JP4411436B2 - Soft switching circuit for bidirectional DC-DC converter - Google Patents

Soft switching circuit for bidirectional DC-DC converter Download PDF

Info

Publication number
JP4411436B2
JP4411436B2 JP2004268376A JP2004268376A JP4411436B2 JP 4411436 B2 JP4411436 B2 JP 4411436B2 JP 2004268376 A JP2004268376 A JP 2004268376A JP 2004268376 A JP2004268376 A JP 2004268376A JP 4411436 B2 JP4411436 B2 JP 4411436B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
output
semiconductor switch
resonance
bidirectional
current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2004268376A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2006087197A (en
Inventor
智信 千住
達人 金城
Original Assignee
国立大学法人 琉球大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 国立大学法人 琉球大学 filed Critical 国立大学法人 琉球大学
Priority to JP2004268376A priority Critical patent/JP4411436B2/en
Publication of JP2006087197A publication Critical patent/JP2006087197A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP4411436B2 publication Critical patent/JP4411436B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Description

本発明は、電流形インバータに接続する双方向DC−DCコンバータのソフトスイッチング回路に関し、特に充電可能な電力貯蔵装置に最適に用いることができる双方向DC−DCコンバータのソフトスイッチング回路に関する。   The present invention relates to a soft switching circuit of a bidirectional DC-DC converter connected to a current source inverter, and more particularly to a soft switching circuit of a bidirectional DC-DC converter that can be optimally used for a chargeable power storage device.

近年、パワーエレクトロニクス技術の進歩を背景に、種々の大容量電力貯蔵装置が開発されている。現状で実用化されている大容量電力貯蔵装置に揚水発電所があるが、今後の建設は難しく発展性がない。また二次電池は環境への影響などが心配される。
近年、数1000μFオーダー以上という驚異的な静電容量を持つ電気二重層キャパシタ(EDLC)素子が出現し、これにパワーエレクトロニクス技術を利用することにより、二次電池に匹敵するエネルギ密度や出力密度を有する大容量電力貯蔵装置が開発されている。
In recent years, various large-capacity power storage devices have been developed against the background of power electronics technology. There is a pumped storage power plant as a large-capacity power storage device in practical use at present, but future construction is difficult and has no potential for development. In addition, secondary batteries are worried about environmental impact.
In recent years, an electric double layer capacitor (EDLC) element with an amazing capacitance of several thousand μF order or more has appeared, and by using power electronics technology for this, energy density and output density comparable to a secondary battery can be obtained. Large capacity power storage devices have been developed.

一般に、電気二重層キャパシタバンクを利用した電力貯蔵装置(ECaSS)には電圧形インバータが用いられるが、単セルの耐電圧が3V以下でエネルギ放電に伴う端子電圧の低下が無視できないEDLC固有の特性に伴う直流リンク電圧の低下、出力低下、出力制御の困難性などの欠点が存在する。
発明者らは、ECaSSに電流形インバータを適用することによりこれらの欠点を解消する研究を行ってきた。電流形インバータは、過電流保護が容易、分散型電源に使用するときに単独運転の危険性が無いなど、電圧形インバータにない利点を有する。電流形インバータでは、直流電流の方向が変化せず、直流リンク電圧の極性を変化させることで電力の授受を行うため、充放電を行うには直流部に双方向DC−DCコンバータを設ける。
In general, a voltage source inverter is used for an electric energy storage device (ECaSS) using an electric double layer capacitor bank. However, a characteristic characteristic of EDLC in which a withstand voltage of a single cell is 3 V or less and a decrease in terminal voltage due to energy discharge cannot be ignored. There are disadvantages such as a decrease in DC link voltage, a decrease in output, and difficulty in output control.
The inventors have conducted research to eliminate these drawbacks by applying a current source inverter to ECaSS. The current source inverter has advantages that the voltage source inverter does not have, such as easy overcurrent protection and no risk of isolated operation when used in a distributed power source. In the current source inverter, since the direction of the direct current does not change and the power is transferred by changing the polarity of the direct current link voltage, a bidirectional DC-DC converter is provided in the direct current section in order to charge and discharge.

電流形インバータを用いる利点として、(1)比較的小さい直流入力電圧で大容量の電力を出力できる、(2)エネルギ放電に伴うEDLCの端子電圧が低下して直流リンク電圧が変動した場合でも低出力を維持できる、(3)直流部に接続する双方向DC−DCコンバータを用いて直流電流制御を行うことによってEDLCの内部抵抗損失を低減することができる、などを挙げることができる。
このように、電力貯蔵装置には電流形インバータの使用が好ましく、電流形インバータの汎用性の向上と変換効率の向上が求められている。特に、分散型電源には電流形インバータをパワーコンデショナーとして利用することが有利で、電力業界でも電流形インバータの需要がますます増大すると予測される。
Advantages of using a current source inverter are as follows: (1) A large amount of power can be output with a relatively small DC input voltage. (2) Even when the DC link voltage fluctuates due to a decrease in the terminal voltage of the EDLC associated with energy discharge. The output can be maintained, and (3) the internal resistance loss of the EDLC can be reduced by performing direct current control using a bidirectional DC-DC converter connected to the direct current section.
Thus, it is preferable to use a current source inverter for the power storage device, and improvement in versatility and conversion efficiency of the current source inverter are required. In particular, it is advantageous to use a current source inverter as a power conditioner for a distributed power source, and the demand for the current source inverter is expected to increase in the electric power industry.

しかし、自励式半導体素子を用いてハードスイッチングする電流形インバータでは、スイッチングによる電力損失が大きいためエネルギ変換効率が低く、また急峻な電圧・電流波形を生じるため装置ストレスが大きく製造コストが高くついた。さらに、電磁妨害(EMI)を発生するため、環境性にも問題があった。
スイッチング損失を低減し電磁妨害を抑制するため、共振を用いて、電流あるいは電圧がゼロのときにスイッチング素子をオン・オフするソフトスイッチング手法が用いられる。しかし、半導体素子および共振素子からなる回路構成が複雑となる。また、簡単な回路としては、双方向性を持たない無効電力制御に限定するものしかなかった。さらに、電力貯蔵装置に適用するには、電力の充放電を可能とする双方向性の共振回路構成が難しいため、大電力を扱う分野において、このような共振回路が実用化された例はなかった。
However, current source inverters that perform hard switching using self-excited semiconductor elements have low energy conversion efficiency due to large power loss due to switching, and steep voltage and current waveforms, resulting in high device stress and high manufacturing costs. . Further, since electromagnetic interference (EMI) is generated, there is a problem in environmental characteristics.
In order to reduce switching loss and suppress electromagnetic interference, a soft switching technique is used in which resonance is used to turn a switching element on and off when the current or voltage is zero. However, the circuit configuration including the semiconductor element and the resonant element becomes complicated. Further, as a simple circuit, there is only a circuit limited to reactive power control without bidirectionality. Furthermore, since it is difficult to apply a bi-directional resonant circuit that enables charging and discharging of electric power to be applied to a power storage device, there is no example in which such a resonant circuit has been put to practical use in the field of handling high power. It was.

特許文献1には、電流形インバータに相当するDCリンク・LC直列共振形の高周波共振リンクを持つ電力変換装置において、ソフトスイッチングを利用し直流電源への電力回生が可能な回路が開示されている。
開示された回路は、LC直列共振回路中に共振コンデンサの充放電を制御するスイッチ素子を備えると共に、直流電流供給用インダクタと磁気的に密結合したフィードバック用インダクタとダイオードの直列回路を直流電源に並列接続したもので、電源装置から供給される直流電流がゼロになるとレンツの法則に従ってフィードバック用インダクタに大きなフィードバック電流が流れてバッテリに余剰電力が回生される。
Patent Document 1 discloses a circuit capable of regenerating power to a DC power source using soft switching in a power converter having a DC link / LC series resonance type high frequency resonant link corresponding to a current source inverter. .
The disclosed circuit includes a switching element for controlling charging / discharging of a resonance capacitor in an LC series resonance circuit, and a series circuit of a feedback inductor and a diode magnetically tightly coupled to a DC current supply inductor as a DC power supply. When the DC current supplied from the power supply device becomes zero in parallel connection, a large feedback current flows through the feedback inductor according to Lenz's law, and surplus power is regenerated in the battery.

開示された電流形インバータは、インバータのサイリスタがソフトスイッチングを行うためスイッチング損失が小さくなりインバータ効率が向上し、またスイッチングによるEMIが発生しない。
しかし、開示回路では共振回路部に双方向性を与えることができないため、バッテリから供給される電流によってフィードバック用インダクタに発生する起電力による電流を電力回生するだけで、系統側で発生する余剰電力を吸収する機構になっていない。
In the disclosed current source inverter, since the thyristor of the inverter performs soft switching, the switching loss is reduced, the inverter efficiency is improved, and EMI due to switching does not occur.
However, since the disclosed circuit cannot provide bidirectionality to the resonant circuit, surplus power generated on the system side simply by regenerating the current due to the electromotive force generated in the feedback inductor by the current supplied from the battery. It is not a mechanism to absorb.

特許文献2には、商用電源の配電網から離れた離島などで利用できる発電設備が開示されている。この開示装置は、太陽光や風力など自然エネルギを利用する主発電装置の出力が不足する毎に起動されて主発電装置の出力が回復するまで運転する化石燃料で運転される補助発電装置を組み合わせたもので、補助発電装置の起動過渡期間の電力補償エネルギを保持するキャパシタバンクと双方向コンバータを備える。   Patent Document 2 discloses a power generation facility that can be used on a remote island away from a distribution network of commercial power. This disclosed device is combined with an auxiliary power generator that is activated with fossil fuel that is activated each time the output of the main power generator using natural energy such as sunlight or wind power is insufficient and is operated until the output of the main power generator is recovered. In addition, a capacitor bank and a bidirectional converter for holding power compensation energy during the start-up transition period of the auxiliary power generator are provided.

自然エネルギを利用する主発電装置の出力不足を検知すると、双方向コンバータのインバータ運転によりキャパシタバンクの直流出力を定電圧制御して交流化し、配電線に供給して出力を補うことができる。また、主発電装置の出力に余剰があるときは、コンバータ運転して配電線の交流電力の一部を充電用の直流電力に変換してキャパシタバンクを充電する。双方向コンバータ内部の回路は開示されていないが、放電と充電を切り換えるために、充電路ダイオードと放電路スイッチを並列に組んだ回路が用いられる。この切り換え回路は電流共振形でなく、放電路スイッチは放電期間中は常時オンにすればよいので、ソフトスイッチングする要請は少ない。
なお、補助発電装置の起動過渡期間は数秒であるので、キャパシタバンクは大きな電力貯蔵を必要としない。
特開平8−51781号公報 特開2001−136681号公報
When the output shortage of the main power generator using natural energy is detected, the direct current output of the capacitor bank can be controlled at a constant voltage by the inverter operation of the bidirectional converter, and the output can be supplemented by supplying it to the distribution line. Further, when there is a surplus in the output of the main power generator, the converter is operated to convert a part of the AC power of the distribution line into DC power for charging and charge the capacitor bank. Although a circuit inside the bidirectional converter is not disclosed, a circuit in which a charging path diode and a discharging path switch are assembled in parallel is used to switch between discharging and charging. This switching circuit is not a current resonance type, and the discharge path switch has only to be kept on during the discharge period, so there is little demand for soft switching.
In addition, since the start-up transition period of the auxiliary power generator is several seconds, the capacitor bank does not require a large amount of power storage.
JP-A-8-51781 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-136681

本発明が解決しようとする課題は、電力貯蔵装置に適用する電流形インバータにおいて、ソフトスイッチングを可能とする簡素な共振回路を提供することであり、特に直流リンク部に使用する双方向DC−DCコンバータについて共振を用いたソフトスイッチングが可能な共振回路を提供することである。   The problem to be solved by the present invention is to provide a simple resonant circuit that enables soft switching in a current source inverter applied to a power storage device, and in particular, a bidirectional DC-DC used for a DC link unit. It is an object of the present invention to provide a resonance circuit capable of soft switching using resonance for a converter.

上記課題を解決するため、本発明の双方向DC−DCコンバータのソフトスイッチング回路は、入力側負極端子にアノードを接続し出力側正極端子にカソードを接続した第1ダイオード、出力側負極端子にアノードを接続し入力側正極端子にカソードを接続した第2ダイオード、入力側正極端子と出力側正極端子の間に設けられた第1半導体スイッチ、および出力側負極端子と入力側負極端子の間に設けられた第2半導体スイッチにより構成された双方向DC−DCコンバータにおいて、第1半導体スイッチに直列に第1共振用インダクタを設け、第2半導体スイッチに直列に第2共振用インダクタを設け、出力側正極端子と出力側負極端子の間に共振用キャパシタを設けて、充放電中に発生させた共振電流がゼロのときに第1半導体スイッチと第2半導体スイッチを作動させるようにしたことを特徴とする。   In order to solve the above problems, a soft switching circuit of a bidirectional DC-DC converter according to the present invention includes a first diode having an anode connected to an input-side negative terminal and a cathode connected to an output-side positive terminal, and an anode connected to an output-side negative terminal. And a second diode having a cathode connected to the input-side positive terminal, a first semiconductor switch provided between the input-side positive terminal and the output-side positive terminal, and provided between the output-side negative terminal and the input-side negative terminal In the bidirectional DC-DC converter configured by the second semiconductor switch, a first resonance inductor is provided in series with the first semiconductor switch, and a second resonance inductor is provided in series with the second semiconductor switch. A resonance capacitor is provided between the positive electrode terminal and the output negative electrode terminal, and the first semiconductor switch is turned on when the resonance current generated during charge / discharge is zero. Characterized in that when a so as to actuate the second semiconductor switch.

放電期間には、第2半導体スイッチをオン状態に維持して、予め決められたタイムスケジュールにしたがって共振電流がゼロのときに第1半導体スイッチを開閉し、電流共振形降圧コンバータとして動作させる。また、充電期間には、第1半導体スイッチをオフ状態にして、予め決められたタイムスケジュールにしたがって共振電流がゼロのときに第2半導体スイッチを作動させ、電流共振形昇圧コンバータとして動作させる。
本発明の回路を有する双方向DC−DCコンバータは、充電方向と放電方向で同一の共振素子を用いた簡素な双方向性の共振回路を構成し、共振電流がゼロになるタイミングで半導体スイッチを動作させてソフトスイッチングを可能とすることができる。
During the discharging period, the second semiconductor switch is maintained in an ON state, and the first semiconductor switch is opened and closed when the resonance current is zero according to a predetermined time schedule, thereby operating as a current resonance type step-down converter. Further, during the charging period, the first semiconductor switch is turned off, and the second semiconductor switch is operated when the resonance current is zero according to a predetermined time schedule to operate as a current resonance type boost converter.
The bidirectional DC-DC converter having the circuit of the present invention constitutes a simple bidirectional resonant circuit using the same resonant element in the charging direction and the discharging direction, and the semiconductor switch is turned on when the resonant current becomes zero. It can be operated to enable soft switching.

したがって、スイッチングによる電力損失を抑制してエネルギ変換効率を向上させ、電磁妨害も十分抑制することができる。
本発明に係る双方向DC−DCコンバータを、電力貯蔵要素と電流形インバータの間に配置する直流リンクとして使用すると、電力貯蔵要素から電流形インバータに直流電力を供給する放電工程と、系統からインバータを介して余剰電力を電力貯蔵要素に電力回生する充電工程の双方向に流通させることができる。
また、急峻な電圧・電流波形が生じないので、回路素子は高度な耐性を要求されず、簡素な回路構成と相俟って製造コストも低下する。
Therefore, it is possible to suppress power loss due to switching, improve energy conversion efficiency, and sufficiently suppress electromagnetic interference.
When the bidirectional DC-DC converter according to the present invention is used as a direct current link disposed between a power storage element and a current source inverter, a discharge process for supplying direct current power from the power storage element to the current source inverter, and an inverter from the system The surplus power can be distributed to the power storage element in both directions through the charging process.
In addition, since a steep voltage / current waveform does not occur, the circuit element is not required to have a high degree of tolerance, and the manufacturing cost is reduced in combination with a simple circuit configuration.

本発明の双方向DC−DCコンバータのソフトスイッチング回路では、半導体スイッチがGTOサイリスタであって、第1半導体スイッチはアノードを入力側正極端子の方に向けカソードを出力側正極端子の方に向け、第2半導体スイッチはアノードを出力側負極端子の方に向けカソードを入力側負極端子の方に向けて接続されるようにしてもよい。
本発明の回路では、充電放電のいずれにおいても半導体スイッチを通る直流電流の向きが変わらないので、半導体スイッチとして双方向性を持つものに限らず1方向にしか電流を流さないものであってもよい。半導体スイッチとして、サイリスタ、パワートランジスタ、IGBTなどを使用できるが、特に大容量の電流を制御できるGTOサイリスタを使用して大容量電力貯蔵装置に適用することができる。
In the soft switching circuit of the bidirectional DC-DC converter of the present invention, the semiconductor switch is a GTO thyristor, and the first semiconductor switch has the anode directed toward the input-side positive terminal and the cathode directed toward the output-side positive terminal, The second semiconductor switch may be connected with the anode facing the output-side negative terminal and the cathode facing the input-side negative terminal.
In the circuit of the present invention, the direction of the direct current passing through the semiconductor switch does not change in any of the charging and discharging, so that the semiconductor switch is not limited to having bidirectionality, and even if current flows only in one direction. Good. As the semiconductor switch, a thyristor, a power transistor, an IGBT, or the like can be used. In particular, a GTO thyristor that can control a large-capacity current can be used and applied to a large-capacity power storage device.

共振用キャパシタの容量Crは、入力電圧をVin、出力端子に接続した直流出力電流をIdc、第1,第2の共振用インダクタのインダクタンスをそれぞれLr1,Lr2とすると、不等式
Cr≧(Idc/Vin)(Lr1+Lr2)
で表される関係を有するようにすることが好ましい。
この関係が成立すれば、共振電流を得て、共振周波数より小さいスイッチング周波数を設定することができる。
なお、第1共振用インダクタのインダクタンスLr1は、第2共振用インダクタのインダクタンスLr2より小さく選択することが好ましい。放電時の共振電流の振幅は(Cr/(Lr1+Lr2))Vinに比例し、充電時は(Cr/Lr2)Vinに比例するので、Lr1を小さくして充電時と放電時の共振電流の振幅を抑制できれば、スイッチの電流ストレスが低減するからである。
The capacitance Cr of the resonance capacitor is an inequality when the input voltage is Vin, the DC output current connected to the output terminal is Idc, and the inductances of the first and second resonance inductors are Lr1 and Lr2, respectively.
Cr ≧ (Idc / Vin) 2 (Lr1 + Lr2)
It is preferable to have a relationship represented by:
If this relationship is established, a resonance current can be obtained and a switching frequency lower than the resonance frequency can be set.
The inductance Lr1 of the first resonance inductor is preferably selected to be smaller than the inductance Lr2 of the second resonance inductor. The amplitude of the resonance current during discharge is proportional to (Cr / (Lr1 + Lr2)) 2 Vin, and is proportional to (Cr / Lr2) 2 Vin during charging. Therefore, Lr1 is reduced to resonate during charging and discharging. This is because the current stress of the switch is reduced if the current amplitude can be suppressed.

本発明の双方向DC−DCコンバータのソフトスイッチング回路を電力貯蔵要素と電流形インバータの間に配置して、電力貯蔵装置用電流形インバータを構成することができる。
なお、電力貯蔵要素として、電気二重層キャパシタを複数用いて形成されるキャパシタバンクを用いると、小型で大容量の電力貯蔵が可能となり、様々な分野で有効に利用できる。
By arranging the soft switching circuit of the bidirectional DC-DC converter of the present invention between the power storage element and the current source inverter, the current source inverter for the power storage device can be configured.
When a capacitor bank formed by using a plurality of electric double layer capacitors is used as the power storage element, it is possible to store power with a small size and a large capacity, and it can be effectively used in various fields.

本発明の電流共振形を用いれば、回路構成が簡単で、半導体スイッチのソフトスイッチングを行うことでスイッチング損失を低減してエネルギ変換効率を向上させ、電磁妨害も殆ど生じないような電力貯蔵装置を提供することができる。
なお、本発明の双方向DC−DCコンバータは、分散型電源のパワーコンデショナとして利用することも可能で、また、直流機器用の変換器として利用することもできる。
By using the current resonance type of the present invention, a power storage device that has a simple circuit configuration, performs soft switching of a semiconductor switch, reduces switching loss, improves energy conversion efficiency, and hardly causes electromagnetic interference. Can be provided.
Note that the bidirectional DC-DC converter of the present invention can be used as a power conditioner of a distributed power source, and can also be used as a converter for a DC device.

以下、実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
図1は、本実施例に係る双方向DC−DCコンバータのソフトスイッチング回路を組み込んでなる電流形電力貯蔵装置の主回路構成図である。
本実施例に係るソフトスイッチング回路を備えた双方向DC−DCコンバータ2は、直流電源部1とインバータ部3の間の直流リンク部に配置され、全体で電力貯蔵装置を構成して、三相誘導電動機4などの負荷に交流電力を供給する。
直流電源部1は、電気二重層キャパシタ(EDLC)を用いたキャパシタバンクで構成され、直流端子電圧Vinを発生する。なお、キャパシタバンクは内部抵抗を有するので、回路図には等価的な抵抗を表示してある。
直流電源部1の正負の出力端子は、それぞれ直流リンク部2の正負の入力端子に接続される。
Hereinafter, the present invention will be described in detail using examples.
FIG. 1 is a main circuit configuration diagram of a current source power storage device incorporating a soft switching circuit of a bidirectional DC-DC converter according to the present embodiment.
The bidirectional DC-DC converter 2 provided with the soft switching circuit according to the present embodiment is arranged in a DC link unit between the DC power supply unit 1 and the inverter unit 3, and constitutes a power storage device as a whole, and has a three-phase configuration. AC power is supplied to a load such as the induction motor 4.
The DC power supply unit 1 is composed of a capacitor bank using an electric double layer capacitor (EDLC), and generates a DC terminal voltage Vin. Since the capacitor bank has an internal resistance, an equivalent resistance is shown in the circuit diagram.
The positive and negative output terminals of the DC power supply unit 1 are connected to the positive and negative input terminals of the DC link unit 2, respectively.

直流リンク部に設けた双方向DC−DCコンバータ2は、第1整流ダイオードD1、第2整流ダイオードD2、GTOサイリスタで構成された第1半導体スイッチSW1、およびGTOサイリスタで構成された第2半導体スイッチSW2を備える。本実施例の双方向DC−DCコンバータ2は、さらに第1共振用インダクタLr1、第2共振用インダクタLr2、および共振用キャパシタCrを新たに備えたことを特徴とする電流共振形第1−4象限DC−DCコンバータである。   The bidirectional DC-DC converter 2 provided in the DC link unit includes a first rectifier diode D1, a second rectifier diode D2, a first semiconductor switch SW1 configured with a GTO thyristor, and a second semiconductor switch configured with a GTO thyristor. With SW2. The bidirectional DC-DC converter 2 according to the present embodiment further includes a first resonance inductor Lr1, a second resonance inductor Lr2, and a resonance capacitor Cr. It is a quadrant DC-DC converter.

第1整流ダイオードD1は、双方向DC−DCコンバータ2の入力側負極端子にアノードを接続し出力側正極端子にカソードを接続し、第2整流ダイオードD2は、出力側負極端子にアノードを接続し入力側正極端子にカソードを接続する。第1半導体スイッチSW1のGTOサイリスタは、入力側正極端子にアノードを接続し出力側正極端子にカソードを接続する。また、第2半導体スイッチSW2は出力側負極端子にアノードを接続し入力側負極端子にカソードを接続する。   The first rectifier diode D1 has an anode connected to the input-side negative terminal of the bidirectional DC-DC converter 2 and a cathode connected to the output-side positive terminal. The second rectifier diode D2 has an anode connected to the output-side negative terminal. Connect the cathode to the positive terminal on the input side. The GTO thyristor of the first semiconductor switch SW1 has an anode connected to the input-side positive terminal and a cathode connected to the output-side positive terminal. The second semiconductor switch SW2 has an anode connected to the output-side negative terminal and a cathode connected to the input-side negative terminal.

さらに、第1共振用インダクタLr1を第1半導体スイッチSW1と直列に接続し、第2共振用インダクタLr2を第2半導体スイッチSW2と直列に接続し、共振用キャパシタCrを出力側正極端子と出力側負極端子の間に設けている。
第1半導体スイッチSW1と第2半導体スイッチSW2を操作することにより充電と放電を選択すると共に、充電・放電の工程中ではソフトスイッチングによりオンオフ操作することによりスイッチング損失を抑制して、変換効率を向上させす。
充電時と放電時で同じ共振素子(Lr1,Lr2,Cr)を用いて回路構成を単純化している。
Further, the first resonance inductor Lr1 is connected in series with the first semiconductor switch SW1, the second resonance inductor Lr2 is connected in series with the second semiconductor switch SW2, and the resonance capacitor Cr is connected to the output positive terminal and the output side. It is provided between the negative terminals.
Charging and discharging are selected by operating the first semiconductor switch SW1 and the second semiconductor switch SW2, and switching loss is suppressed by turning on and off by soft switching during the charging / discharging process, thereby improving conversion efficiency. Let me.
The circuit configuration is simplified by using the same resonant elements (Lr1, Lr2, Cr) during charging and discharging.

直流リンク部2の出力側正極端子は直流インダクタLdc5を介して電流形インバータ3の正極入力端子に接続し、直流リンク部2の出力側負極端子は直接に電流形インバータ3の負極入力端子に接続する。電流形インバータ3、半導体スイッチを駆動して直流交流変換して出力し、インダクタLacとキャパシタCacで構成される交流フィルタ6を介して3相交流電力を電動機などの負荷4に供給する。   The output side positive terminal of the DC link unit 2 is connected to the positive input terminal of the current source inverter 3 via the DC inductor Ldc5, and the output side negative terminal of the DC link unit 2 is directly connected to the negative input terminal of the current source inverter 3. To do. The current source inverter 3 and the semiconductor switch are driven to perform DC-AC conversion and output, and three-phase AC power is supplied to a load 4 such as an electric motor through an AC filter 6 including an inductor Lac and a capacitor Cac.

図2は、双方向DC−DCコンバータ2の第4象限動作時であって充電時の等価回路を表す。
充電時には、第1半導体スイッチSW1をオフ状態にし(図中点線で表示した)、第2半導体スイッチSW2をプログラムにしたがってオンオフ操作することによって(図中斜線ハッチングを入れて表示した)、第2整流ダイオードD2の働きと相俟って、電流共振形昇圧コンバータとして動作させる。図中矢印の左側の回路は、右側の回路に等価変換される。直流インダクタLdcを通る直流電流Idcは、放電時と同じように図の右方向に流れるが、系統側からの余剰電流は共振キャパシタCrに充電されキャパシタ電圧Vcrが増加して入力電圧Vinを越えると第2整流ダイオードD2が順バイアスされて直流電源部1のキャパシタバンクに回生電力として充電される。
FIG. 2 shows an equivalent circuit during charging in the fourth quadrant operation of the bidirectional DC-DC converter 2.
During charging, the first semiconductor switch SW1 is turned off (indicated by a dotted line in the figure), and the second semiconductor switch SW2 is turned on and off in accordance with a program (indicated by hatching in the figure), the second rectification is performed. Combined with the function of the diode D2, it operates as a current resonance type boost converter. The circuit on the left side of the arrow in the figure is equivalently converted to the circuit on the right side. The direct current Idc passing through the direct current inductor Ldc flows in the right direction in the figure as in the case of discharging, but the surplus current from the system side is charged to the resonance capacitor Cr and the capacitor voltage Vcr increases and exceeds the input voltage Vin. The second rectifier diode D2 is forward-biased, and the capacitor bank of the DC power supply unit 1 is charged as regenerative power.

一方、図3は、双方向DC−DCコンバータ2の第1象限動作時であって放電時の等価回路を表す。
放電時には、第2半導体スイッチSW2を期間中オン状態にし(図中斜線ハッチングを入れて表示した)、第1半導体スイッチSW1をプログラムにしたがって駆動することによって、第1整流ダイオードD1の働きと相俟って、電流共振形降圧コンバータとして動作させる。
また、充電時と放電時で直流インダクタLdcを通る電流の向きは変わらない。
On the other hand, FIG. 3 shows an equivalent circuit during the first quadrant operation of the bidirectional DC-DC converter 2 during discharging.
At the time of discharging, the second semiconductor switch SW2 is turned on during the period (shown with hatched hatching in the figure), and the first semiconductor switch SW1 is driven according to the program, so that the function of the first rectifier diode D1 is considered. Thus, it is operated as a current resonance type step-down converter.
Further, the direction of the current passing through the DC inductor Ldc does not change between charging and discharging.

双方向DC−DCコンバータ2は電流共振形になるため、充電時と放電時のソフトスイッチング手法は動作波形が類似しているので、充電時における動作解析結果について説明する。
充電時は、各スイッチング周期毎に、インダクタ励磁期間のモードI、共振期間のモードII、キャパシタ放電期間のモードIII、整流ダイオードオン期間のモードIVの4つのモードに分けられる。
Since the bidirectional DC-DC converter 2 is of a current resonance type, the soft switching technique at the time of charging and discharging is similar in operation waveform, so the operation analysis result at the time of charging will be described.
During charging, each switching period is divided into four modes: mode I during the inductor excitation period, mode II during the resonance period, mode III during the capacitor discharge period, and mode IV during the rectifier diode on period.

図4は、充電時におけるモード別の等価回路を表す。(a)図はモードI、(b)図はモードII、(c)図はモードIII、(d)図はモードIVの等価回路である。充電時には、第1半導体スイッチSW1はオフ状態になっている。
ここでは、各モードにおける第2半導体スイッチSW2に使われるGTOサイリスタにおける瞬時電圧νakと瞬時電流iak、およびスイッチング損失(電力損失)ωboを導出する。
FIG. 4 shows an equivalent circuit for each mode during charging. (A) is a mode I, (b) is a mode II, (c) is a mode III, (d) is a mode IV equivalent circuit. At the time of charging, the first semiconductor switch SW1 is in an off state.
Here, an instantaneous voltage νak, an instantaneous current iak, and a switching loss (power loss) ωbo in the GTO thyristor used for the second semiconductor switch SW2 in each mode are derived.

図5は、シミュレーションにより得られた、充電時の1スイッチング期間における各部の瞬時電圧・電流の波形図である。図は、横軸に時間tをとり、第2半導体スイッチ(GTOサイリスタ)SW2のオンオフ指令信号の状態、第2半導体スイッチSW2を通る共振電流の瞬時値iak、第2半導体スイッチSW2に掛かる電圧の瞬時値νak、第2半導体スイッチSW2における瞬時電流iakと瞬時電圧νakを掛けて得られるソフトスイッチングを用いたときの消費電力PSbo、消費電力PSboを時間積分して得られるエネルギ損失量WSbo、共振用キャパシタCrへの充電電流icr、共振用キャパシタCrの端子間電圧νcr、および電力貯蔵要素からの入力電流iinの時間変化を表示している。なお、時間軸方向には、縦の点線でモードを区切る時刻T0,T1,T2,T3,T4の位置を示している。   FIG. 5 is a waveform diagram of instantaneous voltage / current of each part in one switching period during charging, obtained by simulation. In the figure, the horizontal axis indicates time t, the state of the on / off command signal of the second semiconductor switch (GTO thyristor) SW2, the instantaneous value iak of the resonance current passing through the second semiconductor switch SW2, and the voltage applied to the second semiconductor switch SW2. Instantaneous value νak, power consumption PSbo when using soft switching obtained by multiplying instantaneous current iak and instantaneous voltage νak in second semiconductor switch SW2, energy loss amount WSbo obtained by time integration of power consumption PSbo, for resonance The time change of the charging current icr to the capacitor Cr, the terminal voltage νcr of the resonance capacitor Cr, and the input current iin from the power storage element is displayed. In the time axis direction, the positions of times T0, T1, T2, T3, and T4 at which the modes are separated by vertical dotted lines are shown.

シミュレーションは、直流電流Idcが変化しないと仮定し、GTOサイリスタが図7の等価回路図に表したようにスイッチに対して直列に内部インダクタンスLonと内部抵抗Ronと順方向電圧Vfを有するとし、図8のパラメータ表の値を用いて、瞬時シミュレーションソフトウェアMATLAB/SIMULINKおよびSimPowerSystemsにより行った。   The simulation assumes that the DC current Idc does not change, and the GTO thyristor has an internal inductance Lon, an internal resistance Ron, and a forward voltage Vf in series with the switch as shown in the equivalent circuit diagram of FIG. Using the values in the parameter table of FIG. 8, the simulation was performed by the instantaneous simulation software MATLAB / SIMULINK and SimPowerSystems.

なお、比較のため、図6にハードスイッチング手法による充電時の瞬時電圧・電流等を示した。図は横軸に時間tを取って、第2半導体スイッチSW2のオンオフ状態、第2半導体スイッチSW2の瞬時電流iak、瞬時電圧νak、第2半導体スイッチSW2におけるハードスイッチング時の消費電力PHbo、ハードスイッチング時のエネルギ損失量WHbo、および電力貯蔵要素からの入力電流iinの時間変化を表示している。モードの区切り時刻を縦の点線で示してある。   For comparison, FIG. 6 shows the instantaneous voltage and current during charging by the hard switching method. In the figure, the horizontal axis indicates time t, the second semiconductor switch SW2 is turned on and off, the instantaneous current iak of the second semiconductor switch SW2, the instantaneous voltage νak, the power consumption PHbo during hard switching in the second semiconductor switch SW2, and hard switching The time change of the energy loss amount WHbo and the input current iin from the power storage element is displayed. The mode separation time is indicated by a vertical dotted line.

(1)モードI:インダクタ励磁期間(T0<t<T1)
図5における時刻T0から時刻T1の期間であって、第2半導体スイッチSW2を通る瞬時電流iakがゼロである時刻T0において第2半導体スイッチSW2がターンオンされて、図4(a)に示す等価回路状態になり、直流電流Idcが第2半導体スイッチSW2に転流されて第2整流ダイオードD2のアノード電圧が電力貯蔵要素の端子電圧νinに達して、第2整流ダイオードD2がオフとなってモードIIに切り替わるまでの期間である。
(1) Mode I: Inductor excitation period (T0 <t <T1)
In the period from time T0 to time T1 in FIG. 5, the second semiconductor switch SW2 is turned on at time T0 when the instantaneous current iak passing through the second semiconductor switch SW2 is zero, and the equivalent circuit shown in FIG. The DC current Idc is commutated to the second semiconductor switch SW2, the anode voltage of the second rectifier diode D2 reaches the terminal voltage νin of the power storage element, the second rectifier diode D2 is turned off, and the mode II It is a period until it switches to.

モードIでは、瞬時電流iakと瞬時電圧νakは、(1)式で表されるものとなる。
iak=νin/Lr2*(t−T0)
νak=Ron*iak+Vf (1)
また、(1)式より、モードIにおけるエネルギ損失は、
Wbo1=∫Pbo1(t) dt=∫iak(t)νak(t) dt
=Ron/3(νin/Lr2)2(T1−T0)3+νinVf /2Lr2(T1−T0) (2)
で表される。
これらの変化は、図5に表されている。
In mode I, the instantaneous current iak and the instantaneous voltage νak are expressed by equation (1).
iak = νin / Lr2 * (t−T0)
νak = Ron * iak + Vf (1)
Also, from equation (1), the energy loss in mode I is
Wbo1 = ∫Pbo1 (t) dt = ∫iak (t) νak (t) dt
= Ron / 3 (νin / Lr2) 2 (T1−T0) 3 + νinVf / 2Lr2 (T1−T0) 2 (2)
It is represented by
These changes are represented in FIG.

(2)モードII:共振期間(T1<t<T2)
図5における時刻T1から時刻T2の期間であって、第2整流ダイオードD2がオフとなって図4(b)に示す等価回路状態になり、CrとLr2によりCL共振する期間である。共振電流がゼロになったときに次のモードIIIに切り替わる。
モードIIでは、瞬時電流iakと瞬時電圧νakは、(3)式で表されるものとなる。
iak=Idc+(Cr/Lr2)1/2νinsinωrbo(t−T1)
νak=Ron*iak+Vf (3)
ここで、ωrboは共振角周波数で、1/(Lr2Cr)1/2により表される。
(2) Mode II: Resonance period (T1 <t <T2)
The period from time T1 to time T2 in FIG. 5 is a period in which the second rectifier diode D2 is turned off and the equivalent circuit state shown in FIG. 4B is obtained, and CL resonance is caused by Cr and Lr2. When the resonance current becomes zero, the mode is switched to the next mode III.
In mode II, the instantaneous current iak and the instantaneous voltage νak are expressed by equation (3).
iak = Idc + (Cr / Lr2) 1/2 νinsinωrbo (t−T1)
νak = Ron * iak + Vf (3)
Here, ωrbo is a resonance angular frequency and is represented by 1 / (Lr2Cr) 1/2 .

(3)式より、モードIIにおけるエネルギ損失Wbo2は、
Wbo2=∫Pbo2(t) dt=∫iak(t)νak(t) dt
=Ron[Idc2(T2−T1)+2νinIdcCr{1−cosωrbo(T2−T1)}
+νin2Cr/Lr2{(T2−T1)/2−sin2ωr(T2−T1)/4ωrbo2}]
+Vf[Idc(T2−T1)+νinCr{1−cosωrbo(T2−T1)}] (4)
で表される。これらの変化は、図5に表されている。
From equation (3), the energy loss Wbo2 in mode II is
Wbo2 = ∫Pbo2 (t) dt = ∫iak (t) νak (t) dt
= Ron [Idc 2 (T2−T1) + 2νinIdcCr {1-cosωrbo (T2−T1)}
+ Νin 2 Cr / Lr2 {(T2−T1) / 2−sin2ωr (T2−T1) / 4ωrbo2}]
+ Vf [Idc (T2−T1) + νinCr {1-cosωrbo (T2−T1)}] (4)
It is represented by These changes are represented in FIG.

(3)モードIII:キャパシタ放電期間(T2<t<T3)
図5における時刻T2から時刻T3の期間であって、共振電流iakがゼロとなった時刻T2に第2半導体スイッチSW2がゼロ電流スイッチング(ZCS)でターンオフされ図4(c)に示す等価回路状態になる。
モードIIIでは、瞬時電流iakと瞬時電圧νakは、(5)式で表されるものとなる。
iak=0
νak=Ron*iak+Vf (5)
(3) Mode III: Capacitor discharge period (T2 <t <T3)
In the period from time T2 to time T3 in FIG. 5, the second semiconductor switch SW2 is turned off by zero current switching (ZCS) at time T2 when the resonance current iak becomes zero, and the equivalent circuit state shown in FIG. become.
In mode III, the instantaneous current iak and the instantaneous voltage νak are expressed by equation (5).
iak = 0
νak = Ron * iak + Vf (5)

(5)式より、電流がゼロであるので、モードIIIにおけるエネルギ損失Wbo3はゼロである。
Wbo3=∫Pbo2(t) dt=∫iak(t)νak(t) dt
=0 (6)
モードIIIの期間で、共振キャパシタに電気エネルギが充電されて共振キャパシタCrの端子電圧νcrが増加し始める。端子電圧νcrが入力電圧νinに達するとモードIVに移行する。
From equation (5), since the current is zero, the energy loss Wbo3 in mode III is zero.
Wbo3 = ∫Pbo2 (t) dt = ∫iak (t) νak (t) dt
= 0 (6)
In the mode III period, the resonant capacitor is charged with electric energy and the terminal voltage νcr of the resonant capacitor Cr starts to increase. When the terminal voltage νcr reaches the input voltage νin, the mode IV is entered.

(4)モードIV:整流ダイオードオン期間(T3<t<T4)
図5における時刻T3から時刻T4の期間であって、共振キャパシタCrの端子電圧νcrが入力電圧νinに達して第2整流ダイオードD2が順バイアスされ導通すると、図4(d)に示す等価回路状態になる。モードIVでは、第2整流ダイオードD2が導通し直流電流Idcが転流して電気エネルギがキャパシタバンクに充電される。図4(d)と図5における電流の向きに注意すること。モードIVの期間中は瞬時電流iakがゼロなので、モードIIIのときと同様にエネルギ損失は発生しない。任意の時刻に第2半導体スイッチSW2をオンすることによりモードIに切り替わる。
(4) Mode IV: Rectifier diode on period (T3 <t <T4)
In the period from time T3 to time T4 in FIG. 5, when the terminal voltage νcr of the resonant capacitor Cr reaches the input voltage νin and the second rectifier diode D2 is forward biased and becomes conductive, the equivalent circuit state shown in FIG. become. In mode IV, the second rectifier diode D2 is turned on, the direct current Idc is commutated, and electric energy is charged in the capacitor bank. Note the current direction in FIG. 4 (d) and FIG. Since the instantaneous current iak is zero during mode IV, no energy loss occurs as in mode III. The mode is switched to mode I by turning on the second semiconductor switch SW2 at an arbitrary time.

スイッチング周波数fsboは共振周波数frboより小さいことが好ましいので、充電時における共振電流式(3)より、
frbo=ωrbo/2π=1/2π(Lr2Cr)1/2>fsbo (7)
となる。
また、放電時における共振電流iakは(8)式で表される。
iak=Idc+(Cr/(Lr1+Lr2))1/2νinsinωrbu(t−T1) (8)
したがって、放電時におけるスイッチング周波数fsbuは、
frbu=ωrbu/2π=1/2π((Lr1+Lr2)Cr)1/2>fsbu (9)
となる。ここで、ωrbuは、1/((Lr1+Lr2)Cr)1/2により表される。
(7)式と(9)式から分かるように、スイッチング周波数は放電時と充電時では異なる値に設定しなければならない。この差は共振用インダクタンスLr1,Lr2に基づいて決まる。
Since the switching frequency fsbo is preferably smaller than the resonance frequency frbo, from the resonance current equation (3) during charging,
frbo = ωrbo / 2π = 1 / 2π (Lr2Cr) 1/2 > fsbo (7)
It becomes.
Further, the resonance current iak at the time of discharge is expressed by the following equation (8).
iak = Idc + (Cr / (Lr1 + Lr2)) 1/2 νinsin ωrbu (t−T1) (8)
Therefore, the switching frequency fsbu at the time of discharge is
frbu = ωrbu / 2π = 1 / 2π ((Lr1 + Lr2) Cr) 1/2 > fsbu (9)
It becomes. Here, ωrbbu is represented by 1 / ((Lr1 + Lr2) Cr) 1/2 .
As can be seen from the equations (7) and (9), the switching frequency must be set to a different value between discharging and charging. This difference is determined based on the resonance inductances Lr1 and Lr2.

次に、(3)式と(8)式の共振電流式から、ゼロ電流スイッチング(ZCS)を達成するためには、
Cr≧(Idc/νin)(Lr1+Lr2) (10)
なる条件が満たされる必要がある。
(10)式における入力電圧νinは、電気二重層キャパシタバンクの端子電圧に相当する。バンク電圧はエネルギの放電に伴い減少するため、エネルギの充放電に伴い共振状態が変化する。
Next, in order to achieve zero current switching (ZCS) from the resonance current equations of Equations (3) and (8),
Cr ≧ (Idc / νin) 2 (Lr1 + Lr2) (10)
It is necessary to satisfy the following conditions.
The input voltage νin in the equation (10) corresponds to the terminal voltage of the electric double layer capacitor bank. Since the bank voltage decreases as the energy is discharged, the resonance state changes as the energy is charged and discharged.

そこで、満充電時におけるバンク電圧を約200Vとして、電気エネルギを約95%放電した場合のバンク電圧60VについてZCS条件を考える。
(10)式で入力電圧νinを60Vとした場合の共振キャパシタCrの値は図9に示すようになる。図9は、第1共振用インダクタLr1を1μH(図中実線で表示)あるいは0.5μH(図中点線で表示)に固定して、第2共振用インダクタLr2の値(横軸)を変化させたときに、ZCSを達成するために設定すべき共振用キャパシタCrの値を縦軸にプロットしたものである。
第1共振用インダクタLr1と第2共振用インダクタLr2の組に対して共振用キャパシタCrの適切な設定値が直ぐに分かる。共振用キャパシタCrは、図中の線より大きい値に設定するとよい。
Therefore, the ZCS condition is considered for a bank voltage of 60 V when the bank voltage at full charge is about 200 V and electric energy is discharged by about 95%.
The value of the resonant capacitor Cr when the input voltage νin is 60 V in the equation (10) is as shown in FIG. FIG. 9 shows that the first resonance inductor Lr1 is fixed to 1 μH (indicated by a solid line) or 0.5 μH (indicated by a dotted line in the figure), and the value (horizontal axis) of the second resonance inductor Lr2 is changed. The value of the resonance capacitor Cr to be set in order to achieve ZCS is plotted on the vertical axis.
An appropriate set value of the resonance capacitor Cr can be immediately found for the set of the first resonance inductor Lr1 and the second resonance inductor Lr2. The resonance capacitor Cr may be set to a value larger than the line in the figure.

なお、放電時と充電時で共振電流の振幅差を小さくすることにより、スイッチの電流ストレスを軽減することができる。このため、第1共振用インダクタLr1と第2共振用インダクタLr2の関係を、
Lr2>Lr1 (11)
となるように規制することが好ましい。
Note that the current stress of the switch can be reduced by reducing the difference in amplitude of the resonance current between discharging and charging. Therefore, the relationship between the first resonance inductor Lr1 and the second resonance inductor Lr2 is
Lr2> Lr1 (11)
It is preferable to regulate so that.

双方向DC−DCコンバータにおけるエネルギ損失について検討する。
図8のパラメータ表の値を用いて先の演算式により算出した損失エネルギの理論値とシミュレーションにより得られた損失エネルギを比較すると、理論値とシミュレーション結果は放電時には、ソフトスイッチングを使ったときの理論値で0.0357Wに対してシミュレーションでは0.0430W、ハードスイッチングでは理論値で0.1755Wに対してシミュレーションで0.208Wと若干の差異が見られるが、充電時の値は、ソフトスイッチングで理論値が0174Wに対してシミュレーションでは0.181W、ハードスイッチングでは理論値で1.1019Wに対してシミュレーションで1.210Wと比較的よく一致している。
いずれのケースにおいても、ハードスイッチングよりソフトスイッチングの方がエネルギ損失が格段に小さいことが分かる。
Consider energy loss in a bidirectional DC-DC converter.
Comparing the theoretical value of the loss energy calculated by the previous calculation formula using the values in the parameter table of FIG. 8 and the loss energy obtained by the simulation, the theoretical value and the simulation result are obtained when soft switching is used during discharge. Although the theoretical value is 0.0357W, the simulation is 0.0430W, the hard switching is the theoretical value of 0.1755W, and the simulation is 0.208W, but the value during charging is soft switching. The theoretical value is 0,174 W for the simulation, 0.181 W in the simulation, and the hard switching, the theoretical value, 1.1019 W, the simulation is 1.210 W, which is relatively good agreement.
In either case, it can be seen that the energy loss is much smaller in soft switching than in hard switching.

なお、シミュレーションにより求めた充電時におけるハードスイッチングの効率が84.51%であるのに対してソフトスイッチングの効率が96.95%、放電時においてはハードスイッチングで84.48%に対してソフトスイッチングでは99.28%であることから、ソフトスイッチング化することにより効率改善が著しいことが分かる。   Soft switching efficiency is 96.95% compared to 84.51% during charging and 84.48% during discharging, and soft switching is 84.48% during discharging. Thus, 99.28%, it can be seen that the efficiency improvement is remarkable by soft switching.

電気二重層キャパシタバンク(EDLC)1はエネルギの充放電に伴い端子電圧が変化する。また、電流形インバータ3の直流電流Idcも充放電に伴い、あるいは有効・無効電力量に依存して変化する。
そこで、これらの要因に起因して変化するエネルギ損失値と変換効率について、図10から図13に示す。図10と図11はそれぞれ双方向DC−DCコンバータのソフトスイッチングにおけるエネルギ損失Wsboと変換効率ηsoft、図12と図13はハードスイッチングにおけるエネルギ損失Whardと変換効率ηhardを直流電流Idcとキャパシタバンクの端子電圧νinの2次元座標面に対する第3次軸に対してプロットしたものである。
The terminal voltage of the electric double layer capacitor bank (EDLC) 1 changes as the energy is charged and discharged. Further, the direct current Idc of the current source inverter 3 also changes with charge / discharge or depending on the amount of active / reactive power.
Accordingly, FIGS. 10 to 13 show the energy loss value and the conversion efficiency that change due to these factors. FIGS. 10 and 11 respectively show energy loss Wsbo and conversion efficiency ηsoft in soft switching of a bidirectional DC-DC converter, and FIGS. 12 and 13 show energy loss Whard and conversion efficiency ηhard in hard switching as DC current Idc and capacitor bank terminals. It is plotted against the tertiary axis with respect to the two-dimensional coordinate plane of the voltage νin.

直流電流の増加に伴ってスイッチング損失が増大し、変換効率が低下していることが確認できる。
さらに、ハードスイッチングとソフトスイッチングで比較すると、ソフトスイッチングの第3次軸における目盛りが著しく細かくプロットされていることに注意すれば、ソフトスイッチングにおけるエネルギ損失がいずれの領域においても著しく小さく、変換効率が著しく大きいことが理解できる。
It can be confirmed that the switching loss increases as the direct current increases, and the conversion efficiency decreases.
In addition, when comparing hard switching and soft switching, the scale on the third axis of soft switching is remarkably finely plotted. The energy loss in soft switching is extremely small in any region, and the conversion efficiency is low. It can be understood that it is extremely large.

なお、上記実施例では、電力貯蔵要素として電気二重層キャパシタを利用したが、通常の大容量キャパシタや二次電池を利用してもよい。
また、本実施例の双方向DC−DCコンバータは電流形インバータと組み合わせて電力貯蔵装置を構成して交流機器の駆動に使用したが、直流機器に適用することができることはいうまでもない。
なお、上記実施例は本願発明を実施するための最良の形態を示したものに過ぎず、本明細書に説明した技術的思想および特許請求の範囲の記載に基づいていわゆる当業者が想到する他の装置および方法に対しても本願発明の技術範囲に属することはいうまでもない。
In the above embodiment, an electric double layer capacitor is used as a power storage element, but a normal large-capacity capacitor or secondary battery may be used.
In addition, the bidirectional DC-DC converter of this embodiment is used for driving an AC device by configuring a power storage device in combination with a current source inverter, but it goes without saying that it can be applied to a DC device.
It should be noted that the above-described embodiment is merely a best mode for carrying out the invention of the present application, and that the person skilled in the art can conceive based on the technical idea described in the present specification and the description of the claims. It goes without saying that the apparatus and method belong to the technical scope of the present invention.

本発明の1実施例に係る双方向DC−DCコンバータのソフトスイッチング回路を用いた電流形電力貯蔵装置の主回路構成図である。1 is a main circuit configuration diagram of a current source power storage device using a soft switching circuit of a bidirectional DC-DC converter according to an embodiment of the present invention. 本実施例の双方向DC−DCコンバータの充電時の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram at the time of charge of the bidirectional DC-DC converter of a present Example. 本実施例の双方向DC−DCコンバータの放電時の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram at the time of discharge of the bidirectional DC-DC converter of a present Example. 本実施例の双方向DC−DCコンバータの充電時におけるモード別の等価回路図である。It is the equivalent circuit diagram according to mode at the time of charge of the bidirectional | two-way DC-DC converter of a present Example. シミュレーションにより得られた本実施例における各部の瞬時電圧・電流の波形図である。It is a waveform diagram of instantaneous voltage and current of each part in the present embodiment obtained by simulation. シミュレーションにより得られたハードスイッチング手法による各部の瞬時電圧・電流の波形図である。It is a waveform diagram of instantaneous voltage and current of each part by a hard switching technique obtained by simulation. GTOサイリスタの等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of a GTO thyristor. シミュレーションに用いたパラメータの表である。It is a table | surface of the parameter used for simulation. 共振用キャパシタパラメータの決定条件を表すグラフである。It is a graph showing the determination conditions of the capacitor parameter for resonance. 本実施例の双方向DC−DCコンバータのソフトスイッチングにおけるエネルギ損失を表すグラフである。It is a graph showing the energy loss in the soft switching of the bidirectional | two-way DC-DC converter of a present Example. 本実施例の双方向DC−DCコンバータのソフトスイッチングにおける変換効率を表すグラフである。It is a graph showing the conversion efficiency in the soft switching of the bidirectional | two-way DC-DC converter of a present Example. 本実施例の双方向DC−DCコンバータの等価物についてハードスイッチングしたときのエネルギ損失を表すグラフである。It is a graph showing the energy loss when hard-switching about the equivalent of the bidirectional | two-way DC-DC converter of a present Example. 本実施例の双方向DC−DCコンバータの等価物についてハードスイッチングしたときの変換効率を表すグラフである。It is a graph showing the conversion efficiency when carrying out hard switching about the equivalent of the bidirectional | two-way DC-DC converter of a present Example.

符号の説明Explanation of symbols

1 直流電源
2 双方向DC−DCコンバータ
3 電流形インバータ3
4 誘導電動機
5 直流インダクタ
6 交流フィルタ
1 DC power supply 2 Bidirectional DC-DC converter 3 Current source inverter 3
4 Induction motor 5 DC inductor 6 AC filter

Claims (5)

入力側正極端子と負極端子および出力側正極端子と負極端子を有し、前記入力側負極端子にアノードを接続し前記出力側正極端子にカソードを接続した第1ダイオード、前記出力側負極端子にアノードを接続し前記入力側正極端子にカソードを接続した第2ダイオード、前記入力側正極端子と前記出力側正極端子の間に設けられた第1半導体スイッチ、および前記出力側負極端子と前記入力側負極端子の間に設けられた第2半導体スイッチにより構成される双方向DC−DCコンバータにおいて、
前記第1半導体スイッチに直列に第1共振用インダクタを設け、前記第2半導体スイッチに直列に第2共振用インダクタを設け、出力側正極端子と出力側負極端子の間に共振用キャパシタを設け、前記第1半導体スイッチと第2半導体スイッチを共振電流がゼロのときに作動させる制御器を備えたことを特徴とする電流共振形の双方向DC−DCコンバータのソフトスイッチング回路。
A first diode having an input positive terminal and a negative terminal, an output positive terminal and a negative terminal, an anode connected to the input negative terminal and a cathode connected to the output positive terminal, and an anode connected to the output negative terminal A second diode having a cathode connected to the input-side positive terminal, a first semiconductor switch provided between the input-side positive terminal and the output-side positive terminal, and the output-side negative terminal and the input-side negative electrode In the bidirectional DC-DC converter constituted by the second semiconductor switch provided between the terminals,
A first resonance inductor is provided in series with the first semiconductor switch; a second resonance inductor is provided in series with the second semiconductor switch; a resonance capacitor is provided between the output-side positive terminal and the output-side negative terminal; A soft switching circuit for a current resonance type bidirectional DC-DC converter, comprising a controller for operating the first semiconductor switch and the second semiconductor switch when the resonance current is zero.
前記第1半導体スイッチはアノードを前記入力側正極端子の方に向けカソードを前記出力側正極端子の方に向けたGTOサイリスタ、前記第2半導体スイッチはアノードを前記出力側負極端子の方に向けカソードを前記入力側負極端子の方に向けたGTOサイリスタであることを特徴とする請求項1記載の双方向DC−DCコンバータのソフトスイッチング回路。   The first semiconductor switch is a GTO thyristor whose anode is directed toward the input-side positive terminal and the cathode is directed toward the output-side positive terminal, and the second semiconductor switch is a cathode whose anode is directed toward the output-side negative terminal. 2. A soft switching circuit for a bidirectional DC-DC converter according to claim 1, wherein the soft switching circuit is a GTO thyristor directed toward the input-side negative terminal. 前記共振用キャパシタの容量をCrとしたとき、Crは、入力電圧をVin、出力端子に接続した直流出力電流をIdc、第1,第2の共振用インダクタのインダクタンスをそれぞれLr1,Lr2とするときに、不等式
Cr≧(Idc/Vin)(Lr1+Lr2)
で表される関係を有するようにすることを特徴とする請求項1または2記載の双方向DC−DCコンバータのソフトスイッチング回路。
When the capacitance of the resonance capacitor is Cr, Cr is when the input voltage is Vin, the DC output current connected to the output terminal is Idc, and the inductances of the first and second resonance inductors are Lr1 and Lr2, respectively. Inequality
Cr ≧ (Idc / Vin) 2 (Lr1 + Lr2)
The soft switching circuit of the bidirectional DC-DC converter according to claim 1, wherein the relationship is expressed by:
電力貯蔵要素を前記入力側正極および負極端子に接続し、前記出力陽極端子は出力インダクタを介しまた前記出力負極端子は直接に電流形インバータに接続することにより、電力貯蔵装置を形成したことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の双方向DC−DCコンバータのソフトスイッチング回路。   A power storage element is formed by connecting a power storage element to the input-side positive and negative terminals, the output anode terminal via an output inductor, and the output negative terminal directly to a current source inverter. The soft switching circuit of the bidirectional DC-DC converter according to any one of claims 1 to 3. 前記電力貯蔵要素は、電気二重層キャパシタを複数用いて形成されるキャパシタバンクで構成されることを特徴とする請求項4記載の双方向DC−DCコンバータのソフトスイッチング回路。   5. The soft switching circuit of the bidirectional DC-DC converter according to claim 4, wherein the power storage element includes a capacitor bank formed by using a plurality of electric double layer capacitors.
JP2004268376A 2004-09-15 2004-09-15 Soft switching circuit for bidirectional DC-DC converter Active JP4411436B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004268376A JP4411436B2 (en) 2004-09-15 2004-09-15 Soft switching circuit for bidirectional DC-DC converter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004268376A JP4411436B2 (en) 2004-09-15 2004-09-15 Soft switching circuit for bidirectional DC-DC converter

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2006087197A JP2006087197A (en) 2006-03-30
JP4411436B2 true JP4411436B2 (en) 2010-02-10

Family

ID=36165229

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2004268376A Active JP4411436B2 (en) 2004-09-15 2004-09-15 Soft switching circuit for bidirectional DC-DC converter

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP4411436B2 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5262687B2 (en) * 2008-12-24 2013-08-14 Tdk株式会社 Bidirectional converter
JP5412856B2 (en) * 2009-01-30 2014-02-12 Tdk株式会社 Bidirectional converter
CN108736734B (en) * 2018-07-10 2023-10-13 珠海英搏尔电气股份有限公司 Resonant converter

Also Published As

Publication number Publication date
JP2006087197A (en) 2006-03-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. DC–DC boost converter with a wide input range and high voltage gain for fuel cell vehicles
Hosseini et al. An extendable quadratic bidirectional DC–DC converter for V2G and G2V applications
Tseng et al. High step-up converter with three-winding coupled inductor for fuel cell energy source applications
Jiang et al. A novel soft-switching bidirectional DC–DC converter with coupled inductors
She et al. On integration of solid-state transformer with zonal DC microgrid
Tan et al. Topology and application of bidirectional isolated dc-dc converters
Tang et al. A three-level quasi-two-stage single-phase PFC converter with flexible output voltage and improved conversion efficiency
Schimpf et al. Effective use of film capacitors in single-phase PV-inverters by active power decoupling
Chuang et al. Analysis and implementation of half-bridge series–parallel resonant converter for battery chargers
Mozaffari et al. A single-phase inverter/rectifier topology with suppressed double-frequency ripple
CN103762693A (en) Circuit structure for charge and discharge of vanadium redox battery and control method thereof
US20220038019A1 (en) System and method for enhanced single-stage on-board charger with integrated rectifier
CN107888073B (en) Alternating current-direct current hybrid energy router of all-round soft switch
JP2013116021A (en) Power conversion circuit
Bharathidasan et al. Review of power factor correction (pfc) ac/dc-dc power electronic converters for electric vehicle applications
CN102255482B (en) Single-phase inverter for eliminating ripples wave at direct current input end and solar photovoltaic generating system
Zakis et al. Dynamic behaviour of qZS-based bi-directional DC/DC converter in supercapacitor charging mode
Pan et al. A novel high step-up ratio inverter for distributed energy resources (DERs)
Joseph et al. A review of DC DC converters for renewable energy and EV charging applications
Rabkowski The bidirectional Z-source inverter for energy storage application
JP4411436B2 (en) Soft switching circuit for bidirectional DC-DC converter
Nandankar et al. High efficiency discontinuous mode interleaved multiphase bidirectional dc-dc converter
Jayaram et al. Design and analysis of a simplified non-isolated bidirectional DC-DC converter for energy storage systems
Chiang et al. Proposal of a High-frequency Integrated Power Converter for Renewable Energy-Grid-BES Interactive Applications
Huang et al. An automatic power decoupling control method on three level DC-AC converter to suppress the double-line-frequency ripple

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20070222

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20091016

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20091020

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

R150 Certificate of patent (=grant) or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150