JP6207774B2 - Dc/dcコンバータ - Google Patents
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Description
上記制御回路は、上記差分電流値を小さくするようにフィードバック制御する第1回路と、上記電流検出値および上記電流指令値に基づいて上記第1回路の制御入出力の一方を補正する第2回路とを備える。
上記制御回路は、上記第1直流電源から上記第2直流電源への第1電力伝送において、上記第1コンバータ部の一方のブリッジ回路である第1ブリッジ回路の正側/負側のいずれか一方の半導体スイッチング素子を第1基準素子とし、上記第2コンバータ部内の1つのブリッジ回路である第2ブリッジ回路の正側/負側のいずれか一方の半導体スイッチング素子を第2基準素子として、上記第1、第2コンバータ部内の4つの上記ブリッジ回路の内、上記第2ブリッジ回路を構成する各半導体スイッチング素子を全てオフ状態にし、他の3つのブリッジ回路について、正側の半導体スイッチング素子と負側の半導体スイッチング素子とを同じオン時間比率とし、上記第1基準素子と該第1基準素子と対角の関係にある第1対角素子としての半導体スイッチング素子との間の駆動信号の位相シフト量である第1位相シフト量、および、上記第1基準素子と、上記第2基準素子と対角の関係にある第2対角素子としての半導体スイッチング素子との間の駆動信号の位相シフト量である第2位相シフト量を制御する。そして、上記第2回路は、上記補正により上記第1、第2位相シフト量を調整して上記電流検出値を上記電流指令値に追従させるものである。
また、この発明のDC/DCコンバータは、第1直流電源と第2直流電源との間の電力伝送を行うもので、トランスと、それぞれ逆並列ダイオードが接続された複数の半導体スイッチング素子を備えた2つのブリッジ回路によるフルブリッジ回路で構成され、上記第1直流電源と上記トランスの第1巻線との間に接続される第1コンバータ部と、それぞれ逆並列ダイオードが接続された複数の半導体スイッチング素子を備えた2つのブリッジ回路によるフルブリッジ回路で構成され、上記第2直流電源と上記トランスの第2巻線との間に接続される第2コンバータ部と、上記第1コンバータ部の交流入出力線に接続された第1リアクトルと、上記第2コンバータ部の交流入出力線に接続された第2リアクトルと、上記第2直流電源に入出力される電流の電流検出値と電流指令値との差分電流値に基づいて出力DUTY比を演算して、上記第1コンバータ部、第2コンバータ部内の上記各半導体スイッチング素子を駆動制御する制御回路とを備える。
上記制御回路は、上記差分電流値を小さくするようにフィードバック制御する第1回路と、上記電流検出値および上記電流指令値に基づいて上記第1回路の制御入出力の一方を補正する第2回路とを備え、上記第2回路は、DUTY比に対して電流が単調増加して上記第1、第2コンバータ部の動作目標となるモデルを用い、上記電流指令値に基づいて上記電流の推定値である推定電流値を演算し、該推定電流値と上記電流検出値との差分である推定偏差を用いて補正する。
上記制御回路は、上記第1直流電源から上記第2直流電源への第1電力伝送において、上記第1コンバータ部の一方のブリッジ回路である第1ブリッジ回路の正側/負側のいずれか一方の半導体スイッチング素子を第1基準素子とし、上記第2コンバータ部内の1つのブリッジ回路である第2ブリッジ回路の正側/負側のいずれか一方の半導体スイッチング素子を第2基準素子として、上記第1、第2コンバータ部内の4つの上記ブリッジ回路の内、上記第2ブリッジ回路を構成する各半導体スイッチング素子を全てオフ状態にし、他の3つのブリッジ回路について、正側の半導体スイッチング素子と負側の半導体スイッチング素子とを同じオン時間比率とし、上記第1基準素子と該第1基準素子と対角の関係にある第1対角素子としての半導体スイッチング素子との間の駆動信号の位相シフト量である第1位相シフト量、および、上記第1基準素子と、上記第2基準素子と対角の関係にある第2対角素子としての半導体スイッチング素子との間の駆動信号の位相シフト量である第2位相シフト量を制御し、上記第2回路は、上記補正により上記第1、第2位相シフト量を調整して上記電流検出値を上記電流指令値に追従させる。また、上記第2直流電源から上記第1直流電源への第2電力伝送において、上記第1、第2コンバータ部内の4つの上記ブリッジ回路の内、上記第1ブリッジ回路を構成する各半導体スイッチング素子を全てオフ状態にし、他の3つのブリッジ回路について、正側の半導体スイッチング素子と負側の半導体スイッチング素子とを同じオン時間比率とし、上記第2基準素子と上記第2対角素子との間の駆動信号の位相シフト量である第3位相シフト量、および、上記第2基準素子と上記第1対角素子との間の駆動信号の位相シフト量である第4位相シフト量を制御し、上記第2回路は、上記補正により上記第3、第4位相シフト量を調整して上記電流検出値を上記電流指令値に追従させるものである。
以下、この発明の実施の形態1について説明する。
図1は、この発明の実施の形態1によるDC/DCコンバータとしてのバッテリ充放電装置100の回路構成を示した図である。図に示すように、バッテリ充放電装置100は、第1直流電源としての直流電源1と第2直流電源としてのバッテリ2との間で双方向の電力変換によるバッテリ2の充放電を行うものである。
バッテリ充放電装置100は、絶縁されたトランスとしての高周波トランス3(以下、単にトランス3と称す)と、直流電源1に並列に接続された第1平滑コンデンサ4と、第1コンバータ部としての第1スイッチング回路5と、バッテリ2に並列に接続された第2平滑コンデンサ7と、第2コンバータ部としての第2スイッチング回路8と、第1スイッチング回路5、第2スイッチング回路8の各交流入出力線に接続された第1リアクトル9、第2リアクトル10とを備える。またバッテリ充放電装置100は、第1スイッチング回路5および第2スイッチング回路8を制御する制御回路20を備える。
なお、バッテリ2の充電電流iを検出する電流センサは、第2平滑コンデンサ7より第2スイッチング回路8側の位置に設けても良い。
なお、充電制御による電力伝送を第1電力伝送、放電制御による電力伝送を第2電力伝送とする。
図2は、直流電源1からバッテリ2への電力伝送、即ちバッテリ2を充電する場合の制御ブロック図である。バッテリ充放電装置100の出力電流である充電電流iは検出されて制御回路20に入力される。なお、充電電流iの電流検出値を、便宜上、単に充電電流iと称す。図に示すように制御回路20では、減算器30が、入力された充電電流iを充電電流指令値i*から減算して差分電流値30aを演算し、第1回路としてのPI制御器31は、差分電流値30aを0に近づけるようにフィードバック制御することにより、第1スイッチング回路5および第2スイッチング回路8の出力DUTY比D(以下、単にDUTY比Dと称す)を決定し、各半導体スイッチング素子Qの駆動信号21a、21bを生成する。
また、直流電源1に並列接続された第1平滑コンデンサ4の電圧は、直流電源1の電圧と同じ直流電圧となる。
この場合、第1スイッチング回路5内の一方のブリッジ回路である第1ブリッジ回路(Q4A,Q4B)を基準として、全体の駆動信号が生成される。第2スイッチング回路8内の一方のブリッジ回路である第2ブリッジ回路(Q1A,Q1B)のQ1A、Q1Bはオフ状態に保持される。
そして、第1基準素子Q4Aの駆動信号の位相に対する第1対角素子Q3Bの駆動信号の位相シフト量θ1(第1位相シフト量)と、第1基準素子Q4Aの駆動信号の位相に対する第2対角素子Q2Bの駆動信号の位相シフト量θ2(第2位相シフト量)とが、制御指令であるDUTY比Dに応じて決定される。即ち、位相シフト量θ1、θ2がDUTY比Dに応じて制御される。この位相シフト量θ1、θ2の制御についての詳細は後述するが、この場合、位相シフト量θ1が最小に保持され、位相シフト量θ2がDUTY比Dに応じて変化する。
以下、図3および図4〜図13に基づいて、一周期内のバッテリ充放電装置100の動作を示す。なお、バッテリ2の電圧は、第2巻線3bに発生する電圧より高いものとし、直流電源1からバッテリ2へ電力伝送される。
便宜上、期間B+から説明していく。
直流電源1の電圧をVLとすると、第1スイッチング回路5は、Q4A、Q3Bが同時オンする対角オン時間t1に電圧VLの正のパルスを、Q4B、Q3Aが同時オンする対角オン時間t1aに電圧(−VL)の負のパルスを出力して、トランス3の第1巻線3aに印加する。トランス3の第1巻線3aと第2巻線3bとの巻線比をNL:NBとすると、この時、トランス3の第2巻線3bには、(±VL)×NB/NLの電圧が印加される。
また、トランス3の一次側の第1スイッチング回路5における各半導体スイッチング素子Qのスイッチングは、コンデンサ13および第1リアクトル9の作用で、全てゼロ電圧スイッチングとなる。なお、二次側の第2スイッチング回路8のスイッチングは、一部がゼロ電圧スイッチングとなる。
図3で示した昇圧充電時と同様に、第1スイッチング回路5内の第1ブリッジ回路(Q4A,Q4B)を基準として、全体の駆動信号が生成され、第2スイッチング回路8内の第2ブリッジ回路(Q1A,Q1B)のQ1A、Q1Bはオフ状態に保持される。また、第2ブリッジ回路(Q1A,Q1B)以外の3つのブリッジ回路は、各ブリッジ回路を構成する正側(高電圧側)のQ4A、Q3A、Q2Aおよび負側(低電圧側)のQ4B、Q3B、Q2Bは、短絡防止時間tdを除くと、それぞれ50%のオン時間比率で制御される。
以下、図14および図15〜図24に基づいて、一周期内のバッテリ充放電装置100の動作を示す。なお、バッテリ2の電圧は、第2巻線3bに発生する電圧より低いものとし、直流電源1からバッテリ2へ電力伝送される。
便宜上、期間D−から説明していく。
また、トランス3の一次側の第1スイッチング回路5における各半導体スイッチング素子Qのスイッチングは、コンデンサ13および第1リアクトル9の作用で、全てゼロ電圧スイッチングとなる。なお、二次側の第2スイッチング回路8のスイッチングは、一部がゼロ電圧スイッチングとなる。
図25は、バッテリ充放電装置100がバッテリ2から直流電源1へ電力伝送する、即ちバッテリ2を放電する場合の制御ブロック図である。この場合、バッテリ充放電装置100は、直流電源1に出力しており、第1平滑コンデンサ4の電圧vが出力電圧として検出されて制御回路20に入力される。図に示すように、制御回路20では、減算器32が、入力された出力電圧vを出力電圧指令値v*から減算して差分電圧を演算し、PI制御器33は、演算された差分電圧を0に近づけるように充電電流指令値i*を演算する。
そして、減算器30が、入力された充電電流iを充電電流指令値i*から減算して差分電流値30aを演算し、PI制御器31は、差分電流値30aを0に近づけるようにフィードバック制御することにより、第1スイッチング回路5および第2スイッチング回路8のDUTY比Dを決定し、各半導体スイッチング素子Qの駆動信号21a、21bを生成する。
バッテリ充放電装置100の昇圧放電において、図27に示すように、昇圧充電時の逆方向動作となり、昇圧充電時における第1スイッチング回路5の駆動信号と、第2スイッチング回路8の駆動信号を入れ替えたものである。そして、各期間AA+〜JJ+における動作についても、昇圧充電時の各期間A+〜J+におけるにおける第1スイッチング回路5と第2スイッチング回路8とを逆にしたものと同様である。
図26に示す降圧放電では、直流電源1の電圧は第1巻線3aに発生する電圧より低いものとし、図27に示す昇圧放電では、直流電源1の電圧は第1巻線3aに発生する電圧より高いものとし、双方においてバッテリ2から直流電源1へ電力伝送される。
第2スイッチング回路8内の第2ブリッジ回路(Q1A,Q1B)を基準として、全体の駆動信号が生成される。第1スイッチング回路5内の第1ブリッジ回路(Q4A,Q4B)のQ4A、Q4Bはオフ状態に保持される。
また、第1ブリッジ回路(Q4A,Q4B)以外の3つのブリッジ回路は、各ブリッジ回路を構成する正側(高電圧側)のQ1A、Q2A、Q3Aおよび負側(低電圧側)のQ1B、Q2B、Q3Bは、短絡防止時間tdを除くと、それぞれ50%のオン時間比率で制御される。この場合、制御回路20は、電力を送る側の第2スイッチング回路8の各半導体スイッチング素子Qをスイッチングする際、短絡防止時間tdの間に各半導体スイッチング素子Qに並列接続されたコンデンサ13の電圧が第2平滑コンデンサ7の電圧まで増加する、あるいはゼロ電圧近辺まで低下するようにしてゼロ電圧スイッチングする。
図26に示す降圧放電では、位相シフト量θ3と位相シフト量θ4とは等しく、双方の位相シフト量θ3、θ4がDUTY比Dに応じて変化する。また、図27に示す昇圧放電では、位相シフト量θ3が最小に保持され、位相シフト量θ4がDUTY比に応じて変化する。
また、制御回路20は、第1ブリッジ回路(Q4A,Q4B)に対して、第2ブリッジ回路(Q1A,Q1B)と等しい駆動信号を仮想駆動信号として想定し、Q4Aの仮想駆動信号によるQ4Aの仮想オンとQ3Bのオンとが重なる期間を仮想対角オン時間t4とする。この仮想対角オン時間t4は、位相シフト量θ4により決まる。なお、Q4Bの仮想駆動信号によるQ4Bの仮想オンとQ3Aのオンとが重なる仮想対角オン時間t4aも、仮想対角オン時間t4と等しい。
なお、充電時の位相シフト量θ1と放電時の位相シフト量θ4とは、共に第1対角素子Q3Bの位相シフト量であるため、同様の実線で続けて記載した。また、充電時の位相シフト量θ2と放電時の位相シフト量θ3とは、共に第2対角素子Q2Bの位相シフト量であるため、同様の点線で続けて記載した。同様に、対角オン時間t1と仮想対角オン時間t4を同様の実線で続けて記載し、仮想対角オン時間t2と対角オン時間t3とを同様の点線で続けて記載した。
トランス3の第1巻線3aから第2巻線3bに電力伝送されて第2巻線3bに電圧が発生している期間は、Q4A、Q3Bの同時オンする対角オン時間t1、およびQ4B、Q3Aの同時オンする対角オン時間t1aである。
昇圧時には、この期間を出来る限り長くすることで、第1スイッチング回路5および第2スイッチング回路8の還流期間に関わる損失を低減することが可能となる。
この昇圧充電時には、トランス3に電圧印加されている対角オン時間(t1、t1a)内に、第2スイッチング回路8で第2リアクトル10を励磁する期間がある。即ち、Q4Aの駆動信号の位相に対する第2対角素子Q2Bの駆動信号の位相シフト量θ2は位相シフト量θ1以上の値で、位相シフト量θ1、θ2が共に最小(短絡防止時間td)となる第1基準点22を起点とする。そして、制御回路20は、DUTY比Dが増大すると位相シフト量θ1を最小に保持すると共に位相シフト量θ2を増大させる。
位相シフト量θ1、θ2が最大の時、対角オン時間t1および仮想対角オン時間t2は共に最小(例えば0)で、電力伝送がない状態である。降圧充電時では、制御回路20は、DUTY比Dが0のとき、位相シフト量θ1、θ2が最大で、DUTY比Dが増大すると位相シフト量θ1、θ2を共に低減させる。この時、対角オン時間t1および仮想対角オン時間t2は増大する。
位相シフト量θ3、θ4が最大の時、対角オン時間t3および仮想対角オン時間t4は共に最小となり、電力伝送がない状態である。降圧放電時では、DUTY比が0のとき位相シフト量θ3、θ4が最大で、制御回路20は、DUTY比Dが負方向に増大すると位相シフト量θ3、θ4を共に低減させる。この時、対角オン時間t3および仮想対角オン時間t4は増大する。
なお、t1〜t4の最小値が0より大きい場合を図28に示しているが、0でも良い。
これによりトランス3に逆電流が流れることはなく、無効電力が抑制でき損失が低減できる。このため、バッテリ充放電装置100は、簡易な回路構成で、広い電圧範囲でトランス電流の逆流を防止しつつ双方向に電力伝送でき、低損失化を実現できる。また、トランス電流のピーク値および実効値を低減でき、トランス3の小型化を促進できる。
図29では、半導体スイッチング素子Qのスイッチング周期を1として、対角オン時間t1、t3、仮想対角オン時間t2、t4を正規化して図示した。対角オン時間t1、t3、仮想対角オン時間t2、t4の最大値(最大オン時間tmax)は、半周期から2倍の短絡防止時間tdを除き、0.42となる。
図30は、図29における昇圧充電の期間を拡大した部分拡大図である。昇圧充電においては、対角オン時間t1を最大に保持したまま仮想対角オン時間t2を変化させているが、充電電流iが変化しない期間が存在する。また、図31は、図29における昇圧放電の期間を拡大した部分拡大図である。昇圧放電においては、対角オン時間t3を最大に保持したまま仮想対角オン時間t4を変化させているが、この場合も充電電流iが変化しない期間が存在する。昇圧充電および昇圧放電においては、対角オン時間t1、t3と仮想対角オン時間t2、t4との差が小さい領域で、短絡防止時間tdに起因して充電電流iが変化しない期間が発生する。
図32は、制御回路20の制御ブロック図である。制御回路20は、減算器30、PI制御器31および駆動信号生成部34と、第1回路であるPI制御器31の出力を補正する第2回路としての補正部35とを備える。図2および図25を用いて説明したように、充電電流iと充電電流指令値i*との差分電流値30aを減算器30で演算し、PI制御器31が、差分電流値30aを0に近づけるようにフィードバック制御して、第1スイッチング回路5および第2スイッチング回路8のDUTY比Dを演算する。補正部35は、充電電流iと充電電流指令値i*とに基づいて補正量35aを決定する。駆動信号生成部34は、DUTY比Dに基づいて位相シフト量θ1〜θ4を決定する際、補正量35aにより補正し、各半導体スイッチング素子Qの駆動信号21a、21bを生成する。
補正部35が演算する補正量35aは、位相シフト量θ1〜θ4を補正するものでも、DUTY比Dを補正するものでも良く、結果的にPI制御器31の出力である制御結果が補正され、位相シフト量θ1〜θ4は調整される。
まず、充電電流iが充電電流指令値i*に等しくなるように追従制御されている状態から、差分電流値30aの大きさが所定値を超えて増加する、あるいは差分電流値30aの大きさが所定期間を超えて低減されないとき、即ち、充電電流iの充電電流指令値i*への応答遅れを検出すると、差分ありと判定して(ステップS1)、補正制御に移行する。
制御モードが降圧充電の場合(ステップS6)、差分電流値30aが正、即ち、充電電流iが充電電流指令値i*より低いときは(ステップS7)、対角オン時間t1と仮想対角オン時間t2とを同量で増やすように調整する(ステップS8)。ステップS7において、差分電流値30aが負、即ち、充電電流iが充電電流指令値i*より高いときは、対角オン時間t1と仮想対角オン時間t2とを同量で減らすように調整する(ステップS9)。
制御モードが昇圧放電の場合(ステップS14)、差分電流値30aが正、即ち、充電電流iが充電電流指令値i*より低いときは(ステップS15)、仮想対角オン時間t4を増やすように調整する(ステップS16)。ステップS15において、差分電流値30aが負、即ち、充電電流iが充電電流指令値i*より高いときは、仮想対角オン時間t4を減らすように調整する(ステップS17)。
これにより、負荷急変時など充電動作と放電動作の切り替えが発生した場合に、速やかに充放電を切り替えることができ、第1、第2スイッチング回路5、8の母線電圧を安定化できる。このためバッテリ充放電装置100を高い信頼性で安定して運転させることができる。
なお、差分電流値30aを0に近づけるようにフィードバック制御する第1回路は、PI制御器31以外の制御構成を用いても良い。
次に、この発明の実施の形態2について説明する。
上記実施の形態1では、制御回路20は、充電電流iと充電電流指令値i*との差分電流値30aから応答遅れを検出して補正制御を行ったが、この実施の形態2では、バッテリ充放電装置100のモデルとしての目標数式モデル38を用いて補正制御を行う。
図34は、この実施の形態2による制御回路20の制御ブロック図である。制御回路20は、減算器30、PI制御器31および駆動信号生成部34と、第1回路であるPI制御器31の出力を補正する第2回路としての補正回路41とを備える。
なお、補正回路41を用いた補正制御以外の装置および制御の構成は、上記実施の形態1と同様である。
補正回路41では、減算器36が、目標数式モデル38が演算する推定電流値iaを充電電流指令値i*から減算して差分を算出し、該差分をPI制御器37にて0に近づけるようにフィードバック制御することによりDUTY比Daを演算する。演算されたDUTY比Daは目標数式モデル38に入力され、目標数式モデル38は推定電流値iaを演算する。推定電流値iaは2つの減算器36、39に入力され、減算器39は、充電電流iを推定電流値iaから減算して差分である推定偏差39aを算出する。そして補正演算部40は推定偏差39aに基づいて補正量40aを決定する。
また、上記実施の形態1では差分電流値30aに基づいて補正制御するため、差分電流値30aが同じであれば、充電電流i、充電電流指令値i*のいずれの変化でも同じ制御であったが、この実施の形態では、充電電流指令値i*に応じてのみ推定電流値iaが変化する為、それぞれに適した制御となる。
次に、この発明の実施の形態3について説明する。
上記実施の形態1、2では、第2回路(補正部35、補正回路41)は第1回路(PI制御器31)の制御結果を補正するものであったが、この実施の形態3では、PI制御器31の入力を補正する。
図35は、この実施の形態3による制御回路20の制御ブロック図である。制御回路20は、加減算器30b、PI制御器31および駆動信号生成部34と、PI制御器31の入力を補正する第2回路としての補正回路41aとを備える。
なお、補正回路41aを用いた補正制御以外の装置および制御の構成は、上記実施の形態1と同様である。
加減算器30bは、充電電流指令値i*と推定偏差39aを加算し充電電流iを減算して差分電流値30cを演算し、PI制御器31は、差分電流値30cを0に近づけるようにフィードバック制御することにより、第1スイッチング回路5および第2スイッチング回路8のDUTY比Dを演算する。駆動信号生成部34は、DUTY比Dに基づいて位相シフト量θ1〜θ4を決定して各半導体スイッチング素子Qの駆動信号21a、21bを生成する。
このため、バッテリ充放電装置100の制御において、位相シフト量θ1〜θ4を変化させても充電電流iが変化しない領域内から外側に速やかに移行させて充電電流指令値i*へ追従することができる。また、負荷急変や充電電流指令値i*の変更など、いずれの場合にも即応性を向上させ、充電電流iを充電電流指令値i*に速やかに追従させ、上記実施の形態2と同様の効果が得られる。
また、推定偏差39aは電流値であるため、容易な補正演算により差分電流値30cを演算でき、位相シフト量θ1〜θ4が調整できる。
次に、この発明の実施の形態4について説明する。
図37は、この発明の実施の形態4によるDC/DCコンバータとしてのバッテリ充電装置100Aの回路構成を示す図である。図に示すように、バッテリ充電装置100Aは、昇圧および降圧を伴う電力変換により、直流電源1からバッテリ2へ充電を行うものである。
バッテリ充電装置100Aは、絶縁されたトランスとしての高周波トランス3(以下、単にトランス3と称す)と、直流電源1に並列に接続された第1平滑コンデンサ4と、第1コンバータ部としての第1スイッチング回路5Aと、バッテリ2に並列に接続された第2平滑コンデンサ7と、第2コンバータ部としての第2スイッチング回路8Aと、第2スイッチング回路8Aの交流入出力線に接続された第2リアクトル10とを備える。またバッテリ充電装置100Aは、第1スイッチング回路5Aおよび第2スイッチング回路8Aを制御する制御回路20Aを備える。
第2スイッチング回路8Aは、それぞれダイオード12が逆並列接続されたIGBTあるいはMOSFET等から成る複数の半導体スイッチング素子Q2A、Q2B、Q1A、Q1B(以下、単にQ2A、Q2B、Q1A、Q1Bあるいは半導体スイッチング素子Qと称す)を有するフルブリッジ回路で、直流側が第2平滑コンデンサ7に、交流側がトランス3の第2巻線3bに接続されて、直流/交流間の電力変換を行う。
また、第2スイッチング回路8Aは、半導体スイッチング素子Qとトランス3との間の交流入出力線に第2リアクトル10が接続され、第2リアクトル10と第2巻線3bとが直列接続される。さらに、第2スイッチング回路8Aの直流側にはリアクトル11が接続される。
なお、バッテリ2の充電電流iを検出する電流センサは、第2平滑コンデンサ7より第2スイッチング回路8A側の位置に設けても良い。
また、この実施の形態4では、各半導体スイッチング素子Qにはコンデンサを並列配置せず、第1スイッチング回路5Aの交流入出力線に第1リアクトルを接続させない。このため、第1、第2スイッチング回路5A、8Aのスイッチングは、ゼロ電圧スイッチングとはならない。
上記実施の形態4では、第1、第2スイッチング回路5A、8Aは、ゼロ電圧スイッチングに対応しないものを示したが、電力供給側の第1スイッチング回路のみゼロ電圧スイッチングさせても良い。
図38は、この発明の実施の形態5によるDC/DCコンバータとしてのバッテリ充電装置100Bの回路構成を示す図である。
その他の構成および制御は、上記実施の形態4と同様である。
この実施の形態5では、上記実施の形態4と同様の効果を得るとともに、第1スイッチング回路5をゼロ電圧スイッチングすることにより、スイッチング損失の低減が図れる。
Claims (11)
- 第1直流電源と第2直流電源との間の電力伝送を行うDC/DCコンバータにおいて、
トランスと、
それぞれ逆並列ダイオードが接続された複数の半導体スイッチング素子を備えた2つのブリッジ回路によるフルブリッジ回路で構成され、上記第1直流電源と上記トランスの第1巻線との間に接続される第1コンバータ部と、
それぞれ逆並列ダイオードが接続された複数の半導体スイッチング素子を備えた2つのブリッジ回路によるフルブリッジ回路で構成され、上記第2直流電源と上記トランスの第2巻線との間に接続される第2コンバータ部と、
上記第2コンバータ部の交流入出力線に接続された第2リアクトルと、
上記第2直流電源に入出力される電流の電流検出値と電流指令値との差分電流値に基づいて出力DUTY比を演算して、上記第1コンバータ部、第2コンバータ部内の上記各半導体スイッチング素子を駆動制御する制御回路とを備え、
上記制御回路は、
上記差分電流値を小さくするようにフィードバック制御する第1回路と、上記電流検出値および上記電流指令値に基づいて、上記フィードバック制御における制御応答の遅れを検出して上記第1回路の制御出力を補正する第2回路とを備え、
上記第1直流電源から上記第2直流電源への第1電力伝送において、
上記第1コンバータ部の一方のブリッジ回路である第1ブリッジ回路の正側/負側のいずれか一方の半導体スイッチング素子を第1基準素子とし、上記第2コンバータ部内の1つのブリッジ回路である第2ブリッジ回路の正側/負側のいずれか一方の半導体スイッチング素子を第2基準素子として、上記第1、第2コンバータ部内の4つの上記ブリッジ回路の内、上記第2ブリッジ回路を構成する各半導体スイッチング素子を全てオフ状態にし、他の3つのブリッジ回路について、正側の半導体スイッチング素子と負側の半導体スイッチング素子とを同じオン時間比率とし、
上記第1基準素子と該第1基準素子と対角の関係にある第1対角素子としての半導体スイッチング素子との間の駆動信号の位相シフト量である第1位相シフト量、および、上記第1基準素子と、上記第2基準素子と対角の関係にある第2対角素子としての半導体スイッチング素子との間の駆動信号の位相シフト量である第2位相シフト量を制御し、
上記第2回路は、上記補正により上記第1、第2位相シフト量を調整して上記電流検出値を上記電流指令値に追従させる、
DC/DCコンバータ。 - 上記第1コンバータ部の交流入出力線に接続された第1リアクトルをさらに備え、
上記制御回路は、
上記第2直流電源から上記第1直流電源への第2電力伝送において、
上記第1、第2コンバータ部内の4つの上記ブリッジ回路の内、上記第1ブリッジ回路を構成する各半導体スイッチング素子を全てオフ状態にし、他の3つのブリッジ回路について、正側の半導体スイッチング素子と負側の半導体スイッチング素子とを同じオン時間比率とし、
上記第2基準素子と上記第2対角素子との間の駆動信号の位相シフト量である第3位相シフト量、および、上記第2基準素子と上記第1対角素子との間の駆動信号の位相シフト量である第4位相シフト量を制御し、
上記第2回路は、上記補正により上記第3、第4位相シフト量を調整して上記電流検出値を上記電流指令値に追従させる、
請求項1に記載のDC/DCコンバータ。 - 上記第1コンバータ部の交流入出力線に接続された第1リアクトルをさらに備え、
上記第1コンバータ部の上記複数の半導体スイッチング素子は、それぞれ並列コンデンサが接続されており、
上記制御回路は、
上記第1電力伝送において、上記第1、第2位相シフト量を制御することにより、上記並列コンデンサおよび上記第1リアクトルを利用して上記第1コンバータ部内の上記各半導体スイッチング素子がゼロ電圧スイッチングするように制御する、
請求項1に記載のDC/DCコンバータ。 - 第1直流電源と第2直流電源との間の電力伝送を行うDC/DCコンバータにおいて、
トランスと、
それぞれ逆並列ダイオードが接続された複数の半導体スイッチング素子を備えた2つのブリッジ回路によるフルブリッジ回路で構成され、上記第1直流電源と上記トランスの第1巻線との間に接続される第1コンバータ部と、
それぞれ逆並列ダイオードが接続された複数の半導体スイッチング素子を備えた2つのブリッジ回路によるフルブリッジ回路で構成され、上記第2直流電源と上記トランスの第2巻線との間に接続される第2コンバータ部と、
上記第1コンバータ部の交流入出力線に接続された第1リアクトルと、
上記第2コンバータ部の交流入出力線に接続された第2リアクトルと、
上記第2直流電源に入出力される電流の電流検出値と電流指令値との差分電流値に基づいて出力DUTY比を演算して、上記第1コンバータ部、第2コンバータ部内の上記各半導体スイッチング素子を駆動制御する制御回路とを備え、
上記制御回路は、
上記差分電流値を小さくするようにフィードバック制御する第1回路と、上記電流検出値および上記電流指令値に基づいて上記第1回路の制御入出力の一方を補正する第2回路とを備え、
上記第2回路は、DUTY比に対して電流が単調増加して上記第1、第2コンバータ部の動作目標となるモデルを用い、上記電流指令値に基づいて上記電流の推定値である推定電流値を演算し、該推定電流値と上記電流検出値との差分である推定偏差を用いて補正し、
上記第1直流電源から上記第2直流電源への第1電力伝送において、
上記第1コンバータ部の一方のブリッジ回路である第1ブリッジ回路の正側/負側のいずれか一方の半導体スイッチング素子を第1基準素子とし、上記第2コンバータ部内の1つのブリッジ回路である第2ブリッジ回路の正側/負側のいずれか一方の半導体スイッチング素子を第2基準素子として、上記第1、第2コンバータ部内の4つの上記ブリッジ回路の内、上記第2ブリッジ回路を構成する各半導体スイッチング素子を全てオフ状態にし、他の3つのブリッジ回路について、正側の半導体スイッチング素子と負側の半導体スイッチング素子とを同じオン時間比率とし、
上記第1基準素子と該第1基準素子と対角の関係にある第1対角素子としての半導体スイッチング素子との間の駆動信号の位相シフト量である第1位相シフト量、および、上記第1基準素子と、上記第2基準素子と対角の関係にある第2対角素子としての半導体スイッチング素子との間の駆動信号の位相シフト量である第2位相シフト量を制御し、
上記第2回路は、上記補正により上記第1、第2位相シフト量を調整して上記電流検出値を上記電流指令値に追従させ、
上記第2直流電源から上記第1直流電源への第2電力伝送において、
上記第1、第2コンバータ部内の4つの上記ブリッジ回路の内、上記第1ブリッジ回路を構成する各半導体スイッチング素子を全てオフ状態にし、他の3つのブリッジ回路について、正側の半導体スイッチング素子と負側の半導体スイッチング素子とを同じオン時間比率とし、
上記第2基準素子と上記第2対角素子との間の駆動信号の位相シフト量である第3位相シフト量、および、上記第2基準素子と上記第1対角素子との間の駆動信号の位相シフト量である第4位相シフト量を制御し、
上記第2回路は、上記補正により上記第3、第4位相シフト量を調整して上記電流検出値を上記電流指令値に追従させる、
DC/DCコンバータ。 - 上記第2回路は、上記推定電流値が上記電流指令値に追従するように上記DUTY比を演算して上記モデルを動作させる、
請求項4に記載のDC/DCコンバータ。 - 上記第1コンバータ部および第2コンバータ部の上記複数の上記半導体スイッチング素子は、それぞれ並列コンデンサが接続されており、
上記制御回路は、
上記第1電力伝送において、上記第1、第2位相シフト量を制御することにより、上記第1コンバータ部内の上記並列コンデンサおよび上記第1リアクトルを利用して上記第1コンバータ部内の上記各半導体スイッチング素子がゼロ電圧スイッチングするように制御し、
上記第2電力伝送において、上記第3、第4位相シフト量を制御することにより、上記第2コンバータ部内の上記並列コンデンサおよび上記第2リアクトルを利用して上記第2コンバータ部内の上記各半導体スイッチング素子がゼロ電圧スイッチングするように制御する、
請求項2、請求項4または請求項5に記載のDC/DCコンバータ。 - 上記制御回路は、
上記第1電力伝送において、上記第1位相シフト量と上記第2位相シフト量とが共に最小になる点を第1基準点とし、上記第1直流電源から上記第2直流電源への第1伝送電力が上記第1基準点以下の第1期間では、上記第1、第2位相シフト量を同量に制御して、上記第1伝送電力が増大すると上記第1、第2位相シフト量を低減させ、上記第1伝送電力が上記第1基準点より大きい第2期間では、上記第1伝送電力が増大すると上記第1位相シフト量を最小に保持すると共に上記第2位相シフト量を増大させ、
上記第2電力伝送において、上記第3位相シフト量と上記第4位相シフト量とが共に最小になる点を第2基準点とし、上記第2直流電源から上記第1直流電源への第2伝送電力が上記第2基準点以下の第3期間では、上記第3、第4位相シフト量を同量に制御して、上記第2伝送電力が増大すると上記第3、第4位相シフト量を低減させ、上記第2伝送電力が上記第2基準点より大きい第4期間では、上記第2伝送電力が増大すると上記第3位相シフト量を最小に保持すると共に上記第4位相シフト量を増大させ、
上記第1電力伝送において上記第1期間で上記第1、第2位相シフト量が最大の時、および上記第2電力伝送において上記第3期間で上記第3、第4位相シフト量が最大の時に、上記第1電力伝送と上記第2電力伝送とを切り換える、
請求項6に記載のDC/DCコンバータ。 - 上記制御回路では、
上記第1回路は、上記差分電流値を小さくするように上記出力DUTY比を演算し、該出力DUTY比に基づいて上記第1〜第4位相シフト量を演算し、
上記第2回路の補正により、上記第1電力伝送では上記第1期間に上記第1、第2位相シフト量を共に調整し、上記第2期間に上記第2位相シフト量のみを調整し、上記第2電力伝送では上記第3期間に上記第3、第4位相シフト量を共に調整し、上記第4期間に上記第4位相シフト量のみを調整する、
請求項7に記載のDC/DCコンバータ。 - 上記第2回路は、上記第1回路の制御出力である上記出力DUTY比を補正して上記第1〜第4位相シフト量を調整する、
請求項2、請求項4から請求項8のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータ。 - 上記第2回路は、上記第1回路の制御入力である上記差分電流値に上記推定偏差を加算して該差分電流値を補正することで上記第1〜第4位相シフト量を調整する、
請求項4または請求項5に記載のDC/DCコンバータ。 - 上記制御回路は、
上記第1電力伝送において、上記第1基準素子の駆動信号と等しい仮想駆動信号を上記第2基準素子に対して想定し、上記第2位相シフト量を制御することで、上記第2基準素子の仮想オンと上記第2対角素子のオンとが重なる仮想対角オン時間を制御し、上記第1位相シフト量を制御することで、上記第1基準素子と上記第1対角素子とが共にオンする対角オン時間を制御し、
上記第2電力伝送において、上記第2基準素子の駆動信号と等しい仮想駆動信号を上記第1基準素子に対して想定し、上記第4位相シフト量を制御することで、上記第1基準素子の仮想オンと上記第1対角素子のオンとが重なる仮想対角オン時間を制御し、上記第3位相シフト量を制御することで、上記第2基準素子と上記第2対角素子とが共にオンする対角オン時間を制御する、
請求項2、請求項4から請求項10のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータ。
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