JP2023183034A - Control circuit and power conversion device - Google Patents

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Hiroyuki Kaetsu
直嗣 鵜殿
Naotada Udono
猛 梅原
Takeshi Umehara
聡 初川
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Abstract

To provide a control circuit and a power conversion device capable of performing soft switching by three-level voltage control with practical calculation load.SOLUTION: A control circuit, for controlling a power conversion device including a transformer, a primary side three-level bridge circuit, and a secondary side bridge circuit, includes: a feedback circuit for performing feedback control of a phase difference φ based on a given current command value and a state value of the transformer; a timing calculation circuit for calculating two phases α and β determining switching timing for each switching element of the primary side three-level bridge circuit, where 0<α<β<π, for the current command value according to each relational expression; and a PWM signal generation circuit for generating 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.SELECTED DRAWING: Figure 5

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 Document 1 listed below. The technology disclosed in Non-Patent Document 1 relates to a DAB type converter in which the voltage applied to the transformer is set to three levels instead of two levels. According to Non-Patent Document 1, by setting the voltage to three levels and appropriately determining the parameters, it is possible to avoid hard switching and realize soft switching. In the following explanation, when explaining the configuration of the converter, "3 levels" will be indicated as "3L" and "2 levels" will be indicated as "2L" for the purpose of simplifying the description. There is.

A. Filba-Martinez, S. Busquets-Monge, J. Nicolas-Apruzzese and J. Bordonau, "Operating Principle and Performance Optimization of a Three-Level NPC Dual-Active-Bridge DC-DC Converter," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 63, no. 2, pp. 678-690, Feb. 2016.A. Filba-Martinez, S. Busquets-Monge, J. Nicolas-Apruzzese and J. Bordonau, "Operating Principle and Performance Optimization of a Three-Level NPC Dual-Active-Bridge DC-DC Converter," in IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 63, no. 2, pp. 678-690, Feb. 2016.

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 Non-Patent Document 1 generates three levels of voltage to be applied to the transformer. Therefore, the number of semiconductor switching elements in the primary circuit to be controlled increases, and the number of parameters for controlling them also increases. The technique disclosed in Non-Patent Document 1 proposes feedback control of these parameters. Although that proposal performs feedback control after imposing various conditions, there is a problem in that the computational load is high due to the large number of parameters to be controlled. As a result, the required functions cannot be realized depending on the processing power and calculation speed of the microprocessor used in a typical power converter, making it impractical.

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.

図1は、ハードスイッチングによる損失を説明するための図である。FIG. 1 is a diagram for explaining loss due to hard switching. 図2は、この開示の第1実施形態に係るDAB方式のコンバータの回路ブロック図である。FIG. 2 is a circuit block diagram of a DAB type converter according to the first embodiment of this disclosure. 図3は、第1実施形態における3レベル制御に関連するパラメータを説明するためのグラフである。FIG. 3 is a graph for explaining parameters related to three-level control in the first embodiment. 図4は、第1実施形態におけるトランスの1次側電圧、2次側電圧及びトランス電流の変化を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing changes in the primary voltage, secondary voltage, and transformer current of the transformer in the first embodiment. 図5は、第1実施形態における制御回路の構成を示すブロック図である。FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the control circuit in the first embodiment. 図6は、ソフトスイッチングを実現可能な位相差φと変圧比mとの組み合わせ範囲を種々の位相βに対して示したグラフである。FIG. 6 is a graph showing the range of combinations of phase difference φ and transformation ratio m that can realize soft switching for various phases β. 図7は、図6に示す関係に基づき、位相差φと位相βの組み合わせに対してソフトスイッチングが実現可能な変圧比をプロットした図である。FIG. 7 is a diagram plotting transformation ratios at which soft switching can be realized for combinations of phase difference φ and phase β based on the relationship shown in FIG. 図8は、位相差φと位相βの組み合わせに対してソフトスイッチングが可能な最大電流値をプロットした図である。FIG. 8 is a diagram plotting the maximum current value that allows soft switching for combinations of phase difference φ and phase β. 図9は、図7において所望の変圧比でソフトスイッチングが実現できる領域と、図8のグラフとを合成した図において、変圧比2.5で所望の範囲の電流を流すことができる位相差φと位相βの組み合わせを示すラインを引いた状態を示す図である。FIG. 9 is a diagram that combines the area where soft switching can be realized at a desired transformation ratio in FIG. 7 and the graph in FIG. FIG. 4 is a diagram showing a state in which lines indicating combinations of phase β and phase β are drawn. 図10は、図9に示すラインを電流指令値Iと位相βとの関係としてグラフ化し、さらにそのグラフを3次曲線で近似したグラフを示す図である。FIG. 10 is a graph in which the line shown in FIG. 9 is graphed as the relationship between the current command value I and the phase β, and the graph is further approximated by a cubic curve. 図11は、第2実施形態に係る制御回路の構成を示すブロック図である。FIG. 11 is a block diagram showing the configuration of a control circuit according to the second embodiment. 図12は、図10に示すグラフに基づいて、変圧比を変化させたときの位相βの決定方法を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing a method for determining the phase β when changing the transformation ratio based on the graph shown in FIG. 10. 図13は、第3実施形態に係る制御回路の構成を示すブロック図である。FIG. 13 is a block diagram showing the configuration of a control circuit according to the third embodiment. 図14は、定電圧制御による制御回路の構成を示すブロック図である。FIG. 14 is a block diagram showing the configuration of a control circuit using constant voltage control. 図15は、本開示による3L-2Lコンバータによりソフトスイッチングを実現できる範囲を従来の2L-2Lコンバータと比較したシミュレーション結果を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing simulation results comparing the range in which soft switching can be realized by the 3L-2L converter according to the present disclosure with a conventional 2L-2L converter. 図16は、2L-2Lコンバータに関するシミュレーションにおけるトランス電圧波形及びトランス電流波形を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing transformer voltage waveforms and transformer current waveforms in a simulation regarding a 2L-2L converter. 図17は、2L-2Lコンバータに関するシミュレーションにおけるスイッチング素子のゲート-ソース電圧波形及び電流波形を示す図である。FIG. 17 is a diagram showing gate-source voltage waveforms and current waveforms of a switching element in a simulation regarding a 2L-2L converter. 図18は、この開示に係る3L-2Lコンバータに関するシミュレーションにおけるトランス電圧波形及びトランス電流波形を示す図である。FIG. 18 is a diagram showing transformer voltage waveforms and transformer current waveforms in a simulation regarding the 3L-2L converter according to this disclosure. 図19は、この開示に係る3L-2Lコンバータに関するシミュレーションにおけるスイッチング素子のゲート-ソース電圧波形及び電流波形を示す図である。FIG. 19 is a diagram showing gate-source voltage waveforms and current waveforms of a switching element in a simulation regarding a 3L-2L converter according to this disclosure. 図20は、この開示の変形例に係る3L-3Lコンバータの回路ブロック図である。FIG. 20 is a circuit block diagram of a 3L-3L converter according to a modification of this disclosure. 図21は、図20に示す制御回路の構成を示すブロック図である。FIG. 21 is a block diagram showing the configuration of the control circuit shown in FIG. 20. 図22は、この開示の他の変形例に係る3L-2Lコンバータの回路ブロック図である。FIG. 22 is a circuit block diagram of a 3L-2L converter according to another modification of this disclosure.

[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 voltage waveform 50 of FIG. 1, it is assumed that there is a voltage difference across the semiconductor switch when no current flows through the semiconductor switch. When the semiconductor switch is turned on in this state, a current begins to flow through the semiconductor switch as shown by a current waveform 52 before the voltage difference across the semiconductor disappears due to the capacitance component of the semiconductor switch. As a result, power loss 58 occurs in region 54 where both current and voltage are non-zero. This is also the case when the semiconductor switch is turned off, and power loss 60 occurs in the region 56 where both current and voltage are non-zero.

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-2L converter 100 according to this embodiment. Referring to FIG. 2, the 3L-2L converter 100 includes a transformer 114 having a leakage inductance 116, and a primary side 3L full bridge circuit 110 connected between the storage battery 102 and the primary side terminal of the transformer 114. include. 3L-2L converter 100 further includes a secondary full-bridge circuit 112 connected to a secondary terminal of transformer 114 and DC bus 104.

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 full bridge circuit 110 includes switching elements S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, and S8, all of which are MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors). Among these, switching elements S1 and S4, S5 and S8 form a full bridge circuit. Switching elements S2, S3, S6, and S7 form a switching element group 124 necessary for three-level control. A node 128 connecting switching elements S1 and S4 is connected to a first terminal on the primary side of transformer 114. A node 130 connecting switching elements S5 and S8 is connected to a second terminal on the primary side of transformer 114.

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。 Capacitors 120 and 122 are connected in series via a node 126 between two terminals of the primary side 3L full bridge circuit 110 connected to the storage battery 102 side. Node 126 is connected to nodes 128 and 130 via separate connection lines. Switching elements S2 and S3 are connected in this order between node 126 and node 128. Switching elements S6 and 7 are connected in this order between node 126 and node 130.

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 full bridge circuit 112 includes switching elements S9, S10, S11, and S12. Switching elements S9 and S10 are connected via node 142. Switching elements S11 and S12 are connected via node 144. Node 142 is connected to a first terminal on the secondary side of transformer 114 . Node 144 is connected to a second terminal on the secondary side of transformer 114 .

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-bridge circuit 112 further includes a capacitor 140 connected between two DC buses 104.

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-2L converter 100 further provides a primary 3L full-bridge circuit 110 and a secondary full-bridge circuit 112 based on the current IL of the transformer 114 and the voltages applied to the primary and secondary sides of the transformer 114. It includes a control circuit 250 for generating a control signal for each included switching element and outputting it to the primary side 3L full-bridge circuit 110 and the secondary side full-bridge circuit 112. The configuration of the control circuit 250 will be described later with reference to FIG.

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-bridge circuit 110 will be described. In the upper part of FIG. 3, a voltage waveform 170 applied to the transformer 114 by the primary side 3L full-bridge circuit 110 is shown. A voltage waveform 172 applied to the secondary side of the transformer 114 by the secondary side full bridge circuit 112 is shown in the lower part of FIG.

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 voltage waveform 172 is a normal square wave, which alternates voltages of ±V2 with a constant period. In the following explanation, this one period is indicated by 2π. On the other hand, as shown in the upper part of FIG. 3, the voltage waveform 170 generated by the primary side 3L full-bridge circuit 110 takes voltages of ±V1, 1/2, and 0.

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 voltage waveform 170 is zero from phase 0 to phase α (0<α<π/2). At phase α, voltage waveform 170 becomes V1/2. In the phase β (however, α<β<π/2), the voltage waveform 170 becomes V1. The voltage waveform 170 maintains V1 from phase β to phase π-β, and becomes V1/2 at phase π-β. Furthermore, the voltage waveform 170 changes to 0 at phase π-α.

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 voltage waveform 170 takes a waveform in which the polarity of the half cycle from the phase 0 to π described above is reversed. Thereafter, the voltage waveform 170 repeats the waveform described above.

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 voltage waveform 172 lags behind the voltage waveform 170 by a phase difference φ. By storing the energy generated by the voltage difference between the primary and secondary sides during this delay in the leakage inductance 116 of the transformer 114 and then releasing it, the 3L-2L converter 100 also serves as a buck-boost converter.

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 primary side voltage 200, the secondary side voltage 202, and the current waveform 204 of the transformer 114 when the 3L-2L converter 100 is operated in the form shown in FIG. In this example, the primary voltage V1 is 200V and the secondary voltage is 350V.

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 control circuit 250. Referring to FIG. 5, control circuit 250 is for performing constant current control on 3L-2L converter 100. The control circuit 250 receives the current command value I * and the current I of the transformer 114, and includes a subtracter 260 for feedback controlling the phase difference φ, a PI control unit 262, and a control circuit for controlling the phase difference φ of the PI control unit 262. It includes a converter 264 and a relational expression converter 268 that receives the current command value I * and converts it into phases α and β according to a predetermined relational expression of the current command value I * . The control circuit 250 further includes a PWM signal generation section for receiving the phase difference φ from the conversion section 264 and the phases α and β from the relational expression conversion section 268 and outputting a PWM signal for controlling the switching elements S1 to S12. 266 included.

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 Non-Patent Document 1, so the details will be described here. Don't repeat.

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 expression conversion unit 268 for converting the current command value I * into phases α and β will be described. The method of determining this relational expression is basically the same for both phases α and β, and the concept is also common to all switching elements of the primary side 3L full-bridge circuit 110. Therefore, only the phase β in the control of the switching element S1 will be described here. The relational expression described below is for uniquely determining the value of the phase β from the current command value I * .

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-2L converter 100 shown in FIG. 2 is the following equation using the phase difference φ and the phases α and β as parameters.

Figure 2023183034000002
図2に示すスイッチング素子S1がソフトスイッチングとなる条件は、スイッチング素子S1がオンとなるタイミングにおいて、矢印144により示すようにスイッチング素子S1にマイナス方向(電圧と逆方向)の電流が流れていることであると考えられる。この条件を図2において考えると、トランス114に流れるトランス電流iの値が図2の矢印146により示す方向のときに正だとして、「i≦0」が条件となる。
Figure 2023183034000002
The condition for soft switching of the switching element S1 shown in FIG. 2 is that a current in the negative direction (in the opposite direction to the voltage) flows through the switching element S1 as shown by an arrow 144 at the timing when the switching element S1 is turned on. It is thought that. Considering this condition in FIG. 2, it is assumed that the value of the transformer current i L flowing through the transformer 114 is positive when it is in the direction indicated by the arrow 146 in FIG. 2, and the condition is "i L ≦0".

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.

Figure 2023183034000003
この式を変形すると以下の不等式が得られる。
Figure 2023183034000003
By transforming this equation, the following inequality is obtained.

Figure 2023183034000004
ただし最後の式のmは変圧比であり、m=(V2/nV1)である。
Figure 2023183034000004
However, m in the last equation is the voltage transformation ratio, and m=(V2/nV1).

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 curve 308 and the straight line 318 is β=80 degrees. Similarly, when the ranges between the curve 306 and the straight line 316, the curve 304 and the straight line 314, the curve 302 and the straight line 312, and the curve 300 and the straight line 310 are respectively β=60 degrees, 40 degrees, 20 degrees, and 0 degrees, the above equation is Indicates the range in which this is true. Note that among the graphs shown in FIG. 6, curves 300, 302, 304, 306, and 308 continue to infinity using straight lines 310, 312, 314, 316, and 318, respectively, as asymptote lines. Therefore, only the range where the transformation ratio is 2.4 or less is shown in the graph.

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-2L converter 100 is plotted for that combination. The unit of the current value indicated by the legend in FIG. 8 is ampere. Note that the value of the maximum current I is calculated assuming that α=0 in the above power transfer equation.

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 region 350 in FIG. In FIGS. 7 and 8, the horizontal and vertical axes coincide, so such operations can be easily performed. Also in FIG. 9, the horizontal axis represents the phase difference φ, and the vertical axis represents the phase β.

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 region 350 that is a combination of phase difference φ and phase β that allows soft switching, and in which a desired transformation ratio can be realized, and a maximum current value that is possible in that region. It is shown along with the distribution of .

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 line 352 shown in FIG. 9 is drawn inside this area 350. Then, the line 352 provides a combination (relationship) of phase difference φ and phase β that allows current to flow in a predetermined range (for example, 0 ampere to 40 ampere) at a transformation ratio of 2.5.

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 line 352 drawn in FIG. 9 can be replotted into a graph with the current on the horizontal axis and the phase β on the vertical axis, as shown in FIG. The result is curve 380. As mentioned above, this curve 380 can be considered to represent the combination of phase difference φ and phase β that allows current to flow in a predetermined range at a predetermined transformation ratio in the form of a function of phase β against phase difference φ. can. This graph is approximated by a predetermined function, such as a polynomial. A curve 382 shown in FIG. 10 represents the curve 380 by a third-order polynomial of φ. The phase β with respect to the current command value I can be specified using this third-order polynomial. This function is a simple polynomial, and if the current command value I is given, the phase beta can be easily calculated. Further, for example, calculation of this phase β can be performed independently of calculation of phase α. Therefore, unlike the technique described in Non-Patent Document 1, even a weak microprocessor can perform sufficient processing.

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 curve 380 shown in FIG. 10 needs to be a monotonous function in the strong sense (in the case of FIG. 10, a monotonically decreasing function). This is because otherwise the phase β cannot be determined. At the design stage of the 3L-2L converter 100, if the curve drawn in FIG. 10 after drawing the line 352 shown in FIG. 9 is not a monotonic function, it is necessary to newly draw the line 352.

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 curve 380, so it is approximated by a cubic equation, but if the error range can be widened, it is approximated by a quadratic equation or a linear equation. It is not impossible. Of course, conversely, the curve may be approximated by a quartic or higher order equation.

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 curve 380, the combinations of the current command value I and the phase β that make up the curve 380 can be prepared in a table format. In this case, if the current command value I is given, the corresponding phase β can be identified by table lookup. If the specified current command value I does not exist in the table, the phase β may be interpolated using neighboring data in the table.

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 line 352 is drawn on the map of FIG. 9, and the line 352 is converted to the map of FIG. 10. However, this disclosure is not limited to such embodiments. Conversely, a desired curve (a monotonically decreasing function in a strong sense) showing the relationship between the current command value I and the phase β may be drawn on the map in FIG. 10, and it may be mapped in FIG. In this case, if the line obtained from the map (the line corresponding to the line 352 in FIG. 9) falls within the region 350, the first curve drawn is adopted as indicating the relationship between the current command value I and the phase β. can. In the following, as in the above embodiment, an approximate expression or a table lookup may be used. If the line obtained from the map does not fall within the area 350, return to FIG. 10 and redraw the curve.

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 area 350 in FIG. 9 is obtained.

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 region 350 in FIG. 9 is considered to exhibit the transformation ratio shown in FIG. 7 and the current value shown in FIG. 8. Then, the diagram obtained in this way is converted into a three-dimensional graph (three-dimensional curved surface) in which each point of the area 350 is plotted with the current command value on the x-axis, the transformation ratio m on the y-axis, and the phase β on the z-axis. can. This three-dimensional graph has the same meaning as curve 380 in FIG. Therefore, the same effect as in the first embodiment can be obtained by approximating the curved surface by a function having two variables, the current command value It and the transformation ratio m, or by having it as a two-dimensional table.

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 converter 410 that calculates the phases α and β in the control circuit 400 according to the second embodiment. Referring to FIG. 11, converter 410 receives the current command value and the primary voltage and secondary voltage of transformer 114 as input, and internally converts the current command value into a function that calculates phases α and β, respectively. By inputting and transformation ratio (=secondary side voltage/(n*primary side voltage)), phases α and β are calculated and provided to the PWM signal generation unit 412. By replacing the relational expression converter 268 of FIG. 5 with the converter 410 shown in FIG. 11, the switching elements of the 3L-2L converter 100 can be controlled with a simple configuration, as in the first embodiment. Temporal fluctuations in the current command value, primary voltage, and secondary voltage are small. Therefore, in this embodiment as well, the phases α and β can be calculated at longer intervals than the feedback control of the phase difference φ. As a result, the load placed on the microprocessor for control can be reduced, and three-level control can be achieved in a practical manner.

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 curve 380 shown in FIG. 12 is the relationship between the current command value and the phase β when the transformation ratio is 2.5, which was determined in the first embodiment. A curve 382 is an approximation of the curve 380 using a third-order polynomial. As described above, when the transformation ratio approaches 1, the phase β can be reduced. For example, as shown in FIG. 12, when the current command value I is about 12.5 amperes, the phase β determined from the curve 382 is about 0.31. However, if the transformation ratio approaches 1 (if the transformation ratio becomes smaller), the phase β can be made smaller. In order to utilize such a result, it is sufficient to use the phase β corresponding to a point 450 at a position where the entire curve 382 is reduced downward along the vertical axis. For example, the curve 382 may be multiplied by a coefficient k determined by the following formula. However, in the following formula, m is the transformation ratio.

Figure 2023183034000005
図13に、この第3実施形態に係る3L-2Lコンバータの1次側の制御回路460の構成を示す。図13を参照して、この第3実施形態に係る制御回路460が図5に示す制御回路250と異なるのは、関係式変換部268が出力する位相α及びβに上記係数kを乗算するための乗算回路470をさらに含む点である。それ以外の点においては、制御回路460は制御回路250と同じである。
Figure 2023183034000005
FIG. 13 shows the configuration of a primary side control circuit 460 of a 3L-2L converter according to the third embodiment. Referring to FIG. 13, a control circuit 460 according to the third embodiment is different from the control circuit 250 shown in FIG. It further includes a multiplication circuit 470. In other respects, control circuit 460 is the same as control circuit 250.

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-bridge circuit 110 of a 3L-2L converter. However, this circuit is not limited to such embodiments. This disclosure can also be applied to the case where the primary side 3L full bridge circuit is subjected to constant voltage control.

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 control circuit 500 for constant voltage control of the primary side 3L full-bridge circuit 110 according to the fourth embodiment. Referring to FIG. 14, control circuit 500 includes a control circuit 514 similar to control circuit 250 shown in FIG . A subtraction circuit 510 that subtracts the next-side voltage V is provided between the subtraction circuit 510 and the control circuit 514, and generates a current command value I * from the output of the subtraction circuit 510 and inputs it to the positive terminal of the subtracter 260. PI control unit 512.

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 control circuit 250 shown in FIG. Therefore, the relational expression conversion unit 268 calculates the phases α and β necessary for the PWM signal generation unit 266 to generate the switching signal for controlling the primary side 3L full-bridge circuit 110 in the same manner as in the first embodiment. can.

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-bridge circuit 110 can be practically controlled using a simple circuit and with a small amount of calculation.

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-2L converter 100 according to the first embodiment. The results are shown in FIG. Of the two tables shown in FIG. 15, the upper row shows the results for the 2L-2L converter. The lower row shows the results from the 3L-2L converter 100. In the two tables shown in FIG. 15, the value shown on the leftmost side is the value of the primary side voltage. In this simulation, the secondary voltage was fixed at 350V. In FIG. 15, "OK" indicates that soft switching was achieved, and "NG" indicates that soft switching was not achieved.

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-2L converter 100 according to the first embodiment, such a result does not occur. It can be seen that soft switching can be achieved even if the absolute value of the current becomes small or the transformation ratio becomes large.

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 voltage waveform 550 and a current waveform 552 on the primary side of the transformer in a conventional 2L-2L converter in simulation. FIG. 17 shows a voltage waveform 560 and a current waveform 562 of the switching element S1 shown in FIG. 2. Note that the phase difference φ at this time was 24.6 degrees.

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 time 500 microseconds, the current is almost 0 when the switching element S1 is turned on, and the current starts to increase almost at the same time as the voltage of the switching element S1 increases. Therefore, in an actual device, a loss will occur in this part.

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 transformer voltage waveform 570 and current waveform 572 on the primary side when the 3L-2L converter 100 in the first embodiment is simulated under similar conditions. FIG. 19 shows a gate-source voltage waveform 590 and a current waveform 592 of the switching element S1 before and after switching the switching element S1 from off to on. At this time, the phase difference φ was 31.4 degrees, the phase α was 16.1 degrees, and the phase β was 32.2 degrees.

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-3L converter 600 includes a primary side 3L full bridge circuit 110 connected between a storage battery 102 and a transformer 114, and a secondary side 3L full bridge circuit 110 connected between a storage battery 102 and a transformer 114. It includes a full bridge circuit 610, a secondary side 3L full bridge circuit 610 connected to the DC bus 104, and a control circuit 620 for controlling the primary side 3L full bridge circuit 110 and the secondary side 3L full bridge circuit 610. . The combination of the primary-side 3L full-bridge circuit 110, the transformer 114, and the secondary-side 3L full-bridge circuit 610 is known, and a method for driving them at three levels is also known, for example, from the description in Non-Patent Document 1. However, the control circuit 620 differs from the prior art in that the phases α and β for controlling the primary side 3L full-bridge circuit 110 explained in each of the above embodiments are determined by the relational expression with the current command value proposed in this disclosure. In addition to determining the phase γ and delta for driving the secondary side 3L full bridge circuit 610 at three levels, the phase γ and delta are also determined based on the relational expression with the current command value. The phase γ corresponds to the phase α in the primary side 3L full-bridge circuit 110. The phase delta corresponds to the phase β in the primary side 3L full-bridge circuit 110.

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, control circuit 620 has a similar configuration to control circuit 250 shown in FIG. However, instead of the relational expression converter 268 shown in FIG. 5, the control circuit 620 calculates and outputs the phases α, β, γ, and δ by substituting the values of the current command value I * into the respective corresponding functions. It differs from the control circuit 250 in that it includes a relational expression conversion section 630 for converting the relational expression. Further, the control circuit 620 receives the phase difference φ output from the conversion unit 264 and the phases α, β, γ, and δ output from the control circuit 620, instead of the PWM signal generation unit 266 shown in FIG. The control circuit also includes a 3L-3L PWM signal generation unit 632 for outputting a PWM signal that controls each switching element of the side 3L full-bridge circuit 110 and each switching element of the secondary side 3L full-bridge circuit 610. Different from 250.

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 control circuit 620 is also basically the same as that of the control circuit 250 of the first embodiment. However, in the control circuit 620, unlike the first embodiment, the relational expression converter 630 calculates not only the phases α and β but also the phases γ and δ as a function of the current command value, and 3L-3L In that the PWM signal generating section 632 outputs more PWM signals to control each switching element of the secondary side 3L full bridge circuit 610 than the PWM signal generating section 266 of the first embodiment. , the operation of control circuit 620 is different from control circuit 250.

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-3L converter 600 can be controlled with a simple configuration and with a small amount of calculation.

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 full bridge circuit 110 shown in FIG. 2, a diode clamp type primary side 3L full bridge circuit 660 may be employed. FIG. 22 shows a circuit block diagram of a 3L-2L converter 650 according to such a modification.

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-bridge circuit 110 shown in FIG. It was replaced using In other respects, each part of the 3L-2L converter 650 is similar to the primary side 3L full-bridge circuit 110. The circuit configuration of the control circuit 250 is also similar to that of the first embodiment. The method for determining the relational expression (function) for calculating the phases α and β from the current command values in the control circuit 250 is also the same as the method in the first embodiment.

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-2L converter 650 also has the effect of being able to practically control the 3L-2L converter 650 with a simple configuration and with a small amount of calculation.

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, S12 Switching element 50, 170, 172, 550, 560 Voltage waveform 52, 204, 552, 562, 572, 592 Current waveform 54 , 56, 350 Area 58, 60 Power loss 100, 650 3L-2L converter 102 Storage battery 104 DC bus 110, 660 Primary side 3L full bridge circuit 112 Secondary side full bridge circuit 114 Transformer 116 Leakage inductance 120, 122, 140 Capacitor 124 Switching element group 126, 128, 130, 142, 144 Node 200 Primary side voltage 202 Secondary side voltage 250, 400, 460, 500, 514, 620 Control circuit 260 Subtractor 262, 512 PI control section 264, 410 Conversion Sections 266, 412 PWM signal generation sections 268, 630 Relational expression conversion sections 300, 302, 304, 306, 308, 380, 382 Curves 310, 312, 314, 316, 318 Straight line 352 Line 470 Multiplier circuit 510 Subtraction circuit 570 Transformer voltage Waveform 590 Gate-source voltage waveform 600 3L-3L converter 610 Secondary side 3L full bridge circuit 632 PWM signal generation section for 3L-3L

Claims (17)

トランス、前記トランスの1次側に接続された1次側3レベルブリッジ回路、及び前記トランスの2次側に接続された2次側ブリッジ回路を含み、前記1次側3レベルブリッジ回路が前記トランスに印加する電圧波形の位相と前記2次側ブリッジ回路が前記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、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; .
前記タイミング算出回路による前記2つの位相α及びβの算出周期は、前記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、請求項1に記載の制御回路。 2. The control circuit according to claim 1, wherein a calculation cycle of the two phases α and β by the timing calculation circuit is longer than a feedback cycle by the feedback circuit. 前記関係式は、前記位相α及び前記電流指令値に関する第1の関係式と、前記位相β及び前記電流指令値に関する第2の関係式とを含む、請求項1又は請求項2に記載の制御回路。 The control according to claim 1 or 2, wherein the relational expression includes 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. circuit. 前記第1の関係式は、一定範囲の前記電流指令値に対して前記位相αを一意に定める、前記電流指令値の関数である、請求項3に記載の制御回路。 The control circuit according to claim 3, wherein the first relational expression is a function of the current command value that uniquely determines the phase α for the current command value within a certain range. 前記第1の関係式は、前記位相αを定める、前記一定範囲において前記電流指令値の強い意味での単調減少関数である、請求項4に記載の制御回路。 5. The control circuit according to claim 4, wherein the first relational expression is a strongly monotonically decreasing function of the current command value in the certain range that determines the phase α. 前記第2の関係式は、前記一定範囲の前記電流指令値に対して前記位相βを一意に定める、前記電流指令値の関数である、請求項3に記載の制御回路。 The control circuit according to claim 3, wherein the second relational expression is a function of the current command value that uniquely determines the phase β for the current command value in the certain range. 前記第2の関係式は、前記位相βを定める、前記一定範囲において前記電流指令値の強い意味での単調減少関数である、請求項6に記載の制御回路。 7. The control circuit according to claim 6, wherein the second relational expression is a strongly monotonically decreasing function of the current command value in the certain range that determines the phase β. 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は第1端子、第2端子及び前記第1端子及び前記第2端子の間の導通を制御する制御端子を持ち、
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.
前記関係式は、前記各スイッチング素子が導通していない状態において前記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、前記第1端子及び前記第2端子にかかる電圧と逆方向となっている間に、前記スイッチング素子が導通するように前記位相α及び前記位相βを定めるように選ばれている、請求項8に記載の制御回路。 The above relational expression is based on the condition that the current flowing through the body diode of each switching element is in the opposite direction to the voltage applied to the first terminal and the second terminal when each switching element is not conducting. 9. The control circuit according to claim 8, wherein the phase α and the phase β are selected such that the switching element is conductive. 前記1次側3レベルブリッジ回路は、前記トランスへの1次側に、0、±V1/2、及び±V1を印加するように機能し、
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.
前記位相βは、前記トランスの1次側に印加される電圧を、前記±V1/2からそれぞれ±V1に変化させるタイミングを定め、
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.
前記関係式は、前記電流指令値の多項式である、請求項1又は請求項2に記載の制御回路。 The control circuit according to claim 1 or 2, wherein the relational expression is a polynomial of the current command value. 前記関係式は、前記電流指令値の3次以下の多項式である、請求項12に記載の制御回路。 13. The control circuit according to claim 12, wherein the relational expression is a polynomial of order three or less of the current command value. さらに、電圧指令値と前記トランスの1次側に印加される電圧とに基づいて、前記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む、請求項1又は請求項2に記載の制御回路。 The control according to claim 1 or 2, further comprising a current command value generation circuit that generates the current command value by feedback based on the voltage command value and the voltage applied to the primary side of the transformer. circuit. 前記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み、
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.
請求項1又は請求項2に記載の制御回路と、
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.
請求項15に記載の制御回路と、
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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