JP2019103257A - Power conversion system and control method of the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換システムの構造とその制御に係り、特に、風力発電や鉄道システム等に搭載される大容量の電力変換システムに適用して有効な技術に関する。 The present invention relates to the structure of a power conversion system and its control, and more particularly to a technology effectively applied to a large capacity power conversion system mounted on wind power generation, a railway system or the like.
従来知られている直流電圧を変換する電力変換システムは、入力された直流電圧をインバータ回路によって交流電圧に変換し、高周波変圧器を用いてこれを変圧し、整流回路によってこれを直流電圧に変換して出力するシステムである。 The power conversion system known in the prior art converts an input DC voltage into an AC voltage by an inverter circuit, transforms this into a DC voltage using a high frequency transformer, and converts the DC voltage by a rectifier circuit. Output system.
このような用途の電力変換システムはDC−DCコンバータとも呼ばれる。扱う電力が大きい場合には、インバータ回路としてフルブリッジ回路が用いられることが一般的である。フルブリッジ回路を構成するスイッチング素子は、スイッチングの度にスイッチング損失が発生するため、効率が悪かった。 Power conversion systems for such applications are also called DC-DC converters. When the power to be handled is large, a full bridge circuit is generally used as an inverter circuit. The switching elements constituting the full bridge circuit are inefficient because switching loss occurs at each switching.
そこで、スイッチング損失を低減し効率の改善を図ったDC−DCコンバータが特許文献1に開示されている。電圧共振または電流共振の誘因となる共振用コンデンサ、共振用リアクトルをフルブリッジ回路に接続することで、高周波変圧器の1次巻線の両端電圧波形、または1次巻線を流れる電流波形の全部または一部を共振により正弦波状に変化させ、ゼロ電圧スイッチング、またはゼロ電流スイッチングを実現する。このような共振を誘発する受動部品を適用したDC−DCコンバータを一般に共振型DC−DCコンバータと呼ぶ。
Therefore,
また、特許文献2には、このような共振用受動部品がなくとも、スイッチング素子のターンオフ時にゼロ電圧スイッチングを実現できる技術が開示されている。これによれば、スイッチング素子に並列に接続されたスナバコンデンサと、スナバコンデンサの電圧を観測するための手段が必要とされている。
Further,
従来のDC−DCコンバータの定格容量は最大でもせいぜい十kW程度であり、百kWを超えるような大容量DC−DCコンバータに対して従来技術が有効であるとは限らない。損失低減の観点から、一般にDC−DCコンバータの定格容量と駆動周波数は反比例関係にある。すなわち、大容量のDC−DCコンバータを実現するためには駆動周波数を低くする必要がある。定格容量が大きく、駆動周波数が低い場合には、上記特許文献1や特許文献2に開示されているような共振用コンデンサ、共振用リアクトル、スナバコンデンサの分の体積、重量、コストが増大し、DC−DCコンバータの小型化、低コスト化には不利である。
The rated capacity of the conventional DC-DC converter is at most about 10 kW at most, and the prior art is not always effective for a large-capacity DC-DC converter exceeding 100 kW. From the viewpoint of loss reduction, the rated capacity of the DC-DC converter and the drive frequency are generally in inverse proportion to each other. That is, in order to realize a large capacity DC-DC converter, it is necessary to lower the driving frequency. When the rated capacity is large and the driving frequency is low, the volume, weight and cost of the resonance capacitor, the resonance reactor and the snubber capacitor as disclosed in
そこで、本発明の目的は、共振用コンデンサや共振用リアクトル、スナバコンデンサなどの受動部品を追加することなく、スイッチング損失を抑制可能な高効率の電力変換システムとその制御方法を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a highly efficient power conversion system capable of suppressing switching loss without adding passive components such as a resonance capacitor, a resonance reactor, and a snubber capacitor, and a control method thereof. .
上記課題を解決するために、本発明は、入力された直流電圧を交流電圧に変換する第1のブリッジ回路と、前記第1のブリッジ回路で変換された交流電圧を変圧する高周波変圧器と、前記高周波変圧器を介して前記第1のブリッジ回路と磁気的に結合され、前記高周波変圧器で変圧された交流電圧を直流電圧に変換する第2のブリッジ回路と、前記第1のブリッジ回路および前記第2のブリッジ回路の少なくともいずれか一方の動作を制御する制御手段と、を備え、前記高周波変圧器は、前記第1のブリッジ回路に接続される1次巻線と、前記第2のブリッジ回路に接続される2次巻線と、前記1次巻線および前記2次巻線が巻き回される鉄心と、を有し、前記1次巻線および前記2次巻線は、互いに対向して配置されるよう前記鉄心の周囲に交互に巻き回されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a first bridge circuit that converts an input DC voltage into an AC voltage, and a high frequency transformer that transforms the AC voltage converted by the first bridge circuit. A second bridge circuit magnetically coupled to the first bridge circuit via the high frequency transformer and converting an alternating voltage transformed by the high frequency transformer into a direct current voltage; and the first bridge circuit; Control means for controlling the operation of at least one of the second bridge circuit, the high frequency transformer being a primary winding connected to the first bridge circuit, and the second bridge The secondary winding connected to the circuit, and the iron core around which the primary winding and the secondary winding are wound, the primary winding and the secondary winding face each other Around the iron core to be placed Characterized in that it is wound alternately.
また、本発明は、上記に記載の電力変換システムであって、前記第1のブリッジ回路は、第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子が直列に接続された第1のスイッチングレッグと、第3のスイッチング素子と第4のスイッチング素子が直列に接続され、前記第1のスイッチングレッグと並列に接続された第2のスイッチングレッグと、で構成され、前記第1のスイッチングレッグの両端間および前記第2のスイッチングレッグの両端間を第1の直流端子間とし、前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子の接続点および前記第3のスイッチング素子と前記第4のスイッチング素子の接続点との間を第1の交流端子間とするブリッジ回路であり、前記第1の直流端子間に接続される第1の平滑コンデンサと、前記第1のスイッチング素子、前記第2のスイッチング素子、前記第3のスイッチング素子、前記第4のスイッチング素子のそれぞれに並列に接続される出力容量と逆並列に接続されるダイオードと、を有し、前記第1の交流端子間に前記1次巻線が接続されていることを特徴とする。 Also, the present invention is the power conversion system described above, wherein the first bridge circuit includes a first switching leg in which a first switching element and a second switching element are connected in series; Three switching elements and a fourth switching element connected in series, and a second switching leg connected in parallel with the first switching leg, and between the two ends of the first switching leg and the second switching leg Between both ends of the second switching leg is a first DC terminal, and a connection point of the first switching element and the second switching element and a connection point of the third switching element and the fourth switching element And a first smoothing capacitor connected between the first DC terminals, and a first smoothing capacitor connected between the first DC terminals, A second switching element, a third switching element, and a diode connected in anti-parallel with an output capacitance connected in parallel to each of the fourth switching element; It is characterized in that the primary winding is connected between alternating current terminals of one.
また、本発明は、上記に記載の電力変換システムを制御する電力変換システムの制御方法であって、前記第2のスイッチング素子をオンした後、遅れて前記第4のスイッチング素子をオフし、前記第1のスイッチング素子をオンした後、遅れて前記第3のスイッチング素子をオフすることを特徴とする。 The present invention is the control method of a power conversion system for controlling the power conversion system described above, wherein the fourth switching element is turned off after the second switching element is turned on, and the fourth switching element is turned off. After turning on the first switching element, the third switching element is turned off later.
また、本発明は、上記に記載の電力変換システムを制御する電力変換システムの制御方法であって、前記第2のスイッチング素子をオンするとともに、前記第4のスイッチング素子を同期してオフし、前記第1のスイッチング素子をオンするとともに、前記第3のスイッチング素子を同期してオフすることを特徴とする。 Further, according to the present invention, in the power conversion system control method for controlling the power conversion system described above, the second switching element is turned on, and the fourth switching element is turned off synchronously. The first switching element is turned on, and the third switching element is turned off synchronously.
本発明によれば、共振用コンデンサや共振用リアクトル、スナバコンデンサなどの受動部品を追加することなく、スイッチング損失を抑制可能な高効率の電力変換システムとその制御方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a highly efficient power conversion system capable of suppressing switching loss and a control method therefor without adding passive components such as a resonant capacitor, a resonant reactor, and a snubber capacitor.
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明によって明らかにされる。 Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the description of the embodiments below.
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において、同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and detailed descriptions of overlapping components are omitted.
図1から図16を参照して、実施例1の電力変換システムとその制御方法について説明する。 The power conversion system of the first embodiment and a control method thereof will be described with reference to FIGS. 1 to 16.
図1は本発明の実施例1による電力変換システム1の回路構成図である。本実施例の電力変換システム1は、図1に示すように、入力電圧Vinを昇圧または降圧して出力電圧Voutを出力する。なお、入力電圧Vinは直流電圧を出力する他の電力変換システムの出力と置き換えても良い。
FIG. 1 is a circuit diagram of a
図1において、フルブリッジ回路11の直流端子A−A’間には、平滑コンデンサCinが接続されるとともに、入力電圧Vinが印加されている。フルブリッジ回路11の交流端子B−B’間、整流回路21の交流端子C−C’間にはそれぞれ高周波変圧器T1の1次巻線W1、2次巻線W2が接続される。
In FIG. 1, a smoothing capacitor Cin is connected between the DC terminals A and A 'of the full bridge circuit 11, and an input voltage Vin is applied. The primary winding W1 and the secondary winding W2 of the high-frequency transformer T1 are connected between the AC terminals B-B 'of the full bridge circuit 11 and between the AC terminals C-C' of the
高周波変圧器T1は1次巻線W1と2次巻線W2の巻数比に応じて、交流端子B−B’間電圧を変圧して交流端子C−C’間に出力する。フルブリッジ回路11は、第1、第2のスイッチング素子S1、S2を直列接続した第1のスイッチングレッグ12と、第3、第4のスイッチング素子S3、S4を直列接続した第2のスイッチングレッグ13とで構成される。
The high frequency transformer T1 transforms the voltage between the AC terminals B and B 'according to the turns ratio of the primary winding W1 and the secondary winding W2 and outputs the voltage between the AC terminals C and C'. The full bridge circuit 11 includes a
スイッチング素子S1〜S4には、それぞれ逆並列ダイオードD1〜D4が接続されている。ここで、図1では一例としてスイッチング素子S1〜S4はIGBTとしている。また、スイッチング素子S1〜S4は出力容量C1〜C4を有している。出力容量C1〜C4はそれぞれスイッチング素子S1〜S4と並列に接続された形で表される。高周波変圧器T1の1次巻線W1には漏れインダクタンスL1が存在する。漏れインダクタンスL1は回路図中ではフルブリッジ回路11の交流端子B−B’間と1次巻線W1との間に挿入される。 Antiparallel diodes D1 to D4 are connected to the switching elements S1 to S4, respectively. Here, in FIG. 1, the switching elements S1 to S4 are IGBTs as an example. The switching elements S1 to S4 have output capacitances C1 to C4. The output capacitances C1 to C4 are represented in a form connected in parallel with the switching elements S1 to S4, respectively. A leakage inductance L1 is present in the primary winding W1 of the high frequency transformer T1. The leakage inductance L1 is inserted between the AC terminals B and B 'of the full bridge circuit 11 and the primary winding W1 in the circuit diagram.
整流回路21はダイオードD5、D6を直列接続した第1のダイオードレッグ22と、ダイオードD7、D8を直列接続し、かつ第1のダイオードレッグ22に並列に接続された第2のダイオードレッグ23と、平滑リアクトルL2と、平滑コンデンサCoutとで構成される。平滑リアクトルL2の一端は第1のダイオードレッグ22の一端および第2のダイオードレッグ23の一端と接続される。平滑リアクトルL2の他端は平滑コンデンサCoutの一端と接続される。第1のダイオードレッグ22の他端および第2のダイオードレッグ23の他端は平滑コンデンサCoutの他端と接続される。ダイオードD5、D6の接続点である交流端子Cは2次巻線W2の一端に、ダイオードD7、D8の接続点である交流端子C’は2次巻線W2の他端にそれぞれ接続される。
The
整流回路21をこのような構成にすることで逆耐電圧の小さいダイオードを使用することができる。このような構成は出力電圧が高い場合に好適である。なお、電力変換システム1の出力が送電線のような大きなインダクタンス成分と接続される場合や、電力変換システム1が後述するように双方向に電力を融通する場合には、平滑リアクトルL2を省略できる場合がある。
With such a configuration of the
制御手段31は電力変換システム1が所望の動作を満たすように制御する。図1では一例として出力電圧Voutを制御する場合を示している。制御手段31は、図1では図示していない電圧センサにより出力電圧Voutを観測し、出力電圧Voutが指令値となるようにスイッチング素子S1〜S4に対してゲート駆動信号を送る。なお、制御手段31は出力電圧Voutの制御のみに限定されず、他のどのような制御に対しても有効であり、入力電圧Vinや入力電力、出力電力などを制御することが可能である。
The control means 31 controls the
図2は高周波変圧器T1の構成例を示している。高周波変圧器T1は、主として1次巻線W1と2次巻線W2で構成された巻線体41、鉄心4とで構成される。1次巻線W1、2次巻線W2はそれぞれ鉄心4の脚の周りに巻き回されており、それぞれ磁気的に結合している。このように巻線体41(1次巻線W1および2次巻線W2)の内側に鉄心4を配置する構成は内鉄心と呼ばれ、鉄心重量を小さくできるので高周波変圧器T1を軽量化できる。
FIG. 2 shows a configuration example of the high frequency transformer T1. The high frequency transformer T1 is composed of a winding
さらに、巻線体41を鉄心4の両脚に形成し、第1の配線45により左脚の1次巻線W1の一端と、右脚の1次巻線W1の一端とを電気的に接続する。また、第2の配線46により左脚の2次巻線W2の一端と、右脚の2次巻線W2の一端とを電気的に接続する。左脚の1次巻線W1の他端、右脚の1次巻線W1の他端をそれぞれ交流端子B、B’とし、左脚の2次巻線W2の他端、右脚の2次巻線W2の他端をそれぞれ交流端子C、C’とする。
Furthermore, the winding
このような構成とすることで、高周波変圧器T1は対称構造となり、設置性が良い。また、巻線体41を1つとするよりも、2つとすることにより1次巻線W1、2次巻線W2のそれぞれの総周長を短くすることができるため、巻線損失を低減することができる。
With such a configuration, the high frequency transformer T1 has a symmetrical structure and is easy to install. In addition, since it is possible to shorten the total circumferential length of each of the primary winding W1 and the secondary winding W2 by setting the number of winding
図3Aおよび図3Bにそれぞれ巻線体41のX−X’水平断面図、Y−Y’垂直断面図の一例を示す。なお、X−X’およびY−Y’は図2中の右脚の巻線体41に示されているが、左脚の巻線体41も同様の断面を持つと考えてよい。
FIGS. 3A and 3B show an example of the X-X 'horizontal sectional view and the Y-Y' vertical sectional view of the winding
図3A、図3Bにおいて、1次巻線W1、2次巻線W2は薄い板状の導電体である。これらの薄い板状の導電体の材質は例えば銅や銅を含む合金が好適であるが、この限りではない。図3Aに示すように、1次巻線W1の最大面積面と2次巻線W2の最大面積面は、互いに対向している。この1次巻線W1、2次巻線W2の対である巻線対42は、その最大面積面の鉛直方向が径方向となるように鉄心4の脚の周りに巻き回されて構成される。2次巻線W2を流れる電流方向は、1次巻線W1を流れる電流と反対方向であり、図3Bでは1次巻線W1の電流は紙面の表側から裏側へ、2次巻線W2の電流は紙面の裏側から表側へとそれぞれ流れている例を示している。
In FIGS. 3A and 3B, primary windings W1 and W2 are thin plate-like conductors. The material of these thin plate-like conductors is preferably copper or an alloy containing copper, but not limited thereto. As shown in FIG. 3A, the largest area plane of the primary winding W1 and the largest area plane of the secondary winding W2 are opposed to each other. The winding
1次巻線W1、2次巻線W2を薄い板状の導電体で構成することで、高周波域で顕著となる表皮効果を抑制し、高周波域での巻線抵抗を小さくすることで、巻線損失を低減できる。さらに、薄い板状の1次巻線W1、2次巻線W2を対向させた配置とすることで、高周波域で顕著となる近接効果を抑制し、高周波域の巻線抵抗をさらに小さくすることができる。加えて、このような構成は漏れインダクタンスを低減する効果もある。 By configuring the primary winding W1 and the secondary winding W2 with a thin plate-like conductor, the skin effect that is noticeable in the high frequency range is suppressed, and the winding resistance in the high frequency range is reduced. Line loss can be reduced. Further, by arranging the thin plate-like primary windings W1 and W2 to be opposed to each other, the proximity effect that is noticeable in a high frequency region is suppressed, and the winding resistance in a high frequency region is further reduced. Can. In addition, such an arrangement also has the effect of reducing the leakage inductance.
図4に本実施例の巻線体41のY−Y’垂直断面図(図3B)の比較例を示す。図4に示す巻線体41は、まず1次巻線W1を鉄心4の脚の周りに巻き回し、次に2次巻線W2を1次巻線W1の外側に巻き回すことで構成される。このような構成では、1次巻線W1と2次巻線W2との間を除いて、隣接する巻線の電流方向は同一となるため、その電流が流れることによって発生する磁界は同一方向に広がり、漏れインダクタンスL1は大きくなる。
The comparative example of Y-Y 'perpendicular | vertical sectional drawing (FIG. 3B) of the winding
これに対して図3Bに示す本実施例に係る巻線体41では、隣接する巻線の電流方向は互い違いになっているため、その電流が流れることによって発生する磁界は互いに打ち消しあう関係にある。これにより漏れインダクタンスL1を小さくすることができる。
On the other hand, in the winding
本願発明者らの試作評価の結果、図3A、図3Bに示す巻線構成における漏れインダクタンスは、図4に示す巻線構成における漏れインダクタンスに比べて約1/15倍になった。このことから、巻線構成の違いが漏れインダクタンス値に与える影響は明らかである。 As a result of the trial evaluation by the inventors of the present application, the leakage inductance in the winding configuration shown in FIGS. 3A and 3B is about 1/15 times as large as the leakage inductance in the winding configuration shown in FIG. From this, it is clear that the difference in the winding configuration has an influence on the leakage inductance value.
なお、図3A、図3Bでは1次巻線W1と二次巻線W2が全範囲に渡って対向する例を想定して説明しているが、1次巻線W1と二次巻線W2は必ずしも全部の領域において対向している必要はない。対向している領域が大きいほど漏れインダクタンスを低減する効果が増すが、1次巻線W1と二次巻線W2の一部を対向させることにより、高周波変圧器T1の形状や体積・重量の設計自由度を増すことができる。 Although FIGS. 3A and 3B are described on the assumption that the primary winding W1 and the secondary winding W2 face each other over the entire range, the primary winding W1 and the secondary winding W2 are the same. It is not necessary to be opposite in all areas. The larger the facing area, the greater the effect of reducing the leakage inductance. However, by making the primary winding W1 and part of the secondary winding W2 opposite, the shape, volume and weight of the high-frequency transformer T1 are designed. You can increase your freedom.
1次巻線W1と2次巻線W2を対向配置させることにより低減する漏れインダクタンスL1が、電力変換器1の損失に与える影響を説明する。なお、以下の説明において、オン状態のスイッチング素子の電圧またはそのスイッチング素子と並列に接続された逆並列ダイオードの順方向降下電圧と同等程度かそれ以下の電圧をゼロ電圧と呼称し、スイッチング素子に印加された電圧がゼロ電圧の状態でこのスイッチング素子のオンとオフを切り替えることをゼロ電圧スイッチングと呼称する。
The influence of the leakage inductance L1 which is reduced by arranging the primary winding W1 and the secondary winding W2 opposite to each other to the loss of the
また、スイッチング素子に印加された電圧がゼロ電圧でないにしても、低電圧に抑えられスイッチング損失の低減が見込まれる場合には不完全ゼロ電圧スイッチングと呼称する。電流についても同様に、オフ状態のスイッチング素子のドレイン−ソース電流またはそのスイッチング素子と並列に接続された逆並列ダイオードの逆方向電流と同等程度かそれ以下の電流をゼロ電流と呼称し、スイッチング素子を流れる電流がゼロ電流の状態でこのスイッチング素子のオンとオフを切り替えることをゼロ電流スイッチングと呼称する。 In addition, even if the voltage applied to the switching element is not zero voltage, when the voltage is suppressed to a low voltage and a reduction in switching loss is expected, it is referred to as incomplete zero voltage switching. Similarly, with respect to the current, a current equal to or less than the drain-source current of the switching element in the off state or the reverse current of the antiparallel diode connected in parallel with the switching element is referred to as a zero current. The switching on and off of the switching element in a state where the current flowing through the switching element is zero current is referred to as zero current switching.
図5から図16を用いて、電力変換システム1の回路動作(制御方法)を説明する。図5は電力変換システム1の回路動作を説明する電圧・電流波形図である。図5の上から下にかけて、S1〜S4のゲート−ソース電圧、1次巻線両端電圧および電流、S1〜S4のドレイン−ソース電圧および電流を示している。
The circuit operation (control method) of the
S1〜S4ゲート−ソース電圧はそれぞれ制御手段31がスイッチング素子S1〜S4へ駆動信号を出力し、その結果、スイッチング素子S1〜S4のゲート−ソース間に発生する電圧である。スイッチング素子S1〜S4は、スイッチング素子S1〜S4へ出力する駆動信号波形がハイとなったときにオンされ、Lowとなったときにオフされるものである。 The S1-S4 gate-source voltage is a voltage generated between the gate-source of the switching elements S1-S4 as the control means 31 outputs a drive signal to the switching elements S1-S4. The switching elements S1 to S4 are turned on when the drive signal waveforms output to the switching elements S1 to S4 become high, and are turned off when the driving signal waveform becomes low.
1次巻線両端電圧および電流は、図1中の端子B−B’間に発生する電圧および端子Bを基点として漏れインダクタンスL1、1次巻線W1を介して端子B’へと流れる電流である。1次巻線電流は、端子Bを基点として漏れインダクタンスL1、1次巻線W1を介して端子B’へと流れる方向を正とする。S1〜S4のドレイン−ソース電圧および電流はスイッチング素子S1〜S4のドレイン−ソース電圧および電流である。ドレイン−ソース電流は、ドレインからソースへと流れる方向を正とする。なお、図5において各点線で区切った期間(1)〜(8)は以下で説明する(モード1)〜(モード8)にそれぞれ対応している。 The voltage and current across the primary winding are the voltage generated between the terminals B and B 'in FIG. 1 and the current flowing from the terminal B to the terminal B' through the leakage inductance L1 and the primary winding W1. is there. With respect to the primary winding current, a direction flowing from the terminal B as a base point to the terminal B 'through the leakage inductance L1 and the primary winding W1 is positive. The drain-source voltages and currents of S1 to S4 are drain-source voltages and currents of the switching elements S1 to S4. The drain-source current has a positive flow direction from the drain to the source. Periods (1) to (8) divided by dotted lines in FIG. 5 respectively correspond to (mode 1) to (mode 8) described below.
図6から図16に、(モード1)〜(モード8)に対応する電力変換システム1の電流経路を示す。なお、図6、図7、および図9〜図16では(モード1)〜(モード8)の説明上必要な構成のみを示し、説明が不要である部分についてはその記載を省略する。また、(モード5)〜(モード8)はそれぞれ(モード1)〜(モード4)と双対の関係にある。すなわち(モード1)〜(モード4)におけるスイッチング素子S4がスイッチング素子S3に、(モード1)〜(モード4)におけるスイッチング素子S1がスイッチング素子S2に、それぞれ対応する。
6 to 16 show current paths of the
(モード1)
図6は図5に示す期間(1)における回路動作(モード1)を説明する回路図である。(モード1)は後述する(モード8)の次のモードである。スイッチング素子S2、S3はオフであり、スイッチング素子S1はオンの状態である。この状態において、スイッチング素子S4をターンオンする。(モード8)において、S4ドレイン−ソース電流はゼロ電流であるため、スイッチング素子S4のターンオンはゼロ電流スイッチングとなる。スイッチング素子S4をターンオンすることにより、スイッチング素子S1、S4がオン状態となるので、1次巻線W1にVinが印加され、1次巻線W1を流れる電流が正の方向に増大する。
(Mode 1)
FIG. 6 is a circuit diagram for explaining the circuit operation (mode 1) in period (1) shown in FIG. The (mode 1) is a mode following the (mode 8) described later. The switching elements S2 and S3 are off, and the switching element S1 is on. In this state, the switching element S4 is turned on. In (Mode 8), since the S4 drain-source current is zero current, turning on of the switching element S4 is zero current switching. Since the switching elements S1 and S4 are turned on by turning on the switching element S4, Vin is applied to the primary winding W1, and the current flowing through the primary winding W1 increases in the positive direction.
(モード2)
(モード2)では、スイッチング素子S1をターンオフする。(モード2)は次に説明する(モード2−1)と(モード2−2)に分けられる。
(Mode 2)
In (mode 2), the switching element S1 is turned off. The (mode 2) is divided into (mode 2-1) and (mode 2-2) described below.
(モード2−1)
図7は図5に示す期間(2)における回路動作(モード2)のうち、前半の(モード2−1)を説明する回路図である。スイッチング素子S1をターンオフすると、S1ドレイン−ソース電流は急速に減衰する。一方、先に説明した巻線構成により漏れインダクタンスL1は小さいため、スイッチング素子S1をターンオフすると1次巻線電流も急速に減衰する。
(Mode 2-1)
FIG. 7 is a circuit diagram for explaining the first half (mode 2-1) of the circuit operation (mode 2) in the period (2) shown in FIG. When the switching element S1 is turned off, the S1 drain-source current decays rapidly. On the other hand, since the leakage inductance L1 is small due to the above-described winding configuration, the primary winding current is also rapidly attenuated when the switching element S1 is turned off.
この時の1次巻線電流とS1ドレイン−ソース電流の関係を図8に示す。1次巻線電流の方がS1ドレイン−ソース電流よりも大きい。その差分は、スイッチング素子S2の出力容量C2からの放電電流である。このため、S2ドレイン−ソース電圧は低下する。S1ドレイン−ソース電圧とS2ドレイン−ソース電圧の和は入力電圧Vinであり、入力電圧Vinは一定と考えて良いので、S2ドレイン−ソース電圧が低下した分だけS1ドレイン−ソース電圧は上昇する。 The relationship between the primary winding current and the S1 drain-source current at this time is shown in FIG. The primary winding current is larger than the S1 drain-source current. The difference is the discharge current from the output capacitance C2 of the switching element S2. For this reason, the S2 drain-source voltage decreases. The sum of the S1 drain-source voltage and the S2 drain-source voltage is the input voltage Vin, and the input voltage Vin can be considered constant, so the S1 drain-source voltage rises by the amount of the decrease in the S2 drain-source voltage.
すなわち、出力容量C2の放電と同時に出力容量C1は充電されている。スイッチング素子S1はIGBTであるため、ターンオフしても暫くの間テール電流が流れ続ける。一方、漏れインダクタンスL1が小さいために1次巻線電流の減衰は進行する。そのため、図8に示すように、1次巻線電流がS1ドレイン−ソース電流よりも小さくなる。1次巻線電流がS1ドレイン−ソース電流よりも小さくなると、(モード2−2)に移行する。 That is, at the same time as the discharge of the output capacity C2, the output capacity C1 is charged. Since the switching element S1 is an IGBT, tail current continues to flow for a while even after the turning off. On the other hand, the attenuation of the primary winding current proceeds because the leakage inductance L1 is small. Therefore, as shown in FIG. 8, the primary winding current is smaller than the S1 drain-source current. When the primary winding current becomes smaller than the S1 drain-source current, transition to (mode 2-2) is made.
(モード2−2)
図9は図5に示す期間(2)における回路動作(モード2)のうち、後半の(モード2−2)を説明する回路図である。1次巻線電流がS1ドレイン−ソース電流よりも小さくなると、出力容量C1の充電、および出力容量C2の放電は停止し、反対に出力容量C1は放電、出力容量C2は充電される。これによりS1ドレイン−ソース電圧は低下してほぼゼロとなり、S2ドレイン−ソース電圧は上昇してVinとほぼ等しくなる。やがて、スイッチング素子S1のテール電流が終了してS1ドレイン−ソース電流はゼロになるとともに、漏れインダクタンスL1が蓄えていたエネルギーもほぼゼロとなるため、1次巻線電流はほぼゼロとなる。
(Mode 2-2)
FIG. 9 is a circuit diagram for explaining the second half (mode 2-2) of the circuit operation (mode 2) in the period (2) shown in FIG. When the primary winding current becomes smaller than the S1 drain-source current, charging of the output capacitance C1 and discharging of the output capacitance C2 are stopped, and conversely, the output capacitance C1 is discharged and the output capacitance C2 is charged. This causes the S1 drain-to-source voltage to drop to near zero and the S2 drain-to-source voltage to rise to be approximately equal to Vin. Eventually, the tail current of the switching element S1 ends and the S1 drain-source current becomes zero, and the energy stored in the leakage inductance L1 also becomes almost zero, so the primary winding current becomes almost zero.
以上に説明したように、(モード2−1)で出力容量C1の充電が十分になされず、(モード2−2)で出力容量C1が放電されるなか、スイッチング素子S1のターンオフが実行されるため、スイッチング素子S1は不完全ゼロ電圧スイッチングとなるものの、そのスイッチング損失は通常のスイッチング時に比べて大幅に低減される。 As described above, the output capacitor C1 is not sufficiently charged in (mode 2-1), and the switching element S1 is turned off while the output capacitor C1 is discharged in (mode 2-2). Therefore, although switching element S1 becomes imperfect zero voltage switching, the switching loss is reduced significantly compared with the time of normal switching.
(モード3)
図10は図5に示す期間(3)における回路動作(モード3)を説明する回路図である。(モード3)では、スイッチング素子S2をターンオンする。この時スイッチング素子S2、S4がオン状態である。(モード2−2)で既に1次巻線電流はゼロであるため、スイッチング素子S2はほぼゼロ電流スイッチングとみなせる。スイッチング素子S2がターンオンすることにより、出力容量C2が放電されるため、S2ドレイン−ソース電圧は低下し、ゼロ電圧となる。また、出力容量C1が充電されるため、S1ドレイン−ソース電圧は上昇し入力電圧Vinとほぼ等しくなる。出力容量C2の放電、および出力容量C1の充電が完了すると、S2ドレイン−ソース電流、S1ドレイン−ソース電流はゼロ電流となる。
(Mode 3)
FIG. 10 is a circuit diagram for explaining the circuit operation (mode 3) in period (3) shown in FIG. In (mode 3), the switching element S2 is turned on. At this time, the switching elements S2 and S4 are in the on state. Since the primary winding current is already zero in (mode 2-2), the switching element S2 can be regarded as almost zero current switching. Since the output capacitance C2 is discharged by turning on the switching element S2, the S2 drain-source voltage decreases and becomes a zero voltage. Also, since the output capacitance C1 is charged, the S1 drain-source voltage rises and becomes approximately equal to the input voltage Vin. When the discharge of the output capacitance C2 and the charging of the output capacitance C1 are completed, the S2 drain-source current and the S1 drain-source current become zero current.
(モード4)
図11は図5に示す期間(4)における回路動作(モード4)を説明する回路図である。(モード4)では、スイッチング素子S4をターンオフする。S4ドレイン−ソース電流はほぼゼロとみなせるため、S4はゼロ電流スイッチングである。回路内を循環するわずかな電流により、出力容量C4は徐々に充電されS4ドレイン−ソース電圧はわずかに上昇する。また、同時に出力容量C3は徐々に放電されS3ドレイン−ソース電圧はわずかに低下する。
(Mode 4)
FIG. 11 is a circuit diagram for explaining the circuit operation (mode 4) in period (4) shown in FIG. In (mode 4), the switching element S4 is turned off. Since S4 drain-source current can be regarded as almost zero, S4 is zero current switching. The slight current circulating in the circuit gradually charges the output capacity C4 and slightly raises the S4 drain-source voltage. At the same time, the output capacity C3 is gradually discharged, and the S3 drain-source voltage slightly decreases.
(モード5)
図12は図5に示す期間(5)における回路動作(モード5)を説明する回路図である。スイッチング素子S1、S4はオフであり、スイッチング素子S2はオンの状態である。この状態において、スイッチング素子S3をターンオンする。(モード4)において、S3ドレイン−ソース電流はゼロ電流であるため、スイッチング素子S3のターンオンはゼロ電流スイッチングとなる。スイッチング素子S3をターンオンすることにより、スイッチング素子S2、S3がオン状態となるので、1次巻線W1に−Vinが印加され、1次巻線W1を流れる電流が負の方向に増大する。
(Mode 5)
FIG. 12 is a circuit diagram for explaining the circuit operation (mode 5) in period (5) shown in FIG. The switching elements S1 and S4 are off, and the switching element S2 is on. In this state, switching element S3 is turned on. In (Mode 4), since the S3 drain-source current is zero current, turning on of the switching element S3 is zero current switching. Since the switching elements S2 and S3 are turned on by turning on the switching element S3, -Vin is applied to the primary winding W1, and the current flowing through the primary winding W1 increases in the negative direction.
(モード6)
(モード6)では、スイッチング素子S2をターンオフする。(モード6)は(モード2)と同様に次に説明する(モード6−1)と(モード6−2)に分けられる。
(Mode 6)
In (Mode 6), the switching element S2 is turned off. Similarly to (Mode 2), (Mode 6) is divided into (Mode 6-1) and (Mode 6-2) described below.
(モード6−1)
図13は図5に示す期間(6)における回路動作(モード6)のうち、前半の(モード6−1)を説明する回路図である。(モード2)で説明した原理と同様にして、スイッチング素子S2をターンオフすると、S2ドレイン−ソース電流は急速に減衰する。この時、スイッチング素子S2の出力容量C2は充電され、S2ドレイン−ソース電圧は上昇するとともに、スイッチング素子S1の出力容量C1は放電され、S1ドレイン−ソース電圧は低下する。1次巻線電流がS2ドレイン−ソース電流よりも小さくなると、(モード6−2)に移行する。
(Mode 6-1)
FIG. 13 is a circuit diagram for explaining the first half (mode 6-1) of the circuit operation (mode 6) in the period (6) shown in FIG. Similar to the principle described in (Mode 2), when the switching element S2 is turned off, the S2 drain-source current decays rapidly. At this time, the output capacitance C2 of the switching element S2 is charged, the S2 drain-source voltage rises, the output capacitance C1 of the switching element S1 is discharged, and the S1 drain-source voltage drops. When the primary winding current becomes smaller than the S2 drain-source current, transition to (mode 6-2) is made.
(モード6−2)
図14は図5に示す期間(6)における回路動作(モード6)のうち、後半の(モード6−2)を説明する回路図である。1次巻線電流がS2ドレイン−ソース電流よりも小さくなると、出力容量C2の充電、および出力容量C1の放電は停止し、反対に出力容量C2は放電、出力容量C1は充電される。これによりS2ドレイン−ソース電圧は低下してほぼゼロとなり、S1ドレイン−ソース電圧は上昇してVinとほぼ等しくなる。やがて、スイッチング素子S2のテール電流が終了してS2ドレイン−ソース電流はゼロになるとともに、漏れインダクタンスL1が蓄えていたエネルギーもほぼゼロとなるため、1次巻線電流はほぼゼロとなる。
(Mode 6-2)
FIG. 14 is a circuit diagram for explaining the second half (mode 6-2) of the circuit operation (mode 6) in the period (6) shown in FIG. When the primary winding current becomes smaller than the S2 drain-source current, the charging of the output capacitor C2 and the discharging of the output capacitor C1 stop, and conversely, the output capacitor C2 is discharged and the output capacitor C1 is charged. This causes the S2 drain-to-source voltage to drop to near zero and the S1 drain-to-source voltage to rise to be approximately equal to Vin. Eventually, the tail current of the switching element S2 ends and the S2 drain-source current becomes zero, and the energy stored in the leakage inductance L1 also becomes almost zero, so the primary winding current becomes almost zero.
以上に説明したように、(モード6−1)で出力容量C2の充電が十分になされず、(モード6−2)で出力容量C2が放電されるなか、スイッチング素子S2のターンオフが実行されるため、スイッチング素子S2は不完全ゼロ電圧スイッチングとなるものの、そのスイッチング損失は通常のスイッチング時に比べて大幅に低減される。 As described above, the output capacitor C2 is not sufficiently charged in (mode 6-1), and the switching element S2 is turned off while the output capacitor C2 is discharged in (mode 6-2). Thus, although the switching element S2 performs incomplete zero voltage switching, its switching loss is significantly reduced as compared to that during normal switching.
(モード7)
図15は図5に示す期間(7)における回路動作(モード7)を説明する回路図である。(モード7)では、スイッチング素子S1をターンオンする。この時スイッチング素子S1、S3がオン状態である。(モード6−2)で既に1次巻線電流はゼロであるため、スイッチング素子S1はほぼゼロ電流スイッチングとみなせる。スイッチング素子S1がターンオンすることにより、出力容量C1が放電されるため、S1ドレイン−ソース電圧は低下し、ゼロ電圧となる。また、出力容量C2が充電されるため、S2ドレイン−ソース電圧は上昇し入力電圧Vinとほぼ等しくなる。出力容量C1の放電、および出力容量C2の充電が完了すると、S1ドレイン−ソース電流、S2ドレイン−ソース電流はゼロ電流となる。
(Mode 7)
FIG. 15 is a circuit diagram for explaining the circuit operation (mode 7) in period (7) shown in FIG. In (mode 7), the switching element S1 is turned on. At this time, the switching elements S1 and S3 are in the on state. Since the primary winding current is already zero in (mode 6-2), the switching element S1 can be regarded as almost zero current switching. Since the output capacitance C1 is discharged by turning on the switching element S1, the drain-to-source voltage of the S1 drops and becomes a zero voltage. Also, since the output capacitance C2 is charged, the S2 drain-source voltage rises and becomes approximately equal to the input voltage Vin. When the discharge of the output capacitance C1 and the charging of the output capacitance C2 are completed, the S1 drain-source current and the S2 drain-source current become zero current.
(モード8)
図16は図5に示す期間(8)における回路動作(モード8)を説明する回路図である。(モード8)では、スイッチング素子S3をターンオフする。S3ドレイン−ソース電流はほぼゼロとみなせるため、S3はゼロ電流スイッチングである。回路内を循環するわずかな電流により、出力容量C3は徐々に充電されS3ドレイン−ソース電圧はわずかに上昇する。また、同時に出力容量C4は徐々に放電されS4ドレイン−ソース電圧はわずかに低下する。
(Mode 8)
FIG. 16 is a circuit diagram for explaining the circuit operation (mode 8) in period (8) shown in FIG. In (mode 8), the switching element S3 is turned off. S3 is zero current switching since the S3 drain-source current can be considered nearly zero. The slight current circulating in the circuit gradually charges the output capacitance C3 and slightly raises the S3 drain-source voltage. At the same time, the output capacity C4 is gradually discharged and the S4 drain-source voltage is slightly reduced.
以上に説明したとおり、本実施例によれば、上記特許文献1や特許文献2のような従来技術において必要とされている共振用コンデンサ、共振用リアクトル、スナバコンデンサなどの追加の受動部品がなくとも、スイッチング素子S1〜S4のターンオン、ターンオフに係るスイッチングがゼロ電圧スイッチング、不完全ゼロ電圧スイッチング、ゼロ電流スイッチングのいずれかとなるので、スイッチング素子S1〜S4のスイッチング損失を抑制し、高効率な電力変換システムを提供することができる。
As described above, according to this embodiment, there is no additional passive component such as a capacitor for resonance, a reactor for resonance, a snubber capacitor, etc., which are required in the prior art such as
さらに、高効率であるということは、スイッチング素子S1〜S4の放熱性を高めるために設置される放熱手段を簡素化できるため、電力変換システムの小形化、低コスト化、高信頼化が期待できる。 Furthermore, high efficiency can simplify the heat dissipation means installed to enhance the heat dissipation of the switching elements S1 to S4, so that miniaturization, cost reduction, and high reliability of the power conversion system can be expected. .
なお、電力変換システム1の回路動作は以上に説明した(モード1)〜(モード8)とは異なる動作をすることがある。例えば、(モード1)〜(モード8)ではスイッチング素子S1〜S4に並列に接続されているダイオードD1〜D4に電流は流れない。しかし、漏れインダクタンスL1の値、スイッチング素子S1〜S4のスイッチング速度、スイッチング素子S1〜S4の出力容量C1〜C4の値、電力変換システム1の出力側に接続される回路などによっては、ダイオードD1〜D4に電流が流れる場合がある。上記した(モード1)〜(モード8)は本実施例の特徴を端的に説明した一例に過ぎない。
The circuit operation of the
(モード1)〜(モード8)で示したスイッチング素子S1〜S4の駆動方法(制御方法)は、一般に位相シフト方式と呼ばれる。漏れインダクタンスL1の値、スイッチング素子S1〜S4のスイッチング速度、スイッチング素子S1〜S4の出力容量C1〜C4の値、電力変換システム1の出力に接続される回路などにより、位相シフト方式でなくとも同様の効果が期待できる場合がある。従って、本発明の適用範囲は、位相シフト方式に限定されるものではない。
The driving method (control method) of the switching elements S1 to S4 shown in (Mode 1) to (Mode 8) is generally called a phase shift method. Depending on the value of leakage inductance L1, the switching speed of switching elements S1 to S4, the value of output capacitances C1 to C4 of switching elements S1 to S4, the circuit connected to the output of
図17を参照して、実施例2の電力変換システムについて説明する。図17は本実施例による電力変換システム1を構成する高周波変圧器T1の別の巻線構成を示す垂直断面図である。
A power conversion system according to a second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 17 is a vertical sectional view showing another winding configuration of the high frequency transformer T1 constituting the
1次巻線W1、2次巻線W2の断面の形状をそれぞれ矩形とし、1次巻線W1、2次巻線W2の順に1次巻線W1、2次巻線W2を互い違いに配置して巻線層43を形成する。巻線層43の隣には、2次巻線W2、1次巻線W1の順に1次巻線W1、2次巻線W2を互い違いに配置して巻線層44を形成する。つまり、巻線層43および44の垂直断面において、1次巻線W1、2次巻線W2はそれぞれ千鳥状に配置される。巻線層43、巻線層44を対として、鉄心4の脚の周りにこれらを巻き回して高周波変圧器T1を構成する。
The shapes of the cross sections of the primary winding W1 and the secondary winding W2 are respectively rectangular, and the primary winding W1 and the secondary winding W2 are alternately arranged in the order of the primary winding W1 and the secondary winding W2. A winding
言い換えると、1次巻線W1および2次巻線W2は、鉄心4の径方向において互いに対向して配置され、なおかつ、鉄心4の周方向においても互いに対向して配置されている。
In other words, the primary winding W1 and the secondary winding W2 are disposed to face each other in the radial direction of the
このように構成することで、巻線層43の中で1次巻線W1、2次巻線W2は互いに対向配置になるとともに、巻線層43、巻線層44の間でも1次巻線W1、2次巻線W2は対向配置となる。これにより、実施例1で説明した原理と同様に巻線損失を抑制することができる。
With this configuration, the primary winding W1 and the secondary winding W2 in the winding
なお、電力変換システム1が小容量であって高周波変圧器T1を板状の巻線で構成する場合、巻線断面積は小さくすることができるが、巻線形状が薄帯状となり所望の機械的強度を確保できない場合がある。このような場合に巻線の断面積形状を図17のような矩形とすれば、高周波変圧器T1の設計自由度が増し、機械的強度を確保できる。
When the
また、安価で入手可能な巻線の断面形状は円であるのが一般的である。巻線の断面形状が円の場合であっても、以上に説明した配置とすれば同様の効果が期待できる。 Also, the cross-sectional shape of the inexpensive and available winding is generally circular. Even if the cross-sectional shape of the winding is a circle, similar effects can be expected if the arrangement described above is used.
電力変換システム1の定格電力が、例えば10kW以下である場合には、高周波変圧器T1の駆動周波数は10kHzを超える場合が多い。このような場合には、1次巻線W1、2次巻線W2をそれぞれリッツ線とよばれる、表面に電気絶縁を施した細線の集合体で構成しても良い。このようにすることで、表皮効果が抑制され、巻線抵抗をさらに小さくできる。
When the rated power of the
また、電力変換システム1の定格電力が、例えば100kW以上である場合には、高周波変圧器T1の駆動周波数は商用周波数以上の高周波、例えば1kHzとするのがよい。このようにすることで、鉄心4の断面積を小さくでき、高周波変圧器T1の体積を小さくできる。
In addition, when the rated power of the
さらに、鉄心4を薄帯状の磁性材料を複数枚巻回して構成される巻鉄心とすることで、高周波領域で顕著となる渦電流損の発生を抑制でき、高周波変圧器T1の体積を更に小さくできる。このような巻鉄心として、鉄を主成分とするアモルファス構造や微細な結晶構造を有する薄帯状合金が好適であるが、この限りではない。 Furthermore, by making the iron core 4 a wound iron core configured by winding a plurality of thin strip-shaped magnetic materials, generation of eddy current loss that becomes noticeable in a high frequency region can be suppressed, and the volume of the high frequency transformer T1 is further reduced. it can. As such a wound core, although a thin strip alloy having an amorphous structure or a fine crystal structure mainly composed of iron is preferable, it is not limited to this.
高周波変圧器T1を以上に説明したように設計することで、スイッチング損失を抑制し、高効率な電力変換システムを提供することができる。 By designing the high frequency transformer T1 as described above, it is possible to suppress the switching loss and provide a highly efficient power conversion system.
図18を参照して、実施例3の電力変換システムの構成例について説明する。本実施例に係る電力変換システム1は、図1(実施例1)の整流回路21をフルブリッジ回路26に置き換えたものであり、フルブリッジ回路26以外の構成は図1と同等であるため重複する説明は省略する。
A configuration example of the power conversion system of the third embodiment will be described with reference to FIG. The
フルブリッジ回路26は、例えば4つのIGBT等のスイッチング素子S5〜S8、ダイオードD5〜D8、コンデンサCoutで構成される。スイッチング素子S5〜S8の出力容量C5〜C8はスイッチング素子S5〜S8に並列に接続された形で表現される。
The
より具体的には、直列接続した2つの(半導体)スイッチング素子S5、S6のそれぞれにダイオードD5、D6を逆並列に接続した第3のスイッチングレッグ24と、直列接続した2つの(半導体)スイッチング素子S7、S8のそれぞれにダイオードD7、D8を逆並列に接続した第4のスイッチングレッグ25を並列に接続し、両スイッチングレッグの交流端子C、C’はそれぞれ高周波変圧器T1の2次巻線W2の両端に接続される。
More specifically, a third switching leg 24 in which diodes D5 and D6 are connected in antiparallel to two (semiconductor) switching elements S5 and S6 connected in series, and two (semiconductor) switching elements connected in series The
フルブリッジ回路26は、フルブリッジ回路11と同様に制御手段31によりその駆動を制御される。制御対象は任意に設計できる。
The drive of the
電力変換システム1を本実施例(図18)のような構成とすることで、直流電圧Vin側と直流電圧Vout側との間で双方向に電力を融通することが可能となる。このような構成は双方向に電力を融通する場合がある鉄道向けの電源システムや、発電装置を備えたマイクログリッドの用途などにおいて好適である。
By configuring the
また、風力発電や太陽光発電のような発電システムは、通常は発電システムから負荷への単方向送電であるが、発電システムの始動時などにおいて電力が必要な場合がある。このような場合にも双方向の電力融通が可能な電力変換システム1は好適である。
In addition, although a power generation system such as wind power generation or solar power generation is usually unidirectional transmission from the power generation system to a load, power may be required when starting the power generation system. Even in such a case, the
なお、本実施例(図18)においても、高周波変圧器T1は実施例1または実施例2で説明したように構成されており、共振用コンデンサ、共振用リアクトル、スナバコンデンサなどの追加の受動部品がなくとも、スイッチング素子S1〜S4またはスイッチング素子S5〜S8のスイッチング損失を抑制し、高効率な電力変換システムを提供することができる。 Also in the present embodiment (FIG. 18), the high frequency transformer T1 is configured as described in the first embodiment or the second embodiment, and additional passive components such as a resonance capacitor, a resonance reactor, and a snubber capacitor are provided. Even if it does not exist, the switching loss of switching element S1-S4 or switching element S5-S8 can be suppressed, and a highly efficient power conversion system can be provided.
図19Aから図19Dを参照して、実施例4の電力変換システムの構成例について説明する。本実施例の電力変換システム2は、複数の電力変換システム1で構成される。
The configuration example of the power conversion system of the fourth embodiment will be described with reference to FIGS. 19A to 19D. The
図19Aは電力変換システム2の入力Vinおよび出力Voutに対し複数の電力変換システム1をそれぞれ並列に接続する並列入力・並列出力型の電力変換システムの例である。図19Bは電力変換システム2の入力Vinに対し複数の電力変換システム1を並列に接続し、出力Voutに対しては複数の電力変換システム1を直列に接続する並列入力・直列出力型の電力変換システムの例である。図19Cは電力変換システム2の入力Vinおよび出力Voutに対し複数の電力変換システム1をそれぞれ直列に接続する直列入力・直列出力型の電力変換システムの例である。図19Dは電力変換システム2の入力Vinに対し複数の電力変換システム1を直列に接続し、出力Voutに対しては複数の電力変換システム1を並列に接続する直列入力・並列出力型の電力変換システムの例である。
FIG. 19A is an example of a parallel input / parallel output type power conversion system in which a plurality of
図19Aから図19Dに示すように、複数の電力変換システム1の入力端子同士をそれぞれ並列または直列に、複数の電力変換システム1の出力端子同士をそれぞれ並列または直列に接続して電力変換システム2を構成できる。すなわち、電力変換システム2の構成方法は並列入力・並列出力型、並列入力・直列出力型、直列入力・直列出力型、直列入力・並列出力型の4つに分類される。
As shown in FIGS. 19A to 19D,
本実施例の電力変換システム2は制御手段32を有する。制御手段32は複数の電力変換システム1の制御手段31(図示せず)と通信するとともに、他の電力変換システムや系統連系機器、中央給電指令所などとも通信することが可能である。
The
電力変換システム2の構成を、その用途に応じて上記4つの分類のいずれかとすることで、大電流または高電圧に対応することができる。例えば、図19Aに示す並列入力・並列出力型は大電流入力・大電流出力に対応できる。図19Bに示す並列入力・直列出力型は大電流入力・高電圧出力に対応できる。図19Cに示す直列入力・直列出力型は高電圧入力・高電圧出力に対応できる。図19Dに示す直列入力・並列出力型は高電圧入力・大電流出力に対応できる。
By setting the configuration of the
なお、本実施例(図19A〜図19D)においても、複数の電力変換システム1の各々の高周波変圧器T1は実施例1または実施例2で説明したように構成されており、共振用コンデンサ、共振用リアクトル、スナバコンデンサなどの追加の受動部品がなくとも、スイッチング素子S1〜S4のスイッチング損失を抑制し、電力変換システム2全体として高効率な電力変換システムを提供することができる。
Also in the present embodiment (FIGS. 19A to 19D), the high frequency transformer T1 of each of the plurality of
図20Aおよび図20Bを参照して、実施例5の電力変換システムの制御方法について説明する。図20Aは比較のために示す従来方式(位相シフト方式)のゲート駆動信号波形図であり、図20Bは本発明の制御方法を示すゲート駆動信号波形図である。 The control method of the power conversion system of the fifth embodiment will be described with reference to FIGS. 20A and 20B. FIG. 20A is a gate drive signal waveform diagram of a conventional method (phase shift method) shown for comparison, and FIG. 20B is a gate drive signal waveform diagram showing a control method of the present invention.
実施例1において図11,図16にそれぞれ示したモード4,モード8に着目すると、モード4,モード8では、いずれも電力変換システム1の所望動作に寄与する電流は流れていない。そこで、モード3とモード4、またモード7とモード8をそれぞれモード3+4、モード7+8にまとめることができる。
Focusing on
図20Aに示すように、従来の位相シフト方式では、スイッチング素子S2のS2ゲート駆動信号をオンした後、遅れてスイッチング素子S4のS4ゲート駆動信号をオフする。同様に、スイッチング素子S1のS1ゲート駆動信号をオンした後、遅れてスイッチング素子S3のS3ゲート駆動信号をオフする。 As shown in FIG. 20A, in the conventional phase shift method, after the S2 gate drive signal of the switching element S2 is turned on, the S4 gate drive signal of the switching element S4 is turned off later. Similarly, after the S1 gate drive signal of the switching element S1 is turned on, the S3 gate drive signal of the switching element S3 is turned off later.
これに対して本発明の制御方法では、図20Bに示すように、スイッチング素子S2のS2ゲート駆動信号をオンするとともに、スイッチング素子S4のS4ゲート駆動信号を同期してオフする。同様に、スイッチング素子S1のS1ゲート駆動信号をオンするとともに、スイッチング素子S3のS3ゲート駆動信号を同期してオフする。電力変換システム1をこのように制御することで、従来の位相シフト方式と比べてモード1,5の期間が長くなり、より多くの電力移送が可能となる。
On the other hand, in the control method of the present invention, as shown in FIG. 20B, the S2 gate drive signal of the switching element S2 is turned on, and the S4 gate drive signal of the switching element S4 is synchronously turned off. Similarly, the S1 gate drive signal of the switching element S1 is turned on, and the S3 gate drive signal of the switching element S3 is synchronously turned off. By controlling the
なお、従来の位相シフト方式では、S1〜S4ゲート駆動信号のデューティー比を50%に固定する。S1ゲート駆動信号とS4ゲート駆動信号(S2ゲート駆動信号とS3ゲート駆動信号)の重なり具合、すなわち位相を調整して所望の制御動作を実現する。また、位相シフト方式においては、S1ゲート駆動信号とS2ゲート駆動信号、またはS3ゲート駆動信号とS4ゲート駆動信号が同時にオンして直流端子間が短絡することを防ぐため、S1ゲート駆動信号とS2ゲート駆動信号、およびS3ゲート駆動信号とS4ゲート駆動信号の間にはデッドタイム(どちらもオフの期間)が必要になる。 In the conventional phase shift method, the duty ratio of the S1 to S4 gate drive signals is fixed at 50%. A desired control operation is realized by adjusting the overlapping condition of the S1 gate drive signal and the S4 gate drive signal (S2 gate drive signal and S3 gate drive signal), that is, the phase. In the phase shift method, the S1 gate drive signal and the S2 gate drive signal and the S2 gate drive signal are simultaneously turned on to prevent the DC terminals from being short-circuited. Dead time (both are off periods) is required between the gate drive signal and the S3 gate drive signal and the S4 gate drive signal.
本実施例(図20B)の制御方法においても、対象となる電力変換システム1の高周波変圧器T1を実施例1または実施例2で説明したように構成することで、共振用コンデンサ、共振用リアクトル、スナバコンデンサなどの追加の受動部品がなくとも、スイッチング素子S1〜S4のスイッチング損失を抑制し、電力変換システム1の効率を向上することができる。
Also in the control method of the present embodiment (FIG. 20B), by configuring the high frequency transformer T1 of the
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば上記した実施例は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。例えばスイッチング素子S1〜S8は、複数のスイッチング素子を直列、あるいは、並列に接続して構成したスイッチング素子群を含む。その他の構成部品についても同様である。 The present invention is not limited to the embodiments described above, but includes various modifications. For example, the above-described embodiments are described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the described configurations. It is possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment, and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment. Moreover, it is also possible to add, delete, and replace other configurations for part of the configuration of each embodiment. For example, the switching elements S1 to S8 include a switching element group configured by connecting a plurality of switching elements in series or in parallel. The same applies to the other components.
また、上記した各実施例は、本発明を分かり易くするために、必ずしも全ての構成部品について説明しているわけではなく、一部の構成の説明を省略している。例えば高周波変圧器T1は、巻線の絶縁性能を高める絶縁紙や、巻線の絶縁性能を高めるとともに巻線間距離を一定に保つためのスペーサー、巻線と鉄心を冷却するための熱媒体、巻線や鉄心を適切に支持する支持体などの図示は省略している。実際の高周波変圧器T1はこれらの要素を全て含んでいると言ってよい。 Moreover, in order to make this invention intelligible, each above-described Example does not necessarily describe all the components, and has abbreviate | omitted description of a one part structure. For example, the high-frequency transformer T1 is an insulating paper for enhancing the insulation performance of the winding, a spacer for enhancing the insulation performance of the winding and keeping the distance between the windings constant, a heat medium for cooling the winding and core, Illustration of a support for appropriately supporting the windings and cores is omitted. It may be said that the actual high frequency transformer T1 includes all of these elements.
また、各実施例において、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。 Further, in each of the embodiments, the control lines and the information lines indicate what is considered necessary for the description, and not all the control lines and the information lines in the product are necessarily shown. In practice, almost all configurations may be considered to be connected to each other.
1,2…電力変換システム
4…鉄心
11,26…フルブリッジ回路
12,13,24…スイッチングレッグ
21…整流回路
22,23…ダイオードレッグ
31…制御手段
41…巻線体
42…巻線対
43,44…巻線層
45,46…配線
A,A’…直流端子
B,B’,C,C’…交流端子
C1〜C8…出力容量
Cin,Cout…平滑コンデンサ
D1〜D8…ダイオード
L1…漏れインダクタンス
L2…平滑リアクトル
S1〜S8…スイッチング素子
T1…高周波変圧器
Vin…入力(電圧)
Vout…出力(電圧)
W1…1次巻線
W2…2次巻線
1, 2
Vout: Output (voltage)
W1 ... primary winding W2 ... secondary winding
Claims (15)
前記第1のブリッジ回路で変換された交流電圧を変圧する高周波変圧器と、
前記高周波変圧器を介して前記第1のブリッジ回路と磁気的に結合され、前記高周波変圧器で変圧された交流電圧を直流電圧に変換する第2のブリッジ回路と、
前記第1のブリッジ回路および前記第2のブリッジ回路の少なくともいずれか一方の動作を制御する制御手段と、を備え、
前記高周波変圧器は、前記第1のブリッジ回路に接続される1次巻線と、
前記第2のブリッジ回路に接続される2次巻線と、
前記1次巻線および前記2次巻線が巻き回される鉄心と、を有し、
前記1次巻線および前記2次巻線は、互いに対向して配置されるよう前記鉄心の周囲に交互に巻き回されていることを特徴とする電力変換システム。 A first bridge circuit for converting an input DC voltage into an AC voltage;
A high frequency transformer for transforming the alternating voltage converted by the first bridge circuit;
A second bridge circuit magnetically coupled to the first bridge circuit via the high frequency transformer and converting an alternating voltage transformed by the high frequency transformer into a direct current voltage;
Control means for controlling the operation of at least one of the first bridge circuit and the second bridge circuit;
The high frequency transformer has a primary winding connected to the first bridge circuit.
A secondary winding connected to the second bridge circuit;
An iron core on which the primary winding and the secondary winding are wound;
The power conversion system, wherein the primary winding and the secondary winding are alternately wound around the iron core so as to be disposed to face each other.
前記1次巻線および前記2次巻線は、全範囲に渡って互いに対向して配置されていることを特徴とする電力変換システム。 The power conversion system according to claim 1,
The power conversion system, wherein the primary winding and the secondary winding are disposed to face each other over the entire range.
前記1次巻線および前記2次巻線は、各々の断面において矩形の断面形状を有し、
前記1次巻線の最大面積面と前記2次巻線の最大面積面が互いに対向して配置されていることを特徴とする電力変換システム。 The power conversion system according to claim 1,
The primary winding and the secondary winding have a rectangular cross-sectional shape in each cross section,
A power conversion system characterized in that the largest area surface of the primary winding and the largest area surface of the secondary winding are opposed to each other.
前記1次巻線および前記2次巻線は、各々の最大面積面の鉛直方向が径方向となるように前記鉄心の周囲に巻き回されていることを特徴とする電力変換システム。 The power conversion system according to claim 3,
The power conversion system according to claim 1, wherein the primary winding and the secondary winding are wound around the iron core such that the vertical direction of the respective largest area faces is a radial direction.
前記鉄心は、薄帯状の磁性材料を複数枚巻回して構成される巻鉄心であることを特徴とする電力変換システム。 The power conversion system according to claim 1,
The power conversion system, wherein the iron core is a wound iron core configured by winding a plurality of thin magnetic material strips.
前記鉄心は、鉄を主成分とするアモルファス構造または微細な結晶構造を有する薄帯状合金で構成されていることを特徴とする電力変換システム。 The power conversion system according to claim 1,
The power conversion system characterized in that the iron core is made of a thin strip alloy having an amorphous structure or a fine crystal structure mainly composed of iron.
前記1次巻線および前記2次巻線は、前記鉄心の径方向において互いに対向して配置され、なおかつ、前記鉄心の周方向において互いに対向して配置されていることを特徴とする電力変換システム。 The power conversion system according to claim 1,
The power conversion system, wherein the primary winding and the secondary winding are disposed to face each other in the radial direction of the iron core, and are disposed to face each other in the circumferential direction of the iron core. .
前記第1のブリッジ回路は、第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子が直列に接続された第1のスイッチングレッグと、
第3のスイッチング素子と第4のスイッチング素子が直列に接続され、前記第1のスイッチングレッグと並列に接続された第2のスイッチングレッグと、で構成され、
前記第1のスイッチングレッグの両端間および前記第2のスイッチングレッグの両端間を第1の直流端子間とし、
前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子の接続点および前記第3のスイッチング素子と前記第4のスイッチング素子の接続点との間を第1の交流端子間とするブリッジ回路であり、
前記第1の直流端子間に接続される第1の平滑コンデンサと、
前記第1のスイッチング素子、前記第2のスイッチング素子、前記第3のスイッチング素子、前記第4のスイッチング素子のそれぞれに並列に接続される出力容量と逆並列に接続されるダイオードと、を有し、
前記第1の交流端子間に前記1次巻線が接続されていることを特徴とする電力変換システム。 The power conversion system according to claim 1,
The first bridge circuit includes a first switching leg in which a first switching element and a second switching element are connected in series;
A third switching element and a fourth switching element connected in series, and configured of a second switching leg connected in parallel with the first switching leg,
Between both ends of the first switching leg and between both ends of the second switching leg are between first DC terminals,
A bridge circuit in which a connection point between the first switching element and the second switching element and a connection point between the third switching element and the fourth switching element are first AC terminals,
A first smoothing capacitor connected between the first DC terminals;
The first switching element, the second switching element, the third switching element, and a diode connected in anti-parallel to an output capacitance connected in parallel to each of the fourth switching element ,
The power conversion system, wherein the primary winding is connected between the first AC terminals.
前記第2のブリッジ回路は、第1のダイオードと第2のダイオードが直列に接続された第1のダイオードレッグと、
第3のダイオードと第4のダイオードが直列に接続され、前記第1のダイオードレッグと並列に接続された第2のダイオードレッグと、で構成され、
前記第1のダイオードレッグの両端間および前記第2のダイオードレッグの両端間を第2の直流端子間とし、
前記第1のダイオードと前記第2のダイオードの接続点および前記第3のダイオードと前記第4のダイオードの接続点との間を第2の交流端子間とするブリッジ回路であり、
前記第2の直流端子間に接続される第2の平滑コンデンサを有し、
前記第2の交流端子間に前記2次巻線が接続されていることを特徴とする電力変換システム。 The power conversion system according to claim 8,
The second bridge circuit includes a first diode leg in which a first diode and a second diode are connected in series;
A third diode and a fourth diode connected in series, and a second diode leg connected in parallel with the first diode leg,
Between both ends of the first diode leg and between both ends of the second diode leg are between second DC terminals,
A bridge circuit in which a connection point between the first diode and the second diode and a connection point between the third diode and the fourth diode are connected to a second AC terminal,
A second smoothing capacitor connected between the second DC terminals;
The power conversion system, wherein the secondary winding is connected between the second AC terminals.
前記第2のブリッジ回路は、第5のスイッチング素子と第6のスイッチング素子が直列に接続された第3のスイッチングレッグと、
第7のスイッチング素子と第8のスイッチング素子が直列に接続され、前記第3のスイッチングレッグと並列に接続された第4のスイッチングレッグと、で構成され、
前記第3のスイッチングレッグの両端間および前記第4のスイッチングレッグの両端間を第2の直流端子間とし、
前記第5のスイッチング素子と前記第6のスイッチング素子の接続点および前記第7のスイッチング素子と前記第8のスイッチング素子の接続点との間を第2の交流端子間とするブリッジ回路であり、
前記第2の直流端子間に接続される第2の平滑コンデンサと、
前記第5のスイッチング素子、前記第6のスイッチング素子、前記第7のスイッチング素子、前記第8のスイッチング素子のそれぞれに並列に接続される出力容量と逆並列に接続されるダイオードと、を有し、
前記第2の交流端子間に前記2次巻線が接続されていることを特徴とする電力変換システム。 The power conversion system according to claim 8,
The second bridge circuit includes a third switching leg in which a fifth switching element and a sixth switching element are connected in series;
A seventh switching element and an eighth switching element connected in series, and a fourth switching leg connected in parallel with the third switching leg,
Between both ends of the third switching leg and between both ends of the fourth switching leg are between second DC terminals,
A bridge circuit in which a connection point between the fifth switching element and the sixth switching element and a connection point between the seventh switching element and the eighth switching element are between the second AC terminals,
A second smoothing capacitor connected between the second DC terminals;
The fifth switching element, the sixth switching element, the seventh switching element, and a diode connected in anti-parallel to an output capacitance connected in parallel to each of the eighth switching elements ,
The power conversion system, wherein the secondary winding is connected between the second AC terminals.
少なくとも2つ以上の前記電力変換モジュールの入力端子間をそれぞれ直列または並列に接続して構成した入力端子と、
少なくとも2つ以上の前記電力変換モジュールの出力端子間をそれぞれ直列または並列に接続して構成した出力端子と、
前記電力変換モジュールを制御する制御手段と、を備えることを特徴とする電力変換システム。 The power conversion system according to any one of claims 1 to 11 is a power conversion module,
An input terminal configured by connecting in series or in parallel between input terminals of at least two or more of the power conversion modules;
An output terminal configured by connecting in series or in parallel between output terminals of at least two or more of the power conversion modules;
And control means for controlling the power conversion module.
前記第1のスイッチング素子、前記第2のスイッチング素子、前記第3のスイッチング素子、前記第4のスイッチング素子は前記制御手段により位相シフト方式で駆動されることを特徴とする電力変換システム。 The power conversion system according to any one of claims 8 to 11, wherein
A power conversion system characterized in that the first switching element, the second switching element, the third switching element, and the fourth switching element are driven by the control means in a phase shift system.
前記第2のスイッチング素子をオンした後、遅れて前記第4のスイッチング素子をオフし、
前記第1のスイッチング素子をオンした後、遅れて前記第3のスイッチング素子をオフすることを特徴とする電力変換システムの制御方法。 A control method of a power conversion system for controlling a power conversion system according to any one of claims 8 to 11,
After turning on the second switching element, the fourth switching element is turned off later,
A control method of a power conversion system, characterized in that the third switching element is turned off after the first switching element is turned on.
前記第2のスイッチング素子をオンするとともに、前記第4のスイッチング素子を同期してオフし、
前記第1のスイッチング素子をオンするとともに、前記第3のスイッチング素子を同期してオフすることを特徴とする電力変換システムの制御方法。 A control method of a power conversion system for controlling a power conversion system according to any one of claims 8 to 11,
The second switching element is turned on, and the fourth switching element is synchronously turned off,
A control method of a power conversion system, comprising turning on the first switching element and synchronously turning off the third switching element.
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