JP5826780B2 - 電力変換回路システム - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換回路システムに係り、特に、１次側電力変換回路と２次側電力変換回路との間での電力授受を行う電力変換回路システムに関する。
従来から、１次側電力変換回路と、この１次側電力変換回路と磁気結合する２次側電力変換回路との間において、電力の授受を行う電力変換回路システムが開発されている。
本発明に関連する技術として、例えば、特許文献１には、３つの入出力ポートを有し、ハーフブリッジ回路を含む電力変換回路が開示されている。この電力変換回路の３つの入出力ポートには、高圧インバータ回路と、１４Ｖ用負荷と、４２Ｖ用負荷とが接続されている。
また、特許文献２には、２つの入出力ポートを有し、フルブリッジ回路を含む電力変換回路が開示されている。この電力変換回路は、トランスを構成するリアクトルの他に３つのリアクトルが設けられている。また、この電力変換回路の２つの入出力ポートには、高圧インバータ回路と低圧電子機器が接続されることが開示されている。
上記電力変換回路システムでは、１次側電力変換回路の１次側コイルの両端電圧波形と２次側電力変換回路の２次側コイルの両端電圧波形を揃え、この２つの電圧波形の位相差φを調整することで電力伝送方向と電力伝送量を制御する。しかしながら、１次側電力変換回路のオフ時間δ１と２次側電力変換回路のオフ時間δ２とを異なる値で１次側電力変換回路及び２次側電力変換回路を動作させると１次側コイルの両端電圧波形と２次側コイルの両端電圧波形の関係が崩れてしまう。このため、１次側電力変換回路と２次側電力変換回路との間の電力伝送は、位相差φの調整で制御可能できなくなってしまう。
本発明の目的は、１次側電力変換回路のオフ時間δ１と２次側電力変換回路のオフ時間δ２とを異なる値で動作させた場合であっても、位相差φで電力伝送を制御することを可能とする電力変換回路システムを提供することである。
本発明に係る電力変換回路システムは、正極母線と負極母線との間に、第１正極側トランジスタと第１負極側トランジスタとが第１アーム接続点で直列に接続される第１アームと、正極母線と負極母線との間に、第２正極側トランジスタと第２負極側トランジスタとが第２アーム接続点で直列に接続される第２アームと、第１アーム接続点と第２アーム接続点との間に接続配置される１次側コイルとを有する１次側電力変換回路と、１次側電力変換回路と同様に構成され、１次側コイルに相当する２次側コイルを有する２次側電力変換回路と、１次側コイルと２次側コイルとを磁気結合することで１次側電力変換回路と２次側電力変換回路との間における電力伝送制御を行う制御回路と、を備え、制御回路は、第１負極側トランジスタのオフ時間と第２負極側トランジスタのオフ時間が同じで、その同じオフ時間が１次側電力変換回路のオフ時間δ１と２次側電力変換回路のオフ時間δ２とで異なるときに、１次側コイルの両端電圧波形と２次側コイルの両端電圧波形の位相差φが０の場合にデューティ比が同一となるように、各電力変換回路における第１負極側トランジスタと第２負極側トランジスタのスイッチングの相間位相差γ１，γ２を、対応する電力変換回路とは電力伝送方向における逆側の電力変換回路の各負極側トランジスタのオフ時間δ１，δ２に応じて相間位相差γ１，γ２が異なるように設定することを特徴とする。
また、本発明に係る電力変換回路システムにおいて、制御回路は、１周期からδ２の値を減算してγ１を求め、１周期からδ１の値を減算してγ２を求めることが好ましい。
また、本発明に係る電力変換回路システムにおいて、制御回路は、１次側電力変換回路または２次側電力変換回路に接続される負荷の動作状況によってδ１及びδ２の値が変化した場合に該変化分を考慮してγ１及びγ２を求めることが好ましい。
上記構成によれば、１次側コイルの両端電圧波形と２次側コイルの両端電圧波形の位相差が０の場合にデューティ比が同一となるように、各電力変換回路における第１負極側トランジスタと第２負極側トランジスタのスイッチングの相間位相差γ１、γ２の値が変更される。これにより、１次側コイルの両端電圧波形と２次側コイルの両端電圧波形が同じ形状となる。したがって、１次側電力変換回路のオフ時間δ１と２次側電力変換回路のオフ時間δ２とを異なる値で動作させた場合であっても、位相差φで電力伝送を制御することができる。
以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、電力変換回路システム８を示す図である。電力変換回路システム８は、電力変換装置１０と制御回路５０とを含んで構成される。電力変換装置１０は、４つの入出力ポートのうちから任意の２つの入出力ポートを選択し、選択された２つの入出力ポートの間で電力変換を行う機能を有する。電力変換装置１０は、１次側電力変換回路２０と、２次側電力変換回路３０とを含んで構成される。なお、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０とは、変圧回路４０によって磁気結合されている。
１次側正極母線６０と１次側負極母線６２との間には、１次側第１正極側トランジスタである１次側左アーム上トランジスタ２２と、１次側第１負極側トランジスタである１次側左アーム下トランジスタ２４とを直列接続した１次側第１アームである１次側左アーム２３が取り付けられている。１次側正極母線６０と１次側負極母線６２との間には、１次側第２正極側トランジスタである１次側右アーム上トランジスタ２６と、１次側第２負極側トランジスタである１次側右アーム下トランジスタ２８とを直列接続した１次側第２アームである１次側右アーム２７が１次側左アーム２３と並列に取り付けられている。
入出力ポートＡ（ＰＯＲＴ＿Ａ）は、１次側正極母線６０と１次側負極母線６２との間に設けられる。入出力ポートＣ（ＰＯＲＴ＿Ｃ）は、１次側負極母線６２とコイル４２とコイル４３との接続点であるセンタータップとの間に設けられる。なお、２次側電力変換回路３０は、１次側電力変換回路２０と同様の構成を有する回路であるため、詳細な説明は省略する。なお、入出力ポートＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄには、負荷や電源等が接続される。
変圧回路４０は、１次側コイル３９と、この１次側コイル３９と磁気結合する２次側コイル４９とを備える。１次側コイル３９は、コイル４１〜４４が直列接続されて構成される。２次側コイル４９は、コイル４５〜４９が直列接続されて構成される。
制御回路５０は、電力変換装置１０全体を制御するパラメータを設定し、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０のスイッチング素子のスイッチング制御を行う機能を有する。制御回路５０は、電力変換モード決定処理部５１と、位相差φ決定処理部５２と、オフ時間δ決定処理部５４と、相間位相差γ決定処理部５６と、１次側スイッチング処理部５８と、２次側スイッチング処理部５９とを含んで構成される。図２は、オフ時間δ決定処理部５４及び相間位相差γ決定処理部５６のブロック図である。かかる機能は、ソフトウェアを実行することで実現でき、具体的には、相間位相差調整プログラムを実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。
電力変換モード決定処理部５１は、図示しない外部信号に基づいて、入出力ポートＡ〜Ｄのうちから任意の２つの入出力ポートを選択し、選択された２つの入出力ポートの間で電力変換を行う電力変換モードを設定する。電力変換モードの１つは、入出力ポートＡと入出力ポートＢとの間の双方向で電力を伝送する伝送モードである。他の電力変換モードは、入出力ポートＡと入出力ポートＣとの間で昇降圧を行う１次側昇降圧モードである。さらに別の電力変換モードは、入出力ポートＢと入出力ポートＤとの間で昇降圧を行う２次側昇降圧モードである。
位相差φ決定処理部５２は、電力変換装置１０をＤＣ−ＤＣコンバータ回路として機能させるために、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０との間のスイッチング素子のスイッチング周期の位相差φを設定する機能を有する。位相差φは、１次側コイル３９の両端電圧Ｖ１と２次側コイル４９の両端電圧Ｖ２との電圧波形の位相差である。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の機能については後述する。
オフ時間δ決定処理部５４は、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０をそれぞれ昇降圧回路として機能させるために、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０のスイッチング素子のオフ時間δを設定する機能を有する。１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０の昇降圧回路機能は後述する。オフ時間δ決定処理部５４は、図２に示されるように、指令電圧値ＶA *と電圧値ＶCとから２π（１−ＶC／ＶA *）の関係式を用いてフィードフォワード制御を行うことよって求めた値と、電圧値ＶAに基づいたＰＩ制御を行うことよって求めた値Δδ１を加算してδ１を求める。また、オフ時間δ決定処理部５４は、図２に示されるように、指令電圧値ＶB *と電圧値ＶDとから２π（１−ＶD／ＶB *）の関係式を用いてフィードフォワード制御を行うことよって求めた値と、電圧値ＶBに基づいたＰＩ制御を行うことによって求めた値Δδ２を加算してδ２を求める。これにより、仮に入出力ポートＡ、Ｂに接続される負荷に変動があった場合でも、この負荷変動に伴って変化した電圧値ＶA、ＶBを考慮したδ１、δ２の算出が行われる。
相間位相差γ決定処理部５６は、１次側コイル３９の両端電圧Ｖ１と２次側コイル４９の両端電圧Ｖ２との電圧波形の位相差が０の場合に電圧波形のデューティ比が同一となるように、１次側電力変換回路２０の相間位相差γ１と２次側電力変換回路３０の相間位相差γ２を設定する機能を有する。ここで、相間位相差γ１は、１次側左アーム下トランジスタ２４と１次側右アーム下トランジスタ２８のスイッチング制御の位相差である。相間位相差γ２は、２次側左アーム下トランジスタ３４と２次側右アーム下トランジスタ３８のスイッチング制御の位相差である。相間位相差γ決定処理部５６は、図２に示されるように、γ１＝２π−δ２の関係式を用いて相間位相差γ１を算出する。また、相間位相差γ決定処理部５６は、図２に示されるように、γ２＝２π−δ１の関係式を用いて相間位相差γ２を算出する。
１次側スイッチング処理部５８は、電力変換モード決定処理部５１、位相差φ決定処理部５２、オフ時間δ決定処理部５４及び相間位相差γ決定処理部５６の出力に基づいて、１次側左アーム上トランジスタ２２と、１次側左アーム下トランジスタ２４と、１次側右アーム上トランジスタ２６と、１次側右アーム下トランジスタ２８をスイッチング制御する機能を有する。
２次側スイッチング処理部５９は、１次側スイッチング処理部５８と同様に、２次側第１正極側トランジスタである２次側左アーム上トランジスタ３２と、２次側第１負極側トランジスタである２次側左アーム下トランジスタ３４と、２次側第２正極側トランジスタである２次側右アーム上トランジスタ３６と、２次側第２負極側トランジスタである２次側右アーム下トランジスタ３８をスイッチング制御する機能を有する。
ここで、１次側電力変換回路２０及び２次側電力変換回路３０の昇降圧機能と電力変換装置１０のＤＣ−ＤＣコンバータ回路としての機能について詳説する。まず、１次側電力変換回路２０の昇降圧機能について詳細に説明する。入出力ポートＣと入出力ポートＡについて着目すると、入出力ポートＣは、１次側コイル３９のコイル４１，４２を介して、１次側左アーム上トランジスタ２２と１次側左アーム下トランジスタ２４との第１アーム接続点である左アーム接続点に接続される。そして、１次側左アーム２３の両端は、入出力ポートＡに接続されているため、入出力ポートＣと入出力ポートＡとの間には昇降圧回路が取り付けられていることとなる。
さらに、入出力ポートＣは、１次側コイル４１のコイル４３，４４を介して、１次側右アーム上トランジスタ２６と１次側右アーム下トランジスタ２８との第２アーム接続点である右アーム接続点に接続される。そして、１次側右アーム２７の両端は、入出力ポートＡに接続されているため、入出力ポートＣと入出力ポートＡとの間には、昇降圧回路が取り付けられていることとなる。これにより、入出力ポートＣと入出力ポートＡとの間には、２つの昇降圧回路が並列に接続されていることとなる。なお、２次側電力変換回路３０は、１次側電力変換回路２０と同様の構成を有する回路であるため、入出力ポートＤと入出力ポートＢとの間には、２つの昇降圧回路が並列に接続されていることとなる。
次に、電力変換装置１０のＤＣ−ＤＣコンバータ回路としての機能について詳細に説明する。入出力ポートＡと入出力ポートＢについて着目すると、入出力ポートＡには、１次側コイル３９が接続され、入出力ポートＢは、２次側コイル４９が接続されている。そして、１次側コイル３９のコイル４２，４３と、２次側コイル４９のコイル４６，４７とが磁気結合することで、変圧回路４０（巻き数が１：Ｎのセンタータップ式変圧器）として機能する。したがって、１次側電力変換回路２０及び２次側電力変換回路３０のスイッチング周期の位相差φを調整することで、入出力ポートＡに入力された電力を変換して入出力ポートＢに伝送し、あるいは、入出力ポートＢに入力された電力を変換して入出力ポートＡに伝送させることができる。また、Ｖ１とＶ２の位相差φを変更することで、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０の間の電力送電量や電力伝送方向を調整することができ、Ｖ１が進み位相であれば、１次側電力変換回路２０から２次側電力変換回路３０に伝送し、Ｖ２が進み位相であれば、２次側電力変換回路３０から１次側電力変換回路２０に伝送することができる。
上記構成の電力変換回路システム８の作用について説明する。外部信号を受け取った電力変換モード決定処理部５１は、電力変換装置１０の電力変換モードを設定する。そして、この電力変換モードを受け取った位相差φ決定処理部５２、オフ時間δ決定処理部５４及び相間位相差γ決定処理部５６は、それぞれ位相差φ、オフ時間δ１，δ２及び相間位相差γ１，γ２を設定する。１次側スイッチング処理部５８及び２次側スイッチング処理部５９は、位相差φ、オフ時間δ１，δ２及び相間位相差γ１，γ２に基づいてスイッチング制御を行う。
ここで、電力変換回路システム８の効果を分かりやすくするために、位相差φが０の状態で、相間位相差γ決定処理部５６が上記関係式を用いずに、相間位相差γ１、γ２を同一の値に設定する場合について、図３を用いて説明する。図３は、横軸を時間とし縦軸を電圧又は電流値とする電圧電流の変化を示すタイミングチャートである。図３に示されるように、オフ時間δ１、δ２の値が異なって、相間位相差γ１、γ２が同一の値の場合は、１次側コイル４１の両端電圧Ｖ１と２次側コイル４２の両端電圧Ｖ２との電圧波形の形状が異なる波形となってしまい、位相差φが０であるにも関わらず、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０との間で電力伝送が行われてしまう。このため、位相差φの調整で伝送制御を行うことができない。これが本発明によって解決しようとする課題である。
次に、位相差φが０の状態で、相間位相差γ決定処理部５６が上記関係式を用いて、相間位相差γ１、γ２を同一の値に設定する場合について、図４を用いて説明する。図４は、横軸を時間とし縦軸を電圧又は電流値とする電圧電流の変化を示すタイミングチャートである。電力変換回路システム８によれば、相間位相差γ１は２π−δ２の関係式を用いて算出され、相間位相差γ２は２π−δ１の関係式を用いて算出される。両端電圧Ｖ１は、１次側左アーム下トランジスタ２４の電圧（Ｓ２．Ｖ）と１次側右アーム下トランジスタ２８の電圧（Ｓ４．Ｖ）の差電圧（Ｓ２．Ｖ−Ｓ４．Ｖ）である。両端電圧Ｖ２は、２次側左アーム下トランジスタ３４の電圧（Ｓ６．Ｖ）と１次側右アーム下トランジスタ３８の電圧（Ｓ８．Ｖ）の差電圧（Ｓ６．Ｖ−Ｓ８．Ｖ）である。上記のように、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０の相間位相差γ１は、それぞれ相手側のδ１とδ２が考慮されて設定されるため、１次側コイルの両端電圧Ｖ１と２次側コイルの両端電圧Ｖ２との電圧波形の形状が同一形状となる。次いで、両端電圧Ｖ１，Ｖ２の電圧波形を同一形状とした状態で、位相差φの調整によって電力伝送している様子を図５に示す。図５は、横軸を時間とし縦軸を電圧又は電流値とする電圧電流の変化を示すタイミングチャートである。このように、電力変換回路システム８によれば、オフ時間δ１とオフ時間δ２とが異なる値でスイッチング制御されている場合であっても、位相差φの調整によって伝送制御を行うことができる。
８ 電力変換回路システム、１０ 電力変換装置、２０ １次側電力変換回路、２２ １次側左アーム上トランジスタ、２３ １次側左アーム、２４ １次側左アーム下トランジスタ、２６ １次側右アーム上トランジスタ、２７ １次側右アーム、２８ １次側右アーム下トランジスタ、３０ ２次側電力変換回路、３２ ２次側左アーム上トランジスタ、３４ ２次側左アーム下トランジスタ、３６ ２次側右アーム上トランジスタ、３８ ２次側右アーム下トランジスタ、３９ １次側コイル、４０ 変圧回路、４１，４２，４３，４４，４５，４６，４７，４８ コイル、４９ ２次側コイル、５０ 制御回路、５１ 電力変換モード決定処理部、５２ 位相差φ決定処理部、５４ オフ時間δ決定処理部、５６ 相間位相差γ決定処理部、５８ １次側スイッチング処理部、５９ ２次側スイッチング処理部。
Claims (3)
- 正極母線と負極母線との間に、第１正極側トランジスタと第１負極側トランジスタとが第１アーム接続点で直列に接続される第１アームと、正極母線と負極母線との間に、第２正極側トランジスタと第２負極側トランジスタとが第２アーム接続点で直列に接続される第２アームと、第１アーム接続点と第２アーム接続点との間に接続配置される１次側コイルとを有する１次側電力変換回路と、
１次側電力変換回路と同様に構成され、１次側コイルに相当する２次側コイルを有する２次側電力変換回路と、
１次側コイルと２次側コイルとを磁気結合することで１次側電力変換回路と２次側電力変換回路との間における電力伝送制御を行う制御回路と、を備え、
制御回路は、
第１負極側トランジスタのオフ時間と第２負極側トランジスタのオフ時間が同じで、その同じオフ時間が１次側電力変換回路のオフ時間δ１と２次側電力変換回路のオフ時間δ２とで異なるときに、１次側コイルの両端電圧波形と２次側コイルの両端電圧波形の位相差φが０の場合にデューティ比が同一となるように、各電力変換回路における第１負極側トランジスタと第２負極側トランジスタのスイッチングの相間位相差γ１，γ２を、対応する電力変換回路とは電力伝送方向における逆側の電力変換回路の各負極側トランジスタのオフ時間δ１，δ２に応じて相間位相差γ１，γ２が異なるように設定することを特徴とする電力変換回路システム。 - 請求項１に記載の電力変換回路システムにおいて、
制御回路は、
１周期からδ２の値を減算してγ１を求め、
１周期からδ１の値を減算してγ２を求めることを特徴とする電力変換回路システム。 - 請求項２に記載の電力変換回路システムにおいて、
制御回路は、
１次側電力変換回路または２次側電力変換回路に接続される負荷の動作状況によってδ１及びδ２の値が変化した場合に該変化分を考慮してγ１及びγ２を求めることを特徴とする電力変換回路システム。
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