JP2011147277A - 双方向電力変換回路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】低電圧バッテリー11と第1のリアクトルL1との直列回路が、MERS100の第1の交流端子AC1に接続される。コンデンサCCが、MERS100の直流端子DCPとDCNとの間に接続される。MERS100の第2の交流端子AC2に、第2のリアクトルL2と第5のスイッチSWと、ローパスフィルタL3,C3と、を介して高電圧バッテリー12が接続される。制御回路13は、低電圧バッテリ11から高電圧バッテリー12を充電する際には、第2と第3のスイッチSW2、SW3を同期してスイッチングし、高電圧バッテリー12から低電圧バッテリー11を充電する際には、第5のスイッチSWを常時オンし、第1のスイッチSW1をスイッチングする。
【選択図】図1
Description
第1の電池に直列に接続された第1のリアクトルと、
第2のリアクトルと、
前記第2のリアクトルと第2の電池と直列に接続された半導体スイッチと、
第1と第2の交流端子と、第1と第2の直流端子と、第1から第4のダイオードと、第1から第3の自己消弧型素子と、コンデンサとを備え、前記第1の交流端子には前記第1のダイオードのアノードと前記第2のダイオードのカソードが、前記第1の直流端子には前記第1のダイオードのカソードと前記第3のダイオードのカソードと前記コンデンサの一方の極が、前記第2の直流端子には前記第2のダイオードのアノードと前記第4のダイオードのアノードと前記コンデンサの他方の極が、前記第2の交流端子には前記第3のダイオードのアノードと前記第4のダイオードのカソードとが接続され、前記第1のダイオードに前記第1の自己消弧型素子が、前記第2のダイオードに前記第2の自己消弧型素子が、前記第3のダイオードに前記第3の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第1の交流端子と前記第2の直流端子の間に前記第1の電池と第1のリアクトルの直列回路を接続され、前記第2の交流端子と前記第2の直流端子の間に前記第2の電池と前記第2のリアクトルと前記半導体スイッチとの直列回路を接続された磁気エネルギー回生スイッチと、
前記半導体スイッチと前記第1乃至第3の自己消弧型素子とに制御信号を与える制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記第1の電池を用いて、前記第1の電池の電圧よりも電圧の高い前記第2の電池を充電する際に、前記第2と第3の自己消弧型素子を同期してスイッチングし、
前記第2の電池を用いて、該第2の電池よりも電圧の低い前記第1の電池を充電する際に、前記半導体スイッチをオンに保持し、前記第1の自己消弧型素子をスイッチングする、
ことを特徴とする。
フルブリッジ型MERS100は、4つの逆導通型半導体スイッチSW1乃至SW4と、交流端子AC1,AC2と、直流端子DCP,DCNと、コンデンサCMと、から構成される。
交流端子AC1にはダイオード部DSW1のアノードとダイオード部DSW2のカソードとが、直流端子DCPにはダイオード部DSW1のカソードとダイオード部DSW3のカソードとコンデンサCMの正極とが、直流端子DCNにはダイオード部DSW2のアノードとダイオード部DSW4のアノードとコンデンサCMの負極とが、交流端子AC2にはダイオード部DSW3のアノードとダイオード部DSW4のカソードとが接続されている。
逆導通型半導体スイッチSW1乃至SW4のスイッチ部SSW1乃至SW4は、ゲートGSW1乃至SW4に入力されるゲート信号SG1乃至SG4によってオン・オフが切り替わる。
スイッチ部SSW1乃至SSW4がオンになると、ダイオード部DSW1乃至DSW4が短絡され、逆導通型半導体スイッチSW1乃至SW4がオンになる。スイッチ部SSW1乃至SSW4がオフになると、ダイオード部DSW1乃至DSW4が機能し、逆導通型半導体スイッチSW1乃至SW4はオフになる。
逆導通型半導体スイッチSW1乃至SW4は、例えば、Nチャンネル型シリコンMOSFET(MOSFET:Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor)である。
低電圧バッテリー11の等価回路は直流電圧源21と内部抵抗R1の直列回路で表現される。低電圧バッテリー11とリアクトルL1とは直列に接続され、この直列回路は、交流端子AC1と直流端子DCNの間に接続されている。
リアクトルL2の他端が逆導通型半導体スイッチSWの一端に接続されている。逆導通型半導体スイッチSWは、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であるスイッチ部SSWとダイオードであるダイオード部DSWとから構成される。スイッチ部SSWのコレクタとダイオード部DSWのアノードとが接続されて逆導通型半導体スイッチSWの一端となり、スイッチ部SSWのエミッタとダイオード部DSWのカソードとが接続されて逆導通型半導体スイッチSWの他端となる。スイッチ部SSWはゲートGSWを備え、スイッチ部SSWのオン・オフは、ゲートGSWに入力されるゲート信号SGにより切り替わる。
逆導通型半導体スイッチSWは、低電圧バッテリー11から高電圧バッテリー12に向かう電流に関しては、常時オン、高電圧バッテリー12から低電圧バッテリー11に向かう電流に関してはオン・オフを切り替える。
コンデンサCCの一端が、逆導通型半導体スイッチSWの他端とリアクトルL3の一端との接続ノードに接続されている。リアクトルL3とコンデンサCCとは、高周波成分が抑制されるローパスフィルタとして機能する。
高電圧バッテリー12の等価回路は直流電圧源22とバッテリーの内部抵抗R2との直列回路で表現され、高電圧バッテリー12は、リアクトルL3と直列に接続されている。
まず、低電圧バッテリー11の電力を用いて、高電圧バッテリー12を充電する動作について説明する。
この場合、制御部13は、前述のように、スイッチ部SSW2,SSW3のゲートには、所定の周波数、例えば、2キロHzで、ディーティ0.9の交番信号を出力する。
ゲート信号SG2がハイレベルになると、スイッチ部SSW2がオンになる。すると、図4に示すように、低電圧バッテリー11を電源として、リアクトルL1、逆導通型半導体スイッチSW2に、電流I1が流れ、リアクトルL1に磁気エネルギーを蓄積する。
電流I2が遮断された時、リアクトルL2に磁気エネルギーが残っている場合、リアクトルL2に蓄積された磁気エネルギーにより、図5に示すように、電流I4が、逆導通型半導体スイッチSWのダイオード部DSW,リアクトルL3,高電圧バッテリー12,スイッチSW4のダイオード部DSW4を介して流れ、高電圧バッテリー12を充電する。この際、高周波ノイズは、リアクトルL3とコンデンサCCの構成するローパスフィルタによりカットされる。
リアクトルL2に磁気エネルギーが残っていない場合は、電流I4は流れない。
この場合、制御部13は、前述のように、逆導通型半導体スイッチSWのスイッチ部SSWのゲートGSWに、ハイレベルのゲート信号SGWを出力し、スイッチ部SSW1のゲートGSW1に所定の周波数、例えば、1キロHzのゲート信号をデューティ比0.1で出力し、スイッチ部SSW2,SSW3,SSW4のゲートGSW2,GSW3,GSW4にはローレベルのゲート信号SG2,SG3,SG4を出力する。
一方、逆導通型半導体スイッチSW1のスイッチ部SSW1がオン・オフを繰り返すため、コンデンサCMを電源として、リアクトルL1,低電圧バッテリー11を介して、電流I6が流れる。このとき、逆導通型半導体スイッチSW1のオン・オフとリアクトルL1の作用により電流が抑えられ、降圧された電圧が低電圧バッテリー11に印加される。換言すれば、コンデンサCMの充電電圧を逆導通型半導体スイッチSW1で行うチョッパ動作により降圧して、低電圧バッテリー11に印加することにより、低電圧バッテリー11を充電する。
例えば、図1の回路を図7に示すように、極性を変更することも可能である。この場合も、制御回路13が各スイッチ部のゲートに供給するゲート信号は、図2,図3に示したゲート信号と同じである。
また、実施形態に記載した構成の全てを備える必要はなく、所期の目的を達成できるならば、一部の構成の組み合わせであってもよい。
11 低電圧バッテリー
12 高電圧バッテリー
13 制御回路
L1,L2,L3 リアクトル
CC,CM コンデンサ
SW 半導体スイッチ
SW、SW1、SW3、SW2、SW4 逆導通型半導体スイッチ
SSW、SSW1、SSW3、SSW2、SSW4 スイッチ部
SG、SG1、SG3、SG2、SG4 ゲート信号
DSW、DSW1、DSW3、DSW2、DSW4 ダイオード部
R1,R2 内部抵抗
AC1,AC2 交流端子
DCP,DCN 直流端子
Claims (7)
- 第1の電池に直列に接続された第1のリアクトルと、
第2のリアクトルと、
前記第2のリアクトルと第2の電池とに直列に接続された半導体スイッチと、
第1と第2の交流端子と、第1と第2の直流端子と、第1から第4のダイオードと、第1から第3の自己消弧型素子と、コンデンサとを備え、前記第1の交流端子には前記第1のダイオードのアノードと前記第2のダイオードのカソードが、前記第1の直流端子には前記第1のダイオードのカソードと前記第3のダイオードのカソードと前記コンデンサの一方の極が、前記第2の直流端子には前記第2のダイオードのアノードと前記第4のダイオードのアノードと前記コンデンサの他方の極が、前記第2の交流端子には前記第3のダイオードのアノードと前記第4のダイオードのカソードとが接続され、前記第1のダイオードに前記第1の自己消弧型素子が、前記第2のダイオードに前記第2の自己消弧型素子が、前記第3のダイオードに前記第3の自己消弧型素子が並列に接続され、前記第1の交流端子と前記第2の直流端子の間に前記第1の電池と第1のリアクトルの直列回路を接続され、前記第2の交流端子と前記第2の直流端子の間に前記第2の電池と前記第2のリアクトルと前記半導体スイッチとの直列回路を接続された磁気エネルギー回生スイッチと、
前記半導体スイッチと前記第1乃至第3の自己消弧型素子とに制御信号を与える制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記第1の電池を用いて、前記第1の電池の電圧よりも電圧の高い前記第2の電池を充電する際に、前記第2と第3の自己消弧型素子を同期してスイッチングし、
前記第2の電池を用いて、該第2の電池よりも電圧の低い前記第1の電池を充電する際に、前記半導体スイッチをオンに保持し、前記第1の自己消弧型素子をスイッチングする、
ことを特徴とする双方向電力変換回路。 - 前記制御回路は、前記制御信号のデューティ比を制御する機能を備える、
ことを特徴とする請求項1に記載の双方向電力変換回路。 - 前記半導体スイッチは、スイッチング用の半導体素子とダイオードとが並列に接続された構成をしている、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の双方向電力変換回路。 - 前記半導体スイッチが、逆阻止能力を持たない逆導通型の半導体素子、またはサイリスタを要素とした回路である、
ことを特徴とする請求項1乃至3の何れか1項に記載の双方向電力変換回路。 - 前記第4のダイオードに並列に接続された第4の自己消弧型素子を更に備える、
ことを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の双方向電力変換回路。 - 前記各自己消弧型素子は逆導通型半導体スイッチであり、前記各ダイオードは、並列に接続された前記各自己消弧型素子に内蔵された寄生ダイオードである、
ことを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の双方向電力変換回路。 - 前記第4の半導体スイッチと前記第2の電池との間に、高周波カット用のフィルタを備える、
ことを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の双方向電力変換回路。
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