JP2006304381A - Power conversion equipment - Google Patents
Power conversion equipment Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006304381A JP2006304381A JP2005117888A JP2005117888A JP2006304381A JP 2006304381 A JP2006304381 A JP 2006304381A JP 2005117888 A JP2005117888 A JP 2005117888A JP 2005117888 A JP2005117888 A JP 2005117888A JP 2006304381 A JP2006304381 A JP 2006304381A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- voltage
- frequency
- power
- frequency transformer
- inverter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
Description
本発明は、太陽電池または燃料電池などの直流電力を商用周波数の交流電力に変換して系統に電力を注入する電力変換装置に関するものである。 The present invention relates to a power conversion device that converts DC power, such as a solar cell or a fuel cell, into AC power having a commercial frequency and injects power into the system.
従来、この種の電力変換装置としては、例えば高周波トランスの1次側に共振コンデンサとスイッチング素子を配置し、スイッチング素子の電圧波形を共振させてゼロ電圧スイッチング動作を行うと共に、1次インバータが商用2倍周期で正弦波変調を行い、さらに高周波トランスの2次側ではダイオードとコンデンサで高周波成分を整流し、高周波トランスの2次側に配置した2次インバータで極性切換を行うことにより、概ね力率1の正弦波電流を生成している高効率な電力変換装置があった(例えば特許文献1参照)。 Conventionally, as this type of power conversion device, for example, a resonance capacitor and a switching element are arranged on the primary side of a high-frequency transformer, and a zero voltage switching operation is performed by resonating the voltage waveform of the switching element. By performing sinusoidal modulation with a double period, and further rectifying high-frequency components with a diode and a capacitor on the secondary side of the high-frequency transformer, and switching the polarity with a secondary inverter arranged on the secondary side of the high-frequency transformer, There has been a high-efficiency power converter that generates a sine wave current with a rate of 1 (see, for example, Patent Document 1).
従来使用している電力変換装置を図3,4を参照して説明する。 A power converter used in the past will be described with reference to FIGS.
図3において、第1インバータ1が直流電源2の電力を高周波電力に変換する。これは、第1インバータ1のスイッチング素子3がオンオフを繰り返すことにより実現されるものである。
In FIG. 3, the 1st inverter 1 converts the electric power of the direct-
通常、スイッチング素子3がターンオフする際、コレクタ−エミッタ間に流れる電流が遮断されるため、高周波トランス4に蓄積された励磁エネルギーを共振コンデンサ5との間で充放電することで、スイッチング素子3のコレクタ−エミッタ電圧は図4に示すように共振波形となる。
Normally, when the switching
次に、コレクタ−エミッタ電圧がゼロとなりスイッチング素子3に逆並列で接続されたダイオードに電流が流れている期間にスイッチング素子3をターンオンすることで、ゼロ電圧スイッチングを実現している。
Next, zero voltage switching is realized by turning on the
なお、6は整流手段、7は第2インバータ、8は平滑コンデンサ、そして9が系統である。
しかしながら前記従来の構成では、高周波トランスの出力電圧は入力電圧に1次2次間の巻線比を乗じた値以下となるが、特に高い昇圧比が必要な場合、1次巻線数には下限があるため、インバータの動作周波数を考慮すると高周波トランスの2次巻線数を増加することが必要となり、同時に2次側は出力電圧以上の耐圧が必要となるため、高周波トランスの小形化と軽量化に限界がある。 However, in the conventional configuration, the output voltage of the high-frequency transformer is equal to or less than the value obtained by multiplying the input voltage by the winding ratio between the primary and secondary, but when a particularly high step-up ratio is required, the number of primary windings is Since there is a lower limit, it is necessary to increase the number of secondary windings of the high-frequency transformer in consideration of the operating frequency of the inverter. At the same time, the secondary side needs to have a breakdown voltage higher than the output voltage. There is a limit to weight reduction.
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、高周波トランス2次側に倍電圧整流手段を配置することで、高周波トランスの昇圧比を小さくすることができるため、2次巻線数の低減と構造上の低耐圧化が図れることにより、高周波トランスの小形化が可能な電力変換装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and by arranging the voltage doubler rectifying means on the secondary side of the high-frequency transformer, the step-up ratio of the high-frequency transformer can be reduced, so that the number of secondary windings is reduced. It is an object of the present invention to provide a power conversion device capable of reducing the size of a high-frequency transformer by reducing the structural breakdown voltage.
前記目的を達成するために、本発明の電力変換装置は、高周波トランスの2次側に倍電圧整流手段を接続して、整流された高周波電力を第2インバータへ供給するようにした電力変換装置としたものである。 In order to achieve the above object, a power converter according to the present invention has a voltage doubler rectifier connected to the secondary side of a high-frequency transformer to supply rectified high-frequency power to a second inverter. It is what.
本発明の電力変換装置は、高周波トランスの2次側に倍電圧整流手段を接続して、高周波トランスの1次2次巻数比を整流ブリッジの場合に比べて概ね半減させることにより、特に2次巻線数を削減することで、高周波トランスを小形化し、さらに昇圧比の大きい入出力電圧条件における高周波トランス1次2次巻線数の設計自由度を拡大する電力変換装置とすることができる。 The power conversion device according to the present invention connects the voltage doubler rectifier to the secondary side of the high-frequency transformer and reduces the primary / secondary turns ratio of the high-frequency transformer substantially by half compared to the case of the rectifier bridge. By reducing the number of windings, it is possible to reduce the size of the high-frequency transformer and to provide a power conversion device that expands the degree of design freedom of the number of high-frequency transformer primary and secondary windings under input / output voltage conditions with a large step-up ratio.
第1の発明は、直流電圧を分割する2個以上の分圧コンデンサと、1次側に中間端子を有する高周波トランスと、2個のスイッチング素子を直列接続したアームが2個からなるフルブリッジ構成の第1インバータと、各スイッチング素子の第1から第4の共振コンデンサと、出力電流を制御する第2インバータとを具備し、分圧コンデンサによる中間電圧と、高周波トランスの中間端子とを共振リアクトルで接続し、スイッチング素子が各アームの動作に関わらずゼロ電圧スイッチング動作する構成において、高周波トランスの2次側と第2インバータとの間に限流リアクトルと倍電圧整流手段を接続することで、2次巻数を低減して、高周波トランスの小形化が可能な電力変換装置を実現することができる。 The first invention is a full bridge configuration comprising two or more voltage dividing capacitors for dividing a DC voltage, a high-frequency transformer having an intermediate terminal on the primary side, and two arms in which two switching elements are connected in series. The first inverter, the first to fourth resonant capacitors of each switching element, and the second inverter for controlling the output current, and the resonant voltage between the intermediate voltage by the voltage dividing capacitor and the intermediate terminal of the high-frequency transformer. In the configuration in which the switching element performs zero voltage switching operation regardless of the operation of each arm, the current limiting reactor and the voltage doubler rectifying means are connected between the secondary side of the high frequency transformer and the second inverter, It is possible to realize a power conversion device that can reduce the number of secondary turns and reduce the size of the high-frequency transformer.
第2の発明は、特に、第1の発明において、倍電圧整流手段を平滑コンデンサとダイオードからなる半波整流とすることで、簡素で安価な電力変換装置を実現することができる。 In particular, according to the second invention, in the first invention, the voltage doubler rectifier means is a half-wave rectifier comprising a smoothing capacitor and a diode, whereby a simple and inexpensive power converter can be realized.
第3の発明は、第1、2のいずれか1つの発明において、整流手段を構成する共振コンデンサと限流リアクトルとの共振周波数は、第1インバータの動作周波数以下とすることで、第1ダイオードのリカバリ損失を小さくして、低損失の電力変換装置を実現することができる。 According to a third invention, in any one of the first and second inventions, the resonant frequency of the resonant capacitor and the current limiting reactor constituting the rectifying means is set to be equal to or lower than the operating frequency of the first inverter, whereby the first diode This makes it possible to realize a low-loss power converter.
第4の発明は、特に、第1から第3の発明の電力変換装置を太陽電池に搭載したものである。 In particular, the fourth invention is one in which the power converter of the first to third inventions is mounted on a solar cell.
第5の発明は、特に、第1から第3の発明の電力変換装置を燃料電池に搭載したものである。 In the fifth aspect of the invention, in particular, the power conversion device of the first to third aspects of the invention is mounted on a fuel cell.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiment.
(実施の形態1)
図1において、直列接続されたスイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2、スイッチング素子Q3とスイッチング素子Q4とが第1インバータ11を構成し、各スイッチング素子Q1〜Q4のコレクタ−エミッタ(またはドレイン−ソース)間にはゼロ電圧スイッチング用の共振コンデンサ12a〜dが接続されている。
(Embodiment 1)
In FIG. 1, a switching element Q1 and a switching element Q2 connected in series, a switching element Q3 and a switching element Q4 constitute a
第1インバータ11の出力は高周波トランス13の1次側に接続され、また、この高周波トランス13の2次側には限流リアクトル14と、倍電圧整流手段15と、第2インバータ16とが接続され、系統17に連系している。
The output of the
直流電源は2個の分圧コンデンサ18で電圧が分割され、中間の電圧端子は高周波トランス13の1次側にある中間端子との間に共振リアクトル19を介して接続されている。また、倍電圧整流手段15はダイオード20と平滑コンデンサ21とから構成されている。
The voltage of the DC power source is divided by two
以上のように構成された電力変換装置について、以下にその動作、作用を説明する。 About the power converter device comprised as mentioned above, the operation | movement and an effect | action are demonstrated below.
スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q4、スイッチング素子Q2とスイッチング素子Q3とがそれぞれ180度の位相を有して高周波スイッチングすることで、直流入力電源のマイナス側をゼロとしたとき、高周波トランス13の1次側(a)点電圧はゼロと直流電圧Vinとを振幅とする高周波電圧となる。
Switching element Q1 and switching element Q4, switching element Q2 and switching element Q3 have high-frequency switching with a phase of 180 degrees, respectively, so that when the negative side of the DC input power source is zero, the primary of high-
ここで、導通していたスイッチング素子(例えばQ1、Q4)がターンオフする際にそれぞれのスイッチング素子に並列に接続された共振コンデンサ15a、dは充電され、非道通であったスイッチング素子(ここではQ2、Q3)に並列の共振コンデンサ15b、cは放電されて、逆導通ダイオードが導通したところで、電流は直流入力電源に回生される。 Here, when the switching elements (for example, Q1 and Q4) that have been turned on are turned off, the resonant capacitors 15a and 15d connected in parallel to the respective switching elements are charged, and the switching elements (in this case, Q2) that have been disabled are charged. , Q3) and the parallel resonant capacitors 15b, 15c are discharged, and the current is regenerated to the DC input power source when the reverse conducting diode becomes conductive.
逆導通ダイオードが導通しているタイミングでスイッチング素子Q2、Q3をターンオンすることで、ゼロ電圧スイッチングが行われる。スイッチング素子Q2とスイッチング素子Q3が導通する場合は、高周波トランス13の2次側に出力された高周波電圧は限流リアクトル14で電流が制限されつつ、倍電圧整流手段15を構成するダイオード20が導通して平滑コンデンサ21を充電し、スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q4が導通するときは、ダイオード20には逆電圧が印加されるため、の電圧と高周波トランス13の電圧の和が第2インバータ16に印加されている。
Zero voltage switching is performed by turning on the switching elements Q2 and Q3 at the timing when the reverse conducting diode is conducting. When the switching element Q2 and the switching element Q3 are conductive, the high-frequency voltage output to the secondary side of the high-
この時、限流リアクトル14の作用により、第2インバータ16への入力電流は限流リアクトル14と平滑コンデンサ21とで周波数が決定された共振波形となり、第1インバータ11のスイッチングに伴うダイオード19のリカバリー損失を低減している。
At this time, due to the action of the current limiting
また第1インバータ11導通中の出力電流によって電圧が変化する程度の平滑コンデンサ121の容量を選択することで、第1インバータ11を構成するスイッチング素子のコレクタ−エミッタ(またはドレイン−ソース)間に流れる電流を共振波形として、ターンオフ時の電流を小さくし、スイッチング損失を低減している。
Further, by selecting the capacity of the smoothing capacitor 121 that changes the voltage according to the output current during the conduction of the
以上のように、本実施例の形態において高周波トランスの2次側に倍電圧整流手段を接続し、これを容量の小さい平滑コンデンサとダイオードで構成することで、高周波トランスの2次巻線数の大幅削減と、スイッチング素子、ダイオードのスイッチングに伴う損失を低減することで装置の小形化、高効率化を実現することができる。 As described above, in the present embodiment, the voltage doubler rectifier is connected to the secondary side of the high-frequency transformer, and is configured with a smoothing capacitor and a diode having a small capacity, so that the number of secondary windings of the high-frequency transformer can be reduced. By greatly reducing the loss associated with switching of switching elements and diodes, it is possible to achieve downsizing and higher efficiency of the device.
(実施の形態2)
図2は、本発明の第2の実施の形態における電力変換装置の各部動作を示すもので、構成要素は第1の実施の形態と同等であり、説明は第1の実施の形態のもを援用する。
(Embodiment 2)
FIG. 2 shows the operation of each part of the power conversion device according to the second embodiment of the present invention. The components are the same as those in the first embodiment, and the description is the same as in the first embodiment. Incorporate.
図2をにおいて、高周波トランス13の2次側に接続された限流リアクトル14と倍電圧整流手段15を構成する平滑コンデンサ21の共振周波数を、第1インバータ11の動作周波数以下に選択する。
In FIG. 2, the resonance frequency of the
インバータ11を構成するスイッチング素子Q1とスイッチング素子Q4、スイッチング素子Q2とスイッチング素子Q3とがそれぞれ180度の位相を有して高周波スイッチングする際、ゼロ電圧スイッチングが維持されている。
When the switching elements Q1 and Q4 and the switching elements Q2 and Q3 constituting the
ここで出力電力が小さい時や入力電圧が高い時、第1インバータ11は動作周波数を上昇させる必要があることから、高周波トランス13の2次側に伝達される電力も周波数が高くなる。限流リアクトル14と平滑コンデンサ21の共振周波数が第1インバータ11の動作周波数以下としているから、第1インバータ11を構成するスイッチング素子の電流波形及び第2インバータ16への入力電流波形が、限流リアクトル14と平滑コンデンサ21の共振周波数で大きく振動することを回避している。
Here, when the output power is small or the input voltage is high, the
これにより第1インバータ11のスイッチング素子ターンオフ時に、ダイオード20を含めた電流波形が極大値をとることがなくなり、特定の動作周波数での損失増大を発生することもない。
As a result, when the switching element of the
以上のように、本実施の形態において、整流手段を構成する共振コンデンサと限流リアクトルとの共振周波数を、第1インバータの動作周波数以下とすることで、スイッチング素子ターンオフ時のスイッチング損失と、整流手段を構成するダイオードのリカバリ損失を小さくして、高効率な電力変換装置の実現を図ることができる。 As described above, in the present embodiment, by setting the resonance frequency of the resonance capacitor and the current-limiting reactor constituting the rectifying means to be equal to or lower than the operating frequency of the first inverter, the switching loss when the switching element is turned off, the rectification The recovery loss of the diode constituting the means can be reduced, and a highly efficient power conversion device can be realized.
そして、前記した電力変換装置は、直流電力を商用周波数の交流電力に変換するように燃料電池、或いは、太陽電池などに応用することができるものである。 The power conversion device described above can be applied to a fuel cell, a solar cell, or the like so as to convert DC power into AC power having a commercial frequency.
以上のように、本発明にかかる電力変換装置は高周波トランスの2次側に倍電圧整流手段を有し、高い昇圧比または降圧比が必要とされる電力変換に際して、高周波トランスの巻線比を上げずに小形化し、さらには倍電圧整流手段を共振回路とすることで、半導体素子の損失を低減することも可能であるため、装置の小形化と高効率化を実現できることから、太陽電池や燃料電池及び風力発電等の用途にも適用できる。 As described above, the power converter according to the present invention has the voltage doubler rectifier on the secondary side of the high-frequency transformer, and the power-converting ratio of the high-frequency transformer can be set for power conversion that requires a high step-up ratio or step-down ratio. Since it is possible to reduce the size of the device and increase the efficiency, it is possible to reduce the size of the device and increase the efficiency. It can also be applied to uses such as fuel cells and wind power generation.
11 第1インバータ
12a〜12d 共振コンデンサ
13 高周波トランス
14 限流リアクトル
15 倍電圧整流手段
16 第2インバータ
17 系統
18 分圧コンデンサ
19 共振リアクトル
20 ダイオード
21 平滑コンデンサ
DESCRIPTION OF
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005117888A JP2006304381A (en) | 2005-04-15 | 2005-04-15 | Power conversion equipment |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005117888A JP2006304381A (en) | 2005-04-15 | 2005-04-15 | Power conversion equipment |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006304381A true JP2006304381A (en) | 2006-11-02 |
Family
ID=37472034
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005117888A Pending JP2006304381A (en) | 2005-04-15 | 2005-04-15 | Power conversion equipment |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2006304381A (en) |
-
2005
- 2005-04-15 JP JP2005117888A patent/JP2006304381A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US9444355B2 (en) | Method and apparatus for determining a bridge mode for power conversion | |
US9948204B2 (en) | Method and apparatus for controlling resonant converter output power | |
US10707775B2 (en) | Method and apparatus for multi phase shift power converter control | |
JP5065188B2 (en) | Series resonant converter | |
US7333349B2 (en) | Single-stage buck-boost inverter | |
US8102678B2 (en) | High power factor isolated buck-type power factor correction converter | |
Padhee et al. | Overview of high-step-up DC–DC converters for renewable energy sources | |
JP2008199808A (en) | System-interconnected inverter arrangement | |
KR101304777B1 (en) | DC/DC converter with wide input voltage range | |
JP2009100631A (en) | Dc transformer | |
JP4735013B2 (en) | Power converter | |
CN100474753C (en) | Power supply circuit and electronic device | |
Chub et al. | Input voltage range extension methods in the series-resonant DC-DC converters | |
Park et al. | A novel control strategy of an active clamped flyback inverter with synchronous rectifier for a photovoltaic AC module system | |
JP2015042080A (en) | Switching power supply device | |
Sayed | A high-efficiency DC-DC converter with LC resonant in the load-side of HFT and voltage doubler for solar PV systems | |
JP2012253967A (en) | Power conversion device | |
Chen et al. | A PWM Controlled Active Boost Quadrupler Resonant Converter for High Step-Up Application | |
JP2012253968A (en) | Power conversion device | |
JP2006304381A (en) | Power conversion equipment | |
KR101022772B1 (en) | A Power Conversion Device for Fuel Cell | |
JP2006115680A (en) | Dc-dc converter | |
Viswamohan et al. | Soft-switching techniques for DC-to-DC converters in electrolyzer application | |
KR101031280B1 (en) | Soft swiching DC/DC converter using push-pull | |
JP2006115626A (en) | Power conversion equipment |