JP2020129922A - Bidirectional insulation type dc-dc converter and control method - Google Patents

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Abstract

To provide technology which contributes to conversion efficiency of a bidirectional converter.SOLUTION: A frequency operation unit 41 of a control unit 3 derives a switching frequency ω corresponding to a transmission power command value based on an equation: ω=(EE/(PL))(δ-(δ/π)). A signal generating unit 42 generates gate signals in switching devices S1 to S8 based on the switching frequency ω derived in the frequency operation unit 41. Then, the generated gate signals are output to the switching devices S1 to S8 to appropriately perform switching control. In the equation, ω is a switching frequency in the switching devices S1 to S8, Pis the transmission power command value, Eand Eare direct current voltage on a primary side and direct current voltage on a secondary side, L is a sum of a leakage inductance value of a trans 21 and an inductance value of a reactor subjected to series connection to the trans 21, and δ is a phase difference between alternating voltage v1 and alternating voltage v2 in a first converter 20a and a second converter 20b.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、双方向絶縁型DC−DCコンバータおよび制御方法に係るものであって、例えば双方向絶縁型DC−DCコンバータの変換効率に貢献可能な技術に関するものである。 The present invention relates to a bidirectional isolated DC-DC converter and a control method, and relates to a technique that can contribute to the conversion efficiency of a bidirectional isolated DC-DC converter, for example.

種々の分野で適用(例えばバッテリシミュレータ等の産業用機器に適用)されている電力変換装置の一例として、双方向絶縁型DC−DCコンバータ(以下、単に双方向コンバータと適宜称する)がある(例えば非特許文献1)。 As an example of a power conversion device applied in various fields (for example, applied to an industrial device such as a battery simulator), there is a bidirectional isolated DC-DC converter (hereinafter, simply referred to as a bidirectional converter as appropriate) (for example, Non-Patent Document 1).

双方向コンバータにおいては、双方向に電圧変換可能な一対のコンバータ(後述の図1では第1,第2コンバータ20a,20b)がトランス等によって結合されており、各コンバータのスイッチング素子にそれぞれゲート信号を出力して適宜スイッチング制御することにより、各コンバータ間で所望の電力伝送(双方向の電力伝送)が可能となる。 In the bidirectional converter, a pair of converters capable of bidirectional voltage conversion (first and second converters 20a and 20b in FIG. 1, which will be described later) are coupled by a transformer or the like, and gate signals are respectively supplied to switching elements of the converters. Is output and the switching control is appropriately performed, so that desired power transmission (bidirectional power transmission) can be performed between the converters.

電力伝送における出力電力(以下、単に伝送電力と適宜称する)の大きさは、例えば下記理論式(1)のように定義することができる。なお、式(1)において、Pは伝送電力、ωは各スイッチング素子のスイッチング周波数、E1,E2は双方向コンバータの一次側直流電圧,二次側直流電圧、Lはトランスの漏れインダクタンスと当該トランスと直列接続するリアクトルのインダクタンス値の和、δは各コンバータの交流電圧の位相差、πは円周率とする。また、トランスの鉄損等による損失の影響は考慮しないものとする。 The magnitude of output power (hereinafter, simply referred to as transmission power) in power transmission can be defined as, for example, the following theoretical formula (1). In the equation (1), P is the transmission power, ω is the switching frequency of each switching element, E 1 and E 2 are the primary side DC voltage and the secondary side DC voltage of the bidirectional converter, and L is the leakage inductance of the transformer. Let δ be the sum of the inductance values of the reactors connected in series with the transformer, δ be the phase difference of the AC voltage of each converter, and be the pi. Also, the effect of loss due to iron loss of the transformer shall not be considered.

P=(E12/(ωL))(δ−(δ2/π)) ……(1)
伝送電力の制御の一例としては、式(1)において、スイッチング周波数ωを一定にし、伝送電力の指令値(後述の式(3)では伝送電力指令値P*)に対応するように位相差δを変化させて適宜制御(すなわち、位相差δを可変にして調整し適宜制御)する構成(以下、単に従来制御構成と適宜称する)が挙げられる。
P=(E 1 E 2 /(ωL))(δ−(δ 2 /π)) (1)
As an example of the control of the transmission power, the switching frequency ω is made constant in the equation (1), and the phase difference δ is adjusted so as to correspond to the command value of the transmission power (the transmission power command value P * in the equation (3) described later). There is a configuration (hereinafter, simply referred to as a conventional control configuration) in which V is changed to perform appropriate control (that is, the phase difference δ is made variable and adjusted to perform appropriate control).

この従来制御構成によれば、前述のような伝送電力の指令値に対応する位相差δに基づいて、各スイッチング素子のゲート信号を生成することができ、当該位相差δが90°の場合に、式(1)の伝送電力Pが最大となることが読み取れる。 According to this conventional control configuration, the gate signal of each switching element can be generated based on the phase difference δ corresponding to the command value of the transmission power as described above, and when the phase difference δ is 90°. It can be read that the transmission power P in the equation (1) is maximum.

双方向コンバータの変換効率においては、前記損失による影響を考慮する場合、下記式(2)のように表すことができる。なお、式(2)において、ηは変換効率、Ploss1はトランスの鉄損(ヒステリシス損)、Ploss2はPloss1以外の損失(トランスの銅損や、各コンバータのスイッチング素子による損失等)とする。 The conversion efficiency of the bidirectional converter can be expressed by the following formula (2) when the influence of the loss is considered. In the equation (2), η is the conversion efficiency, P loss1 is the iron loss (hysteresis loss) of the transformer, P loss2 is the loss other than P loss1 (copper loss of the transformer, loss due to the switching element of each converter, etc.). To do.

η=P/(P+Ploss1+Ploss2) ……(2) η=P/(P+P loss1 +P loss2 ) (2)

井上重徳,赤木泰文,「双方向絶縁型DC/DCコンバータの動作電圧と損失解析」,電学論D,127巻2号,2007年,pp189−197.Shigenori Inoue, Yasufumi Akagi, "Operating Voltage and Loss Analysis of Bidirectional Insulation DC/DC Converter," Dengaku D, Vol. 127, No. 2, 2007, pp. 189-197.

前述のような従来制御構成では、トランスに流れる電流(後述の図1では電流i1に相当)の周波数(式(1)ではスイッチング周波数ωに相当)が一定の場合、当該電流の大きさが変化しても、当該トランスによる鉄損(式(2)ではPloss1に相当)は理論上変化しない。一方、伝送電力やトランスの鉄損以外の損失(式(2)では伝送電力PやPloss2に相当)においては、電流の大きさと正の相関関係を有する。 In the conventional control configuration as described above, when the frequency of the current flowing through the transformer (corresponding to the current i1 in FIG. 1 described later) (corresponding to the switching frequency ω in equation (1)) is constant, the magnitude of the current changes. However , the iron loss due to the transformer (corresponding to P loss1 in equation (2)) does not change theoretically. On the other hand, the transmission power and the loss other than the iron loss of the transformer (corresponding to the transmission power P and P loss2 in Expression (2)) have a positive correlation with the magnitude of the current.

すなわち、従来制御構成による双方向コンバータは、例えば比較的小さい電流で稼動している状態(すなわち、例えば伝送電力が定格の半分未満の状態;以下、単に低電力出力状態と適宜称する)の場合、全損失中におけるトランスの鉄損の比率が高くなり易い。このため、トランスの鉄損を抑制できなければ、変換効率が低くなってしまうおそれがある。 That is, in the case where the bidirectional converter according to the conventional control configuration is operating at a relatively small current (that is, the transmission power is less than half of the rated value; hereinafter, simply referred to as a low power output state), The ratio of transformer iron loss to total loss tends to be high. Therefore, if the iron loss of the transformer cannot be suppressed, the conversion efficiency may decrease.

本発明は、かかる技術的課題を鑑みてなされたものであって、双方向コンバータの変換効率に貢献可能な技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above technical problems, and an object thereof is to provide a technique capable of contributing to the conversion efficiency of a bidirectional converter.

この発明の一態様は、トランスを介して結合された第1,第2コンバータと、第1,第2コンバータによる電力伝送の出力電力を制御する制御部と、を備えた双方向コンバータである。第1コンバータは、第1直流電源とトランスの一次側に接続され、第1,第2スイッチング素子が直列接続された第1のスイッチングアームと、第3,第4スイッチング素子が直列接続された第2のスイッチングアームと、が並列接続された単相フルブリッジ回路を有している。第2コンバータは、第2直流電源と前記トランスの二次側に接続され、第5,第6スイッチング素子が直列接続された第3のスイッチングアームと、第7,第8スイッチング素子が直列接続された第4のスイッチングアームと、が並列接続された単相フルブリッジ回路を有している。制御部は、式(3)に基づいて、第1〜第8スイッチング素子のスイッチング周波数を導出する周波数演算部と、周波数演算部で導出したスイッチング周波数に基づいて、第1〜第8スイッチング素子に出力するゲート信号を生成する信号生成部と、を備えていることを特徴とする。 One aspect of the present invention is a bidirectional converter including first and second converters coupled via a transformer and a control unit that controls output power of power transmission by the first and second converters. The first converter is connected to the first DC power supply and the primary side of the transformer, has a first switching arm having first and second switching elements connected in series, and a first switching arm having third and fourth switching elements connected in series. It has a single-phase full bridge circuit in which two switching arms are connected in parallel. The second converter is connected to the second DC power source and the secondary side of the transformer, and is connected in series with the third switching arm in which the fifth and sixth switching elements are connected in series and the seventh and eighth switching elements. And a fourth switching arm and a single-phase full bridge circuit connected in parallel. The control unit controls the first to eighth switching elements on the basis of the frequency calculation unit that derives the switching frequencies of the first to eighth switching elements based on formula (3) and the switching frequency that is derived by the frequency calculation unit. And a signal generator that generates a gate signal to be output.

ω=(E12/(P*L))(δ−(δ2/π)) ……(3)
式(3)のωは第1〜第8スイッチング素子のスイッチング周波数、E1,E2は一次側直流電圧,二次側直流電圧、P*は電力伝送の出力電力の指令値、Lはトランスの漏れインダクタンス、δは第1,第2コンバータの交流電圧の位相差、πは円周率。
ω=(E 1 E 2 /(P * L))(δ−(δ 2 /π)) (3)
In Expression (3), ω is the switching frequency of the first to eighth switching elements, E 1 and E 2 are the primary side DC voltage and the secondary side DC voltage, P * is the command value of the output power for power transmission, and L is the transformer. Leakage inductance, δ is the phase difference between the AC voltages of the first and second converters, and π is the pi.

この双方向コンバータにおいて、制御部は、位相差補正部を更に備え、位相差補正部は、電力伝送の出力電力の検出値と、当該出力電力の指令値P*と、の偏差に基づいて式(3)の位相差δを補正することを特徴とするものでも良い。 In this bidirectional converter, the control unit further includes a phase difference correction unit, and the phase difference correction unit uses an equation based on a deviation between the detected value of the output power of power transmission and the command value P * of the output power. It may be characterized in that the phase difference δ of (3) is corrected.

また、第1コンバータとトランスの一次側との間、および第2コンバータとトランスの二次側との間、のうち、少なくとも一方にリアクトルが挿入接続され、式(3)のLは、トランスの漏れインダクタンスと、挿入接続されたリアクトルのインダクタンスと、の和であっても良い。 Further, the reactor is inserted and connected to at least one of the first converter and the primary side of the transformer, and the second converter and the secondary side of the transformer. It may be the sum of the leakage inductance and the inductance of the inserted and connected reactor.

他の態様は、トランスを介して結合された第1,第2コンバータによる電力伝送の出力電力を、制御部により制御する双方向コンバータの制御方法である。制御部により、式(3)式に基づいて、第1,第2コンバータに構成されている第1〜第8スイッチング素子のスイッチング周波数を導出する演算過程と、演算過程で導出したスイッチング周波数に基づいて、第1〜第8スイッチング素子に出力するゲート信号を生成する生成過程と、を有する。第1コンバータは、第1直流電源とトランスの一次側に接続され、第1,第2スイッチング素子が直列接続された第1のスイッチングアームと、第3,第4スイッチング素子が直列接続された第2のスイッチングアームと、が並列接続された単相フルブリッジ回路を有している。第2コンバータは、第2直流電源と前記トランスの二次側に接続され、第5,第6スイッチング素子が直列接続された第3のスイッチングアームと、第7,第8スイッチング素子が直列接続された第4のスイッチングアームと、が並列接続された単相フルブリッジ回路を有している。 Another mode is a control method of a bidirectional converter in which the output power of power transmission by the first and second converters coupled via a transformer is controlled by a control unit. Based on the equation (3), the control unit calculates the switching frequencies of the first to eighth switching elements included in the first and second converters, and the switching frequency derived in the calculation process. And a generation process of generating a gate signal to be output to the first to eighth switching elements. The first converter is connected to the first DC power supply and the primary side of the transformer, has a first switching arm having first and second switching elements connected in series, and a first switching arm having third and fourth switching elements connected in series. It has a single-phase full bridge circuit in which two switching arms are connected in parallel. The second converter is connected to the second DC power source and the secondary side of the transformer, and is connected in series with the third switching arm in which the fifth and sixth switching elements are connected in series and the seventh and eighth switching elements. And a fourth switching arm and a single-phase full bridge circuit connected in parallel.

以上示したように本発明によれば、電力変換装置の変換効率に貢献することが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to contribute to the conversion efficiency of the power conversion device.

本実施形態の一例である双方向コンバータ1を説明するための回路構成図。FIG. 3 is a circuit configuration diagram for explaining a bidirectional converter 1 that is an example of the present embodiment. 制御部3の実施例1を説明するための概略構成図。1 is a schematic configuration diagram for explaining a first embodiment of a control unit 3. FIG. 制御部3により制御した場合の一例を示す第1,第2コンバータ20a,20bの交流電圧v1,v2、電流i1の波形図。The waveform diagram of the alternating current voltage v1, v2 of the 1st, 2nd converter 20a, 20b which shows an example at the time of controlling by the control part 3, and current i1. 制御部3の実施例2を説明するための概略構成図。FIG. 6 is a schematic configuration diagram for explaining a second embodiment of the control unit 3.

以下、本発明の実施形態における双方向コンバータおよび制御方法を説明する。 Hereinafter, a bidirectional converter and a control method according to the embodiment of the present invention will be described.

本実施形態による双方向コンバータの伝送電力の制御構成においては、前述の式(1)を変形して得られる下記式(3)に基づいて(例えば後述の実施例1,2に示すように式(3)に基づいて)、伝送電力指令値に対応するスイッチング周波数を導出するものである。そして、トランスによって結合された第1,第2コンバータの各スイッチング素子のゲート信号を、前記のように導出したスイッチング周波数に基づいて生成し、そのゲート信号を各スイッチング素子に適宜出力してスイッチング制御する構成である。 In the transmission power control configuration of the bidirectional converter according to the present embodiment, based on the following formula (3) obtained by modifying the above formula (1) (for example, as shown in Examples 1 and 2 described later, (Based on (3)), the switching frequency corresponding to the transmission power command value is derived. Then, a gate signal of each switching element of the first and second converters coupled by the transformer is generated based on the switching frequency derived as described above, and the gate signal is appropriately output to each switching element to perform switching control. It is a configuration that does.

ω=(E12/(P*L))(δ−(δ2/π)) ……(3)
式(3)のωは各スイッチング素子のスイッチング周波数(第1,第2コンバータの交流電圧の周波数)、E1,E2は一次側直流電圧,二次側直流電圧、P*は伝送電力指令値、Lはトランスの漏れインダクタンス、δは第1,第2コンバータの交流電圧の位相差、πは円周率。
ω=(E 1 E 2 /(P * L))(δ−(δ 2 /π)) (3)
In Expression (3), ω is the switching frequency of each switching element (the frequency of the AC voltage of the first and second converters), E 1 and E 2 are the primary side DC voltage and the secondary side DC voltage, and P * is the transmission power command. Value, L is the leakage inductance of the transformer, δ is the phase difference between the AC voltages of the first and second converters, and π is the circular constant.

すなわち、本実施形態による制御構成においては、伝送電力指令値に対応するようにスイッチング周波数を変化させて伝送電力を適宜制御(すなわち、スイッチング周波数を可変にして調整し適宜制御)できるものであり、従来制御構成によるものとは全く異なるものである。 That is, in the control configuration according to the present embodiment, the transmission frequency can be appropriately controlled by changing the switching frequency so as to correspond to the transmission power command value (that is, the switching frequency can be varied and adjusted to be appropriately controlled). This is completely different from the conventional control configuration.

一般的に、トランスに対する印加電圧,周波数をそれぞれv,fとすると、トランスの鉄損(式(2)ではPloss1)とv/fは互いに比例の関係を有する。すなわち、トランスの鉄損と周波数fにおいては互いに反比例の関係を有し、周波数fが大きくなるに連れて、トランスの鉄損は小さくなる。 Generally, when the applied voltage and frequency to the transformer are v and f, respectively, the iron loss of the transformer (P loss1 in equation (2)) and v/f have a proportional relationship. That is, the iron loss of the transformer and the frequency f are inversely proportional to each other, and the iron loss of the transformer decreases as the frequency f increases.

本実施形態による制御構成の場合、式(3)における伝送電力指令値P*とスイッチング周波数ωが、互いに反比例の関係を有する。すなわち、式(3)における伝送電力指令値P*が小さくなるに連れて(すなわち、低電力出力状態になるに連れて)、スイッチング周波数ωが大きくなり、式(2)のPloss1は小さくなる。また、双方向コンバータの各コンバータに適用されるスイッチング素子における損失は、殆ど影響が無い程度であり、式(2)のPloss2も小さくなる。 In the case of the control configuration according to this embodiment, the transmission power command value P * and the switching frequency ω in equation (3) have an inversely proportional relationship with each other. That is, as the transmission power command value P * in Expression (3) becomes smaller (that is, as the low power output state is entered), the switching frequency ω becomes larger and P loss1 in Expression (2) becomes smaller. .. In addition, the loss in the switching element applied to each converter of the bidirectional converter has almost no effect, and P loss2 in Expression (2) is also small.

したがって、本実施形態の制御構成によれば、例えば双方向コンバータが低電力出力状態であっても、トランスの鉄損の比率が高くならないように抑制できる。そして、従来制御構成と比較して、双方向コンバータの変換効率(式(2)では変換効率η)の向上に貢献可能となる。 Therefore, according to the control configuration of the present embodiment, even if the bidirectional converter is in a low power output state, for example, it is possible to suppress the iron loss ratio of the transformer from increasing. Then, as compared with the conventional control configuration, it is possible to contribute to the improvement of the conversion efficiency of the bidirectional converter (the conversion efficiency η in the equation (2)).

本実施形態の双方向コンバータおよび制御方法は、前述のように式(3)に基づいてスイッチング周波数ωを導出して伝送電力を適宜制御できる構成であれば、種々の分野(例えば電力変換技術等の分野)の技術常識を適宜適用して設計することが可能であり、その一例として以下に示すものが挙げられる。 The bidirectional converter and control method of the present embodiment can be used in various fields (for example, power conversion technology etc.) as long as the switching frequency ω can be derived based on the equation (3) and the transmission power can be appropriately controlled as described above. It is possible to design by appropriately applying the common general technical knowledge in the field (1), and examples thereof include the following.

≪本実施形態による双方向コンバータの回路構成例≫
図1は、本実施形態の一例である双方向コンバータ1を説明するための回路構成図である。図1に示す双方向コンバータ1は、第1,第2コンバータ20a,20bがトランス21を介して結合されており、そのトランス21を中心に左右対称になっている。また、双方向コンバータ1の1次側,2次側には、第1,第2直流電源22,23がそれぞれ接続されている。そして、第1,第2コンバータ20a,20bには制御部3が接続されている。
<<Circuit configuration example of the bidirectional converter according to the present embodiment>>
FIG. 1 is a circuit configuration diagram for explaining a bidirectional converter 1 which is an example of the present embodiment. In the bidirectional converter 1 shown in FIG. 1, the first and second converters 20a and 20b are coupled via a transformer 21 and are symmetrical with respect to the transformer 21. The first and second DC power supplies 22 and 23 are connected to the primary side and the secondary side of the bidirectional converter 1, respectively. The control unit 3 is connected to the first and second converters 20a and 20b.

第1コンバータ20aは、直列接続されたスイッチング素子S1,S2から成る第1のスイッチングアームと、直列接続されたスイッチング素子S3,S4から成る第2のスイッチングアームと、が並列接続された単相フルブリッジ回路で構成されている。この第1コンバータ20aの交流端子間には、トランス21の一次側が接続されている。 The first converter 20a is a single-phase full circuit in which a first switching arm including switching elements S1 and S2 connected in series and a second switching arm including switching elements S3 and S4 connected in series are connected in parallel. It is composed of a bridge circuit. The primary side of the transformer 21 is connected between the AC terminals of the first converter 20a.

第2コンバータ20bは、直列接続されたスイッチング素子S5,S6から成る第3のスイッチングアームと、直列接続されたスイッチング素子S7,S8から成る第4のスイッチングアームと、が並列接続された単相フルブリッジ回路で構成されている。この第2コンバータ20bの交流端子間には、トランス21の二次側が接続されている。 The second converter 20b is a single-phase full connection in which a third switching arm including switching elements S5 and S6 connected in series and a fourth switching arm including switching elements S7 and S8 connected in series are connected in parallel. It is composed of a bridge circuit. The secondary side of the transformer 21 is connected between the AC terminals of the second converter 20b.

制御部3は、第1,第2コンバータ20a,20bにおける伝送電力指令値や稼動状態が入力され、当該伝送電力指令値に対応するように、スイッチング素子S1〜S8のゲート信号を生成する。また、生成したゲート信号を当該スイッチング素子S1〜S8に出力して、適宜スイッチング制御(オン/オフ制御)する。 The control unit 3 receives the transmission power command values and operating states of the first and second converters 20a and 20b, and generates gate signals for the switching elements S1 to S8 so as to correspond to the transmission power command values. In addition, the generated gate signal is output to the switching elements S1 to S8 to appropriately perform switching control (ON/OFF control).

以上示した双方向コンバータ1においては、目的に応じた態様に適宜変更することが可能である。例えば、図1に示すように、スイッチング素子S1〜S8には、フリーホイールダイオードD1〜D8をそれぞれ逆並列に接続したり、スイッチング損失低減とサージ電圧抑制等を目的としてコンデンサCs1〜Cs8をそれぞれ並列に接続することが挙げられる。また、コンデンサCs1〜Cs8の替わりに、他の一般的なスナバ回路を適宜適用することも挙げられる。 In the bidirectional converter 1 described above, it is possible to appropriately change the mode according to the purpose. For example, as shown in FIG. 1, freewheel diodes D1 to D8 are connected in antiparallel to the switching elements S1 to S8, and capacitors Cs1 to Cs8 are connected in parallel for the purpose of reducing switching loss and suppressing surge voltage. It can be cited as connecting to. Also, instead of the capacitors Cs1 to Cs8, another general snubber circuit may be appropriately applied.

また、所望のインダクタンス成分を付加する目的で、例えば図1に示すように、第1,第2コンバータ20a,20bとトランス21との間にリアクトル(外付けリアクトル等)L1,L2等を挿入接続(例えば、トランスにリアクトルL1,L2のうち少なくとも一方を直列接続)することが挙げられる。 Further, for the purpose of adding a desired inductance component, for example, as shown in FIG. 1, reactors (external reactors etc.) L1, L2 etc. are inserted and connected between the first and second converters 20a, 20b and the transformer 21. (For example, connecting at least one of the reactors L1 and L2 to the transformer in series).

また、スイッチング素子S1〜S8においては、種々の形態を適用することが可能であり、その一例としてはIGBT等の半導体スイッチング素子を適用することが挙げられる。 In addition, various forms can be applied to the switching elements S1 to S8, and an example thereof is application of a semiconductor switching element such as an IGBT.

また、第1,第2直流電源22,23においても、種々の形態を適用することが可能であり、その一例としては第1,第2コンバータ20a,20bに接続可能なDC−Linkキャパシタ等の直流電源を適用することが挙げられる。 Also, various forms can be applied to the first and second DC power supplies 22 and 23, and as an example, a DC-Link capacitor or the like connectable to the first and second converters 20a and 20b can be used. Applying a DC power supply can be mentioned.

制御部3が検出する第1,第2コンバータ20a,20bの稼動状態においては、目的に応じて適宜検出することが挙げられる。例えば、当該制御部3がゲート信号を生成(後述するように式(3)に基づいて生成)する場合に必要なものとして、第1,第2直流電源22,23の直流電圧E1,E2、トランス21の漏れインダクタンスL、第1,第2コンバータ20a,20bの交流電圧v1,v2の位相差δ等を検出することが挙げられる。また、第1,第2コンバータ20a,20bによる伝送電力(後述の実施例2では伝送電力検出値P)を検出し、フィードバック制御できるようにすることが挙げられる。 The operating state of the first and second converters 20a and 20b detected by the control unit 3 may be appropriately detected according to the purpose. For example, the DC voltages E 1 and E of the first and second DC power supplies 22 and 23 are necessary when the control unit 3 generates the gate signal (based on the equation (3) as described later). 2 , detecting the leakage inductance L of the transformer 21, the phase difference δ of the AC voltages v1 and v2 of the first and second converters 20a and 20b, and the like. Further, it is possible to detect the transmission power by the first and second converters 20a and 20b (transmission power detection value P in Example 2 described later) and to perform feedback control.

<制御部3の実施例1>
図2は、制御部3の実施例1を示すものであり、周波数演算部41,信号生成部42を主として備えたものとなっている。
<Example 1 of control unit 3>
FIG. 2 shows the first embodiment of the control unit 3, and mainly includes a frequency calculation unit 41 and a signal generation unit 42.

周波数演算部41においては、第1,第2コンバータ20a,20bの稼動状態と伝送電力指令値P*が入力され、式(3)に基づいて、スイッチング素子S1〜S8のスイッチング周波数ωを導出する(演算過程)。この周波数演算部41で適用される式(3)において、E1,E2は第1,第2直流電源22,23の直流電圧(双方向コンバータ1の一次側直流電圧,二次側直流電圧)、P*は伝送電力指令値、Lはトランス21の漏れインダクタンス(例えば図1に示すようにリアクトルL1,L2が設けられている場合には、トランス21の漏れインダクタンスと当該トランス21に直列接続するリアクトルL1,L2のインダクタンス値の和(総合インダクタンス))、δは第1,第2コンバータ20a,20bの交流電圧v1,v2の位相差、πは円周率となる。位相差δにおいては、固定値(角度)として適用することが挙げられる。 In the frequency calculation unit 41, the operating states of the first and second converters 20a and 20b and the transmission power command value P * are input, and the switching frequencies ω of the switching elements S1 to S8 are derived based on the equation (3). (Calculation process). In the formula (3) applied in the frequency calculation unit 41, E 1 and E 2 are DC voltages of the first and second DC power supplies 22 and 23 (the primary side DC voltage and the secondary side DC voltage of the bidirectional converter 1). , P * is a transmission power command value, L is a leakage inductance of the transformer 21 (for example, when reactors L1 and L2 are provided as shown in FIG. 1, the leakage inductance of the transformer 21 and the transformer 21 are connected in series). Is the sum of the inductance values of the reactors L1 and L2 (total inductance), δ is the phase difference between the AC voltages v1 and v2 of the first and second converters 20a and 20b, and π is the pi. The phase difference δ may be applied as a fixed value (angle).

信号生成部42は、周波数演算部41で導出したスイッチング周波数ωと第1,第2コンバータ20a,20bの稼動状態(位相差δ等)が入力され、スイッチング素子S1〜S8の所望のスイッチング制御ができるようにゲート信号を生成する(生成過程)。このゲート信号においては、例えば第1,第2コンバータ20a,20bにおいて図3に示すような波形の交流電圧v1,v2や電流i1が得られるように、生成する。 The signal generator 42 receives the switching frequency ω derived by the frequency calculator 41 and the operating states (phase difference δ, etc.) of the first and second converters 20a and 20b, and performs desired switching control of the switching elements S1 to S8. A gate signal is generated so that it can be generated (generation process). This gate signal is generated so that, for example, the first and second converters 20a and 20b can obtain the AC voltages v1 and v2 and the current i1 having the waveforms shown in FIG.

図3の場合、交流電圧v1は、スイッチング素子S1,S4がオン状態で正となり、スイッチング素子S2,S3がオン状態で負となっている。また、交流電圧v2においては、スイッチング素子S6,S7がオン状態で正となり、スイッチング素子S5,S8がオン状態で負となっている。 In the case of FIG. 3, the AC voltage v1 is positive when the switching elements S1 and S4 are on and is negative when the switching elements S2 and S3 are on. Further, in the AC voltage v2, the switching elements S6 and S7 are positive in the ON state, and the switching elements S5 and S8 are negative in the ON state.

以上、実施例1の制御構成によれば、伝送電力指令値P*が小さくなるに連れて(すなわち、双方向コンバータ1が低電力出力状態になるに連れて)、式(3)により導出されるスイッチング周波数ωが大きくなり、式(2)のPloss1は小さくなる。また、第1,第2コンバータ20a,20bに適用される各スイッチング素子S1〜S8(例えばIGBT等の半導体スイッチング素子)におけるスイッチング損失は、殆ど影響が無い程度であり、式(2)のPloss2はスイッチング周波数ωには殆ど依存しない。 As described above, according to the control configuration of the first embodiment, as the transmission power command value P * becomes smaller (that is, as the bidirectional converter 1 enters the low power output state), it is derived by the formula (3). The switching frequency ω is increased, and P loss1 in equation (2) is decreased. In addition, the switching loss in each of the switching elements S1 to S8 (for example, a semiconductor switching element such as an IGBT) applied to the first and second converters 20a and 20b has almost no effect, and P loss2 in the equation (2). Is almost independent of the switching frequency ω.

ゆえに、実施例1による制御構成は、例えば双方向コンバータ1が低電力出力状態であっても、トランス21の鉄損の比率が高くならないように抑制でき、所望の変換効率ηが得られ易くなる。特に低電力出力状態においては、従来制御構成よりも優れた変換効率ηが得られ易くなる。 Therefore, in the control configuration according to the first embodiment, even if the bidirectional converter 1 is in a low power output state, for example, it is possible to suppress the iron loss ratio of the transformer 21 from increasing, and it is easy to obtain the desired conversion efficiency η. .. In particular, in the low power output state, it is easy to obtain the conversion efficiency η superior to the conventional control configuration.

<制御部3の実施例2>
図4は、制御部3の実施例2を示すものであり、周波数演算部41,信号生成部42の他に、減算部43,位相差補正部44を主として備えたものとなっている。なお、実施例1と同様のものには、同一符号を付する等により、その詳細な説明を適宜省略する。
<Example 2 of control unit 3>
FIG. 4 shows a second embodiment of the control unit 3, and mainly includes a subtraction unit 43 and a phase difference correction unit 44 in addition to the frequency calculation unit 41 and the signal generation unit 42. The same parts as those of the first embodiment are designated by the same reference numerals and the detailed description thereof will be appropriately omitted.

減算部43は、第1,第2コンバータ20a,20bから検出した伝送電力検出値Pと、伝送電力指令値P*と、の両者が入力され、当該両者の偏差を導出する。位相差補正部44は、周波数演算部41,信号生成部42に適用する位相差δを、減算部43により導出した偏差に基づいて補正する(補正過程)。 The subtraction unit 43 receives both the transmission power detection value P detected from the first and second converters 20a and 20b and the transmission power command value P *, and derives the deviation between the two. The phase difference correction unit 44 corrects the phase difference δ applied to the frequency calculation unit 41 and the signal generation unit 42 based on the deviation derived by the subtraction unit 43 (correction process).

位相差補正部44による位相差δの補正は、周波数演算部41によるスイッチング周波数の導出や、信号生成部42によるゲート信号の生成において、減算部43により導出した偏差を適宜反映(フィードバック)できるものであれば良い。 The correction of the phase difference δ by the phase difference correction unit 44 can appropriately reflect (feedback) the deviation derived by the subtraction unit 43 in the derivation of the switching frequency by the frequency calculation unit 41 and the generation of the gate signal by the signal generation unit 42. If it is good.

この一例としては、一般的なP制御,PI制御,PID制御に基づいて補正する手法が挙げられる。具体例として、PI制御の場合には、下記式(4)(5)に基づいて補正することが挙げられる。なお、式(4)(5)において、Kpは比例係数、Kiは積分係数、δn-1は補正前の位相差、Δδは位相差補正量、δnは補正後の位相差とする。 As an example of this, there is a method of performing correction based on general P control, PI control, and PID control. As a specific example, in the case of PI control, correction may be made based on the following equations (4) and (5). In equations (4) and (5), Kp is a proportional coefficient, Ki is an integration coefficient, δ n-1 is a phase difference before correction, Δδ is a phase difference correction amount, and δ n is a phase difference after correction.

Δδ=Kp(P*−P)+KiΣ(P*−P) ……(4)
δn=δn-1+Δδ ……(5)
位相差補正部44により補正された位相差δnは、他の稼動状態と同様に周波数演算部41,信号生成部42に入力され、それぞれスイッチング周波数ωの導出,ゲート信号の生成に適用される。
Δδ=Kp(P * −P)+KiΣ(P * −P) (4)
δ nn-1 +Δδ (5)
The phase difference δ n corrected by the phase difference correction unit 44 is input to the frequency calculation unit 41 and the signal generation unit 42 as in other operating states, and is applied to the derivation of the switching frequency ω and the generation of the gate signal, respectively. ..

以上、実施例2の制御構成によれば、実施例1と同様の作用効果を奏する他に、以下に示すことが言える。すなわち、例えば双方向コンバータ1においてリアクトルL1,L2の定数のバラツキ等が生じている場合には、当該バラツキ等が伝送電力の制御に影響を及ぼす可能性があるが、実施例2によれば当該バラツキを抑制(伝送電力を所望通りに制御)することができる。これにより、伝送電力の制御精度に貢献できることとなる。 As described above, according to the control configuration of the second embodiment, in addition to the same operational effects as the first embodiment, the following can be said. That is, for example, when there are variations in the constants of the reactors L1 and L2 in the bidirectional converter 1, the variations may affect the control of the transmission power, but according to the second embodiment, It is possible to suppress variations (control transmission power as desired). This contributes to the control accuracy of the transmission power.

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変更等が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変更等が特許請求の範囲に属することは当然のことである。 In the above, the present invention has been described in detail only with respect to the specific examples described, but it is obvious to those skilled in the art that various modifications can be made within the scope of the technical idea of the present invention. It goes without saying that such changes belong to the scope of the claims.

1…双方向コンバータ
20a,20b…第1,第2コンバータ
21…トランス
22,23…第1,第2直流電源
3…制御部
41…周波数演算部
42…信号生成部
43…減算部
44…位相差補正部
S1〜S8…スイッチング素子
1... Bidirectional converter 20a, 20b... 1st, 2nd converter 21... Transformer 22, 23... 1st, 2nd DC power supply 3... Control part 41... Frequency operation part 42... Signal generation part 43... Subtraction part 44... Phase difference correction unit S1 to S8... Switching element

Claims (4)

トランスを介して結合された第1,第2コンバータと、
第1,第2コンバータによる電力伝送の出力電力を制御する制御部と、
を備え、
第1コンバータは、第1直流電源とトランスの一次側に接続され、
第1,第2スイッチング素子が直列接続された第1のスイッチングアームと、第3,第4スイッチング素子が直列接続された第2のスイッチングアームと、が並列接続された単相フルブリッジ回路を有し、
第2コンバータは、第2直流電源と前記トランスの二次側に接続され、
第5,第6スイッチング素子が直列接続された第3のスイッチングアームと、第7,第8スイッチング素子が直列接続された第4のスイッチングアームと、が並列接続された単相フルブリッジ回路を有し、
制御部は、
式(3)に基づいて、第1〜第8スイッチング素子のスイッチング周波数を導出する周波数演算部と、
周波数演算部で導出したスイッチング周波数に基づいて、第1〜第8スイッチング素子に出力するゲート信号を生成する信号生成部と、
を備えていることを特徴とする双方向絶縁型DC−DCコンバータ。
ω=(E12/(P*L))(δ−(δ2/π)) ……(3)
式(3)のωは第1〜第8スイッチング素子のスイッチング周波数、E1,E2は一次側直流電圧,二次側直流電圧、P*は電力伝送の出力電力の指令値、Lはトランスの漏れインダクタンス、δは第1,第2コンバータの交流電圧の位相差、πは円周率。
First and second converters coupled via a transformer,
A control unit for controlling output power of power transmission by the first and second converters;
Equipped with
The first converter is connected to the first DC power supply and the primary side of the transformer,
It has a single-phase full bridge circuit in which a first switching arm in which first and second switching elements are connected in series and a second switching arm in which third and fourth switching elements are connected in series are connected in parallel. Then
The second converter is connected to the second DC power source and the secondary side of the transformer,
It has a single-phase full bridge circuit in which a third switching arm in which the fifth and sixth switching elements are connected in series and a fourth switching arm in which the seventh and eighth switching elements are connected in series are connected in parallel. Then
The control unit
A frequency calculation unit that derives the switching frequencies of the first to eighth switching elements based on equation (3),
A signal generator that generates a gate signal to be output to the first to eighth switching elements based on the switching frequency derived by the frequency calculator.
A bidirectional isolated DC-DC converter comprising:
ω=(E 1 E 2 /(P * L))(δ−(δ 2 /π)) (3)
In Expression (3), ω is the switching frequency of the first to eighth switching elements, E 1 and E 2 are the primary side DC voltage and the secondary side DC voltage, P * is the command value of the output power for power transmission, and L is the transformer. Leakage inductance, δ is the phase difference between the AC voltages of the first and second converters, and π is the pi.
制御部は、位相差補正部を更に備え、
位相差補正部は、電力伝送の出力電力の検出値と、当該出力電力の指令値P*と、の偏差に基づいて式(3)の位相差δを補正することを特徴とする請求項1記載の双方向絶縁型DC−DCコンバータ。
The control unit further includes a phase difference correction unit,
The phase difference correction unit corrects the phase difference δ in the equation (3) based on the deviation between the detected value of the output power of the power transmission and the command value P * of the output power. The described bidirectional insulating DC-DC converter.
第1コンバータとトランスの一次側との間、および第2コンバータとトランスの二次側との間、のうち、少なくとも一方にリアクトルが挿入接続され、
式(3)のLは、トランスの漏れインダクタンスと、挿入接続されたリアクトルのインダクタンスと、の和であることを特徴とする請求項1または2記載の双方向絶縁型DC−DCコンバータ。
A reactor is inserted and connected to at least one of the first converter and the primary side of the transformer, and the second converter and the secondary side of the transformer.
The bidirectional isolated DC-DC converter according to claim 1 or 2, wherein L in the equation (3) is a sum of the leakage inductance of the transformer and the inductance of the reactor that is inserted and connected.
トランスを介して結合された第1,第2コンバータによる電力伝送の出力電力を、制御部により制御する方法であって、
制御部により、
式(3)式に基づいて、第1,第2コンバータに構成されている第1〜第8スイッチング素子のスイッチング周波数を導出する演算過程と、
演算過程で導出したスイッチング周波数に基づいて、第1〜第8スイッチング素子に出力するゲート信号を生成する生成過程と、を有し、
第1コンバータは、第1直流電源とトランスの一次側に接続され、
第1,第2スイッチング素子が直列接続された第1のスイッチングアームと、第3,第4スイッチング素子が直列接続された第2のスイッチングアームと、が並列接続された単相フルブリッジ回路を有し、
第2コンバータは、第2直流電源と前記トランスの二次側に接続され、
第5,第6スイッチング素子が直列接続された第3のスイッチングアームと、第7,第8スイッチング素子が直列接続された第4のスイッチングアームと、が並列接続された単相フルブリッジ回路を有していることを特徴とする双方向絶縁型DC−DCコンバータの制御方法。
ω=(E12/(P*L))(δ−(δ2/π)) ……(3)
式(3)のωは第1〜第8スイッチング素子のスイッチング周波数、E1,E2は一次側直流電圧,二次側直流電圧、P*は電力伝送の出力電力の指令値、Lはトランスの漏れインダクタンス、δは第1,第2コンバータの交流電圧の位相差、πは円周率。
A method for controlling output power of power transmission by first and second converters coupled via a transformer by a control unit, comprising:
By the control unit,
An arithmetic process for deriving the switching frequencies of the first to eighth switching elements formed in the first and second converters based on the equation (3),
A generation process of generating a gate signal to be output to the first to eighth switching elements based on the switching frequency derived in the calculation process,
The first converter is connected to the first DC power supply and the primary side of the transformer,
It has a single-phase full bridge circuit in which a first switching arm in which first and second switching elements are connected in series and a second switching arm in which third and fourth switching elements are connected in series are connected in parallel. Then
The second converter is connected to the second DC power source and the secondary side of the transformer,
It has a single-phase full bridge circuit in which a third switching arm in which the fifth and sixth switching elements are connected in series and a fourth switching arm in which the seventh and eighth switching elements are connected in series are connected in parallel. A method for controlling a bidirectional isolated DC-DC converter, characterized in that
ω=(E 1 E 2 /(P * L))(δ−(δ 2 /π)) (3)
In Expression (3), ω is the switching frequency of the first to eighth switching elements, E 1 and E 2 are the primary side DC voltage and the secondary side DC voltage, P * is the command value of the output power for power transmission, and L is the transformer. Leakage inductance, δ is the phase difference between the AC voltages of the first and second converters, and π is the pi.
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