JP2023183034A - Control circuit and power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
この開示は、制御回路及び電力変換装置に関する。 This disclosure relates to a control circuit and a power conversion device.
電力変換装置として、トランスの一次側にフルブリッジ回路を使用したDAB(Dual Active Bridge)方式の絶縁コンバータが知られている。こうしたコンバータにおいては、昇圧比を大きい場合、又は伝達電力が小さい場合には、スイッチングがいわゆるハードスイッチングとなり、損失が大きくなることが知られている。 As a power converter, a DAB (Dual Active Bridge) isolated converter using a full bridge circuit on the primary side of a transformer is known. It is known that in such a converter, when the step-up ratio is large or when the transmitted power is small, switching becomes so-called hard switching, resulting in large losses.
こうした問題を解決するための一つの提案が後掲の非特許文献1に開示されている。非特許文献1に開示されている技術は、トランスに印加する電圧を、2レベルではなく3レベルとしたDAB方式のコンバータに関する。非特許文献1によれば、電圧を3レベルとし、パラメータを適切に定めることにより、ハードスイッチングを回避しソフトスイッチングを実現できるとされている。なお以下の説明においては、コンバータの構成を説明する際に、記載を簡潔にすることを目的として、「3レベル」を「3L」と表示し、「2レベル」を「2L」と表示することがある。
One proposal for solving these problems is disclosed in Non-Patent
しかし、上記非特許文献1に開示された技術は、トランスに印加する3レベルの電圧を生成する。そのために、制御対象となる1次側回路の半導体スイッチング素子の数が増加し、それらを制御するためのパラメータ数も増加する。非特許文献1に開示の技術は、これらのパラメータをフィードバック制御することを提案している。その提案は様々な条件を課した上でフィードバック制御を行っているが、制御対象のパラメータ数が多いことも原因となり、演算負荷が高いという問題がある。その結果、通常の電力変換装置に使用されているマイクロプロセッサの処理能力及び演算速度によっては要求される機能を実現できず実用的でない。
However, the technique disclosed in
この開示は、実用的な演算負荷により3レベルの電圧制御によるソフトスイッチングが可能な制御回路及び電力変換装置を提供することを目的とする。 The purpose of this disclosure is to provide a control circuit and a power conversion device that can perform soft switching using three-level voltage control with a practical calculation load.
この開示の第1の局面に係る制御回路は、トランス、トランスの1次側に接続された1次側3レベルブリッジ回路、及びトランスの2次側に接続された2次側ブリッジ回路を含み、1次側3レベルブリッジ回路がトランスに印加する電圧波形の位相と2次側ブリッジ回路がトランスに印加する波形の電圧波形との位相差φを変化させることにより電力変換を行う電力変換装置を制御するための制御回路であって、与えられる電流指令値と、トランスの状態値とに基づいて、位相差φをフィードバック制御するフィードバック回路と、電流指令値に対し、それぞれの関係式に従って、1次側3レベルブリッジ回路の各スイッチング素子のスイッチングタイミングを定める2つの位相α及びβ、ただし0<α<β<π、を算出するタイミング算出回路と、位相差φと位相α及びβとを用いて1次側3レベルブリッジ回路及び2次側ブリッジ回路のスイッチング素子を制御するPWM(Pulse Width Modulation)信号を生成するPWM信号生成回路とを含む。 A control circuit according to a first aspect of this disclosure includes a transformer, a primary side three-level bridge circuit connected to the primary side of the transformer, and a secondary side bridge circuit connected to the secondary side of the transformer, Controls a power conversion device that performs power conversion by changing the phase difference φ between the voltage waveform that the primary side 3-level bridge circuit applies to the transformer and the voltage waveform that the secondary side bridge circuit applies to the transformer. The control circuit includes a feedback circuit that performs feedback control of the phase difference φ based on the given current command value and the state value of the transformer, and a feedback circuit that performs feedback control of the phase difference φ based on the given current command value and the state value of the transformer. Using a timing calculation circuit that calculates two phases α and β that determine the switching timing of each switching element of the side three-level bridge circuit, where 0<α<β<π, and a phase difference φ and phases α and β. It includes a PWM signal generation circuit that generates a PWM (Pulse Width Modulation) signal that controls switching elements of a primary side three-level bridge circuit and a secondary side bridge circuit.
この開示の第2の局面に係る電力変換装置は、上記制御回路と、トランスと、制御回路によりスイッチングが制御される半導体スイッチング素子を含む、トランスの1次側に接続された1次側3レベルブリッジ回路と、トランスの次側に接続された2次側回路とを含む。 A power conversion device according to a second aspect of this disclosure includes the control circuit, a transformer, and a semiconductor switching element whose switching is controlled by the control circuit, and includes three primary levels connected to the primary side of the transformer. It includes a bridge circuit and a secondary circuit connected to the next side of the transformer.
この開示の第3の局面に係る電力変換装置は、上記制御回路と、トランスと、制御回路の1次側PWM信号生成回路によりスイッチングが制御される半導体スイッチング素子を含む、トランスの1次側に接続された1次側3レベルブリッジ回路と、制御回路の2次側PWM信号生成回路によりスイッチングが制御される半導体スイッチング素子を含む、トランスの2次側に接続された2次側3レベルブリッジ回路とを含む。 A power conversion device according to a third aspect of this disclosure includes the control circuit, a transformer, and a semiconductor switching element whose switching is controlled by a primary side PWM signal generation circuit of the control circuit. A secondary side 3-level bridge circuit connected to the secondary side of the transformer, including a connected primary side 3-level bridge circuit and a semiconductor switching element whose switching is controlled by a secondary side PWM signal generation circuit of the control circuit. including.
以上のようにこの開示によると、実用的な演算負荷により3レベルの電圧制御によるソフトスイッチングが可能な制御回路及び電力変換装置を提供できる。 As described above, according to this disclosure, it is possible to provide a control circuit and a power conversion device that can perform soft switching using three-level voltage control with a practical calculation load.
[本開示の実施形態の説明]
以下の説明及び図面においては、同一の部品には同一の参照番号を付してある。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。なお、以下の1又は複数の実施形態の任意の特徴を組み合わせてもよい。
[Description of embodiments of the present disclosure]
In the following description and drawings, identical parts are provided with the same reference numerals. Therefore, detailed description thereof will not be repeated. Note that any features of one or more embodiments below may be combined.
(1)この開示の第1の局面に係る制御回路は、トランス、トランスの1次側に接続された1次側3レベルブリッジ回路、及びトランスの2次側に接続された2次側ブリッジ回路を含み、1次側3レベルブリッジ回路がトランスに印加する電圧波形の位相と2次側ブリッジ回路がトランスに印加する波形の電圧波形との位相差φを変化させることにより電力変換を行う電力変換装置を制御するための制御回路であって、与えられる電流指令値と、トランスの状態値とに基づいて、位相差φをフィードバック制御するフィードバック回路と、電流指令値に対し、それぞれの関係式に従って、1次側3レベルブリッジ回路の各スイッチング素子のスイッチングタイミングを定める2つの位相α及びβ、ただし0<α<β<π、を算出するタイミング算出回路と、位相差φと位相α及びβとを用いて1次側3レベルブリッジ回路及び2次側ブリッジ回路のスイッチング素子を制御するPWM信号を生成するPWM信号生成回路とを含む。 (1) The control circuit according to the first aspect of this disclosure includes a transformer, a primary side three-level bridge circuit connected to the primary side of the transformer, and a secondary side bridge circuit connected to the secondary side of the transformer. A power conversion system that performs power conversion by changing the phase difference φ between the voltage waveform that the primary side three-level bridge circuit applies to the transformer and the voltage waveform that the secondary side bridge circuit applies to the transformer. A control circuit for controlling the device, which performs feedback control of the phase difference φ based on the given current command value and the state value of the transformer; , a timing calculation circuit that calculates two phases α and β that determine the switching timing of each switching element of the primary side three-level bridge circuit, where 0<α<β<π, and a timing calculation circuit that calculates the phase difference φ and the phases α and β. and a PWM signal generation circuit that generates a PWM signal that controls the switching elements of the primary side three-level bridge circuit and the secondary side bridge circuit using the PWM signal generation circuit.
位相α及びβが電流指令値との関係式により算出されるので、制御のための負荷が小さくなる。その結果、実用的な演算負荷により3レベルの電圧制御によるソフトスイッチングが可能な制御回路を提供できる。 Since the phases α and β are calculated by the relational expression with the current command value, the load for control is reduced. As a result, it is possible to provide a control circuit capable of soft switching by three-level voltage control with a practical calculation load.
(2)上記(1)において、タイミング算出回路による2つの位相α及びβの算出周期は、フィードバック回路によるフィードバックの周期よりも長い。 (2) In (1) above, the calculation cycle of the two phases α and β by the timing calculation circuit is longer than the feedback cycle by the feedback circuit.
位相α及びβの算出周期を長くできるので、さらに制御のための負荷が小さくなる。 Since the calculation cycle of the phases α and β can be lengthened, the load for control is further reduced.
(3)上記(1)又は(2)において、関係式は、位相α及び電流指令値に関する第1の関係式と、位相β及び電流指令値に関する第2の関係式とを含んでもよい。 (3) In (1) or (2) above, the relational expression may include a first relational expression regarding the phase α and the current command value, and a second relational expression regarding the phase β and the current command value.
位相αと位相βとを電流指令値に関する別々の関係式により算出する。その結果、これら位相を簡単に、かつ互いに独立に算出でき、制御の負荷がより小さくなる。 Phase α and phase β are calculated using separate relational expressions regarding the current command value. As a result, these phases can be calculated easily and independently of each other, reducing the control load.
(4)上記(3)において、第1の関係式は、一定範囲の電流指令値に対して位相αを一意に定める、電流指令値の関数であってもよい。 (4) In (3) above, the first relational expression may be a function of the current command value that uniquely determines the phase α for a certain range of current command values.
位相αが一意に定められるので、制御が簡単になる。 Since the phase α is uniquely determined, control becomes simple.
(5)上記(4)において、第1の関係式は、位相αを定める、一定範囲において電流指令値の強い意味での単調減少関数であってもよい。 (5) In the above (4), the first relational expression may be a strongly monotonically decreasing function of the current command value within a certain range, which determines the phase α.
強い意味での単調減少関数により位相αと電流指令値との関係が1対1に定められる。その結果、位相αが簡単な計算により一意に求められ、制御が簡単になるという効果がある。 A monotonically decreasing function in the strong sense defines a one-to-one relationship between the phase α and the current command value. As a result, the phase α can be uniquely determined by a simple calculation, which has the effect of simplifying control.
(6)上記(3)から(5)のいずれか1つにおいて、第2の関係式は、一定範囲の電流指令値に対して位相βを一意に定める、電流指令値の関数であってもよい。 (6) In any one of (3) to (5) above, the second relational expression may be a function of the current command value that uniquely determines the phase β for a certain range of current command values. good.
位相βが一意に定められるので、制御が簡単になる。 Since the phase β is uniquely determined, control becomes simple.
(7)上記(6)において、第2の関係式は、位相βを定める、一定範囲において電流指令値の強い意味での単調減少関数であってもよい。 (7) In the above (6), the second relational expression may be a strongly monotonically decreasing function of the current command value within a certain range, which determines the phase β.
こうすることにより、電流指令値と位相βとの関係が1対1対応に定められる。その結果、位相βが簡単な計算により一意に求められ、制御が簡単になるという効果がある。 By doing so, the relationship between the current command value and the phase β is determined in a one-to-one correspondence. As a result, the phase β can be uniquely determined by a simple calculation, which has the effect of simplifying the control.
(8)上記(1)から(7)のいずれか1つにおいて、1次側3レベルブリッジ回路の各スイッチング素子は第1端子、第2端子及び第1端子及び第2端子の間の導通を制御する制御端子を持ち、関係式は、各スイッチング素子によるスイッチングがソフトスイッチとなるように選ばれていてもよい。 (8) In any one of (1) to (7) above, each switching element of the primary side three-level bridge circuit establishes continuity between the first terminal, the second terminal, and the first terminal and the second terminal. The relational expression may be selected such that the switching by each switching element is a soft switch.
スイッチング素子によるスイッチングがソフトスイッチングとなることにより、スイッチング素子による電力損失の発生が防止できる。 Since the switching by the switching element is soft switching, generation of power loss due to the switching element can be prevented.
(9)上記(8)において、関係式は、各スイッチング素子が導通していない状態において各スイッチング素子のボディダイオードに流れる電流の向きが、第1端子及び第2端子にかかる電圧と逆方向となっている間に、スイッチング素子が導通するように位相α及び位相βを定めるように選ばれていてもよい。 (9) In (8) above, the relational expression indicates that when each switching element is not conducting, the direction of the current flowing through the body diode of each switching element is opposite to the voltage applied to the first terminal and the second terminal. The phase α and the phase β may be selected so that the switching element is conductive while the switching element is turned on.
スイッチング素子がオンされるときに、スイッチング素子のボディダイオードに流れる電流の向きが電圧と逆方向となる。そのため、スイッチング素子がオンしたときには電力損失が発生せず、電力変換回路の効率を高めることができる。 When the switching element is turned on, the direction of current flowing through the body diode of the switching element is opposite to the voltage. Therefore, no power loss occurs when the switching element is turned on, and the efficiency of the power conversion circuit can be increased.
(10)上記(1)から(9)のいずれか1つにおいて、1次側3レベルブリッジ回路は、トランスへの1次側に、0、±V1/2、及び±V1を印加するように機能してもよく、位相αは、トランスの1次側に印加される電圧を、0から±V1/2に変化させるタイミングを定めてもよく、位相πから位相αを減じた位相は、トランスの1次側に印加される電圧を、±V1/2から0に変化させるタイミングを定めてもよい。 (10) In any one of (1) to (9) above, the primary side three-level bridge circuit applies 0, ±V1/2, and ±V1 to the primary side to the transformer. The phase α may determine the timing for changing the voltage applied to the primary side of the transformer from 0 to ±V1/2, and the phase obtained by subtracting the phase α from the phase π is the phase α of the transformer. The timing for changing the voltage applied to the primary side of the voltage from ±V1/2 to 0 may be determined.
位相αをこのように定めることにより、トランスの1次側に印加される電圧が3レベルの間で切り替えられる。スイッチング素子のスイッチングによる電圧変化が小さくなる。そのため、スイッチング素子としてより小さなものが採用できる。その結果、広い範囲の変圧比に対して、コストを抑えながらスイッチング素子によるスイッチングをソフトスイッチングとすることができる。その結果、コストを低く抑えながら電力変換装置における損失を低く抑えることができる。 By determining the phase α in this manner, the voltage applied to the primary side of the transformer is switched between three levels. Voltage changes due to switching of the switching element are reduced. Therefore, smaller switching elements can be used. As a result, switching by the switching element can be performed as soft switching for a wide range of transformation ratios while keeping costs low. As a result, loss in the power conversion device can be kept low while keeping costs low.
(11)上記(10)において、位相βは、トランスの1次側に印加される電圧を、±V1/2からそれぞれ±V1に変化させるタイミングを定めてもよく、位相πから位相βを減じた位相は、トランスの1次側に印加される電圧を±V1から±V1/2に変化させるタイミングを定めてもよい。 (11) In (10) above, the phase β may determine the timing at which the voltage applied to the primary side of the transformer is changed from ±V1/2 to ±V1, respectively, and the phase β is subtracted from the phase π. The phase may determine the timing at which the voltage applied to the primary side of the transformer is changed from ±V1 to ±V1/2.
位相βをこのように定めることにより、トランスの1次側に印加される電圧が3レベルの間で切り替えられる。さらに、各スイッチング素子のスイッチングによる電圧変化が小さくなる。そのため、スイッチング素子としてより小さなものが採用できる。その結果、広い範囲の変圧比に対して、コストを抑えながらスイッチング素子によるスイッチングをソフトスイッチングとすることができる。その結果、コストを低く抑えながら電力変換装置における損失を低く抑えることができる。 By determining the phase β in this manner, the voltage applied to the primary side of the transformer is switched between three levels. Furthermore, voltage changes due to switching of each switching element are reduced. Therefore, smaller switching elements can be used. As a result, switching by the switching element can be performed as soft switching for a wide range of transformation ratios while keeping costs low. As a result, loss in the power conversion device can be kept low while keeping costs low.
(12)上記(1)から(11)のいずれか1つにおいて、関係式は、電流指令値の多項式であってもよい。 (12) In any one of the above (1) to (11), the relational expression may be a polynomial of the current command value.
関係式として電流指令値の多項式を採用することにより、低い演算量により位相α及び位相βを算出できる。その結果、実用的な演算負荷により3レベルの電圧制御によるソフトスイッチングが可能となる。 By employing a polynomial of the current command value as the relational expression, the phase α and the phase β can be calculated with a small amount of calculation. As a result, soft switching with three-level voltage control becomes possible with a practical calculation load.
(13)上記(12)において、関係式は、電流指令値の3次以下の多項式であってもよい。 (13) In the above (12), the relational expression may be a third-order or lower polynomial of the current command value.
関係式として電流指令値の3次以下の多項式を採用することにより、非常に低い演算量により位相α及び位相βを算出できる。その結果、実用的な演算負荷により3レベルの電圧制御によるソフトスイッチングが可能となる。 By employing a polynomial of the third order or less of the current command value as the relational expression, the phase α and the phase β can be calculated with a very low amount of calculation. As a result, soft switching with three-level voltage control becomes possible with a practical calculation load.
(14)上記(1)から(13)のいずれか1つにおいて、制御回路は、さらに、電圧指令値とトランスの1次側に印加される電圧とに基づいて、電流指令値をフィードバックにより生成する電流指令値生成回路を含んでもよい。 (14) In any one of (1) to (13) above, the control circuit further generates a current command value by feedback based on the voltage command value and the voltage applied to the primary side of the transformer. The current command value generation circuit may also include a current command value generation circuit.
この構成により、定電圧制御のもとにおいても、定電流制御の構成を利用することにより、実用的な演算負荷によって3レベルの電圧制御によるソフトスイッチングが可能となる。 With this configuration, even under constant voltage control, by utilizing the constant current control configuration, soft switching with three levels of voltage control is possible with a practical calculation load.
(15)上記(1)から(14)のいずれか1つにおいて、2次側ブリッジ回路は、2次側3レベルブリッジ回路を含んでもよく、制御回路は、さらに、電流指令値に対し、それぞれの関係式に従って、2次側3レベルブリッジ回路の各スイッチング素子のスイッチングタイミングを定める2つの位相γ及びδ、ただし0<γ<δ<π、を算出する2次側タイミング算出回路をさらに含んでもよく、PWM信号生成回路は、位相差φと位相α及びβとを用いて1次側3レベルブリッジ回路のスイッチング素子を制御し、位相差φと位相γ及びδとを用いて2次側3レベルブリッジ回路のスイッチング素子を制御する3レベル-3レベル用PWM信号生成回路とを含んでもよい。 (15) In any one of (1) to (14) above, the secondary side bridge circuit may include a secondary side 3-level bridge circuit, and the control circuit further controls each current command value. The secondary side timing calculation circuit may further include a secondary side timing calculation circuit that calculates two phases γ and δ that determine the switching timing of each switching element of the secondary side three-level bridge circuit, where 0<γ<δ<π, according to the relational expression. Typically, a PWM signal generation circuit controls the switching elements of a primary side three-level bridge circuit using a phase difference φ and phases α and β, and controls the switching elements of a secondary side three-level bridge circuit using a phase difference φ and phases γ and δ. It may also include a 3-level PWM signal generation circuit for controlling the switching elements of the level bridge circuit.
1次側だけでなく、2次側にも3レベルブリッジ回路を採用し、かつその制御に必要な位相γ及びδを電流指令値との関係式から求めることにより、変圧比の広い範囲にわたり、電圧の変動が高くても安定してソフトスイッチングが実現可能な、実用的な演算負荷により動作可能な制御回路が提供できる。 By adopting a three-level bridge circuit not only on the primary side but also on the secondary side, and determining the phases γ and δ necessary for its control from the relational expression with the current command value, it can be used over a wide range of transformation ratios. It is possible to provide a control circuit that can stably realize soft switching even when voltage fluctuations are high and that can operate with a practical calculation load.
(16)この開示の第2の局面に係る電力変換装置は、上記(1)から(15)のいずれか1つの制御回路と、トランスと、制御回路によりスイッチングが制御される半導体スイッチング素子を含む、トランスの1次側に接続された1次側3レベルブリッジ回路と、トランスの2次側に接続された2次側回路とを含む。 (16) A power conversion device according to a second aspect of this disclosure includes the control circuit of any one of (1) to (15) above, a transformer, and a semiconductor switching element whose switching is controlled by the control circuit. , a primary side three-level bridge circuit connected to the primary side of the transformer, and a secondary side circuit connected to the secondary side of the transformer.
位相α及びβが電流指令値との関係式により算出されるので、制御のための負荷が小さくなる。その結果、実用的な演算負荷により3レベルの電圧制御によるソフトスイッチングが可能であり、かつ損失が低減された電力変換装置を提供できる。 Since the phases α and β are calculated by the relational expression with the current command value, the load for control is reduced. As a result, it is possible to provide a power conversion device that enables soft switching by three-level voltage control with a practical calculation load and has reduced loss.
(17)この開示の第3の局面に係る電力変換装置は、上記(15)の制御回路と、トランスと、制御回路の1次側PWM信号生成回路によりスイッチングが制御される半導体スイッチング素子を含む、トランスの1次側に接続された1次側3レベルブリッジ回路と、制御回路の2次側PWM信号生成回路によりスイッチングが制御される半導体スイッチング素子を含む、トランスの2次側に接続された2次側3レベルブリッジ回路とを含む。 (17) A power conversion device according to a third aspect of this disclosure includes the control circuit of (15) above, a transformer, and a semiconductor switching element whose switching is controlled by a primary side PWM signal generation circuit of the control circuit. , connected to the secondary side of the transformer, including a primary side three-level bridge circuit connected to the primary side of the transformer, and a semiconductor switching element whose switching is controlled by a secondary side PWM signal generation circuit of the control circuit. and a secondary side three-level bridge circuit.
位相α、β、γ及びδが電流指令値との関係式により算出される。そのため、制御のための負荷が小さくなる。その結果、実用的な演算負荷により3レベルの電圧制御によるソフトスイッチングが可能であり、かつ損失が低減された電力変換装置を提供できる。 Phases α, β, γ, and δ are calculated using a relational expression with the current command value. Therefore, the load for control becomes smaller. As a result, it is possible to provide a power conversion device that enables soft switching by three-level voltage control with a practical calculation load and has reduced loss.
[本開示の実施形態の詳細]
本開示の実施形態に係るコンバータの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内におけるすべての変更が含まれることが意図される。
[Details of embodiments of the present disclosure]
A specific example of a converter according to an embodiment of the present disclosure will be described below with reference to the drawings. Note that the present disclosure is not limited to these examples, but is indicated by the scope of the claims, and is intended to include all changes within the meaning and scope equivalent to the scope of the claims.
1.第1実施形態
1A.背景
図1を参照して、ハードスイッチングによる損失の発生について説明する。図1の電圧波形50に示すように、半導体スイッチに電流が流れていない状態において半導体スイッチの前後に電圧差がある状態を想定する。この状態において半導体スイッチをオンすると、半導体スイッチの容量成分のため、半導体の前後の電圧差が無くなる前に電流波形52により示すように半導体スイッチに電流が流れ始める。その結果、電流と電圧との双方が零でない領域54において電力損失58が発生する。これは半導体スイッチがオフするときも同様であり、電流と電圧の双方が零でない領域56において電力損失60が発生する。
1. First embodiment 1A. Background With reference to FIG. 1, the occurrence of loss due to hard switching will be explained. As shown in the
この実施形態は、このような電力損失が発生しないようにするためのものであり、そのために以下に述べるように、1次側に3Lフルブリッジ回路を採用し、かつ半導体スイッチのスイッチングのタイミングを簡単な構成により制御することにより、広い変圧比の範囲内でかつ広い電流値にわたり電力損失の発生を防ぐ。 This embodiment is intended to prevent such power loss from occurring, and for this purpose, as described below, a 3L full bridge circuit is adopted on the primary side, and the switching timing of the semiconductor switch is adjusted. By controlling with a simple configuration, power loss is prevented within a wide range of transformation ratios and over a wide range of current values.
1B.構成
図2に、この実施形態に係る3L-2Lコンバータ100の概略構成を示す。図2を参照して、3L-2Lコンバータ100は、漏れインダクタンス116を持つトランス114と、蓄電池102とトランス114の1次側端子との間に接続された1次側3Lフルブリッジ回路110とを含む。3L-2Lコンバータ100はさらに、トランス114の2次側端子と直流バス104とに接続された2次側フルブリッジ回路112を含む。
1B. Configuration FIG. 2 shows a schematic configuration of the 3L-
1次側3Lフルブリッジ回路110は、いずれもMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor )からなるスイッチング素子S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7及びS8を含む。これらのうち、スイッチング素子S1及びS4、S5及びS8がフルブリッジ回路を形成する。スイッチング素子S2、S3、S6、及びS7が3レベル制御に必要なスイッチング素子群124を形成する。スイッチング素子S1及び4を接続するノード128はトランス114の1次側の第1端子に接続される。スイッチング素子S5及び8を接続するノード130はトランス114の1次側の第2端子に接続される。
The primary side 3L
1次側3Lフルブリッジ回路110の蓄電池102側に接続される2端子の間にはコンデンサ120及び122がノード126を介して直列に接続される。ノード126はノード128及び130に別々の接続線を介して接続される。ノード126とノード128との間にはスイッチング素子S2及び3がこの順に接続される。ノード126とノード130との間にはスイッチング素子S6及び7がこの順に接続される。
2次側フルブリッジ回路112は、スイッチング素子S9、S10、S11及びS12を含む。スイッチング素子S9及びS10はノード142を介して接続されている。スイッチング素子S11及びS12はノード144を介して接続されている。ノード142はトランス114の2次側の第1端子に接続される。ノード144はトランス114の2次側の第2端子に接続される。
Secondary
2次側フルブリッジ回路112はさらに、2本の直流バス104の間に接続されたコンデンサ140を含む。
Secondary full-
3L-2Lコンバータ100はさらに、トランス114の電流ILとトランス114の1次側及び2次側に印加される電圧に基づいて、1次側3Lフルブリッジ回路110及び2次側フルブリッジ回路112に含まれる各スイッチング素子の制御信号を生成し、1次側3Lフルブリッジ回路110及び2次側フルブリッジ回路112に出力するための制御回路250を含む。制御回路250の構成については図5を参照して後述する。
The 3L-
図3を参照して、1次側3Lフルブリッジ回路110を制御するためのパラメータについて説明する。図3の上段には1次側3Lフルブリッジ回路110がトランス114に印加する電圧波形170が示されている。図3の下段には2次側フルブリッジ回路112がトランス114の2次側に印加する電圧波形172が示されている。
With reference to FIG. 3, parameters for controlling the primary side 3L full-
図3の下段に示すように、この実施形態において、電圧波形172は通常の方形波であり、一定周期をもって±V2の電圧を交互にとる。以下の説明においては、この1周期を2πで示す。一方、図3の上段に示すように、1次側3Lフルブリッジ回路110による電圧波形170は±V1及び1/2、及び0の電圧をとる。
As shown in the lower part of FIG. 3, in this embodiment, the
1周期の先頭の位相を0とすると、位相0から位相α(ただし0<α<π/2)までの間、電圧波形170は零である。位相αにおいて電圧波形170はV1/2となる。に位相β(ただしα<β<π/2)において電圧波形170はV1となる。位相βから位相π-βまで電圧波形170はV1を維持し、位相π-βにおいてV1/2となる。さらに位相π-αにおいて電圧波形170は0に変化する。
If the first phase of one cycle is 0, the
位相πから後の半周期は、電圧波形170は上記した位相0からπまでの半周期における極性を逆転させた波形をとる。以後は、電圧波形170は以上に説明した波形を繰り返す。
In the half cycle after the phase π, the
ここで、電圧波形172は位相差φだけ電圧波形170より遅れている。この遅れの間の1次側及び2次側の電圧差により発生するエネルギをトランス114の漏れインダクタンス116に蓄積した後に放出することにより、3L-2Lコンバータ100は昇降圧コンバータの役割も果たす。
Here, the
図4に、図3に示す形により3L-2Lコンバータ100を動作させたときの1次側電圧200、2次側電圧202及びトランス114の電流波形204の例を示す。この例において、1次側電圧V1は200V、2次側電圧は350Vである。
FIG. 4 shows an example of the
図5に、制御回路250の構成を示す。図5を参照して、制御回路250は、3L-2Lコンバータ100に対する定電流制御を行うためのものである。制御回路250は、電流指令値I*とトランス114の電流Iとを受けて、位相差φをフィードバック制御するための減算器260、PI制御部262、及びPI制御部262の位相差φへの変換部264と、電流指令値I*を受け、それぞれ電流指令値I*の所定の関係式によって位相α及びβに変換する関係式変換部268とを含む。制御回路250はさらに、変換部264からの位相差φ、並びに関係式変換部268からの位相α及びβを受けて、スイッチング素子S1からS12を制御するPWM信号を出力するためのPWM信号生成部266を含む。
FIG. 5 shows the configuration of the
なお、位相差φをフィードバックにより生成する点は従来の2L-2Lコンバータにより行われているものと同じである。また位相差φ、位相α及びβに基づいてスイッチング素子SからS12を制御するPWM信号を生成する機構は公知の技術であり、前述した非特許文献1の記載からも明らかなのでここではその詳細は繰り返さない。
Note that the point that the phase difference φ is generated by feedback is the same as that performed by a conventional 2L-2L converter. Furthermore, the mechanism for generating the PWM signal that controls the switching element S12 from the switching element S based on the phase difference φ and the phases α and β is a well-known technology, and is clear from the description in the above-mentioned
1C.関係式の決定方法
以下、関係式変換部268において使用される、電流指令値I*を位相α、βに変換するための関係式の定め方について説明する。位相α及びβの双方について、基本的にこの関係式を定める方法は共通し、また考え方は1次側3Lフルブリッジ回路110のいずれのスイッチング素子にも共通する。したがって、ここではスイッチング素子S1の制御における位相βについてのみ説明する。以下に説明する関係式は、電流指令値I*から位相βの値を一意に決定するためのものである。
1C. Method for Determining a Relational Expression Hereinafter, a method for determining a relational expression used in the relational
図2に示す3L-2Lコンバータ100における電力伝達式は、位相差φ、位相α及びβをパラメータとして以下の式となる。
The power transfer equation in the 3L-
この式をさらに詳細に詰めると以下の式となる。 When this formula is further refined, it becomes the following formula.
この式をφと変圧比mとの関係式と見て、βの様々な値についてグラフ化したものが図6である。図6は少し見づらいが、例えば曲線308と直線318との間の領域がβ=80度のときに上記式が成立する範囲を示す。同様に曲線306と直線316、曲線304と直線314、曲線302と直線312、曲線300と直線310の間の範囲がそれぞれβ=60度、40度、20度及び0度のときに上記式が成立する範囲を示す。なお図6に示すグラフのうち曲線300、302、304、306及び308は、それぞれ直線310、312、314、316及び318を漸近線として無限大まで続いている。そのため、変圧比=2.4以下の範囲のみグラフを示している。
This equation is viewed as a relational equation between φ and the transformation ratio m, and FIG. 6 is a graph of various values of β. Although FIG. 6 is a little hard to see, it shows the range in which the above equation holds true when, for example, the area between the
図6に示す関係を、位相差φと位相βとの組み合わせに対する変圧比の値を示すようにプロットしたものを図7に示す。図7においては単なる濃淡だが、設計時にはこの画面は変圧比の値により異なる色により描画している。色付きで描画された部分が上記関係式を満たす領域である。したがって、領域が色付きで描画されている部分はソフトスイッチングが可能なことが分かる。またある点の描画色を見れば、その点に対応する位相差φと位相βとの組み合わせに対して可能な変圧比がどの程度かも分かる。 FIG. 7 shows a plot of the relationship shown in FIG. 6 to show the value of the transformation ratio for the combination of phase difference φ and phase β. In FIG. 7, the screen is simply shaded, but at the time of design, this screen is drawn in different colors depending on the value of the transformation ratio. The colored portion is the area that satisfies the above relational expression. Therefore, it can be seen that soft switching is possible in the areas where the areas are drawn in color. Furthermore, by looking at the drawing color of a certain point, one can also know what transformation ratio is possible for the combination of phase difference φ and phase β corresponding to that point.
一方、図8には横軸に位相差φ、縦軸に位相βをとり、その組み合わせにおいて3L-2Lコンバータ100において可能な最大のトランス電流Iの値をプロットした図を示す。図8において凡例により示す電流値の単位はアンペアである。なお、最大電流Iの値は、上記した電力伝達式においてα=0と仮定して計算する。
On the other hand, FIG. 8 shows a diagram in which the horizontal axis represents the phase difference φ, the vertical axis represents the phase β, and the value of the maximum possible transformer current I in the 3L-
この2つの図から以下のようにしてトランス電流に対する位相βの関係式を特定する。図7において、所定の変圧比、例えば変圧比m=2.5が実現できる領域を指定する。この指定は、上記したように領域の描画色を見ることにより判定できる。次に図8において、図7に示す図において指定した領域に対応する領域を切り取って新たな画面に表示する。この領域を図9に領域350として示す。図7と図8とにおいて、横軸と縦軸とは一致しているのでこうした操作が簡単に行える。図9においても横軸は位相差φを、縦軸は位相βを、それぞれ表す。
From these two figures, the relational expression of the phase β with respect to the transformer current is specified as follows. In FIG. 7, a region where a predetermined transformation ratio, for example transformation ratio m=2.5, can be achieved is specified. This designation can be determined by looking at the drawing color of the area as described above. Next, in FIG. 8, an area corresponding to the area specified in the diagram shown in FIG. 7 is cut out and displayed on a new screen. This region is shown as
図9を参照して、この図には、ソフトスイッチングが可能な位相差φと位相βとの組み合わせであって、所望の変圧比を実現できる領域350が、その領域において可能な最大電流の値の分布とともに示されていることになる。
Referring to FIG. 9, this figure shows a
そこで、この領域350の内部に、図9に示す線352を描画する。すると線352は変圧比2.5でかつ所定の範囲(例えば0アンペアから40アンペア)の電流を流せる位相差φと位相βとの組み合わせ(関係)を与えることになる。
Therefore, a
そこで、図9に描画された線352を、図10に示すように横軸に電流を、縦軸に位相βをとったグラフにプロットし直すことができる。そうして得られたものが曲線380である。この曲線380は、上記したように所定の変圧比において所定の範囲の電流を流せる位相差φと位相βとの組み合わせを、位相差φに対する位相βの関数の形により表したものと考えることができる。このグラフを所定の関数、例えば多項式により近似する。図10に示す曲線382が曲線380をφの3次多項式により表したものである。この3次多項式により、電流指令値Iに対する位相βを特定できる。この関数は単純な多項式であり、電流指令値Iが与えられれば簡単に位相ベータを計算できる。また例えばこの位相βの計算は、位相αの計算とは独立に行える。したがって、非特許文献1に記載された技術と異なり、非力なマイクロプロセッサでも十分に処理できる。
Therefore, the
ただし、制御の性質上、位相βは電流指令値Iのある値に対して一意に定まる必要がある。したがって、図10に示す曲線380は強い意味での単調関数(図10の場合は単調減少関数)となる必要がある。さもないと位相βを定めることができないためである。3L-2Lコンバータ100の設計段階においては、図9に示す線352を描画した後に図10に描画された曲線が単調関数でないときには、線352を新たに描画し直す必要がある。
However, due to the nature of control, the phase β needs to be uniquely determined for a certain value of the current command value I. Therefore, the
なお、多項式により曲線を近似するときに、その次数に特に制限はない。しかし、計算量を低く抑える必要があることから、ある程度の次数、例えば3次程度が望ましい。図10に示す例の場合には、曲線380の変曲点らしいものが存在するため、3次式により近似しているが、誤差範囲を大きくとれるなら2次式、又は1次式により近似することも不可能ではない。もちろん、逆に4次式以上により曲線を近似してもよい。
Note that when approximating a curve using a polynomial, there is no particular restriction on the degree. However, since it is necessary to keep the amount of calculation low, a certain degree of order, for example about 3rd order, is desirable. In the example shown in FIG. 10, there is an inflection point of the
この実施形態においては、電流指令値Iの変動は小さい。そのため、位相α及びβの制御周期は位相差φの制御周期より長くできる。その結果、制御を行うマイクロプロセッサにかかる負荷が小さくなり、簡単な構成によりフルブリッジ回路の3レベル制御が実現できる。 In this embodiment, fluctuations in the current command value I are small. Therefore, the control period for the phases α and β can be made longer than the control period for the phase difference φ. As a result, the load placed on the controlling microprocessor is reduced, and three-level control of the full-bridge circuit can be realized with a simple configuration.
なお、マイクロプロセッサの記憶容量に余裕があるようなら、曲線380を近似した式を用いるのではなく、曲線380を構成する電流指令値Iと位相βの組み合わせをテーブル形式により準備することもできる。この場合、電流指令値Iが与えられれば、対応する位相βをテーブルルックアップにより特定できる。指定された電流指令値Iがテーブルに存在しない場合には、テーブル内の近隣のデータを用いて位相βを内挿すればよい。
Note that, if the microprocessor has sufficient storage capacity, instead of using an equation that approximates the
さらに上記実施形態においては、図7及び図8から図9を作成し、図9のマップ上において線352を描画した上で線352を図10のマップに変換している。しかしこの開示はそのような実施形態には限定されない。逆に、図10のマップ上において電流指令値Iと位相βとの関係を示す所望の曲線(強い意味での単調減少関数)を描き、それを図9にマップしてもよい。この場合、マップにより得られる線(図9の線352に相当する線)が領域350内に収まっていれば、最初に描いた曲線を電流指令値Iと位相βとの関係を示すものとして採用できる。以下は上記実施形態と同様、近似式を用いてもよいしテーブルルックアップを用いてもよい。マップにより得られる線が領域350内に収まっていなければ、再度図10に戻り曲線を引き直すようにすればよい。
Furthermore, in the above embodiment, FIG. 9 is created from FIGS. 7 and 8, a
さらに上記実施形態、例えば図7においては、変圧比mの値をマップ上の描画色により表している。しかしこの開示はそのような実施形態には限定されない。変圧比は位相差φと位相βとの関数なので、x軸を位相差φ、y軸を位相β、z軸を変圧比とする3次元グラフにより表すことができる。3次元グラフにより変圧比を表せば、所望の変圧比の範囲を示す、Z軸に垂直な2つの平面によりこの3次元グラフを切ったときに、3次元グラフにおいて切断線に囲まれた領域をxy平面に投影することによって図9の領域350に相当する図形が得られる。
Further, in the above embodiment, for example, in FIG. 7, the value of the transformation ratio m is represented by the color drawn on the map. However, this disclosure is not limited to such embodiments. Since the transformation ratio is a function of the phase difference φ and the phase β, it can be represented by a three-dimensional graph in which the x-axis is the phase difference φ, the y-axis is the phase β, and the z-axis is the transformation ratio. If the transformation ratio is represented by a three-dimensional graph, when this three-dimensional graph is cut by two planes perpendicular to the Z-axis that indicate the range of the desired transformation ratio, the area surrounded by the cutting line in the three-dimensional graph is By projecting onto the xy plane, a figure corresponding to
2.第2実施形態
上記第1実施形態においては、変圧比mをある領域に限定した上で、電流指令値Iが与えられたときに、位相α及び位相βをそれぞれ電流指令値Iの関数として算出している。しかしこの開示はそのような実施形態に限定されるわけではない。この第2実施形態においては、図9の領域350の各点が、図7により示す変圧比と、図8に示す電流値とを示すと考える。すると、そうして得られた図をx軸に電流指令値、y軸に変圧比m、z軸に位相βをとって領域350の各点をプロットした3次元グラフ(3次元曲面)に変換できる。この3次元グラフは図10の曲線380と同じ意味を持つ。したがってその曲面を電流指令値It変圧比mとの2つの変数を持つ関数により近似するか、又は2次元テーブルとして持つことにより、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
2. Second Embodiment In the first embodiment described above, when the transformation ratio m is limited to a certain range and the current command value I is given, the phase α and the phase β are calculated as functions of the current command value I, respectively. are doing. However, this disclosure is not limited to such embodiments. In this second embodiment, each point in the
図11に、この第2実施形態に係る制御回路400のうち、位相α及びβを算出する変換部410を示す。図11を参照して、この変換部410は、電流指令値と、トランス114の1次側電圧及び2次側電圧を入力として受け、内部において位相α及びβをそれぞれ算出する関数に電流指令値と変圧比(=2次側電圧/(n*1次側電圧))を入力することにより位相α及びβを算出しPWM信号生成部412に与える。図11に示す変換部410において図5の関係式変換部268を置換することにより、第1実施形態と同様、簡単な構成をもって3L-2Lコンバータ100のスイッチング素子を制御できる。電流指令値、1次側電圧及び2次側電圧の時間的変動は小さい。したがってこの実施形態においても、位相α及びβの算出は、位相差φのフィードバック制御よりも長い間隔で行える。その結果、制御のためのマイクロプロセッサにかかる負荷を小さくでき、実用的な形により3レベル制御が行える。
FIG. 11 shows a
3.第3実施形態
第1実施形態においては、例として変圧比m=2.5の場合について説明した。変圧比が異なる場合には、その変圧比に基づいて第1実施形態において説明した手続きにより電流指令値と位相α及びβをそれぞれ求めるための関係式を求めている。しかし、所定の変圧比に対して位相α及びβを求める関係式が求められているなら、この第3実施形態に従うことにより、第1の実施形態による制御をわずかに変更することにより、任意の変圧比に対し位相α及びβの値を求めることができる。
3. Third Embodiment In the first embodiment, the case where the transformation ratio m=2.5 was explained as an example. When the transformation ratios are different, relational expressions for determining the current command value and the phases α and β are determined based on the transformation ratios using the procedure described in the first embodiment. However, if a relational expression for determining the phases α and β is obtained for a predetermined transformation ratio, by following this third embodiment, by slightly changing the control according to the first embodiment, an arbitrary The values of phases α and β can be determined for the transformation ratio.
再び図3を参照して、1次側が3レベルフルブリッジ回路の場合、位相α及びβにより示される部分だけ、伝達電力が落ちる。一方、例えば変圧比が1に近づくと、位相α及びβのいずれも大きくとる必要はなくなる。したがって位相α及びβを小さくすることにより、伝達電力を大きくできる。すなわち、変圧比が2.5から1に近づく場合には、位相α及びβの双方を小さくできる。 Referring again to FIG. 3, when the primary side is a three-level full bridge circuit, the transmitted power is reduced by the portion indicated by phases α and β. On the other hand, for example, when the transformation ratio approaches 1, it is no longer necessary to make both the phases α and β large. Therefore, by reducing the phases α and β, the transmitted power can be increased. That is, when the transformation ratio approaches 1 from 2.5, both phases α and β can be reduced.
この様子を図12に示す。図12に示す曲線380は、第1実施形態において求めた、変圧比が2.5の場合の電流指令値と位相βとの関係である。曲線382は曲線380を3次多項式により近似したものである。上記したように変圧比が1に近づいた場合には、位相βを小さくできる。例えば図12に示すように電流指令値Iが12.5アンペア程度の場合、曲線382から求められる位相βは0.31程度である。しかし変圧比が1に近づけば(変圧比が小さくなれば)、位相βは小さくできる。こうした結果を利用するためには、に曲線382の全体を縦軸上に沿って下方向に縮小した位置の点450に対応する位相βを使用すればよい。例えば、以下の式により定まる係数kを曲線382に乗じればよい。ただし以下の式においてmは変圧比である。
This situation is shown in FIG. A
この第3実施形態によれば、特定の変圧比のときの、電流指令値Iと位相α、βとの関係式が得られた場合には、その変圧比と異なる変圧比についても、その関係式を使用して簡単な制御により位相α及びβが算出できる。その結果、異なる変圧比の値に対しても、簡単な構成の制御回路により3レベルフルブリッジ回路の制御が行えるという効果がある。また制御回路そのものも、特定の変圧比のときのものをわずかに変化させるだけでよく、簡単に制御回路を設計できるという効果もある。 According to the third embodiment, when the relational expression between the current command value I and the phases α and β at a specific transformation ratio is obtained, the relation also applies to a transformation ratio different from that transformation ratio. The phases α and β can be calculated by simple control using the equations. As a result, the three-level full-bridge circuit can be controlled by a simple control circuit even for different transformation ratio values. In addition, the control circuit itself only needs to be slightly changed at a specific transformation ratio, which has the effect of making it easy to design the control circuit.
4.第4実施形態
上記第1実施形態、第2実施形態及び第3実施形態は、いずれも3L-2Lコンバータの1次側3Lフルブリッジ回路110を定電流制御する制御回路に関するものである。しかしこの回路はそのような実施形態には限定されない。1次側3Lフルブリッジ回路を定電圧制御する場合もこの開示を適用できる。
4. Fourth Embodiment The first embodiment, second embodiment, and third embodiment described above all relate to a control circuit that performs constant current control on the primary side 3L full-
図14に、第4実施形態に係る、1次側3Lフルブリッジ回路110を定電圧制御するための制御回路500の構成をブロック図により示す。図14を参照して、制御回路500は、マイナーループとして図5に示す制御回路250と同様の制御回路514と、制御回路514の前段に配置された、電圧指令値V*からトランス114の1次側電圧Vを減算する減算回路510、及び減算回路510と制御回路514との間に設けられ、減算回路510の出力から電流指令値I*を生成して減算器260のプラス端子に入力するPI制御部512とを含む。
FIG. 14 is a block diagram showing the configuration of a
マイナーループとしての制御回路514は図5に示す制御回路250と同様の構成である。したがって、関係式変換部268により第1実施形態と同様にして、PWM信号生成部266が1次側3Lフルブリッジ回路110の制御をするスイッチング信号を生成するために必要な位相α及びβを算出できる。
The control circuit 514 as a minor loop has the same configuration as the
この第4実施形態においても、位相α及びβを簡単な関係式により算出できる。そのために必要な演算量も少ない。また位相α及びβを算出する周期は位相差φのための制御周期より長くできる。その結果、1次側3Lフルブリッジ回路110の制御を簡単な回路により、少ない演算量で実用的に行えるという効果がある。
Also in this fourth embodiment, the phases α and β can be calculated using a simple relational expression. The amount of calculation required for this purpose is also small. Further, the period for calculating the phases α and β can be made longer than the control period for the phase difference φ. As a result, the primary side 3L full-
5.シミュレーション結果
従来の2L-2Lコンバータと、実施形態1に係る3L-2Lコンバータ100とについて、ソフトスイッチングが実現できる電圧/電流範囲をシミュレーションにより調べた。結果を図15に示す。図15に示す2つの表のうち、上段は2L-2Lコンバータに対する結果を示す。下段は3L-2Lコンバータ100による結果を示す。図15に示す2つの表において、最も左側に示すのは、1次側電圧の値である。このシミュレーションにおいて、2次側電圧は350Vに固定した。図15において「OK」はソフトスイッチングが実現できたことを示し、「NG」はソフトスイッチングが実現できなかったことを示す。
5. Simulation Results The voltage/current range in which soft switching can be realized was investigated by simulation for the conventional 2L-2L converter and the 3L-
図15により分かるように、従来の2L-2Lコンバータにおいては、電流の絶対値が小さくなるとソフトスイッチングが実現できなくなることが分かる。また、変圧比が大きくなると同様にソフトスイッチングが実現できなくなることも分かる。 As can be seen from FIG. 15, in the conventional 2L-2L converter, soft switching cannot be realized when the absolute value of the current becomes small. It can also be seen that soft switching cannot be achieved as the transformation ratio increases.
それに対して第1実施形態に係る3L-2Lコンバータ100の場合には、そのような結果は生じない。電流の絶対値が小さくなっても、変圧比が大きくなってもソフトスイッチングが実現できることが分かる。
On the other hand, in the case of the 3L-
図16には、シミュレーションにおける従来の2L-2Lコンバータにおけるトランスの1次側の電圧波形550と電流波形552とを示す。図17には、図2に示すスイッチング素子S1の電圧波形560及び電流波形562を示す。なお、このときの位相差φは24.6度であった。
FIG. 16 shows a
特に図17から、時刻500マイクロ秒において、スイッチング素子S1がオンする時点においては電流がほぼ0であり、スイッチング素子S1の電圧が上昇するとほぼ同時に電流が増加を始めていることが分かる。そのため、実際の装置においてはこの部分において損失が生じることになる。
In particular, from FIG. 17, it can be seen that at
図18には、第1実施形態における3L-2Lコンバータ100について同様の条件によりシミュレーションしたときの1次側のトランス電圧波形570と、電流波形572とを示す。図19には、スイッチング素子S1のオフからオンへのスイッチング前後のスイッチング素子S1のゲート-ソース電圧波形590と、電流波形592とを示す。このときの位相差φは31.4度、位相α=16.1度、位相β=32.2度であった。
FIG. 18 shows a
図18から、1次側のトランス電圧が3レベルに制御されていることが分かる。また図19からは、スイッチング素子S1のオフからオンへのスイッチングの時点においては、スイッチング素子S1を流れる電流が負であることが分かる。すなわち、スイッチング素子S1のスイッチングはソフトスイッチングであって損失は生じていない。 It can be seen from FIG. 18 that the transformer voltage on the primary side is controlled to three levels. Further, from FIG. 19, it can be seen that the current flowing through the switching element S1 is negative at the time of switching the switching element S1 from off to on. That is, the switching of the switching element S1 is soft switching and no loss occurs.
以上のようにシミュレーションからも、上記制御回路が有効なものであることが分かる。 As described above, it can be seen from the simulation that the above control circuit is effective.
6.変形例
上記実施形態は、いずれも1次側に3レベルのフルブリッジ回路を使用し、2次側には2レベルのフルブリッジ回路を採用している。しかしこの開示はそのような実施形態には限定されない。1次側だけではなく、2次側に3レベルのフルブリッジ回路を採用してもよい。図20にそうした3L-3Lコンバータの構成例を示す。
6. Modifications In the above embodiments, a three-level full bridge circuit is used on the primary side, and a two-level full bridge circuit is used on the secondary side. However, this disclosure is not limited to such embodiments. A three-level full bridge circuit may be employed not only on the primary side but also on the secondary side. FIG. 20 shows an example of the configuration of such a 3L-3L converter.
図20を参照して、この3L-3Lコンバータ600は、蓄電池102とトランス114との間に接続された、第1実施形態のものと同じ1次側3Lフルブリッジ回路110と、2次側3Lフルブリッジ回路610と直流バス104に接続された2次側3Lフルブリッジ回路610と、1次側3Lフルブリッジ回路110及び2次側3Lフルブリッジ回路610を制御するための制御回路620とを含む。1次側3Lフルブリッジ回路110、トランス114及び2次側3Lフルブリッジ回路610の組み合わせは公知であり、それらを3レベルにより駆動する方法も例えば非特許文献1の記載から公知といえる。しかし、制御回路620は、従来技術とは異なりこの開示において提案する、電流指令値との関係式により上記各実施形態において説明した1次側3Lフルブリッジ回路110を制御するための位相α及びβを決定することに加え、2次側3Lフルブリッジ回路610を3レベルにより駆動するための位相γ及びデルタについても電流指令値との関係式により決定する。位相γは1次側3Lフルブリッジ回路110における位相αに対応する。位相デルタは1次側3Lフルブリッジ回路110における位相βに対応する。
Referring to FIG. 20, this 3L-
図21を参照して、制御回路620は、図5に示す制御回路250と同様の構成である。ただし制御回路620は、図5に示す関係式変換部268に代えて、電流指令値I*の値をそれぞれに対応する関数に代入することにより、位相α、β、γ及びδを算出し出力するための関係式変換部630を含む点において制御回路250と異なる。制御回路620はさらに、図5に示すPWM信号生成部266に代えて、変換部264の出力する位相差φ、並びに制御回路620の出力する位相α、β、γ及びδを受けて、1次側3Lフルブリッジ回路110の各スイッチング素子、及び2次側3Lフルブリッジ回路610の各スイッチング素子を制御するPWM信号を出力するための3L-3L用PWM信号生成部632を含む点においても制御回路250と異なる。
Referring to FIG. 21,
電流指令値の関数として位相γ及びδを算出するための関係式の決定方法は、第1実施形態において説明した、位相βを算出するための関係式の決定方法と同様である。 The method for determining the relational expression for calculating the phases γ and δ as a function of the current command value is the same as the method for determining the relational expression for calculating the phase β described in the first embodiment.
制御回路620の基本的動作も、基本的には第1実施形態の制御回路250と同様である。ただし制御回路620においては、第1実施形態と異なり、関係式変換部630が位相α及びβだけではなく、位相γ及びδも電流指令値の関数としてその値を算出する点、及び3L-3L用PWM信号生成部632が、2次側3Lフルブリッジ回路610の各スイッチング素子を制御するために出力するPWM信号の数が第1実施形態のPWM信号生成部266よりも多くなっている点において、制御回路620の動作は制御回路250と異なる。
The basic operation of the
このような変形例によっても、上記実施形態と同様、簡単な構成により、かつ少ない演算量により3L-3Lコンバータ600を制御できるという効果が得られる。
Similar to the embodiment described above, this modification also provides the effect that the 3L-
上記実施形態は、いずれも図2に示すようにNPC型のDAB方式の絶縁コンバータに関するものである。しかしこの開示はそのような実施形態には限定されない。例えば図2に示すNPC型の1次側3Lフルブリッジ回路110に代えて、ダイオードクランプ型の1次側3Lフルブリッジ回路660を採用してもよい。図22に、そのような変形例に係る3L-2Lコンバータ650の回路ブロック図を示す。
The above embodiments all relate to an NPC type DAB type isolated converter as shown in FIG. However, this disclosure is not limited to such embodiments. For example, instead of the NPC type primary side 3L
図22を参照して、3L-2Lコンバータ650は、図2に示す1次側3Lフルブリッジ回路110において、1次側3Lフルブリッジ回路110をダイオードクランプ型の1次側3Lフルブリッジ回路660を用いて置換したものである。これ以外の点では3L-2Lコンバータ650の各部は1次側3Lフルブリッジ回路110と同様である。制御回路250の回路構成も第1実施形態のものと同様である。制御回路250において位相α及びβを電流指令値から算出するための関係式(関数)の決定方法も第1実施形態における方法と同様である。
Referring to FIG. 22, in the primary 3L full-
この3L-2Lコンバータ650によっても、上記各実施形態と同様、簡単な構成により、かつ少ない演算量により3L-2Lコンバータ650を実用的に制御できるという効果が得られる。
Similar to the above embodiments, this 3L-
今回開示された実施の形態は全ての点において例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、開示の詳細な説明の記載により示されるわけではなく、特許請求の範囲の各請求項によって示され、特許請求の範囲の文言と均等の意味及び範囲内における全ての変更が含まれることが意図される。 The embodiments disclosed this time should be considered to be illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present disclosure is not indicated by the description of the detailed description of the disclosure, but by each claim, and all changes within the meaning and scope equivalent to the wording of the claims are intended. intended to be included.
S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12 スイッチング素子
50、170、172、550、560 電圧波形
52、204、552、562、572、592 電流波形
54、56、350 領域
58、60 電力損失
100、650 3L-2Lコンバータ
102 蓄電池
104 直流バス
110、660 1次側3Lフルブリッジ回路
112 2次側フルブリッジ回路
114 トランス
116 漏れインダクタンス
120、122、140 コンデンサ
124 スイッチング素子群
126、128、130、142、144 ノード
200 1次側電圧
202 2次側電圧
250、400、460、500、514、620 制御回路
260 減算器
262、512 PI制御部
264、410 変換部
266、412 PWM信号生成部
268、630 関係式変換部
300、302、304、306、308、380、382 曲線
310、312、314、316、318 直線
352 線
470 乗算回路
510 減算回路
570 トランス電圧波形
590 ゲート-ソース電圧波形
600 3L-3Lコンバータ
610 2次側3Lフルブリッジ回路
632 3L-3L用PWM信号生成部
S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10, S11,
Claims (17)
与えられる電流指令値と、前記トランスの状態値とに基づいて、前記位相差φをフィードバック制御するフィードバック回路と、
前記電流指令値に対し、それぞれの関係式に従って、前記1次側3レベルブリッジ回路の各スイッチング素子のスイッチングタイミングを定める2つの位相α及びβ、ただし0<α<β<π、を算出するタイミング算出回路と、
前記位相差φと前記位相α及びβとを用いて前記1次側3レベルブリッジ回路及び前記2次側ブリッジ回路のスイッチング素子を制御するPWM信号を生成するPWM信号生成回路とを含む、制御回路。 a transformer, a primary side three-level bridge circuit connected to the primary side of the transformer, and a secondary side bridge circuit connected to the secondary side of the transformer, wherein the primary side three-level bridge circuit is connected to the transformer. A control circuit for controlling a power conversion device that performs power conversion by changing a phase difference φ between a voltage waveform applied to the transformer and a voltage waveform applied by the secondary side bridge circuit to the transformer. hand,
a feedback circuit that performs feedback control of the phase difference φ based on a given current command value and a state value of the transformer;
Timing for calculating two phases α and β, where 0<α<β<π, that determine the switching timing of each switching element of the primary side three-level bridge circuit, with respect to the current command value, according to each relational expression. a calculation circuit;
a control circuit including a PWM signal generation circuit that generates a PWM signal for controlling switching elements of the primary side three-level bridge circuit and the secondary side bridge circuit using the phase difference φ and the phases α and β; .
前記関係式は、前記各スイッチング素子によるスイッチングがソフトスイッチとなるように選ばれている、請求項1又は請求項2に記載の制御回路。 Each switching element of the primary side three-level bridge circuit has a first terminal, a second terminal, and a control terminal that controls conduction between the first terminal and the second terminal,
3. The control circuit according to claim 1, wherein the relational expression is selected such that switching by each of the switching elements is a soft switch.
前記位相αは、前記トランスの1次側に印加される電圧を、0から前記±V1/2に変化させるタイミングを定め、
位相πから前記位相αを減じた位相は、前記トランスの1次側に印加される電圧を、前記±V1/2から0に変化させるタイミングを定める、請求項1又は請求項2に記載の制御回路。 The primary side three-level bridge circuit functions to apply 0, ±V1/2, and ±V1 to the primary side to the transformer,
The phase α determines the timing at which the voltage applied to the primary side of the transformer is changed from 0 to the ±V1/2,
The control according to claim 1 or 2, wherein the phase obtained by subtracting the phase α from the phase π determines the timing at which the voltage applied to the primary side of the transformer is changed from the ±V1/2 to 0. circuit.
位相πから前記位相βを減じた位相は、前記トランスの1次側に印加される電圧を前記±V1から前記±V1/2に変化させるタイミングを定める、請求項10に記載の制御回路。 The phase β determines the timing at which the voltage applied to the primary side of the transformer is changed from the ±V1/2 to ±V1, respectively,
11. The control circuit according to claim 10, wherein a phase obtained by subtracting the phase β from the phase π determines the timing at which the voltage applied to the primary side of the transformer is changed from the ±V1 to the ±V1/2.
前記制御回路は、さらに、
前記電流指令値に対し、それぞれの関係式に従って、前記2次側3レベルブリッジ回路の各スイッチング素子のスイッチングタイミングを定める2つの位相γ及びδ、ただし0<γ<δ<π、を算出する2次側タイミング算出回路をさらに含み、
前記PWM信号生成回路は、
前記位相差φと前記位相α及びβとを用いて前記1次側3レベルブリッジ回路のスイッチング素子を制御し、前記位相差φと前記位相γ及びδとを用いて前記2次側3レベルブリッジ回路のスイッチング素子を制御する3レベル-3レベル用PWM信号生成回路とを含む、請求項1又は請求項2に記載の制御回路。 The secondary side bridge circuit includes a secondary side 3-level bridge circuit,
The control circuit further includes:
For the current command value, two phases γ and δ, where 0<γ<δ<π, are calculated, which determine the switching timing of each switching element of the secondary side three-level bridge circuit, according to the respective relational expressions. further including a next side timing calculation circuit,
The PWM signal generation circuit includes:
The switching elements of the primary side three-level bridge circuit are controlled using the phase difference φ and the phases α and β, and the switching elements of the secondary side three-level bridge circuit are controlled using the phase difference φ and the phases γ and δ. 3. The control circuit according to claim 1, further comprising a 3-level PWM signal generation circuit for controlling switching elements of the circuit.
前記トランスと、
前記制御回路によりスイッチングが制御される半導体スイッチング素子を含む、前記トランスの1次側に接続された前記1次側3レベルブリッジ回路と、
前記トランスの2次側に接続された2次側回路とを含む、電力変換装置。 A control circuit according to claim 1 or claim 2,
the transformer;
the primary side three-level bridge circuit connected to the primary side of the transformer, including a semiconductor switching element whose switching is controlled by the control circuit;
and a secondary side circuit connected to the secondary side of the transformer.
前記トランスと、
前記制御回路の前記1次側PWM信号生成回路によりスイッチングが制御される半導体スイッチング素子を含む、前記トランスの1次側に接続された前記1次側3レベルブリッジ回路と、
前記制御回路の前記2次側PWM信号生成回路によりスイッチングが制御される半導体スイッチング素子を含む、前記トランスの2次側に接続された前記2次側3レベルブリッジ回路とを含む、電力変換装置。
A control circuit according to claim 15;
the transformer;
the primary side three-level bridge circuit connected to the primary side of the transformer, including a semiconductor switching element whose switching is controlled by the primary side PWM signal generation circuit of the control circuit;
A power conversion device comprising: the secondary side three-level bridge circuit connected to the secondary side of the transformer, the secondary side three-level bridge circuit including a semiconductor switching element whose switching is controlled by the secondary side PWM signal generation circuit of the control circuit.
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