JP2013110826A - Ｄｃｄｃコンバータ及びｄｃｄｃコンバータの制御方法 - Google Patents

Ｄｃｄｃコンバータ及びｄｃｄｃコンバータの制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 ＤＣＤＣコンバータにおいて、力行から回生への切換、又は回生から力行への切換を簡単に行うこと。
【解決手段】 トランスの１次側に電圧形電力変換器を、トランスの２次側に電流形電力変換器を備えたＤＣＤＣコンバータを構成する。制御器は、電圧形電力変換器の入出力端の電圧値に基づいて第１の操作量を生成し、電流形電力変換器の入出力端の電圧値に基づいて第２の操作量を生成し、更に、第１の操作量及び第２の操作量並びに電流形電力変換器又は電圧形電力変換器の入出力端の入出力電流に基づいてＰＷＭ制御又はＰＦＭ制御のための指令値を生成する。そして、制御器は、この指令値に基づいて、前記電圧形電力変換器と前記電流形電力変換器の動作を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明はＤＣＤＣコンバータに関するものである。
電動機などに対して力行と回生を行う場合や、蓄電池の充放電を行う場合などに、双方向ＤＣＤＣコンバータが用いられることがある（特許文献１）。
特開２００８−３５６７５号公報
しかしながら、従来の双方向ＤＣＤＣコンバータでは、力行から回生への切換、又は回生から力行への切換を簡単に行うことができなかった。また、力行の制御と回生の双方の制御を行う必要があるため、制御系が複雑化する等の問題もあった。
そこで、本発明は、力行から回生への切換、又は回生から力行への切換を簡単に行うことができるＤＣＤＣコンバータを提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、本発明に係る第１のＤＣＤＣコンバータによれば、トランスと、前記トランスの１次側に構成された電圧形電力変換器と、前記電圧形電力変換器の入出力端の電圧を検出する第1の電圧検出回路と、前記トランスの２次側に構成された電流形電力変換器と、前記電流形電力変換器の入出力端の電圧を検出する第２の電圧検出回路と、前記電流形電力変換器の入出力端の入出力電流を検出する電流検出回路と、前記トランスの１次側から２次側への電力変換及び２次側から１次側への電力変換における前記電圧形電力変換器と前記電流形電力変換器の動作を制御する制御器とを備え、前記制御器は、前記電圧形電力変換器の入出力端の電圧値に基づいて前記入出力電流に関する第１の操作量を生成する第１の制御系と、前記電流形電力変換器の入出力端の電圧値に基づいて前記入出力電流に関する第２の操作量を生成する第２の制御系と、前記第１の操作量及び前記第２の操作量並びに前記入出力電流に基づいてＰＷＭ制御のための指令値を生成する第３の制御系とを備え、前記指令値に基づいて前記電圧形電力変換器と前記電流形電力変換器の動作を制御することを特徴とする。
尚、本発明に係る第１のＤＣＤＣコンバータにおいて、前記第３の制御系が生成する指令値は、ＰＷＭ制御のための指令値であってもよい。また、電流検出回路が検出する電流は、前記電圧形電力変換器の入出力端の入出力電流であってもよい。また、前記第１の制御系で生成される操作量が第１の所定範囲内に制限され、前記第２の制御系で生成される操作量が第２の所定範囲内に制限されるようにしてもよい。
本発明に係る第２のＤＣＤＣコンバータによれば、トランスと、前記トランスの１次側に構成された電圧形電力変換器と、前記電圧形電力変換器の入出力端の電圧を検出する第1の電圧検出回路と、前記トランスの２次側に構成された電流形電力変換器と、前記電流形電力変換器の入出力端の電圧を検出する第２の電圧検出回路と、前記電流形電力変換器の入出力端の入出力電流を検出する電流検出回路と、 前記トランスの１次側から２次側への電力変換及び２次側から１次側への電力変換における前記電圧形電力変換器と前記電流形電力変換器の動作を制御する制御器とを備え、前記制御器は、前記電流形電力変換器の入出力端から出力される電流の電流値を第１の目標値に近づけるように制御する第１の制御モードと、前記電流形電力変換器の入出力端に流れ込む電流の電流値を第２の目標値に近づけるように制御する第２の制御モードとを備え、前記トランスの１次側から２次側への電力変換動作では第１の制御モードで動作し、前記トランスの２次側から１次側への電力変換動作では第２の制御モードで動作することを特徴とする。
本発明に係る第３のＤＣＤＣコンバータによれば、トランスと、前記トランスの１次側に構成された電圧形電力変換器と、前記電圧形電力変換器の入出力端の電圧を検出する第1の電圧検出回路と、前記電圧形電力変換器の入出力端の入出力電流を検出する電流検出回路と、前記トランスの２次側に構成された電流形電力変換器と、前記電流形電力変換器の入出力端の電圧を検出する第２の電圧検出回路と、前記トランスの１次側から２次側への電力変換及び２次側から１次側への電力変換における前記電圧形電力変換器と前記電流形電力変換器の動作を制御する制御器とを備え、前記制御器は、前記電圧形電力変換器の入出力端から出力される電流の電流値を第１の目標値に近づけるように制御する第１の制御モードと、前記電圧形電力変換器の入出力端に流れ込む電流の電流値を第２の目標値に近づけるように制御する第２の制御モードとを備え、前記トランスの２次側から１次側への電力変換動作では第１の制御モードで動作し、前記トランスの１次側から２次側への電力変換動作では第２の制御モードで動作することを特徴とする。
本発明に係る第１の双方向コンバータの制御方法によれば、トランスの１次側に構成された電圧形電力変換器と、前記トランスの２次側に構成された電流形電力変換器とを備え、前記トランスの１次側から２次側への電力変換及び２次側から１次側への電力変換が可能なＤＣＤＣコンバータの制御方法であって、前記電圧形電力変換器の入出力端の電圧値に基づいて第１の操作量を生成する処理と、前記電流形電力変換器の入出力端の電圧値に基づいて第２の操作量を生成する処理と、前記第１の操作量及び前記第２の操作量並びに前記電流形電力変換器の入出力端の入出力電流に基づいてＰＷＭ制御のための指令値を生成する処理と、前記指令値に基づいて前記電圧形電力変換器と前記電流形電力変換器の動作を制御する処理を備え、前記第１の操作量及び前記第２の操作量が前記電流形電力変換器の入出力端の入出力電流に関する操作量であることを特徴とする。
尚、本発明に係る第1のＤＣＤＣコンバータの制御方法において、前記第１の操作量及び前記第２の操作量並びに前記電流形電力変換器の入出力端の入出力電流に基づいて生成する指令値は、ＰＦＭ制御のための指令値であってもよい。
本発明に係る第２のＤＣＤＣコンバータの制御方法によれば、トランスの１次側に構成された電圧形電力変換器と、前記トランスの２次側に構成された電流形電力変換器とを備え、前記トランスの１次側から２次側への電力変換及び２次側から１次側への電力変換が可能なＤＣＤＣコンバータの制御方法であって、前記電圧形電力変換器の入出力端の電圧値に基づいて第１の操作量を生成する処理と、前記電流形電力変換器の入出力端の電圧値に基づいて第２の操作量を生成する処理と、前記第１の操作量及び前記第２の操作量並びに前記電圧形電力変換器の入出力端の入出力電流に基づいてＰＷＭ制御のための指令値を生成する処理と、前記指令値に基づいて前記電圧形電力変換器と前記電流形電力変換器の動作を制御する処理を備え、前記第１の操作量及び前記第２の操作量が前記電圧形電力変換器の入出力端の入出力電流に関する操作量であることを特徴とする。
尚、本発明に係る第２のＤＣＤＣコンバータの制御方法において、前記第１の操作量及び前記第２の操作量並びに前記電流形電力変換器の入出力端の入出力電流に基づいて生成する指令値は、ＰＦＭ制御のための指令値であってもよい。
以上説明したように、本発明によれば、力行から回生への切換、又は回生から力行への切換を簡単に行うことができる。
図１は、本発明の第１実施形態に係るＤＣＤＣコンバータの概略構成を示すブロック図である。 図２は、図１の電流形電力変換器２および電圧形電力変換器４の概略構成を示す回路図である。 図３は、図１の制御器５の概略構成を示すブロック図である。 図４は、図１のゲート駆動信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓａ〜Ｓｄの波形を示すタイミングチャートである。 図５は、本発明の第２実施形態に係るＤＣＤＣコンバータに適用される制御器の概略構成を示すブロック図である。 図６は、本発明の第３実施形態に係るＤＣＤＣコンバータに適用される制御器の概略構成を示すブロック図である。 図７は、本発明の第４実施形態に係るＤＣＤＣコンバータに適用される制御器の概略構成を示すブロック図である。 図８は、図１のＤＣＤＣコンバータが適用される電源系の概略構成を示すブロック図である。 図９は、本発明の第５実施形態に係るＤＣＤＣコンバータに適用される電流形電力変換器６２および電圧形電力変換器４の概略構成を示す回路図である。
以下、本発明の実施形態に係るＤＣＤＣコンバータについて図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係るＤＣＤＣコンバータの概略構成を示すブロック図である。
図１において、このＤＣＤＣコンバータには、トランス３と、トランス３の１次側に印加される電圧を制御することで電力変換を行う電圧形電力変換器４と、トランス３の２次側に流れる電流を制御することで電力変換を行う電流形電力変換器２と、電圧形電力変換器４および電流形電力変換器２を制御する制御器５が設けられている。
トランス３の２次側から１次側への電力変換を行わせる場合、電流形電力変換器２の入出力端に入力された電流は、電流形電力変換器２により交流に変換される。この交流電流は、トランス３を介して電圧形電力変換器４に与えられる。そして、トランス３を介して電圧形電力変換器４に与えられた交流電流は、電圧形電力変換器４により直流に変換される。この直流電流は、電圧形電力変換器４の入出力端から出力される。
トランス３の１次側から２次側への電力変換を行わせる場合、電圧形電力変換器４の入出力端から入力された直流は、電圧形電力変換器４により交流に変換される。この交流電流は、トランス３を介して電流形電力変換器２に与えられる。そして、トランス３を介して電圧形電力変換器４に与えられた交流電流は、電流形電力変換器２により直流に変換される。この直流電流は、電流形電力変換器２の入出力端から出力される。
ここで、電流形電力変換器２の入出力端の電圧を電圧Ｖ２とし、電圧形電力変換器４の入出力端の電圧を電圧Ｖ１とし、電流形電力変換器２の入出力端から出力される電流を電流Ｉとする。尚、電流Ｉの値は、電流形電力変換器２の入出力端から電流が出力されるとき正の値となり、電流形電力変換器２の入出力端に電流が流れ込むとき負の値になる。制御器５は、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２と電流Ｉを参照して、電流Ｉの増減を制御する。
トランス３の１次側から２次側への電力変換の場合、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２と電流Ｉを参照して、電流形電力変換器２の入出力端から出力される電流（Ｉ）の増減を制御する。例えば、電圧Ｖ２を上昇させたい場合又は電圧Ｖ１を降下させたい場合は、電流形電力変換器２の入出力端から出力される電流（Ｉ）を増加させるように電流形電力変換器２と電圧形電力変換器４を制御し、電圧Ｖ２を降下させたい場合又は電圧Ｖ１を上昇させたい場合は、電流形電力変換器２の入出力端から出力される電流（Ｉ）を減少させるように電流形電力変換器２と電圧形電力変換器４を制御する。一方、トランス３の２次側から１次側への電力変換の場合、電圧Ｖ１と電圧Ｖ２と電流Ｉを参照して、電流形電力変換器２の入出力端に流れ込む電流（−Ｉ）の増減を制御する。例えば、電圧Ｖ１を上昇させたい場合は、電流形電力変換器２の入出力端に流れ込む電流（−Ｉ）を増加させるように（負の値である電流Ｉの絶対値が大きくなるように）電流形電力変換器２と電圧形電力変換器４を制御し、電圧Ｖ１を降下させたい場合は、電流形電力変換器２の入出力端に流れ込む電流（−Ｉ）を減少させるように（負の値である電流Ｉの絶対値が小さくなるように）電流形電力変換器２と電圧形電力変換器４を制御する。
図２は、図１の電流形電力変換器２および電圧形電力変換器４の概略構成を示す回路図である。なお、図２の実施形態では、電流形電力変換器２としてプッシュプル構成を用い、電圧形電力変換器４としてフルブリッジ構成を用いた。
電流形電力変換器２は、主要構成要素としてスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２およびインダクタＬを備えている。そして、スイッチング素子Ｑ１はトランス３の２次巻線の一端との負極端子側との間に接続され、スイッチング素子Ｑ２はトランス３の２次巻線の他端と負極端子側との間に接続されている。また、トランス３の２次巻線の中間タップと正極端子側との間にはインダクタＬが接続されている。
ここで、電流形電力変換器２の入出力端子は、正極端子と負極端子からなり、正極端子と負極端子との間の電圧が電圧Ｖ２に対応する。
電圧形電力変換器４は、主要構成要素としてスイッチング素子Ｑａ〜Ｑｄおよび平滑コンデンサＣを備えている。そして、スイッチング素子Ｑａ、Ｑｂは互いに直列に接続され、スイッチング素子Ｑｃ、Ｑｄは互いに直列に接続されている。スイッチング素子Ｑａ、Ｑｂの直列回路とスイッチング素子Ｑｃ、Ｑｄの直列回路とは互いに並列に接続され、スイッチング素子Ｑａ、Ｑｂの接続点とスイッチング素子Ｑｃ、Ｑｄの接続点との間にはトランス３の１次巻線が接続されている。また、スイッチング素子Ｑａ、Ｑｂの直列回路、スイッチング素子Ｑｃ、Ｑｄの直列回路及び平滑コンデンサＣは、正極端子側と負極端子側との間に接続されている。ここで、電圧形電力変換器４の入出力端子は、正極端子と負極端子からなり、正極端子と負極端子との間の電圧が電圧Ｖ１に対応する。
なお、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑａ〜Ｑｄとしては、電界効果トランジスタを用いるようにしてもよいし、バイポーラトランジスタを用いるようにしてもよいし、ＩＧＢＴを用いるようにしてもよい。また、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑａ〜Ｑｄには、ボディダイオードを形成するようにしてもよい。
図３は、図１の制御器５の概略構成を示すブロック図である。
図３において、制御器５は、第１の電圧制御系１０１、第２の電圧制御系１０２および電流制御系１０３で構成されている。電流制御系１０３は、第１の電圧制御系１０１および第２の電圧制御系１０２の後段に配置されている。従って、電流制御系１０３には、第１の電圧制御系１０１から出力される出力値と第２の電圧制御系１０２から出力される出力値が入力される。
第１の電圧制御系１０１では、減算器１１の後段に不感帯１２が設けられ、不感帯１２の後段にＣＶ制御器１３が設けられ、ＣＶ制御器１３の後段にリミッタ１４が設けられている。ＣＶ制御器１３は、電圧Ｖ１とその目標値であるＶ１＿ｒｅｆを比較し、その比較結果に基づいて電流Ｉの操作量を生成し、その操作量を出力する。不感帯１２は、電圧Ｖ１の変動が許容範囲内であればＣＶ制御器１３が動作しないようにするために設けられている。リミッタ１４は、ＣＶ制御器１３から出力される操作量の範囲を制限するために設けられている。ＣＶ制御器１３から出力される操作量がリミッタ１４に設定されている範囲に収まっている場合は、ＣＶ制御器１３から出力される操作量が第１の電圧制御系１０１からそのまま出力される。一方、ＣＶ制御器１３から出力される操作量がリミッタ１４に設定されている範囲から外れている場合は、リミッタ１４に設定されている下限値又は上限値が第１の電圧制御系１０１から出力される。
第２の電圧制御系１０２では、減算器２１の後段にＣＶ制御器２３が設けられ、ＣＶ制御器２３の後段にリミッタ２４が設けられている。ＣＶ制御器２３は、電圧Ｖ２とその目標値であるＶ２＿ｒｅｆを比較し、その比較結果に基づいて電流Ｉの操作量を生成し、その操作量を出力する。リミッタ２４は、ＣＶ制御器２３から出力される操作量の範囲を制限するために設けられている。ＣＶ制御器２３から出力される操作量がリミッタ２４に設定されている範囲に収まっている場合は、ＣＶ制御器２３から出力される操作量が第２の電圧制御系１０２からそのまま出力される。一方、ＣＶ制御器２３から出力される操作量がリミッタ２４に設定されている範囲から外れている場合は、リミッタ２４に設定されている下限値又は上限値が第２の電圧制御系１０２から出力される。
電流制御系１０３では、加算器３１の後段に加減算器３２が設けられ、加減算器３２の後段にＣＣ制御器３３が設けられ、ＣＣ制御器３３の後段にリミッタ３４が設けられている。ＣＣ制御器３３は、第１の電圧制御系１０１から出力される操作量と第２の電圧制御系１０２から出力される操作量を加算した値と、電流Ｉを比較する。そして、その比較結果に基づいてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御におけるデューティ比の指令値を生成し、その指令値を出力する。リミッタ３４は、ＣＣ制御器３３から出力される指令値の範囲を制限するために設けられている。ＣＣ制御器３３から出力される指令値がリミッタ２４に設定されている範囲に収まっている場合は、ＣＣ制御器３３から出力される指令値が電流制御系１０３からそのまま出力される。一方、ＣＣ制御器３３から出力される指令値がリミッタ３４に設定されている範囲から外れている場合は、リミッタ３４に設定されている下限値又は上限値が電流制御系１０３から出力される。なお、ＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation）制御であれば、ＣＣ制御器３３は、ＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation）制御における周波数の指令値を生成する。また、ＣＣ制御器３３の制御パラメータは、トランス３の１次側から２次側への電力変換の場合と、トランス３の２次側から１次側への電力変換の場合とで共通な値に設定することができる。
トランス３の１次側から２次側への電力変換の場合、リミッタ１４、２４、３４を以下のように設定することができる。
リミッタ１４：下限値＝−ΔＩ、上限値＝ΔＩ
リミッタ２４：下限値＝０、上限値＝Ｉ＿ｒｅｆ
リミッタ３４：下限値＝０、上限値＝最大デューティ
ここで、Ｉ＿ｒｅｆは、電流形電力変換器２の入出力端から出力される電流Ｉの目標値であり、ΔＩは、所定値に設定することができる。このようにリミッタ１４、２４、３４の範囲が設定された場合、第１の電圧制御系１０１、第２の電圧制御系１０２及び電流制御系１０３からの出力は次のように制限される。ＣＶ制御器１３から出力される操作量がΔＩよりも大きい場合は、第１の電圧制御系１０１から出力される操作量はΔＩになり、ＣＶ制御器１３から出力される操作量がΔ−Ｉよりも小さい場合は、第１の電圧制御系１０１から出力される操作量はΔ―Ｉになる。ＣＶ制御器２３から出力される操作量がＩ＿ｒｅｆよりも大きい場合は、第２の電圧制御系１０２から出力される操作量はＩ＿ｒｅｆになり、ＣＶ制御器２３から出力される操作量が０よりも小さい場合は、第１の電圧制御系１０１から出力される操作量は０になる。ＣＣ制御器３３から出力される指令値が最大デューティ比の値より大きい場合は、電流制御系１０３から出力される指令値は最大デューティ比の値になり、ＣＣ制御器３３から出力される指令値が０より小さい場合は、電流制御系１０３から出力される指令値は０になる。従って、第１の電圧制御系１０１から出力される操作量と第２の電圧制御系１０２から出力される操作量を合算した値の最大値はＩ＿ｒｅｆ＋ΔＩになり、最小値は−ΔＩになる。その結果、電流ＩはＩ＿ｒｅｆ＋ΔＩと−ΔＩの間で変化する。
また、トランス３の２次側から１次側への電力変換の場合、リミッタ１４、２４、３４を以下のように設定することができる。
リミッタ１４：下限値＝−Ｉ＿ｒｅｆ、上限値＝０
リミッタ２４：下限値＝０、上限値＝０
リミッタ３４：下限値＝０、上限値＝最大デューティ比
トランス３の２次側から１次側への電力変換の場合、電流形電力変換器２の入出力端に流れ込む電流を増減させる制御が行われる。電流Ｉの目標値は負の値になる。
この例では、第１の電圧制御系１０１から出力される操作量は、−Ｉ＿ｒｅｆから０の範囲に制限される。つまり、第１の電圧制御系１０１からは、電流形電力変換器２の入出力端に流れ込む電流が０からＩ＿ｒｅｆの範囲で変動するような操作量が出力される。また、リミッタ２４が下限値と上限値が０に設定されているため、第２の電圧制御系１０２から出力される操作量は常に０になる。このように、リミッタ２４の設定値により第２の電圧制御系１０２の機能を実質的に停止させることができる。また、電流制御系１０３は、第１の電圧制御系１０１から出力される操作量と電流Ｉを比較し、その比較結果に基づいてデューティ比の指令値を生成する。
上記のようにリミッタ１４、２４、３４の設定が行われた場合の動作を説明する。まず、トランス３の２次側から１次側への電力変換の場合について説明する。トランス３の２次側から１次側への電力変換の場合、不感帯１２の幅は０に設定される。減算器１１は、電圧形電力変換器４の入出力端における検出電圧である電圧Ｖ１を目標値Ｖ１＿ｒｅｆから減算した値を出力する。この減算値は、不感帯１２を介してＣＶ制御器１３に入力される。ＣＶ制御器１３は、この減算値が０に近づくような操作量（電圧Ｖ１が目標値Ｖ１＿ｒｅｆに近づくような操作量）を生成する。この操作量は、リミッタ１４で−Ｉ＿ｒｅｆから０の範囲に制限された後、第１の電圧制御系１０１から出力される。加算器３１を介して加減算器３２に出力される。
第１の電圧制御系１０１から出力された操作量は、加算器３１を介して加減算器３２に入力される。加減算器３２は、加算器３１の出力値と充電電流の目標値Ｉ＿ｒｅｆとを加算し、その加算値から電流Ｉの検出値を減算する。この算出値は、ＣＣ制御器３３に入力される。ＣＣ制御器３３は、この算出値が０近づくような指令値を生成する。リミッタ３４は、この指令値を０から最大デューティ比の範囲内に制限した後、デューティ指令Ｄｕｔｙとして出力する。
次に、トランス３の１次側から２次側への電力変換の場合について説明する。トランス３の１次側から２次側への電力変換の場合、リミッタ１４、２４の設定に従って第１の電圧制御系１０１と第２の電圧制御系１０２の双方から操作量が出力される。第１の電圧制御系１０１から出力される操作量は正負の値をとり得るように設定されている。
第１の電圧制御系１０１の不感帯１２の幅は０以上の任意の値に設定される。減算器１１は、電圧Ｖ１を目標値Ｖ１＿ｒｅｆから減算する。この減算値は不感帯１２を介してＣＶ制御器１３に入力される。
ＣＶ制御器１３は、入力された減算値が０に近づくような操作量（電圧Ｖ１の検出値がレール電圧の目標値Ｖ１＿ｒｅｆに近づくような操作量）を生成する。リミッタ１４は、この操作量を−ΔＩからΔＩの範囲内に制限する。リミッタ１４から出力された操作量は、加算器３１に入力される。
減算器２１は、電流形電力変換器２の入出力端における検出電圧である電圧Ｖ２を目標値Ｖ２＿ｒｅｆから減算する。この減算値は、ＣＶ制御器２３に入力される。
ＣＶ制御器２３は、入力された減算値が０に近づくような操作量（電圧Ｖ２が目標値Ｖ２＿ｒｅｆに近づくような操作量）を生成する。リミッタ２４は、この操作量を０からＩ＿ｒｅｆの範囲内に制限する。リミッタ１４から出力された操作量は、加算器３１に入力される。
加算器３１は、リミッタ１４、２４からの出力値を加算する。この加算値は加減算器３２に入力される。加減算器３２は、加算器３１の出力値と目標値Ｉ＿ｒｅｆとを加算し、この加算値から電流形電力変換器２の入出力端から出力される電流の検出値である電流Ｉを減算さする。この算出値は、ＣＣ制御器３３に入力される。ＣＣ制御器３３は、加減算器３２の出力値が０に近づくように指令値を生成する。リミッタ３４は、この指令値を０から最大デューティ比の範囲内に制限した後、デューティ指令Ｄｕｔｙとして出力する。
次に、デューティ指令Ｄｕｔｙに基づいて生成されるゲート駆動信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓａ〜Ｓｄについて説明する。図２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、ゲート駆動信号Ｓ１、Ｓ２により駆動され、図２のスイッチング素子Ｑａ〜Ｑｄは、ゲート駆動信号Ｓａ〜Ｓｄにより駆動される。
図４は、図１のゲート駆動信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓａ〜Ｓｄの波形を示すタイミングチャートである。ゲート駆動信号Ｓａ〜Ｓｄのデューティ比は、デューティ指令Ｄｕｔｙに基づいて設定される。そして、ゲート駆動信号Ｓａ〜Ｓｄのデューティ比は互いに同一になるように設定される。ここで、ゲート駆動信号Ｓａ、Ｓｄとゲート駆動信号Ｓｂ、Ｓｃとは、半周期分だけ位相がれている。
ゲート駆動信号Ｓ１はゲート駆動信号Ｓｂ、Ｓｃを反転させることで生成され、ゲート駆動信号Ｓ２はゲート駆動信号Ｓａ、Ｓｄを反転させることで生成される。このように、デューティ指令Ｄｕｔｙに基づいてゲート駆動信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓａ〜Ｓｄの全ての駆動信号を生成することができる。
トランス３の１次側から２次側への電力変換の場合、図３の第２の電圧制御系１０２は電圧Ｖ２が低下すると、電圧Ｖ２を上昇させるように動作する。第１の電圧制御系１０１は電圧Ｖ１が低下すると、電圧Ｖ１を上昇させるように動作する。この第１の電圧制御系１０１と第２の電圧制御系１０２の動作は平行して実行される。
このように、第１の電圧制御系１０１の動作と第２の電圧制御系１０２の動作が平行し実行されるようにしたことで、トランス３の１次側から２次側への電力変換を行っているときの電圧Ｖ１の変動を抑制することができる。例えば、電圧Ｖ１が低下したために、電圧Ｖ２が低下した場合に、電圧Ｖ２の上昇を抑えて電圧Ｖ１を上昇させることが可能になる。
図５は、本発明の第２実施形態に係るＤＣＤＣコンバータに適用される制御系の概略構成を示すブロック図である。
図５では、図３の電流制御系１０３の代わりに電流制御系１０４が設けられている。この電流制御系１０４では、加減算器３２の前段にリミッタ４１が設けられている。
トランス３の１次側から２次側への電力変換の場合、リミッタ４１は以下のように設定することができる。
リミッタ４１：下限値＝０、上限値＝Ｉ＿ｒｅｆ
ただし、正の値は、電流形電力変換器２の入出力端から出力される電流の電流値を示し、負の値は、電流形電力変換器２の入出力端に流れ込む電流の電流値を示す。
トランス３の２次側から１次側への電力変換の場合、リミッタ４１は以下のように設定することができる。
リミッタ４１：下限値＝−Ｉ＿ｒｅｆ、上限値＝０
加減算器３２の前段にリミッタ４１を設けることにより、加算器３１の出力値を０からＩ＿ｒｅｆの範囲に制限することができる。つまり、第１の電圧制御系１０１の動作から与えられる操作量と第２の電圧制御系１０２から与えられる操作量の総和が、０からＩ＿ｒｅｆの範囲に制限される。
図６は、本発明の第３実施形態に係るＤＣＤＣコンバータに適用される制御系の概略構成を示すブロック図である。
図６では、図３の電流制御系１０３の代わりに電流制御系１０５が設けられている。この電流制御系１０５では、加減算器３２の代わりに減算器３２’が設けられている。この減算器３２’では、目標値Ｉ＿ｒｅｆの入力が省略され、加算器３１の出力値から電流Ｉの検出値が減算される。
この制御系では、トランス３の１次側から２次側への電力変換の場合、リミッタ１４、２４、３４を以下のように設定することができる。
リミッタ１４：下限値＝−ΔＩ、上限値＝ΔＩ
リミッタ２４：下限値＝０、上限値＝Ｉ＿ｒｅｆ
リミッタ３４：下限値＝０、上限値＝最大デューティ比
ただし、正の値は、電流形電力変換器２の入出力端から出力される電流の電流値を示し、負の値は、電流形電力変換器２の入出力端に流れ込む電流の電流値を示す。この場合、電流Ｉの範囲は、−ΔＩからＩ＿ｒｅｆ＋ΔＩの範囲になる。電流Ｉは、０からＩ＿ｒｅｆ＋ΔＩの範囲では、電流形電力変換器２の入出力端から出力される電流になり、−ΔＩから０の範囲では、電流形電力変換器２の入出力端に流れ込む電流になる。
また、トランス３の２次側から１次側への電力変換の場合、リミッタ１４、２４、３４を以下のように出力を制限することができる。
リミッタ１４：下限値＝−Ｉ＿ｒｅｆ、上限値＝０
リミッタ２４：下限値＝０、上限値＝０
リミッタ３４：下限値＝０、上限値＝最大デューティ比
この場合、電流Ｉの範囲は、−Ｉ＿ｒｅｆ＋ΔＩから０の範囲になる。電流Ｉは、電流形電力変換器２の入出力端に流れ込む電流になる。
図７は、本発明の第４実施形態に係るＤＣＤＣコンバータに適用される制御系の概略構成を示すブロック図である。
図７では、図６の電流制御系１０５の代わりに電流制御系１０６が設けられている。この電流制御系１０６では、電流制御系１０５の減算器３２’の前段にリミッタ４１が設けられている。
トランス３の１次側から２次側への電力変換の場合、リミッタ１４、２４、３４、４１を以下のように設定することができる。
リミッタ１４：下限値＝−ΔＩ、上限値＝ΔＩ
リミッタ２４：下限値＝０、上限値＝Ｉ＿ｒｅｆ
リミッタ３４：下限値＝０、上限値＝最大デューティ比
リミッタ４１：下限値＝０、上限値＝Ｉ＿ｒｅｆ
この場合、第１の電圧制御系１０１の動作から与えられる操作量と第２の電圧制御系１０２から与えられる操作量の総和が、０からＩ＿ｒｅｆの範囲に制限される。
また、トランス３の２次側から１次側への電力変換の場合、リミッタ１４、２４、３４、４１は以下のように出力を制限することができる。
リミッタ１４：最小値＝−Ｉ＿ｒｅｆ、最大値＝０
リミッタ２４：最小値＝０、最大値＝０
リミッタ３４：最小値＝０、最大値＝最大デューティ
リミッタ４１：最小値＝−Ｉ＿ｒｅｆ、最大値＝０
この場合、電流Ｉの範囲は、−Ｉ＿ｒｅｆ＋ΔＩから０の範囲になる。電流Ｉは、電流形電力変換器２の入出力端に流れ込む電流になる。
図８は、図１のＤＣＤＣコンバータが適用される電源系の一例を示すブロック図である。
図８において、交流電源５１にはＡＣＤＣコンバータ５２を介して負荷５３が接続されている。なお、負荷５３としては、例えば、直流で動作する電子機器であってもよいし、直流モータであってもよい。あるいは、太陽電池であってもよいし、発電機であってもよい。
負荷５３には、ＤＣＤＣコンバータ５４を介して蓄電器１が接続されている。
交流電源５１から出力された交流は、ＡＣＤＣコンバータ５２で直流に変換され、負荷５３に供給される。
また、負荷５３で発生したエネルギーを蓄電器１に蓄積する場合、ＤＣＤＣコンバータ５４で電圧Ｖ１が電圧Ｖ２に変換され、この電圧Ｖ２で蓄電器１が充電される。一方、交流電源５１が遮断された場合、ＤＣＤＣコンバータ５４で電圧Ｖ２が電圧Ｖ１に変換され、この変換された電力が負荷５３に供給される。
ここで、ＤＣＤＣコンバータ５４として図１の構成を用いることにより、充電時に電圧Ｖ１の変動を抑制することができる。例えば、電圧Ｖ１が低下したために、電圧Ｖ２が低下した場合、電圧Ｖ２の上昇を抑えてレール電圧Ｖ１を上昇させることが可能になる。
図９は、本発明の第５実施形態に係るＤＣＤＣコンバータに適用される電流形電力変換器６２および電圧形電力変換器４の概略構成を示す回路図である。なお、図９の実施形態では、電流形電力変換器６としてフルブリッジ構成を例にとった。
図９では、図１の電流形電力変換器２およびトランス３の代わりに電流形電力変換器６２およびトランス６３が設けられている。なお、その他の構成は図１と同様である。
電流形電力変換器６２は、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４およびインダクタＬ２で構成されている。そして、スイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２は互いに直列に接続され、スイッチング素子Ｑ１３、Ｑ１４は互いに直列に接続されている。スイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２の直列回路とスイッチング素子Ｑ１３、Ｑ１４の直列回路とは互いに並列に接続され、スイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２の接続点とスイッチング素子Ｑ１３、Ｑ１４の接続点との間にはトランス６３の２次巻線が接続されている。そして、スイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１３の接続点にはインダクタＬ２が接続されている。
なお、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４としては、電界効果トランジスタを用いるようにしてもよいし、バイポーラトランジスタを用いるようにしてもよいし、ＩＧＢＴを用いるようにしてもよい。また、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４には、ボディダイオードを形成するようにしてもよい。
このＤＣＤＣコンバータは、図４のゲート駆動信号Ｓ１でスイッチング素子Ｑ１２、Ｑ１３のゲートが駆動され、図４のゲート駆動信号Ｓ２でスイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１４のゲートが駆動される。それ以外の動作は、図１のＤＣＤＣコンバータと同様である。
なお、図２のプッシュプル構成の電流形電力変換器２では、電圧Ｖ２が低い時や電圧Ｖ１の変動範囲が狭い時に有効である。この電流形電力変換器２では、図９のフルブリッジ構成の電流形電力変換器６２に比べて回路構成を簡単化することができる。
一方、電圧Ｖ２が高い時や電圧Ｖ１の変動範囲が広い時は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の電圧ストレスが大きくなるため、図９のフルブリッジ構成の電流形電力変換器６２が適している。
また、本実施例では、電流形電力変換器２の入出力端における入出力電流を検出し、この電流に対する制御量を生成して制御を行っているが、電圧形電力変換器４の入出力端における入出力電流を検出し、この電流に対する制御量を生成して制御を行ってもよい。更に、電流形電力変換器２の入出力端から電流を出力するときには、電流形電力変換器２の入出力端における入出力電流を検出し、この電流に対する制御量を生成して制御を行い、電圧形電力変換器４の入出力端から電流を出力するときには、電圧形電力変換器４の入出力端における入出力電流を検出し、この電流に対する制御量を生成して制御を行うようにしてもよい。
本発明のＤＣＤＣコンバータは、双方向ＤＣＤＣコンバータとして利用することができる。
１ 蓄電器
２、６２ 電流形電力変換器
３、６３ トランス
４ 電圧形電力変換器
５ 制御器
Ｌ、Ｌ２ インダクタ
Ｃ 平滑コンデンサ
Ｑ１、Ｑ２、Ｑａ〜Ｑｄ、Ｑ１１〜Ｑ１４ スイッチング素子
１１、２１、３２’ 減算器
１２ 不感帯
１３、２３ ＣＶ制御器
１４、２４、３４、４１ リミッタ
３１ 加算器
３２ 加減算器
３３ ＣＣ制御器
５１ 交流電源
５２ ＡＣＤＣコンバータ
５３ 負荷
５４ ＤＣＤＣコンバータ
１０１ 第１の電圧制御系
１０２ 第２の電圧制御系
１０３〜１０６ 電流制御系

Claims (11)

  1. トランスと、
    前記トランスの１次側に構成された電圧形電力変換器と、
    前記電圧形電力変換器の入出力端の電圧を検出する第1の電圧検出回路と、
    前記トランスの２次側に構成された電流形電力変換器と、
    前記電流形電力変換器の入出力端の電圧を検出する第２の電圧検出回路と、
    前記電流形電力変換器の入出力端の入出力電流を検出する電流検出回路と、
    前記トランスの１次側から２次側への電力変換及び２次側から１次側への電力変換における前記電圧形電力変換器と前記電流形電力変換器の動作を制御する制御器とを備え、
    前記制御器は、前記電圧形電力変換器の入出力端の電圧値に基づいて前記入出力電流に関する第１の操作量を生成する第１の制御系と、前記電流形電力変換器の入出力端の電圧値に基づいて前記入出力電流に関する第２の操作量を生成する第２の制御系と、前記第１の操作量及び前記第２の操作量並びに前記入出力電流に基づいてＰＷＭ制御のための指令値を生成する第３の制御系とを備え、前記指令値に基づいて前記電圧形電力変換器と前記電流形電力変換器の動作を制御することを特徴とするＤＣＤＣコンバータ。
  2. トランスと、
    前記トランスの１次側に構成された電圧形電力変換器と、
    前記電圧形電力変換器の入出力端の電圧を検出する第1の電圧検出回路と、
    前記トランスの２次側に構成された電流形電力変換器と、
    前記電流形電力変換器の入出力端の電圧を検出する第２の電圧検出回路と、
    前記電流形電力変換器の入出力端の入出力電流を検出する電流検出回路と、
    前記トランスの１次側から２次側への電力変換及び２次側から１次側への電力変換における前記電圧形電力変換器と前記電流形電力変換器の動作を制御する制御器とを備え、
    前記制御器は、前記電圧形電力変換器の入出力端の電圧値に基づいて前記入出力電流に関する第１の操作量を生成する第１の制御系と、前記電流形電力変換器の入出力端の電圧値に基づいて前記入出力電流に関する第２の操作量を生成する第２の制御系と、前記第１の操作量及び前記第２の操作量並びに前記入出力電流に基づいてＰＦＭ制御のための指令値を生成する第３の制御系とを備え、前記指令値に基づいて前記電圧形電力変換器と前記電流形電力変換器の動作を制御することを特徴とするＤＣＤＣコンバータ。
  3. トランスと、
    前記トランスの１次側に構成された電圧形電力変換器と、
    前記電圧形電力変換器の入出力端の電圧を検出する第1の電圧検出回路と、
    前記電圧形電力変換器の入出力端の入出力電流を検出する電流検出回路と、
    前記トランスの２次側に構成された電流形電力変換器と、
    前記電流形電力変換器の入出力端の電圧を検出する第２の電圧検出回路と、
    前記トランスの１次側から２次側への電力変換及び２次側から１次側への電力変換における前記電圧形電力変換器と前記電流形電力変換器の動作を制御する制御器とを備え、
    前記制御器は、前記電圧形電力変換器の入出力端の電圧値に基づいて前記入出力電流に関する第１の操作量を生成する第１の制御系と、前記電流形電力変換器の入出力端の電圧値に基づいて前記入出力電流に関する第２の操作量を生成する第２の制御系と、前記第１の操作量及び前記第２の操作量並びに前記入出力電流に基づいてＰＷＭ制御のための指令値を生成する第３の制御系とを備え、前記指令値に基づいて前記電圧形電力変換器と前記電流形電力変換器の動作を制御することを特徴とするＤＣＤＣコンバータ。
  4. トランスと、
    前記トランスの１次側に構成された電圧形電力変換器と、
    前記電圧形電力変換器の入出力端の電圧を検出する第1の電圧検出回路と、
    前記電圧形電力変換器の入出力端の入出力電流を検出する電流検出回路と
    前記トランスの２次側に構成された電流形電力変換器と、
    前記電流形電力変換器の入出力端の電圧を検出する第２の電圧検出回路と、
    前記トランスの１次側から２次側への電力変換及び２次側から１次側への電力変換における前記電圧形電力変換器と前記電流形電力変換器の動作を制御する制御器とを備え、
    前記制御器は、前記電圧形電力変換器の入出力端の電圧値に基づいて前記入出力電流に関する第１の操作量を生成する第１の制御系と、前記電流形電力変換器の入出力端の電圧値に基づいて前記入出力電流に関する第２の操作量を生成する第２の制御系と、前記第１の操作量及び前記第２の操作量並びに前記入出力電流に基づいてＰＦＭ制御のための指令値を生成する第３の制御系とを備え、前記指令値に基づいて前記電圧形電力変換器と前記電流形電力変換器の動作を制御することを特徴とするＤＣＤＣコンバータ。
  5. 前記第１の制御系で生成される操作量が第１の所定範囲内に制限され、前記第２の制御系で生成される操作量が第２の所定範囲内に制限されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうち、いずれか１に記載のＤＣＤＣコンバータ。
  6. トランスと、
    前記トランスの１次側に構成された電圧形電力変換器と、
    前記電圧形電力変換器の入出力端の電圧を検出する第1の電圧検出回路と、
    前記トランスの２次側に構成された電流形電力変換器と、
    前記電流形電力変換器の入出力端の電圧を検出する第２の電圧検出回路と、
    前記電流形電力変換器の入出力端の入出力電流を検出する電流検出回路と、
    前記トランスの１次側から２次側への電力変換及び２次側から１次側への電力変換における前記電圧形電力変換器と前記電流形電力変換器の動作を制御する制御器とを備え、
    前記制御器は、前記電流形電力変換器の入出力端から出力される電流の電流値を第１の目標値に近づけるように制御する第１の制御モードと、前記電流形電力変換器の入出力端に流れ込む電流の電流値を第２の目標値に近づけるように制御する第２の制御モードとを備え、前記トランスの１次側から２次側への電力変換動作では第１の制御モードで動作し、前記トランスの２次側から１次側への電力変換動作では第２の制御モードで動作することを特徴とするＤＣＤＣコンバータ。
  7. トランスと、
    前記トランスの１次側に構成された電圧形電力変換器と、
    前記電圧形電力変換器の入出力端の電圧を検出する第1の電圧検出回路と、
    前記電圧形電力変換器の入出力端の入出力電流を検出する電流検出回路と
    前記トランスの２次側に構成された電流形電力変換器と、
    前記電流形電力変換器の入出力端の電圧を検出する第２の電圧検出回路と、
    前記トランスの１次側から２次側への電力変換及び２次側から１次側への電力変換における前記電圧形電力変換器と前記電流形電力変換器の動作を制御する制御器とを備え、
    前記制御器は、前記電圧形電力変換器の入出力端から出力される電流の電流値を第１の目標値に近づけるように制御する第１の制御モードと、前記電圧形電力変換器の入出力端に流れ込む電流の電流値を第２の目標値に近づけるように制御する第２の制御モードとを備え、前記トランスの２次側から１次側への電力変換動作では第１の制御モードで動作し、前記トランスの１次側から２次側への電力変換動作では第２の制御モードで動作することを特徴とするＤＣＤＣコンバータ。
  8. トランスの１次側に構成された電圧形電力変換器と、前記トランスの２次側に構成された電流形電力変換器とを備え、前記トランスの１次側から２次側への電力変換及び２次側から１次側への電力変換が可能なＤＣＤＣコンバータの制御方法であって、
    前記電圧形電力変換器の入出力端の電圧値に基づいて第１の操作量を生成する処理と、
    前記電流形電力変換器の入出力端の電圧値に基づいて第２の操作量を生成する処理と、
    前記第１の操作量及び前記第２の操作量並びに前記電流形電力変換器の入出力端の入出力電流に基づいてＰＷＭ制御のための指令値を生成する処理と、
    前記指令値に基づいて前記電圧形電力変換器と前記電流形電力変換器の動作を制御する処理を備え、
    前記第１の操作量及び前記第２の操作量が前記電流形電力変換器の入出力端の入出力電流に関する操作量であることを特徴とする双方向コンバータの制御方法。
  9. トランスの１次側に構成された電圧形電力変換器と、前記トランスの２次側に構成された電流形電力変換器とを備え、前記トランスの１次側から２次側への電力変換及び２次側から１次側への電力変換が可能なＤＣＤＣコンバータの制御方法であって、
    前記電圧形電力変換器の入出力端の電圧値に基づいて第１の操作量を生成する処理と、
    前記電流形電力変換器の入出力端の電圧値に基づいて第２の操作量を生成する処理と、
    前記第１の操作量及び前記第２の操作量並びに前記電流形電力変換器の入出力端の入出力電流に基づいてＰＦＭ制御のための指令値を生成する処理と、
    前記指令値に基づいて前記電圧形電力変換器と前記電流形電力変換器の動作を制御する処理を備え、
    前記第１の操作量及び前記第２の操作量が前記電流形電力変換器の入出力端の入出力電流に関する操作量であることを特徴とする双方向コンバータの制御方法。
  10. トランスの１次側に構成された電圧形電力変換器と、前記トランスの２次側に構成された電流形電力変換器とを備え、前記トランスの１次側から２次側への電力変換及び２次側から１次側への電力変換が可能なＤＣＤＣコンバータの制御方法であって、
    前記電圧形電力変換器の入出力端の電圧値に基づいて第１の操作量を生成する処理と、
    前記電流形電力変換器の入出力端の電圧値に基づいて第２の操作量を生成する処理と、
    前記第１の操作量及び前記第２の操作量並びに前記電圧形電力変換器の入出力端の入出力電流に基づいてＰＷＭ制御のための指令値を生成する処理と、
    前記指令値に基づいて前記電圧形電力変換器と前記電流形電力変換器の動作を制御する処理を備え、
    前記第１の操作量及び前記第２の操作量が前記電圧形電力変換器の入出力端の入出力電流に関する操作量であることを特徴とする双方向コンバータの制御方法。
  11. トランスの１次側に構成された電圧形電力変換器と、前記トランスの２次側に構成された電流形電力変換器とを備え、前記トランスの１次側から２次側への電力変換及び２次側から１次側への電力変換が可能なＤＣＤＣコンバータの制御方法であって、
    前記電圧形電力変換器の入出力端の電圧値に基づいて第１の操作量を生成する処理と、
    前記電流形電力変換器の入出力端の電圧値に基づいて第２の操作量を生成する処理と、
    前記第１の操作量及び前記第２の操作量並びに前記電圧形電力変換器の入出力端の入出力電流に基づいてＰＦＭ制御のための指令値を生成する処理と、
    前記指令値に基づいて前記電圧形電力変換器と前記電流形電力変換器の動作を制御する処理を備え、
    前記第１の操作量及び前記第２の操作量が前記電圧形電力変換器の入出力端の入出力電流に関する操作量であることを特徴とする双方向コンバータの制御方法。
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