JP6559362B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
しかし、例えば、変圧器電流が小さくなる軽負荷時また入出力の電圧が大きく異なる場合など、特定の条件下では、ソフトスイッチング動作が達成できず、ハードスイッチングとなる恐れがある。
また、例えば、特許文献1では、一次側のフルブリッジインバータと二次側のフルブリッジインバータとのそれぞれのデューティおよびそれぞれのインバータ間の位相差を調整することによりソフトスイッチング動作が可能な運転領域の拡大を図っている。
また、一般に、インバータのデューティおよびインバータ間の位相差とスイッチング素子および変圧器に流れるピーク電流との間には相関関係があるが、上述の特許文献1に開示された装置ではこれらが考慮されていないので、条件によりピーク電流が増加し導通損失の増大を招く恐れがある。
電力変換器は、スイッチング素子とこのスイッチング素子と並列に接続されたスナバキャパシタとからなり一次側直流端子と一次側交流端子との間に接続され直流/交流変換を行う一次側ブリッジ回路、およびスイッチング素子とこのスイッチング素子と並列に接続されたスナバキャパシタとからなりインダクタンス要素を介して一次側交流端子に接続された二次側交流端子と二次側直流端子との間に接続され交流/直流変換を行う二次側ブリッジ回路を備え、スナバキャパシタとインダクタンス要素との共振現象を利用したゼロ電圧スイッチング動作が可能な構成であり、
電力変換器の一次側直流端子の電圧と二次側直流端子の電圧とインダクタンス要素を介して送電される送電電力の指令値または検出値とが動作点として規定され、
制御装置は、動作点においてゼロ電圧スイッチング動作を実現する条件であって各スイッチング素子のスイッチングタイミングからデッドタイム期間中にスナバキャパシタの蓄積エネルギーの遷移が完了しかつ一次側ブリッジ回路および二次側ブリッジ回路に流れる電流が反転しない条件において、送電電力が送電電力の指令値に追従し、かつ、一次側ブリッジ回路および二次側ブリッジ回路の各スイッチング素子のスイッチングタイミングにおいてインダクタンス要素に流れる電流絶対値が最小となるように、一次側ブリッジ回路の一次側デューティ、二次側ブリッジ回路の二次側デューティおよび一次側ブリッジ回路と二次側ブリッジ回路との間の位相シフト量を生成するようにしたものである。
また、本願に開示される電力変換装置は、一次側直流電圧と二次側直流電圧との間で電力変換を行う電力変換器、および指令値に応じて前記電力変換器を制御する制御装置を備えた電力変換装置であって、
前記電力変換器は、スイッチング素子とこのスイッチング素子と並列に接続されたスナバキャパシタとからなり一次側直流端子と一次側交流端子との間に接続され直流/交流変換を行う一次側ブリッジ回路、およびスイッチング素子とこのスイッチング素子と並列に接続されたスナバキャパシタとからなりインダクタンス要素を介して前記一次側交流端子に接続された二次側交流端子と二次側直流端子との間に接続され交流/直流変換を行う二次側ブリッジ回路を備え、前記スナバキャパシタと前記インダクタンス要素との共振現象を利用したゼロ電圧スイッチング動作が可能な構成であり、
前記電力変換器の前記一次側直流端子の電圧と前記二次側直流端子の電圧と前記インダクタンス要素を介して送電される送電電力の指令値または検出値とが動作点として規定され、
前記制御装置は、前記動作点において前記ゼロ電圧スイッチング動作を実現する条件下で、前記一次側ブリッジ回路および前記二次側ブリッジ回路の前記各スイッチング素子のスイッチングタイミングにおいて前記インダクタンス要素に流れる電流絶対値をそれぞれ加算したものを評価関数とし、前記評価関数が最小となるように、前記一次側ブリッジ回路の一次側デューティ、前記二次側ブリッジ回路の二次側デューティおよび前記一次側ブリッジ回路と前記二次側ブリッジ回路との間の位相シフト量を生成するようにしたものである。
また、本願に開示される電力変換装置は、一次側直流電圧と二次側直流電圧との間で電力変換を行う電力変換器、および指令値に応じて前記電力変換器を制御する制御装置を備えた電力変換装置であって、
前記電力変換器は、スイッチング素子とこのスイッチング素子と並列に接続されたスナバキャパシタとからなり一次側直流端子と一次側交流端子との間に接続され直流/交流変換を行う一次側ブリッジ回路、およびスイッチング素子とこのスイッチング素子と並列に接続されたスナバキャパシタとからなりインダクタンス要素を介して前記一次側交流端子に接続された二次側交流端子と二次側直流端子との間に接続され交流/直流変換を行う二次側ブリッジ回路を備え、前記スナバキャパシタと前記インダクタンス要素との共振現象を利用したゼロ電圧スイッチング動作が可能な構成であり、
前記電力変換器の前記一次側直流端子の電圧と前記二次側直流端子の電圧と前記インダクタンス要素を介して送電される送電電力の指令値または検出値とが動作点として規定され、
前記制御装置は、前記動作点において前記ゼロ電圧スイッチング動作を実現する条件下で、前記一次側ブリッジ回路および前記二次側ブリッジ回路の前記各スイッチング素子のスイッチングタイミングにおいて前記インダクタンス要素に流れる電流絶対値に対して前記電力変換装置の損失の寄与の度合いに基づいて重みづけをし、前記重みづけしたものをそれぞれ加算したものを評価関数とし、前記評価関数が最小となるように、前記一次側ブリッジ回路の一次側デューティ、前記二次側ブリッジ回路の二次側デューティおよび前記一次側ブリッジ回路と前記二次側ブリッジ回路との間の位相シフト量を生成するようにしたものである。
また、本願に開示される電力変換装置は、一次側直流電圧と二次側直流電圧との間で電力変換を行う電力変換器、および指令値に応じて前記電力変換器を制御する制御装置を備えた電力変換装置であって、
前記電力変換器は、スイッチング素子とこのスイッチング素子と並列に接続されたスナバキャパシタとからなり一次側直流端子と一次側交流端子との間に接続され直流/交流変換を行う一次側ブリッジ回路、およびスイッチング素子とこのスイッチング素子と並列に接続されたスナバキャパシタとからなりインダクタンス要素を介して前記一次側交流端子に接続された二次側交流端子と二次側直流端子との間に接続され交流/直流変換を行う二次側ブリッジ回路を備え、前記スナバキャパシタと前記インダクタンス要素との共振現象を利用したゼロ電圧スイッチング動作が可能な構成であり、
前記電力変換器の前記一次側直流端子の電圧と前記二次側直流端子の電圧と前記インダクタンス要素を介して送電される送電電力の指令値または検出値とが動作点として規定され、
前記制御装置は、前記動作点において前記ゼロ電圧スイッチング動作を実現する条件下で、前記一次側ブリッジ回路および前記二次側ブリッジ回路の前記各スイッチング素子のスイッチングタイミングにおいて前記インダクタンス要素に流れる電流絶対値が最小となるように、前記一次側ブリッジ回路の一次側デューティ、前記二次側ブリッジ回路の二次側デューティおよび前記一次側ブリッジ回路と前記二次側ブリッジ回路との間の位相シフト量を生成し、
前記動作点と前記一次側デューティ、前記二次側デューティおよび前記位相シフト量とを予め対応付けたルックアップテーブルを備え、前記制御装置は、前記指令値に基づく前記動作点に対応する前記一次側デューティ、前記二次側デューティおよび前記位相シフト量を前記ルックアップテーブルから読み取るようにしたものである。
また、本願に開示される電力変換装置は、一次側直流電圧と二次側直流電圧との間で電力変換を行う電力変換器、および指令値に応じて前記電力変換器を制御する制御装置を備えた電力変換装置であって、
前記電力変換器は、スイッチング素子とこのスイッチング素子と並列に接続されたスナバキャパシタとからなり一次側直流端子と一次側交流端子との間に接続され直流/交流変換を行う一次側ブリッジ回路、およびスイッチング素子とこのスイッチング素子と並列に接続されたスナバキャパシタとからなりインダクタンス要素を介して前記一次側交流端子に接続された二次側交流端子と二次側直流端子との間に接続され交流/直流変換を行う二次側ブリッジ回路を備え、前記スナバキャパシタと前記インダクタンス要素との共振現象を利用したゼロ電圧スイッチング動作が可能な構成であり、
前記電力変換器の前記一次側直流端子の電圧と前記二次側直流端子の電圧と前記インダクタンス要素を介して送電される送電電力の指令値または検出値とが動作点として規定され、
前記制御装置は、前記スナバキャパシタと前記インダクタンス要素との共振現象時に前記スナバキャパシタに流れる共振電流が時間的に変化しないと仮定し、前記動作点で指定された条件下において、前記ゼロ電圧スイッチング動作を実現するために必要な第一条件式を満たすように前記各スイッチング素子のスイッチングタイミングにおける電流の最小絶対値を演算するとともに、前記動作点で指定された前記送電電力の指令値または検出値を達成するための第二条件式を満たすように前記各スイッチング素子のスイッチングタイミングにおける電流値を演算し、前記第一条件式および前記第二条件式を共に満たす前記各スイッチング素子のスイッチングタイミングにおける電流値に基づき前記一次側ブリッジ回路の一次側デューティ、前記二次側ブリッジ回路の二次側デューティおよび前記一次側ブリッジ回路と前記二次側ブリッジ回路との間の位相シフト量を生成するようにしたものである。
図1は、実施の形態1による電力変換装置100の構成を示す。図1の電力変換装置100は、全体として、一次側直流電圧V1と二次側直流電圧V2との間で電力変換を行う電力変換器10とこの電力変換器10を制御する制御装置20とから構成される。
そして、半導体スイッチング素子1p3と1n3との中点と半導体スイッチング素子1p4と1n4との中点とが、それぞれ二次側ブリッジ回路3bの二次側交流端子6bを介して変圧器2の二次側巻線2bに接続されている。
また、図1の電力変換装置100は、一次側と二次側との間で自由な電力変換が可能であり、その電力の送電方向は自由に制御可能である。
また、回路の対称性により、二次側直流端子5bより直流電力を入力した場合、二次側ブリッジ回路3bにて単相交流へと変換し、変圧器2を介して一次側ブリッジ回路3aに送電し、一次側ブリッジ回路3aにて再度直流へと変換し、一次側直流端子5aへ送電する。
電圧制御器201は、制御系上位から与えられる一次側直流電圧指令値V1*と図示しない電圧検出器からの一次側直流電圧V1とを入力し、一次側直流電圧V1が一次側直流電圧指令値V1*に追従するよう送電電力指令値P*を出力する。なお、ここでは、二次側直流電圧V2は、図示しないが、例えば、二次側直流端子5bに接続される装置により一定値に保持されているものとする。
なお、このルックアップテーブル202に収納する情報である、送電電力指令値P*と一次側直流電圧V1と二次側直流電圧V2とから一次側デューティd1、二次側デューティd2および位相シフト量φを求める要領については後段で詳述する。
なお、このゲート駆動回路203の機能を、ルックアップテーブル202に盛り込み、ルックアップテーブル202から直接、ゲート信号を各ゲートドライブへ送出する構成としても良い。
このように、動作点は、電力変換器10の回路動作状態を特定するための条件であり、従って、例えば、二次側直流電圧V2が二次側直流電圧指令値V2*に追従するよう求めた送電電力指令値P*と一次側直流電圧V1(一定値)と二次側直流電圧V2とを動作点として設定しても良く、また、送電電力指令値P*は、他の方法で与えられたものでも良く、指令値ではなく検出値としても良い。更には、電流指令値、電圧指令値とを適宜組み合わせた値を動作点として設定するようにしても良い。
図4は、この演算の工程を説明するフローチャートである。その演算手法の原理は、ある制約条件のもとで最適値を求める、いわゆる最適化問題の解法を利用するものである。
ステップS1は、電力変換器10の主回路動作を演算するために必要な主回路パラメータを設定するステップである。具体的には、例えば、スナバキャパシタ13のキャパシタンスCs、変圧器2の漏れインダクタンスLσ、各ブリッジ回路3a、3bのデッドタイムtd、スイッチング周波数f、変圧器2の巻数比Ntr等が該当し、ステップS1でこれらのパラメータを設定する。
ステップS3は、最適化問題の解である、一次側デューティd1、二次側デューティd2および位相シフト量φを演算するにあたってこれらの初期値を設定するステップである。
ステップS4は、以上ステップS1〜S3での設定を行い、制約条件下における、最適化計算を実行するステップである。具体的にここでは、ゼロ電圧スイッチング動作を実現するという制約条件下で、変圧器2に流れる電流ピーク絶対値を最小とする、一次側デューティd1、二次側デューティd2および位相シフト量φを求めるという最適化の計算を実行するわけである。
図5は、変圧器2の一次側巻線2aの電圧である一次側電圧vtr1(実線で示す)、二次側巻線2bの電圧である二次側電圧vtr2を変圧器2の巻数比Ntrで除した値である、二次側電圧一次側換算値vtr2/Ntr(破線で示す)、および変圧器2の一次側巻線2aに流れる一次側電流itr1(一点鎖線で示す)のそれぞれの波形を示す。ここで、巻数比Ntrは、変圧器2の一次側巻線2aの巻数をN1、二次側巻線2bの巻数をN2としたときNtr=N2/N1である。
従って、一次側デューティd1、二次側デューティd2および位相シフト量φとスイッチングタイミングθ=0、α、β、γとの関係は図5に示す通りとなる。
次に、図6により、ゼロ電圧スイッチング動作達成の可否について説明し、合わせ、制約条件を示す各式の導出根拠について説明する。
図6は、図5のスイッチングタイミングθ=αにおける、半導体スイッチング素子1p1の両端子間電圧vcp1(実線で示す)、半導体スイッチング素子1n1の両端子間電圧vcn1(破線で示す)および変圧器2の一次側電流itr1(一点鎖線で示す)の波形を示す。
なお、以下では、支障ない範囲で便宜上、θdもtdと同様適宜デッドタイムと呼称している。また、図6は、それぞれの電圧、電流の遷移が明確となるよう時間軸を拡大して図示している。
式(2)は、一次側ブリッジ回路3aの出力電圧vtr1(=0)がvtr1(=正値)になるとき、θ=αでの電流itr1(負値)が、θ=α+θdでその方向が反転しないことを規定するものである。
式(4)は、二次側ブリッジ回路3bの出力電圧vtr2/Ntr(=正値)が0になるとき、θ=γでの電流itr1(=負値)がθ=γ+θdでその方向が反転しないことを規定するものである。
また、式(7)および式(8)は、二次側ブリッジ回路3bでの、θ=βおよびγにおける、スナバキャパシタ間の蓄積エネルギーの遷移完了を規定するものである。
また、評価関数も導通損への寄与が一番大きい|itr1(0)|のみを評価関数としたり、損失への寄与の度合いに基づいた重みづけをしたものを評価関数とする等、設計指針に合わせて異なったものとしても良い。
また、ここでは、V1<V2/Ntrの場合の動作例を示しているが、回路の対称性より、V1>V2/Ntrの場合は、一次側と二次側が反転しているものとして扱えばよく、以下の実施の形態についても同様である。
先の実施の形態1では、想定し得る動作点に対して上述した制約条件下、電流を最小化する解である一次側デューティd1、二次側デューティd2および位相シフト量φの組み合わせが得られるとの前提で説明したが、現実の主回路パラメータ等の条件によっては、この解が得られない場合も起こり得るものと考えられる。
この実施の形態2による電力変換装置は、このような場合を想定し、ゼロ電圧スイッチング動作を達成できる運転領域を拡大させる方策を提供するものある。
図7は、実施の形態3による電力変換装置100Aの構成を示す図である。
この実施の形態3も先の実施の形態2と同様、電流itr1のピーク絶対値を最小化するという最適化問題の解が得られる運転領域を拡大することを意図したものである。
負荷時タップ切換器付変圧器2Aは、制御装置20からの指令に基づき変圧器2Aの巻数比Ntrを変化させる。
これにより、電力変換器10Aの一次側直流電圧V1を変化させることができないような適用先においても、電力変換器10Aの一次側直流電圧V1を変化させることなく、二次側直流電圧V2の一次側換算値を変化させることができる。
図8は、実施の形態4による電力変換装置100Bの構成を示す図である。
この実施の形態4も先の実施の形態2、3と同様、電流itr1のピーク絶対値を最小化するという最適化問題の解が得られる運転領域を拡大することを意図したものである。
図9は、実施の形態5による電力変換装置100C、電力変換器10Cの構成を示す図である。先の実施の形態4と異なるのは、複数の電力変換器の間で電力の授受を行う補助回路14を新たに設けた点である。
図10は、実施の形態6による制御装置20Aの内部構成を示す。先の実施の形態1の制御装置20は、図3で説明した通り、最適化問題の解法を利用するもので、この解を求める演算規模が大きく複雑となるので、送電電力指令値P*と一次側直流電圧V1と二次側直流電圧V2とからなる動作点に係る入力情報に対する、一次側デューティd1、二次側デューティd2および位相シフト量φからなる出力情報を予め想定される動作点の範囲において演算により求め記憶しておくルックアップテーブル202を備えている。
このため、ルックアップテーブル202には、大規模なメモリ領域を用意する必要がある。
なお、ここでは、先の実施の形態1の図1で説明した回路構成および図5で例示したスイッチングパターンを前提として説明するものとする。
従って、この実施の形態6では、インダクタンスは、インダクタンス要素Lと表示するものとする。
なお、この仮定を設けることにより、実際の現象である、共振電流の変化を考慮に入れた演算結果との誤差を補償する対策についてはその後段で説明する。
そして、上述の第一条件式および第二条件式を共に満たす各スイッチングタイミングにおける電流値に基づき要求された情報(d1、d2φ)を出力する。
式(12)および式(13)の左辺itr1(0)およびitr1(α)は、それぞれθ=0およびαにおける変圧器2の一次側電流値である。同式右辺の「Iprim−min」は、後段で詳述する式(16)右辺第1項または第2項の内大きい方の値を代入するものである。
また、同式左辺で電流を「i」と小文字を使っているのは、連続する信号を扱っており、同式右辺で電流を「I」と大文字を使っているのは、制限条件となる固定値の信号を扱っていることに対応させたものである。
先ず、式(16)右辺第1項は、ゼロ電圧スイッチング動作を達成するための必要条件である、インダクタンス要素Lに蓄積されるエネルギーがスナバキャパシタCsに蓄積されるエネルギー以上であることという条件から導出されるものである。
図11において、一次側直流電圧をV1、半導体スイッチング素子1p1および1n1を図の矢印に示す方向に流れる電流をそれぞれip1、in1、また、インダクタンス要素Lに流れる電流をitr1、更に、半導体スイッチング素子1p1および1n1のスナバキャパシタCsの電圧をそれぞれvcp1、vcn1とすると、式(18)および(19)が成立する。
ここで、vcp1=V1、vcn1=0の初期状態から、デッドタイムtd期間内に電荷遷移が完了して、vcp1=0、vcn1=V1の状態に移行するため一次側電流itr1に課される条件は式(24)で表され、この式(24)から式(25)に示す、式(16)の右辺第2項が得られる。
既述した通り、ここでは、先の図5で示したスイッチングパターンでの動作を対象としているので、先の実施の形態2の式(11)で説明したと同様、一次側から二次側に送電される電力(P*、ここでは式(11)での表示に合わせPで表す)Pは、スイッチングタイミングθ=βからスイッチングタイミングθ=γの間の送電電力で定まり、式(26)で表される。
θ=β〜γの期間の電流に関する方程式は、式(27)で表されるので、式(26)に式(27)を代入すると式(28)が得られる。
従って、電流itr1(β)は、第一条件式の式(14)および第二条件式の式(32)の両条件を共に満たす必要がある。
従って、この仮定を設けることにより、当然ながら、先の実施の形態1で説明した、共振電流の変化を伴う実際の現象を前提にして求めた結果との間に誤差が発生する。以下では、この誤差を補償する対策について説明する。
更には、スイッチングの高速化が可能なため、交流電圧の周波数を高めることで、変圧器2(2A)の小型化が可能となりその損失も低減する。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
また、本願が開示する態様を列挙すると、以下の様になる。
<態様1>一次側直流電圧と二次側直流電圧との間で電力変換を行う電力変換器、および指令値に応じて前記電力変換器を制御する制御装置を備えた電力変換装置であって、
前記電力変換器は、スイッチング素子とこのスイッチング素子と並列に接続されたスナバキャパシタとからなり一次側直流端子と一次側交流端子との間に接続され直流/交流変換を行う一次側ブリッジ回路、およびスイッチング素子とこのスイッチング素子と並列に接続されたスナバキャパシタとからなりインダクタンス要素を介して前記一次側交流端子に接続された二次側交流端子と二次側直流端子との間に接続され交流/直流変換を行う二次側ブリッジ回路を備え、前記スナバキャパシタと前記インダクタンス要素との共振現象を利用したゼロ電圧スイッチング動作が可能な構成であり、
前記制御装置は、前記指令値に基づく動作点において前記ゼロ電圧スイッチング動作を実現する条件下で前記電力変換器の損失が最小となるよう前記一次側ブリッジ回路の一次側デューティ、前記二次側ブリッジ回路の二次側デューティおよび前記一次側ブリッジ回路と前記二次側ブリッジ回路との間の位相シフト量を生成するようにしたものである。
<態様2>態様1の電力変換装置において、前記制御装置は、前記動作点として前記電力変換器の前記一次側直流端子の電圧と前記二次側直流端子の電圧と前記インダクタンス要素を介して送電される送電電力とが規定され、前記ゼロ電圧スイッチング動作を実現する条件下で前記インダクタンス要素に流れる電流ピーク絶対値が最小となるよう前記一次側デューティ、前記二次側デューティおよび前記位相シフト量を生成するようにした。
<態様3>態様2の電力変換装置において、前記動作点と前記一次側デューティ、前記二次側デューティおよび前記位相シフト量とを予め対応付けたルックアップテーブルを備え、前記制御装置は、前記指令値に基づく前記動作点に対応する前記一次側デューティ、前記二次側デューティおよび前記位相シフト量を前記ルックアップテーブルから読み取るようにした。
<態様4>態様3の電力変換装置において、前記ルックアップテーブルは、前記ゼロ電圧スイッチング動作を実現する電圧電流範囲を制約条件とし、前記インダクタンス要素に流れる電流ピーク絶対値を最小化するという最適化問題の解に基づき、それぞれの前記動作点に対応する前記一次側デューティ、前記二次側デューティおよび前記位相シフト量を生成するようにした。
<態様5>態様2の電力変換装置において、前記制御装置は、前記スナバキャパシタと前記インダクタンス要素との共振現象時に前記スナバキャパシタに流れる共振電流が時間的に変化しないと仮定し、前記動作点で指定された条件下において、前記ゼロ電圧スイッチング動作を実現するために必要な第一条件式を満たすように前記各スイッチング素子のスイッチングタイミングにおける電流の最小絶対値を演算するとともに、前記動作点で指定された前記送電電力を達成するための第二条件式を満たすように前記各スイッチング素子のスイッチングタイミングにおける電流値を演算し、前記第一条件式および前記第二条件式を共に満たす前記各スイッチング素子のスイッチングタイミングにおける電流値に基づき前記一次側デューティ、前記二次側デューティおよび前記位相シフト量を生成するようにした。
<態様6>態様5の電力変換装置において、前記第一条件式は、前記インダクタンス要素に蓄積されるエネルギーが前記スナバキャパシタに蓄積されるエネルギー以上であり、かつ、前記スイッチングタイミングからのデッドタイム期間中に前記スナバキャパシタに蓄積されたエネルギーがすべて遷移するという条件を基に得られる演算式である。
<態様7>態様5または態様6の電力変換装置において、前記制御装置は、予め複数の動作点を設定し、これら設定した各動作点で指定される条件下で、それぞれ態様3または態様4に記載の構成に基づき演算して得られる、前記各スイッチングタイミングにおける真性電流演算値と前記第一条件式に基づき演算して得られる、前記各スイッチングタイミングにおける近似電流演算値とを求め、前記各動作点での前記真性電流演算値と前記近似電流演算値との偏差が最小となるよう前記第一条件式に替わって前記第一条件式に補正係数を掛けた第三条件式を用いる。
<態様8>態様1から態様7のいずれか1つの電力変換装置において、前記インダクタンス要素は、前記電力変換器の前記一次側交流端子に接続された一次側巻線と前記電力変換器の前記二次側交流端子に接続された二次側巻線とを備えた変圧器である。
<態様9>態様8の電力変換装置において、前記変圧器を前記一次側巻線と前記二次側巻線との巻数比を切り換えることができるタップ切換機能を有したものとし、前記巻数比を切り換え前記ゼロ電圧スイッチング動作を実現する電圧電流範囲に係る制約条件を緩和することにより、前記ゼロ電圧スイッチング動作を実現し、前記電力変換器の損失を最小とし得る運転領域を拡大するようにした。
<態様10>態様1から態様9のいずれか1つの電力変換装置において、前記電力変換器の前記一次側直流端子の電圧と前記二次側直流端子の電圧との少なくとも一方を変化させ前記ゼロ電圧スイッチング動作を実現する電圧電流範囲に係る制約条件を緩和することにより、前記ゼロ電圧スイッチング動作を実現し、前記電力変換器の損失を最小とし得る運転領域を拡大するようにした。
<態様11>態様10の電力変換装置において、前記電力変換器を複数台備え、それぞれの前記電力変換器の前記一次側直流端子を直列または並列に接続して前記電力変換装置の前記一次側直流電圧の端子に接続し、それぞれの前記電力変換器の前記二次側直流端子を直列または並列に接続して前記電力変換装置の前記二次側直流電圧の端子に接続し、前記電力変換装置を前記複数台の前記電力変換器を備えた構成のものとすることで、前記一次側直流電圧および前記二次側直流電圧を変化させることなく前記電力変換器の前記一次側直流端子の電圧と前記二次側直流端子の電圧との少なくとも一方を変化させるようにした。
<態様12>態様11の電力変換装置において、前記一次側直流端子または前記二次側直流端子が互いに直列接続される複数の前記電力変換器の間で電力の授受を行う補助回路を備えることで、前記一次側直流電圧および前記二次側直流電圧を変化させることなく当該複数の前記電力変換器の前記一次側直流端子の電圧または前記二次側直流端子の電圧を変化させるようにした。
Claims (13)
- 一次側直流電圧と二次側直流電圧との間で電力変換を行う電力変換器、および指令値に応じて前記電力変換器を制御する制御装置を備えた電力変換装置であって、
前記電力変換器は、スイッチング素子とこのスイッチング素子と並列に接続されたスナバキャパシタとからなり一次側直流端子と一次側交流端子との間に接続され直流/交流変換を行う一次側ブリッジ回路、およびスイッチング素子とこのスイッチング素子と並列に接続されたスナバキャパシタとからなりインダクタンス要素を介して前記一次側交流端子に接続された二次側交流端子と二次側直流端子との間に接続され交流/直流変換を行う二次側ブリッジ回路を備え、前記スナバキャパシタと前記インダクタンス要素との共振現象を利用したゼロ電圧スイッチング動作が可能な構成であり、
前記電力変換器の前記一次側直流端子の電圧と前記二次側直流端子の電圧と前記インダクタンス要素を介して送電される送電電力の指令値または検出値とが動作点として規定され、
前記制御装置は、前記動作点において前記ゼロ電圧スイッチング動作を実現する条件であって前記各スイッチング素子のスイッチングタイミングからデッドタイム期間中に前記スナバキャパシタの蓄積エネルギーの遷移が完了しかつ前記一次側ブリッジ回路および前記二次側ブリッジ回路に流れる電流が反転しない条件において、前記送電電力が前記送電電力の指令値に追従し、かつ、前記一次側ブリッジ回路および前記二次側ブリッジ回路の前記各スイッチング素子のスイッチングタイミングにおいて前記インダクタンス要素に流れる電流絶対値が最小となるように、前記一次側ブリッジ回路の一次側デューティ、前記二次側ブリッジ回路の二次側デューティおよび前記一次側ブリッジ回路と前記二次側ブリッジ回路との間の位相シフト量を生成するようにした電力変換装置。 - 一次側直流電圧と二次側直流電圧との間で電力変換を行う電力変換器、および指令値に応じて前記電力変換器を制御する制御装置を備えた電力変換装置であって、
前記電力変換器は、スイッチング素子とこのスイッチング素子と並列に接続されたスナバキャパシタとからなり一次側直流端子と一次側交流端子との間に接続され直流/交流変換を行う一次側ブリッジ回路、およびスイッチング素子とこのスイッチング素子と並列に接続されたスナバキャパシタとからなりインダクタンス要素を介して前記一次側交流端子に接続された二次側交流端子と二次側直流端子との間に接続され交流/直流変換を行う二次側ブリッジ回路を備え、前記スナバキャパシタと前記インダクタンス要素との共振現象を利用したゼロ電圧スイッチング動作が可能な構成であり、
前記電力変換器の前記一次側直流端子の電圧と前記二次側直流端子の電圧と前記インダクタンス要素を介して送電される送電電力の指令値または検出値とが動作点として規定され、
前記制御装置は、前記動作点において前記ゼロ電圧スイッチング動作を実現する条件下で、前記一次側ブリッジ回路および前記二次側ブリッジ回路の前記各スイッチング素子のスイッチングタイミングにおいて前記インダクタンス要素に流れる電流絶対値をそれぞれ加算したものを評価関数とし、前記評価関数が最小となるように、前記一次側ブリッジ回路の一次側デューティ、前記二次側ブリッジ回路の二次側デューティおよび前記一次側ブリッジ回路と前記二次側ブリッジ回路との間の位相シフト量を生成するようにした電力変換装置。 - 一次側直流電圧と二次側直流電圧との間で電力変換を行う電力変換器、および指令値に応じて前記電力変換器を制御する制御装置を備えた電力変換装置であって、
前記電力変換器は、スイッチング素子とこのスイッチング素子と並列に接続されたスナバキャパシタとからなり一次側直流端子と一次側交流端子との間に接続され直流/交流変換を行う一次側ブリッジ回路、およびスイッチング素子とこのスイッチング素子と並列に接続されたスナバキャパシタとからなりインダクタンス要素を介して前記一次側交流端子に接続された二次側交流端子と二次側直流端子との間に接続され交流/直流変換を行う二次側ブリッジ回路を備え、前記スナバキャパシタと前記インダクタンス要素との共振現象を利用したゼロ電圧スイッチング動作が可能な構成であり、
前記電力変換器の前記一次側直流端子の電圧と前記二次側直流端子の電圧と前記インダクタンス要素を介して送電される送電電力の指令値または検出値とが動作点として規定され、
前記制御装置は、前記動作点において前記ゼロ電圧スイッチング動作を実現する条件下で、前記一次側ブリッジ回路および前記二次側ブリッジ回路の前記各スイッチング素子のスイッチングタイミングにおいて前記インダクタンス要素に流れる電流絶対値に対して前記電力変換装置の損失の寄与の度合いに基づいて重みづけをし、前記重みづけしたものをそれぞれ加算したものを評価関数とし、前記評価関数が最小となるように、前記一次側ブリッジ回路の一次側デューティ、前記二次側ブリッジ回路の二次側デューティおよび前記一次側ブリッジ回路と前記二次側ブリッジ回路との間の位相シフト量を生成するようにした電力変換装置。 - 一次側直流電圧と二次側直流電圧との間で電力変換を行う電力変換器、および指令値に応じて前記電力変換器を制御する制御装置を備えた電力変換装置であって、
前記電力変換器は、スイッチング素子とこのスイッチング素子と並列に接続されたスナバキャパシタとからなり一次側直流端子と一次側交流端子との間に接続され直流/交流変換を行う一次側ブリッジ回路、およびスイッチング素子とこのスイッチング素子と並列に接続されたスナバキャパシタとからなりインダクタンス要素を介して前記一次側交流端子に接続された二次側交流端子と二次側直流端子との間に接続され交流/直流変換を行う二次側ブリッジ回路を備え、前記スナバキャパシタと前記インダクタンス要素との共振現象を利用したゼロ電圧スイッチング動作が可能な構成であり、
前記電力変換器の前記一次側直流端子の電圧と前記二次側直流端子の電圧と前記インダクタンス要素を介して送電される送電電力の指令値または検出値とが動作点として規定され、
前記制御装置は、前記動作点において前記ゼロ電圧スイッチング動作を実現する条件下で、前記一次側ブリッジ回路および前記二次側ブリッジ回路の前記各スイッチング素子のスイッチングタイミングにおいて前記インダクタンス要素に流れる電流絶対値が最小となるように、前記一次側ブリッジ回路の一次側デューティ、前記二次側ブリッジ回路の二次側デューティおよび前記一次側ブリッジ回路と前記二次側ブリッジ回路との間の位相シフト量を生成し、
前記動作点と前記一次側デューティ、前記二次側デューティおよび前記位相シフト量とを予め対応付けたルックアップテーブルを備え、前記制御装置は、前記指令値に基づく前記動作点に対応する前記一次側デューティ、前記二次側デューティおよび前記位相シフト量を前記ルックアップテーブルから読み取るようにした電力変換装置。 - 前記動作点と前記一次側デューティ、前記二次側デューティおよび前記位相シフト量とを予め対応付けたルックアップテーブルを備え、前記制御装置は、前記指令値に基づく前記動作点に対応する前記一次側デューティ、前記二次側デューティおよび前記位相シフト量を前記ルックアップテーブルから読み取るようにした請求項2または請求項3に記載の電力変換装置。
- 前記ルックアップテーブルは、前記ゼロ電圧スイッチング動作を実現する電圧電流範囲を制約条件とし、前記インダクタンス要素に流れる電流ピーク絶対値を最小化するという最適化問題の解に基づき、それぞれの前記動作点に対応する前記一次側デューティ、前記二次側デューティおよび前記位相シフト量を生成するようにした請求項4または請求項5に記載の電力変換装置。
- 一次側直流電圧と二次側直流電圧との間で電力変換を行う電力変換器、および指令値に応じて前記電力変換器を制御する制御装置を備えた電力変換装置であって、
前記電力変換器は、スイッチング素子とこのスイッチング素子と並列に接続されたスナバキャパシタとからなり一次側直流端子と一次側交流端子との間に接続され直流/交流変換を行う一次側ブリッジ回路、およびスイッチング素子とこのスイッチング素子と並列に接続されたスナバキャパシタとからなりインダクタンス要素を介して前記一次側交流端子に接続された二次側交流端子と二次側直流端子との間に接続され交流/直流変換を行う二次側ブリッジ回路を備え、前記スナバキャパシタと前記インダクタンス要素との共振現象を利用したゼロ電圧スイッチング動作が可能な構成であり、
前記電力変換器の前記一次側直流端子の電圧と前記二次側直流端子の電圧と前記インダクタンス要素を介して送電される送電電力の指令値または検出値とが動作点として規定され、
前記制御装置は、前記スナバキャパシタと前記インダクタンス要素との共振現象時に前記スナバキャパシタに流れる共振電流が時間的に変化しないと仮定し、前記動作点で指定された条件下において、前記ゼロ電圧スイッチング動作を実現するために必要な第一条件式を満たすように前記各スイッチング素子のスイッチングタイミングにおける電流の最小絶対値を演算するとともに、前記動作点で指定された前記送電電力の指令値または検出値を達成するための第二条件式を満たすように前記各スイッチング素子のスイッチングタイミングにおける電流値を演算し、前記第一条件式および前記第二条件式を共に満たす前記各スイッチング素子のスイッチングタイミングにおける電流値に基づき前記一次側ブリッジ回路の一次側デューティ、前記二次側ブリッジ回路の二次側デューティおよび前記一次側ブリッジ回路と前記二次側ブリッジ回路との間の位相シフト量を生成するようにした電力変換装置。 - 前記第一条件式は、前記インダクタンス要素に蓄積されるエネルギーが前記スナバキャパシタに蓄積されるエネルギー以上であり、かつ、前記スイッチングタイミングからのデッドタイム期間中に前記スナバキャパシタに蓄積されたエネルギーがすべて遷移するという条件を基に得られる演算式である請求項7記載の電力変換装置。
- 前記インダクタンス要素は、前記電力変換器の前記一次側交流端子に接続された一次側巻線と前記電力変換器の前記二次側交流端子に接続された二次側巻線とを備えた変圧器である請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記変圧器を前記一次側巻線と前記二次側巻線との巻数比を切り換えることができるタップ切換機能を有したものとし、前記巻数比を切り換え前記ゼロ電圧スイッチング動作を実現する電圧電流範囲に係る制約条件を緩和することにより、前記ゼロ電圧スイッチング動作を実現し、前記電力変換器の損失を最小とし得る運転領域を拡大するようにした請求項9記載の電力変換装置。
- 前記電力変換器の前記一次側直流端子の電圧と前記二次側直流端子の電圧との少なくとも一方を変化させ前記ゼロ電圧スイッチング動作を実現する電圧電流範囲に係る制約条件を緩和することにより、前記ゼロ電圧スイッチング動作を実現し、前記電力変換器の損失を最小とし得る運転領域を拡大するようにした請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記電力変換器を複数台備え、それぞれの前記電力変換器の前記一次側直流端子を直列または並列に接続して前記電力変換装置の前記一次側直流電圧の端子に接続し、それぞれの前記電力変換器の前記二次側直流端子を直列または並列に接続して前記電力変換装置の前記二次側直流電圧の端子に接続し、前記電力変換装置を前記複数台の前記電力変換器を備えた構成のものとすることで、前記一次側直流電圧および前記二次側直流電圧を変化させることなく前記電力変換器の前記一次側直流端子の電圧と前記二次側直流端子の電圧との少なくとも一方を変化させるようにした請求項11記載の電力変換装置。
- 前記一次側直流端子または前記二次側直流端子が互いに直列接続される複数の前記電力変換器の間で電力の授受を行う補助回路を備えることで、前記一次側直流電圧および前記二次側直流電圧を変化させることなく当該複数の前記電力変換器の前記一次側直流端子の電圧または前記二次側直流端子の電圧を変化させるようにした請求項12記載の電力変換装置。
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