JP2023124429A - Power conversion device - Google Patents

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JP2023124429A JP2022028180A JP2022028180A JP2023124429A JP 2023124429 A JP2023124429 A JP 2023124429A JP 2022028180 A JP2022028180 A JP 2022028180A JP 2022028180 A JP2022028180 A JP 2022028180A JP 2023124429 A JP2023124429 A JP 2023124429A
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恭佑 種村
Kyosuke TANEMURA
ゴー・テックチャン
Teck Chiang Goh
修二 戸村
Shuji Tomura
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Abstract

To provide a power conversion device with a mounted capacitor of small capacity and that can be controlled with ease.SOLUTION: A power conversion device comprises: a primary coil 15 provided between a connection point between a fifth switching element S5 and a sixth switching element S6, and a connection point between a seventh switching element S7 and an eighth switching element S8; a reactor L1 provided between a tap of the primary coil 15 and a connection point between a first capacitor C1 and a second capacitor C2; and an input reactor L2 connected with a connection point between a first switching element S1 and a second switching element S2. One terminal 17p is connected with the input reactor L2, and the other terminal 17n is connected with a connection point between a third switching element S3 and a fourth switching element S4.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、スイッチングによって電力伝送を行う電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device that transmits power by switching.

特許文献1には、昇圧用コイルとフルブリッジ回路を用いて交流電圧を昇圧し、入力交流電圧のピーク値より大きい直流電圧を生成する昇圧型PFC(Power Factor Correction)制御装置が開示されている。 Patent Document 1 discloses a boost type PFC (Power Factor Correction) control device that boosts an AC voltage using a boosting coil and a full bridge circuit to generate a DC voltage that is higher than the peak value of the input AC voltage. .

非特許文献1には、絶縁トランスの両側にフルブリッジ回路を持つDAB(Dual Active Bridge)方式を用いたマトリックスコンバータ回路が開示されている。 Non-Patent Document 1 discloses a matrix converter circuit using a DAB (Dual Active Bridge) system having full bridge circuits on both sides of an isolation transformer.

昇圧用コイルとフルブリッジ回路を用いた電力変換装置で交流電圧を昇圧して直流電圧を生成できるメカニズムと、容量が大きなコンデンサが必要となる理由について、図11~図14を用いて以下に説明する。 The mechanism by which a DC voltage can be generated by boosting an AC voltage in a power converter that uses a boosting coil and a full bridge circuit, and the reason why a capacitor with a large capacity is required will be explained below with reference to FIGS. 11 to 14. do.

図11は、昇圧用コイルとフルブリッジ回路を用いた電力変換装置200の構成を示す図である。図11に示すように、電力変換装置200は、第1スイッチングアームSA1、第2スイッチングアームSA2、コンデンサアームC、入力リアクトルL、フィルタ用コンデンサCfを備える。そして、電力変換装置200は、入力側の正極端子T1及び負極端子T2と、出力側の正極端子T3および負極端子T4とを備える。 FIG. 11 is a diagram showing the configuration of a power conversion device 200 using a boosting coil and a full bridge circuit. As shown in FIG. 11, the power converter 200 includes a first switching arm SA1, a second switching arm SA2, a capacitor arm C, an input reactor L, and a filtering capacitor Cf. The power converter 200 includes a positive terminal T1 and a negative terminal T2 on the input side, and a positive terminal T3 and a negative terminal T4 on the output side.

第1スイッチングアームSA1は、直列に接続された第1スイッチング素子S1および第2スイッチング素子S2を備える。第2スイッチングアームSA2は、直列に接続された第3スイッチング素子S3および第4スイッチング素子S4を備える。第1スイッチングアームSA1および第2スイッチングアームSA2は、並列に接続されている。このように第1スイッチングアームSA1および第2スイッチングアームSA2が並列に接続されることによって、フルブリッジインバータFBI1を構成している。 The first switching arm SA1 comprises a first switching element S1 and a second switching element S2 connected in series. The second switching arm SA2 comprises a third switching element S3 and a fourth switching element S4 connected in series. The first switching arm SA1 and the second switching arm SA2 are connected in parallel. By connecting the first switching arm SA1 and the second switching arm SA2 in parallel in this manner, a full bridge inverter FBI1 is configured.

コンデンサアームCは、直列に接続された第1コンデンサC1および第2コンデンサC2を備える。コンデンサアームCは、フルブリッジインバータFBI1と並列に接続されている。つまり、第1スイッチングアームSA1および第2スイッチングアームSA2の2つの並列接続点の間に、コンデンサアームCが接続されている。そして、第1スイッチングアームSA1、第2スイッチングアームSA2およびコンデンサアームCの上側の並列接続点および下側の並列接続点は、それぞれ、正極端子T3および負極端子T4に接続されている。正極端子T3と負極端子T4との間には、例えば、トランスのプライマリ巻線などの出力負荷が接続される。 Capacitor arm C comprises a first capacitor C1 and a second capacitor C2 connected in series. Capacitor arm C is connected in parallel with full-bridge inverter FBI1. That is, the capacitor arm C is connected between the two parallel connection points of the first switching arm SA1 and the second switching arm SA2. An upper parallel connection point and a lower parallel connection point of the first switching arm SA1, the second switching arm SA2, and the capacitor arm C are connected to the positive terminal T3 and the negative terminal T4, respectively. An output load such as a primary winding of a transformer is connected between the positive terminal T3 and the negative terminal T4.

第1スイッチング素子S1および第2スイッチング素子S2の接続点には、入力リアクトルLの一端が接続されている。そして、入力リアクトルLの他端には、フィルタ用コンデンサCf及び正極端子T1が接続されている。また、第3スイッチング素子S3および第4スイッチング素子S4の接続点には、フィルタ用コンデンサCf及び負極端子T2が接続されている。 One end of an input reactor L is connected to a connection point between the first switching element S1 and the second switching element S2. The other end of the input reactor L is connected to a filtering capacitor Cf and a positive terminal T1. A filter capacitor Cf and a negative terminal T2 are connected to a connection point between the third switching element S3 and the fourth switching element S4.

正極端子T1と負極端子T2との間には、交流電圧Vinが印加される。このように交流電圧Vinが印加された状態で、電力変換装置200の各スイッチング素子の動作と入力リアクトルLを流れる電流Iの変動を図12に示す。図12では、各スイッチング素子のオンオフ動作について、オンをハイ状態として表示し、オフをロー状態として表示している。交流電圧Vinが正の場合、図12に示すように、第3スイッチング素子S3はオフで固定して第4スイッチング素子S4をオンで固定した状態で、第1スイッチング素子S1および第2スイッチング素子S2が交互にオンとなるように、第1スイッチング素子S1および第2スイッチング素子S2のオンとオフを切り替える。そして、第1スイッチング素子S1がオンの時は常に第2スイッチング素子S2をオフとして、第1スイッチング素子S1がオフの時は常に第2スイッチング素子S2をオンとする。ただし、交流電圧Vinが負の場合は、第1スイッチング素子S1をオフで固定して第2スイッチング素子S2をオンで固定した状態で、第3スイッチング素子S3および第4スイッチング素子S4のオンとオフを交互に切り替える。なお、交流電圧Vinは厳密には正弦波であるが、第1スイッチング素子S1および第2スイッチング素子S2のスイッチング周期が交流電圧Vinの周期より十分に短いので図12における交流電圧Vinの値はほぼ一定となっている。 An AC voltage Vin is applied between the positive terminal T1 and the negative terminal T2. FIG. 12 shows the operation of each switching element of the power conversion device 200 and the fluctuation of the current IL flowing through the input reactor L in the state where the AC voltage Vin is applied. In FIG. 12, regarding the ON/OFF operation of each switching element, ON is indicated as a high state, and OFF is indicated as a low state. When the AC voltage Vin is positive, as shown in FIG. 12, the first switching element S1 and the second switching element S2 are switched while the third switching element S3 is fixed at OFF and the fourth switching element S4 is fixed at ON. are turned on alternately, the first switching element S1 and the second switching element S2 are switched on and off. The second switching element S2 is always turned off when the first switching element S1 is on, and the second switching element S2 is always turned on when the first switching element S1 is off. However, when the AC voltage Vin is negative, the third switching element S3 and the fourth switching element S4 are turned on and off while the first switching element S1 is fixed to be off and the second switching element S2 is fixed to be on. alternately. Strictly speaking, the AC voltage Vin is a sine wave, but since the switching period of the first switching element S1 and the second switching element S2 is sufficiently shorter than the period of the AC voltage Vin, the value of the AC voltage Vin in FIG. is constant.

図12に示す(1)の期間では、第2スイッチング素子S2および第4スイッチング素子S4がオンであり、第1スイッチング素子S1および第3スイッチング素子S3がオフであるため、図13に破線の矢印で示す経路で電流が流れ、入力リアクトルLを充電する。 In period (1) shown in FIG. 12, the second switching element S2 and the fourth switching element S4 are on, and the first switching element S1 and the third switching element S3 are off. A current flows through the path indicated by , and the input reactor L is charged.

図12に示す(2)の期間では、第1スイッチング素子S1および第4スイッチング素子S4がオンであり、第2スイッチング素子S2および第3スイッチング素子S3がオフであるため、図14に破線の矢印で示す経路で電流が流れ、充電された入力リアクトルLが放電し、第1コンデンサC1および第2コンデンサC2を充電する。 In period (2) shown in FIG. 12, the first switching element S1 and the fourth switching element S4 are on, and the second switching element S2 and the third switching element S3 are off. , the charged input reactor L is discharged, and the first capacitor C1 and the second capacitor C2 are charged.

このように図12に示す(1)の期間で入力リアクトルLを充電し、図12に示す(2)の期間で入力リアクトルLが放電して第1コンデンサC1および第2コンデンサC2を充電するサイクルを繰り返すことによって、第1コンデンサC1の電圧Vc1と第2コンデンサC2の電圧Vc2との合計値である入力コンデンサ電圧Vcを昇圧することができる。この入力コンデンサ電圧Vcが電力変換装置200の出力電圧となる。このようにフルブリッジインバータFBI1を動作させた条件でシミュレーションした結果を図15に示す。図15には、正極端子T1と負極端子T2との間に流すAC入力電流Iin、コンデンサ前電流Iacおよび入力コンデンサ電圧Vcのシミュレーション波形を示している。コンデンサ前電流Iacとは、フルブリッジインバータFBI1によって全波整流された電流である。図15に示すように、電力変換装置200では、入力コンデンサ電圧Vcを昇圧させることができる。しかし、フルブリッジインバータFBI1で全波整流されたコンデンサ前電流Iacを直流にするための第1コンデンサC1及び第2コンデンサC2は、非常に大きな容量が必要となる。 In this way, the input reactor L is charged during the period (1) shown in FIG. 12, and the input reactor L is discharged during the period (2) shown in FIG. 12 to charge the first capacitor C1 and the second capacitor C2. is repeated, the input capacitor voltage Vc, which is the sum of the voltage Vc1 of the first capacitor C1 and the voltage Vc2 of the second capacitor C2, can be boosted. This input capacitor voltage Vc becomes the output voltage of the power converter 200 . FIG. 15 shows the results of a simulation performed under the conditions in which the full-bridge inverter FBI1 is operated in this manner. FIG. 15 shows simulated waveforms of the AC input current Iin flowing between the positive terminal T1 and the negative terminal T2, the pre-capacitor current Iac, and the input capacitor voltage Vc. Pre-capacitor current Iac is a current that is full-wave rectified by full-bridge inverter FBI1. As shown in FIG. 15, the power converter 200 can boost the input capacitor voltage Vc. However, the first capacitor C1 and the second capacitor C2 for converting the pre-capacitor current Iac that has been full-wave rectified by the full-bridge inverter FBI1 into direct current require very large capacitances.

特開2014-99946号公報JP 2014-99946 A

宅間春介,伊藤淳一:「還流電流を利用したDABマトリックスコンバータのサージ電圧低減法」<URL:http://itohserver01.nagaokaut.ac.jp/itohlab/paper/2021/20210801_%E9%9B%BB%E5%AD%A6%E8%AB%96D/takuma.pdf>Shunsuke Takuma, Junichi Ito: "Surge Voltage Reduction Method for DAB Matrix Converter Using Return Current" <URL: http://itohserver01.nagaokaut.ac.jp/itohlab/paper/2021/20210801_%E9%9B%BB %E5%AD%A6%E8%AB%96D/takuma.pdf>

特許文献1に開示されている昇圧型PFC制御装置では、昇圧用コイルとフルブリッジ回路を用いて出力直流電圧を可変にできるが、容量が大きい平滑用コンデンサが必要となるため、コストがかかる。 The step-up PFC controller disclosed in Patent Document 1 can vary the output DC voltage using a step-up coil and a full bridge circuit.

このように搭載するコンデンサの容量が大きくなることを抑制できる電力変換装置として、非特許文献1で開示されたマトリックスコンバータ回路が存在する。しかし、非特許文献1で開示されたマトリックスコンバータ回路は、搭載するコンデンサの容量を小さくできるものの、マトリックスコンバータがZVS(Zero Voltage Switching)を行うための電流制御(電圧制御)と出力電圧の制御を行い、インバータが出力電圧の制御を行うため、制御が複雑になっている。 A matrix converter circuit disclosed in Non-Patent Document 1 exists as a power conversion device capable of suppressing an increase in the capacity of a capacitor to be mounted in this manner. However, although the matrix converter circuit disclosed in Non-Patent Document 1 can reduce the capacity of the mounted capacitor, it is difficult to control the current (voltage) and output voltage for the matrix converter to perform ZVS (Zero Voltage Switching). Since the inverter controls the output voltage, the control is complicated.

そこで、本発明は、搭載するコンデンサの容量が小さく制御が簡素な電力変換装置を提供することを目的とする SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a power conversion device in which the capacity of a capacitor to be mounted is small and the control is simple.

本発明に係る電力変換装置は、直列に接続された第1スイッチング素子および第2スイッチング素子を備える第1スイッチングアームと、直列に接続された第3スイッチング素子および第4スイッチング素子を備える第2スイッチングアームと、直列に接続された第1コンデンサおよび第2コンデンサを備えるコンデンサアームと、直列に接続された第5スイッチング素子および第6スイッチング素子を備える第3スイッチングアームと、直列に接続された第7スイッチング素子および第8スイッチング素子を備える第4スイッチングアームと、セカンダリ巻線に磁気的に結合するプライマリ巻線であって、前記第5スイッチング素子および前記第6スイッチング素子の接続点と、前記第7スイッチング素子および前記第8スイッチング素子の接続点との間に設けられたプライマリ巻線と、前記プライマリ巻線のタップと、前記第1コンデンサおよび前記第2コンデンサの接続点との間に設けられたリアクトルと、前記第1スイッチング素子および前記第2スイッチング素子の接続点に接続された入力リアクトルと、を備え、前記第1スイッチングアームの前記第1スイッチング素子側の一端、前記第2スイッチングアームの前記第3スイッチング素子側の一端、前記コンデンサアームの前記第1コンデンサ側の一端、前記第3スイッチングアームの前記第5スイッチング素子側の一端および前記第4スイッチングアームの前記第7スイッチング素子側の一端が共通に接続され、前記第1スイッチングアームの前記第2スイッチング素子側の一端、前記第2スイッチングアームの前記第4スイッチング素子側の一端、前記コンデンサアームの前記第2コンデンサ側の一端、前記第3スイッチングアームの前記第6スイッチング素子側の一端および前記第4スイッチングアームの前記第8スイッチング素子側の一端が共通に接続されることで、前記第1スイッチングアーム、前記第2スイッチングアーム、前記コンデンサアーム、前記第3スイッチングアームおよび前記第4スイッチングアームが並列接続されており、前記入力リアクトルに入力端子の一方が接続され、前記第3スイッチング素子および前記第4スイッチング素子の接続点に前記入力端子の他方が接続されていることを特徴とする。 A power converter according to the present invention includes a first switching arm including a first switching element and a second switching element connected in series, and a second switching arm including a third switching element and a fourth switching element connected in series. a capacitor arm comprising a first capacitor and a second capacitor connected in series; a third switching arm comprising a fifth switching element and a sixth switching element connected in series; a fourth switching arm including a switching element and an eighth switching element; a primary winding magnetically coupled to a secondary winding; a primary winding provided between a switching element and a connection point of the eighth switching element; and a tap of the primary winding provided between a connection point of the first capacitor and the second capacitor. a reactor and an input reactor connected to a connection point between the first switching element and the second switching element, one end of the first switching arm on the side of the first switching element and the one end on the side of a third switching element, one end on the side of the first capacitor of the capacitor arm, one end on the side of the fifth switching element of the third switching arm, and one end on the side of the seventh switching element of the fourth switching arm one end of the first switching arm on the second switching element side; one end of the second switching arm on the fourth switching element side; one end of the capacitor arm on the second capacitor side; By commonly connecting one end of the switching arm on the sixth switching element side and one end of the fourth switching arm on the eighth switching element side, the first switching arm, the second switching arm, and the capacitor arm are connected in common. , the third switching arm and the fourth switching arm are connected in parallel, one of the input terminals is connected to the input reactor, and the connection point of the third switching element and the fourth switching element is connected to the input terminal. The other is connected.

本発明に係る電力変換装置の一態様において、前記第2スイッチング素子、前記第4スイッチング素子、前記第6スイッチング素子および前記第8スイッチング素子がオンになっており、前記第1スイッチング素子、前記第3スイッチング素子、前記第5スイッチング素子および前記第7スイッチング素子がオフになっている第1状態、前記第1スイッチング素子および前記第2スイッチング素子のいずれか片方のみオンになっており、前記第4スイッチング素子、前記第5スイッチング素子および前記第8スイッチング素子がオンになっており、前記第3スイッチング素子、前記第6スイッチング素子および前記第7スイッチング素子がオフになっている第2状態、前記第1スイッチング素子、前記第4スイッチング素子、前記第5スイッチング素子および前記第7スイッチング素子がオンになっており、前記第2スイッチング素子、前記第3スイッチング素子、前記第6スイッチング素子および前記第8スイッチング素子がオフになっている第3状態、前記第2スイッチング素子、前記第4スイッチング素子、前記第5スイッチング素子および前記第7スイッチング素子がオンになっており、前記第1スイッチング素子、前記第3スイッチング素子、前記第6スイッチング素子および前記第8スイッチング素子がオフになっている第4状態、前記第1スイッチング素子および前記第2スイッチング素子のいずれか片方のみオンになっており、前記第4スイッチング素子、前記第6スイッチング素子および前記第7スイッチング素子がオンになっており、前記第3スイッチング素子、前記第5スイッチング素子および前記第8スイッチング素子がオフになっている第5状態が、順に実現されてもよい。 In one aspect of the power converter according to the present invention, the second switching element, the fourth switching element, the sixth switching element, and the eighth switching element are turned on, and the first switching element, the 3 switching elements, a first state in which the fifth switching element and the seventh switching element are turned off, only one of the first switching element and the second switching element is turned on, and the fourth switching element is turned on; a second state in which the switching element, the fifth switching element and the eighth switching element are turned on and the third switching element, the sixth switching element and the seventh switching element are turned off; 1 switching element, the fourth switching element, the fifth switching element and the seventh switching element are turned on, and the second switching element, the third switching element, the sixth switching element and the eighth switching element are turned on. A third state in which elements are off, the second switching element, the fourth switching element, the fifth switching element and the seventh switching element are on, the first switching element, the third switching element a fourth state in which the switching element, the sixth switching element and the eighth switching element are turned off; only one of the first switching element and the second switching element is turned on; and the fourth switching A fifth state in which the element, the sixth switching element and the seventh switching element are turned on, and the third switching element, the fifth switching element and the eighth switching element are turned off, is realized in sequence. may be

本発明に係る電力変換装置の一態様において、前記第1状態では、前記第2コンデンサと前記リアクトルとの間を電流が循環し、前記第4状態で、前記第1コンデンサと前記リアクトルとの間を電流が循環してもよい。 In one aspect of the power converter according to the present invention, in the first state, a current circulates between the second capacitor and the reactor, and in the fourth state, between the first capacitor and the reactor. The current may circulate.

本発明に係る電力変換装置の一態様において、前記第1状態では、前記第2コンデンサと前記リアクトルとの間を電流が循環することによって前記第2コンデンサに電圧を形成し、前記第4状態で、前記第1コンデンサと前記リアクトルとの間を電流が循環することによって前記第1コンデンサに電圧を形成してもよい。 In one aspect of the power converter according to the present invention, in the first state, current circulates between the second capacitor and the reactor to form a voltage in the second capacitor, and in the fourth state, , a voltage may be formed in the first capacitor by current circulating between the first capacitor and the reactor.

本発明に係る電力変換装置の一態様において、前記入力端子の間に印加された交流電圧を整流かつ昇圧させた電圧を前記プライマリ巻線へ印加できてもよい。 In one aspect of the power converter according to the present invention, a voltage obtained by rectifying and boosting an AC voltage applied between the input terminals may be applied to the primary winding.

本発明は、搭載するコンデンサの容量が小さく制御が簡素な電力変換装置を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can provide a power converter with a small capacity of a mounted capacitor and simple control.

本発明の実施形態の電力変換装置を含む電力変換システムの回路図である。1 is a circuit diagram of a power conversion system including a power conversion device according to an embodiment of the present invention; FIG. 本実施形態の電力変換装置の第1状態における電流経路を示す図である。It is a figure which shows the current path in the 1st state of the power converter device of this embodiment. 本実施形態の電力変換装置の第2状態における電流経路を示す図である。It is a figure which shows the current path in the 2nd state of the power converter device of this embodiment. 本実施形態の電力変換装置の第3状態における電流経路を示す図である。It is a figure which shows the current path in the 3rd state of the power converter device of this embodiment. 本実施形態の電力変換装置の第4状態における電流経路を示す図である。It is a figure which shows the current path in the 4th state of the power converter device of this embodiment. 本実施形態の電力変換装置の第5状態における電流経路を示す図である。It is a figure which shows the current path in the 5th state of the power converter device of this embodiment. 本実施形態の電力変換装置で第1状態、第2状態、第3状態、第4状態、第5状態の順番に変えた条件でシミュレーションした結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having simulated in the power converter device of this embodiment by the conditions changed in order of the 1st state, the 2nd state, the 3rd state, the 4th state, and the 5th state. 図7にシミュレーションの結果を示す電流および電圧の定義を説明する図である。It is a figure explaining the definition of the current and voltage which show the result of a simulation in FIG. 本実施形態の電力変換装置を低負荷の条件でシミュレーションした結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having simulated the power converter device of this embodiment on the conditions of a low load. 本実施形態の電力変換装置を高負荷の条件でシミュレーションした結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having simulated the power converter device of this embodiment on the conditions of high load. 昇圧用コイルとフルブリッジ回路を用いた電力変換装置の構成を示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing the configuration of a power converter using a boosting coil and a full bridge circuit; 昇圧用コイルとフルブリッジ回路を用いた電力変換装置の動作を説明する図である。It is a figure explaining operation|movement of the power converter device using the coil for boosting and a full-bridge circuit. 図12に示す(1)の期間における電流の流れを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the flow of current in period (1) shown in FIG. 12; 図12に示す(2)の期間における電流の流れを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the current flow during the period (2) shown in FIG. 12; 昇圧用コイルとフルブリッジ回路を用いた電力変換装置でシミュレーションした結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having simulated with the power converter device using the coil for boosting, and a full-bridge circuit.

以下、図1~図10を参照しながら、本発明の実施形態に係る電力変換装置10ついて説明する。本実施形態の電力変換装置10を含む電力変換システム100の回路図を図1に示す。図1に示すように、電力変換システム100は、電力変換装置10および電力変換装置20を備える。 A power converter 10 according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 10. FIG. FIG. 1 shows a circuit diagram of a power conversion system 100 including a power conversion device 10 of this embodiment. As shown in FIG. 1 , the power converter system 100 includes a power converter 10 and a power converter 20 .

電力変換装置10は、第1スイッチングアーム11、第2スイッチングアーム12、コンデンサアームC、第3スイッチングアーム13、第4スイッチングアーム14、プライマリ巻線15、リアクトルL1、入力リアクトルL2、フィルタ用コンデンサ16、正極端子17pおよび負極端子17nを備える。 The power converter 10 includes a first switching arm 11, a second switching arm 12, a capacitor arm C, a third switching arm 13, a fourth switching arm 14, a primary winding 15, a reactor L1, an input reactor L2, and a filtering capacitor 16. , a positive terminal 17p and a negative terminal 17n.

第1スイッチングアーム11は、直列に接続された第1スイッチング素子S1および第2スイッチング素子S2を備える。第2スイッチングアーム12は、直列に接続された第3スイッチング素子S3および第4スイッチング素子S4を備える。第3スイッチングアーム13は、直列に接続された第5スイッチング素子S5および第6スイッチング素子S6を備える。第4スイッチングアーム14は、直列に接続された第7スイッチング素子S7および第8スイッチング素子S8を備える。各スイッチング素子には、IGBT(Insurated Gate Bipolar Transistor)や、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)が用いられてよい。スイッチング素子としてIGBTが用いられる場合、2つのIGBTが直列接続されるとは、一方のIGBTのエミッタ端子に他方のIGBTのコレクタ端子が接続されることをいう。スイッチング素子としてMOSFETが用いられる場合、2つのMOFFETが直列接続されるとは、一方のMOSFETのソース端子に他方のMOSFETのドレイン端子が接続されることをいう。また、各スイッチング素子には、ダイオードが含まれている。スイッチング素子にIGBTが用いられる場合、エミッタ端子にアノード端子が接続され、コレクタ端子にカソード端子が接続されている。スイッチング素子にMOSFETが用いられる場合、ソース端子にアノード端子が接続され、ドレイン端子にカソード端子が接続されている。 The first switching arm 11 comprises a first switching element S1 and a second switching element S2 connected in series. The second switching arm 12 comprises a third switching element S3 and a fourth switching element S4 connected in series. The third switching arm 13 comprises a fifth switching element S5 and a sixth switching element S6 connected in series. The fourth switching arm 14 comprises a seventh switching element S7 and an eighth switching element S8 connected in series. Each switching element may be an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). When IGBTs are used as switching elements, connecting two IGBTs in series means that the emitter terminal of one IGBT is connected to the collector terminal of the other IGBT. When MOSFETs are used as switching elements, connecting two MOSFETs in series means that the source terminal of one MOSFET is connected to the drain terminal of the other MOSFET. Each switching element also includes a diode. When an IGBT is used as the switching element, the anode terminal is connected to the emitter terminal, and the cathode terminal is connected to the collector terminal. When a MOSFET is used as the switching element, the anode terminal is connected to the source terminal, and the cathode terminal is connected to the drain terminal.

第1スイッチングアーム11および第2スイッチングアーム12は、並列に接続されている。つまり、第1スイッチング素子S1の第2スイッチング素子S2とは反対側(図1の上側)の端子と、第3スイッチング素子S3の第4スイッチング素子S4の反対側(図1の上側)の端子とが接続され、第2スイッチング素子S2の第1スイッチング素子S1とは反対側(図1の下側)の端子と、第4スイッチング素子S4の第3スイッチング素子S3の反対側(図1の下側)の端子とが接続されている。このように第1スイッチングアーム11および第2スイッチングアーム12が並列に接続されることによって、第1フルブリッジインバータFBI1を構成している。 The first switching arm 11 and the second switching arm 12 are connected in parallel. That is, the terminal of the first switching element S1 opposite to the second switching element S2 (upper side in FIG. 1) and the terminal of the third switching element S3 opposite to the fourth switching element S4 (upper side in FIG. 1). are connected to the terminal of the second switching element S2 opposite to the first switching element S1 (lower side in FIG. 1) and the terminal of the fourth switching element S4 opposite to the third switching element S3 (lower side in FIG. 1). ) are connected. By connecting the first switching arm 11 and the second switching arm 12 in parallel in this manner, the first full bridge inverter FBI1 is configured.

第3スイッチングアーム13および第4スイッチングアーム14は、並列に接続されている。つまり、第5スイッチング素子S5の第6スイッチング素子S6とは反対側の端子(上側の端子)と、第7スイッチング素子S7の第8スイッチング素子S8の反対側の端子(上側の端子)とが接続され、第6スイッチング素子S6の第5スイッチング素子S5とは反対側の端子(下側の端子)と、第8スイッチング素子S8の第7スイッチング素子S7の反対側の端子(下側の端子)とが接続されている。このように第3スイッチングアーム13および第4スイッチングアーム14が並列に接続されることによって、第2フルブリッジインバータFBI2を構成している。 The third switching arm 13 and the fourth switching arm 14 are connected in parallel. That is, the terminal (upper terminal) of the fifth switching element S5 opposite to the sixth switching element S6 (upper terminal) is connected to the terminal (upper terminal) of the seventh switching element S7 opposite to the eighth switching element S8. and the terminal (lower terminal) of the sixth switching element S6 opposite to the fifth switching element S5 (lower terminal) and the terminal (lower terminal) of the eighth switching element S8 opposite to the seventh switching element S7. is connected. By connecting the third switching arm 13 and the fourth switching arm 14 in parallel in this manner, the second full bridge inverter FBI2 is configured.

コンデンサアームCは、直列に接続された第1コンデンサC1および第2コンデンサC2を備える。そして、コンデンサアームCは、第1フルブリッジインバータFBI1および第2フルブリッジインバータFBI2と並列に接続されている。つまり、コンデンサアームCは、第1スイッチングアーム11および第2スイッチングアーム12の2つの並列接続点の間に接続されており、更に、第3スイッチングアーム13および第4スイッチングアーム14の2つの並列接続点の間にも接続されている。 Capacitor arm C comprises a first capacitor C1 and a second capacitor C2 connected in series. The capacitor arm C is connected in parallel with the first full bridge inverter FBI1 and the second full bridge inverter FBI2. That is, the capacitor arm C is connected between the two parallel connection points of the first switching arm 11 and the second switching arm 12, and the two parallel connections of the third switching arm 13 and the fourth switching arm 14. points are also connected.

第1スイッチング素子S1および第2スイッチング素子S2の接続点には、入力リアクトルL2の一端が接続されている。そして、入力リアクトルL2の他端には、フィルタ用コンデンサ16及び正極端子17pが接続されている。また、第3スイッチング素子S3および第4スイッチング素子S4の接続点には、フィルタ用コンデンサ16及び負極端子17nが接続されている。 One end of an input reactor L2 is connected to a connection point between the first switching element S1 and the second switching element S2. A filtering capacitor 16 and a positive terminal 17p are connected to the other end of the input reactor L2. A filter capacitor 16 and a negative terminal 17n are connected to a connection point between the third switching element S3 and the fourth switching element S4.

第5スイッチング素子S5及び第6スイッチング素子S6の接続点と、第7スイッチング素子S7及び第8スイッチング素子S8の接続点との間には、プライマリ巻線15が接続されている。そして、プライマリ巻線15を構成する導線の中途の点に設けられたタップと、第1コンデンサC1および第2コンデンサC2の接続点との間には、リアクトルL1が接続されている。タップは、プライマリ巻線15を構成する導線の中点にあるセンタータップであってもよい。 A primary winding 15 is connected between a connection point between the fifth switching element S5 and the sixth switching element S6 and a connection point between the seventh switching element S7 and the eighth switching element S8. A reactor L1 is connected between a tap provided at an intermediate point of the lead wire forming the primary winding 15 and a connection point between the first capacitor C1 and the second capacitor C2. The tap may be a center tap at the midpoint of the conductors that make up the primary winding 15 .

各スイッチング素子にIGBT、MOSFET等が用いられる点、各スイッチング素子がダイオードを含む点、スイッチング素子の直列接続の定義については、以下に述べるスイッチング素子についても同様である。 The use of IGBT, MOSFET, etc. for each switching element, the inclusion of a diode in each switching element, and the definition of series connection of switching elements are the same for the switching elements described below.

電力変換装置20は、スイッチングアーム21、スイッチングアーム22、コンデンサC3、セカンダリ巻線23、正極端子24pおよび負極端子24nを備える。 The power conversion device 20 includes a switching arm 21, a switching arm 22, a capacitor C3, a secondary winding 23, a positive terminal 24p and a negative terminal 24n.

スイッチングアーム21は、直列に接続された第9スイッチング素子S9および第10スイッチング素子S10を備える。スイッチングアーム22は、直列に接続された第11スイッチング素子S11および第12スイッチング素子S12を備える。スイッチングアーム21およびスイッチングアーム22は、並列に接続されている。つまり、第9スイッチング素子S9の第10スイッチング素子S10とは反対側(図1の上側)の端子と、第11スイッチング素子S11の第12スイッチング素子S12の反対側(図1の上側)の端子とが接続され、第10スイッチング素子S10の第9スイッチング素子S9とは反対側(図1の下側)の端子と、第12スイッチング素子S12の第11スイッチング素子S11の反対側(図1の下側)の端子とが接続されている。このようにスイッチングアーム21およびスイッチングアーム22が並列に接続されることによって、第3フルブリッジインバータFBI3を構成している。 The switching arm 21 comprises a ninth switching element S9 and a tenth switching element S10 connected in series. The switching arm 22 comprises an eleventh switching element S11 and a twelfth switching element S12 connected in series. Switching arm 21 and switching arm 22 are connected in parallel. That is, the terminal of the ninth switching element S9 opposite to the tenth switching element S10 (upper side in FIG. 1) and the terminal of the eleventh switching element S11 opposite to the twelfth switching element S12 (upper side in FIG. 1). are connected to the terminal of the tenth switching element S10 opposite to the ninth switching element S9 (lower side in FIG. 1) and the terminal of the 12th switching element S12 opposite to the eleventh switching element S11 (lower side in FIG. 1). ) are connected. By connecting the switching arm 21 and the switching arm 22 in parallel in this manner, the third full bridge inverter FBI3 is configured.

第9スイッチング素子S9および第10スイッチング素子S10の接続点と、第11スイッチング素子S11及び第12スイッチング素子S12の接続点との間には、セカンダリ巻線23が接続されている。セカンダリ巻線23は、プライマリ巻線15に結合し、プライマリ巻線15と共にトランスを構成する。 A secondary winding 23 is connected between a connection point between the ninth switching element S9 and the tenth switching element S10 and a connection point between the eleventh switching element S11 and the twelfth switching element S12. Secondary winding 23 is coupled to primary winding 15 and together with primary winding 15 forms a transformer.

コンデンサC3は、第3フルブリッジインバータFBI3と並列に接続されている。つまり、コンデンサC3は、スイッチングアーム21およびスイッチングアーム22の2つの並列接続点の間に接続されている。そして、スイッチングアーム21、スイッチングアーム22及びコンデンサC3の片側(図1の上側)の並列接続点は正極端子24pに接続され、スイッチングアーム21、スイッチングアーム22及びコンデンサC3の反対側(図1の下側)の並列接続点は負極端子24nに接続されている。 A capacitor C3 is connected in parallel with the third full bridge inverter FBI3. That is, capacitor C3 is connected between the two parallel connection points of switching arm 21 and switching arm 22 . A parallel connection point on one side (upper side in FIG. 1) of the switching arm 21, the switching arm 22 and the capacitor C3 is connected to the positive terminal 24p, and the opposite side of the switching arm 21, the switching arm 22 and the capacitor C3 (lower side in FIG. 1) side) is connected to the negative terminal 24n.

電力変換装置10の正極端子17pと負極端子17nとの間には、交流電圧Vacが印加される。電力変換装置20の正極端子24pと負極端子24nとの間には、負荷が接続される。なお、電力変換装置20の構成は、特に限定されるものではなく、電力変換装置10のプライマリ巻線15と磁気的に結合するセカンダリ巻線23を備え、負荷に電力を供給するための回路であればよい。 An AC voltage Vac is applied between the positive terminal 17p and the negative terminal 17n of the power converter 10 . A load is connected between the positive terminal 24p and the negative terminal 24n of the power converter 20 . The configuration of the power conversion device 20 is not particularly limited, and is a circuit that includes a secondary winding 23 magnetically coupled to the primary winding 15 of the power conversion device 10 and supplies power to a load. I wish I had.

電力変換装置10では、時間の経過と共に、以下に説明する第1状態、第2状態、第3状態、第4状態、第5状態の順番に状態が変わる。電力変換装置10では、この順番に第1状態から第5状態まで切り換わる過程が繰り返される。図2~図6は、それぞれ第1状態、第2状態、第3状態、第4状態、第5状態のときに電力変換装置10に流れる電流の状態を示している。 In the power electronics device 10, the states change in order of the first state, the second state, the third state, the fourth state, and the fifth state described below as time elapses. In the power electronics device 10, the process of switching from the first state to the fifth state is repeated in this order. 2 to 6 show states of current flowing through the power conversion device 10 in the first state, second state, third state, fourth state, and fifth state, respectively.

図7は、電力変換装置10を、第1状態、第2状態、第3状態、第4状態、第5状態の順番に切り換えたときのコンデンサ前電流Iac、入力コンデンサ電圧Vc、トランス電流Itrおよびトランス電圧Vtrについてシミュレーションした結果を示す。図7に示す(1)のタイミングで第1状態となり、図7に示す(2)の期間が第2状態であり、図7に示す(3)の期間が第3状態であり、図7に示す(4)の期間が第4状態であり、図7に示す(5)の期間が第5状態である。また、図7には、第1スイッチング素子S1から第8スイッチング素子S8までの8個のスイッチング素子のオンとオフの状態を示す。図7では、各スイッチング素子のオンオフ信号がハイ状態のときにオン、ロー状態のときにオフを示している。 7 shows current Iac before capacitor, input capacitor voltage Vc, transformer current Itr and The result of simulating the transformer voltage Vtr is shown. The first state is entered at the timing (1) shown in FIG. 7, the second state is during the period (2) shown in FIG. 7, and the third state is during the period (3) shown in FIG. The period (4) shown in FIG. 7 is the fourth state, and the period (5) shown in FIG. 7 is the fifth state. FIG. 7 also shows the ON and OFF states of eight switching elements from the first switching element S1 to the eighth switching element S8. In FIG. 7, when the on/off signal of each switching element is in a high state, it is on, and when it is in a low state, it is off.

ここで、図7にシミュレーション波形を示したコンデンサ前電流Iac、入力コンデンサ電圧Vc、トランス電流Itrおよびトランス電圧Vtrの定義について、図8を用いて以下に説明する。コンデンサ前電流Iacは、フルブリッジインバータFBI1からコンデンサアームCおよび第2フルブリッジインバータFBI2へ流れ込む電流である。入力コンデンサ電圧Vcは、第1コンデンサC1の電圧Vc1と第2コンデンサC2の電圧Vc2とを合計した電圧である。トランス電流Itrは、プライマリ巻線15の一端から他端に向けてプライマリ巻線15を流れる電流であり、トランス電圧Vtrはプライマリ巻線15の両端に印加される電圧である。 Definitions of the pre-capacitor current Iac, the input capacitor voltage Vc, the transformer current Itr, and the transformer voltage Vtr whose simulation waveforms are shown in FIG. 7 will now be described with reference to FIG. Pre-capacitor current Iac is a current that flows from full-bridge inverter FBI1 to capacitor arm C and second full-bridge inverter FBI2. The input capacitor voltage Vc is the sum of the voltage Vc1 of the first capacitor C1 and the voltage Vc2 of the second capacitor C2. A transformer current Itr is a current that flows through the primary winding 15 from one end to the other end of the primary winding 15 , and a transformer voltage Vtr is a voltage applied across the primary winding 15 .

第1状態とは、第2スイッチング素子S2、第4スイッチング素子S4、第6スイッチング素子S6および第8スイッチング素子S8がオンになっており、第1スイッチング素子S1、第3スイッチング素子S3、第5スイッチング素子S5および第7スイッチング素子S7がオフになっている状態である。 The first state means that the second switching element S2, the fourth switching element S4, the sixth switching element S6 and the eighth switching element S8 are turned on, and the first switching element S1, the third switching element S3 and the fifth switching element S1 are turned on. This is a state in which the switching element S5 and the seventh switching element S7 are turned off.

第1状態における電力変換装置10の電流の流れを図2に破線の矢印で示す。第1状態では、第1フルブリッジインバータFBI1において第2スイッチング素子S2および第4スイッチング素子S4を電流が流れることで入力リアクトルL2が充電される。そして、第2フルブリッジインバータFBI2では、第6スイッチング素子S6および第8スイッチング素子S8がオンとなっており、プライマリ巻線15の両端がショートされているため、トランス電圧Vtrがゼロとなる。そのため第2コンデンサC2からリアクトルL1を経由してプライマリ巻線15のタップで分岐して第6スイッチング素子S6または第8スイッチング素子S8を経由して第2コンデンサC2へ戻る経路で電流が流れる。すなわち、第2コンデンサC2、リアクトルL1およびプライマリ巻線15の間を電流が循環し、第2コンデンサC2に電圧が印加される。 The flow of current in the power converter 10 in the first state is indicated by dashed arrows in FIG. In the first state, current flows through the second switching element S2 and the fourth switching element S4 in the first full bridge inverter FBI1, thereby charging the input reactor L2. In the second full-bridge inverter FBI2, the sixth switching element S6 and the eighth switching element S8 are turned on, and both ends of the primary winding 15 are shorted, so the transformer voltage Vtr becomes zero. Therefore, a current flows from the second capacitor C2 via the reactor L1, branches at the tap of the primary winding 15, and returns to the second capacitor C2 via the sixth switching element S6 or the eighth switching element S8. That is, current circulates between second capacitor C2, reactor L1 and primary winding 15, and voltage is applied to second capacitor C2.

第2状態とは、第1スイッチング素子S1および第2スイッチング素子S2のいずれか片方のみオンになっており、第4スイッチング素子S4、第5スイッチング素子S5および第8スイッチング素子S8がオンになっており、第3スイッチング素子S3、第6スイッチング素子S6および第7スイッチング素子S7がオフになっている状態である。 The second state means that only one of the first switching element S1 and the second switching element S2 is turned on, and the fourth switching element S4, the fifth switching element S5 and the eighth switching element S8 are turned on. , and the third switching element S3, the sixth switching element S6, and the seventh switching element S7 are turned off.

第1スイッチング素子S1をオンとして第2スイッチング素子S2をオフとした第2状態における電力変換装置10の電流の流れを図3に破線の矢印で示す。第2状態では、第1フルブリッジインバータFBI1において第1スイッチング素子S1および第4スイッチング素子S4を電流が流れることで入力リアクトルL2が放電され、第1コンデンサC1および第2コンデンサC2が充電される。そして、第2フルブリッジインバータFBI2においてプライマリ巻線15の両端にトランス電圧Vtrが印加され、プライマリ巻線15にトランス電流Itrが流れる。この場合、コンデンサアームCでは、入力リアクトルL2から流入する充電電流とプライマリ巻線15へ流出する放電電流が打ち消し合い、入力リアクトルL2から直接プライマリ巻線15へ電流が流れる。そのため、第2状態では、図7に示すように、入力コンデンサ電圧Vcが上昇し、負荷へ電力が提供されてトランス電流Itrが大きくなっていく。 FIG. 3 shows the flow of current in the power conversion device 10 in the second state in which the first switching element S1 is turned on and the second switching element S2 is turned off. In the second state, current flows through the first switching element S1 and the fourth switching element S4 in the first full-bridge inverter FBI1, thereby discharging the input reactor L2 and charging the first capacitor C1 and the second capacitor C2. A transformer voltage Vtr is applied across the primary winding 15 in the second full-bridge inverter FBI2, and a transformer current Itr flows through the primary winding 15. FIG. In this case, in the capacitor arm C, the charging current flowing in from the input reactor L2 and the discharging current flowing out to the primary winding 15 cancel each other out, and the current flows directly from the input reactor L2 to the primary winding 15. Therefore, in the second state, as shown in FIG. 7, the input capacitor voltage Vc increases, power is supplied to the load, and the transformer current Itr increases.

なお、第2状態では、第1スイッチング素子S1をオフ、第2スイッチング素子S2をオンとしてもよい。この場合、後述する第5状態と同様に、第1コンデンサC1および第2コンデンサC2により、プライマリ巻線15の両端にトランス電圧Vtrが印加されるため、プライマリ巻線15にトランス電流Itrが流れる。 In the second state, the first switching element S1 may be turned off and the second switching element S2 may be turned on. In this case, the transformer voltage Vtr is applied across the primary winding 15 by the first capacitor C1 and the second capacitor C2, as in the fifth state described later, so that the transformer current Itr flows through the primary winding 15 .

第3状態とは、第1スイッチング素子S1、第4スイッチング素子S4、第5スイッチング素子S5および第7スイッチング素子S7がオンになっており、第2スイッチング素子S2、第3スイッチング素子S3、第6スイッチング素子S6および第8スイッチング素子S8がオフになっている状態である。 The third state means that the first switching element S1, the fourth switching element S4, the fifth switching element S5 and the seventh switching element S7 are turned on, and the second switching element S2, the third switching element S3 and the sixth switching element S3 are turned on. This is a state in which the switching element S6 and the eighth switching element S8 are turned off.

第3状態における電力変換装置10の電流の流れを図4に破線の矢印で示す。第3状態では、第1フルブリッジインバータFBI1で第1スイッチング素子S1および第4スイッチング素子S4を電流が流れることによって、入力リアクトルL2が放電され、第1コンデンサC1および第2コンデンサC2が充電される。そして、第2フルブリッジインバータFBI2では、プライマリ巻線15の両端がショートされているため、トランス電圧Vtrはゼロとなる。したがって、第1コンデンサC1から第6スイッチング素子S6または第8スイッチング素子S8を経由してプライマリ巻線15のタップで合流してリアクトルL1を経由して第1コンデンサC1へ戻る経路で電流が流れる。すなわち、第1コンデンサC1、リアクトルL1およびプライマリ巻線15の間を電流が循環する。第3状態では、入力リアクトルL2の放電電流が第1コンデンサC1および第2コンデンサC2に流入するため、図7に示すように、入力コンデンサ電圧Vcが上昇する。 The flow of current in the power converter 10 in the third state is indicated by dashed arrows in FIG. In the third state, current flows through the first switching element S1 and the fourth switching element S4 in the first full-bridge inverter FBI1, thereby discharging the input reactor L2 and charging the first capacitor C1 and the second capacitor C2. . In the second full-bridge inverter FBI2, both ends of the primary winding 15 are short-circuited, so the transformer voltage Vtr becomes zero. Therefore, current flows from the first capacitor C1 via the sixth switching element S6 or the eighth switching element S8, joins at the tap of the primary winding 15, and returns to the first capacitor C1 via the reactor L1. That is, current circulates between first capacitor C1, reactor L1 and primary winding 15. FIG. In the third state, the discharge current of input reactor L2 flows into first capacitor C1 and second capacitor C2, so that input capacitor voltage Vc increases as shown in FIG.

第4状態とは、第2スイッチング素子S2、第4スイッチング素子S4、第5スイッチング素子S5および第7スイッチング素子S7がオンになっており、第1スイッチング素子S1、第3スイッチング素子S3、第6スイッチング素子S6および第8スイッチング素子S8がオフになっている状態である。 The fourth state means that the second switching element S2, the fourth switching element S4, the fifth switching element S5, and the seventh switching element S7 are turned on, and the first switching element S1, the third switching element S3, and the sixth switching element S7 are turned on. This is a state in which the switching element S6 and the eighth switching element S8 are turned off.

第4状態における電力変換装置10の電流の流れを図5に破線の矢印で示す。第4状態では、図5に示すように、第1フルブリッジインバータFBI1で第1スイッチング素子S1および第4スイッチング素子S4を電流が流れることによって、入力リアクトルL2を充電する。そして、第2フルブリッジインバータFBI2では、第5スイッチング素子S5および第7スイッチング素子S7がオンとなっており、第3状態と同様に電流が第1コンデンサC1、リアクトルL1およびプライマリ巻線15の間を循環するため、第1コンデンサC1に電圧を形成する。 The flow of current in the power converter 10 in the fourth state is indicated by dashed arrows in FIG. In the fourth state, as shown in FIG. 5, current flows through the first switching element S1 and the fourth switching element S4 in the first full bridge inverter FBI1, thereby charging the input reactor L2. In the second full-bridge inverter FBI2, the fifth switching element S5 and the seventh switching element S7 are turned on, and the current flows between the first capacitor C1, the reactor L1 and the primary winding 15 as in the third state. , forming a voltage across the first capacitor C1.

第5状態とは、第1スイッチング素子S1および第2スイッチング素子S2のいずれか片方のみオンになっており、第4スイッチング素子S4、第6スイッチング素子S6および第7スイッチング素子S7がオンになっており、第3スイッチング素子S3、第5スイッチング素子S5および第8スイッチング素子S8がオフになっている状態である。 In the fifth state, only one of the first switching element S1 and the second switching element S2 is turned on, and the fourth switching element S4, the sixth switching element S6 and the seventh switching element S7 are turned on. , and the third switching element S3, the fifth switching element S5 and the eighth switching element S8 are turned off.

第1スイッチング素子S1をオフとして第2スイッチング素子S2をオンとした第5状態における電力変換装置10の電流の流れを図6に破線の矢印で示す。第5状態では、第1フルブリッジインバータFBI1で第2スイッチング素子S2および第4スイッチング素子S4を電流が流れることによって、入力リアクトルL2が充電される。そして、第2フルブリッジインバータFBI2では、第6スイッチング素子S6及び第7スイッチング素子S7を通る電流経路が形成される。これによって、第1コンデンサC1および第2コンデンサC2からプライマリ巻線15の両端にトランス電圧Vtrが印加され、プライマリ巻線15にトランス電流Itrが流れる。そのため、図7に示すように、入力コンデンサ電圧Vcが下降する。 FIG. 6 shows the flow of current in the power conversion device 10 in the fifth state in which the first switching element S1 is turned off and the second switching element S2 is turned on. In the fifth state, current flows through the second switching element S2 and the fourth switching element S4 in the first full bridge inverter FBI1, thereby charging the input reactor L2. In the second full bridge inverter FBI2, a current path is formed through the sixth switching element S6 and the seventh switching element S7. As a result, the transformer voltage Vtr is applied across the primary winding 15 from the first capacitor C1 and the second capacitor C2, and the transformer current Itr flows through the primary winding 15 . Therefore, as shown in FIG. 7, the input capacitor voltage Vc drops.

なお、第5状態は、第1スイッチング素子S1がオンで第2スイッチング素子S2をオフであってもよい。この場合、第1スイッチング素子S1をオンとして第2スイッチング素子S2をオフとした第2状態と同様に、コンデンサアームCでは、入力リアクトルL2から流入する充電電流とプライマリ巻線15へ流出する放電電流が打ち消し合い、入力リアクトルL2から直接プライマリ巻線15へ電流が流れる。 In the fifth state, the first switching element S1 may be on and the second switching element S2 may be off. In this case, similarly to the second state in which the first switching element S1 is turned on and the second switching element S2 is turned off, in the capacitor arm C, the charging current flowing in from the input reactor L2 and the discharging current flowing out to the primary winding 15 cancel each other out, and the current flows directly from the input reactor L2 to the primary winding 15 .

第1状態から第5状態までの5つの状態は、電力伝送期間(第2状態と第5状態)、電圧制御期間(第3状態)および循環期間(第1状態と第4状態)の3つの期間に分類することができる。電力伝送期間は、プライマリ巻線15にトランス電圧Vtrが印加され、トランス電流Itrが流れ、電力変換装置20との間で電力が伝送される期間である。電圧制御期間は、入力リアクトルL2の放電によってコンデンサアームCに対して充電が行われ、入力コンデンサ電圧Vcが制御される。循環期間では、第1コンデンサC1または第2コンデンサC2とプライマリ巻線15との間で電流を循環させて、入力コンデンサ電圧Vcが維持される。 The five states from the first state to the fifth state are divided into three periods: power transfer period (second state and fifth state), voltage control period (third state) and circulation period (first state and fourth state). It can be categorized into periods. The power transmission period is a period during which the transformer voltage Vtr is applied to the primary winding 15 , the transformer current Itr flows, and power is transmitted to and from the power converter 20 . During the voltage control period, the capacitor arm C is charged by the discharge of the input reactor L2, and the input capacitor voltage Vc is controlled. During the circulation period, current is circulated between the first capacitor C1 or the second capacitor C2 and the primary winding 15 to maintain the input capacitor voltage Vc.

このように、電力変換装置10では、トランスへの電力供給を大きくしたいときは、電力伝送期間の頻度を増やし、トランスへの電力供給を小さくしたいときは、電力伝送期間の頻度を減らす。例えば、低負荷の場合は、トランスへの電力供給が小さくてよいため、電力伝送期間の動作頻度を少なくする。高負荷の場合は、トランスへの電力供給を大きくする必要があるため、電力伝送期間の動作頻度を増加させる。 Thus, in the power converter 10, the frequency of the power transmission period is increased when the power supply to the transformer is desired to be increased, and the frequency of the power transmission period is decreased when the power supply to the transformer is desired to be decreased. For example, when the load is low, a small amount of power may be supplied to the transformer, so the operating frequency during the power transmission period is reduced. In the case of a high load, it is necessary to increase the power supply to the transformer, so the operating frequency during the power transmission period is increased.

コンデンサ前電流Iac、入力コンデンサ電圧Vc、トランス電流Itrおよびトランス電圧Vtrについて、低負荷の条件でシミュレーションした結果を図9に示し、高負荷の条件でシミュレーションした結果を図10に示す。図9に示すように、低負荷の条件では電力伝送期間の動作頻度が少なく、電圧制御期間および循環期間によって第1コンデンサC1および第2コンデンサC2の電圧を制御している。そして、図10に示すように、高負荷の条件では、電力伝送期間の動作頻度を増加することにより、トランスへの電力供給を増やしている。 FIG. 9 shows the results of simulation under low-load conditions, and FIG. 10 shows the results of simulation under high-load conditions for the current Iac before the capacitor, the input capacitor voltage Vc, the transformer current Itr, and the transformer voltage Vtr. As shown in FIG. 9, under low load conditions, the frequency of operation during the power transmission period is low, and the voltages of the first capacitor C1 and the second capacitor C2 are controlled by the voltage control period and the circulation period. Then, as shown in FIG. 10, under high load conditions, the power supply to the transformer is increased by increasing the operation frequency during the power transmission period.

電力変換装置10は、電力伝送期間において、第1コンデンサC1および第2コンデンサC2からトランスへ電力を供給するのではなく、入力リアクトルL2から直接プライマリ巻線15へ電流を流すことが可能であるため、第1コンデンサC1および第2コンデンサC2の充放電量を減らすことができる。また、電力変換装置10は、電力伝送期間の動作頻度の増減により、コンデンサ前電流Iacを制御することにより、入力コンデンサ電圧Vcを制御できるため、第1コンデンサC1および第2コンデンサC2の充放電量を減らすことができる。そのため、電力変換装置10では、搭載するコンデンサの容量を小さくすることができる。また、電力変換装置10は、このような簡素な制御により、正極端子17pと負極端子17nとの間に印加された交流電圧を整流かつ昇圧させた電圧をプライマリ巻線15へ印加することができる。 During the power transmission period, the power conversion device 10 can flow current directly from the input reactor L2 to the primary winding 15 instead of supplying power from the first capacitor C1 and the second capacitor C2 to the transformer. , the amount of charging and discharging of the first capacitor C1 and the second capacitor C2 can be reduced. In addition, since the power conversion device 10 can control the input capacitor voltage Vc by controlling the current Iac before the capacitor by increasing or decreasing the operation frequency during the power transmission period, the charge/discharge amount of the first capacitor C1 and the second capacitor C2 is can be reduced. Therefore, in the power conversion device 10, the capacitance of the mounted capacitor can be reduced. In addition, with such simple control, the power converter 10 can apply to the primary winding 15 a voltage obtained by rectifying and boosting the AC voltage applied between the positive terminal 17p and the negative terminal 17n. .

10 電力変換装置、11 第1スイッチングアーム、12 第2スイッチングアーム、13 第3スイッチングアーム、14 第4スイッチングアーム、15 プライマリ巻線、16 フィルタ用コンデンサ、17p 正極端子、17n 負極端子、20 電力変換装置、21,22 スイッチングアーム、23 セカンダリ巻線、24p 正極端子、24n 負極端子、100 電力変換システム、200 電力変換装置、C コンデンサアーム、C1 第1コンデンサ、C2 第2コンデンサ、C3 コンデンサ、FBI1 第1フルブリッジインバータ、FBI2 第2フルブリッジインバータ、FBI3 第3フルブリッジインバータ、L1 リアクトル、L2 入力リアクトル、S1 第1スイッチング素子、S2 第2スイッチング素子、S3 第3スイッチング素子、S4 第4スイッチング素子、S5 第5スイッチング素子、S6 第6スイッチング素子、S7 第7スイッチング素子、S8 第8スイッチング素子、S9 第9スイッチング素子、S10 第10スイッチング素子、S11 第11スイッチング素子、S12 第12スイッチング素子。
10 power converter, 11 first switching arm, 12 second switching arm, 13 third switching arm, 14 fourth switching arm, 15 primary winding, 16 filter capacitor, 17p positive terminal, 17n negative terminal, 20 power conversion device, 21, 22 switching arm, 23 secondary winding, 24p positive terminal, 24n negative terminal, 100 power conversion system, 200 power conversion device, C capacitor arm, C1 first capacitor, C2 second capacitor, C3 capacitor, FBI1 second 1 full bridge inverter, FBI2 second full bridge inverter, FBI3 third full bridge inverter, L1 reactor, L2 input reactor, S1 first switching element, S2 second switching element, S3 third switching element, S4 fourth switching element, S5 fifth switching element, S6 sixth switching element, S7 seventh switching element, S8 eighth switching element, S9 ninth switching element, S10 tenth switching element, S11 eleventh switching element, S12 twelfth switching element.

Claims (5)

直列に接続された第1スイッチング素子および第2スイッチング素子を備える第1スイッチングアームと、
直列に接続された第3スイッチング素子および第4スイッチング素子を備える第2スイッチングアームと、
直列に接続された第1コンデンサおよび第2コンデンサを備えるコンデンサアームと、
直列に接続された第5スイッチング素子および第6スイッチング素子を備える第3スイッチングアームと、
直列に接続された第7スイッチング素子および第8スイッチング素子を備える第4スイッチングアームと、
セカンダリ巻線に磁気的に結合するプライマリ巻線であって、前記第5スイッチング素子および前記第6スイッチング素子の接続点と、前記第7スイッチング素子および前記第8スイッチング素子の接続点との間に設けられたプライマリ巻線と、
前記プライマリ巻線のタップと、前記第1コンデンサおよび前記第2コンデンサの接続点との間に設けられたリアクトルと、
前記第1スイッチング素子および前記第2スイッチング素子の接続点に接続された入力リアクトルと、を備え、
前記第1スイッチングアームの前記第1スイッチング素子側の一端、前記第2スイッチングアームの前記第3スイッチング素子側の一端、前記コンデンサアームの前記第1コンデンサ側の一端、前記第3スイッチングアームの前記第5スイッチング素子側の一端および前記第4スイッチングアームの前記第7スイッチング素子側の一端が共通に接続され、前記第1スイッチングアームの前記第2スイッチング素子側の一端、前記第2スイッチングアームの前記第4スイッチング素子側の一端、前記コンデンサアームの前記第2コンデンサ側の一端、前記第3スイッチングアームの前記第6スイッチング素子側の一端および前記第4スイッチングアームの前記第8スイッチング素子側の一端が共通に接続されることで、前記第1スイッチングアーム、前記第2スイッチングアーム、前記コンデンサアーム、前記第3スイッチングアームおよび前記第4スイッチングアームが並列接続されており、
前記入力リアクトルに入力端子の一方が接続され、前記第3スイッチング素子および前記第4スイッチング素子の接続点に前記入力端子の他方が接続されていることを特徴とする電力変換装置。
a first switching arm comprising a first switching element and a second switching element connected in series;
a second switching arm comprising a third switching element and a fourth switching element connected in series;
a capacitor arm comprising a first capacitor and a second capacitor connected in series;
a third switching arm comprising a fifth switching element and a sixth switching element connected in series;
a fourth switching arm comprising a seventh switching element and an eighth switching element connected in series;
A primary winding magnetically coupled to the secondary winding, between a connection point of the fifth switching element and the sixth switching element and a connection point of the seventh switching element and the eighth switching element a primary winding provided;
a reactor provided between a tap of the primary winding and a connection point between the first capacitor and the second capacitor;
an input reactor connected to a connection point between the first switching element and the second switching element;
One end of the first switching arm on the side of the first switching element, one end of the second switching arm on the side of the third switching element, one end of the capacitor arm on the side of the first capacitor, the third switching arm of the third switching arm. 5 switching element side and one end of the fourth switching arm on the seventh switching element side are connected in common, and one end of the first switching arm on the second switching element side and the first switching element side of the second switching arm are connected in common. One end on the 4 switching element side, one end on the second capacitor side of the capacitor arm, one end on the sixth switching element side of the third switching arm, and one end on the eighth switching element side of the fourth switching arm are common. By connecting to, the first switching arm, the second switching arm, the capacitor arm, the third switching arm and the fourth switching arm are connected in parallel,
A power converter, wherein one of input terminals is connected to the input reactor, and the other of the input terminals is connected to a connection point between the third switching element and the fourth switching element.
請求項1に記載の電力変換装置であって、
前記第2スイッチング素子、前記第4スイッチング素子、前記第6スイッチング素子および前記第8スイッチング素子がオンになっており、前記第1スイッチング素子、前記第3スイッチング素子、前記第5スイッチング素子および前記第7スイッチング素子がオフになっている第1状態、
前記第1スイッチング素子および前記第2スイッチング素子のいずれか片方のみオンになっており、前記第4スイッチング素子、前記第5スイッチング素子および前記第8スイッチング素子がオンになっており、前記第3スイッチング素子、前記第6スイッチング素子および前記第7スイッチング素子がオフになっている第2状態、
前記第1スイッチング素子、前記第4スイッチング素子、前記第5スイッチング素子および前記第7スイッチング素子がオンになっており、前記第2スイッチング素子、前記第3スイッチング素子、前記第6スイッチング素子および前記第8スイッチング素子がオフになっている第3状態、
前記第2スイッチング素子、前記第4スイッチング素子、前記第5スイッチング素子および前記第7スイッチング素子がオンになっており、前記第1スイッチング素子、前記第3スイッチング素子、前記第6スイッチング素子および前記第8スイッチング素子がオフになっている第4状態、
前記第1スイッチング素子および前記第2スイッチング素子のいずれか片方のみオンになっており、前記第4スイッチング素子、前記第6スイッチング素子および前記第7スイッチング素子がオンになっており、前記第3スイッチング素子、前記第5スイッチング素子および前記第8スイッチング素子がオフになっている第5状態が、順に実現されることを特徴とする電力変換装置。
The power converter according to claim 1,
The second switching element, the fourth switching element, the sixth switching element and the eighth switching element are turned on, and the first switching element, the third switching element, the fifth switching element and the third switching element are switched on. 7 a first state in which the switching element is off;
Only one of the first switching element and the second switching element is turned on, the fourth switching element, the fifth switching element and the eighth switching element are turned on, and the third switching element is turned on. a second state in which the element, the sixth switching element and the seventh switching element are turned off;
The first switching element, the fourth switching element, the fifth switching element and the seventh switching element are turned on, and the second switching element, the third switching element, the sixth switching element and the third switching element are turned on. 8 a third state in which the switching element is off;
The second switching element, the fourth switching element, the fifth switching element and the seventh switching element are turned on, and the first switching element, the third switching element, the sixth switching element and the third switching element are turned on. 8 a fourth state in which the switching element is off;
Only one of the first switching element and the second switching element is turned on, the fourth switching element, the sixth switching element and the seventh switching element are turned on, and the third switching element is turned on. A power converter, wherein a fifth state in which an element, the fifth switching element and the eighth switching element are turned off is realized in order.
請求項2に記載の電力変換装置であって、
前記第2状態または前記第5状態では、前記第1スイッチング素子をオンとして前記第2スイッチング素子をオフとした場合、前記入力リアクトルから前記コンデンサアームへ流入する充電電流と前記コンデンサアームから前記プライマリ巻線へ流出する放電電流とが打ち消し合い、前記入力リアクトルから前記プライマリ巻線へ直接電流が流れることを特徴とする電力変換装置。
The power converter according to claim 2,
In the second state or the fifth state, when the first switching element is turned on and the second switching element is turned off, the charging current flowing from the input reactor to the capacitor arm and the primary winding from the capacitor arm A power conversion device characterized in that a current flows directly from the input reactor to the primary winding, canceling out a discharge current that flows out to a line.
請求項2または3に記載の電力変換装置であって、
前記第1状態では、前記第2コンデンサと前記リアクトルとの間を電流が循環し、
前記第4状態で、前記第1コンデンサと前記リアクトルとの間を電流が循環することを特徴とする電力変換装置。
The power converter according to claim 2 or 3,
In the first state, current circulates between the second capacitor and the reactor,
A power converter, wherein current circulates between the first capacitor and the reactor in the fourth state.
請求項1~4のいずれか1項に記載の電力変換装置であって、
前記入力端子の間に印加された交流電圧を整流かつ昇圧させた電圧を前記プライマリ巻線へ印加できることを特徴とする電力変換装置。
The power converter according to any one of claims 1 to 4,
A power converter, wherein a voltage obtained by rectifying and boosting an AC voltage applied between said input terminals can be applied to said primary winding.
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