JP2017046450A - 双方向スイッチ回路、それを用いた電力変換器、及びその制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
逆並列接続された2個の逆阻止型スイッチング素子と、
前記逆並列接続されたスイッチング素子と並列に接続された1個のソフトスイッチング用キャパシタと、を備えることを特徴とする。
逆直列接続された2個の還流ダイオード付スイッチング素子と、
前記逆直列接続されたスイッチング素子の両端に並列に接続された1個のソフトスイッチング用キャパシタと、を備えることを特徴とする。
複数入力端子と1出力端子を備え、
前記入力端子の各々と前記出力端子は上述の第1の双方向スイッチ回路又は第2の双方向スイッチ回路によって接続され、
前記複数入力端子のうちの2端子はいずれもフィルタ用のキャパシタによって接続されていることを特徴とする。
高周波トランスによって1次側と2次側に絶縁されるとともに、前記1次側に三相交流電源が接続されるU1相端子、V1相端子、及びW1相端子を備え、
前記高周波トランスは前記1次側に第1の接続端子及び第2の接続端子を有し、
前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子と前記第1の接続端子、
並びに、前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子と前記第2の接続端子、
はそれぞれ上記のソフトスイッチング用レグ回路によって接続されていることを特徴とする。
前記電力変換器は前記2次側に直流電源が接続される正極端子及び負極端子をさらに備え、
前記高周波トランスは前記2次側に第3の接続端子及び第4の接続端子をさらに有し、
前記第3の接続端子と前記正極端子、前記第3の接続端子と前記負極端子、前記第4の接続端子と前記正極端子、前記第4の接続端子と前記負極端子、は還流ダイオード付スイッチング素子にソフトスイッチング用キャパシタが並列接続されたソフトスイッチング用アーム回路によって接続されていてもよい。
高周波トランスによって1次側と2次側に絶縁され、前記1次側に第1の三相交流電源が接続されるU1相端子、V1相端子、及びW1相端子を備えるとともに、前記2次側に第2の三相交流電源が接続されるU2相端子、V2相端子、及びW2相端子を備える電力変換器であって、
前記高周波トランスは前記1次側に第1の接続端子及び第2の接続端子を有するとともに、前記2次側に第3の接続端子及び第4の接続端子を有し、
前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子と前記第1の接続端子、
前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子と前記第2の接続端子、
前記U2相端子、前記V2相端子、及び前記W2相端子と前記第3の接続端子、
並びに、前記U2相端子、前記V2相端子、及び前記W2相端子と前記第4の接続端子、
はそれぞれ上述のソフトスイッチング用レグ回路によって接続されていることを特徴とする。
三相交流電源が接続されるU1相端子、V1相端子、及びW1相端子と、
直流電源が接続される正極端子及び負極端子と、
インダクタと、
第1の接続点、第2の接続点、及び第3の接続点と、を備え、
前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子と前記第1の接続点
並びに、前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子と前記第3の接続点、
はそれぞれ上述のソフトスイッチング用レグ回路によって接続され、
前記第2の接続点と前記正極端子、前記第2の接続点と前記負極端子、前記第3の接続点と前記正極端子、及び、前記第3の接続点と前記負極端子、はそれぞれ還流ダイオード付スイッチング素子にソフトスイッチング用キャパシタが並列接続されたソフトスイッチング用アーム回路によって接続され、
前記第1の接続点と前記第2の接続点はインダクタによって接続されることを特徴とする。
上記第1の電力変換器又は第2の電力変換器において、
前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子のうち、電位の絶対値が大きいものから順に、x相、y相、z相とし、
また、前記制御方法の制御周期1周期における前半を第1の半周期、後半を第2の半周期とすると、
前記x相の電位が正の場合は、
前記第1の半周期において、前記第1の接続端子と前記x相間の双方向スイッチをオン状態に固定し、
前記第2の半周期において、前記第2の接続端子と前記x相間の双方向スイッチをオン状態に固定し、
前記x相の電位が負の場合は、
前記第1の半周期において、前記第2の接続端子と前記x相間の双方向スイッチをオン状態に固定し、
前記第2の半周期において、前記第1の接続端子と前記x相間の双方向スイッチをオン状態に固定するとともに、
前記第1の接続端子及び前記第2の接続端子のうちの他の接続端子は、
前記1次側から前記2次側への電力送電時には、
前記他の接続端子と前記x相間の双方向スイッチから、前記y相間、前記z相間、前記x相間の双方向スイッチの順に3相すべてに転流を行い、
前記2次側から前記1次側への電力送電時には、
前記他の接続端子と前記x相間の双方向スイッチから、前記z相間、前記y相間、前記x相間の双方向スイッチの順に3相すべてに転流を行うことを特徴とする。
前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子を入力端子とし、前記第1の接続端子及び前記第2の接続端子のいずれかを出力端子とする、2つの3入力1出力レグ回路それぞれおいて、
前記レグ回路の出力電流が正の状態では、前記レグ回路内のオンしている双方向スイッチが接続されている入力端子の電位よりも低い電位の入力端子に接続されている双方向スイッチに転流を行い、
同レグ回路の出力電流が負の状態では、前記レグ回路内のオンしている双方向スイッチが接続されている入力端子の電位よりも高い電位の入力端子に接続されている双方向スイッチに転流を行ってもよい。
図1は、第1の双方向スイッチを用いたソフトスイッチング用回路(レグ回路)の構成を示す図である。2つの入力端子u、vと出力端子gがあり、入力端子間には、フィルタ用のキャパシタCfを接続している。入力端子uと出力端子g間に双方向スイッチSugを、入力端子vと出力端子g間に双方向スイッチSvgを、それぞれ接続している。双方向スイッチSugは正の出力電流iを流すスイッチング素子SugR、負の出力電流iを流すスイッチング素子SugLとソフトスイッチング用キャパシタCsoft1とを並列接続して構成されている。双方向スイッチSvgは、双方向スイッチSugと同じ構成で、スイッチング素子SvgR、SvgLとソフトスイッチング用キャパシタCsoft1を並列接続して構成されている。双方向スイッチSug、Svgをそれぞれ構成するスイッチング素子SugL、SugR、SvgL、SvgRはいずれも逆方向からの電圧に耐える逆阻止能力を有する。この回路では、双方向スイッチ間の転流をソフトスイッチング(零電圧スイッチング)することができる。また、入力端子u、v間の電圧euvは、正および負の直流電圧または交流電圧を与えることができる。
図6は、第2の双方向スイッチを用いたレグ回路の構成を示す図である。図6に示す第2の実施形態にかかるレグ回路は、図1に示す第1の実施形態にかかるレグ回路を、スイッチング素子に逆並列にダイオードを持つ双方向スイッチによって構成している。図6(a)は本実施形態にかかる第1の回路構成、(b)は第2の回路構成を示している。第1の回路構成においては、双方向スイッチの2つのスイッチング素子が入出力端子からスイッチング素子同士の接続点に向かってそれぞれ電流を導通する向きに逆直列接続されている。一方、第2の回路構成においては、スイッチング素子同士の接続点から入出力端子に向かってそれぞれ電流を導通する向きに逆直列接続されている。
図7は、第1の双方向スイッチを用いた3入力1出力のレグ回路の構成を示す。図1に示す2入力1出力のレグ回路に対して、入力端子wを追加して、3入力1出力として、追加した入力端子wと出力端子g間に、他端子と同様に、ソフトスイッチング用キャパシタCsoft1を並列接続した双方向スイッチSwgを挿入している。入力端子間には、フィルタ用のキャパシタCfをデルタ結線で接続している。双方向スイッチSug、Svg、Swgのいずれか1つをオンし、出力電流iを流す。したがって、転流時のソフトスイッチング条件は、図1のレグ回路と同様であり、出力電流iが正の電流の場合には、高入力電位の双方向スイッチから低入力電位の双方向スイッチへの転流において、出力電流iが負の電流の場合には、低入力電位の双方向スイッチから高入力電位の双方向スイッチへの転流において、それぞれソフトスイッチングが実現される。
図8は、第3の実施形態のレグ回路を用いた高周波絶縁型AC/DCコンバータの回路構成を示す図である。三相電圧esu、esv、eswに、リアクトルLfとキャパシタンスCfからなる電源への高調波電流抑制のLCフィルタを通し、図7のソフトスイッチング動作をする3入力1出力のレグ回路の構成を2個用い、AC/AC電力変換するマトリックスコンバータ構成とし、双方向スイッチSug−Swhのスイッチングにより高周波トランスTrの一次高周波電圧v1を発生する。高周波トランスTrの一次側及び二次側にはそれぞれ、電流変化を抑制するためのリアクトルl1、l2が接続されている。高周波トランスTrの二次高周波電圧v2は、キャパシタンスCの出力直流電圧Vdcに接続されたHブリッジのスイッチSjp−Sknのスイッチングにより発生される。ソフトスイッチングのために、一次側マトリックスコンバータの各スイッチに、並列にキャパシタCsoft1を、また、二次側Hブリッジの各スイッチに、キャパシタCsoft2がそれぞれ接続される。
図16は、本実験例の実験システムの構成を示す図である。また、表1に実験システムの仕様を示す。電源には線間電圧実効値E=200V、周波数60Hzの三相交流電源を使用し、負荷電圧Vdcの指令値は230Vとし、負荷電力Pout=1000Wとした。トランスに直列接続したリアクトルl1、l2は、共に1個あたり0.175mHのものを外付けし、高周波トランスの周波数は10kHzにした。また、ソフトスイッチングのための一次側マトリックスコンバータの各スイッチの並列キャパシタCsoft1=3nF、二次側コンバータの各スイッチの並列キャパシタCsoft2=5nFをそれぞれ接続した。コントローラには、DSP(digital signal processor)を用い、電源線間電圧euv、evw、一次電流i1および負荷電圧Vdcを検出し、各スイッチのデューティ比と位相差Θdを計算した。各デューティ比に基づいて、FPGA(field−programmable gate array)を用いて各スイッチング信号を発生した。
本実験例では、ソフトスイッチングによるスイッチング損失低減効果の確認のため、ディジタルオシロスコープ(Textronix社製、DPO7054)を用いてスイッチング損失を測定した。実験条件は表1と同様であり、ソフトスイッチングの場合には双方向スイッチに対して並列にキャパシタを接続し、ハードスイッチングの場合には並列キャパシタを接続しないで測定した。表2に測定結果を示す。ハードスイッチングを用いた場合、一次側および二次側コンバータでのスイッチング損失はそれぞれ3.25W、8.04Wで、合計11.29Wであった。これに対してソフトスイッチングを用いた場合、一次側および二次側コンバータでのスイッチング損失はそれぞれ0.88W、1.55Wで、合計2.43W損失であった。これより、ソフトスイッチングを用いることで、ハードスイッチング時と比較してスイッチング損失を約1/5に低減できていることが分かった。
図21は、図8に示す絶縁型AC/DC電力変換器の高周波トランス回路を、インダクタに置き換えた非絶縁型電力変換器の回路構成を示す図である。図21に示すように三相電圧esu、esv、eswに、リアクトルLfとキャパシタンスCfからなる電源への高調波電流抑制のLCフィルタを通し、図7に示す3入力1出力のレグ回路を用いて三相電圧と第1の結合点a及び第3の結合点cをそれぞれ接続し、AC/AC電力変換するマトリックスコンバータ構成とし、双方向スイッチSug−Swhのスイッチングにより第1の結合点a−第3の結合点c間の電圧v1を発生する。第1の結合点aと第2の結合点bは、電流変化を抑制するためのインダクタLによって接続される。第2の結合点b−第3の結合点c間の電圧v2は、キャパシタンスCの出力直流電圧Vdcに接続されたHブリッジのスイッチSjp−Sknのスイッチングにより発生される。ソフトスイッチングのために、一次側マトリックスコンバータの各スイッチに、並列にキャパシタCsoft1を、また、二次側Hブリッジの各スイッチに、キャパシタCsoft2がそれぞれ接続される。図21と図8の両回路の一次二次の4端子g、h、j、kの伝達特性は誘導性となり、スイッチングパターンや各デューティ比および制御法を含め同じになり、全スイッチング素子においてソフトスイッチングを実現できるとともに交流側電流を正弦波に近づけることができる。
図22は、図8に示す絶縁型AC/DC電力変換器の高周波トランス回路を、結合型ワイヤレス給電システムに置き換えた電力変換器の回路構成を示す図である。一次端子g、h間の力率改善キャパシタCpと送電コイルを接続し、二次側端子j、k間に同様に力率改善キャパシタCpと送電コイルを接続した構成である。図22と図8の両回路の一次二次の4端子g、h、j、kの伝達特性は誘導性となり、スイッチングパターンや各デューティ比および制御法を含め同じになり、全スイッチング素子においてソフトスイッチングを実現できるとともに交流側電流を正弦波に近づけることができる。
図23は、図8に示す絶縁型AC/DC電力変換器の二次側を一次側と同じマトリックスコンバータと三相電源を接続した絶縁型AC/AC電力変換器の回路構成を示す図である。
図25は、図23に示す絶縁型AC/AC電力変換器の高周波トランス回路を、結合型ワイヤレス給電システムに置き換えた回路構成を示す図である。一次端子g、h間の力率改善キャパシタCpと送電コイルを接続し、二次側端子j、k間に同様に力率改善キャパシタCpと送電コイルを接続した構成である。図25と図23の両回路の一次二次の4端子g、h、j、kの伝達特性は誘導性となり、スイッチングパターンや各デューティ比および制御法を含め同じになり、全スイッチング素子においてソフトスイッチングを実現できるとともに交流側電流を正弦波に近づけることができる。
Claims (13)
- 逆並列接続された2個の逆阻止型スイッチング素子と、
前記逆並列接続されたスイッチング素子と並列に接続された1個のソフトスイッチング用キャパシタと、
を備えることを特徴とする双方向スイッチ回路。 - 逆直列接続された2個の還流ダイオード付スイッチング素子と、
前記逆直列接続されたスイッチング素子の両端に並列に接続された1個のソフトスイッチング用キャパシタと、
を備えることを特徴とする双方向スイッチ回路。 - 複数入力端子と1出力端子を備えるソフトスイッチング用レグ回路であって、
前記入力端子の各々と前記出力端子は請求項1又は2に記載の双方向スイッチ回路によって接続され、
前記複数入力端子のうちの2端子はいずれもフィルタ用のキャパシタによって接続されている
ことを特徴とするソフトスイッチング用レグ回路。 - 前記入力端子数は3である請求項3に記載のソフトスイッチング用レグ回路。
- 高周波トランスによって1次側と2次側に絶縁されるとともに、前記1次側に三相交流電源が接続されるU1相端子、V1相端子、及びW1相端子を備える電力変換器であって、
前記高周波トランスは前記1次側に第1の接続端子及び第2の接続端子を有し、
前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子と前記第1の接続端子、
並びに、前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子と前記第2の接続端子、
はそれぞれ請求項4に記載のソフトスイッチング用レグ回路によって接続されている
ことを特徴とする電力変換器。 - 請求項5に記載の電力変換器であって、
前記電力変換器は前記2次側に直流電源が接続される正極端子及び負極端子をさらに備え、
前記高周波トランスは前記2次側に第3の接続端子及び第4の接続端子をさらに有し、
前記第3の接続端子と前記正極端子、前記第3の接続端子と前記負極端子、前記第4の接続端子と前記正極端子、前記第4の接続端子と前記負極端子、は還流ダイオード付スイッチング素子にソフトスイッチング用キャパシタが並列接続されたソフトスイッチング用アーム回路によって接続されている
ことを特徴とする電力変換器。 - 高周波トランスによって1次側と2次側に絶縁され、前記1次側に第1の三相交流電源が接続されるU1相端子、V1相端子、及びW1相端子を備えるとともに、前記2次側に第2の三相交流電源が接続されるU2相端子、V2相端子、及びW2相端子を備える電力変換器であって、
前記高周波トランスは前記1次側に第1の接続端子及び第2の接続端子を有するとともに、前記2次側に第3の接続端子及び第4の接続端子を有し、
前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子と前記第1の接続端子、
前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子と前記第2の接続端子、
前記U2相端子、前記V2相端子、及び前記W2相端子と前記第3の接続端子、
並びに、前記U2相端子、前記V2相端子、及び前記W2相端子と前記第4の接続端子、
はそれぞれ請求項4に記載のソフトスイッチング用レグ回路によって接続されている
ことを特徴とする電力変換器。 - 三相交流電源が接続されるU1相端子、V1相端子、及びW1相端子と、
直流電源が接続される正極端子及び負極端子と、
インダクタと、
第1の接続点(a)、第2の接続点(b)、及び第3の接続点(c)と、を備える電力変換器であって、
前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子と前記第1の接続点(a)
並びに、前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子と前記第3の接続点(c)、
はそれぞれ請求項4に記載のソフトスイッチング用レグ回路によって接続され、
前記第2の接続点(b)と前記正極端子、前記第2の接続点(b)と前記負極端子、前記第3の接続点(c)と前記正極端子、及び、前記第3の接続点(c)と前記負極端子、
はそれぞれ還流ダイオード付スイッチング素子にソフトスイッチング用キャパシタが並列接続されたソフトスイッチング用アーム回路によって接続され、
前記第1の接続点(a)と前記第2の接続点(b)はインダクタによって接続されている
ことを特徴とする電力変換器。 - 請求項5〜7のいずれか1項に記載の電力変換器の制御方法であって、
前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子のうち、電位の絶対値が大きいものから順に、x相、y相、z相とし、
また、前記制御方法の制御周期1周期における前半を第1の半周期、後半を第2の半周期とすると、
前記x相の電位が正の場合は、
前記第1の半周期において、前記第1の接続端子と前記x相間の双方向スイッチをオン状態に固定し、
前記第2の半周期において、前記第2の接続端子と前記x相間の双方向スイッチをオン状態に固定し、
前記x相の電位が負の場合は、
前記第1の半周期において、前記第2の接続端子と前記x相間の双方向スイッチをオン状態に固定し、
前記第2の半周期において、前記第1の接続端子と前記x相間の双方向スイッチをオン状態に固定するとともに、
前記第1の接続端子及び前記第2の接続端子のうちの他の接続端子は、
前記1次側から前記2次側への電力送電時には、
前記他の接続端子と前記x相間の双方向スイッチから、前記y相間、前記z相間、前記x相間の双方向スイッチの順に3相すべてに転流を行い、
前記2次側から前記1次側への電力送電時には、
前記他の接続端子と前記x相間の双方向スイッチから、前記z相間、前記y相間、前記x相間の双方向スイッチの順に3相すべてに転流を行う
ことを特徴とする電力変換器の制御方法。 - 請求項9に記載の電力変換器の制御方法であって、
前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子を入力端子とし、前記第1の接続端子及び前記第2の接続端子のいずれかを出力端子とする、2つの3入力1出力レグ回路のそれぞれおいて、
前記レグ回路の出力電流が正の状態では、前記レグ回路内のオンしている双方向スイッチが接続されている入力端子の電位よりも低い電位の入力端子に接続されている双方向スイッチに転流を行い、
同レグ回路の出力電流が負の状態では、前記レグ回路内のオンしている双方向スイッチが接続されている入力端子の電位よりも高い電位の入力端子に接続されている双方向スイッチに転流を行う
ことを特徴とする電力変換器の制御方法。 - 請求項6又は7に記載の電力変換器の制御方法であって、
前記2次側の前記ソフトスイッチング用回路は、
前記1次側から前記2次側への電力送電時には、前記高周波トランスの前記1次側電圧に対して、前記2次側電圧の位相が遅れるように制御され、
前記2次側から前記1次側への電力送電時には、前記高周波トランスの前記1次側電圧に対して、前記2次側電圧の位相が進むように制御される
ことを特徴とする電力変換器の制御方法。 - 請求項8に記載の電力変換器の制御方法であって、
前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子のうち、電位の絶対値が大きいものから順に、x相、y相、z相とし、
また、前記制御方法の制御周期1周期における前半を第1の半周期、後半を第2の半周期とすると、
前記x相の電位が正の場合は、
前記第1の半周期において、前記第1の接続点(a)と前記x相間の双方向スイッチをオン状態に固定し、
前記第2の半周期において、前記第3の接続点(c)と前記x相間の双方向スイッチをオン状態に固定し、
前記x相の電位が負の場合は、
前記第1の半周期において、前記第3の接続点(c)と前記x相間の双方向スイッチをオン状態に固定し、
前記第2の半周期において、前記第1の接続点(a)と前記x相間の双方向スイッチをオン状態に固定するとともに、
前記第1の接続点(a)及び前記第3の接続点(c)のうちの他の接続点は、
前記三相交流電源から前記直流電源への電力送電時には、
前記他の接続点と前記x相間の双方向スイッチから、前記y相間、前記z相間、前記x相間の双方向スイッチの順に3相すべてに転流を行い、
前記直流電源から前記三相交流電源への電力送電時には、
前記他の接続点と前記x相間の双方向スイッチから、前記z相間、前記y相間、前記x相間の双方向スイッチの順に3相すべてに転流を行う
ことを特徴とする電力変換器の制御方法。 - 請求項12に記載の電力変換器の制御方法であって、
前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子を入力端子とし、前記第1の接続点(a)及び前記第3の接続点(c)のいずれかを出力端子とする、2つの3入力1出力レグ回路のそれぞれおいて、
前記レグ回路の出力電流が正の状態では、前記レグ回路内のオンしている双方向スイッチが接続されている入力端子の電位よりも低い電位の入力端子に接続されている双方向スイッチに転流を行い、
同レグ回路の出力電流が負の状態では、前記レグ回路内のオンしている双方向スイッチが接続されている入力端子の電位よりも高い電位の入力端子に接続されている双方向スイッチに転流を行う
ことを特徴とする電力変換器の制御方法。
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