eines Kompensationsbetrags φ comp durch den Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402, wobei der Vergleich durch Simulation durchgeführt wird. Wie in 12 gezeigt, kann bestätigt werden, dass in dem Fall, in dem ein Elektrische-Leistung-Sollwert klein ist, die elektrische Leistung, die von der elektrischen Leistungsumwandlungsvorrichtung 1 ausgegeben wird, aufgrund der Wirkung des Kompensationsbetrags φ comp durch den Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 gut mit einem Elektrische-Leistung-Sollwert übereinstimmt.
Gemäß einer solchen Ausgestaltung wird kein Fehler in der elektrischen Leistung verursacht, die an die Last 20 übertragen wird, und es wird möglich, eine elektrische Leistungsumwandlungsvorrichtung 1 mit einer hohen Steuerungsgenauigkeit zu erreichen.
Ausführungsform 4.
In der Ausführungsform 3 wird ein Fall erläutert, in dem die elektrische Leistung, die die elektrische Leistungswandlungsvorrichtung 1 an die Last 20 überträgt, klein ist. Tatsächlich ändert sich jedoch der Zustand der Last 20 ständig, und der Zustand der Gleichstromleistungsversorgung 10 ändert sich ebenfalls ständig. Daher muss der Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 einen Kompensationsbetrag der Phasendifferenz φ comp ausgeben, der dem Zustand entspricht. In der Ausführungsform 4 wird die Ausgestaltung der Steuervorrichtung 40 erläutert, bei der der Kompensationsbetrag einer Phasendifferenz φ comp in dem Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 entsprechend dem Zustand der Last 20 und der Gleichstromleistungsversorgung 10 berechnet wird.
Die Ausgestaltung der Steuervorrichtung 40 gemäß der Ausführungsform 4 ist in 13 gezeigt. Die Steuervorrichtung 40 gemäß der Ausführungsform 4 umfasst zusätzlich zu der Ausgestaltung der Steuervorrichtung 40 in den Ausführungsformen 1 - 3 einen Schaltzeitstrom- und Stromnullzeitphasen-Betriebsteil 404, einen ZVS-Bewegungsbeurteilungsteil 405 und einen Stromnullperiode-Beurteilungsteil 406. Der Schaltzeitstrom- und Stromnullzeitphasen-Betriebsteil 404 berechnet einen Strom IL0, einen Strom IL1 und eine Phase φ 0 aus dem Detektionswert der Spannung V1 des ersten Gleichstromanschlusses 11, dem Detektionswert der Spannung V2 des zweiten Gleichstromanschlusses 21 und dem Output des Phasendifferenz-Betriebsteils 401. Der ZVS-Bewegungsbeurteilungsteil 405 beurteilt die ZVS-Bewegung in der ersten Brückenschaltung 12 und der zweiten Brückenschaltung 22 anhand des Betriebsergebnisses des Schaltzeitstrom- und Stromnullzeitphasen-Betriebsteils 404. Der Stromnullperiode-Beurteilungsteil 406 beurteilt, ob die Periode, in der der Wechselstrom IL null wird, auftritt oder nicht.
In dem Schaltzeitstrom- und Stromnullzeitphasen-Betriebsteil 404 und dem Schaltzeitstrom- und Stromnullzeitphasen-Betriebsteil 404 werden ein Strom IL0 und ein Strom IL1 unter Verwendung der Gleichung (2), der Gleichung (3) und der Gleichung (5) berechnet, und ferner wird eine Phase φ 0 unter Verwendung der Gleichung (8) und der Gleichung (9) berechnet. Dann werden der Strom IL0 und der Strom IL1 in den ZVS-Bewegungsbewertungsteil 405 eingegeben. Wenn IL0 < 0 ist, wird beurteilt, dass eine ZVS-Bewegung in der ersten Brückenschaltung 12 erreicht ist, und ähnlich, wenn IL1 > 0 ist, wird beurteilt, dass eine ZVS-Bewegung in der zweiten Brückenschaltung 22 erreicht ist.
Diese Beurteilungsergebnisse werden an den Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 übertragen. Darüber hinaus empfängt der Stromnullperiode-Beurteilungsteil 406 die Phase φ 0 und vergleicht sie mit der Kurzschlussverhinderungsdauer φ td. Wenn die Formel: φ 0 < φ td erfüllt ist, beurteilt der Stromnullperiode-Beurteilungsteil, dass die Zeitspanne φ Z, während der der Wechselstrom IL null wird, auftritt. Wenn die Formel: φ 0 > φ td erfüllt ist, wird der Stromnullperiode-Beurteilungsteil feststellen, dass die Periode φ Z, während der der Wechselstrom IL null wird, nicht auftritt. Dieses Beurteilungsergebnis wird an den Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 übertragen.
In dem Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402, der die Beurteilungsergebnisse des ZVS-Bewegungsbeurteilungsteils 405 und des Stromnullperiode-Beurteilungsteils 406 erhält, wird der Kompensationsbetrag einer Phasendifferenz φ comp basierend auf dem Beurteilungsergebnis berechnet. Wenn zum Beispiel der ZVS-Bewegungsbeurteilungsteil 405 IL0 > 0 und IL1 > 0 bestätigt, wird das Beurteilungsergebnis, dass eine ZVS-Bewegung in der ersten Brückenschaltung 12 nicht erreicht wird, aber eine ZVS-Bewegung in der zweiten Brückenschaltung 22 erreicht wird, an den Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 übertragen.
In einem solchen Fall kommt es nicht zu einer Umkehrung der Strompolaritäten, wenn der Wechselstrom von IL0 zu IL1 wechselt, und die Periode, in der der Wechselstrom IL null wird, tritt dann nicht auf. Daher bestätigt der Stromnullperiode-Beurteilungsteil 406, dass φ 0 > φ td ist, und beurteilt, dass die Periode φ Z, während der der Wechselstrom IL null wird, nicht auftritt.
Als Reaktion auf diese Ergebnisse gibt der Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 eine Kompensationsphasendifferenz φ comp = + φ td aus.
Das Flussdiagramm der Steuervorrichtung 40 ist in 14 dargestellt.
In der Steuervorrichtung 40 berechnet zunächst der Schaltzeitstrom- und Stromnullzeitphasen-Betriebsteil 404 einen Strom IL0 und einen Strom IL1 aus dem Detektionswert der Spannung V1 des ersten Gleichstromanschlusses 11, dem Detektionswert der Spannung V2 des zweiten Gleichstromanschlusses 21, dem Elektrische-Leistung-Sollwert P ref, der Schaltfrequenz fsw und der Induktivität L der Induktivitätselemente. Außerdem wird in dem Phasendifferenz-Betriebsteil 401 eine Phasendifferenz φ cal berechnet (Schritt S1).
Als nächstes wird in dem ZVS-Bewegungsbeurteilungsteil 405 anhand der Polarität von IL0 beurteilt, ob die ZVS-Bewegung in der ersten Brückenschaltung 12 erreicht wird (Schritt S2). Zu diesem Zeitpunkt, wenn die ZVS-Bewegung in der ersten Brückenschaltung 12 erreicht wird (IL0 < 0) (JA), fährt der Prozess mit Schritt S3A fort, und wenn die ZVS-Bewegung in der ersten Brückenschaltung 12 nicht erreicht wird (IL0 > 0) (NEIN), fährt der Prozess mit Schritt S3B fort.
Als nächstes wird in Schritt S3A in dem ZVS-Bewegungsbeurteilungsteil 405 anhand der Polarität von IL1 beurteilt, ob die ZVS-Bewegung in der zweiten Brückenschaltung 22 erreicht wird, und wenn die ZVS-Bewegung in der zweiten Brückenschaltung 22 erreicht wird (JA), fährt der Prozess mit Schritt S4 fort. Andererseits, wenn die ZVS-Bewegung in der zweiten Brückenschaltung 22 nicht erreicht wird (NEIN), wird eine Kompensationsphasendifferenz φ comp = - φ td in dem Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 ausgegeben (Schritt S5).
In ähnlicher Weise wird auch in Schritt S3B in dem ZVS-Bewegungsbeurteilungsteil 405 anhand der Polarität von IL1 beurteilt, ob die ZVS-Bewegung in der zweiten Brückenschaltung 22 erreicht wird. Wenn die ZVS-Bewegung in der zweiten Brückenschaltung 22 erreicht wird (JA), wird eine Kompensationsphasendifferenz φ comp = φ td in dem Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 ausgegeben (Schritt S5), und wenn die ZVS-Bewegung nicht in der zweiten Brückenschaltung 22 erreicht wird (NEIN), wird eine Kompensationsphasendifferenz φ comp = 0 in dem Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 ausgegeben (Schritt S5).
Als nächstes beurteilt in Schritt S4 der Stromnullperiode-Beurteilungsteil 406 das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Periode, während der der AC-Strom IL null wird. Wenn es keine Periode gibt, während der der Wechselstrom null wird (JA), wird eine Kompensationsphasendifferenz φ comp = 0 in dem Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 ausgegeben (Schritt S5), und wenn es keine Periode gibt, während der der Wechselstrom Null wird (NEIN), wird eine Kompensationsphasendifferenz φ comp = φ Z in dem Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 ausgegeben (Schritt S5).
Als nächstes wird in Schritt S6 ein Phasendifferenz-Sollwert φ ref berechnet, indem der Kompensationsbetrag φ comp, der in dem Kompensationsbetrag-Betriebsteil 402 berechnet wird, zu der Phasendifferenz φ cal addiert wird.
Als nächstes wird der Phasendifferenz-Sollwert φ ref in den PWM-Signalerzeugungsteil 403 eingegeben, und die Gate-Signale 41 und 42 werden erzeugt (Schritt S7).
Solange die Leistungsumwandlungsvorrichtung 1 in Betrieb ist, werden fortan die Schritte S1 - S7 wiederholt.
Gemäß einer solchen Ausgestaltung wird es möglich, eine elektrische Leistungswandlungsvorrichtung mit einer hohen Steuerungsgenauigkeit zu erreichen, ohne den Einfluss einer Kurzschlussverhinderungsperiode, wenn die Spannung V1 des ersten Gleichstromanschlusses 11, die Spannung V2 des zweiten Gleichstromanschlusses 21 oder der Sollwert P ref der elektrischen Übertragungsleistung schwankt, ohne die komplizierte Steuerung der elektrischen Leistung zu verwenden.
Ausführungsform 5.
Bisher wurde das Verfahren zum Beurteilen des Vorhandenseins oder Nichtvorhandenseins des Einflusses einer Kurzschlussverhinderungsperiode erläutert, wobei der Wechselstrom IL aus den Betriebsbedingungen in der Steuervorrichtung 40 berechnet wird. In Ausführungsform 5 wird eine Ausgestaltung zur Kompensation des Einflusses einer Kurzschlussverhinderungsperiode erläutert, bei der die Steuervorrichtung einen Wechselstrom IL detektiert und beurteilt, ob die ZVS-Bewegung in der ersten Brückenschaltung 12 und der zweiten Brückenschaltung 22 erreicht wird oder nicht.
15 zeigt die elektrische Leistungswandlungsvorrichtung 1, die mit einer Stromdetektionseinrichtung 43 ausgestattet ist. In 15 ist die Stromdetektionseinrichtung 43 in der ersten Brückenschaltung 12 angeordnet, aber die Position der Anordnung ist nicht auf diese beschränkt. In einigen Ausführungsformen kann die Stromdetektionseinrichtung in der zweiten Brückenschaltung 22 oder sowohl in der ersten Brückenschaltung 12 als auch in der zweiten Brückenschaltung 22 angeordnet sein.
16 zeigt die Ausgestaltung der Steuervorrichtung 40 für den Fall, dass die elektrische Leistungswandlungsvorrichtung 1 mit der Stromdetektionseinrichtung 43 ausgestattet ist. Die Steuervorrichtung 40 ist mit einem Schaltzeitstrom-Detektionsteil 407 ausgestattet, der einen Strom zu der Schaltzeit in der ersten Brückenschaltung 12 und der zweiten Brückenschaltung 22 aus dem Wechselstrom IL detektiert, der von der Stromdetektionseinrichtung 43 detektiert wird.
Der Schaltzeitstrom-Detektionsteil 407 detektiert einen Strom IL0, der zum Einschaltzeitpunkt der Halbleiterschaltelemente Q11 und Q14 in der ersten Brückenschaltung 12 fließt, und überträgt ihn an den ZVS-Bewegungsbeurteilungsteil 405. Außerdem detektiert der Schaltzeitstrom-Detektionsteil 407 einen Strom IL2, der zum Ausschaltzeitpunkt der Halbleiterschaltelemente Q11 und Q14 in der ersten Brückenschaltung 12 anliegt, und überträgt ihn an den ZVS-Bewegungsbeurteilungsteil 405. In beiden Fällen kann der ZVS-Bewegungsbeurteilungsteil beurteilen, ob die ZVS-Bewegung in der ersten Brückenschaltung 12 erreicht ist oder nicht. Dies liegt daran, dass der Integrationswert des Wechselstroms IL über einen Zyklus Null wird und der Strom IL2 in der Polarität zum Strom IL0 umgekehrt wird und sein absoluter Wert derselbe wie der des Stroms IL0 ist.
Außerdem detektiert der Schaltzeitstrom-Detektionsteil 407 einen Strom IL1, der zum Einschaltzeitpunkt der Halbleiterschaltelemente Q21 und Q24 in der zweiten Brückenschaltung 22 fließt, und überträgt ihn an den ZVS-Bewegungsbeurteilungsteil 405. Außerdem detektiert der Schaltzeitstrom-Detektionsteil 407 einen Strom, der sich zum Ausschaltzeitpunkt der Halbleiterschaltelemente Q21 und Q24 in der zweiten Brückenschaltung 22 befindet, und überträgt ihn an den ZVS-Bewegungsbeurteilungsteil 405. In beiden Fällen kann der Schaltzeitstrom-Detektionsteil beurteilen, ob die ZVS-Bewegung in der zweiten Brückenschaltung 22 erreicht ist oder nicht.
Bei einer solchen Ausgestaltung ist es nicht mehr erforderlich, die Ströme IL0 und IL1 aus der Betriebssituation der elektrischen Leistungswandlungsvorrichtung 1 zu berechnen, und die Steuervorrichtung 40 kann dann eine einfache Ausgestaltung aufweisen. Außerdem treten keine betriebsbedingten Fehler auf, so dass eine Steuerung mit einer höheren Präzision möglich ist.
Es ist erwähnenswert, dass ein Beispiel für die Hardware in der Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Anmeldung in 17 gezeigt ist. Die elektrische Leistungswandlungsvorrichtung besteht aus einem Prozessor 100 und einem Speicher 200, und der Speicher 200 verfügt über flüchtige Speicher, wie z.B. Direktzugriffsspeicher, und nichtflüchtige Hilfsspeicher, wie z.B. Flash-Speicher, die jedoch nicht dargestellt sind. Außerdem kann der Speicher anstelle eines Flash-Speichers auch Hilfsspeicher vom Festplattentyp umfassen.
Der Prozessor 100 führt Programme aus, die aus dem Speicher 200 eingegeben werden, und führt z. B. die Kommunikation zwischen dem lokalen Server 5 und der Lokalen-Netzwerk-Basisstation 6 von Kommunikationsanschluss 81 durch. In diesem Fall wird das Programm über flüchtige Speicher aus Hilfsspeichern in den Prozessor 100 eingegeben. Außerdem kann der Prozessor 100 die Daten eines Betriebsergebnisses und andere an die flüchtigen Speicher des Speichers 200 ausgeben oder die Daten in den Hilfsspeichern durch flüchtige Speicher speichern.
Obwohl die vorliegende Anwendung oben in Form von verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen und Implementierungen beschrieben wird, versteht es sich, dass die verschiedenen Merkmale, Aspekte und Funktionen, die in einer oder mehreren der einzelnen Ausführungsformen beschrieben werden, in ihrer Anwendbarkeit auf die jeweilige Ausführungsform, mit der sie beschrieben werden, nicht beschränkt sind, sondern stattdessen allein oder in verschiedenen Kombinationen auf eine oder mehrere der Ausführungsformen angewendet werden können. Es versteht sich daher, dass zahlreiche Modifikationen, die nicht beispielhaft beschrieben wurden, entwickelt werden können, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Anmeldung zu verlassen. Zum Beispiel kann mindestens einer der Bestandteile modifiziert, hinzugefügt oder eliminiert werden. Mindestens einer der in mindestens einer der bevorzugten Ausführungsformen genannten Bestandteile kann ausgewählt und mit den in einer anderen bevorzugten Ausführungsform genannten Bestandteilen kombiniert werden.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Elektrische Leistungswandlungsvorrichtung; 10 Gleichstromleistungsversorgung ; 11 Erster Gleichstromanschluss; 12 Erste Brückenschaltung ; 13 Erster Wechselstromanschluss; 20 Last ; 21 Zweiter Gleichstromanschluss; 22 Zweite Brückenschaltung ; 23 Zweiter Wechselstromanschluss; 30 Transformator ; 31 Primärseitenwicklung; 32 Sekundärseitenwicklung ; 33 erste Spannungsdetektionseinrichtung; 34 zweite Spannungsdetektionseinrichtung, 40 Steuervorrichtung ; 41, 42 Gate-Signal; 43 Stromdetektionseinrichtung; 100 Prozessor ; 200 Speicher ; 401 Phasendifferenz-Betriebsteil; 402 Kompensationsbetrag-Betriebsteil; 403 PWM-Signalerzeugungsteil ; 404 Stromnullzeitphasen-Betriebsteil; 405 ZVS-Bewegungsbeurteilungsteil ; 406 Stromnullperiode-Beurteilungsteil; 407 Schaltzeitstrom-Detektionseinrichtung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2016125374 [0004]

Claims

Elektrische Leistungswandlungsvorrichtung, aufweisend: einen Transformator, eine erste Brückenschaltung mit einem ersten Halbleiterschaltelement, die mit einer Primärseitenwicklung des Transformators verbunden ist und mit einer Kurzschlussverhinderungsperiode eingerichtet ist, eine zweite Brückenschaltung mit einem zweiten Halbleiterschaltelement, die mit einer Sekundärseitenwicklung des Transformators verbunden ist und mit einer Kurzschlussverhinderungsperiode eingerichtet ist, eine erste Spannungsdetektionseinrichtung, die eine erste in die erste Brückenschaltung eingegebene Spannung detektiert, eine zweite Spannungsdetektionseinrichtung, die eine zweite in die zweite Brückenschaltung eingegebene Spannung detektiert, und eine Steuervorrichtung, die das erste Halbleiterschaltelement und das zweite Halbleiterschaltelement steuert, wobei die Steuervorrichtung aufweist: einen Phasendifferenz-Betriebsteil, der eine Phasendifferenz zwischen einem ersten Ausgang der ersten Brückenschaltung und einem zweiten Ausgang der zweiten Brückenschaltung basierend auf einem ersten Spannungswert, der durch die erste Spannungsdetektionseinrichtung detektiert wird, einem zweiten Spannungswert, der durch die zweite Spannungsdetektionseinrichtung detektiert wird, und einem Elektrische-Leistung-Sollwert berechnet, einen Kompensationsbetrag-Betriebsteil, der einen Kompensationsbetrag zum Kompensieren eines in der Phasendifferenz verursachten Fehlers aus einem ersten Betriebsergebnis des Phasendifferenz-Betriebsteils, dem ersten Spannungswert und dem zweiten Spannungswert berechnet, und einen PWM-Signalerzeugungsteil, der ein erstes Gate-Signal des ersten Halbleiterschaltelements und ein zweites Gate-Signal des zweiten Halbleiterschaltelements aus dem ersten Betriebsergebnis des Phasendifferenz-Betriebsteils und einem zweiten Betriebsergebnis des Kompensationsbetrag-Betriebsteils erzeugt.
Elektrische Leistungswandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kompensationsbetrag-Betriebsteil den Kompensationsbetrag basierend auf der in dem Phasendifferenz-Betriebsteil berechneten Phasendifferenz, dem ersten Spannungswert und dem zweiten Spannungswert berechnet.
Elektrische Leistungswandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kompensationsbetrag-Betriebsteil Ströme kurz vor dem Einschalten des ersten Halbleiterschaltelements und des zweiten Halbleiterschaltelements basierend auf der Phasendifferenz, die in dem Phasendifferenz-Betriebsteil berechnet wird, dem ersten Spannungswert und dem zweiten Spannungswert berechnet, und anhand der berechneten Ströme beurteilt, ob eine ZVS-Bewegung in der ersten Brückenschaltung und der zweiten Brückenschaltung erreicht wird.
Elektrische Leistungswandlungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei, wenn die ZVS-Bewegung in der Brückenschaltung auf einer Lastseite, zwischen der ersten Brückenschaltung und der zweiten Brückenschaltung, nicht erreicht wird, der Kompensationsbetrag-Betriebsteil einen Phasenbetrag ausgibt, der äquivalent zu der Kurzschlussverhinderungsperiode ist, wobei der Phasenbetrag eine umgekehrte Polarität zu der Phasendifferenz hat, die in dem Phasendifferenz-Betriebsteil berechnet wird.
Elektrische Leistungswandlungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei, wenn die ZVS-Bewegung in der Brückenschaltung auf einer Stromversorgungsseite, zwischen der ersten Brückenschaltung und der zweiten Brückenschaltung, nicht erreicht wird, der Kompensationsbetrag-Betriebsteil einen Phasenbetrag ausgibt, der äquivalent zu der Kurzschlussverhinderungsperiode ist, wobei der Phasenbetrag die gleiche Polarität wie die Phasendifferenz hat, die in dem Phasendifferenz-Betriebsteil berechnet wird.
Elektrische Leistungswandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kompensationsbetrag-Betriebsteil Ströme kurz vor dem Einschalten des ersten Halbleiterschaltelements und des zweiten Halbleiterschaltelements basierend auf der Phasendifferenz, die in dem Phasendifferenz-Betriebsteil berechnet wird, dem ersten Spannungswert und dem zweiten Spannungswert berechnet, und das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Periode, in der ein dem Transformator zugeführter Wechselstrom null wird, beurteilt.
Elektrische Leistungswandlungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei, wenn eine Periode auftritt, in der der Wechselstrom null wird, der Kompensationsbetrag-Betriebsteil berechnet einen Phasenbetrag auszugeben, der äquivalent zu einer Periode ist, während der der Wechselstrom null wird, wobei der Phasenbetrag die gleiche Polarität wie die Phasendifferenz hat, die in dem Phasendifferenz-Betriebsteil berechnet wird.
Elektrische Leistungswandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung aufweist: einen Schaltzeitstrom- und Stromnullzeitphasen-Betriebsteil, der Ströme kurz vor dem Einschalten des ersten Halbleiterschaltelements und des zweiten Halbleiterschaltelements und eine Periode, während der ein dem Transformator zugeführter Wechselstrom null wird, basierend auf der in dem Phasendifferenz-Betriebsteil berechneten Phasendifferenz, dem ersten Spannungswert und dem zweiten Spannungswert berechnet, einen ZVS-Bewegungsbeurteilungsteil, der basierend auf Strömen kurz vor dem Einschalten des ersten Halbleiterschaltelements und des zweiten Halbleiterschaltelements beurteilt, ob eine ZVS-Bewegung in der ersten Brückenschaltung und der zweiten Brückenschaltung erreicht wird, und einen Stromnullperiode-Beurteilungsteil, der das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Periode, in der der Wechselstrom null wird, beurteilt, wobei der Schaltzeitstrom- und Stromnullzeitphasen-Betriebsteil, der ZVS-Bewegungsbeurteilungsteil und der Stromnullperiode-Beurteilungsteil vor dem Kompensationsbetrag-Betriebsteil installiert sind.
Elektrische Leistungswandlungsvorrichtung nach Anspruch 8, wobei der Stromnullperiode-Beurteilungsteil eine Beurteilung, ob eine Periode auftritt, während der ein Wechselstrom null wird, basierend auf einer Phase durchführt, die bewirkt, dass der Wechselstrom null wird, wobei die Phase in dem Schaltzeitstrom- und Stromnullzeitphasen-Betriebsteil berechnet wird.
Elektrische Leistungswandlungsvorrichtung nach Anspruch 8, aufweisend eine Stromdetektionseinrichtung zum Detektieren eines Wechselstroms, der dem Transformator zugeführt wird, wobei der Schaltzeitstrom- und Stromnullzeitphasen-Betriebsteil aufweist: eine Schaltzeitstrom-Detektionseinrichtung, die Ströme kurz vor dem Einschalten des ersten Halbleiterschaltelements und des zweiten Halbleiterschaltelements basierend auf dem von der Stromdetektionseinrichtung detektierten Stroms detektiert, und einen Stromnullzeitphasen-Betriebsteil.