JP2024011347A - Power conversion device and method of controlling the same - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、電力変換装置及びその制御方法に関する。 The present disclosure relates to a power conversion device and a control method thereof.
2つの単相ブリッジ回路が高周波絶縁トランスを介して接続されたDAB(Dual Active Bridge)と呼ばれる双方向絶縁型DC/DCコンバータが知られている(例えば、非特許文献1参照)。このコンバータは、ブリッジ間の位相差を調整する電力制御を採用した場合には、スイッチング損失を低減可能なZVS(Zero-Voltage Switching)を適用できるため、大電力用途に適している。 A bidirectional isolated DC/DC converter called DAB (Dual Active Bridge) in which two single-phase bridge circuits are connected via a high-frequency isolation transformer is known (for example, see Non-Patent Document 1). This converter is suitable for high-power applications because ZVS (Zero-Voltage Switching), which can reduce switching loss, can be applied when power control is adopted to adjust the phase difference between bridges.
バッテリー充放電システムなどの応用では、DABコンバータの昇降圧動作が不可欠となる場合がある。この場合の電力変換効率は、一次側ブリッジ回路及び二次側ブリッジ回路のそれぞれの直流電圧が等しい場合に比べて低下することが知られている。これは、高圧側のスイッチング素子のターンオフ時のスイッチング電流が上昇し、スイッチング損失の増大を招くためである。 In applications such as battery charging and discharging systems, buck-boost operation of the DAB converter may be essential. It is known that the power conversion efficiency in this case is lower than when the DC voltages of the primary bridge circuit and the secondary bridge circuit are equal. This is because the switching current increases when the switching element on the high voltage side turns off, leading to an increase in switching loss.
そこで、一次側ブリッジ回路と二次側ブリッジ回路のそれぞれの直流電圧の電圧差が大きい場合は、ブリッジ間の位相差の制御に加えて、片側または両側の交流電圧のデューティ比を制御することで、低損失化が実現できることが知られている。例えば、特許文献1では、交流電流の絶対値が最小となるように、一次側交流電圧と二次側交流電圧のデューティ比を増減させている。
Therefore, if the voltage difference between the DC voltages of the primary bridge circuit and the secondary bridge circuit is large, in addition to controlling the phase difference between the bridges, it is possible to control the duty ratio of the AC voltage on one side or both sides. It is known that low loss can be achieved. For example, in
しかしながら、特許文献1に提案されたデューティ比の計算方法は、複雑で、計算に時間を要し、コンピュータへの実装が難しい場合がある。
However, the duty ratio calculation method proposed in
本開示は、簡易な計算によってデューティ比を決定し、低損失化を実現可能な電力変換装置及びその制御方法を提供する。 The present disclosure provides a power conversion device and a control method thereof that can determine a duty ratio through simple calculation and achieve low loss.
本開示の一態様では、
一次巻線と二次巻線とを有するトランスと、
ハイサイドの第1アームとローサイドの第2アームとが直列に接続された第1レグと、ハイサイドの第3アームとローサイドの第4アームとが直列に接続された第2レグとを有し、前記第1アームと前記第2アームとの接続点と前記第3アームと前記第4アームとの接続点とを接続するブリッジ部分に前記一次巻線が設けられた一次側ブリッジ回路と、
ハイサイドの第5アームとローサイドの第6アームとが直列に接続された第3レグと、ハイサイドの第7アームとローサイドの第8アームとが直列に接続された第4レグとを有し、前記第5アームと前記第6アームとの接続点と前記第7アームと前記第8アームとの接続点とを接続するブリッジ部分に前記二次巻線が設けられた二次側ブリッジ回路と、
前記一次側ブリッジ回路と前記二次側ブリッジ回路との間で電力が伝送されるように、前記一次側ブリッジ回路と前記二次側ブリッジ回路との間のスイッチングの位相差を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記一次側ブリッジ回路の直流電圧と前記二次側ブリッジ回路の直流電圧が相違する場合、前記一次側ブリッジ回路の直流電圧と前記二次側ブリッジ回路の直流電圧との比に応じて、前記一次側ブリッジ回路の交流電圧のデューティ比と前記二次側ブリッジ回路の交流電圧のデューティ比との比を調整する、電力変換装置が提供される。
In one aspect of the present disclosure,
A transformer having a primary winding and a secondary winding;
It has a first leg in which a first arm on the high side and a second arm on the low side are connected in series, and a second leg in which a third arm on the high side and a fourth arm on the low side are connected in series. , a primary side bridge circuit in which the primary winding is provided in a bridge portion connecting a connection point between the first arm and the second arm and a connection point between the third arm and the fourth arm;
It has a third leg in which a fifth arm on the high side and a sixth arm on the low side are connected in series, and a fourth leg in which a seventh arm on the high side and an eighth arm on the low side are connected in series. , a secondary side bridge circuit in which the secondary winding is provided in a bridge portion connecting a connection point between the fifth arm and the sixth arm and a connection point between the seventh arm and the eighth arm; ,
a control device that controls a switching phase difference between the primary bridge circuit and the secondary bridge circuit so that power is transmitted between the primary bridge circuit and the secondary bridge circuit; , comprising;
The control device includes:
When the DC voltage of the primary side bridge circuit and the DC voltage of the secondary side bridge circuit are different, the DC voltage of the primary side bridge circuit is A power conversion device is provided that adjusts a ratio between a duty ratio of an alternating current voltage of a side bridge circuit and a duty ratio of an alternating current voltage of the secondary side bridge circuit.
本開示の他の一態様では、
一次巻線と二次巻線とを有するトランスと、
ハイサイドの第1アームとローサイドの第2アームとが直列に接続された第1レグと、ハイサイドの第3アームとローサイドの第4アームとが直列に接続された第2レグとを有し、前記第1アームと前記第2アームとの接続点と前記第3アームと前記第4アームとの接続点とを接続するブリッジ部分に前記一次巻線が設けられた一次側ブリッジ回路と、
ハイサイドの第5アームとローサイドの第6アームとが直列に接続された第3レグと、ハイサイドの第7アームとローサイドの第8アームとが直列に接続された第4レグとを有し、前記第5アームと前記第6アームとの接続点と前記第7アームと前記第8アームとの接続点とを接続するブリッジ部分に前記二次巻線が設けられた二次側ブリッジ回路と、を備える電力変換装置の制御方法であって、
前記一次側ブリッジ回路と前記二次側ブリッジ回路との間で電力が伝送されるように、前記一次側ブリッジ回路と前記二次側ブリッジ回路との間のスイッチングの位相差を制御し、
前記一次側ブリッジ回路の直流電圧と前記二次側ブリッジ回路の直流電圧が相違する場合、前記一次側ブリッジ回路の直流電圧と前記二次側ブリッジ回路の直流電圧との比に応じて、前記一次側ブリッジ回路の交流電圧のデューティ比と前記二次側ブリッジ回路の交流電圧のデューティ比との比を調整する、電力変換装置の制御方法が提供される。
In another aspect of the present disclosure,
A transformer having a primary winding and a secondary winding;
It has a first leg in which a first arm on the high side and a second arm on the low side are connected in series, and a second leg in which a third arm on the high side and a fourth arm on the low side are connected in series. , a primary side bridge circuit in which the primary winding is provided in a bridge portion connecting a connection point between the first arm and the second arm and a connection point between the third arm and the fourth arm;
It has a third leg in which a fifth arm on the high side and a sixth arm on the low side are connected in series, and a fourth leg in which a seventh arm on the high side and an eighth arm on the low side are connected in series. , a secondary side bridge circuit in which the secondary winding is provided in a bridge portion connecting a connection point between the fifth arm and the sixth arm and a connection point between the seventh arm and the eighth arm; A method for controlling a power conversion device, comprising:
controlling a switching phase difference between the primary bridge circuit and the secondary bridge circuit so that power is transmitted between the primary bridge circuit and the secondary bridge circuit;
When the DC voltage of the primary side bridge circuit and the DC voltage of the secondary side bridge circuit are different, the voltage of the primary side bridge circuit is A control method for a power conversion device is provided, which adjusts a ratio between a duty ratio of an AC voltage of a side bridge circuit and a duty ratio of an AC voltage of the secondary side bridge circuit.
本開示の一態様によれば、簡易な計算によってデューティ比を決定し、低損失化を実現できる。 According to one aspect of the present disclosure, the duty ratio can be determined by simple calculation, and loss can be reduced.
以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。 Embodiments of the present disclosure will be described below with reference to the drawings.
図1は、本実施形態の電力変換装置の一構成例を示す図である。図1に示す電力変換装置100は、トランス30の両側にブリッジ回路を備える双方向絶縁型DC/DCコンバータである。電力変換装置100は、一次側ブリッジ回路130と二次側ブリッジ回路140との間で双方向に電力を供給できる。
FIG. 1 is a diagram showing an example of the configuration of a power conversion device according to the present embodiment.
電力変換装置100は、トランス30と、一次側ブリッジ回路130と、二次側ブリッジ回路140と、制御装置150と、を備える。
トランス30は、一次巻線31と二次巻線32とを有し、一次巻線31と二次巻線32とが磁気的に結合する変圧器である。一次巻線31および二次巻線32の巻線比は、適宜、設定される。本明細書においては、説明の便宜上、一次巻線31および二次巻線32の巻線比は1:1である場合について例示する。
The
一次側ブリッジ回路130は、一次側直流端子(正側端子および負側端子)に接続され、一次側直流端子に接続される外部装置との間で電力を授受する。また、一次側ブリッジ回路130は、トランス30の一次側に接続され、トランス30の一次巻線31との間で電力を授受する。
The primary
一次側ブリッジ回路130は、一次側の直流母線対P1,N1を有し、一次側直流端子の正側端子が正側の直流母線P1に、一次側直流端子の負側端子が負側の直流母線N1に接続される。一次側ブリッジ回路130は、トランス30の一次巻線31に一次側の直流母線対P1,N1によって印加される電圧の極性を切り替える。
The primary
一次側ブリッジ回路130は、複数のレグ11,12を有するフルブリッジ回路である。
The primary
一次側ブリッジ回路130は、例えば、ハイサイドのアームQ1とローサイドのアームQ2とが直列に接続されたU1相のレグ11と、ハイサイドのアームQ3とローサイドのアームQ4とが直列に接続されたV1相のレグ12とを有する。アームQ1は、第1アームの一例であり、アームQ2は、第2アームの一例であり、アームQ3は、第3アームの一例であり、アームQ4は、第4アームの一例である。U1相のレグ11は、第1レグの一例であり、V1相のレグ12は、第2レグの一例である。
The primary
一次側ブリッジ回路130は、アームQ1とアームQ2との中間接続点a1と、アームQ3とアームQ4との中間接続点b1とを接続するブリッジ部分に、トランス30の一次巻線31が設けられたフルブリッジ回路である。一次側ブリッジ回路130は、トランス30の一次巻線31に直列に接続されるリアクトルを当該ブリッジ部分に有してもよい。
In the
一次側ブリッジ回路130は、図1に示す例では、コンデンサC1と、アームQ1~Q4と、を有する。
In the example shown in FIG. 1, the primary
コンデンサC1は、一次側の直流母線対P1,N1の間に接続され、直流母線対P1,N1間の電圧(コンデンサC1の電圧)を平滑化する。 The capacitor C1 is connected between the DC bus pair P1 and N1 on the primary side, and smoothes the voltage between the DC bus pair P1 and N1 (voltage of the capacitor C1).
アームQ1~Q4は、一次側のスイッチング素子である。その具体例として、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの半導体スイッチング素子が挙げられる。 Arms Q1 to Q4 are switching elements on the primary side. Specific examples include semiconductor switching elements such as MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) and IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors).
レグ11は、アームQ1とアームQ2とが直流母線対P1,N1の間に直列に接続された構成を含み、レグ12は、アームQ3とアームQ4とが直流母線対P1,N1の間に直列に接続された構成を含む。アームQ1~Q4は、それぞれ、第1主端子と、第2主端子と、制御端子とを有する。例えば、第1主端子は、ドレイン又はコレクタに対応し、第2主端子は、ソース又はエミッタに対応し、制御端子は、ゲートに対応する。アームQ1~Q4は、主端子間に逆接続されたダイオードを含んでよい。アームQ1~Q4がMOSFETの場合、このダイオードは寄生ダイオードであってもよい。図1は、還流ダイオードD1,D2,D3,D4を例示する。
The
このような構成により、一次側ブリッジ回路130は、アームQ1及びアームQ4がオン、アームQ2及びアームQ3がオフとなると、中間接続点a1を直流母線P1に電気的に接続し、中間接続点b1を直流母線N1に電気的に接続して、中間接続点a1と中間接続点b1の間の電圧V1を正電圧"E1"とする。E1は、直流母線対P1,N1の間の電圧値である。また、一次側ブリッジ回路130は、アームQ1及びアームQ4がオフ、アームQ2及びアームQ3がオンとなると、中間接続点a1を直流母線N1に電気的に接続し、中間接続点b1を直流母線P1に電気的に接続して、電圧V1を負電圧"-E1"とする。このようにして、一次側ブリッジ回路130は、トランス30の一次巻線31に一次側の直流母線対P1,N1によって印加される電圧の極性を切り替える。
With this configuration, when arm Q1 and arm Q4 are turned on and arm Q2 and arm Q3 are turned off, primary
さらに、一次側ブリッジ回路130は、アームQ1及びアームQ3がオン、アームQ2及びアームQ4がオフとなると、中間接続点a1及び中間接続点b1の両方を直流母線P1に電気的に接続して、電圧V1を実質的にゼロとする。又は、一次側ブリッジ回路130は、アームQ1及びアームQ3がオフ、アームQ2及びアームQ4がオンとなると、中間接続点a1及び中間接続点b1の両方を直流母線N1に電気的に接続して、電圧V1を実質的にゼロとする。
Furthermore, when arm Q1 and arm Q3 are turned on and arm Q2 and arm Q4 are turned off, primary
二次側ブリッジ回路140は、二次側直流端子(正側端子および負側端子)に接続され、二次側直流端子に接続される外部装置との間で電力を授受する。また、二次側ブリッジ回路140は、トランス30の二次側に接続され、トランス30の二次巻線32との間で電力を授受する。
The secondary
二次側ブリッジ回路140は、二次側の直流母線対P2,N2を有し、二次側直流端子の正側端子が正側の直流母線P2に、二次側直流端子の負側端子が負側の直流母線N2に接続される。二次側ブリッジ回路140は、トランス30の二次巻線32に二次側の直流母線対P2,N2によって印加される電圧の極性を切り替える。
The secondary
二次側ブリッジ回路140は、複数のレグ13,14を有するフルブリッジ回路である。
The secondary
二次側ブリッジ回路140は、例えば、ハイサイドのアームQ5とローサイドのアームQ6とが直列に接続されたU2相のレグ13と、ハイサイドのアームQ7とローサイドのアームQ8とが直列に接続されたV2相のレグ14とを有する。アームQ5は、第5アームの一例であり、アームQ6は、第6アームの一例であり、アームQ7は、第7アームの一例であり、アームQ8は、第8アームの一例である。U2相のレグ13は、第3レグの一例であり、V2相のレグ14は、第4レグの一例である。
The secondary
二次側ブリッジ回路140は、アームQ5とアームQ6との中間接続点a2と、アームQ7とアームQ8との中間接続点b2とを接続するブリッジ部分に、トランス30の二次巻線32が設けられたフルブリッジ回路である。二次側ブリッジ回路140は、トランス30の二次巻線32に直列に接続されるリアクトルを当該ブリッジ部分に有してもよい。
In the
二次側ブリッジ回路140は、図1に示す例では、コンデンサC2と、アームQ5~Q8と、を有する。
In the example shown in FIG. 1, the
コンデンサC2は、二次側の直流母線対P2,N2の間に接続され、直流母線対P2,N2間の電圧(コンデンサC2の電圧)を平滑化する。 The capacitor C2 is connected between the DC bus pair P2 and N2 on the secondary side, and smoothes the voltage between the DC bus pair P2 and N2 (voltage of the capacitor C2).
アームQ5~Q8は、二次側のスイッチング素子である。その具体例として、アームQ1~Q4と同様、MOSFET、IGBTなどの半導体スイッチング素子が挙げられる。 Arms Q5 to Q8 are switching elements on the secondary side. Specific examples thereof include semiconductor switching elements such as MOSFETs and IGBTs, similar to the arms Q1 to Q4.
レグ13は、アームQ5とアームQ6とが直流母線対P2,N2の間に直列に接続された構成を含み、レグ14は、アームQ7とアームQ8とが直流母線対P2,N2の間に直列に接続された構成を含む。アームQ5~Q8は、アームQ1~Q4と同様、それぞれ、第1主端子と、第2主端子と、制御端子と、ダイオードと、を有する。図1は、還流ダイオードD5,D6,D7,D8を例示する。
このような構成により、二次側ブリッジ回路140は、アームQ5及びアームQ8がオン、アームQ6及びアームQ7がオフとなると、中間接続点a2を直流母線P2に電気的に接続し、中間接続点b2を直流母線N2に電気的に接続して、中間接続点a2と中間接続点b2の間の電圧V2を正電圧"E2"とする。E2は、直流母線対P2,N2の間の電圧値である。また、二次側ブリッジ回路140は、アームQ5及びアームQ8がオフ、アームQ6及びアームQ7がオンとなると、中間接続点a2を直流母線N2に電気的に接続し、中間接続点b2を直流母線P2に電気的に接続して、電圧V2を負電圧"-E2"とする。このようにして、二次側ブリッジ回路140は、トランス30の二次巻線32に二次側の直流母線対P2,N2によって印加される電圧の極性を切り替える。
With such a configuration, when arm Q5 and arm Q8 are turned on and arm Q6 and arm Q7 are turned off, secondary
さらに、二次側ブリッジ回路140は、アームQ5及びアームQ7がオン、アームQ6及びアームQ8がオフとなると、中間接続点a2及び中間接続点b2の両方を直流母線P2に電気的に接続して、電圧V2を実質的にゼロとする。又は、二次側ブリッジ回路140は、アームQ5及びアームQ7がオフ、アームQ6及びアームQ8がオンとなると、中間接続点a2及び中間接続点b2の両方を直流母線N2に電気的に接続して、電圧V2を実質的にゼロとする。
Furthermore, when arm Q5 and arm Q7 are turned on and arm Q6 and arm Q8 are turned off, secondary
制御装置150は、一次側ブリッジ回路130と二次側ブリッジ回路140との間で電力が伝送されるように、一次側ブリッジ回路130と二次側ブリッジ回路140との間のスイッチングの位相差(以下、位相差δとも称する)を制御する。制御装置150は、電圧V1と電圧V2との位相差δを制御することによって、一次側ブリッジ回路130と二次側ブリッジ回路140との間で伝送される電力を調整する。制御装置150は、一次側ブリッジ回路130のアームQ1~Q4の制御端子のオン又はオフを制御するためのゲート信号g1~g4と、二次側ブリッジ回路140のアームQ5~Q8の制御端子のオン又はオフを制御するためのゲート信号g5~g8とを出力する。
The
電力変換装置100は、一次側GDU160及び二次側GDU170を備える。一次側GDU160は、ゲート信号g1~g4に従って、一次側ブリッジ回路130のアームQ1~Q4のオン又はオフのスイッチングを制御する一次側駆動回路である。二次側GDU170は、ゲート信号g5~g8に従って、二次側ブリッジ回路140のアームQ5~Q8のオン又はオフのスイッチングを制御する二次側駆動回路である。
制御装置150は、一次側ブリッジ回路130及び二次側ブリッジ回路140のそれぞれの直流電圧検出値、及び、片側のブリッジ回路(この例では、二次側ブリッジ回路140)の直流電流検出値を取得する。制御装置150は、これらの検出値と電流又は電力の指令値とに基づいて、ブリッジ間の伝送電力を制御するための制御信号g1~g8を生成してアームQ1~Q8を制御する。本実施形態では、制御装置150は、電圧検出値E1、電圧検出値E2及び電流検出値I2を取得し、これらの検出値と電流指令値I2*とに基づいて、ブリッジ間の伝送電力を制御するための制御信号g1~g8を生成してアームQ1~Q8を制御する。
The
電圧検出値E1は、一次側ブリッジ回路130の直流電圧の検出値であり、より具体的には、直流母線対P1,N1の間の電圧E1の検出値である。電圧検出値E2は、二次側ブリッジ回路140の直流電圧の検出値であり、より具体的には、直流母線対P2,N2の間の電圧E2の検出値である。電流検出値I2は、二次側ブリッジ回路140の直流電流の検出値であり、より具体的には、直流母線P2に流れる電流I2の検出値である。電流指令値I2*は、二次側ブリッジ回路140の直流電流の指令値であり、より具体的には、直流母線P2に流れる電流I2の指令値である。指令値は、目標値とも称される。
The voltage detection value E1 is a detection value of the DC voltage of the primary
制御装置150の機能は、メモリに記憶されたプログラムによって、CPU(Central Processing Unit)等のプロセッサが動作することにより実現される。制御装置150の機能は、FPGA(Field Programmable Gate Array)又はASIC(Application Specific Integrated Circuit)によって実現されてもよい。
The functions of the
図2は、制御装置の要部を示すブロック線図である。制御装置150は、電流制御部51、デューティ比演算部52およびゲート信号生成部53を有する。
FIG. 2 is a block diagram showing the main parts of the control device. The
電流制御部51は、電流検出値I2及び電流指令値I2*に基づいて、一次側ブリッジ回路130と二次側ブリッジ回路140との間のスイッチングの位相差δを演算する。電流制御部51は、減算器54及びPI調節器55を含む。減算器54は、電流指令値I2*と電流検出値I2との差(電流差ΔI)を算出する。PI調節器55は、減算器54により算出された電流差ΔIが零に収束するような位相差δをPI制御又はPID制御により演算する(P:比例制御、I:積分制御、D:微分制御)。
The
デューティ比演算部52は、電圧検出値E1及び電圧検出値E2に基づいて、一次側ブリッジ回路130の交流電圧V1のデューティ比D1と二次側ブリッジ回路140の交流電圧V2のデューティ比D2を演算する。デューティ比演算部52は、電圧検出値E1と電圧検出値E2が相違する場合、D1/D2=E1/E2を満たすように、デューティ比D1及びデューティ比D2を調整する。
The duty
ゲート信号生成部53は、電流制御部51より出力される位相差δとデューティ比演算部52より出力されるデューティ比D1,D2に基づいて、ゲート信号g1~g8を生成する。位相差δとデューティ比D1,D2に基づいてゲート信号g1~g8を生成する方法は、周知の方法でよい。
The gate
図3は、一次側ブリッジ回路と二次側ブリッジ回路のそれぞれの直流電圧E1,E2が等しい場合のデューティ比の演算方法の一例を説明するための図である。横軸のωtは、位相を表す。デューティ比演算部52(図2)は、電圧検出値E1と電圧検出値E2が等しい場合、一次側ブリッジ回路130の交流電圧V1のデューティ比D1及び二次側ブリッジ回路140の交流電圧V2のデューティ比D2を、1(パルス幅=π)に固定する。
FIG. 3 is a diagram for explaining an example of a method of calculating the duty ratio when the DC voltages E1 and E2 of the primary side bridge circuit and the secondary side bridge circuit are equal. ωt on the horizontal axis represents the phase. When the voltage detection value E1 and the voltage detection value E2 are equal, the duty ratio calculation unit 52 (FIG. 2) calculates the duty ratio D1 of the AC voltage V1 of the
図4は、一次側ブリッジ回路の直流電圧E1が二次側ブリッジ回路の直流電圧E2より低い場合のデューティ比の演算方法の一例を説明するための図である。横軸のωtは、位相を表す。デューティ比演算部52(図2)は、電圧検出値E1が電圧検出値E2よりも低い場合、交流電圧V1のデューティ比D1を1(パルス幅=π)に固定し、交流電圧V2のデューティ比D2を、D2=E2/E1(パルス幅=E2/E1×π)を満たすように調整する。 FIG. 4 is a diagram for explaining an example of a method of calculating the duty ratio when the DC voltage E1 of the primary bridge circuit is lower than the DC voltage E2 of the secondary bridge circuit. ωt on the horizontal axis represents the phase. When the detected voltage value E1 is lower than the detected voltage value E2, the duty ratio calculation unit 52 (FIG. 2) fixes the duty ratio D1 of the AC voltage V1 to 1 (pulse width = π), and sets the duty ratio of the AC voltage V2 to 1 (pulse width = π). D2 is adjusted to satisfy D2=E2/E1 (pulse width=E2/E1×π).
図5は、一次側ブリッジ回路の直流電圧E1が二次側ブリッジ回路の直流電圧E2より高い場合のデューティ比の演算方法の一例を説明するための図である。横軸のωtは、位相を表す。デューティ比演算部52(図2)は、電圧検出値E1が電圧検出値E2よりも高い場合、交流電圧V2のデューティ比D2を1(パルス幅=π)に固定し、交流電圧V1のデューティ比D1を、D1=E1/E2(パルス幅=E1/E2×π)を満たすように調整する。 FIG. 5 is a diagram for explaining an example of a method of calculating the duty ratio when the DC voltage E1 of the primary side bridge circuit is higher than the DC voltage E2 of the secondary side bridge circuit. ωt on the horizontal axis represents the phase. When the detected voltage value E1 is higher than the detected voltage value E2, the duty ratio calculation unit 52 (FIG. 2) fixes the duty ratio D2 of the AC voltage V2 to 1 (pulse width = π), and sets the duty ratio of the AC voltage V1 to 1 (pulse width = π). D1 is adjusted to satisfy D1=E1/E2 (pulse width=E1/E2×π).
図6は、従来方式の場合のシミュレーション動作波形を示す。図7は、本実施形態の電力変換装置およびその制御方法による場合のシミュレーション動作波形を示す。図6及び図7のシミュレーション条件は、
・E1<E2
・伝送方向:一次側から二次側への伝送
とした。
FIG. 6 shows simulation operation waveforms in the case of the conventional method. FIG. 7 shows simulation operation waveforms when using the power conversion device and its control method according to the present embodiment. The simulation conditions in FIGS. 6 and 7 are as follows:
・E1<E2
・Transmission direction: Transmission from the primary side to the secondary side.
図6は、従来(SPS: Single Phase Shift)方式を適用した場合の一次側ブリッジ回路130と二次側ブリッジ回路140のそれぞれの交流電圧V1,V2と一次側ブリッジ回路130の交流電流Iac1(一次巻線31に流れる電流)を示す図である。IA,IB,IC,IDは、それぞれ、レグ11,12,13,14のスイッチング電流を表す。なお、符号は、便宜上、図1に示す符号を使用する。
FIG. 6 shows the AC voltages V1 and V2 of the
図6を参照すると、高圧側(二次側)のブリッジ回路のレグ13,14のスイッチング電流IC,IDは、低圧側(一次側)のブリッジ回路のレグ11,12のスイッチング電流IA,IBよりも高い。その結果、高圧側のレグ13,14に含まれるアームQ5~Q8のターンオフ時の損失が上昇し、電力変換装置100の効率が低下する。
Referring to FIG. 6, the switching currents I C and I D of the
図7は、本実施形態の方式を適用した場合の一次側ブリッジ回路130と二次側ブリッジ回路140のそれぞれの交流電圧V1,V2と一次側ブリッジ回路130の交流電流Iac1(一次巻線31に流れる電流)を示す図である。
FIG. 7 shows the AC voltages V1 and V2 of the
図7を参照すると、高圧側(二次側)のブリッジ回路のレグ13のスイッチング電流ICに着目すると、図6の場合と比較して低い。その結果、高圧側のレグ13に含まれるアームQ5,Q6のターンオフ時の損失が減少し、従来方式を適用した場合に比べて電力変換装置100の効率が高くなる。
Referring to FIG. 7, when focusing on the switching current IC of the
このように、本実施形態によれば、簡易な計算によってデューティ比を決定し、低損失化を実現可能な電力変換装置を提供できる。 In this way, according to the present embodiment, it is possible to provide a power conversion device that can determine the duty ratio through simple calculations and achieve low loss.
以上の通り、実施形態を説明したが、上記実施形態は、例として提示したものであり、上記実施形態により本発明が限定されるものではない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の組み合わせ、省略、置き換え、変更などを行うことが可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although the embodiments have been described as above, the embodiments are presented as examples, and the present invention is not limited to the embodiments described above. The embodiments described above can be implemented in various other forms, and various combinations, omissions, substitutions, changes, etc. can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included within the scope and gist of the invention, as well as within the scope of the invention described in the claims and its equivalents.
100 電力変換装置
11,12,13,14 レグ
30 トランス
31 一次巻線
32 二次巻線
51 電流制御部
52 デューティ比演算部
53 ゲート信号生成部
54 減算器
55 PI調節器
130 一次側ブリッジ回路
140 二次側ブリッジ回路
150 制御装置
C1,C2 コンデンサ
D1~D8 還流ダイオード
Q1~Q8 アーム
100
Claims (5)
ハイサイドの第1アームとローサイドの第2アームとが直列に接続された第1レグと、ハイサイドの第3アームとローサイドの第4アームとが直列に接続された第2レグとを有し、前記第1アームと前記第2アームとの接続点と前記第3アームと前記第4アームとの接続点とを接続するブリッジ部分に前記一次巻線が設けられた一次側ブリッジ回路と、
ハイサイドの第5アームとローサイドの第6アームとが直列に接続された第3レグと、ハイサイドの第7アームとローサイドの第8アームとが直列に接続された第4レグとを有し、前記第5アームと前記第6アームとの接続点と前記第7アームと前記第8アームとの接続点とを接続するブリッジ部分に前記二次巻線が設けられた二次側ブリッジ回路と、
前記一次側ブリッジ回路と前記二次側ブリッジ回路との間で電力が伝送されるように、前記一次側ブリッジ回路と前記二次側ブリッジ回路との間のスイッチングの位相差を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記一次側ブリッジ回路の直流電圧と前記二次側ブリッジ回路の直流電圧が相違する場合、前記一次側ブリッジ回路の直流電圧と前記二次側ブリッジ回路の直流電圧との比に応じて、前記一次側ブリッジ回路の交流電圧のデューティ比と前記二次側ブリッジ回路の交流電圧のデューティ比との比を調整する、電力変換装置。 A transformer having a primary winding and a secondary winding;
It has a first leg in which a first arm on the high side and a second arm on the low side are connected in series, and a second leg in which a third arm on the high side and a fourth arm on the low side are connected in series. , a primary side bridge circuit in which the primary winding is provided in a bridge portion connecting a connection point between the first arm and the second arm and a connection point between the third arm and the fourth arm;
It has a third leg in which a fifth arm on the high side and a sixth arm on the low side are connected in series, and a fourth leg in which a seventh arm on the high side and an eighth arm on the low side are connected in series. , a secondary side bridge circuit in which the secondary winding is provided in a bridge portion connecting a connection point between the fifth arm and the sixth arm and a connection point between the seventh arm and the eighth arm; ,
a control device that controls a switching phase difference between the primary bridge circuit and the secondary bridge circuit so that power is transmitted between the primary bridge circuit and the secondary bridge circuit; , comprising;
The control device includes:
When the DC voltage of the primary side bridge circuit and the DC voltage of the secondary side bridge circuit are different, the voltage of the primary side bridge circuit is A power conversion device that adjusts a ratio between a duty ratio of an alternating current voltage of a side bridge circuit and a duty ratio of an alternating current voltage of the secondary side bridge circuit.
前記一次側ブリッジ回路の交流電圧のデューティ比をD1、前記二次側ブリッジ回路の交流電圧のデューティ比をD2、前記一次側ブリッジ回路の直流電圧をE1、前記二次側ブリッジ回路の直流電圧をE2とするとき、
D1/D2=E1/E2
を満たすようにD1及びD2を調整する、請求項1に記載の電力変換装置。 The control device includes:
The duty ratio of the AC voltage of the primary side bridge circuit is D1, the duty ratio of the AC voltage of the secondary side bridge circuit is D2, the DC voltage of the primary side bridge circuit is E1, the DC voltage of the secondary side bridge circuit is When E2,
D1/D2=E1/E2
The power conversion device according to claim 1, wherein D1 and D2 are adjusted so as to satisfy the following.
E1<E2の場合、D1を1に固定し、D2=E2/E1を満たすようにD2を調整する、請求項2に記載の電力変換装置。 The control device includes:
The power conversion device according to claim 2, wherein when E1<E2, D1 is fixed to 1 and D2 is adjusted so as to satisfy D2=E2/E1.
E1>E2の場合、D2を1に固定し、D1=E1/E2を満たすようにD1を調整する、請求項3に記載の電力変換装置。 The control device includes:
The power conversion device according to claim 3, wherein when E1>E2, D2 is fixed to 1 and D1 is adjusted so as to satisfy D1=E1/E2.
ハイサイドの第1アームとローサイドの第2アームとが直列に接続された第1レグと、ハイサイドの第3アームとローサイドの第4アームとが直列に接続された第2レグとを有し、前記第1アームと前記第2アームとの接続点と前記第3アームと前記第4アームとの接続点とを接続するブリッジ部分に前記一次巻線が設けられた一次側ブリッジ回路と、
ハイサイドの第5アームとローサイドの第6アームとが直列に接続された第3レグと、ハイサイドの第7アームとローサイドの第8アームとが直列に接続された第4レグとを有し、前記第5アームと前記第6アームとの接続点と前記第7アームと前記第8アームとの接続点とを接続するブリッジ部分に前記二次巻線が設けられた二次側ブリッジ回路と、を備える電力変換装置の制御方法であって、
前記一次側ブリッジ回路と前記二次側ブリッジ回路との間で電力が伝送されるように、前記一次側ブリッジ回路と前記二次側ブリッジ回路との間のスイッチングの位相差を制御し、
前記一次側ブリッジ回路の直流電圧と前記二次側ブリッジ回路の直流電圧が相違する場合、前記一次側ブリッジ回路の直流電圧と前記二次側ブリッジ回路の直流電圧との比に応じて、前記一次側ブリッジ回路の交流電圧のデューティ比と前記二次側ブリッジ回路の交流電圧のデューティ比との比を調整する、電力変換装置の制御方法。 A transformer having a primary winding and a secondary winding;
It has a first leg in which a first arm on the high side and a second arm on the low side are connected in series, and a second leg in which a third arm on the high side and a fourth arm on the low side are connected in series. , a primary side bridge circuit in which the primary winding is provided in a bridge portion connecting a connection point between the first arm and the second arm and a connection point between the third arm and the fourth arm;
It has a third leg in which a fifth arm on the high side and a sixth arm on the low side are connected in series, and a fourth leg in which a seventh arm on the high side and an eighth arm on the low side are connected in series. , a secondary side bridge circuit in which the secondary winding is provided in a bridge portion connecting a connection point between the fifth arm and the sixth arm and a connection point between the seventh arm and the eighth arm; A method for controlling a power conversion device, comprising:
controlling a switching phase difference between the primary bridge circuit and the secondary bridge circuit so that power is transmitted between the primary bridge circuit and the secondary bridge circuit;
When the DC voltage of the primary side bridge circuit and the DC voltage of the secondary side bridge circuit are different, the voltage of the primary side bridge circuit is A method for controlling a power conversion device, comprising adjusting a ratio between a duty ratio of an alternating current voltage of a side bridge circuit and a duty ratio of an alternating current voltage of the secondary side bridge circuit.
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