JP5802073B2 - Bidirectional power converter - Google Patents

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Description

本発明は、双方向電力変換装置に関するものである。   The present invention relates to a bidirectional power converter.

従来、直流電圧を交流電圧に変換する電力変換装置があり、一般に、直流電圧を昇圧または降圧するDC/DC変換部と、DC/DC変換部が出力する直流電圧を交流電圧に変換するDC/AC変換部とを備えている(例えば、特許文献1参照)。   2. Description of the Related Art Conventionally, there is a power conversion device that converts a DC voltage into an AC voltage. Generally, a DC / DC converter that boosts or lowers a DC voltage, and a DC / DC that converts a DC voltage output from the DC / DC converter into an AC voltage. An AC converter (see, for example, Patent Document 1).

例えば、図9に示す電力変換装置Bは、DC/DC変換部101と、DC/AC変換部102とを備えている。   For example, the power conversion device B illustrated in FIG. 9 includes a DC / DC conversion unit 101 and a DC / AC conversion unit 102.

DC/DC変換部101は、スイッチング回路1011と、高周波トランスTr101と、整流回路1012と、検出部1013と、制御回路1014とで構成される。   The DC / DC conversion unit 101 includes a switching circuit 1011, a high-frequency transformer Tr 101, a rectifier circuit 1012, a detection unit 1013, and a control circuit 1014.

スイッチング回路1011は、直流電源E100の直流電圧Vdc101を入力とし、図示しないスイッチング素子をオン・オフ駆動することによって、直流電源E100から供給される電流を周期的に極性反転させて、高周波トランスTr101の一次巻線へ供給する。そして、高周波トランスTr101の二次巻線には誘起電圧が発生し、整流回路1012によって整流されて、整流回路1012の出力端間には直流電圧Vdc102が発生する。この直流電圧Vdc102は、直流電圧Vdc101を昇圧または降圧した電圧になる。   The switching circuit 1011 receives the DC voltage Vdc101 of the DC power supply E100 and drives a switching element (not shown) on and off to periodically invert the polarity of the current supplied from the DC power supply E100 and Supply to the primary winding. An induced voltage is generated in the secondary winding of the high-frequency transformer Tr101 and is rectified by the rectifier circuit 1012. A DC voltage Vdc102 is generated between the output terminals of the rectifier circuit 1012. The DC voltage Vdc102 is a voltage obtained by stepping up or down the DC voltage Vdc101.

そして、検出部1013は、直流電圧Vdc102を検出しており、制御回路1014は、直流電圧Vdc102の検出値が目標電圧に一致するように、スイッチング回路1011をスイッチング制御する。すなわち、制御回路1014は、直流電圧Vdc102を目標電圧にフィードバック制御している。   The detection unit 1013 detects the DC voltage Vdc102, and the control circuit 1014 performs switching control of the switching circuit 1011 so that the detected value of the DC voltage Vdc102 matches the target voltage. That is, the control circuit 1014 performs feedback control of the DC voltage Vdc102 to the target voltage.

次に、DC/AC変換部102は、スイッチング回路1021と、フィルタ回路1022と、検出部1023と、制御回路1024とで構成される。   Next, the DC / AC conversion unit 102 includes a switching circuit 1021, a filter circuit 1022, a detection unit 1023, and a control circuit 1024.

スイッチング回路1021は、直流電圧Vdc102を入力とし、図示しないスイッチング素子をオン・オフ駆動することによって、直流電圧Vdc102を交流電圧に変換する。そして、スイッチング回路1021が出力する交流電圧はフィルタ回路1022を通り、不要な周波数帯域が減衰した交流電圧Vac101をフィルタ回路1022から出力する。   The switching circuit 1021 receives the DC voltage Vdc102 as an input, and converts the DC voltage Vdc102 into an AC voltage by driving a switching element (not shown) on and off. Then, the AC voltage output from the switching circuit 1021 passes through the filter circuit 1022, and the AC voltage Vac101 in which an unnecessary frequency band is attenuated is output from the filter circuit 1022.

そして、検出部1023は、交流電圧Vac101を検出しており、制御回路1024は、交流電圧Vac101の検出値が目標電圧に一致するように、スイッチング回路1021をスイッチング制御する。すなわち、制御回路1024は、交流電圧Vac101を目標電圧にフィードバック制御している。   The detecting unit 1023 detects the AC voltage Vac101, and the control circuit 1024 performs switching control of the switching circuit 1021 so that the detected value of the AC voltage Vac101 matches the target voltage. That is, the control circuit 1024 performs feedback control of the AC voltage Vac101 to the target voltage.

このように電力変換装置Bは、DC/DC変換部101およびDC/AC変換部102の各出力を検出する検出部1013,1023と、各検出結果に基づいてフィードバック制御を行う制御回路1014,1024とを備えている。   As described above, the power conversion apparatus B includes detection units 1013 and 1023 that detect outputs of the DC / DC conversion unit 101 and the DC / AC conversion unit 102, and control circuits 1014 and 1024 that perform feedback control based on the detection results. And.

特開2010−44979号公報JP 2010-44979 A

上述のようにDC/DC変換部とDC/AC変換部とを備えた電力変換装置において、電力効率の向上、および部品点数の削減、小型化が求められている。さらには、直流電圧Vdc101を交流電圧Vac101に変換するDC/AC変換機能だけでなく、交流電圧Vac101を直流電圧Vdc101に変換するAC/DC変換機能も併せて備える双方向DC/ACコンバータとしての機能も求められている。   As described above, in a power conversion device including a DC / DC conversion unit and a DC / AC conversion unit, improvement in power efficiency, reduction in the number of components, and downsizing are required. Furthermore, a function as a bidirectional DC / AC converter having not only a DC / AC conversion function for converting the DC voltage Vdc101 into the AC voltage Vac101 but also an AC / DC conversion function for converting the AC voltage Vac101 into the DC voltage Vdc101. Is also sought.

本発明は、上記事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、双方向の電圧変換を行うDC/DC変換部およびDC/AC変換部を備えて、双方向の出力電圧の精度を確保するとともに、電力効率の向上、および部品点数の削減、小型化を図ることができる双方向電力変換装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-described reasons, and an object of the present invention is to provide a DC / DC conversion unit and a DC / AC conversion unit that perform bidirectional voltage conversion to ensure the accuracy of the bidirectional output voltage. In addition, an object is to provide a bidirectional power conversion device that can improve power efficiency, reduce the number of components, and reduce the size.

本発明の双方向電力変換装置は、第1の直流電路と第2の直流電路との間に設けられて、前記第1の直流電路の直流電圧をオープンループ制御によってDC/DC変換した直流電圧を前記第2の直流電路に出力する第1の動作と、前記第2の直流電路の直流電圧をオープンループ制御によってDC/DC変換した直流電圧を前記第1の直流電路に出力する第2の動作とを切り換えて、双方向の電圧変換を行うDC/DC変換部と、第2の直流電路と交流電路との間に設けられて、前記第2の直流電路の直流電圧をフィードバック制御によってDC/AC変換した交流電圧を前記交流電路に出力する第3の動作と、前記交流電路の交流電圧をフィードバック制御によってAC/DC変換した直流電圧を前記第2の直流電路に出力する第4の動作とを切り換えて、双方向の電圧変換を行うDC/AC変換部とを備え、前記DC/DC変換部が前記第1の動作を行い、且つ前記DC/AC変換部が前記第3の動作を行う第1のモードと、前記DC/DC変換部が前記第2の動作を行い、且つ前記DC/AC変換部が前記第4の動作を行う第2のモードとを切替可能に構成され、前記DC/AC変換部は、前記交流電路の交流電圧を検出する第1の出力検出部と、前記第1の直流電路の直流電圧と前記第2の直流電路の直流電圧との両方を検出する第2の出力検出部と、前記第3の動作時に前記交流電路に出力する交流電圧を、前記第1の出力検出部の検出値が所定の目標値に一致する方向にフィードバック制御し、前記第4の動作時に前記第2の直流電路に出力する直流電圧を、前記第2の出力検出部の検出値が所定の目標値に一致する方向にフィードバック制御する制御回路とを具備することを特徴とする。 The bidirectional power converter of the present invention is provided between the first DC circuit and the second DC circuit, and is a DC voltage obtained by DC / DC conversion of the DC voltage of the first DC circuit by open loop control. Is output to the second DC circuit, and a DC voltage obtained by DC / DC conversion of the DC voltage of the second DC circuit by open loop control is output to the first DC circuit. A DC / DC converter that performs bidirectional voltage conversion by switching between the operation and a second DC circuit and an AC circuit, and the DC voltage of the second DC circuit is DC-controlled by feedback control. A third operation for outputting an AC voltage obtained by / AC conversion to the AC circuit and a fourth operation for outputting a DC voltage obtained by AC / DC conversion of the AC voltage of the AC circuit by feedback control to the second DC circuit. And a DC / AC converter that performs bidirectional voltage conversion, the DC / DC converter performs the first operation, and the DC / AC converter performs the third operation. The DC mode is configured to be switchable between a first mode and a second mode in which the DC / DC converter performs the second operation and the DC / AC converter performs the fourth operation, and the DC The / AC converter is a first output detector that detects an AC voltage of the AC circuit, and a second that detects both the DC voltage of the first DC circuit and the DC voltage of the second DC circuit. Feedback control of the output voltage of the output detection unit and the AC voltage output to the AC circuit during the third operation in a direction in which the detection value of the first output detection unit matches a predetermined target value, The DC voltage output to the second DC circuit during operation is the second voltage The detection value of the output detection unit is characterized by comprising a control circuit for feedback control in a direction that matches a predetermined target value.

この発明において、前記制御回路は、前記第4の動作時に前記第2の直流電路に出力する直流電圧を、前記第2の直流電路の直流電圧が第1の目標値に一致する方向にフィードバック制御した後、前記第1の直流電路の直流電圧が第2の目標値に一致する方向にフィードバック制御することが好ましい。   In this invention, the control circuit feedback-controls the DC voltage output to the second DC circuit during the fourth operation in the direction in which the DC voltage of the second DC circuit matches the first target value. After that, it is preferable to perform feedback control in a direction in which the DC voltage of the first DC circuit matches the second target value.

以上説明したように、本発明では、双方向の電圧変換を行うDC/DC変換部およびDC/AC変換部を備えて、双方向の出力電圧の精度を確保するとともに、電力効率の向上、および部品点数の削減、小型化を図ることができるという効果がある。   As described above, the present invention includes the DC / DC conversion unit and the DC / AC conversion unit that perform bidirectional voltage conversion, ensures the accuracy of the bidirectional output voltage, improves the power efficiency, and There is an effect that the number of parts can be reduced and the size can be reduced.

実施形態1の双方向電力変換装置を示すブロック構成図である。It is a block block diagram which shows the bidirectional | two-way power converter device of Embodiment 1. 同上のDC/DC変換部を示す回路構成図である。It is a circuit block diagram which shows a DC / DC conversion part same as the above. 同上のDC/AC変換部を示す回路構成図である。It is a circuit block diagram which shows a DC / AC conversion part same as the above. ダイオードにおける電圧および電流を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the voltage and electric current in a diode. 実施形態1のダイオードにおける電圧および電流を示す波形図である。FIG. 3 is a waveform diagram showing voltage and current in the diode of the first embodiment. 同上の共振電流を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows a resonance current same as the above. 実施形態2の双方向電力変換装置を示すブロック構成図である。It is a block block diagram which shows the bidirectional | two-way power converter device of Embodiment 2. 実施形態3の双方向電力変換装置を示すブロック構成図である。It is a block block diagram which shows the bidirectional | two-way power converter device of Embodiment 3. 従来の電力変換装置を示すブロック構成図である。It is a block block diagram which shows the conventional power converter device.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施形態1)
図1は、本実施形態の双方向電力変換装置A1のブロック構成を示しており、双方向電力変換装置A1は、DC/DC変換部1と、DC/AC変換部2とを備えている。DC/DC変換部1とDC/AC変換部2とは、直流電路W2(第2の直流電路)を介して内部接続される。そして、DC/DC変換部1は、外部からの直流電路W1(第1の直流電路)と直流電路W2(第2の直流電路)との間に接続される。DC/AC変換部2は、直流電路W2と外部からの交流電路W3との間に接続される。なお、直流電路W1の直流電圧を直流電圧Vdc1、直流電路W2の直流電圧を直流電圧Vdc2、交流電路W3の交流電圧を交流電圧Vac1とする。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a block configuration of a bidirectional power conversion device A1 of the present embodiment, and the bidirectional power conversion device A1 includes a DC / DC conversion unit 1 and a DC / AC conversion unit 2. The DC / DC conversion unit 1 and the DC / AC conversion unit 2 are internally connected through a DC circuit W2 (second DC circuit). The DC / DC converter 1 is connected between a DC electric circuit W1 (first DC electric circuit) and a DC electric circuit W2 (second DC electric circuit) from the outside. The DC / AC converter 2 is connected between the DC electric circuit W2 and the AC electric circuit W3 from the outside. The DC voltage of the DC circuit W1 is defined as a DC voltage Vdc1, the DC voltage of the DC circuit W2 is defined as a DC voltage Vdc2, and the AC voltage of the AC circuit W3 is defined as an AC voltage Vac1.

DC/DC変換部1は、整流スイッチング回路11と、高周波トランスTr1と、整流スイッチング回路12とで構成され、図2にDC/DC変換部1の回路構成を示す。   The DC / DC conversion unit 1 includes a rectification switching circuit 11, a high frequency transformer Tr1, and a rectification switching circuit 12. FIG. 2 shows a circuit configuration of the DC / DC conversion unit 1.

整流スイッチング回路11は、直列接続したスイッチング素子Q11,Q12と直列接続したスイッチング素子Q13,Q14との並列回路を備える。そして、スイッチング素子Q11〜Q14の各々は、コンデンサC11〜C14が並列接続され、さらにダイオードD11〜D14が逆並列接続されている。スイッチング素子Q11,Q12およびスイッチング素子Q13,Q14の各接続中点間には、高周波トランスTr1の一次巻線N1が接続されている。また、スイッチング素子Q11,Q12の直列回路には、コンデンサC15が並列接続されている。   The rectifying switching circuit 11 includes a parallel circuit of switching elements Q11 and Q12 connected in series and switching elements Q13 and Q14 connected in series. Each of switching elements Q11 to Q14 has capacitors C11 to C14 connected in parallel, and diodes D11 to D14 connected in reverse parallel. A primary winding N1 of the high-frequency transformer Tr1 is connected between the connection midpoints of the switching elements Q11 and Q12 and the switching elements Q13 and Q14. A capacitor C15 is connected in parallel to the series circuit of the switching elements Q11 and Q12.

そして、駆動回路K11が、スイッチング素子Q11,Q14とスイッチング素子Q12,Q13とを交互にオン・オフ駆動することによって、整流スイッチング回路11は、高周波トランスTr1側を出力とするスイッチング回路として動作する。また、駆動回路K11が、スイッチング素子Q11〜Q14をオフ状態に維持することによって、整流スイッチング回路11は、高周波トランスTr1側を入力とする整流回路として動作する。   Then, the drive circuit K11 drives the switching elements Q11 and Q14 and the switching elements Q12 and Q13 alternately on and off, so that the rectifying switching circuit 11 operates as a switching circuit that outputs the high-frequency transformer Tr1 side. Further, the driving circuit K11 maintains the switching elements Q11 to Q14 in the off state, so that the rectifying switching circuit 11 operates as a rectifying circuit having the high frequency transformer Tr1 side as an input.

次に、高周波トランスTr1の二次巻線N2には、インダクタLsとコンデンサCsとが直列接続されており、インダクタLsとコンデンサCsと高周波トランスTr1の二次巻線N2とで直列共振回路K2が構成される。   Next, an inductor Ls and a capacitor Cs are connected in series to the secondary winding N2 of the high-frequency transformer Tr1, and a series resonant circuit K2 is formed by the inductor Ls, the capacitor Cs, and the secondary winding N2 of the high-frequency transformer Tr1. Composed.

次に、整流スイッチング回路12は、直列接続したスイッチング素子Q21,Q22と直列接続したスイッチング素子Q23,Q24との並列回路を備える。そして、スイッチング素子Q21〜Q24の各々は、コンデンサC21〜C24が並列接続され、さらにダイオードD21〜D24が逆並列接続されている。スイッチング素子Q21,Q22およびスイッチング素子Q23,Q24の各接続中点間には、直列共振回路K2が接続されている。また、スイッチング素子Q21,Q22の直列回路には、コンデンサC25が並列接続されている。   Next, the rectifying switching circuit 12 includes a parallel circuit of switching elements Q21 and Q22 connected in series and switching elements Q23 and Q24 connected in series. Each of switching elements Q21 to Q24 has capacitors C21 to C24 connected in parallel, and diodes D21 to D24 connected in reverse parallel. A series resonant circuit K2 is connected between the connection midpoints of the switching elements Q21, Q22 and the switching elements Q23, Q24. A capacitor C25 is connected in parallel to the series circuit of the switching elements Q21 and Q22.

そして、駆動回路K21が、スイッチング素子Q21,Q24とスイッチング素子Q22,Q23とを交互にオン・オフ駆動することによって、整流スイッチング回路12は、高周波トランスTr1側を出力とするスイッチング回路として動作する。また、駆動回路K21が、スイッチング素子Q21〜Q24をオフ状態に維持することによって、整流スイッチング回路12は、高周波トランスTr1側を入力とする整流回路として動作する。   The drive circuit K21 drives the switching elements Q21 and Q24 and the switching elements Q22 and Q23 alternately on and off, so that the rectifying switching circuit 12 operates as a switching circuit that outputs the high frequency transformer Tr1 side. Further, the drive circuit K21 maintains the switching elements Q21 to Q24 in the off state, so that the rectification switching circuit 12 operates as a rectification circuit having the high frequency transformer Tr1 side as an input.

上記のように構成されたDC/DC変換部1は、整流スイッチング回路11がスイッチング回路として動作し、整流スイッチング回路12が整流回路として動作することで、DC/AC変換部2側を出力とするDC/DCコンバータとして機能する。この場合、直流電路W1に接続された直流電源E1がDC/DC変換部1の入力となり、直流電圧Vdc1を昇圧または降圧(DC/DC変換)した直流電圧Vdc2がDC/DC変換部1の出力となる(第1の動作)。   In the DC / DC converter 1 configured as described above, the rectifier switching circuit 11 operates as a switching circuit, and the rectifier switching circuit 12 operates as a rectifier circuit, so that the DC / AC converter 2 side serves as an output. It functions as a DC / DC converter. In this case, the direct current power source E1 connected to the direct current circuit W1 serves as an input of the DC / DC converter 1, and the direct current voltage Vdc2 obtained by stepping up or down the direct current voltage Vdc1 (DC / DC conversion) is output from the DC / DC converter 1. (First operation).

また、DC/DC変換部1は、整流スイッチング回路11が整流回路として動作し、整流スイッチング回路12がスイッチング回路として動作することで、DC/AC変換部2側を入力とするDC/DCコンバータとして機能する。この場合、DC/AC変換部2から入力される直流電圧Vdc2がDC/DC変換部1の入力となり、直流電圧Vdc2を昇圧または降圧(DC/DC変換)した直流電圧Vdc1がDC/DC変換部1の出力となる(第2の動作)。   Further, the DC / DC converter 1 operates as a DC / DC converter having the DC / AC converter 2 side as an input by the rectifier switching circuit 11 operating as a rectifier circuit and the rectifier switching circuit 12 operating as a switching circuit. Function. In this case, the DC voltage Vdc2 input from the DC / AC converter 2 becomes the input of the DC / DC converter 1, and the DC voltage Vdc1 obtained by stepping up or down (DC / DC conversion) the DC voltage Vdc2 is the DC / DC converter. 1 (second operation).

すなわち、DC/DC変換部1は、双方向のDC/DC変換機能を有しており、駆動回路K11,K21の各動作を連動して切り替えることによって、入出力方向を切り替えることができる。   That is, the DC / DC conversion unit 1 has a bidirectional DC / DC conversion function, and the input / output direction can be switched by switching each operation of the drive circuits K11 and K21 in conjunction with each other.

ここで、駆動回路K11,K21は、DC/DC変換部1に入出力される直流電圧Vdc1,Vdc2の各値に関わらす、予め決められたスイッチング周波数(オン期間、オフ期間)で、スイッチング素子Q11〜Q14,Q21〜Q24をオン・オフ駆動する。すなわち、DC/DC変換部1は、オープンループ制御によって、直流電圧Vdc1を昇圧または降圧した直流電圧Vdc2、または直流電圧Vdc2を昇圧または降圧した直流電圧Vdc1を生成している。したがって、DC/DC変換部1の入出力状態を検出する検出部や、直流電圧Vdc1,Vdc2をフィードバック制御する制御回路が不要となり、消費電力の低減による電力効率の向上、および部品点数の削減、小型化を図ることができる。   Here, the drive circuits K11 and K21 are switching elements having a predetermined switching frequency (on period, off period) related to each value of the DC voltages Vdc1 and Vdc2 input / output to / from the DC / DC converter 1. Q11 to Q14 and Q21 to Q24 are turned on / off. That is, the DC / DC converter 1 generates a DC voltage Vdc2 obtained by boosting or stepping down the DC voltage Vdc1 or a DC voltage Vdc1 obtained by boosting or stepping down the DC voltage Vdc2 by open loop control. Therefore, a detection unit for detecting the input / output state of the DC / DC conversion unit 1 and a control circuit for feedback control of the DC voltages Vdc1 and Vdc2 are not required, improving power efficiency by reducing power consumption and reducing the number of components. Miniaturization can be achieved.

次に、DC/AC変換部2は、スイッチング回路21と、フィルタ回路22と、検出部23(第1の出力検出部)と、制御回路24と、検出部25(第2の出力検出部)とで構成され、図3にDC/AC変換部2の回路構成を示す。   Next, the DC / AC conversion unit 2 includes a switching circuit 21, a filter circuit 22, a detection unit 23 (first output detection unit), a control circuit 24, and a detection unit 25 (second output detection unit). FIG. 3 shows a circuit configuration of the DC / AC converter 2.

スイッチング回路21は、直列接続したスイッチング素子Q31,Q32と直列接続したスイッチング素子Q33,Q34との並列回路を備える。そして、スイッチング素子Q31〜Q34の各々は、コンデンサC31〜C34が並列接続され、さらにダイオードD31〜D34が逆並列接続されている。スイッチング素子Q31,Q32およびスイッチング素子Q33,Q34の各接続中点間には、フィルタ回路22が接続されている。また、スイッチング素子Q31,Q32の直列回路には、コンデンサC35が並列接続されている。   The switching circuit 21 includes a parallel circuit of switching elements Q31 and Q32 connected in series and switching elements Q33 and Q34 connected in series. In addition, capacitors C31 to C34 are connected in parallel to switching elements Q31 to Q34, and diodes D31 to D34 are connected in reverse parallel. A filter circuit 22 is connected between the connection midpoints of the switching elements Q31 and Q32 and the switching elements Q33 and Q34. A capacitor C35 is connected in parallel to the series circuit of the switching elements Q31 and Q32.

フィルタ回路22は、インダクタL41,L42と、コンデンサC41とを備える。インダクタL41は、スイッチング素子Q33,Q34の接続中点に一端が接続され、インダクタL42は、スイッチング素子Q31,Q32の接続中点に一端が接続され、コンデンサC41は、インダクタL41およびインダクタL42の各他端間に接続される。   The filter circuit 22 includes inductors L41 and L42 and a capacitor C41. Inductor L41 has one end connected to the midpoint of connection between switching elements Q33 and Q34, inductor L42 has one end connected to the midpoint of connection between switching elements Q31 and Q32, and capacitor C41 includes each of inductor L41 and inductor L42. Connected between the ends.

そして、駆動回路K31が、スイッチング素子Q31,Q34とスイッチング素子Q32,Q33とを交互にオン・オフ駆動することによって、スイッチング回路21は、フィルタ回路22側を出力とするDC/ACインバータとして動作する。この場合、DC/DC変換部1が出力する直流電圧Vdc2がDC/AC変換部2の入力となり、直流電圧Vdc2を交流電圧Vac1にDC/AC変換して出力する(第3の動作)。   Then, the drive circuit K31 drives the switching elements Q31 and Q34 and the switching elements Q32 and Q33 alternately on and off, so that the switching circuit 21 operates as a DC / AC inverter that outputs the filter circuit 22 side. . In this case, the DC voltage Vdc2 output from the DC / DC converter 1 becomes the input of the DC / AC converter 2, and the DC voltage Vdc2 is DC / AC converted into the AC voltage Vac1 and output (third operation).

また、駆動回路K31が、スイッチング素子Q31,Q33をオフ状態に維持し、スイッチング素子Q32,Q34を間欠的にオンさせることによって、スイッチング回路21は、フィルタ回路22側を入力とするAC/DCコンバータとして動作する。この場合、交流電路W3に接続された交流電源E2がDC/AC変換部2の入力となり、交流電圧Vac1を直流電圧Vdc2にAC/DC変換して出力する(第4の動作)。   Further, the driving circuit K31 maintains the switching elements Q31 and Q33 in the off state and intermittently turns on the switching elements Q32 and Q34, so that the switching circuit 21 has an AC / DC converter with the filter circuit 22 side as an input. Works as. In this case, the AC power supply E2 connected to the AC power circuit W3 serves as an input to the DC / AC conversion unit 2, and AC / DC converts the AC voltage Vac1 into the DC voltage Vdc2 and outputs it (fourth operation).

すなわち、DC/AC変換部2は、双方向のDC/AC変換機能を有しており、制御回路24が駆動回路K31の動作を切り替えることによって、入出力方向を切り替えることができる。   That is, the DC / AC conversion unit 2 has a bidirectional DC / AC conversion function, and the input / output direction can be switched by the control circuit 24 switching the operation of the drive circuit K31.

したがって、DC/DC変換部1が、直流電圧Vdc1を直流電圧Vdc2に変換するDC/DCコンバータとして機能し、DC/AC変換部2が直流電圧Vdc2を交流電圧Vac1に変換するDC/ACインバータとして機能する場合、双方向電力変換装置A1は、DC/ACインバータとして機能する(第1のモード)。また、DC/AC変換部2が交流電圧Vac1を直流電圧Vdc2に変換するAC/DCコンバータとして機能し、DC/DC変換部1が、直流電圧Vdc2を直流電圧Vdc1に変換するDC/DCコンバータとして機能する場合、双方向電力変換装置A1は、AC/DCコンバータとして機能する(第2のモード)。双方向電力変換装置A1において、上記第1のモードおよび第2のモードは、切替可能に構成されている。   Therefore, the DC / DC converter 1 functions as a DC / DC converter that converts the DC voltage Vdc1 into the DC voltage Vdc2, and the DC / AC converter 2 serves as a DC / AC inverter that converts the DC voltage Vdc2 into the AC voltage Vac1. When functioning, the bidirectional power converter A1 functions as a DC / AC inverter (first mode). Further, the DC / AC converter 2 functions as an AC / DC converter that converts the AC voltage Vac1 into the DC voltage Vdc2, and the DC / DC converter 1 functions as a DC / DC converter that converts the DC voltage Vdc2 into the DC voltage Vdc1. When functioning, bidirectional power converter A1 functions as an AC / DC converter (second mode). In the bidirectional power converter A1, the first mode and the second mode are configured to be switchable.

そして、検出部23は、交流電圧Vac1を検出しており、制御回路24は、双方向電力変換装置A1がDC/ACインバータとして機能しているときに、交流電圧Vac1の検出値が目標電圧に一致するように、スイッチング回路21をスイッチング制御する。すなわち、制御回路24は、交流電圧Vac1を目標電圧にフィードバック制御している。   The detection unit 23 detects the AC voltage Vac1, and the control circuit 24 sets the detected value of the AC voltage Vac1 to the target voltage when the bidirectional power converter A1 functions as a DC / AC inverter. Switching control of the switching circuit 21 is performed so as to match. That is, the control circuit 24 performs feedback control of the AC voltage Vac1 to the target voltage.

また、検出部25は、直流電圧Vdc2を検出しており、制御回路24は、双方向電力変換装置A1がAC/DCコンバータとして機能しているときに、直流電圧Vdc2の検出値が目標電圧に一致するように、スイッチング回路21をスイッチング制御する。すなわち、制御回路24は、直流電圧Vdc2を目標電圧にフィードバック制御している。   The detecting unit 25 detects the DC voltage Vdc2, and the control circuit 24 sets the detected value of the DC voltage Vdc2 to the target voltage when the bidirectional power converter A1 functions as an AC / DC converter. Switching control of the switching circuit 21 is performed so as to match. That is, the control circuit 24 performs feedback control of the DC voltage Vdc2 to the target voltage.

このように双方向電力変換装置A1は、双方向のDC/AC変換機能を有しながら、DC/DC変換部1がオープンループ制御を行い、DC/AC変換部2がフィードバック制御を行っている。   Thus, the bidirectional power converter A1 has a bidirectional DC / AC conversion function, the DC / DC converter 1 performs open loop control, and the DC / AC converter 2 performs feedback control. .

したがって、双方向電力変換装置A1がDC/ACインバータとして機能しているときに、DC/DC変換部1が出力する直流電圧Vdc2が変動した場合でも、DC/AC変換部2が出力する交流電圧Vac1を目標電圧に一致させることができる。また、双方向電力変換装置A1がAC/DCコンバータとして機能しているときは、DC/AC変換部2が出力する直流電圧Vdc2がフィードバック制御されるので、オープン制御されているDC/DC変換部1が出力する直流電圧Vdc1も略一定に制御することができる。   Therefore, even when the bidirectional power converter A1 functions as a DC / AC inverter, even if the DC voltage Vdc2 output from the DC / DC converter 1 fluctuates, the AC voltage output from the DC / AC converter 2 Vac1 can be matched to the target voltage. Further, when the bidirectional power converter A1 functions as an AC / DC converter, the DC voltage Vdc2 output from the DC / AC converter 2 is feedback controlled, so that the DC / DC converter that is open-controlled. The DC voltage Vdc1 output by 1 can also be controlled to be substantially constant.

すなわち、双方向の電圧変換を行うDC/DC変換部1およびDC/AC変換部2を備える双方向電力変換装置A1において、双方向の出力電圧の精度を確保することができる。さらに、DC/DC変換部1のフィードバック制御手段が不要となり、消費電力の低減による電力効率の向上、および部品点数の削減、小型化を図ることができる。   That is, in the bidirectional power conversion device A1 including the DC / DC converter 1 and the DC / AC converter 2 that perform bidirectional voltage conversion, the accuracy of the bidirectional output voltage can be ensured. Further, the feedback control means of the DC / DC conversion unit 1 is not required, and it is possible to improve power efficiency by reducing power consumption, reduce the number of parts, and reduce the size.

また、直列共振回路K2を備えることによって、双方向電力変換装置A1がDC/ACインバータとして機能しているときの整流スイッチング回路11、双方向電力変換装置A1がAC/DCコンバータとして機能しているときの整流スイッチング回路12は、LLC共振型コンバータでとして動作する。したがって、スイッチング素子Q11〜Q14、スイッチング素子Q21〜Q24の各スイッチング損失を低減させることができ、さらなる高効率化を図ることができる。   Further, by providing the series resonant circuit K2, the rectifying switching circuit 11 and the bidirectional power converter A1 function as an AC / DC converter when the bidirectional power converter A1 functions as a DC / AC inverter. When the rectifying switching circuit 12 operates as an LLC resonant converter. Therefore, each switching loss of switching elements Q11-Q14 and switching elements Q21-Q24 can be reduced, and further increase in efficiency can be achieved.

次に、整流スイッチング回路12がスイッチング回路として動作している場合において、スイッチング素子Q21〜Q24のスイッチング周期と直列共振回路K2による共振電流との関係について、説明する。   Next, when the rectification switching circuit 12 is operating as a switching circuit, the relationship between the switching period of the switching elements Q21 to Q24 and the resonance current by the series resonance circuit K2 will be described.

図4は、双方向電力変換装置A1がAC/DCコンバータとして機能しているときのダイオードD11〜D14(以降、ダイオードD11〜D14を区別しない場合、ダイオードDAと称す)におけるカソード−アノード間の電圧Vkの電圧波形Y1、および順方向電流Ifの電流波形Y2を示す。なお、直列共振回路K2の共振電流は、スイッチング素子Q21〜Q24(以降、スイッチング素子Q21〜Q24を区別しない場合、スイッチング素子QAと称す)を流れるが、この共振電流の波形は、順方向電流Ifの電流波形Y2と略同様になる。   FIG. 4 shows the voltage between the cathode and the anode in the diodes D11 to D14 (hereinafter referred to as the diode DA when the diodes D11 to D14 are not distinguished) when the bidirectional power converter A1 functions as an AC / DC converter. A voltage waveform Y1 of Vk and a current waveform Y2 of the forward current If are shown. Note that the resonance current of the series resonance circuit K2 flows through the switching elements Q21 to Q24 (hereinafter referred to as switching element QA when the switching elements Q21 to Q24 are not distinguished), and the waveform of this resonance current is the forward current If. Is substantially the same as the current waveform Y2.

スイッチング素子QAは、ターンオンした後、直列共振回路K2の共振電流が流れる(図4の電流波形Y2参照)。そして、共振電流が流れている途中でスイッチング素子QAがターンオフした場合、ダイオードDAに流れる電流も急激に減少し、ダイオードDAには逆回復電流Irが流れる(図4参照)。ダイオードDAにおいて、逆回復電流Irは電力損失の要因となる。   After the switching element QA is turned on, the resonance current of the series resonance circuit K2 flows (see current waveform Y2 in FIG. 4). When the switching element QA is turned off while the resonance current is flowing, the current flowing through the diode DA also decreases rapidly, and the reverse recovery current Ir flows through the diode DA (see FIG. 4). In the diode DA, the reverse recovery current Ir causes power loss.

そこで、本実施形態では、スイッチング素子QAの各スイッチング周期と共振電流との関係を、図5のように設定する。図5は、ダイオードDAにおけるカソード−アノード間電圧Vkの電圧波形Y3、および順方向電流Ifの電流波形Y4を示しており、スイッチング素子QAがターンオンすると、スイッチング素子QAに流れる共振電流が増加した後に低下する。そして、スイッチング素子QAがターンオンしてから、共振電流が「0」近傍の所定電流を下回るまでの期間を共振期間Toとした場合、共振期間Toは、スイッチング素子QAのオン期間Ts以下に設定される。すなわち、直列共振回路K2のインダクタLsとコンデンサCsとの各定数を調整することによって、共振電流の共振期間Toとスイッチング素子QAのオン期間Tsとの関係を、[To≦Ts]に予め設定する。   Therefore, in this embodiment, the relationship between each switching period of the switching element QA and the resonance current is set as shown in FIG. FIG. 5 shows a voltage waveform Y3 of the cathode-anode voltage Vk and a current waveform Y4 of the forward current If in the diode DA. When the switching element QA is turned on, the resonance current flowing through the switching element QA increases. descend. When the period from when the switching element QA is turned on until the resonance current falls below a predetermined current near “0” is defined as the resonance period To, the resonance period To is set to be equal to or less than the on period Ts of the switching element QA. The That is, by adjusting the constants of the inductor Ls and the capacitor Cs of the series resonance circuit K2, the relationship between the resonance period To of the resonance current and the ON period Ts of the switching element QA is set to [To ≦ Ts] in advance. .

したがって、スイッチング素子QAがターンオフした時点で、ダイオードDAに流れる電流は略0になり、ダイオードDAに発生する逆回復電流Irは抑制されるので、ダイオードDAにおける電力損失が低減し、電力効率のさらなる向上を図ることができる。   Therefore, when the switching element QA is turned off, the current flowing through the diode DA becomes substantially zero, and the reverse recovery current Ir generated in the diode DA is suppressed, so that the power loss in the diode DA is reduced and the power efficiency is further increased. Improvements can be made.

また、図6は共振電流の電流波形Y5,Y6を示しており、電流波形Y5は、共振電流の共振周波数を高くして、短い共振期間To1に設定した場合の電流波形であり、電流波形Y6は、共振電流の共振周波数を低くして、長い共振期間To2に設定した場合の電流波形である。そして、短い共振期間To1に対応する電流波形Y5のピーク値は、長い共振期間To2に対応する電流波形Y6のピーク値より高くなり、共振期間Toを短くするほど、スイッチング素子QAのオン抵抗による電力損失が増大してしまう。   FIG. 6 shows current waveforms Y5 and Y6 of the resonance current. The current waveform Y5 is a current waveform when the resonance frequency of the resonance current is increased and set to a short resonance period To1, and the current waveform Y6. These are current waveforms when the resonance frequency of the resonance current is lowered and set to the long resonance period To2. The peak value of the current waveform Y5 corresponding to the short resonance period To1 is higher than the peak value of the current waveform Y6 corresponding to the long resonance period To2, and the power due to the on-resistance of the switching element QA becomes shorter as the resonance period To becomes shorter. Loss increases.

そこで、共振期間Toとスイッチング素子QAのオン期間Tsとの関係を、[0.7・Ts≦To≦Ts]に設定する。この場合、スイッチング素子QAのオン抵抗による電力損失を抑制でき、電力効率のさらなる向上を図ることができる。   Therefore, the relationship between the resonance period To and the ON period Ts of the switching element QA is set to [0.7 · Ts ≦ To ≦ Ts]. In this case, the power loss due to the on-resistance of the switching element QA can be suppressed, and the power efficiency can be further improved.

なお、整流スイッチング回路11がスイッチング回路として動作している場合も、スイッチング素子Q11〜Q14のスイッチング周期と直列共振回路K2による共振電流との関係を上記同様に設定すれば、同様の効果を得ることができる。   Even when the rectifying switching circuit 11 operates as a switching circuit, the same effect can be obtained by setting the relationship between the switching period of the switching elements Q11 to Q14 and the resonance current by the series resonance circuit K2 in the same manner as described above. Can do.

(実施形態2)
図7は、本実施形態の双方向電力変換装置A2のブロック構成を示しており、実施形態1と同様の構成には同一の符号を付して説明は省略する。
(Embodiment 2)
FIG. 7 shows a block configuration of the bidirectional power conversion device A2 of the present embodiment. The same reference numerals are given to the same configurations as those of the first embodiment, and description thereof will be omitted.

本実施形態のDC/AC変換部2は、直流電圧Vdc1を検出する検出部26(第2の出力検出部)を設けている。そして、制御回路24は、双方向電力変換装置A2がAC/DCコンバータとして機能しているときに(第2のモード)、直流電圧Vdc1の検出値が目標電圧に一致するように、スイッチング回路21をスイッチング制御する。すなわち、制御回路24は、直流電圧Vdc1を目標電圧にフィードバック制御している
このような構成を備える双方向電力変換装置A2は、AC/DCコンバータとして機能しているときに、DC/AC変換部2が、最終的な出力である直流電圧Vdc1をフィードバック制御するので、直流電圧Vdc1が安定し、直流電圧Vdc1の出力精度が向上する。
The DC / AC conversion unit 2 of the present embodiment includes a detection unit 26 (second output detection unit) that detects the DC voltage Vdc1. The control circuit 24 then switches the switching circuit 21 so that the detected value of the DC voltage Vdc1 matches the target voltage when the bidirectional power converter A2 functions as an AC / DC converter (second mode). Switching control. That is, the control circuit 24 feedback-controls the DC voltage Vdc1 to the target voltage. When the bidirectional power converter A2 having such a configuration functions as an AC / DC converter, the DC / AC converter 2 performs feedback control of the DC voltage Vdc1 which is the final output, so that the DC voltage Vdc1 is stabilized and the output accuracy of the DC voltage Vdc1 is improved.

(実施形態3)
図8は、本実施形態の双方向電力変換装置A3のブロック構成を示しており、実施形態1と同様の構成には同一の符号を付して説明は省略する。
(Embodiment 3)
FIG. 8 shows a block configuration of the bidirectional power conversion device A3 of the present embodiment. The same reference numerals are given to the same configurations as those of the first embodiment, and description thereof will be omitted.

本実施形態のDC/AC変換部2は、直流電圧Vdc2を検出する検出部25(第2の出力検出部)と、直流電圧Vdc1を検出する検出部26(第2の出力検出部)との両方を設けている。   The DC / AC conversion unit 2 of the present embodiment includes a detection unit 25 (second output detection unit) that detects the DC voltage Vdc2 and a detection unit 26 (second output detection unit) that detects the DC voltage Vdc1. Both are provided.

そして、制御回路24は、双方向電力変換装置A3がAC/DCコンバータとして機能している場合(第2のモード)、スイッチング回路21に対して2つのフィードバック制御を行う。   Then, when the bidirectional power converter A3 functions as an AC / DC converter (second mode), the control circuit 24 performs two feedback controls on the switching circuit 21.

制御回路24による第1のフィードバック制御は、双方向電力変換装置A3がAC/DCコンバータとして機能しているときに、直流電圧Vdc2の検出値が第1の目標電圧に一致するように、スイッチング回路21をスイッチング制御する。すなわち、制御回路24は、直流電圧Vdc2が第1の目標電圧に一致するように、直流電圧Vdc2をフィードバック制御している。   The first feedback control by the control circuit 24 is performed by the switching circuit so that the detected value of the DC voltage Vdc2 coincides with the first target voltage when the bidirectional power converter A3 functions as an AC / DC converter. 21 is subjected to switching control. That is, the control circuit 24 performs feedback control on the DC voltage Vdc2 so that the DC voltage Vdc2 matches the first target voltage.

制御回路24による第2のフィードバック制御は、双方向電力変換装置A3がAC/DCコンバータとして機能しているときに、直流電圧Vdc1の検出値が第2の目標電圧に一致するように、スイッチング回路21をスイッチング制御する。すなわち、制御回路24は、直流電圧Vdc1が第2の目標電圧に一致するように、直流電圧Vdc2をフィードバック制御している。   The second feedback control by the control circuit 24 is performed by the switching circuit so that the detected value of the DC voltage Vdc1 matches the second target voltage when the bidirectional power converter A3 functions as an AC / DC converter. 21 is subjected to switching control. That is, the control circuit 24 performs feedback control of the DC voltage Vdc2 so that the DC voltage Vdc1 matches the second target voltage.

ここで、直流電圧Vdc1は、DC/AC変換部2が出力した直流電圧Vdc2をDC/DC変換部1がDC/DC変換することによって生成されるため、制御回路24による第2のフィードバック制御は、第1のフィードバック制御に比べて応答が遅くなる。   Here, since the DC voltage Vdc1 is generated by DC / DC conversion of the DC voltage Vdc2 output from the DC / AC conversion unit 2 by the DC / DC conversion unit 1, the second feedback control by the control circuit 24 is performed. The response is slower than in the first feedback control.

而して、制御回路24は、第1のフィードバック制御によって、直流電圧Vdc2を第1の目標電圧(またはその近傍)に一致させ、その後、第2のフィードバック制御によって、直流電圧Vdc1を第2の目標電圧に一致させる。   Thus, the control circuit 24 causes the DC voltage Vdc2 to coincide with the first target voltage (or the vicinity thereof) by the first feedback control, and then the DC voltage Vdc1 is set to the second voltage by the second feedback control. Match the target voltage.

このような構成を備える双方向電力変換装置A3は、AC/DCコンバータとして機能しているときに、DC/AC変換部2の制御回路24内におけるフィードバック制御処理の遷移動作を安定させることができる。すなわち、直流電圧Vdc1のさらなる安定化や、直流電圧Vdc1の出力精度向上につながる。   The bidirectional power converter A3 having such a configuration can stabilize the transition operation of the feedback control process in the control circuit 24 of the DC / AC converter 2 when functioning as an AC / DC converter. . That is, it leads to further stabilization of the DC voltage Vdc1 and improvement of output accuracy of the DC voltage Vdc1.

A1 双方向電力変換装置
1 DC/DC変換部
11 整流スイッチング回路
12 整流スイッチング回路
Tr1 高周波トランス
2 DC/AC変換部
21 スイッチング回路
22 フィルタ回路
23 検出部(第1の出力検出部)
24 制御回路
25 検出部(第2の出力検出部)
W1,W2 直流電路
W3 交流電路
A1 Bidirectional power converter 1 DC / DC converter 11 Rectifier switching circuit 12 Rectifier switching circuit Tr1 High frequency transformer 2 DC / AC converter 21 Switching circuit 22 Filter circuit 23 Detector (first output detector)
24 control circuit 25 detector (second output detector)
W1, W2 DC circuit W3 AC circuit

Claims (2)

第1の直流電路と第2の直流電路との間に設けられて、前記第1の直流電路の直流電圧をオープンループ制御によってDC/DC変換した直流電圧を前記第2の直流電路に出力する第1の動作と、前記第2の直流電路の直流電圧をオープンループ制御によってDC/DC変換した直流電圧を前記第1の直流電路に出力する第2の動作とを切り換えて、双方向の電圧変換を行うDC/DC変換部と、
第2の直流電路と交流電路との間に設けられて、前記第2の直流電路の直流電圧をフィードバック制御によってDC/AC変換した交流電圧を前記交流電路に出力する第3の動作と、前記交流電路の交流電圧をフィードバック制御によってAC/DC変換した直流電圧を前記第2の直流電路に出力する第4の動作とを切り換えて、双方向の電圧変換を行うDC/AC変換部とを備え、
前記DC/DC変換部が前記第1の動作を行い、且つ前記DC/AC変換部が前記第3の動作を行う第1のモードと、前記DC/DC変換部が前記第2の動作を行い、且つ前記DC/AC変換部が前記第4の動作を行う第2のモードとを切替可能に構成され
前記DC/AC変換部は、前記交流電路の交流電圧を検出する第1の出力検出部と、前記第1の直流電路の直流電圧と前記第2の直流電路の直流電圧との両方を検出する第2の出力検出部と、前記第3の動作時に前記交流電路に出力する交流電圧を、前記第1の出力検出部の検出値が所定の目標値に一致する方向にフィードバック制御し、前記第4の動作時に前記第2の直流電路に出力する直流電圧を、前記第2の出力検出部の検出値が所定の目標値に一致する方向にフィードバック制御する制御回路とを具備する
ことを特徴とする双方向電力変換装置。
Provided between the first DC circuit and the second DC circuit, and outputs a DC voltage obtained by DC / DC conversion of the DC voltage of the first DC circuit by open loop control to the second DC circuit. A bidirectional voltage is switched between a first operation and a second operation in which a DC voltage obtained by DC / DC conversion of the DC voltage of the second DC circuit by open loop control is output to the first DC circuit. A DC / DC converter for performing the conversion;
A third operation that is provided between the second DC circuit and the AC circuit and outputs an AC voltage obtained by performing DC / AC conversion of the DC voltage of the second DC circuit by feedback control to the AC circuit; A DC / AC converter that performs bidirectional voltage conversion by switching to a fourth operation of outputting a DC voltage obtained by AC / DC conversion of the AC voltage of the AC circuit to the second DC circuit by feedback control. ,
A first mode in which the DC / DC converter performs the first operation and the DC / AC converter performs the third operation; and the DC / DC converter performs the second operation. And the DC / AC converter is configured to be switchable between a second mode in which the fourth operation is performed ,
The DC / AC conversion unit detects a first output detection unit that detects an AC voltage of the AC circuit, and a DC voltage of the first DC circuit and a DC voltage of the second DC circuit. Feedback control of the second output detection unit and the AC voltage output to the AC circuit during the third operation in a direction in which the detection value of the first output detection unit matches a predetermined target value; And a control circuit that feedback-controls the DC voltage output to the second DC circuit during the operation in a direction in which the detection value of the second output detection unit coincides with a predetermined target value. Bidirectional power converter.
前記制御回路は、前記第4の動作時に前記第2の直流電路に出力する直流電圧を、前記第2の直流電路の直流電圧が第1の目標値に一致する方向にフィードバック制御した後、前記第1の直流電路の直流電圧が第2の目標値に一致する方向にフィードバック制御することを特徴とする請求項1記載の双方向電力変換装置。The control circuit feedback-controls the DC voltage output to the second DC circuit during the fourth operation in a direction in which the DC voltage of the second DC circuit matches a first target value, 2. The bidirectional power converter according to claim 1, wherein feedback control is performed in a direction in which the DC voltage of the first DC circuit matches the second target value.
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