JP2017153172A - Power supply system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce loss in an element included in a power supply system.SOLUTION: In the power supply system, a power converter is controlled to a first control state forming a closed circuit by a first DC power supply 10a and a first reactor 10b without passing through a load and forming a closed circuit by a second DC power supply 12a and a second reactor 12b through the load and a second control state forming a closed circuit by the first DC power supply 10a and the first reactor 10b through the load and forming a closed circuit by the second DC power supply 12a and the second reactor 12b without passing through the load. A switching element common to a current path of a current flowing into the first reactor 10b and a current path of a current flowing into the second reactor 12b in the first control state and the second control state is provided, and by switching the first control state and the second control state at a time ratio, output voltage is controlled so as to become sum voltage of the first DC power supply 10a and the second DC power supply 12a.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、2つの直流電源と負荷との間で電力を授受する電源システムに関する。   The present invention relates to a power supply system that transfers power between two DC power supplies and a load.

2つの直流電源から負荷(例えば車両駆動電動機等)へ電力を供給するための電源システムが開示されている(特許文献1〜5)。このような電源システムは、例えば複数の太陽電池から負荷へ電力を供給するためにも用いられている。太陽電池モジュールの各々に昇圧チョッパ(昇圧コンバータ)を接続し、MPPT制御(最大電力点トラッキング)により各太陽電池モジュールでの発電効率が最大化されるように制御する。このように複数の昇圧チョッパ(昇圧コンバータ)を用いる理由は、設置場所等の影響により各太陽電池モジュールの発電状況が異なるときにすべての太陽電池モジュールを直列に接続して1つの昇圧チョッパ(昇圧コンバータ)で制御すると発電効率が低下してしまうからである。また、別の理由として、発電電力が大きなシステムでは、すべての太陽電池モジュールを直列に接続してしまうと出力電圧が高電圧となり、回路設計上の制約が大きくなることがある。   A power supply system for supplying power from two DC power supplies to a load (for example, a vehicle drive motor) is disclosed (Patent Documents 1 to 5). Such a power supply system is also used to supply power from a plurality of solar cells to a load, for example. A step-up chopper (step-up converter) is connected to each of the solar cell modules, and control is performed so that the power generation efficiency in each solar cell module is maximized by MPPT control (maximum power point tracking). The reason for using a plurality of step-up choppers (step-up converters) in this way is that all the solar cell modules are connected in series when the power generation status of each solar cell module is different due to the influence of the installation location, etc. This is because if the control is performed by a converter, the power generation efficiency is lowered. As another reason, in a system with large generated power, if all the solar cell modules are connected in series, the output voltage becomes a high voltage, which may increase circuit design restrictions.

例えば、2つの直流電源にそれぞれ昇圧チョッパ回路が設けられており、それぞれの直流電源からの電圧を独立に昇圧チョッパ回路により昇圧して負荷に供給することができる電源システムが開示されている。また、2つの昇圧チョッパ回路の間を双方向スイッチング素子で接続し、2つの昇圧チョッパ回路を協働させて2つの直流電源から負荷へと電力を供給できる電源システムが開示されている。さらに、2つの直流電源をスイッチング素子により直列及び並列に接続可能としたシリーズパラレルコンバータ型の電源システムが開示されている。   For example, there is disclosed a power supply system in which a boost chopper circuit is provided for each of two DC power supplies, and a voltage from each DC power supply can be independently boosted by a boost chopper circuit and supplied to a load. In addition, a power supply system is disclosed in which two boost chopper circuits are connected by a bidirectional switching element, and power can be supplied from two DC power supplies to a load by cooperating the two boost chopper circuits. Furthermore, a series / parallel converter type power supply system is disclosed in which two DC power supplies can be connected in series and in parallel by switching elements.

図11は、従来の電源システム300の構成例を示す。また、図12は、従来の電源システム300に対する制御状態を示す。また、図13は、電源システム300での各制御状態(状態a〜状態e)におけるリアクトルL1,L2に流れるリアクトル電流I1,I2の変化を示す。   FIG. 11 shows a configuration example of a conventional power supply system 300. FIG. 12 shows a control state for the conventional power supply system 300. FIG. 13 shows changes in reactor currents I1 and I2 flowing through reactors L1 and L2 in each control state (state a to state e) in power supply system 300.

状態aでは、第1スイッチS1及び第2スイッチS2の両方がオン状態である(時刻t1)。状態bでは、第2スイッチS2がオフ状態とされる(時刻t2)。その後、ダイオードD2から第1スイッチS1へ電流の自然転流が起こり状態cへ移行する(時刻t3)。状態dでは、第1スイッチS1がオフ状態され、同時に第2スイッチS2がオン状態とされる(時刻t4)。その後、ダイオードD1から第2スイッチS2へ電流の自然転流が起こり状態eへ移行する(時刻t5)。そして、第1スイッチS1をオン状態とすることで状態aに戻る(時刻t6)。このように1周期の制御が行われ、2つの直流電源の電圧が昇圧されて負荷302に供給される。   In the state a, both the first switch S1 and the second switch S2 are on (time t1). In the state b, the second switch S2 is turned off (time t2). Thereafter, a natural commutation of current occurs from the diode D2 to the first switch S1, and the state c is shifted (time t3). In the state d, the first switch S1 is turned off, and at the same time, the second switch S2 is turned on (time t4). Thereafter, natural commutation of current occurs from the diode D1 to the second switch S2, and the state e is shifted (time t5). Then, the first switch S1 is turned on to return to the state a (time t6). Thus, one cycle of control is performed, and the voltages of the two DC power supplies are boosted and supplied to the load 302.

また、図14は、シリーズパラレル型の電源システム400の構成例を示す。図15は、電源システム400に対する制御状態を示す。図16は、電源システム400における各制御状態(状態a〜状態c)におけるリアクトルL1及びリアクトルL2に流れるリアクトル電流I1,I2の変化を示す。   FIG. 14 shows a configuration example of a series-parallel type power supply system 400. FIG. 15 shows a control state for the power supply system 400. FIG. 16 shows changes in reactor currents I1 and I2 flowing through reactor L1 and reactor L2 in each control state (state a to state c) in power supply system 400.

状態aでは、第1スイッチS1及び第4スイッチS4の両方がオフ状態であり、第2スイッチS2及び第3スイッチS3の両方がオン状態である(時刻t1)。状態bでは、第2スイッチS2がオフ状態とされ、第1スイッチS1がオン状態とされる(時刻t2)。状態cでは、第4スイッチS4がオフ状態とされ、第2スイッチS2がオン状態とされる(時刻t3)。その後、第1スイッチS1がオフ状態とされ、第4スイッチS4がオン状態とされる(時刻t4)。このように1周期の制御が行われ、2つの直流電源の電圧が昇圧されて負荷402に供給される。   In the state a, both the first switch S1 and the fourth switch S4 are in the off state, and both the second switch S2 and the third switch S3 are in the on state (time t1). In the state b, the second switch S2 is turned off and the first switch S1 is turned on (time t2). In the state c, the fourth switch S4 is turned off and the second switch S2 is turned on (time t3). Thereafter, the first switch S1 is turned off and the fourth switch S4 is turned on (time t4). Thus, one cycle of control is performed, and the voltages of the two DC power supplies are boosted and supplied to the load 402.

特許第3655277号公報Japanese Patent No. 3655277 特許第5492040号公報Japanese Patent No. 5492040 特開2013−13234号公報JP2013-13234A 特開2015−165759号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-165759 特開2015−162963号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-162963

従来の電源システムでは、時刻t4において2つのリアクトルを流れる電流の増減切替のタイミングが1周期に1回だけ一致する。2つのリアクトルを流れる電流の増減切替のタイミングが一致すると損失の低減効果があるが、従来の電源システムでは1周期に1回だけその効果を得ることができず、電源システムにおける損失低減が不十分であった。   In the conventional power supply system, the increase / decrease switching timing of the current flowing through the two reactors coincides only once per cycle at time t4. If the timing of increase / decrease switching of the current flowing through the two reactors coincides, there is an effect of reducing the loss, but the conventional power supply system cannot obtain the effect only once per cycle, and the loss reduction in the power supply system is insufficient. Met.

本発明の1つの態様は、第1の直流電源と、前記第1の直流電源に直列に接続された第1のリアクトルと、第2の直流電源と、前記第2の直流電源に直列に接続された第2のリアクトルと、前記第1の直流電源及び前記第2の直流電源からの直流電圧の電圧変換を行う複数のスイッチング素子を備えた電力変換器と、を備え、前記電力変換器は、前記第1の直流電源と前記第1のリアクトルが負荷を介さずに閉回路を形成すると共に、前記第2の直流電源と前記第2のリアクトルが負荷を介して閉回路を形成するように前記複数のスイッチング素子が制御される第1の制御状態と、前記第1の直流電源と前記第1のリアクトルが負荷を介して閉回路を形成すると共に、前記第2の直流電源と前記第2のリアクトルが負荷を介さずに閉回路を形成するように前記複数のスイッチング素子が制御される第2の制御状態と、に制御され、前記第1の制御状態と前記第2の制御状態において、前記第1のリアクトルを流れる電流経路と前記第2のリアクトルを流れる電流経路とに共通のスイッチング素子を備え、前記第1の制御状態と前記第2の制御状態とを時比率で切り替えることで、出力電圧を前記第1の直流電源と前記第2の直流電源の和電圧となるように制御することを特徴とする電源システムである。   One aspect of the present invention includes a first DC power supply, a first reactor connected in series to the first DC power supply, a second DC power supply, and a second DC power supply connected in series. And a power converter including a plurality of switching elements that perform voltage conversion of DC voltage from the first DC power source and the second DC power source, and the power converter includes: The first DC power source and the first reactor form a closed circuit without passing through a load, and the second DC power source and the second reactor form a closed circuit through a load. The first control state in which the plurality of switching elements are controlled, the first DC power source and the first reactor form a closed circuit via a load, and the second DC power source and the second Reactors form a closed circuit without going through a load And a second control state in which the plurality of switching elements are controlled, and in the first control state and the second control state, the current path flowing through the first reactor and the first control state A switching element that is common to the current path flowing through the two reactors, and switching the first control state and the second control state at a time ratio, thereby changing the output voltage to the first DC power source and the first The power supply system is controlled so as to be the sum voltage of the two DC power supplies.

ここで、前記電力変換器は、前記第1の直流電源に対して設けられ、前記第1の直流電源と前記負荷との間の電力変換を行う少なくとも1つのスイッチング素子を備えた第1電力変換部と、前記第2の直流電源に対して設けられ、前記第2の直流電源と前記負荷との間の電力変換を行う少なくとも1つのスイッチング素子を備えた第2電力変換部と、前記第1電力変換部と前記第2電力変換部との間の電流方向を規制する連結素子と、を備えることが好適である。   Here, the power converter is provided for the first DC power source, and includes a first power converter including at least one switching element that performs power conversion between the first DC power source and the load. And a second power converter provided with respect to the second DC power source, and comprising at least one switching element that performs power conversion between the second DC power source and the load; It is preferable to include a coupling element that regulates a current direction between the power conversion unit and the second power conversion unit.

本発明によれば、電源システムに含まれる素子における損失を低減することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the loss in the element contained in a power supply system can be reduced.

本発明の実施の形態における電源システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the power supply system in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における電源システムを用いたシステムを示す図である。It is a figure which shows the system using the power supply system in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における電源システムの制御状態を示す図である。It is a figure which shows the control state of the power supply system in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における電源システムの各制御状態におけるリアクトル電流の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the reactor current in each control state of the power supply system in embodiment of this invention. 線間電圧を和電圧に制御しなかった場合の電源システムにおける各素子における損失を示す図である。It is a figure which shows the loss in each element in a power supply system at the time of not controlling a line voltage to a sum voltage. 線間電圧を和電圧に制御した場合の電源システムにおける各素子における損失を示す図である。It is a figure which shows the loss in each element in a power supply system at the time of controlling a line voltage to a sum voltage. 線間電圧を和電圧に制御しなかった場合の電源システムにおける各素子における損失を示す図である。It is a figure which shows the loss in each element in a power supply system at the time of not controlling a line voltage to a sum voltage. 変形例における電源システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the power supply system in a modification. 本発明の実施の形態における電源システムの制御状態を示す図である。It is a figure which shows the control state of the power supply system in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態における電源システムの各制御状態におけるリアクトル電流の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the reactor current in each control state of the power supply system in embodiment of this invention. 従来の電源システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the conventional power supply system. 従来の電源システムにおける電源システムの制御状態を示す図である。It is a figure which shows the control state of the power supply system in the conventional power supply system. 従来の電源システムにおける各制御状態におけるリアクトル電流の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the reactor current in each control state in the conventional power supply system. 従来の電源システムの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the conventional power supply system. 従来の電源システムにおける電源システムの制御状態を示す図である。It is a figure which shows the control state of the power supply system in the conventional power supply system. 従来の電源システムにおける各制御状態におけるリアクトル電流の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the reactor current in each control state in the conventional power supply system.

[電源システムの構成]
本発明の実施の形態における電源システム100は、図1に示すように、第1の直流電源10a、第1のリアクトル10b、第2の直流電源12a、第2のリアクトル12b、第1電力変換器14、第2電力変換器16及び連結素子18を含んで構成される。電源システム100の高電圧側の第1の電力線X1と低電圧側の第2の電力線X2との間には負荷102が接続される。
[Power system configuration]
As shown in FIG. 1, a power supply system 100 according to an embodiment of the present invention includes a first DC power supply 10a, a first reactor 10b, a second DC power supply 12a, a second reactor 12b, and a first power converter. 14, the 2nd power converter 16 and the connection element 18 are comprised. A load 102 is connected between the first power line X1 on the high voltage side of the power supply system 100 and the second power line X2 on the low voltage side.

電源システム100では、第1電力変換器14及び第2電力変換器16の少なくとも1つを介して第1の直流電源10a及び第2の直流電源12aの少なくとも1つから負荷102へと電力を供給することができる(力行)。また、第1電力変換器14及び第2電力変換器16の少なくとも1つを介して負荷102から第1の直流電源10a及び第2の直流電源12aの少なくとも1つへ電力が回収することができる(回生)。   In the power supply system 100, power is supplied to the load 102 from at least one of the first DC power supply 10a and the second DC power supply 12a via at least one of the first power converter 14 and the second power converter 16. You can (powering). Further, power can be recovered from the load 102 to at least one of the first DC power supply 10a and the second DC power supply 12a via at least one of the first power converter 14 and the second power converter 16. (Regeneration).

第1の直流電源10a及び第2の直流電源12aは、特に限定されるものではないが、太陽電池とすることができる。また、第1の直流電源10a及び第2の直流電源12aは、充放電が可能な二次電池や電気二重層キャパシタ等の蓄電手段を含んでもよい。   The first DC power supply 10a and the second DC power supply 12a are not particularly limited, but can be solar cells. The first DC power supply 10a and the second DC power supply 12a may include power storage means such as a rechargeable battery or an electric double layer capacitor that can be charged and discharged.

第1電力変換器14は、第1の直流電源10aの電力変換を行う回路を含んで構成される。すなわち、第1の直流電源10aの出力電圧を昇圧して負荷102へ供給すると共に、負荷102からの電力の電圧を降圧して第1の直流電源10aへ回生することができる。第1電力変換器14は、上アーム14a、下アーム14bを含んで構成される。上アーム14aは、上アーム側スイッチング素子14dと帰還ダイオード14eとが並列に接続されている。下アーム14bは、下アーム側スイッチング素子14fと帰還ダイオード14gとが並列に接続されている。上アーム14aと下アーム14bとは直列に接続され、その両端に負荷102が接続される。また、上アーム14aと下アーム14bとの接続点C1に第1のリアクトル10bを介して第1の直流電源10aが接続される。   The first power converter 14 includes a circuit that performs power conversion of the first DC power supply 10a. That is, the output voltage of the first DC power supply 10a can be boosted and supplied to the load 102, and the voltage of the electric power from the load 102 can be reduced and regenerated to the first DC power supply 10a. The first power converter 14 includes an upper arm 14a and a lower arm 14b. In the upper arm 14a, an upper arm side switching element 14d and a feedback diode 14e are connected in parallel. The lower arm 14b has a lower arm side switching element 14f and a feedback diode 14g connected in parallel. The upper arm 14a and the lower arm 14b are connected in series, and the load 102 is connected to both ends thereof. The first DC power supply 10a is connected to a connection point C1 between the upper arm 14a and the lower arm 14b via the first reactor 10b.

第2電力変換器16は、第2の直流電源12aの電力変換を行う回路を含んで構成される。すなわち、第2の直流電源12aの出力電圧を昇圧して負荷102へ供給すると共に、負荷102からの電力の電圧を降圧して第2の直流電源12aへ回生することができる。第2電力変換器16は、上アーム16a及び下アーム16bを含んで構成される。上アーム16aは、上アーム側スイッチング素子16dと帰還ダイオード16eとが並列に接続されている。下アーム16bは、下アーム側スイッチング素子16fと帰還ダイオード16gとが並列に接続されている。上アーム16aと下アーム16bとは直列に接続され、その両端に負荷102が接続される。また、上アーム16aと下アーム16bとの接続点C2に第2のリアクトル12bを介して第2の直流電源12aが接続される。   The second power converter 16 includes a circuit that performs power conversion of the second DC power supply 12a. In other words, the output voltage of the second DC power source 12a can be boosted and supplied to the load 102, and the voltage of the power from the load 102 can be stepped down and regenerated to the second DC power source 12a. The second power converter 16 includes an upper arm 16a and a lower arm 16b. In the upper arm 16a, an upper arm side switching element 16d and a feedback diode 16e are connected in parallel. In the lower arm 16b, a lower arm side switching element 16f and a feedback diode 16g are connected in parallel. The upper arm 16a and the lower arm 16b are connected in series, and the load 102 is connected to both ends thereof. The second DC power supply 12a is connected to the connection point C2 between the upper arm 16a and the lower arm 16b via the second reactor 12b.

連結素子18は、接続点C1と接続点C2との間の電流方向を規制する素子である。例えば、連結素子18は、例えば、整流素子やスイッチング素子である。連結素子18は、双方向スイッチング素子、すなわちオン時において接続点C1から接続点C2への電流及び接続点C2から接続点C1への電流に対していずれも低い抵抗値となり、オフ時において接続点C1と接続点C2との両側に対して耐圧性を有する素子とすることが好適である。   The coupling element 18 is an element that regulates the current direction between the connection point C1 and the connection point C2. For example, the coupling element 18 is a rectifying element or a switching element, for example. The coupling element 18 is a bidirectional switching element, that is, has a low resistance value with respect to the current from the connection point C1 to the connection point C2 and the current from the connection point C2 to the connection point C1 when the switch is turned on. It is preferable that the element has pressure resistance on both sides of C1 and the connection point C2.

本実施の形態における電源システム100では、連結素子18を備えることによって、第1電力変換器14のみならず、第2電力変換器16を介して、第1の直流電源10aの出力電圧を昇圧して負荷102へ供給すると共に、負荷102からの電力の電圧を降圧して第1の直流電源10aへ回生することができる。また、第2電力変換器16のみならず、第1電力変換器14を介して、第2の直流電源12aの出力電圧を昇圧して負荷102へ供給すると共に、負荷102からの電力の電圧を降圧して第2の直流電源12aへ回生することができる。   In power supply system 100 in the present embodiment, by providing coupling element 18, the output voltage of first DC power supply 10 a is boosted not only through first power converter 14 but also through second power converter 16. The power can be supplied to the load 102 and the voltage of the power from the load 102 can be stepped down and regenerated to the first DC power supply 10a. Further, not only the second power converter 16 but also the first power converter 14, the output voltage of the second DC power supply 12a is boosted and supplied to the load 102, and the voltage of the power from the load 102 is also increased. The voltage can be stepped down and regenerated to the second DC power supply 12a.

本実施の形態では、図2のシステム構成図に示すように、第1電力変換器14及び第2電力変換器16と負荷102との間に電源システム100の出力電圧を制御することができる直流/交流変換回路104(インバータ)を設けた構成とする。なお、交流変換回路104に代えて直流/直流変換回路(DC/DCコンバータ)を設けた構成としてもよい。例えば、第1の直流電源10a及び第2の直流電源12aを太陽電池とすることによって、太陽電池電力供給システムとして使用することができる。   In the present embodiment, as shown in the system configuration diagram of FIG. 2, the direct current capable of controlling the output voltage of the power supply system 100 between the first power converter 14 and the second power converter 16 and the load 102. / The AC conversion circuit 104 (inverter) is provided. Note that a DC / DC conversion circuit (DC / DC converter) may be provided instead of the AC conversion circuit 104. For example, when the first DC power supply 10a and the second DC power supply 12a are solar cells, they can be used as a solar cell power supply system.

なお、電源システム100は、外部の制御部(図示しない)によって制御される。制御部は、第1電力変換器14、第2電力変換器16及び連結素子18に含まれるスイッチング素子の開閉制御を行う。制御部は、マイクロコンピュータ等を含んで構成される。制御部による制御については後述する。   The power supply system 100 is controlled by an external control unit (not shown). The control unit performs opening / closing control of switching elements included in the first power converter 14, the second power converter 16, and the coupling element 18. The control unit includes a microcomputer and the like. Control by the control unit will be described later.

[電源システムの制御]
以下、電源システム100から負荷102へ電力を供給する際の制御について説明する。本実施の形態における電源システム100の制御では、従来と同様に、下アーム側スイッチング素子14fをオン/オフ制御することにより第1の直流電源10a側の昇圧動作を行い、上アーム側スイッチング素子16dをオン/オフ制御することにより第2の直流電源12a側の昇圧動作を行う。第2の直流電源12a側においても上アーム側スイッチング素子16dをオン状態とすることにより第2のリアクトル12bにエネルギーを蓄積し、オフ状態とすることで負荷102側にエネルギーを放出することにより昇圧することができる。
[Control of power supply system]
Hereinafter, control when power is supplied from the power supply system 100 to the load 102 will be described. In the control of the power supply system 100 in the present embodiment, as in the prior art, the step-up operation on the first DC power supply 10a side is performed by controlling on / off the lower arm side switching element 14f, and the upper arm side switching element 16d. Is turned on / off to perform a boosting operation on the second DC power supply 12a side. Also on the second DC power supply 12a side, energy is stored in the second reactor 12b by turning on the upper arm side switching element 16d and boosted by releasing energy to the load 102 side by turning it off. can do.

図3は、電源システム100に対する制御状態を示す。また、図4は、電源システム100での各制御状態(状態a〜状態d)における第1のリアクトル10b、第2のリアクトル12bに流れるリアクトル電流I1,I2の変化を示す。なお、以下の説明では、本発明の実施の形態では回生時の制御を考慮する必要がないため、スイッチング素子の一部をダイオードに置き換えて記載している。ただし、図1のようにスイッチング素子としても、または図3のようにダイオードとしても、どちらの構成においても本発明の制御を適用することができる。   FIG. 3 shows a control state for the power supply system 100. FIG. 4 shows changes in reactor currents I1 and I2 flowing through the first reactor 10b and the second reactor 12b in each control state (state a to state d) in the power supply system 100. In the following description, since it is not necessary to consider the control during regeneration in the embodiment of the present invention, a part of the switching element is replaced with a diode. However, the control of the present invention can be applied to either the switching element as shown in FIG. 1 or the diode as shown in FIG.

本制御では、第1電力変換器14の上アーム側スイッチング素子14d及び第2電力変換器16の下アーム側スイッチング素子16fは常時オフ状態とされる。また、連結素子18は常時オン状態とされる。このような状態において、直流/交流変換回路104を制御して、電源システム100の出力電圧、すなわち第1の電力線X1と第2の電力線X2との間の線間電圧が第1の直流電源10aの電圧と第2の直流電源12aの電圧との和電圧となるように制御する。   In this control, the upper arm side switching element 14d of the first power converter 14 and the lower arm side switching element 16f of the second power converter 16 are always turned off. Further, the connecting element 18 is always turned on. In such a state, the DC / AC conversion circuit 104 is controlled so that the output voltage of the power supply system 100, that is, the line voltage between the first power line X1 and the second power line X2 is the first DC power supply 10a. And the voltage of the second DC power supply 12a.

電源システム100では、連結素子18を設けてリアクトル電流を迂回させることによって、電源システム100における素子での電力損失を低減することができる。さらに、下アーム側スイッチング素子14f及び上アーム側スイッチング素子16dのスイッチングのタイミングを制御することにより素子損失を最大限抑制することができる。以下、その制御について説明する。   In the power supply system 100, the power loss in the elements in the power supply system 100 can be reduced by providing the coupling element 18 to bypass the reactor current. Furthermore, by controlling the switching timing of the lower arm side switching element 14f and the upper arm side switching element 16d, the element loss can be suppressed to the maximum. Hereinafter, the control will be described.

時刻t1では、電源システム100は状態aとされる。状態aでは、下アーム側スイッチング素子14fがオン状態とされ、同時に上アーム側スイッチング素子16dがオフ状態とされる。このとき、負荷102へは第2の直流電源12aから電力が供給される状態となる。その後、帰還ダイオード16gから下アーム側スイッチング素子14fへ電流の自然転流が起こり状態bへ移行する(時刻t2)。   At time t1, the power supply system 100 is in the state a. In the state a, the lower arm side switching element 14f is turned on, and at the same time, the upper arm side switching element 16d is turned off. At this time, power is supplied to the load 102 from the second DC power supply 12a. Thereafter, natural commutation of current occurs from the feedback diode 16g to the lower arm side switching element 14f, and the state b is shifted (time t2).

時刻t3では、電源システム100は状態cとされる。状態cでは、下アーム側スイッチング素子14fがオフ状態とされ、同時に上アーム側スイッチング素子16dがオン状態とされる。このとき、負荷102へは第1の直流電源10aから電力が供給される状態となる。その後、帰還ダイオード14eから上アーム側スイッチング素子16dへ電流の自然転流が起こり状態dへ移行する(時刻t4)。   At time t3, the power supply system 100 is in the state c. In the state c, the lower arm side switching element 14f is turned off, and at the same time, the upper arm side switching element 16d is turned on. At this time, power is supplied to the load 102 from the first DC power supply 10a. Thereafter, natural commutation of the current occurs from the feedback diode 14e to the upper arm side switching element 16d, and the state d is shifted (time t4).

そして、時刻t5では、電源システム100は状態aに戻される。すなわち、下アーム側スイッチング素子14fがオン状態とされ、同時に上アーム側スイッチング素子16dがオフ状態とされる。   At time t5, the power supply system 100 is returned to the state a. That is, the lower arm side switching element 14f is turned on, and at the same time, the upper arm side switching element 16d is turned off.

電源システム100はこのように制御されるが、状態dから状態aへ移行する際の上アーム側スイッチング素子16dのオフ制御時において上アーム側スイッチング素子16dにはリアクトル電流I2とリアクトル電流I1との差電流のみが流れているのでオフ損失を低減することができる。また、状態bから状態cへ移行する際の下アーム側スイッチング素子14fのオフ制御時において下アーム側スイッチング素子14fにはリアクトル電流I1とリアクトル電流I2との差電流のみが流れているのでオフ損失を低減することができる。   The power supply system 100 is controlled in this way, but when the upper arm side switching element 16d is controlled to be switched off from the state d to the state a, the upper arm side switching element 16d has a reactor current I2 and a reactor current I1. Since only the difference current flows, the off loss can be reduced. Further, during the off control of the lower arm side switching element 14f when shifting from the state b to the state c, only the difference current between the reactor current I1 and the reactor current I2 flows through the lower arm side switching element 14f, so the off loss. Can be reduced.

ここで、電源システム100の出力電圧、すなわち第1の電力線X1と第2の電力線X2との間の線間電圧を第1の直流電源10aと第2の直流電源12aとの和電圧となるように制御することによって、図4に示すように、リアクトル電流I1とリアクトル電流I2との山と谷とを一致させることができる理由を説明する。   Here, the output voltage of the power supply system 100, that is, the line voltage between the first power line X1 and the second power line X2 is set to the sum voltage of the first DC power supply 10a and the second DC power supply 12a. The reason why the peaks and valleys of the reactor current I1 and the reactor current I2 can be matched as shown in FIG.

第1の直流電源10aの電圧V1、第2の直流電源12aの電圧V2、第1の電力線X1と第2の電力線X2との線間電圧VH、下アーム側スイッチング素子14fのオン比率(デューティ)D1、及び上アーム側スイッチング素子16dのオン比率(デューティ)D2とすると以下の数式1〜3が成り立つ。

Figure 2017153172

Figure 2017153172

Figure 2017153172
Voltage V1 of first DC power supply 10a, voltage V2 of second DC power supply 12a, line voltage VH between first power line X1 and second power line X2, ON ratio (duty) of lower arm side switching element 14f When D1 and the ON ratio (duty) D2 of the upper arm side switching element 16d, the following formulas 1 to 3 hold.
Figure 2017153172

Figure 2017153172

Figure 2017153172

これらの式を変形すると下アーム側スイッチング素子14fと上アーム側スイッチング素子16dのオン比率(デューティ)の関係は数式4で表される。

Figure 2017153172
When these expressions are modified, the relationship between the ON ratio (duty) of the lower arm side switching element 14f and the upper arm side switching element 16d is expressed by Expression 4.
Figure 2017153172

数式4は、下アーム側スイッチング素子14fと上アーム側スイッチング素子16dのオン比率(デューティ)の和が電源システム100の1制御周期と一致するように制御することによって、図4に示すように、リアクトル電流I1とリアクトル電流I2との山と谷とを一致させることができることを意味している。   As shown in FIG. 4, Equation 4 is obtained by controlling the sum of the ON ratios (duties) of the lower arm side switching element 14 f and the upper arm side switching element 16 d to coincide with one control cycle of the power supply system 100, as shown in FIG. This means that the peaks and valleys of the reactor current I1 and the reactor current I2 can be matched.

例えば、図2に示したシステム構成において、第1電力変換器14及び第2電力変換器16を最適動作点に追従するように制御すると共に、直流/交流変換回路104により線間電圧VHを第1の直流電源10aと第2の直流電源12aとの和電圧となるように制御すればよい。これにより、第1電力変換器14及び第2電力変換器16での素子損失を低減することができる。   For example, in the system configuration shown in FIG. 2, the first power converter 14 and the second power converter 16 are controlled so as to follow the optimum operating point, and the DC / AC conversion circuit 104 sets the line voltage VH to the first. What is necessary is just to control so that it may become the sum voltage of 1 direct current power supply 10a and 2nd direct current power supply 12a. Thereby, the element loss in the 1st power converter 14 and the 2nd power converter 16 can be reduced.

図5は、第1の電力線X1と第2の電力線X2との間の線間電圧VHを第1の直流電源10aと第2の直流電源12aとの和電圧+5Vに制御した場合の各素子における損失を示す。図6は、第1の電力線X1と第2の電力線X2との間の線間電圧VHを第1の直流電源10aと第2の直流電源12aとの和電圧に制御した場合の各素子における損失を示す。図5及び図6に示されるように、第1の電力線X1と第2の電力線X2との間の線間電圧VHを第1の直流電源10aと第2の直流電源12aとの和電圧に制御した場合には和電圧から外れている場合に比べて素子における損失を低減することができる。   FIG. 5 shows the respective elements when the line voltage VH between the first power line X1 and the second power line X2 is controlled to the sum voltage + 5V of the first DC power supply 10a and the second DC power supply 12a. Indicates loss. FIG. 6 shows the loss in each element when the line voltage VH between the first power line X1 and the second power line X2 is controlled to the sum voltage of the first DC power supply 10a and the second DC power supply 12a. Indicates. As shown in FIGS. 5 and 6, the line voltage VH between the first power line X1 and the second power line X2 is controlled to the sum voltage of the first DC power supply 10a and the second DC power supply 12a. In this case, it is possible to reduce the loss in the device as compared with the case where the voltage is not equal to the sum voltage.

図7は、本発明の実施の形態における制御を適用した場合と従来の制御を適用した場合の電源システム100全体の損失の差を示す。図7より明らかなように、本発明の実施の形態における制御を適用した場合は従来の制御を適用した場合に比べて電源システム100全体の損失も大きく低減できる。   FIG. 7 shows a difference in loss of the entire power supply system 100 when the control according to the embodiment of the present invention is applied and when the conventional control is applied. As apparent from FIG. 7, when the control according to the embodiment of the present invention is applied, the loss of the entire power supply system 100 can be greatly reduced as compared with the case where the conventional control is applied.

[変形例]
本実施の形態では、連結素子18を備えた電源システム100を例に説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。例えば、図8に示すシリーズパラレル型の電源システム200においても同様に適用することができる。
[Modification]
In the present embodiment, the power supply system 100 including the coupling element 18 has been described as an example, but the scope of application of the present invention is not limited to this. For example, the present invention can be similarly applied to the series-parallel type power supply system 200 shown in FIG.

本変形例においても、電源システム200の出力電圧、すなわち第1の電力線X1と第2の電力線X2の線間電圧が第1の直流電源10aと第2の直流電源12aとの和電圧に等しい状態に維持される。例えば、電源システム200の第1の電力線X1と第2の電力線X2との間に直流/交流変換回路や直流/直流変換回路を接続して電源システム200の出力電圧を制御することができる。   Also in this modification, the output voltage of the power supply system 200, that is, the line voltage between the first power line X1 and the second power line X2 is equal to the sum voltage of the first DC power supply 10a and the second DC power supply 12a. Maintained. For example, the output voltage of the power supply system 200 can be controlled by connecting a DC / AC conversion circuit or a DC / DC conversion circuit between the first power line X1 and the second power line X2 of the power supply system 200.

図9は、電源システム200に対する制御状態を示す。図10は、電源システム200における各制御状態(状態a,状態b)における第1のリアクトル10b及び第2のリアクトル12bに流れるリアクトル電流I1,I2の変化を示す。   FIG. 9 shows a control state for the power supply system 200. FIG. 10 shows changes in reactor currents I1 and I2 flowing through first reactor 10b and second reactor 12b in each control state (state a and state b) in power supply system 200.

状態aでは、第1スイッチ20a、第3スイッチ24a及び第4スイッチ26aがオン状態であり、第2スイッチ22aがオフ状態である(時刻t1)。状態bでは、第2スイッチ22aがオン状態とされ、第4スイッチ26aがオフ状態とされる(時刻t2)。その後、第4スイッチ26aがオン状態とされ、第2スイッチ22aがオフ状態とされて状態aに戻る(時刻t3)。このように1周期の制御が行われ、2つの直流電源の電圧が昇圧されて負荷202に供給される。   In the state a, the first switch 20a, the third switch 24a, and the fourth switch 26a are in the on state, and the second switch 22a is in the off state (time t1). In the state b, the second switch 22a is turned on, and the fourth switch 26a is turned off (time t2). Thereafter, the fourth switch 26a is turned on, the second switch 22a is turned off, and the state returns to the state a (time t3). In this way, one cycle of control is performed, and the voltages of the two DC power supplies are boosted and supplied to the load 202.

本変形例においても、上記実施の形態における電源システム100と同様に、従来の制御を適用した場合に比べて電源システム200全体の損失を低減できる。   Also in the present modification, as in the power supply system 100 in the above embodiment, the loss of the entire power supply system 200 can be reduced as compared with the case where conventional control is applied.

10a 第1の直流電源、10b 第1のリアクトル、12a 第2の直流電源、12b 第2のリアクトル、14 第1電力変換器、14a 上アーム、14b 下アーム、14d 上アーム側スイッチング素子、14e 帰還ダイオード、14f 下アーム側スイッチング素子、14g 帰還ダイオード、16 第2電力変換器、16a 上アーム、16b 下アーム、16d 上アーム側スイッチング素子、16e 帰還ダイオード、16f 下アーム側スイッチング素子、16g 帰還ダイオード、18 連結素子、20a 第1スイッチ、22a 第2スイッチ、24a 第3スイッチ、26a 第4スイッチ、100 電源システム、102 負荷、104 交流変換回路、200 電源システム、202 負荷、300 電源システム、302 負荷、400 電源システム、402 負荷。   10a 1st DC power supply, 10b 1st reactor, 12a 2nd DC power supply, 12b 2nd reactor, 14 1st power converter, 14a upper arm, 14b lower arm, 14d upper arm side switching element, 14e feedback Diode, 14f lower arm side switching element, 14g feedback diode, 16 second power converter, 16a upper arm, 16b lower arm, 16d upper arm side switching element, 16e feedback diode, 16f lower arm side switching element, 16g feedback diode, 18 connecting element, 20a 1st switch, 22a 2nd switch, 24a 3rd switch, 26a 4th switch, 100 power supply system, 102 load, 104 AC conversion circuit, 200 power supply system, 202 load, 300 power supply system, 302 negative , 400 power system, 402 loads.

Claims (2)

第1の直流電源と、前記第1の直流電源に直列に接続された第1のリアクトルと、
第2の直流電源と、前記第2の直流電源に直列に接続された第2のリアクトルと、
前記第1の直流電源及び前記第2の直流電源からの直流電圧の電圧変換を行う複数のスイッチング素子を備えた電力変換器と、
を備え、
前記電力変換器は、
前記第1の直流電源と前記第1のリアクトルが負荷を介さずに閉回路を形成すると共に、前記第2の直流電源と前記第2のリアクトルが負荷を介して閉回路を形成するように前記複数のスイッチング素子が制御される第1の制御状態と、
前記第1の直流電源と前記第1のリアクトルが負荷を介して閉回路を形成すると共に、前記第2の直流電源と前記第2のリアクトルが負荷を介さずに閉回路を形成するように前記複数のスイッチング素子が制御される第2の制御状態と、
に制御され、
前記第1の制御状態と前記第2の制御状態において、前記第1のリアクトルを流れる電流経路と前記第2のリアクトルを流れる電流経路とに共通のスイッチング素子を備え、
前記第1の制御状態と前記第2の制御状態とを時比率で切り替えることで、出力電圧を前記第1の直流電源と前記第2の直流電源の和電圧となるように制御することを特徴とする電源システム。
A first DC power source, and a first reactor connected in series to the first DC power source;
A second DC power supply; a second reactor connected in series to the second DC power supply;
A power converter comprising a plurality of switching elements for performing voltage conversion of a DC voltage from the first DC power supply and the second DC power supply;
With
The power converter is
The first DC power source and the first reactor form a closed circuit without passing through a load, and the second DC power source and the second reactor form a closed circuit through a load. A first control state in which a plurality of switching elements are controlled;
The first DC power source and the first reactor form a closed circuit via a load, and the second DC power source and the second reactor form a closed circuit without a load. A second control state in which a plurality of switching elements are controlled;
Controlled by
In the first control state and the second control state, a common switching element is provided for a current path flowing through the first reactor and a current path flowing through the second reactor,
By switching between the first control state and the second control state at a time ratio, the output voltage is controlled to be the sum voltage of the first DC power source and the second DC power source. And power system.
請求項1に記載の電源システムであって、
前記電力変換器は、
前記第1の直流電源に対して設けられ、前記第1の直流電源と前記負荷との間の電力変換を行う少なくとも1つのスイッチング素子を備えた第1電力変換部と、
前記第2の直流電源に対して設けられ、前記第2の直流電源と前記負荷との間の電力変換を行う少なくとも1つのスイッチング素子を備えた第2電力変換部と、
前記第1電力変換部と前記第2電力変換部との間の電流方向を規制する連結素子と、
を備えることを特徴とする電源システム。
The power supply system according to claim 1,
The power converter is
A first power conversion unit provided with respect to the first DC power supply, the power conversion unit including at least one switching element that performs power conversion between the first DC power supply and the load;
A second power conversion unit provided with respect to the second DC power supply, and including at least one switching element that performs power conversion between the second DC power supply and the load;
A coupling element that regulates a current direction between the first power conversion unit and the second power conversion unit;
A power supply system comprising:
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