JP6562301B2 - Bidirectional switch circuit, power converter using the same, and control method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、双方向に電流を導通及び遮断することが可能な双方向スイッチ回路に関し、さらには、それを用いた電力変換器、及びその制御方法に関する。   The present invention relates to a bidirectional switch circuit capable of conducting and interrupting current in both directions, and further relates to a power converter using the circuit and a control method thereof.

三相交流電源と蓄電池などの直流負荷とを接続するには、絶縁型の双方向AC/DCコンバータが用いられる。図26(a)の絶縁型の双方向AC/DCコンバータとしては、50Hzまたは60Hzの商用周波数の変圧器を使用して絶縁後に、昇圧型AC/DCコンバータにより三相交流電圧を一定値の直流電圧に変換し、さらにDC/DCコンバータにより直流電圧を調節する2回の電力変換方式がある。この方式では、商用周波数の変圧器によりシステムが大型、高重量になる。   In order to connect a three-phase AC power source and a DC load such as a storage battery, an insulating bidirectional AC / DC converter is used. As the insulation type bidirectional AC / DC converter of FIG. 26 (a), a three-phase AC voltage is converted to a constant value DC by a step-up AC / DC converter after insulation using a transformer having a commercial frequency of 50 Hz or 60 Hz. There are two power conversion systems that convert the voltage into a voltage and then adjust the DC voltage with a DC / DC converter. In this system, a commercial frequency transformer makes the system large and heavy.

システムの小型化のために商用変圧器の代わりに図26(b)の高周波トランスを用いた双方向AC/DCコンバータが提案されている。高周波トランスを用いた双方向AC/DCコンバータの回路は、まず、AC/DCコンバータにより三相交流電圧を一定値の直流電圧に変換し、次にインバータにより直流電圧を高周波交流電圧に変換し、図26(b)の高周波トランスにより絶縁をした後、さらにAC/DCコンバータにより直流電圧に再変換する3回の電力変換方式である。高周波トランスを用いることでトランスの体積を大幅に減少でき、さらに、高周波トランスを介したDC/AC/DCの電力変換において、ソフトスイッチングを適用でき、低損失化を実現している(非特許文献1)。しかしながら、電力変換回数が3回と多いので電力変換部の体積が増加し、また、初段のAC/DCコンバータでは、ソフトスイッチングを適用できないため、スイッチング損失の低減に限界がある。また、直流部に短寿命の平滑用電解コンデンサが一般的に使用されるため、メンテナンスの問題も有している。   In order to reduce the size of the system, a bidirectional AC / DC converter using a high-frequency transformer shown in FIG. 26B instead of a commercial transformer has been proposed. A bidirectional AC / DC converter circuit using a high-frequency transformer first converts a three-phase AC voltage into a constant DC voltage using an AC / DC converter, and then converts the DC voltage into a high-frequency AC voltage using an inverter. This is a three-time power conversion method in which insulation is performed by the high-frequency transformer of FIG. 26 (b) and then re-conversion to a DC voltage by an AC / DC converter. By using a high-frequency transformer, the volume of the transformer can be greatly reduced, and in addition, soft switching can be applied in DC / AC / DC power conversion via the high-frequency transformer, realizing low loss (non-patent literature). 1). However, since the number of power conversions is as many as three, the volume of the power conversion unit increases, and the first stage AC / DC converter has no limit in reducing switching loss because soft switching cannot be applied. In addition, since a smooth electrolytic capacitor having a short life is generally used for the direct current portion, there is also a problem of maintenance.

高周波トランスを用いる方式において、トランス一次側の電力変換器の小型化と損失低減のために、三相交流電圧を高周波交流電圧に直接電力変換するマトリックスコンバータを利用する方式が提案されている。トランス一次側の電力変換を1回にでき、また、トランス一次側の平滑用電解コンデンサが不要になる。しかしながら、スイッチング素子のオン/オフの切り替え時に、スイッチング素子に流れる電流とスイッチング素子に掛かる電圧の積によるスイッチング損失を発生するため、小型化および高周波化に限界がある。特許文献1では、スイッチング素子に流れる電流またはスイッチング素子に掛かる電圧のいずれかを零にしてスイッチング素子をオン/オフするソフトスイッチングをすべてのスイッチング素子について試みた提案がなされている。   In a system using a high-frequency transformer, a system using a matrix converter that directly converts a three-phase AC voltage to a high-frequency AC voltage has been proposed in order to reduce the size and loss of the power converter on the primary side of the transformer. Power conversion on the primary side of the transformer can be performed once, and a smoothing electrolytic capacitor on the primary side of the transformer is not necessary. However, when switching the switching element on / off, a switching loss is generated due to the product of the current flowing through the switching element and the voltage applied to the switching element, so there is a limit to miniaturization and high frequency. In Patent Document 1, a proposal has been made in which soft switching for turning on / off a switching element is attempted for all switching elements by setting either a current flowing through the switching element or a voltage applied to the switching element to zero.

井上重徳、赤木泰文、「双方向絶縁形DC/DCコンバータの動作電圧と損失解析」、電気学会論文誌D(産業応用部門誌)、2007年、Vol.127、No.2、p.189−197Inoue Shigenori, Akagi Yasufumi, “Operating Voltage and Loss Analysis of Bidirectional Insulated DC / DC Converter”, IEEJ Transactions D (Industrial Application Division), 2007, Vol. 127, no. 2, p. 189-197

国際公開第2014/0208898号公報International Publication No. 2014/0208898

しかしながら、上記の特許文献1においては、トランス一次側の電力変換器の双方向スイッチの構成として、スイッチング素子に逆並列ダイオードと並列キャパシタが接続されたスイッチを、2個逆直列にして構成している。双方向スイッチに、スイッチング素子2個、ダイオード2個、キャパシタ2個が必要で多くの部品を必要としていた。   However, in the above-mentioned Patent Document 1, as a bidirectional switch configuration of the transformer primary power converter, two switches in which an antiparallel diode and a parallel capacitor are connected to a switching element are configured in reverse series. Yes. The bidirectional switch requires two switching elements, two diodes, and two capacitors, and many components are required.

また、上記の特許文献1においては、電源電流を正弦波電流にすることまでは記述されておらず、高周波トランス電圧の1周期で2相のスイッチングのみをしており、電源電流の正弦波化を実現できない。それ故、このような電力変換器は高周波電流規制のために電源系統に直接接続することができず、接続する場合には高周波ノイズを除去するための大きなフィルタ回路が必要となり、電力変換器の体格が大きくなるとともにコストを要するという問題があった。   Further, in Patent Document 1 described above, the power source current is not described as a sine wave current, but only two-phase switching is performed in one cycle of the high-frequency transformer voltage, and the power source current is converted into a sine wave. Cannot be realized. Therefore, such a power converter cannot be directly connected to the power supply system due to high-frequency current regulation, and when connected, a large filter circuit for removing high-frequency noise is required. There was a problem that the physique was large and cost was required.

本発明は上記を鑑みてなされたものであり、簡素な回路構成でありながらソフトスイッチングを実現できる双方向スイッチ回路、これを用いた電力変換器、及びその制御方法を提案することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to propose a bidirectional switch circuit capable of realizing soft switching with a simple circuit configuration, a power converter using the same, and a control method thereof. .

本発明にかかる第1の双方向スイッチ回路は、
逆並列接続された2個の逆阻止型スイッチング素子と、
前記逆並列接続されたスイッチング素子と並列に接続された1個のソフトスイッチング用キャパシタと、を備えることを特徴とする。
A first bidirectional switch circuit according to the present invention includes:
Two reverse blocking switching elements connected in reverse parallel;
And a single soft switching capacitor connected in parallel with the switching element connected in reverse parallel.

このような構成によれば、簡素な回路構成によってソフトスイッチングが可能な双方向スイッチを実現できる。   According to such a configuration, a bidirectional switch capable of soft switching can be realized with a simple circuit configuration.

なお、本明細書における「双方向スイッチ」とは、双方向に電流を流し、また遮断することができるスイッチング回路をいうものとする。また、本明細書における「逆阻止型スイッチング素子」とは、電流の導通方向とは逆方向からの電圧に耐える能力(逆阻止能力)を有したスイッチング素子をいうものとする。   Note that the “bidirectional switch” in this specification refers to a switching circuit that allows current to flow in both directions and can be cut off. In addition, the “reverse blocking type switching element” in the present specification refers to a switching element having an ability to withstand a voltage from a direction opposite to a current conduction direction (reverse blocking ability).

また、本発明にかかる第2の双方向スイッチ回路は、
逆直列接続された2個の還流ダイオード付スイッチング素子と、
前記逆直列接続されたスイッチング素子の両端に並列に接続された1個のソフトスイッチング用キャパシタと、を備えることを特徴とする。
Further, the second bidirectional switch circuit according to the present invention includes:
Two switching elements with freewheeling diodes connected in reverse series;
One soft switching capacitor connected in parallel to both ends of the switching element connected in reverse series.

このような構成によれば、逆阻止能力を有さないスイッチング素子によっても、第1の双方向スイッチ回路と同機能を有する双方向スイッチを実現できる。   According to such a configuration, a bidirectional switch having the same function as that of the first bidirectional switch circuit can be realized by a switching element having no reverse blocking capability.

なお、上記の第1の双方向スイッチ回路及び第2の双方向スイッチ回路は、特許文献1において提案されている双方向スイッチ回路と比較し、より高効率でありながら、短絡の危険性を排除でき安全であるという効果も奏するが、この点についての説明は後述する。   The first bidirectional switch circuit and the second bidirectional switch circuit described above are more efficient than the bidirectional switch circuit proposed in Patent Document 1, but eliminate the risk of a short circuit. Although there is an effect that it is safe, it will be described later.

また、本発明にかかるソフトスイッチング用レグ回路によれば、
複数入力端子と1出力端子を備え、
前記入力端子の各々と前記出力端子は上述の第1の双方向スイッチ回路又は第2の双方向スイッチ回路によって接続され、
前記複数入力端子のうちの2端子はいずれもフィルタ用のキャパシタによって接続されていることを特徴とする。
Moreover, according to the soft switching leg circuit according to the present invention,
With multiple input terminals and one output terminal,
Each of the input terminals and the output terminal are connected by the first bidirectional switch circuit or the second bidirectional switch circuit described above,
Two terminals of the plurality of input terminals are both connected by a filter capacitor.

このような構成によれば、簡素な回路構成によって、ソフトスイッチングが可能なレグ回路を構成することができる。   According to such a configuration, a leg circuit capable of soft switching can be configured with a simple circuit configuration.

また、本発明にかかる第1の電力変換器は、
高周波トランスによって1次側と2次側に絶縁されるとともに、前記1次側に三相交流電源が接続されるU1相端子、V1相端子、及びW1相端子を備え、
前記高周波トランスは前記1次側に第1の接続端子及び第2の接続端子を有し、
前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子と前記第1の接続端子、
並びに、前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子と前記第2の接続端子、
はそれぞれ上記のソフトスイッチング用レグ回路によって接続されていることを特徴とする。
The first power converter according to the present invention is:
A U1-phase terminal, a V1-phase terminal, and a W1-phase terminal, which are insulated from the primary side and the secondary side by a high-frequency transformer and connected to a three-phase AC power source on the primary side,
The high-frequency transformer has a first connection terminal and a second connection terminal on the primary side,
The U1 phase terminal, the V1 phase terminal, and the W1 phase terminal and the first connection terminal;
And the U1 phase terminal, the V1 phase terminal, the W1 phase terminal and the second connection terminal,
Are respectively connected by the above-mentioned soft switching leg circuit.

このような構成によれば、簡素な回路構成によって、ソフトスイッチングが可能な絶縁型電力変換器を構成することができる。   According to such a configuration, an insulated power converter capable of soft switching can be configured with a simple circuit configuration.

また、上記の第1の電力変換器にあっては、
前記電力変換器は前記2次側に直流電源が接続される正極端子及び負極端子をさらに備え、
前記高周波トランスは前記2次側に第3の接続端子及び第4の接続端子をさらに有し、
前記第3の接続端子と前記正極端子、前記第3の接続端子と前記負極端子、前記第4の接続端子と前記正極端子、前記第4の接続端子と前記負極端子、は還流ダイオード付スイッチング素子にソフトスイッチング用キャパシタが並列接続されたソフトスイッチング用アーム回路によって接続されていてもよい。
In the above first power converter,
The power converter further includes a positive terminal and a negative terminal connected to a DC power source on the secondary side,
The high-frequency transformer further includes a third connection terminal and a fourth connection terminal on the secondary side,
The third connection terminal and the positive terminal, the third connection terminal and the negative terminal, the fourth connection terminal and the positive terminal, the fourth connection terminal and the negative terminal, and a switching element with a freewheeling diode The soft switching capacitors may be connected by a soft switching arm circuit connected in parallel.

このような構成によれば、簡素な回路構成によって、すべてのスイッチング素子においてソフトスイッチングが可能な絶縁型AC/DCコンバータを構成することができる。   According to such a configuration, an isolated AC / DC converter capable of soft switching in all switching elements can be configured with a simple circuit configuration.

また、本発明にかかる第2の電力変換器は、
高周波トランスによって1次側と2次側に絶縁され、前記1次側に第1の三相交流電源が接続されるU1相端子、V1相端子、及びW1相端子を備えるとともに、前記2次側に第2の三相交流電源が接続されるU2相端子、V2相端子、及びW2相端子を備える電力変換器であって、
前記高周波トランスは前記1次側に第1の接続端子及び第2の接続端子を有するとともに、前記2次側に第3の接続端子及び第4の接続端子を有し、
前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子と前記第1の接続端子、
前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子と前記第2の接続端子、
前記U2相端子、前記V2相端子、及び前記W2相端子と前記第3の接続端子、
並びに、前記U2相端子、前記V2相端子、及び前記W2相端子と前記第4の接続端子、
はそれぞれ上述のソフトスイッチング用レグ回路によって接続されていることを特徴とする。
The second power converter according to the present invention is
The secondary side is provided with a U1-phase terminal, a V1-phase terminal, and a W1-phase terminal that are insulated from a primary side and a secondary side by a high-frequency transformer, and to which the first three-phase AC power supply is connected. A power converter comprising a U2-phase terminal, a V2-phase terminal, and a W2-phase terminal to which a second three-phase AC power supply is connected,
The high-frequency transformer has a first connection terminal and a second connection terminal on the primary side, and has a third connection terminal and a fourth connection terminal on the secondary side,
The U1 phase terminal, the V1 phase terminal, and the W1 phase terminal and the first connection terminal;
The U1 phase terminal, the V1 phase terminal, the W1 phase terminal and the second connection terminal,
The U2-phase terminal, the V2-phase terminal, and the W2-phase terminal and the third connection terminal,
And the U2-phase terminal, the V2-phase terminal, and the W2-phase terminal and the fourth connection terminal,
Are connected by the above-described soft switching leg circuit.

このような構成によれば、簡素な回路構成によって、すべてのスイッチング素子においてソフトスイッチングが可能な絶縁型AC/ACインバータを構成することができる。   According to such a configuration, it is possible to configure an insulated AC / AC inverter capable of soft switching in all switching elements with a simple circuit configuration.

また、本発明にかかる第3の電力変換器は、
三相交流電源が接続されるU1相端子、V1相端子、及びW1相端子と、
直流電源が接続される正極端子及び負極端子と、
インダクタと、
第1の接続点、第2の接続点、及び第3の接続点と、を備え、
前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子と前記第1の接続点
並びに、前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子と前記第3の接続点、
はそれぞれ上述のソフトスイッチング用レグ回路によって接続され、
前記第2の接続点と前記正極端子、前記第2の接続点と前記負極端子、前記第3の接続点と前記正極端子、及び、前記第3の接続点と前記負極端子、はそれぞれ還流ダイオード付スイッチング素子にソフトスイッチング用キャパシタが並列接続されたソフトスイッチング用アーム回路によって接続され、
前記第1の接続点と前記第2の接続点はインダクタによって接続されることを特徴とする。
The third power converter according to the present invention is
A U1-phase terminal, a V1-phase terminal, and a W1-phase terminal to which a three-phase AC power supply is connected;
A positive terminal and a negative terminal to which a DC power supply is connected;
An inductor;
A first connection point, a second connection point, and a third connection point,
The U1 phase terminal, the V1 phase terminal, and the W1 phase terminal and the first connection point, and the U1 phase terminal, the V1 phase terminal, and the W1 phase terminal and the third connection point,
Are connected by the above-mentioned soft switching leg circuit,
The second connection point and the positive terminal, the second connection point and the negative terminal, the third connection point and the positive terminal, and the third connection point and the negative terminal are free-wheeling diodes, respectively. Is connected by a soft switching arm circuit in which a soft switching capacitor is connected in parallel to the attached switching element,
The first connection point and the second connection point are connected by an inductor.

このような構成によれば、高周波トランスを用いることなく、簡素な回路構成によって、すべてのスイッチング素子においてソフトスイッチングが可能なAC/DCコンバータを構成することができる。   According to such a configuration, it is possible to configure an AC / DC converter capable of soft switching in all switching elements with a simple circuit configuration without using a high-frequency transformer.

また、本発明にかかる電力変換器の制御方法は、
上記第1の電力変換器又は第2の電力変換器において、
前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子のうち、電位の絶対値が大きいものから順に、x相、y相、z相とし、
また、前記制御方法の制御周期1周期における前半を第1の半周期、後半を第2の半周期とすると、
前記x相の電位が正の場合は、
前記第1の半周期において、前記第1の接続端子と前記x相間の双方向スイッチをオン状態に固定し、
前記第2の半周期において、前記第2の接続端子と前記x相間の双方向スイッチをオン状態に固定し、
前記x相の電位が負の場合は、
前記第1の半周期において、前記第2の接続端子と前記x相間の双方向スイッチをオン状態に固定し、
前記第2の半周期において、前記第1の接続端子と前記x相間の双方向スイッチをオン状態に固定するとともに、
前記第1の接続端子及び前記第2の接続端子のうちの他の接続端子は、
前記1次側から前記2次側への電力送電時には、
前記他の接続端子と前記x相間の双方向スイッチから、前記y相間、前記z相間、前記x相間の双方向スイッチの順に3相すべてに転流を行い、
前記2次側から前記1次側への電力送電時には、
前記他の接続端子と前記x相間の双方向スイッチから、前記z相間、前記y相間、前記x相間の双方向スイッチの順に3相すべてに転流を行うことを特徴とする。
Moreover, the method for controlling the power converter according to the present invention includes:
In the first power converter or the second power converter,
Among the U1 phase terminal, the V1 phase terminal, and the W1 phase terminal, in descending order of the absolute value of the potential, the x phase, the y phase, and the z phase,
Further, if the first half of the control cycle of the control method is a first half cycle and the second half is a second half cycle,
When the x-phase potential is positive,
In the first half cycle, the bidirectional switch between the first connection terminal and the x-phase is fixed in an ON state;
In the second half cycle, the bidirectional switch between the second connection terminal and the x phase is fixed in an ON state,
When the x-phase potential is negative,
In the first half cycle, the bidirectional switch between the second connection terminal and the x-phase is fixed in an ON state;
In the second half cycle, the bidirectional switch between the first connection terminal and the x-phase is fixed to an ON state,
The other connection terminals of the first connection terminal and the second connection terminal are:
During power transmission from the primary side to the secondary side,
From the bidirectional switch between the other connection terminal and the x phase, commutation is performed in all three phases in the order of the bidirectional switch between the y phase, the z phase, and the x phase,
During power transmission from the secondary side to the primary side,
From the bidirectional switch between the other connection terminal and the x phase, commutation is performed in all three phases in the order of the z phase, the y phase, and the bidirectional switch between the x phases.

なお、本明細書における「双方向スイッチをオンする」とは、双方向スイッチが有する2つのスイッチング素子のいずれか片方又は両方に対してスイッチング信号を与えて素子を導通状態にすることをいうものとし、例えばスイッチング素子がIGBTの場合には、ゲートに駆動電圧を与えてコレクタ−エミッタ間を導通状態にすることをいうものとする。ここで、ソフトスイッチングのためにスイッチング素子に対して並列にキャパシタが接続されている場合などは、素子にスイッチング信号を与えてから実際に素子が導通状態となるまでに時間を要することがあるが、この場合における「双方向スイッチをオンする」とは、2つのスイッチング素子のいずれか片方又は両方に導通のためのスイッチング信号を与えることをいうものとする。   In this specification, “turning on the bidirectional switch” means that a switching signal is given to one or both of the two switching elements of the bidirectional switch to make the element conductive. For example, when the switching element is an IGBT, a driving voltage is applied to the gate to make the collector-emitter conductive. Here, when a capacitor is connected in parallel to the switching element for soft switching, it may take time until the element actually becomes conductive after a switching signal is given to the element. In this case, “turning on the bidirectional switch” refers to giving a switching signal for conduction to one or both of the two switching elements.

また、本明細書における「転流」とは、レグ回路内のある双方向スイッチがオンの状態において、かかる双方向スイッチをオフにするとともに同レグ回路内の他の双方向スイッチをオンにし、レグ回路内の双方向スイッチのオン状態を変化させることによって電流が通過する双方向スイッチを切り替えることをいうものとする。   Further, in this specification, “commutation” means that when a bidirectional switch in a leg circuit is on, the bidirectional switch is turned off and another bidirectional switch in the leg circuit is turned on. The bidirectional switch through which current passes is switched by changing the ON state of the bidirectional switch in the leg circuit.

このような構成によれば、1次側の三相交流電源の二相のみではなく三相すべての電圧を用いてトランス一次高周波電圧を発生させることができ、スイッチング損失を低減しながらも三相交流電源の電流を正弦波に近づけることができる。   According to such a configuration, the transformer primary high-frequency voltage can be generated using not only the two-phase voltage of the three-phase AC power source on the primary side but also the voltage of all three phases, and the three-phase is reduced while reducing the switching loss. The current of the AC power supply can be approximated to a sine wave.

また、上記の電力変換器の制御方法にあっては、
前記U1相端子、前記V1相端子、及び前記W1相端子を入力端子とし、前記第1の接続端子及び前記第2の接続端子のいずれかを出力端子とする、2つの3入力1出力レグ回路それぞれおいて、
前記レグ回路の出力電流が正の状態では、前記レグ回路内のオンしている双方向スイッチが接続されている入力端子の電位よりも低い電位の入力端子に接続されている双方向スイッチに転流を行い、
同レグ回路の出力電流が負の状態では、前記レグ回路内のオンしている双方向スイッチが接続されている入力端子の電位よりも高い電位の入力端子に接続されている双方向スイッチに転流を行ってもよい。
In the above power converter control method,
Two three-input one-output leg circuits in which the U1-phase terminal, the V1-phase terminal, and the W1-phase terminal are input terminals, and either the first connection terminal or the second connection terminal is an output terminal. Each one
When the output current of the leg circuit is positive, the leg circuit is switched to a bidirectional switch connected to an input terminal having a lower potential than the input terminal to which the bidirectional switch that is turned on is connected. Do the flow
When the output current of the leg circuit is negative, the output is transferred to the bidirectional switch connected to the input terminal having a higher potential than the input terminal connected to the bidirectional switch that is turned on in the leg circuit. A flow may be performed.

このような構成によれば、1次側のすべてのスイッチング素子においてソフトスイッチングを実現でき、スイッチング損失を低減しながらも三相交流電源の電流を正弦波に近づけることができる。   According to such a configuration, soft switching can be realized in all the switching elements on the primary side, and the current of the three-phase AC power supply can be brought close to a sine wave while reducing the switching loss.

以上説明したように、本発明にかかる双方向スイッチ回路によれば、簡素な回路構成でありながらソフトスイッチングが可能であり、安全性にも優れた双方向スイッチを実現できる。   As described above, according to the bidirectional switch circuit of the present invention, it is possible to realize a bidirectional switch that can be soft-switched with a simple circuit configuration and is excellent in safety.

逆阻止型スイッチング素子により構成された双方向スイッチを用いたレグ回路の構成を示す図The figure which shows the structure of the leg circuit using the bidirectional | two-way switch comprised by the reverse blocking type switching element 正の出力電流時のソフトスイッチング転流動作を示す図Diagram showing soft switching commutation operation at positive output current 正の出力電流時のソフトスイッチング転流モードを示す図Diagram showing soft switching commutation mode at positive output current 負の出力電流時のソフトスイッチング転流動作を示す図Diagram showing soft switching commutation operation at negative output current 負の出力電流時のソフトスイッチング転流モードを示す図Diagram showing soft switching commutation mode at negative output current 還流ダイオード付スイッチング素子により構成された双方向スイッチを用いたレグ回路の構成を示す図(a)第1の回路構成(b)第2の回路構成The figure which shows the structure of the leg circuit using the bidirectional | two-way switch comprised by the switching element with a free-wheeling diode. (A) 1st circuit structure (b) 2nd circuit structure 3入力1出力のレグ回路の構成を示す図The figure which shows the structure of the leg circuit of 3 inputs 1 output 高周波トランスを用いた絶縁型AC/DC電力変換回路を示す図The figure which shows the insulation type AC / DC power converter circuit which used the high frequency transformer 三相電源電圧波形を示す図Diagram showing three-phase power supply voltage waveform 図9(a)時点における一次側から二次側への電力送電時の高周波トランスの電圧電流波形を示す図The figure which shows the voltage current waveform of the high frequency transformer at the time of the electric power transmission from the primary side to the secondary side at the time of Fig.9 (a) 二次側コンバータのソフトスイッチング転流の様子を示す図Diagram showing soft switching commutation of secondary converter 図9(b)時点における一次側から二次側への電力送電時の高周波トランスの電圧電流波形を示す図The figure which shows the voltage current waveform of the high frequency transformer at the time of the electric power transmission from the primary side to the secondary side at the time of FIG.9 (b) 二次側から一次側への電力送電時の高周波トランスの電圧電流波形を示す図The figure which shows the voltage current waveform of the high frequency transformer at the time of electric power transmission from the secondary side to the primary side ゲート信号の発生方法を示す図Diagram showing how to generate a gate signal PWM制御法を示す図Diagram showing PWM control method 実験例1における実験システム構成を示す図The figure which shows the experimental system structure in Experimental example 1 実験波形を示す図Diagram showing experimental waveforms 実験波形の拡大図Enlarged view of experimental waveform wg→Sugへの切替わり時の波形を示す図(a)ソフトスイッチング時(b)ハードスイッチング時The figure which shows the waveform at the time of switching from Swg- > Sug (a) At the time of soft switching (b) At the time of hard switching jn→Sjpへの切替わり時の波形を示す図(a)ソフトスイッチング時(b)ハードスイッチング時The figure which shows the waveform at the time of switching from S jn → S jp (a) At the time of soft switching (b) At the time of hard switching インダクタを用いた非絶縁型AC/DC電力変換回路を示す図The figure which shows the non-insulation type AC / DC power converter circuit which used the inductor 結合型ワイヤレス給電システムを用いた絶縁型AC/DC電力変換回路を示す図The figure which shows the insulation type AC / DC power converter circuit using a coupling-type wireless electric power feeding system 高周波トランスを用いた絶縁型AC/AC電力変換回路を示す図The figure which shows the insulation type AC / AC power converter circuit using a high frequency transformer 高周波トランスを用いた絶縁型AC/AC電力変換回路の一次側から二次側への電力送電時の高周波トランスの電圧電流波形を示す図The figure which shows the voltage current waveform of the high frequency transformer at the time of the electric power transmission from the primary side to the secondary side of the insulation type AC / AC power converter circuit using a high frequency transformer 結合型ワイヤレス給電システムを用いた絶縁型AC/AC電力変換回路を示す図The figure which shows the insulation type AC / AC power converter circuit using a coupling-type wireless electric power feeding system 従来の電力変換器の回路構成を示す図The figure which shows the circuit structure of the conventional power converter 従来のレグ回路の構成を示す図The figure which shows the structure of the conventional leg circuit 従来のレグ回路における電源電圧変化時の動作を示す図The figure which shows the operation at the time of power supply voltage change in the conventional leg circuit 従来のレグ回路における正の出力電流時のソフトスイッチング転流動作を示す図The figure which shows the soft switching commutation operation at the time of the positive output current in the conventional leg circuit 従来のレグ回路における正の出力電流時のソフトスイッチング転流モードを示す図The figure which shows the soft switching commutation mode at the time of positive output current in the conventional leg circuit

(第1の実施形態)
図1は、第1の双方向スイッチを用いたソフトスイッチング用回路(レグ回路)の構成を示す図である。2つの入力端子u、vと出力端子gがあり、入力端子間には、フィルタ用のキャパシタCを接続している。入力端子uと出力端子g間に双方向スイッチSugを、入力端子vと出力端子g間に双方向スイッチSvgを、それぞれ接続している。双方向スイッチSugは正の出力電流iを流すスイッチング素子SugR、負の出力電流iを流すスイッチング素子SugLとソフトスイッチング用キャパシタCsoft1とを並列接続して構成されている。双方向スイッチSvgは、双方向スイッチSugと同じ構成で、スイッチング素子SvgR、SvgLとソフトスイッチング用キャパシタCsoft1を並列接続して構成されている。双方向スイッチSug、Svgをそれぞれ構成するスイッチング素子SugL、SugR、SvgL、SvgRはいずれも逆方向からの電圧に耐える逆阻止能力を有する。この回路では、双方向スイッチ間の転流をソフトスイッチング(零電圧スイッチング)することができる。また、入力端子u、v間の電圧euvは、正および負の直流電圧または交流電圧を与えることができる。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a soft switching circuit (leg circuit) using a first bidirectional switch. There are two input terminals u and v and an output terminal g, and a filter capacitor Cf is connected between the input terminals. A bidirectional switch S ug is connected between the input terminal u and the output terminal g, and a bidirectional switch S vg is connected between the input terminal v and the output terminal g. The bidirectional switch S ug is configured by connecting in parallel a switching element S ugR that passes a positive output current i, a switching element S ugL that passes a negative output current i, and a soft switching capacitor C soft1 . The bidirectional switch S vg has the same configuration as the bidirectional switch S ug, and is configured by connecting switching elements S vgR and S vgL and a soft switching capacitor C soft1 in parallel. The switching elements S ugL , S ugR , S vgL , S vgR constituting the bidirectional switches S ug , S vg respectively have a reverse blocking capability to withstand a voltage from the reverse direction. In this circuit, commutation between bidirectional switches can be soft switched (zero voltage switching). Further, the voltage e uv between the input terminals u and v can give positive and negative DC voltage or AC voltage.

なお、スイッチング素子としては、SiやSiC等の半導体でつくられるIGBTやMOS−FETの他、GaN等の半導体でつくられるパワートランジスタを用いることもできる。これにより、低オン抵抗、高耐圧であり、かつ高速スイッチングが可能な双方向スイッチを実現できる。   As the switching element, a power transistor made of a semiconductor such as GaN can be used in addition to an IGBT or MOS-FET made of a semiconductor such as Si or SiC. Thereby, a bidirectional switch having a low on-resistance, a high breakdown voltage, and capable of high-speed switching can be realized.

以下において、本実施形態にかかるレグ回路によってソフトスイッチングが実現される原理を説明する。   Hereinafter, the principle of realizing soft switching by the leg circuit according to the present embodiment will be described.

図2は、入力電圧euvが正の電圧で、出力電流iが正の電流において、高入力電位の双方向スイッチSugから低入力電位の双方向スイッチSvgへのソフトスイッチング転流動作を示している。 FIG. 2 illustrates the soft switching commutation operation from the high input potential bidirectional switch S ug to the low input potential bidirectional switch S vg when the input voltage e uv is positive and the output current i is positive. Show.

図3は、図2の転流の動作モードにおける回路の接続状態を示している。図2の時刻t<tまでのモード1では、図3(a)に示すモード1の接続状態が得られ、スイッチング素子SugRとSugLにゲート信号が与えられ、出力電流iは、スイッチング素子の電流isugとして流れ、双方向スイッチSugのキャパシタ電圧vugは零になっている。また、双方向スイッチSvgのキャパシタ電圧vvg=−euvは負の入力電圧に充電されている。 FIG. 3 shows a circuit connection state in the commutation operation mode of FIG. In mode 1 until time t <t 1 in FIG. 2, the connection state of mode 1 shown in FIG. 3A is obtained, a gate signal is given to switching elements S ugR and S ugL , and output current i is switched It flows as a current i sug element, the capacitor voltage v ug of the bidirectional switch S ug has become zero. Further, the capacitor voltage v vg = −e uv of the bidirectional switch S vg is charged to a negative input voltage.

時刻t=tで、スイッチング素子SugRとSugLのゲート信号がオフになると、並列キャパシタ電圧vugが零のため、スイッチング素子SugRは零電圧スイッチングでオフする。図2のモード2に遷移し、図3(b)に示すモード2の接続状態が得られる。モード2では、出力電流iは、2個の双方向スイッチのキャパシタに分流し、キャパシタ電流icug=icvg=i/2として流れる。双方向スイッチSugのキャパシタ電圧vugは入力電圧euvまで充電され、双方向スイッチSvgのキャパシタ電圧vcvgは零電圧まで放電され、モード2は終了する。スイッチング素子SugRとSugLのゲート信号をオフさせ、ターンオフ時間Toffだけ経過した後に、転流先のスイッチング素子SvgRにゲート信号を与えるが、並列のキャパシタ電圧vvgにより逆バイアスされるので、スイッチング素子SvgRがオンすることはない。 At time t = t 1, when the gate signal of the switching element S UGR and S UGL is turned off, since the parallel capacitor voltage v ug is zero, the switching element S UGR is turned off at the zero voltage switching. Transition is made to mode 2 in FIG. 2, and a connection state in mode 2 shown in FIG. 3B is obtained. In mode 2, the output current i is shunted to the capacitors of the two bidirectional switches, and flows as the capacitor current i cug = i cvg = i / 2. Capacitor voltage v ug of the bidirectional switch S ug is charged to the input voltage e uv, capacitor voltage v CVG bidirectional switch S vg is discharged to zero voltage, mode 2 is terminated. The gate signals of the switching elements S ugR and S ugL are turned off, and after the turn-off time T off has elapsed, a gate signal is given to the switching element S vgR at the commutation destination, but is reverse-biased by the parallel capacitor voltage v vg The switching element S vgR is never turned on.

時刻t=tで、双方向スイッチSvgのキャパシタ電圧vvgが零になると、零電圧スイッチングでスイッチング素子SvgRがオンする。図2のモード3に遷移し、図3(c)に示すモード3の接続状態が得られる。出力電流iは、スイッチング素子の電流isvgとして流れ、双方向スイッチSvgのキャパシタ電圧vvgは零に、双方向スイッチSugのキャパシタ電圧vug=euvは入力電圧に充電されている。 When the capacitor voltage v vg of the bidirectional switch S vg becomes zero at time t = t 2 , the switching element S vgR is turned on by zero voltage switching. A transition is made to mode 3 in FIG. 2, and a connection state in mode 3 shown in FIG. 3C is obtained. The output current i flows as a current isvg switching element, the capacitor voltage v vg is zero bidirectional switch S vg, capacitor voltage v ug = e uv bidirectional switch S ug is charged to the input voltage.

転流に掛かる最大許容時間T2maxを経過した後、図2のモード4に遷移し、図3(d)のモード4の接続状態にする。すなわち、出力電流iが負になったときに零電流スイッチングでスイッチング素子SvgLがオンするように、スイッチング素子SvgLにゲート信号を与える。 After the maximum permissible time T 2max for commutation has elapsed, the mode transitions to mode 4 in FIG. 2 to establish the connection state in mode 4 in FIG. That is, a gate signal is given to the switching element S vgL so that the switching element S vgL is turned on by zero current switching when the output current i becomes negative.

ここで、転流に掛かる最大許容時間T2maxと出力電流の絶対値 | i | の最小電流値I1minの関係を導出する。この転流において、出力電流iが零の場合、図2のモード2において、キャパシタの電圧が変化しないので、ソフトスイッチングができなくなる。したがって、ソフトスイッチングをするための出力電流の絶対値|i|の最小電流値I1minが存在する。図2のモード2の時間Tの最大許容時間をT2maxとすると、最小電流値I1minは次式で得られる。 Here, the relationship between the maximum allowable time T 2max required for commutation and the minimum current value I 1min of the absolute value | i | of the output current is derived. In this commutation, when the output current i is zero, the voltage of the capacitor does not change in the mode 2 of FIG. 2, so that soft switching cannot be performed. Therefore, there is a minimum current value I 1min of the absolute value | i | of the output current for soft switching. Assuming that the maximum allowable time of the time T 2 in mode 2 in FIG. 2 is T 2max , the minimum current value I 1min is obtained by the following equation.

[式1]

Figure 0006562301
[Formula 1]
Figure 0006562301

入力電圧euvが負の電圧で、出力電流iが正の電流の場合には、双方向スイッチSugとSvgの動作の入れ替えにより、高入力電位の双方向スイッチSvgから低入力電位の双方向スイッチSugへの転流においてソフトスイッチングできる。すなわち、出力電流iが正の電流の場合には、高入力電位の双方向スイッチから低入力電位の双方向スイッチへの転流においてソフトスイッチングできる。 When the input voltage e uv is a negative voltage and the output current i is a positive current, the operation of the bidirectional switches S ug and S vg is switched to change the low input potential from the bidirectional switch S vg having a high input potential. Soft switching can be performed in the commutation to the bidirectional switch S ug . That is, when the output current i is a positive current, soft switching can be performed in commutation from a high input potential bidirectional switch to a low input potential bidirectional switch.

図4は、入力電圧euvが正の電圧で、出力電流iが負の電流において、低入力電位の双方向スイッチSvgから高入力電位の双方向スイッチSugへのソフトスイッチング転流動作を示している。 FIG. 4 shows the soft switching commutation operation from the low input potential bidirectional switch S vg to the high input potential bidirectional switch S ug when the input voltage e uv is positive and the output current i is negative. Show.

図5は、図4の転流の動作モードにおける回路の接続状態を示している。図4の時刻t<tまでのモード1では、図5(a)に示すモード1の接続状態が得られ、スイッチング素子SvgLとSvgRにゲート信号が与えられ、出力電流iは、スイッチング素子の電流isvgとして流れ、双方向スイッチSvgのキャパシタ電圧vvgは零になっている。また、双方向スイッチSugのキャパシタ電圧vug=euvは入力電圧に充電されている。 FIG. 5 shows a circuit connection state in the commutation operation mode of FIG. In mode 1 until time t <t 1 in FIG. 4, the connection state of mode 1 shown in FIG. 5A is obtained, a gate signal is given to switching elements S vgL and S vgR , and output current i is switched flows as a current i svg element, the capacitor voltage v vg of the bidirectional switch S vg has become zero. The capacitor voltage v ug = e uv of the bidirectional switch S ug is charged to the input voltage.

時刻t=tで、スイッチング素子SvgLとSvgRのゲート信号がオフになると、並列キャパシタ電圧vvgが零のため、スイッチング素子SvgLは零電圧スイッチングでオフする。図4のモード2に遷移し、図5(b)に示すモード2の接続状態が得られる。モード2では、出力電流iは、2個の双方向スイッチのキャパシタに分流し、キャパシタ電流icug=icvg=i/2として流れる。双方向スイッチSvgのキャパシタ電圧vvgは負の入力電圧−euvまで充電され、双方向スイッチSugのキャパシタ電圧vugは零電圧まで放電され、モード2は終了する。スイッチング素子SvgLとSvgRのゲート信号をオフさせ、ターンオフ時間Toffだけ経過した後に、転流先のスイッチング素子SugLにゲート信号を与えるが、並列のキャパシタ電圧vugにより逆バイアスされるので、スイッチング素子SugLはオンすることはない。 When the gate signals of the switching elements S vgL and S vgR are turned off at time t = t 1 , since the parallel capacitor voltage v vg is zero, the switching element S vgL is turned off by zero voltage switching. Transition is made to mode 2 in FIG. 4, and the connection state in mode 2 shown in FIG. 5B is obtained. In mode 2, the output current i is shunted to the capacitors of the two bidirectional switches, and flows as the capacitor current i cug = i cvg = i / 2. Capacitor voltage v vg of the bidirectional switch S vg is charged to a negative input voltage -e uv, capacitor voltage v ug of the bidirectional switch S ug is discharged to zero voltage, mode 2 is terminated. After the gate signals of the switching elements S vgL and S vgR are turned off and the turn-off time T off has elapsed, the gate signal is given to the switching element S ugL at the commutation destination, but is reverse-biased by the parallel capacitor voltage v ug . The switching element S ugL is not turned on.

時刻t=tで、双方向スイッチSugのキャパシタ電圧vugが零になると、零電圧スイッチングでスイッチング素子SugLがオンする。図4のモード3に遷移し、図5(c)に示すモード3の接続状態が得られる。出力電流iは、スイッチング素子の電流isugとして流れ、双方向スイッチSugのキャパシタ電圧vugは零に、双方向スイッチSvgのキャパシタ電圧vvg=−euvは負の入力電圧に充電されている。 When the capacitor voltage v ug of the bidirectional switch S ug becomes zero at time t = t 2 , the switching element S ugL is turned on by zero voltage switching. A transition is made to mode 3 in FIG. 4, and a connection state in mode 3 shown in FIG. 5C is obtained. The output current i flows as a current i sug switching element, the capacitor voltage v ug of the bidirectional switch S ug to zero, the capacitor voltage v vg = -e uv bidirectional switch S vg is charged to the negative input voltage ing.

転流に掛かる最大許容時間T2maxを経過した後、図4のモード4に遷移し、図5(d)モード4の接続状態にする。すなわち、出力電流iが正になったときに零電流スイッチングでスイッチング素子SvgRがオンするように、スイッチング素子SvgRにゲート信号を与える。 After the maximum permissible time T2max for commutation has elapsed, the mode transitions to mode 4 in FIG. That is, a gate signal is given to the switching element SvgR so that the switching element SvgR is turned on by zero current switching when the output current i becomes positive.

この転流において、ソフトスイッチングをするための出力電流の絶対値|i|の最小電流値は、図4のモード2の時間Tの最大許容時間をT2maxとすると、式1の出力電流iが正の最小電流値I1minに等しくなる。 In this commutation, the minimum value of the absolute value | i | of the output current for soft switching is the output current i of Equation 1 assuming that the maximum allowable time of the time T 2 of mode 2 in FIG. 4 is T 2max. Is equal to the positive minimum current value I 1 min .

入力電圧euvが負の電圧で、出力電流iが負の電流の場合には、双方向スイッチSugとSvgの動作の入れ替えにより、低入力電位の双方向スイッチSugから高入力電位の双方向スイッチSvgへの転流においてソフトスイッチングできる。すなわち、出力電流iが負の電流の場合には、低入力電位の双方向スイッチから高入力電位の双方向スイッチへの転流においてソフトスイッチングが実現される。 When the input voltage e uv is a negative voltage and the output current i is a negative current, the operation of the bidirectional switches S ug and S vg is switched to change the low input potential bidirectional switch S ug to a higher input potential. Soft switching can be performed in commutation to the bidirectional switch Svg . That is, when the output current i is a negative current, soft switching is realized in commutation from the low input potential bidirectional switch to the high input potential bidirectional switch.

(第2の実施形態)
図6は、第2の双方向スイッチを用いたレグ回路の構成を示す図である。図6に示す第2の実施形態にかかるレグ回路は、図1に示す第1の実施形態にかかるレグ回路を、スイッチング素子に逆並列にダイオードを持つ双方向スイッチによって構成している。図6(a)は本実施形態にかかる第1の回路構成、(b)は第2の回路構成を示している。第1の回路構成においては、双方向スイッチの2つのスイッチング素子が入出力端子からスイッチング素子同士の接続点に向かってそれぞれ電流を導通する向きに逆直列接続されている。一方、第2の回路構成においては、スイッチング素子同士の接続点から入出力端子に向かってそれぞれ電流を導通する向きに逆直列接続されている。
(Second Embodiment)
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of a leg circuit using the second bidirectional switch. In the leg circuit according to the second embodiment shown in FIG. 6, the leg circuit according to the first embodiment shown in FIG. 1 is configured by a bidirectional switch having a diode in antiparallel with the switching element. FIG. 6A shows a first circuit configuration according to this embodiment, and FIG. 6B shows a second circuit configuration. In the first circuit configuration, the two switching elements of the bidirectional switch are connected in reverse series in such a direction as to conduct current from the input / output terminals toward the connection point between the switching elements. On the other hand, in the second circuit configuration, they are connected in reverse series in such a direction that current is conducted from the connection point of the switching elements to the input / output terminal.

入力端子uと出力端子g間の双方向スイッチSugは、スイッチング素子SugRに逆並列ダイオードを接続した素子と、スイッチング素子SugLに逆並列ダイオードを接続した素子を逆向きに直列接続し、さらに、この直列素子と並列にソフトスイッチング用キャパシタCsoft1を並列接続して構成されている。双方向スイッチSvgは、双方向スイッチSugと同じ構成で、スイッチング素子SvgRに逆並列ダイオードを接続した素子と、スイッチング素子SvgLに逆並列ダイオードを接続した素子を逆向きに直列接続し、さらに、この直列素子と並列にソフトスイッチング用キャパシタCsoft1を接続して構成されている。この回路では、図1のレグ回路と同じ動作をし、図2及び図4の動作波形が成り立つ。すなわち、出力電流iが正の電流の場合には、高入力電位の双方向スイッチから低入力電位の双方向スイッチへの転流において、出力電流iが負の電流の場合には、低入力電位の双方向スイッチから高入力電位の双方向スイッチへの転流において、それぞれソフトスイッチングが実現される。 Bidirectional switch S ug between the input terminals u output terminal g is connected in series with element connected anti-parallel diode to the switching element S UGR, the elements connected to inverse parallel diode to the switching element S UGL reversed, Further, a soft switching capacitor C soft1 is connected in parallel with the series element. Bidirectional switch S vg is the same configuration as the bidirectional switch S ug, connected in series with element connected anti-parallel diode to the switching element S Vgr, the elements connected to inverse parallel diode to the switching element S VGL reversed In addition, a soft switching capacitor C soft1 is connected in parallel with the series element. This circuit performs the same operation as the leg circuit of FIG. 1, and the operation waveforms of FIGS. 2 and 4 are established. That is, when the output current i is a positive current, in the commutation from the high input potential bidirectional switch to the low input potential bidirectional switch, when the output current i is a negative current, the low input potential In the commutation from the bidirectional switch to the bidirectional switch having a high input potential, soft switching is realized.

なお、本実施形態におけるスイッチング素子は、第1の実施形態とは異なり、逆阻止能力を有する必要はない。   Note that, unlike the first embodiment, the switching element in the present embodiment does not need to have reverse blocking capability.

ここで、第2の実施形態にかかる双方向スイッチと、前述の特許文献1で提案されている双方向スイッチの比較について詳細に説明する。   Here, a comparison between the bidirectional switch according to the second embodiment and the bidirectional switch proposed in Patent Document 1 will be described in detail.

既に述べたように、特許文献1では、すべてのスイッチング素子のソフトスイッチングを試みた提案がなされている。しかしながら、トランス一次側の電力変換器の双方向スイッチの構成として、スイッチング素子に逆並列ダイオードと並列キャパシタが接続されたスイッチを、2個逆直列にして構成している。双方向スイッチに、スイッチング素子2個、ダイオード2個、キャパシタ2個が必要で多くの部品を必要としている。逆並列ダイオードを持たない逆阻止形のスイッチング素子を双方向スイッチとして構成する場合の適用法については、述べられていない。   As already described, Patent Document 1 proposes a soft switching of all switching elements. However, as a bidirectional switch configuration of the power converter on the transformer primary side, two switches in which an antiparallel diode and a parallel capacitor are connected to the switching element are configured in reverse series. The bidirectional switch requires two switching elements, two diodes, and two capacitors, and many parts are required. An application method in the case where a reverse blocking type switching element having no antiparallel diode is configured as a bidirectional switch is not described.

また、従来の回路構成では、オフしているスイッチング素子の並列キャパシタの電荷を放出することができず、スイッチ操作の際の自由度が制限されていた。また、電源電圧が変化するなどにより、電圧を零に保ちたいキャパシタにも電荷がたまり、電圧を発生して、その電荷はスイッチング素子をオンして放出するので、すべて損失になり、効率面での課題を有していた。さらに、転流において、電源の符号が異なっている場合には電源短絡を発生し、損失が増加するだけではなく、安全上の課題もあった。   Further, in the conventional circuit configuration, the charge of the parallel capacitor of the switching element that is turned off cannot be discharged, and the degree of freedom during switch operation is limited. In addition, due to changes in the power supply voltage, the capacitor that wants to keep the voltage at zero accumulates electric charge, generates voltage, and the charge is released by turning on the switching element. Had the problem of. Further, in the commutation, when the signs of the power supplies are different, a power supply short circuit occurs, which not only increases the loss but also has a safety problem.

損失発生の課題について具体的に以下に述べる。図27は、特許文献1の電力変換器におけるソフトスイッチング動作をするレグ回路の構成である。入力端子u、vと出力端子gがあり、入力端子間には、電圧源euvを接続している。入力端子uと出力端子g間の双方向スイッチは、スイッチング素子SugRに逆並列ダイオードと並列キャパシタを接続した素子と、スイッチング素子SugLに逆並列ダイオードと並列キャパシタを接続した素子を逆向きに直列接続して構成されている。vとg間の双方向スイッチは、uとg間の双方向スイッチと同じ構成である。 The problem of loss generation is specifically described below. FIG. 27 shows a configuration of a leg circuit that performs a soft switching operation in the power converter of Patent Document 1. There are input terminals u and v and an output terminal g, and a voltage source e uv is connected between the input terminals. Bidirectional switch between the input terminal u output terminal g is an element connected anti-parallel diode and a parallel capacitor to the switching element S UGR, the element connected to the anti-parallel diode parallel capacitor to the switching element S UGL reversed It is configured in series connection. The bidirectional switch between v and g has the same configuration as the bidirectional switch between u and g.

図28は、特許文献1において、入力電圧euvが正の電圧で、スイッチング素子SvgR、SvgLがオンしているときの接続状態である。同図(a)では、スイッチング素子SugR、SugLの並列キャパシタの電圧は、それぞれvugR=euv、vugL=0になっている。キャパシタの電圧vugLは、零の状態を保ちたいが、電源電圧euvは交流電圧であり、電源電圧がeuv−2ΔVに変化すると、スイッチング素子SugR、SugLの並列キャパシタは、電荷を放出できないので、同図(b)に示すように電流が流れ、同図(c)に示すようにスイッチング素子SugRの並列キャパシタ電圧はvugR=euv−ΔV、スイッチング素子SugLの並列キャパシタ電圧はvugL=−ΔVになる。v相からuへの転流動作において、スイッチング素子SugLをオンしたときに、並列キャパシタ電圧vugL=−ΔVは短絡され、損失を発生する。電源電圧は常に変化しているので、このような損失は常時発生している。 FIG. 28 shows a connection state when the input voltage e uv is a positive voltage and the switching elements S vgR and S vgL are on in Patent Document 1. In FIG. (A), the switching element S UGR, the voltage of the parallel capacitor of the S UGL is adapted to v ugR = e uv, v ugL = 0 respectively. The capacitor voltage v ugL wants to remain zero, but the power supply voltage e uv is an AC voltage. When the power supply voltage changes to e uv −2ΔV o , the parallel capacitors of the switching elements S ugR and S ugL are charged. (B), current flows as shown in FIG. 7B , and the parallel capacitor voltage of the switching element SugR is v ugR = e uv −ΔV o , and the switching element S ugL The parallel capacitor voltage is v ugL = −ΔV o . In the commutation operation from the v phase to u, when the switching element S ugL is turned on, the parallel capacitor voltage v ugL = −ΔV o is short-circuited, and a loss is generated. Since the power supply voltage is constantly changing, such a loss always occurs.

図29は、図27に示す従来のレグ回路において、入力電圧euvが正の電圧で、出力電流iが正の電流の場合に、高入力電位のu相から低入力電位のv相へのソフトスイッチング転流動作を示している。図30は、図29の転流の動作モードにおける回路の接続状態を示している。図29の時刻t<tまでのモード1では、図30(a)モード1の接続状態が得られ、スイッチング素子SugRにゲート信号が与えられ、出力電流iは、スイッチング素子SugRを流れ、u相のキャパシタ電圧vugR、vugLは共に零になっている。また、v相のキャパシタ電圧vvgR=0で、vvgL=−euvは負の入力電圧に充電されている。転流に備えて、キャパシタ電圧vvgL=0の放電経路を確保するためにスイッチング素子SvgRにゲート信号が与えられる。 FIG. 29 shows a case where the input voltage e uv is a positive voltage and the output current i is a positive current from the u phase having a high input potential to the v phase having a low input potential in the conventional leg circuit shown in FIG. The soft switching commutation operation is shown. FIG. 30 shows a circuit connection state in the commutation operation mode of FIG. In mode 1 up to time t <t 1 in FIG. 29, the connection state of FIG. 30A is obtained, a gate signal is given to switching element S ugR , and output current i flows through switching element S ugR . The u-phase capacitor voltages v ugR and v ugL are both zero. Further, the v-phase capacitor voltage v vgR = 0, and v vgL = −e uv is charged to a negative input voltage. In preparation for commutation, a gate signal is applied to the switching element S vgR to ensure a discharge path with a capacitor voltage v vgL = 0.

時刻t=tで、スイッチング素子SugRのゲート信号がオフになると、並列キャパシタ電圧vugRが零のため、スイッチング素子SugRは零電圧スイッチングでオフする。図29のモード2に遷移し、図30(b)モード2の接続状態が得られる。モード2では、出力電流iは、u相、v相に等しく分流し、iug=ivg=i/2が流れる。u相電流iug=i/2により、スイッチング素子SugRの並列キャパシタの電圧は入力電圧euvまで充電される。v相電流ivg=i/2は、スイッチング素子SugRを通り、スイッチング素子SugLの並列キャパシタを零電圧まで放電して、モード2を終了する。 When the gate signal of the switching element S ugR is turned off at time t = t 1 , since the parallel capacitor voltage v ugR is zero, the switching element S ugR is turned off by zero voltage switching. Transition is made to mode 2 in FIG. 29, and the connection state of mode 2 in FIG. 30 (b) is obtained. In mode 2, the output current i is equally divided into the u-phase and the v-phase, and i ug = i vg = i / 2 flows. Due to the u-phase current i ug = i / 2, the voltage of the parallel capacitor of the switching element S ugR is charged to the input voltage e uv . v-phase current i vg = i / 2 passes through the switching element S UGR, to discharge the parallel capacitor of the switching element S UGL to zero voltage, to end the mode 2.

時刻t=tで、v相のキャパシタ電圧vvgLが零になると、零電圧スイッチングでスイッチング素子SvgLに並列のダイオードがオンする。図29のモード3に遷移し、図30(c)モード3の接続状態が得られる。出力電流iは、スイッチング素子SvgRと、スイッチング素子SvgLに並列のダイオードを流れる。v相のキャパシタ電圧vvgR、vvgLは共に零になり、u相のキャパシタ電圧vugRは入力電圧euvに充電され、vugLは零になる。 When the v-phase capacitor voltage v vgL becomes zero at time t = t 2 , a diode parallel to the switching element S vgL is turned on by zero voltage switching. Transition is made to mode 3 in FIG. 29, and the connection state of mode 3 in FIG. 30 (c) is obtained. The output current i flows through a diode parallel to the switching element S vgR and the switching element S vgL . The v-phase capacitor voltages v vgR and v vgL are both zero, the u-phase capacitor voltage v ugR is charged to the input voltage e uv , and v ugL is zero.

この転流動作のモード1において、キャパシタ電圧vvgL=−euvの放電経路を確保するためにスイッチング素子SvgRにゲート信号を与えなければならない。電源電圧euvは、交流であり、電圧零付近では検出器の精度や検出遅れにより、正確な電圧符号を検出できないことがある。もし、実際の電圧が負であった場合に図30(a)から明らかなように、電源電圧euvが短絡され、大きな損失を発生するだけではなく、安全上の問題も引き起こす。この短絡を防ぐためには、スイッチング素子SugLのゲート信号をオフにする必要があるが、電流の符号も変わることがあり、デリケートなスイッチ操作が要求されていた。 In mode 1 of this commutation operation, a gate signal must be given to the switching element S vgR in order to ensure a discharge path of the capacitor voltage v vgL = −e uv . The power supply voltage e uv is an alternating current, and an accurate voltage code may not be detected near the voltage zero due to the accuracy of the detector or detection delay. If the actual voltage is negative, as is apparent from FIG. 30A , the power supply voltage e uv is short-circuited, causing not only a large loss but also a safety problem. In order to prevent this short circuit, it is necessary to turn off the gate signal of the switching element SugL , but the sign of the current may change, and a delicate switch operation has been required.

この点、第2の実施形態のように、並列キャパシタを1個とし、スイッチング素子の外側に接続することで、外部の電圧の変化などにより、並列キャパシタは、常時、充放電され、電圧も変化することができる。このため、特許文献1の課題であるオフしているスイッチング素子の並列キャパシタの電荷放出ができない課題が解決される。また、特許文献1のもう1つの課題である転流に備えて、キャパシタ電圧の放電経路を確保するためにスイッチング素子に事前にゲート信号を与える必要もなくなるため、スイッチ操作の煩雑さが改善され使い勝手がよく、さらに、電源符号の検出誤りがあっても電源短絡を引き起こすことがないため、安全である。   In this regard, as in the second embodiment, by connecting one parallel capacitor and connecting it to the outside of the switching element, the parallel capacitor is constantly charged and discharged and the voltage also changes due to a change in external voltage. can do. For this reason, the subject which cannot perform charge discharge of the parallel capacitor of the switching element which is OFF which is a subject of patent documents 1 is solved. Further, in preparation for commutation, which is another problem of Patent Document 1, it is not necessary to give a gate signal to the switching element in advance in order to secure a discharge path of the capacitor voltage, so that the complexity of the switch operation is improved. It is safe to use because it does not cause a power supply short circuit even if a power supply code detection error occurs.

以上説明したように、第2の実施形態にかかる双方向スイッチは、特許出願1において提案されている双方向スイッチと比較し、オフ時の双方向スイッチに掛かる電圧変化による損失を発生しないため高効率であり、また、キャパシタ電圧の放電経路を確保するためにスイッチング素子に事前にゲート信号を与える必要がなく電源短絡の可能性も排除できることから、使い勝手がよく安全である。このような効果は、第1の実施形態にかかる双方向スイッチについても同様である。   As described above, the bidirectional switch according to the second embodiment does not generate a loss due to a voltage change applied to the bidirectional switch at the time of OFF compared to the bidirectional switch proposed in Patent Application 1, and thus is high. It is efficient, and since it is not necessary to give a gate signal to the switching element in advance in order to secure a capacitor voltage discharge path, the possibility of a power supply short-circuit can be eliminated, so that it is easy to use and safe. Such an effect is the same for the bidirectional switch according to the first embodiment.

(第3の実施形態)
図7は、第1の双方向スイッチを用いた3入力1出力のレグ回路の構成を示す。図1に示す2入力1出力のレグ回路に対して、入力端子wを追加して、3入力1出力として、追加した入力端子wと出力端子g間に、他端子と同様に、ソフトスイッチング用キャパシタCsoft1を並列接続した双方向スイッチSwgを挿入している。入力端子間には、フィルタ用のキャパシタCをデルタ結線で接続している。双方向スイッチSug、Svg、Swgのいずれか1つをオンし、出力電流iを流す。したがって、転流時のソフトスイッチング条件は、図1のレグ回路と同様であり、出力電流iが正の電流の場合には、高入力電位の双方向スイッチから低入力電位の双方向スイッチへの転流において、出力電流iが負の電流の場合には、低入力電位の双方向スイッチから高入力電位の双方向スイッチへの転流において、それぞれソフトスイッチングが実現される。
(Third embodiment)
FIG. 7 shows a configuration of a three-input one-output leg circuit using the first bidirectional switch. The input circuit w is added to the 2-input 1-output leg circuit shown in FIG. 1 to provide a 3-input 1-output, between the added input terminal w and the output terminal g, as with other terminals, for soft switching. A bidirectional switch S wg in which a capacitor C soft1 is connected in parallel is inserted. Between the input terminal, connecting the capacitors C f for filtering the delta connection. One of the bidirectional switches S ug , S vg , and S wg is turned on, and the output current i flows. Therefore, the soft switching condition at the time of commutation is the same as that of the leg circuit of FIG. 1, and when the output current i is a positive current, the switch from the high input potential bidirectional switch to the low input potential bidirectional switch is performed. In the commutation, when the output current i is a negative current, soft switching is realized in the commutation from the low input potential bidirectional switch to the high input potential bidirectional switch.

なお、図7のレグ回路における双方向スイッチを、図6に示すスイッチング素子に逆並列にダイオードを持つ素子で双方向スイッチに置き換えることもできる。また、入力端子間のキャパシタCはスター結線で接続することもできる。 Note that the bidirectional switch in the leg circuit of FIG. 7 can be replaced with a bidirectional switch by an element having a diode in antiparallel with the switching element shown in FIG. Further, the capacitor C f between the input terminals can be connected by star connection.

図7のレグ回路の入力を4端子以上に増やして、増やした端子と出力端子間に、ソフトスイッチングのためのソフトスイッチング用キャパシタCsoft1を並列接続した双方向スイッチを接続した多入力1出力のレグ回路を構成することもできる。この多入力1出力のレグ回路においても、1つの双方向スイッチにオン信号を与え、出力電流iが正の電流の場合には、高入力電位の双方向スイッチから低入力電位の双方向スイッチへの転流において、出力電流iが負の電流の場合には、低入力電位の双方向スイッチから高入力電位の双方向スイッチへの転流において、それぞれソフトスイッチングが実現される。 The input of the leg circuit of FIG. 7 is increased to four terminals or more, and a multi-input one-output is provided in which a bidirectional switch in which a soft switching capacitor C soft1 for soft switching is connected in parallel is connected between the increased terminal and the output terminal. A leg circuit can also be configured. Also in this multi-input one-output leg circuit, when an ON signal is given to one bidirectional switch and the output current i is a positive current, the bidirectional switch with a high input potential is switched to the bidirectional switch with a low input potential. When the output current i is a negative current in the commutation, soft switching is realized in the commutation from the low input potential bidirectional switch to the high input potential bidirectional switch.

(第4の実施形態)
図8は、第3の実施形態のレグ回路を用いた高周波絶縁型AC/DCコンバータの回路構成を示す図である。三相電圧esu、esv、eswに、リアクトルLとキャパシタンスCからなる電源への高調波電流抑制のLCフィルタを通し、図7のソフトスイッチング動作をする3入力1出力のレグ回路の構成を2個用い、AC/AC電力変換するマトリックスコンバータ構成とし、双方向スイッチSug−Swhのスイッチングにより高周波トランスTの一次高周波電圧vを発生する。高周波トランスTの一次側及び二次側にはそれぞれ、電流変化を抑制するためのリアクトルl、lが接続されている。高周波トランスTの二次高周波電圧vは、キャパシタンスCの出力直流電圧Vdcに接続されたHブリッジのスイッチSjp−Sknのスイッチングにより発生される。ソフトスイッチングのために、一次側マトリックスコンバータの各スイッチに、並列にキャパシタCsoft1を、また、二次側Hブリッジの各スイッチに、キャパシタCsoft2がそれぞれ接続される。
(Fourth embodiment)
FIG. 8 is a diagram showing a circuit configuration of a high-frequency isolated AC / DC converter using the leg circuit of the third embodiment. A three-input one-output leg circuit that performs the soft switching operation of FIG. 7 by passing the three-phase voltages e su , e sv , and e sw through the LC filter for suppressing harmonic currents to the power source including the reactor L f and the capacitance C f . The matrix converter configuration for AC / AC power conversion is used, and the primary high-frequency voltage v 1 of the high-frequency transformer Tr is generated by switching the bidirectional switch S ug -S wh . Reactors l 1 and l 2 for suppressing current change are connected to the primary side and the secondary side of the high-frequency transformer Tr , respectively. The secondary high-frequency voltage v 2 of the high-frequency transformer Tr is generated by switching of the H-bridge switch S jp -S kn connected to the output DC voltage V dc of the capacitance C. For soft switching, each switch of the primary-side matrix converter, the capacitor C soft1 in parallel, also, each switch of the secondary side H-bridge, capacitor C the soft 2 are respectively connected.

なお、図8に示す回路において、高周波トランスTの漏れインダクタンスが大きい場合は、電流変化を抑制するためのリアクトルl、lを備えなくてもよい。 In the circuit shown in FIG. 8, when the leakage inductance of the high-frequency transformer Tr is large, the reactors l 1 and l 2 for suppressing the current change may not be provided.

図9は、電源線間電圧実効値をEとしたときの電源電圧esu、esv、eswの電圧波形である。図8のリアクトルLの電圧降下は十分小さく、キャパシタンスCの電圧は、電源電圧esu、esv、eswに等しいとする。 FIG. 9 shows voltage waveforms of the power supply voltages e su , e sv , and e sw where E is the effective value of the power line voltage. It is assumed that the voltage drop of the reactor L f in FIG. 8 is sufficiently small and the voltage of the capacitance C f is equal to the power supply voltages e su , e sv , e sw .

図10は、高周波トランスTの巻数比を1:1とし、図9の(a)時点の電源電圧esu>esv>0>eswにおける高周波の1周期2Tの各波形を示している。すなわち、相電圧絶対値が最大となる電源電圧eswの符号が負の場合である。高周波トランスの一次電圧指令値v および二次電圧指令値v は、波高値を出力直流電圧Vdcの方形波で与えられ、トランスを通過する電力を、一次電圧指令値v と二次電圧指令値v との位相角Θで制御している。位相角Θの増加に伴って、一次電圧指令値v に対して二次電圧指令値v の遅れが大きくなると、一次側から二次側への送電電力は増加する。一次電圧vは、半周期T間の平均値が指令値v に等しくなるように、スイッチングパターンを発生している。二次電圧vは、Hブリッジを180度通電して、指令値v に等しい波高値Vdcの方形波電圧を発生する。なお、励磁電流は十分小さいとして無視し、高周波トランスの一次・二次電流i、iは、等しい波形としている。 FIG. 10 shows each waveform of one cycle of high frequency 2T s at the power supply voltage e su > e sv >0> e sw at the time point (a) of FIG. 9 with the turns ratio of the high frequency transformer T r being 1: 1. Yes. That is, this is a case where the sign of the power supply voltage e sw that maximizes the phase voltage absolute value is negative. The primary voltage command value v * 1 and the secondary voltage command value v * 2 of the high-frequency transformer are provided with a peak value as a square wave of the output DC voltage V dc , and the electric power passing through the transformer is converted into the primary voltage command value v * 1. If it is controlled by the phase angle theta d of the secondary voltage command value v * 2. With increasing phase angle theta d, the secondary voltage command value v * 2 delay with respect to the primary voltage command value v * 1 increases, the transmission power from the primary side to the secondary side is increased. The primary voltage v 1 generates a switching pattern such that the average value during the half cycle T s is equal to the command value v * 1 . The secondary voltage v 2 energizes the H bridge 180 degrees to generate a square wave voltage having a peak value V dc equal to the command value v * 2 . The exciting current is ignored because it is sufficiently small, and the primary and secondary currents i 1 and i 2 of the high-frequency transformer have the same waveform.

図10に示すように、電源電圧がesu>esv>0>eswにおいては、高周波トランスの一次電圧vの正の半周期Tでは、電源相電圧の絶対値が最大となる最小電圧相wの双方向スイッチSwhをオンして、一次電圧vの負電位となるh相は最小電圧相wに常時接続し、正電位となるg相は、最小電圧相wの双方向スイッチSwgから、最大電圧相uの双方向スイッチSug、中間電圧相vの双方向スイッチSvg、最小電圧相wの双方向スイッチSwgとオン状態を変化させる。高周波トランスの一次電圧vの負の半周期Tでは、g相は最小電圧相wの双方向スイッチSwgを常時オンし、h相は、最小電圧相wの双方向スイッチSwhから、最大電圧相uの双方向スイッチSuh、中間電圧相vの双方向スイッチSvh、最小電圧相wの双方向スイッチSwhとオン状態を変化させる。 As shown in FIG. 10, when the power supply voltage is e su > e sv >0> e sw , the minimum value at which the absolute value of the power supply phase voltage is maximized in the positive half cycle T s of the primary voltage v 1 of the high-frequency transformer. by turning on the bidirectional switch S wh voltage phase w, h phase that provides the negative potential of the primary voltage v 1 is constantly connected to the minimum voltage phase w, g phase as a positive potential, bidirectional minimum voltage phase w From the switch S wg , the bidirectional switch S ug of the maximum voltage phase u, the bidirectional switch S vg of the intermediate voltage phase v, and the bidirectional switch S wg of the minimum voltage phase w are changed. In the negative half cycle T s of the primary voltage v 1 of the high-frequency transformer, the g phase always turns on the bidirectional switch S wg of the minimum voltage phase w, and the h phase from the bidirectional switch S wh of the minimum voltage phase w bidirectional switch S uh maximum voltage phase u, bidirectional switch S vh intermediate voltage phase v, varying the bidirectional switch S wh and on state of the minimum voltage phase w.

図10の方形波の一次電圧指令値v と差の小さい一次電圧vの電圧波形を発生する方法を説明する。一次電圧端子g、hは、それぞれいずれかの双方向スイッチをオンすることで、電源電圧esu、esv、eswに接続されるので、一次電圧vの瞬時電圧は、電源線間電圧が現れる。電源電圧esu>esv>0>eswの関係から、すべての線間電圧の大小関係は、euw>evw>euv>0=euu=evv=eww>evu>ewv>ewuと得られる。電圧利用率を高めるために高い電圧の使用が望ましく、一次電圧指令値v の正の半周期では、正の大きな2種類の電圧euw、evwを用い、いずれの電圧もh相はw相に接続されるので、零電圧としてewwを用いてw相のスイッチング回数を低減する。したがって、h相は相電圧絶対値の最大値|esw|の最小電圧相wに固定し、一次電圧vの電圧波形を方形に近づけるために、g相は、半周期の最初と最後に零電圧を発生するために最小電圧相wに、半周期の中間では最大電圧相uと中間電圧相vにそれぞれ接続する。一次電圧指令値v の負の半周期では、負の大きな2種類の電圧ewu、ewvを用い、いずれの電圧もg相はw相に接続されるので、零電圧としてewwを用いてw相のスイッチング回数を低減する。したがって、g相は相電圧絶対値の最大値|esw|の最小電圧相wに固定し、一次電圧vの電圧波形を方形に近づけるために、h相は、半周期の最初と最後に零電圧を発生するために最小電圧相wに、半周期の中間では最大電圧相uと中間電圧相vにそれぞれ接続する。一次電圧指令値v の正および負の半周期における最大電圧相uと中間電圧相vの接続順については、ソフトスイッチングがされるように順番を考慮する必要がある。 A method of generating a voltage waveform of the primary voltage v 1 having a small difference from the square wave primary voltage command value v * 1 in FIG. 10 will be described. Since the primary voltage terminals g and h are respectively connected to the power supply voltages e su , e sv , and e sw by turning on one of the bidirectional switches, the instantaneous voltage of the primary voltage v 1 is the voltage between the power supply lines. Appears. From the relationship of power supply voltage e su > e sv >0> e sw , the magnitude relationship of all the line voltages is e uw > e vw > e uv > 0 = e uu = e vv = e ww > e vu > e It is obtained that wv > e wu . In order to increase the voltage utilization rate, it is desirable to use a high voltage. In the positive half cycle of the primary voltage command value v * 1 , two types of positive voltages e uw and e vw are used. Since it is connected to the w phase, the number of times of switching in the w phase is reduced by using e ww as the zero voltage. Therefore, the h phase is fixed to the minimum voltage phase w of the maximum absolute value of the phase voltage | e sw | and the voltage phase of the primary voltage v 1 is approximated to a square so that the g phase is at the beginning and end of the half cycle. In order to generate a zero voltage, it is connected to the minimum voltage phase w, and in the middle of the half cycle, it is connected to the maximum voltage phase u and the intermediate voltage phase v. In the negative half cycle of the primary voltage command value v * 1 , two types of negative large voltages e wu and e wv are used, and since both g voltages are connected to the w phase, e ww is used as a zero voltage. Use to reduce the number of w-phase switching times. Therefore, the g phase is fixed to the minimum voltage phase w of the maximum absolute value | e sw | of the phase voltage, and the h phase is at the beginning and end of the half cycle in order to make the voltage waveform of the primary voltage v 1 close to a square. In order to generate a zero voltage, it is connected to the minimum voltage phase w, and in the middle of the half cycle, it is connected to the maximum voltage phase u and the intermediate voltage phase v. Regarding the connection order of the maximum voltage phase u and the intermediate voltage phase v in the positive and negative half cycles of the primary voltage command value v * 1 , it is necessary to consider the order so that soft switching is performed.

既に説明したように、ソフトスイッチングの条件は、高入力電位の双方向スイッチから低入力電位の双方向スイッチへの転流では、レグ回路の出力電流iが正の電流であり、低入力電位の双方向スイッチから高入力電位の双方向スイッチへの転流では、レグ回路の出力電流iが負の電流である。g相出力電流iは、一次電流iと同方向で、i=iである。h相出力電流iは、一次電流iと逆方向で、i=−iである。図10より、高周波トランスの一次電圧vの1周期2Tにおける一次側マトリックスコンバータの6回の転流の状態は次式に示すように、すべてソフトスイッチング条件を満たし、ソフトスイッチングが達成されている。 As described above, the soft switching condition is that the output current i of the leg circuit is a positive current in the commutation from the bidirectional switch with a high input potential to the bidirectional switch with a low input potential. In the commutation from the bidirectional switch to the bidirectional switch having a high input potential, the output current i of the leg circuit is a negative current. The g-phase output current i g is in the same direction as the primary current i 1 and i g = i 1 . The h-phase output current i h is i h = −i 1 in the opposite direction to the primary current i 1 . From FIG. 10, the six-time commutation state of the primary side matrix converter in one cycle 2T s of the primary voltage v 1 of the high-frequency transformer satisfies all the soft switching conditions and the soft switching is achieved as shown in the following equation. Yes.

[式2]

Figure 0006562301
[Formula 2]
Figure 0006562301

前述の非特許文献1に、二次側コンバータのソフトスイッチングについて示されているが、その原理を説明する。図11は二次側コンバータのソフトスイッチングの転流過程である。同図(a)は二次電流i>0におけるj相の負側スイッチSjnから正側スイッチSjpへの転流動作を示している。転流前のモード1においては、トランスの二次電流iはスイッチSjnを流れ、スイッチSjpの並列キャパシタはp側+、トランス側−の電荷が蓄積されている。スイッチSjnをオフしたとき、並列キャパシタの電荷は零なので、零電圧スイッチングを実現できる。スイッチSjnのオフにより、モード2に移行し、二次電流iは2個のキャパシタに分流して、負側キャパシタは充電され、正側キャパシタは放電される。正側キャパシタの放電完了後、モード3に移行し、二次電流iはスイッチSjpのダイオードを流れる。ダイオードのオン期間にスイッチSjpにオン信号を与えることで、二次電流iが正から負に変化するときには、スイッチSjpは零電流スイッチングになる。 Non-Patent Document 1 described above describes soft switching of the secondary side converter, and the principle will be described. FIG. 11 shows a commutation process of soft switching of the secondary side converter. FIG. 5A shows the commutation operation from the j-phase negative switch S jn to the positive switch S jp when the secondary current i 2 > 0. In mode 1 before commutation, the secondary current i 2 of the transformer flows through the switch S jn, and the parallel capacitor of the switch S jp accumulates p-side + and transformer-side charges. When the switch S jn is turned off, zero voltage switching can be realized because the charge of the parallel capacitor is zero. When the switch S jn is turned off, the mode shifts to mode 2, the secondary current i 2 is shunted to the two capacitors, the negative capacitor is charged, and the positive capacitor is discharged. After the discharge of the positive capacitor is completed, the mode 3 is entered, and the secondary current i 2 flows through the diode of the switch S jp . By applying an ON signal to the switch S jp during the ON period of the diode, the switch S jp becomes zero current switching when the secondary current i 2 changes from positive to negative.

図11(b)は二次電流i<0におけるj相の正側スイッチSjpから負側スイッチSjnへの転流動作を示している。転流前のモード1においては、トランスの二次電流iはスイッチSjpを流れ、スイッチSjnの並列キャパシタはトランス側+、n側−の電荷が蓄積されている。スイッチSjpをオフしたとき、並列キャパシタの電荷は零なので、零電圧スイッチングを実現できる。スイッチSjpのオフにより、モード2に移行し、二次電流iは2個のキャパシタに分流して、正側キャパシタは充電され、負側キャパシタは放電される。負側キャパシタの放電完了後、モード3に移行し、二次電流iはスイッチSjnのダイオードを流れる。ダイオードのオン期間にスイッチSjnにオン信号を与えることで、二次電流iが負から正に変化するときには、スイッチSjnは零電流スイッチングになる。 FIG. 11B shows a commutation operation from the j-phase positive switch S jp to the negative switch S jn in the secondary current i 2 <0. In mode 1 before commutation, the secondary current i 2 of the transformer flows through the switch S jp, and the parallel capacitor of the switch S jn stores the charges on the transformer side + and the n side −. When the switch S jp is turned off, zero voltage switching can be realized because the charge of the parallel capacitor is zero. The switches S uk off, the process proceeds to mode 2, the secondary current i 2 is branched into two capacitors, the positive side capacitor is charged, the negative side capacitor is discharged. After the discharge of the negative capacitor is completed, the mode 3 is entered, and the secondary current i 2 flows through the diode of the switch S jn . By applying an ON signal to the switch S jn during the ON period of the diode, the switch S jn becomes zero current switching when the secondary current i 2 changes from negative to positive.

二次側コンバータのソフトスイッチングの条件は、j相において、スイッチSjn→Sjpの負側スイッチから正側スイッチへの転流では、二次電流は正(i>0)であり、逆にスイッチSjp→Sjnの正側スイッチから負側スイッチへの転流では、二次電流は負(i<0)である。k相においては、j相と二次電流の符号が反転するので、ソフトスイッチングの条件も二次電流の符号が反転し、負側スイッチから正側スイッチへの転流への転流では二次電流は負(i<0)、正側スイッチから負側スイッチへの転流では二次電流は正(i>0)になる。 The condition of the soft switching of the secondary side converter is that the secondary current is positive (i 2 > 0) and reverse in the commutation of the switch S jn → S jp from the negative side switch to the positive side switch in the j phase. In the commutation of the switch S jp → S jn from the positive side switch to the negative side switch, the secondary current is negative (i 2 <0). In the k phase, the sign of the secondary current is reversed with that of the j phase. Therefore, the sign of the secondary current is also reversed in the soft switching condition, and the secondary current is commutated from the negative switch to the commutation from the positive switch. The current is negative (i 2 <0), and the secondary current is positive (i 2 > 0) in the commutation from the positive switch to the negative switch.

図10に示すように、二次側Hブリッジの各スイッチの切り替えにおいて、次式に示すようにすべてのスイッチングでソフトスイッチング条件を満たしており、ソフトスイッチングを達成している。   As shown in FIG. 10, in switching of each switch of the secondary side H-bridge, the soft switching condition is satisfied in all switching as shown in the following formula, and the soft switching is achieved.

[式3]

Figure 0006562301
[Formula 3]
Figure 0006562301

図12は、図9の(b)時点の電源電圧esu>0>esv>eswにおける高周波の1周期2Tの各波形を示している。図9の(b)時点では、相電圧絶対値が最大となる電源電圧esuの符号が正の場合で、線間電圧euw、euvは,図9の(a)時点の線間電圧euw、evwに等しい状態である。このとき、図12と図10の高周波トランスの一次電圧v、二次電圧vおよび一次・二次電流i、iは、すべて等しい波形が得られている。図12と図10では、電源電圧が異なるので一次側マトリックスコンバータの制御は異なるが、二次側コンバータの制御は同じである。 FIG. 12 shows each waveform of one period 2T s of a high frequency when the power supply voltage e su >0> esv > esw at the time (b) in FIG. 9. At the time point (b) of FIG. 9, the sign of the power supply voltage e su at which the phase voltage absolute value is maximum is positive, and the line voltages e uw and e uv are the line voltages at the time point (a) of FIG. 9. It is a state equal to e uw and e vw . At this time, the primary voltage v 1 , the secondary voltage v 2 and the primary / secondary currents i 1 and i 2 of the high-frequency transformer of FIGS. 12 and 10 are all equal in waveform. In FIG. 12 and FIG. 10, since the power supply voltage is different, the control of the primary side matrix converter is different, but the control of the secondary side converter is the same.

図12では、g、h相に接続される入力相が、図10の入力相と異なる。高周波トランスの一次電圧vの正の半周期Tでは、電源相電圧の絶対値が最大となる最大電圧相uの双方向スイッチSugをオンして、一次電圧vの正電位となるg相は最大電圧相uに常時接続し、負電位となるh相は、最大電圧相uの双方向スイッチSuhから、最小電圧相wの双方向スイッチSwh、中間電圧相vの双方向スイッチSvh、最大電圧相uの双方向スイッチSuhとオン状態を変化させる。高周波トランスの一次電圧vの負の半周期Tでは、h相は最大電圧相uの双方向スイッチSuhを常時オンし、g相は、最大電圧相uの双方向スイッチSugから、最小電圧相wの双方向スイッチSwg、中間電圧相vの双方向スイッチSvg、最大電圧相uの双方向スイッチSuhとオン状態を変化させる。 In FIG. 12, the input phase connected to the g and h phases is different from the input phase of FIG. In the positive half cycle T s of the primary voltage v 1 of the high-frequency transformer, the bidirectional switch S ug of the maximum voltage phase u in which the absolute value of the power supply phase voltage is maximized is turned on to be a positive potential of the primary voltage v 1. g phase always connected to the maximum voltage phase u, h phase as a negative potential, the bidirectional switch S uh maximum voltage phase u, the minimum voltage phase w of the bidirectional switch S wh, the intermediate voltage phase v bidirectional The switch S vh and the bidirectional switch S uh of the maximum voltage phase u are changed to the ON state. In the negative half cycle T s of the primary voltage v 1 of the high-frequency transformer, the h phase always turns on the bidirectional switch S uh of the maximum voltage phase u, and the g phase from the bidirectional switch S ug of the maximum voltage phase u The bidirectional switch S wg in the minimum voltage phase w, the bidirectional switch S vg in the intermediate voltage phase v, and the bidirectional switch S uh in the maximum voltage phase u are changed.

既に説明したように、ソフトスイッチングの条件は、高入力電位の双方向スイッチから低入力電位の双方向スイッチへの転流では、レグ回路の出力電流が正の電流であり、低入力電位の双方向スイッチから高入力電位の双方向スイッチへの転流では、レグ回路の出力電流が負の電流である。図12の、高周波トランスの一次電圧vの1周期2Tにおける一次側マトリックスコンバータの6回の転流の状態は次式に示すように、すべてソフトスイッチング条件を満たし、ソフトスイッチングが達成されている。 As already explained, the soft switching condition is that the output current of the leg circuit is a positive current in the commutation from the high input potential bidirectional switch to the low input potential bidirectional switch. In commutation from a directional switch to a bidirectional switch with a high input potential, the output current of the leg circuit is a negative current. The six-time commutation state of the primary side matrix converter in one cycle 2T s of the primary voltage v 1 of the high-frequency transformer in FIG. 12 satisfies all the soft switching conditions and the soft switching is achieved as shown in the following equation. Yes.

[式4]

Figure 0006562301
[Formula 4]
Figure 0006562301

図13は、二次側から一次側に電力を送る場合の電源電圧esu>esv>0>eswにおける高周波の1周期2Tの各波形を示している。図10の一次側から二次側に電力を送る場合に対して、一次電圧指令値v と二次電圧指令値v との位相角Θを負の値にして、二次電圧指令値v を一次電圧指令値v に対して進めている。また、ソフトスイッチング条件を満たすように、高周波トランスの一次電圧vの正の半周期Tでは、vの負電位となるh相は最小電圧相wの双方向スイッチSwhを常時オンし、正電位となるg相は、最小電圧相wの双方向スイッチSwgから、中間電圧相vの双方向スイッチSvg、最大電圧相uの双方向スイッチSug、最小電圧相wの双方向スイッチSwgとオン状態を変化させる。高周波トランスの一次電圧vの負の半周期Tでは、g相は最小電圧相wの双方向スイッチSwgを常時オンし、h相は、最小電圧相wの双方向スイッチSwhから、中間電圧相vの双方向スイッチSvh、最大電圧相uの双方向スイッチSuh、最小電圧相wの双方向スイッチSwhとオン状態を変化させる。一次、二次のすべてのスイッチングについて次の式5及び式6に示すようにソフトスイッチング条件を満たし、ソフトスイッチングしている。 FIG. 13 shows each waveform of one period 2T s of the high frequency at the power supply voltage e su > e sv >0> e sw when power is transmitted from the secondary side to the primary side. In contrast to the case where power is sent from the primary side to the secondary side in FIG. 10, the phase angle Θ d between the primary voltage command value v * 1 and the secondary voltage command value v * 2 is set to a negative value, and the secondary voltage The command value v * 2 is advanced with respect to the primary voltage command value v * 1 . Further, in order to satisfy the soft switching condition, in the positive half cycle T s of the primary voltage v 1 of the high-frequency transformer, the h phase that is the negative potential of v 1 always turns on the bidirectional switch Swh of the minimum voltage phase w. From the bidirectional switch S wg of the minimum voltage phase w to the bidirectional switch S vg of the intermediate voltage phase v, the bidirectional switch S ug of the maximum voltage phase u, and the bidirectional of the minimum voltage phase w. The switch SWg and the ON state are changed. In the negative half cycle T s of the primary voltage v 1 of the high-frequency transformer, the g phase always turns on the bidirectional switch S wg of the minimum voltage phase w, and the h phase from the bidirectional switch S wh of the minimum voltage phase w bidirectional switch S vh intermediate voltage phase v, bidirectional switch S uh maximum voltage phase u, changing the bidirectional switch S wh and on state of the minimum voltage phase w. Soft switching conditions are satisfied and soft switching is performed for all the primary and secondary switching, as shown in the following formulas 5 and 6.

[式5]

Figure 0006562301
[式6]
Figure 0006562301
[Formula 5]
Figure 0006562301
[Formula 6]
Figure 0006562301

したがって、電力の向きが双方向において、すべてのスイッチングでソフトスイッチングを実現している。   Therefore, soft switching is realized by all switching when the direction of power is bidirectional.

図8の発明回路において、一次電圧波形vの発生のための一次側マトリックスコンバータの各スイッチのデューティ比を導出する。入力リアクトルLによる電圧降下は電源電圧に比較して十分低く、各相キャパシタCの電圧は、電源電圧に等しいとして、デューティ比を求める。電源電圧esu、esv、eswは三相対称電圧とし、線間電圧実効値E、位相角Θを用いて次式で与えられる。 In the invention the circuit of FIG. 8, to derive a duty ratio of the switches of the primary side matrix converter for the generation primary voltage waveform v 1. Voltage drop due to input reactor L f is sufficiently lower than the power supply voltage, the voltage of each phase the capacitor C f, and equal to the supply voltage determines the duty ratio. The power supply voltages e su , e sv , and e sw are three-phase symmetrical voltages, and are given by the following equations using the line voltage effective value E and the phase angle Θ.

[式7]

Figure 0006562301
[Formula 7]
Figure 0006562301

入力電流指令値i 、i 、i は電源電流実効値Iを用いて次式で与えられる。 The input current command values i * u , i * v and i * w are given by the following equation using the power supply current effective value I.

[式8]

Figure 0006562301
[Formula 8]
Figure 0006562301

式7及び式8より入力瞬時電力pは次式で得られる。 From the equations 7 and 8, the input instantaneous power p 1 is obtained by the following equation.

[式9]

Figure 0006562301
[Formula 9]
Figure 0006562301

図10で説明したように一次電圧指令値v は振幅Vdc、周期2Tの方形波電圧であり、ここでは、一次電流iをv に同相の振幅I、周期2Tの方形波電流として近似する。入力瞬時電力pは一次トランスの入力電力に等しいので、次式が得られる。 As described with reference to FIG. 10, the primary voltage command value v * 1 is a square wave voltage having an amplitude V dc and a period of 2T s , and here, the primary current i 1 is in phase with the amplitude I 1 and the period 2T s of v * 1. It approximates as a square wave current. Since the input instantaneous power p 1 is equal to the input power of the primary transformer, the following equation is obtained.

[式10]

Figure 0006562301
[Formula 10]
Figure 0006562301

式9及び式10より一次電流振幅Iは、次式で得られる。 From Equation 9 and Equation 10, the primary current amplitude I 1 is obtained by the following equation.

[式11]

Figure 0006562301
[Formula 11]
Figure 0006562301

一次側マトリックスコンバータの各双方向スイッチSug−Swhのデューティ比dug−dwhを高周波トランスの半周期T間において導出する。まず、一次電流iの電流の連続性を保つために、g相およびh相の双方向スイッチの1つずつが常にオンすることから、デューティ比dug−dwhに対して次式が成り立つ。 The duty ratio d ug -d wh of each bidirectional switch S ug -S wh of the primary side matrix converter is derived during the half cycle T s of the high frequency transformer. First, in order to maintain the continuity of the current of the primary current i 1 , each of the g-phase and h-phase bidirectional switches is always turned on, so the following equation holds for the duty ratio d ug −d wh . .

[式12]

Figure 0006562301
[式13]
Figure 0006562301
[Formula 12]
Figure 0006562301
[Formula 13]
Figure 0006562301

半周期T間に一次電圧指令値v と等しい平均電圧を発生させるデューティ比関係式として次式が得られる。 Following formula as the duty ratio equation for generating an average voltage equal to the primary voltage command value v * 1 between half period T s can be obtained.

[式14]

Figure 0006562301
[Formula 14]
Figure 0006562301

また入力電流指令値i 、i 、i は次の式15〜17で与えられる。 Also, the input current command values i * u , i * v , i * w are given by the following equations 15-17.

[式15]

Figure 0006562301
[式16]
Figure 0006562301
[式17]
Figure 0006562301
[Formula 15]
Figure 0006562301
[Formula 16]
Figure 0006562301
[Formula 17]
Figure 0006562301

ここでは、電源電圧の瞬時値がesu>esv>0>esw(Π/6<Θ<Π/3)の図10のデューティ比を求める。一次電圧v =Vdc>0の半周期Tのデューティ比については、h相は最小電圧相wの双方向スイッチSwhを常時オンするので、h相のデューティ比duh、dvh、dwhは次式で与えられる。 Here, the duty ratio of FIG. 10 is obtained in which the instantaneous value of the power supply voltage is e su > e sv >0> e sw (Π / 6 <Θ <Π / 3). Regarding the duty ratio of the half cycle T s of the primary voltage v * 1 = V dc > 0, since the h-phase always turns on the bidirectional switch Swh of the minimum voltage phase w, the h-phase duty ratios d uh , d vh , D wh is given by the following equation.

[式18]

Figure 0006562301
[Formula 18]
Figure 0006562301

デューティ比dug、dvg、dwgは、式15〜17に式18とi=Iを代入し、さらに、式8及び式11を代入して、次の式19〜21で得られる。 The duty ratios d ug , d vg , and d wg are obtained by the following equations 19 to 21 by substituting the equations 18 and i 1 = I 1 into the equations 15 to 17 and further substituting the equations 8 and 11. .

[式19]

Figure 0006562301
[式20]
Figure 0006562301
[式21]
Figure 0006562301
[Formula 19]
Figure 0006562301
[Formula 20]
Figure 0006562301
[Formula 21]
Figure 0006562301

式19〜21からデューティ比は、電源電流実効値Iに関係なく決めることができるので、実効値Iを任意の値として計算できる。たとえば、I=1として、デューティ比を計算できる。   Since the duty ratio can be determined regardless of the power supply current effective value I from Equations 19 to 21, the effective value I can be calculated as an arbitrary value. For example, the duty ratio can be calculated with I = 1.

一次電圧v =−Vdc<0の半周期Tのデューティ比については、g相は最小電圧相wの双方向スイッチSwgを常時オンするので、g相のデューティ比dug、dvg、dwgは次式で与えられる。 For the duty ratio of the primary voltage v * 1 = −V dc <0 half cycle T s , the g-phase always turns on the bidirectional switch S wg of the minimum voltage phase w, so the g-phase duty ratios d ug , d vg and dwg are given by the following equations.

[式22]

Figure 0006562301
[Formula 22]
Figure 0006562301

デューティ比duh、dvh、dwhは、式15〜17に式22とi=−Iを代入し、さらに、式8及び式11を代入して、次の式23〜25で得られる。 The duty ratios d uh , d vh , and d wh are obtained by substituting Expression 22 and i 1 = −I 1 into Expressions 15 to 17 and further substituting Expression 8 and Expression 11 into the following Expressions 23 to 25: It is done.

[式23]

Figure 0006562301
[式24]
Figure 0006562301
[式25]
Figure 0006562301
[Formula 23]
Figure 0006562301
[Formula 24]
Figure 0006562301
[Formula 25]
Figure 0006562301

一次電圧v =−Vdc<0の半周期Tのデューティ比は、一次電圧v =Vdc>0の半周期Tのh相とg相のデューティ比の入れ替えで得られる。 The duty ratio of the half cycle T s of the primary voltage v * 1 = −V dc <0 is obtained by switching the duty ratio of the h phase and the g phase of the half cycle T s of the primary voltage v * 1 = V dc > 0. .

図10に示したように二次電圧vは、直流電圧Vdcを振幅とする方形波電圧を出力する。したがって、各スイッチSjp−Sknのデューティ比は、全て0.5とし、正の電圧Vdcを出力するには、Sjp、Sknを同時にオンし、負の電圧−Vdcを出力するには、Sjn、Skpを同時にオンする。図10に示すように、一次電圧vに対して二次電圧vは、位相差Θだけ遅らせて制御する。 As shown in FIG. 10, the secondary voltage v 2 outputs a square wave voltage whose amplitude is the DC voltage V dc . Accordingly, the duty ratios of the switches S jp -S kn are all set to 0.5, and in order to output the positive voltage V dc , S jp and S kn are simultaneously turned on and the negative voltage −V dc is output. , S jn and S kp are simultaneously turned on. As shown in FIG. 10, the secondary voltage v 2 is controlled by being delayed by the phase difference Θ d with respect to the primary voltage v 1 .

図14は、図10の各ゲート信号の発生方法を示している。一次電圧v >0の半周期で電流−IからIまで変化するのこぎり波と、比較値i 、i −i 、−i との大小関係を比較することにより、一次側コンバータのg相双方向スイッチSug−Swgのスイッチングの動作タイミングを決定する。双方向スイッチSugは、i からi −i までオンするので、デューティ比dugは、次式で得られ、式19に等しくなっている。 FIG. 14 shows a method of generating each gate signal in FIG. The magnitude relationship between the sawtooth wave that changes from the current −I 1 to I 1 in a half cycle of the primary voltage v * 1 > 0 and the comparison values i * w , i * u− i * v , and −i * w is compared. Thus, the switching operation timing of the g-phase bidirectional switch S ug -S wg of the primary side converter is determined. Since the bidirectional switch S ug is turned on from i * w to i * u− i * v , the duty ratio d ug is obtained by the following equation and equal to the equation 19.

[式26]

Figure 0006562301
[Formula 26]
Figure 0006562301

双方向スイッチSvgは、i −i から−i まで、双方向スイッチSwgは、−Iからi と−i からIまで、それぞれオンするので、デューティ比dvg、dwgは、次の式27及び式28で得られ、式20及び式21にそれぞれ等しくなっている。 The bidirectional switch S vg is turned on from i * u −i * v to −i * w , and the bidirectional switch S wg is turned on from −I 1 to i * W and −i * w to I 1 , respectively. The duty ratios d vg and d wg are obtained by the following expressions 27 and 28, and are equal to the expressions 20 and 21, respectively.

[式27]

Figure 0006562301
[式28]
Figure 0006562301
[Formula 27]
Figure 0006562301
[Formula 28]
Figure 0006562301

h相スイッチSuh−Swhについては、式18に示したように双方向スイッチSwhだけをオンする。 For the h-phase switch S uh -S wh , only the bidirectional switch S wh is turned on as shown in Expression 18.

高周波トランスを通過する電力調整のために一次電圧と二次電圧の位相差Θに相当した電流比較値i θを次式で計算し、のこぎり波と比較して位相差Θのタイミングを発生している。 In order to adjust the power passing through the high-frequency transformer, a current comparison value i * θ corresponding to the phase difference Θ d between the primary voltage and the secondary voltage is calculated by the following equation, and the timing of the phase difference Θ d is compared with the sawtooth wave. It has occurred.

[式29]

Figure 0006562301
[Formula 29]
Figure 0006562301

一次電圧v <0の半周期では、一次電圧v =Vdc>0の半周期のh相とg相およびj相とk相のスイッチのオンタイミングを入れ替えることで各スイッチのゲート信号が得られる。 In the half cycle of the primary voltage v * 1 <0, the on-timing of the switches of the h-phase, the g-phase, and the j-phase and the k-phase in the half cycle of the primary voltage v * 1 = V dc > 0 is changed. A signal is obtained.

図15は、電源の1周期に対する各ゲート信号の発生タイミングを示している。電源電圧esu、esv、eswの大小関係が変わっても、同様にゲート信号を発生させることができる。図15においては、トランスの一次電流iを振幅Iの方形波電流として入力電流波形iを示している。入力電流波形iはスイッチング周波数の高周波成分を含む基本波成分が得られている。入力LCフィルタにより、スイッチング周波数成分は除去され、電源電流は近似的に正弦波波形となる。高周波トランスには、理論通りの一次電圧v、二次電圧vを発生している。 FIG. 15 shows the generation timing of each gate signal for one cycle of the power supply. Even if the magnitude relationship among the power supply voltages e su , e sv , and e sw changes, a gate signal can be generated similarly. In FIG. 15, the input current waveform iu is shown with the transformer primary current i 1 as a square wave current having an amplitude I 1 . The input current waveform i u has a fundamental wave component including a high frequency component of the switching frequency. The switching frequency component is removed by the input LC filter, and the power supply current has an approximately sinusoidal waveform. The high-frequency transformer generates a primary voltage v 1 and a secondary voltage v 2 as expected.

(実験例1)
図16は、本実験例の実験システムの構成を示す図である。また、表1に実験システムの仕様を示す。電源には線間電圧実効値E=200V、周波数60Hzの三相交流電源を使用し、負荷電圧Vdcの指令値は230Vとし、負荷電力Pout=1000Wとした。トランスに直列接続したリアクトルl、lは、共に1個あたり0.175mHのものを外付けし、高周波トランスの周波数は10kHzにした。また、ソフトスイッチングのための一次側マトリックスコンバータの各スイッチの並列キャパシタCsoft1=3nF、二次側コンバータの各スイッチの並列キャパシタCsoft2=5nFをそれぞれ接続した。コントローラには、DSP(digital signal processor)を用い、電源線間電圧euv、evw、一次電流iおよび負荷電圧Vdcを検出し、各スイッチのデューティ比と位相差Θを計算した。各デューティ比に基づいて、FPGA(field−programmable gate array)を用いて各スイッチング信号を発生した。
(Experimental example 1)
FIG. 16 is a diagram showing the configuration of the experimental system of this experimental example. Table 1 shows the specifications of the experimental system. As the power source, a three-phase AC power source with an effective line voltage value E = 200V and a frequency of 60 Hz was used, the command value of the load voltage V dc was 230V, and the load power P out = 1000W. The reactors l 1 and l 2 connected in series to the transformer were both externally connected with a 0.175 mH reactor, and the frequency of the high-frequency transformer was set to 10 kHz. It was also connected a parallel capacitor C soft1 = 3nF of the switches of the primary side matrix converter for soft switching, the parallel capacitor C the soft 2 = 5 nF for each switch in the secondary-side converter, respectively. As the controller, a digital signal processor (DSP) was used to detect the power line voltages e uv and e vw , the primary current i 1 and the load voltage V dc, and calculate the duty ratio and phase difference Θ d of each switch. Based on each duty ratio, each switching signal was generated using a field-programmable gate array (FPGA).

[表1]

Figure 0006562301
[Table 1]
Figure 0006562301

図17に本実験例により得られた実験波形を示す。各波形は上から電源電圧esu、電源電流isu、入力電流i、トランスの一次電圧v、二次電圧v、一次電流i、負荷電圧Vdcである。入力電流iは力率角指令値φ=0radとして、力率1に制御しており、スイッチングによる20kHz成分が含まれている。入力電流iに入力LCフィルタを通して、正弦波状の電源電流isuが得られる。電源電流isuは、電源電圧に対して進んでいるが、これは、電源からLCフィルタに流れる60Hzの進み電流が重畳するためである。電源電流isuの低周波のひずみは、デューティ比導出において一次電流iを方形波電流として近似したためである。高周波トランスの一次・二次電圧および一次電流は、10kHzの高周波が得られた。負荷電圧Vdcは指令値通り230Vに制御されていた。 FIG. 17 shows an experimental waveform obtained in this experimental example. Each waveform is, from the top, the power supply voltage e su , the power supply current i su , the input current i u , the transformer primary voltage v 1 , the secondary voltage v 2 , the primary current i 1 , and the load voltage V dc . The input current i u is controlled to a power factor 1 with a power factor angle command value φ * = 0 rad, and includes a 20 kHz component due to switching. A sinusoidal power supply current i su is obtained by passing the input current i u through the input LC filter. The power supply current i su is advanced with respect to the power supply voltage because the 60 Hz advance current flowing from the power supply to the LC filter is superimposed. The low-frequency distortion of the power source current i su is due to the approximation of the primary current i 1 as a square wave current in the duty ratio derivation. A high frequency of 10 kHz was obtained as the primary / secondary voltage and primary current of the high frequency transformer. The load voltage V dc was controlled to 230 V according to the command value.

図18は高周波トランスの一次・二次電圧v、vと一次電流iの拡大波形である。一次側マトリックスコンバータにおいては式2に示すように、g相の転流が発生する一次電圧v≧0においては、vが低電圧から高電圧への変化では一次電流iは負であり、高電圧から低電圧への変化では一次電流iは正である。h相の転流が発生する一次電圧v≦0においては、vが高電圧から低電圧への変化では一次電流iは正であり、低電圧から高電圧への変化では一次電流iは負であり、ソフトスイッチング条件を満足していた。二次側コンバータにおいても式3に示すように、二次電圧vが負から正へ変化するスイッチSjn→Sjp、Skp→Sknの転流では、二次電流i(i)は正であり、逆に二次電圧vが正から負への変化時には、二次電流i(i)は負であり、ソフトスイッチング条件を満足していた。 FIG. 18 is an enlarged waveform of the primary and secondary voltages v 1 and v 2 and the primary current i 1 of the high-frequency transformer. In the primary side matrix converter, as shown in Equation 2, when the primary voltage v 1 ≧ 0 in which g-phase commutation occurs, the primary current i 1 is negative when v 1 changes from a low voltage to a high voltage. In the change from the high voltage to the low voltage, the primary current i 1 is positive. In the primary voltage v 1 ≦ 0 at which h-phase commutation occurs, the primary current i 1 is positive when v 1 changes from a high voltage to a low voltage, and the primary current i 1 changes when the change from a low voltage to a high voltage. 1 was negative and satisfied the soft switching condition. Also in the secondary converter, as shown in Expression 3, in the commutation of the switches S jn → S jp and S kp → S kn in which the secondary voltage v 2 changes from negative to positive, the secondary current i 2 (i 1 ) Is positive. Conversely, when the secondary voltage v 2 changes from positive to negative, the secondary current i 2 (i 1 ) is negative and the soft switching condition is satisfied.

図19、図20は、それぞれ、一次側双方向スイッチSwg→Sug、二次側双方向スイッチSjn→Sjpの転流時におけるスイッチの電流と電圧の波形を、図16に示す回路におけるソフトスイッチング時と、双方向スイッチに並列キャパシタを接続しないハードスイッチング時で示している。図19、図20共に、図(a)のソフトスイッチングでは、図(b)のハードスイッチングと比較して、スイッチ切替わり時の電流と電圧の重なり部分が減少しており、ソフトスイッチングが実現できていた。 FIGS. 19 and 20 show the waveforms of the switch current and voltage during commutation of the primary side bidirectional switch S wg → S ug and the secondary side bidirectional switch S jn → S jp , respectively, as shown in FIG. In soft switching, and in hard switching where no parallel capacitor is connected to the bidirectional switch. In both FIG. 19 and FIG. 20, in the soft switching of FIG. (A), compared with the hard switching of FIG. (B), the overlapping portion of the current and voltage at the time of switch switching is reduced, and soft switching can be realized. It was.

(実験例2)
本実験例では、ソフトスイッチングによるスイッチング損失低減効果の確認のため、ディジタルオシロスコープ(Textronix社製、DPO7054)を用いてスイッチング損失を測定した。実験条件は表1と同様であり、ソフトスイッチングの場合には双方向スイッチに対して並列にキャパシタを接続し、ハードスイッチングの場合には並列キャパシタを接続しないで測定した。表2に測定結果を示す。ハードスイッチングを用いた場合、一次側および二次側コンバータでのスイッチング損失はそれぞれ3.25W、8.04Wで、合計11.29Wであった。これに対してソフトスイッチングを用いた場合、一次側および二次側コンバータでのスイッチング損失はそれぞれ0.88W、1.55Wで、合計2.43W損失であった。これより、ソフトスイッチングを用いることで、ハードスイッチング時と比較してスイッチング損失を約1/5に低減できていることが分かった。
(Experimental example 2)
In this experimental example, the switching loss was measured using a digital oscilloscope (manufactured by Textronix, DPO7054) in order to confirm the effect of reducing the switching loss by soft switching. The experimental conditions were the same as in Table 1. In the case of soft switching, a capacitor was connected in parallel to the bidirectional switch, and in the case of hard switching, the measurement was performed without connecting the parallel capacitor. Table 2 shows the measurement results. When hard switching was used, the switching losses in the primary and secondary converters were 3.25 W and 8.04 W, respectively, for a total of 11.29 W. On the other hand, when soft switching was used, the switching losses in the primary side converter and the secondary side converter were 0.88 W and 1.55 W, respectively, and the total loss was 2.43 W. Thus, it was found that the switching loss can be reduced to about 1/5 by using soft switching as compared with hard switching.

[表2]

Figure 0006562301
[Table 2]
Figure 0006562301

(第5の実施形態)
図21は、図8に示す絶縁型AC/DC電力変換器の高周波トランス回路を、インダクタに置き換えた非絶縁型電力変換器の回路構成を示す図である。図21に示すように三相電圧esu、esv、eswに、リアクトルLとキャパシタンスCからなる電源への高調波電流抑制のLCフィルタを通し、図7に示す3入力1出力のレグ回路を用いて三相電圧と第1の結合点a及び第3の結合点cをそれぞれ接続し、AC/AC電力変換するマトリックスコンバータ構成とし、双方向スイッチSug−Swhのスイッチングにより第1の結合点a−第3の結合点c間の電圧vを発生する。第1の結合点aと第2の結合点bは、電流変化を抑制するためのインダクタLによって接続される。第2の結合点b−第3の結合点c間の電圧vは、キャパシタンスCの出力直流電圧Vdcに接続されたHブリッジのスイッチSjp−Sknのスイッチングにより発生される。ソフトスイッチングのために、一次側マトリックスコンバータの各スイッチに、並列にキャパシタCsoft1を、また、二次側Hブリッジの各スイッチに、キャパシタCsoft2がそれぞれ接続される。図21と図8の両回路の一次二次の4端子g、h、j、kの伝達特性は誘導性となり、スイッチングパターンや各デューティ比および制御法を含め同じになり、全スイッチング素子においてソフトスイッチングを実現できるとともに交流側電流を正弦波に近づけることができる。
(Fifth embodiment)
FIG. 21 is a diagram showing a circuit configuration of a non-insulated power converter in which the high-frequency transformer circuit of the isolated AC / DC power converter shown in FIG. 8 is replaced with an inductor. As shown in FIG. 21, the three-phase voltages e su , e sv , e sw are passed through a LC filter for suppressing harmonic current to the power source consisting of the reactor L f and the capacitance C f, and the three-input one-output shown in FIG. A three-phase voltage is connected to each of the first coupling point a and the third coupling point c using a leg circuit to form a matrix converter configuration for AC / AC power conversion, and the switching is performed by the bidirectional switch S ug -S wh . A voltage v 1 between one coupling point a and a third coupling point c is generated. The first coupling point a and the second coupling point b are connected by an inductor L for suppressing a current change. The voltage v 2 between the second coupling point b and the third coupling point c is generated by switching of the H-bridge switch S jp -S kn connected to the output DC voltage V dc of the capacitance C. For soft switching, each switch of the primary-side matrix converter, the capacitor C soft1 in parallel, also, each switch of the secondary side H-bridge, capacitor C the soft 2 are respectively connected. The transfer characteristics of the primary and secondary 4 terminals g, h, j, and k in both the circuits of FIG. 21 and FIG. 8 are inductive and are the same including the switching pattern, each duty ratio, and the control method. Switching can be realized and the AC side current can be made close to a sine wave.

(第6の実施形態)
図22は、図8に示す絶縁型AC/DC電力変換器の高周波トランス回路を、結合型ワイヤレス給電システムに置き換えた電力変換器の回路構成を示す図である。一次端子g、h間の力率改善キャパシタCと送電コイルを接続し、二次側端子j、k間に同様に力率改善キャパシタCと送電コイルを接続した構成である。図22と図8の両回路の一次二次の4端子g、h、j、kの伝達特性は誘導性となり、スイッチングパターンや各デューティ比および制御法を含め同じになり、全スイッチング素子においてソフトスイッチングを実現できるとともに交流側電流を正弦波に近づけることができる。
(Sixth embodiment)
FIG. 22 is a diagram illustrating a circuit configuration of a power converter in which the high-frequency transformer circuit of the isolated AC / DC power converter illustrated in FIG. 8 is replaced with a combined wireless power feeding system. Primary terminals g, and connect the power factor correction capacitor C p and the power transmission coil between h, is similarly configured whereby a power factor correction capacitor C p and the power transmission coil between secondary terminal j, k. The transfer characteristics of the primary and secondary four terminals g, h, j, and k in both the circuits of FIG. 22 and FIG. 8 are inductive, and are the same including the switching pattern, each duty ratio, and the control method. Switching can be realized and the AC side current can be made close to a sine wave.

なお、図8、図22の回路及びその制御は、一次二次の4端子g、h、j、kの伝達特性が誘導性の特性を持つ回路に適用でき、全スイッチング素子においてソフトスイッチングを実現できるとともに交流側電流を正弦波に近づけることができる。   8 and 22 and the control thereof can be applied to a circuit in which the transfer characteristics of primary and secondary 4 terminals g, h, j, and k have inductive characteristics, and soft switching is realized in all switching elements. In addition, the AC side current can be made closer to a sine wave.

(第7の実施形態)
図23は、図8に示す絶縁型AC/DC電力変換器の二次側を一次側と同じマトリックスコンバータと三相電源を接続した絶縁型AC/AC電力変換器の回路構成を示す図である。
(Seventh embodiment)
FIG. 23 is a diagram showing a circuit configuration of an isolated AC / AC power converter in which the secondary side of the isolated AC / DC power converter shown in FIG. 8 is connected to the same matrix converter as the primary side and a three-phase power source. .

図24は、高周波トランスTの巻数比を1:1とし、一次電源電圧esu>esv>0>esw、二次電源電圧esr>ess>0>estにおいて一次側から二次側への電力送電時の高周波の1周期2Tの各波形を示している。高周波トランスの一次電圧指令値v および二次電圧指令値v は、波高値の等しい方形波で与え、トランスを通過する電力を、一次電圧指令値v と二次電圧指令値v との位相角Θで制御している。一次、二次電圧v、vの半周期T間の平均値が、それぞれの指令値v 、v に等しくなるように、スイッチングパターンを発生している。 In FIG. 24, the turn ratio of the high-frequency transformer T r is 1: 1, and the primary power supply voltage e su > esv >0> esw and the secondary power supply voltage e sr > es s >0> est are It shows each waveform of one period 2T s high frequency during power transmission to the next side. The primary voltage command value v * 1 and the secondary voltage command value v * 2 of the high-frequency transformer are given as square waves having the same peak value, and the power passing through the transformer is converted into the primary voltage command value v * 1 and the secondary voltage command value. It is controlled by the phase angle Θ d with v * 2 . The switching pattern is generated so that the average value of the primary and secondary voltages v 1 and v 2 during the half period T s is equal to the command values v * 1 and v * 2 .

一次電圧vは、図10と同様に図24に示すように、高周波トランスの一次電圧vの正の半周期Tでは、vの負電位となるh相は最小電圧相wの双方向スイッチSwhを常時オンし、正電位となるg相は、最小電圧相wの双方向スイッチSwgから、最大電圧相uの双方向スイッチSug、中間電圧相vの双方向スイッチSvg、最小電圧相wの双方向スイッチSwgとオン状態を変化させる。高周波トランスの一次電圧vの負の半周期Tでは、g相は最小電圧相wの双方向スイッチSwgを常時オンし、h相は、最小電圧相wの双方向スイッチSwhから、最大電圧相uの双方向スイッチSuh、中間電圧相vの双方向スイッチSvh、最小電圧相wの双方向スイッチSwhとオン状態を変化させる。 Primary voltage v 1, as shown in FIG. 24 similarly to FIG. 10, both of the positive half period T s of the high-frequency transformer primary voltage v 1, a negative potential of v 1 h phase minimum voltage phase w on the counter switch S wh constantly, g phase that provides the positive potential, the bidirectional switch S wg minimum voltage phase w, bidirectional switch S ug of maximum voltage phase u, bidirectional switch S vg intermediate voltage phase v , The bidirectional switch Swg of the minimum voltage phase w and the on state are changed. In the negative half cycle T s of the primary voltage v 1 of the high-frequency transformer, the g phase always turns on the bidirectional switch S wg of the minimum voltage phase w, and the h phase from the bidirectional switch S wh of the minimum voltage phase w bidirectional switch S uh maximum voltage phase u, bidirectional switch S vh intermediate voltage phase v, varying the bidirectional switch S wh and on state of the minimum voltage phase w.

二次側は、コンバータからみたときの電流iの方向が一次電流iと逆向きになるので、ソフトスイッチングのために、スイッチングの順番を入れ替えを行っている。高周波トランスの二次電圧vの正の半周期Tでは、vの負電位となるk相は最小電圧相tの双方向スイッチStkを常時オンし、正電位となるj相は、最小電圧相tの双方向スイッチStjから、中間電圧相sの双方向スイッチSsj、最大電圧相rの双方向スイッチSrj、最小電圧相tの双方向スイッチStjとオン状態を変化させる。高周波トランスの二次電圧vの負の半周期Tでは、j相は最小電圧相tの双方向スイッチStjを常時オンし、k相は、最小電圧相tの双方向スイッチStkから、中間電圧相sの双方向スイッチSsk、最大電圧相rの双方向スイッチSrk、最小電圧相tの双方向スイッチStkとオン状態を変化させる。 On the secondary side, since the direction of the current i 2 when viewed from the converter is opposite to the primary current i 1 , the switching order is switched for soft switching. In the positive half cycle T s of the secondary voltage v 2 of the high-frequency transformer, the k phase that is the negative potential of v 2 always turns on the bidirectional switch S tk of the minimum voltage phase t, and the j phase that is the positive potential is from the bidirectional switch S tj minimum voltage phase t, bidirectional switch S sj intermediate voltage phase s, bidirectional switch Srj maximum voltage phase r, changing the bidirectional switch S tj and on state of the minimum voltage phase t. In the negative half cycle T s of the secondary voltage v 2 of the high-frequency transformer, the j-phase always turns on the bidirectional switch S tj of the minimum voltage phase t, and the k-phase starts from the bidirectional switch S tk of the minimum voltage phase t. The ON state of the bidirectional switch S sk of the intermediate voltage phase s, the bidirectional switch S rk of the maximum voltage phase r, and the bidirectional switch S tk of the minimum voltage phase t is changed.

図24の電流の状態からわかるように、すべてのスイッチングにおいて、ソフトスイッチング条件を満たしている。すなわち、高入力電位の双方向スイッチから低入力電位の双方向スイッチへの転流では、レグ回路の出力電流が正の電流であり、低入力電位の双方向スイッチから高入力電位の双方向スイッチへの転流では、レグ回路の出力電流が負の電流になっている。   As can be seen from the current state in FIG. 24, the soft switching condition is satisfied in all switching. That is, in the commutation from the high input potential bidirectional switch to the low input potential bidirectional switch, the output current of the leg circuit is a positive current, and the low input potential bidirectional switch to the high input potential bidirectional switch. In the commutation, the output current of the leg circuit is a negative current.

なお、この制御における各スイッチのデューティ比は、第4の実施形態におけるマトリックスコンバータのデューティ比を用いることができる。   Note that the duty ratio of the matrix converter in the fourth embodiment can be used as the duty ratio of each switch in this control.

(第8の実施形態)
図25は、図23に示す絶縁型AC/AC電力変換器の高周波トランス回路を、結合型ワイヤレス給電システムに置き換えた回路構成を示す図である。一次端子g、h間の力率改善キャパシタCと送電コイルを接続し、二次側端子j、k間に同様に力率改善キャパシタCと送電コイルを接続した構成である。図25と図23の両回路の一次二次の4端子g、h、j、kの伝達特性は誘導性となり、スイッチングパターンや各デューティ比および制御法を含め同じになり、全スイッチング素子においてソフトスイッチングを実現できるとともに交流側電流を正弦波に近づけることができる。
(Eighth embodiment)
FIG. 25 is a diagram showing a circuit configuration in which the high-frequency transformer circuit of the isolated AC / AC power converter shown in FIG. 23 is replaced with a combined wireless power feeding system. Primary terminals g, and connect the power factor correction capacitor C p and the power transmission coil between h, is similarly configured whereby a power factor correction capacitor C p and the power transmission coil between secondary terminal j, k. The transfer characteristics of the primary and secondary 4 terminals g, h, j, and k in both the circuits of FIG. 25 and FIG. 23 are inductive and are the same including the switching pattern, each duty ratio, and the control method. Switching can be realized and the AC side current can be made close to a sine wave.

なお、図23、図25の回路およびその制御は、一次二次の4端子g、h、j、kの伝達特性が誘導性の特性を持つ回路に適用でき、全スイッチング素子においてソフトスイッチングを実現できるとともに交流側電流を正弦波に近づけることができる。   23 and 25 and the control thereof can be applied to a circuit in which the transfer characteristics of primary and secondary four terminals g, h, j, and k have inductive characteristics, and soft switching is realized in all switching elements. In addition, the AC side current can be made closer to a sine wave.

Claims (8)

1次側に第1及び第2の接続端子を備え2次側に第3及び第4の接続端子を備える誘導性伝達特性を有する伝達回路を介して1次側の回路と2次側の回路とが電気回路的に接続された電力変換器であって、
少なくとも前記1次側の回路には、逆並列接続された2個の逆阻止型スイッチング素子と前記逆並列接続されたスイッチング素子と並列に接続された1個のソフトスイッチング用キャパシタとを備える双方向スイッチ回路を含むマトリックスコンバータが接続され、
前記電力変換器は、前記マトリックスコンバータへの入力端子のそれぞれに三相交流電源の各相の端子が接続されたとき、
電位の絶対値が大きいものから順に、x相、y相、z相とし、また、制御周期1周期における前半を第1の半周期、後半を第2の半周期とすると、
制御信号によって、
前記x相の電位が正の場合は、
前記第1の半周期において、前記第1の接続端子と前記x相間の前記双方向スイッチ回路がオン状態に固定され、
前記第2の半周期において、前記第2の接続端子と前記x相間の前記双方向スイッチ回路がオン状態に固定され、
前記x相の電位が負の場合は、
前記第1の半周期において、前記第2の接続端子と前記x相間の前記双方向スイッチ回路がオン状態に固定され、
前記第2の半周期において、前記第1の接続端子と前記x相間の前記双方向スイッチ回路がオン状態に固定されると共に、
前記第1の接続端子及び前記第2の接続端子のうちの他の接続端子は、
前記1次側から前記2次側への電力送電時には、
前記他の接続端子と前記x相間の双方向スイッチ回路から、前記y相間、前記z相間、前記x相間の双方向スイッチ回路の順に3相すべてに転流を行い、
前記2次側から前記1次側への電力送電時には、
前記他の接続端子と前記x相間の双方向スイッチ回路から、前記z相間、前記y相間、前記x相間の双方向スイッチ回路の順に3相すべてに転流を行うように制御されることにより、送電方向に応じて前記双方向スイッチ回路の転流動作を切り替えるように構成された電力変換器。
A primary side circuit and a secondary side circuit via a transfer circuit having inductive transfer characteristics having first and second connection terminals on the primary side and third and fourth connection terminals on the secondary side Is a power converter connected in an electric circuit,
At least the primary-side circuit includes two reverse blocking switching elements connected in reverse parallel and one soft switching capacitor connected in parallel with the switching element connected in reverse parallel A matrix converter including a switch circuit is connected,
The power converter, when each phase terminal of a three-phase AC power supply is connected to each of the input terminals to the matrix converter,
In order from the largest absolute value of the potential, the x phase, the y phase, and the z phase are set, and the first half of the control cycle is the first half cycle, and the second half is the second half cycle.
By control signal,
When the x-phase potential is positive,
In the first half cycle, the bidirectional switch circuit between the first connection terminal and the x phase is fixed in an ON state,
In the second half cycle, the bidirectional switch circuit between the second connection terminal and the x-phase is fixed in an ON state,
When the x-phase potential is negative,
In the first half cycle, the bidirectional switch circuit between the second connection terminal and the x phase is fixed in an ON state,
In the second half cycle, the bidirectional switch circuit between the first connection terminal and the x phase is fixed in an ON state,
The other connection terminals of the first connection terminal and the second connection terminal are:
During power transmission from the primary side to the secondary side,
From the bidirectional switch circuit between the other connection terminal and the x phase, commutation is performed in all three phases in the order of the bidirectional switch circuit between the y phase, the z phase, and the x phase,
During power transmission from the secondary side to the primary side,
By being controlled so as to perform commutation in all three phases in the order of the bidirectional switch circuit between the other connection terminal and the x-phase in the order of the z-phase, the y-phase, and the x-phase bidirectional switch circuit, A power converter configured to switch a commutation operation of the bidirectional switch circuit according to a power transmission direction.
1次側に第1及び第2の接続端子を備え2次側に第3及び第4の接続端子を備える誘導性伝達特性を有する伝達回路を介して1次側の回路と2次側の回路とが電気回路的に接続された電力変換器であって、
少なくとも前記1次側の回路には、逆直列接続された2個の還流ダイオード付スイッチング素子と前記逆直列接続されたスイッチング素子の両端に並列に接続された1個のソフトスイッチング用キャパシタとを備える双方向スイッチ回路を含むマトリックスコンバータが接続され、
前記電力変換器は、前記マトリックスコンバータへの入力端子のそれぞれに三相交流電源の各相の端子が接続されたとき、
電位の絶対値が大きいものから順に、x相、y相、z相とし、また、制御周期1周期における前半を第1の半周期、後半を第2の半周期とすると、
制御信号によって、
前記x相の電位が正の場合は、
前記第1の半周期において、前記第1の接続端子と前記x相間の前記双方向スイッチ回路がオン状態に固定され、
前記第2の半周期において、前記第2の接続端子と前記x相間の前記双方向スイッチ回路がオン状態に固定され、
前記x相の電位が負の場合は、
前記第1の半周期において、前記第2の接続端子と前記x相間の前記双方向スイッチ回路がオン状態に固定され、
前記第2の半周期において、前記第1の接続端子と前記x相間の前記双方向スイッチ回路がオン状態に固定されると共に、
前記第1の接続端子及び前記第2の接続端子のうちの他の接続端子は、
前記1次側から前記2次側への電力送電時には、
前記他の接続端子と前記x相間の双方向スイッチ回路から、前記y相間、前記z相間、前記x相間の双方向スイッチ回路の順に3相すべてに転流を行い、
前記2次側から前記1次側への電力送電時には、
前記他の接続端子と前記x相間の双方向スイッチ回路から、前記z相間、前記y相間、前記x相間の双方向スイッチ回路の順に3相すべてに転流を行うように制御されることにより、送電方向に応じて前記双方向スイッチ回路の転流動作を切り替えるように構成された電力変換器。
A primary side circuit and a secondary side circuit via a transfer circuit having inductive transfer characteristics having first and second connection terminals on the primary side and third and fourth connection terminals on the secondary side Is a power converter connected in an electric circuit,
At least the circuit on the primary side includes two switching elements with freewheeling diodes connected in reverse series and one soft switching capacitor connected in parallel to both ends of the switching elements connected in reverse series. A matrix converter including a bidirectional switch circuit is connected,
The power converter, when each phase terminal of a three-phase AC power supply is connected to each of the input terminals to the matrix converter,
In order from the largest absolute value of the potential, the x phase, the y phase, and the z phase are set, and the first half of the control cycle is the first half cycle, and the second half is the second half cycle.
By control signal,
When the x-phase potential is positive,
In the first half cycle, the bidirectional switch circuit between the first connection terminal and the x phase is fixed in an ON state,
In the second half cycle, the bidirectional switch circuit between the second connection terminal and the x-phase is fixed in an ON state,
When the x-phase potential is negative,
In the first half cycle, the bidirectional switch circuit between the second connection terminal and the x phase is fixed in an ON state,
In the second half cycle, the bidirectional switch circuit between the first connection terminal and the x phase is fixed in an ON state,
The other connection terminals of the first connection terminal and the second connection terminal are:
During power transmission from the primary side to the secondary side,
From the bidirectional switch circuit between the other connection terminal and the x phase, commutation is performed in all three phases in the order of the bidirectional switch circuit between the y phase, the z phase, and the x phase,
During power transmission from the secondary side to the primary side,
By being controlled so as to perform commutation in all three phases in the order of the bidirectional switch circuit between the other connection terminal and the x-phase in the order of the z-phase, the y-phase, and the x-phase bidirectional switch circuit, A power converter configured to switch a commutation operation of the bidirectional switch circuit according to a power transmission direction.
前記2次側の回路に直流電源又は直流負荷が接続される正極端子及び負極端子をさらに備え、
前記伝達回路は
前記第3の接続端子と前記正極端子、前記第3の接続端子と前記負極端子、前記第4の接続端子と前記正極端子、前記第4の接続端子と前記負極端子、は還流ダイオード付スイッチング素子にソフトスイッチング用キャパシタが並列接続されている回路によって接続されている
ことを特徴とする請求項1又は2記載の電力変換器。
A positive electrode terminal and a negative electrode terminal connected to a DC power source or a DC load in the secondary circuit;
The transmission circuit includes the third connection terminal and the positive terminal, the third connection terminal and the negative terminal, the fourth connection terminal and the positive terminal, the fourth connection terminal and the negative terminal, The power converter according to claim 1 or 2, wherein the switching element with a diode is connected by a circuit in which a soft switching capacitor is connected in parallel.
前記伝達回路は、高周波トランス、前記第1の接続端子と前記第3の接続端子との間にインダクタを備えた非絶縁型電力変換器及び結合型ワイヤレス給電システムのいずれか1つで構成されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の電力変換器。   The transmission circuit includes any one of a high-frequency transformer, a non-insulated power converter including an inductor between the first connection terminal and the third connection terminal, and a combined wireless power feeding system. The power converter according to any one of claims 1 to 3. 前記2次側の回路に、双方向スイッチ回路を含むマトリックスコンバータが接続され、前記2次側の回路に三相交流負荷又は三相交流電源が接続されることを特徴とする請求項1又は2記載の電力変換器。   3. The matrix converter including a bidirectional switch circuit is connected to the secondary side circuit, and a three-phase AC load or a three-phase AC power source is connected to the secondary side circuit. The power converter described. 請求項1〜5のいずれか1項記載の電力変換器の制御方法であって、
前記制御信号によって送電方向に応じて前記双方向スイッチ回路の転流動作を切り替えるように構成された電力変換器の制御方法。
A method for controlling a power converter according to any one of claims 1 to 5,
A method for controlling a power converter configured to switch a commutation operation of the bidirectional switch circuit according to a power transmission direction according to the control signal.
請求項1〜5のいずれか1項記載の電力変換器の制御方法であって、
前記1次側の回路に設けられた前記マトリックスコンバータの出力電流が正の状態では、前記マトリックスコンバータ内のオンしている双方向スイッチ回路が接続されている入力端子の電位よりも低い電位の入力端子に接続されている双方向スイッチ回路に転流を行い、
同マトリックスコンバータの出力電流が負の状態では、前記マトリックスコンバータ内のオンしている双方向スイッチ回路が接続されている入力端子の電位よりも高い電位の入力端子に接続されている双方向スイッチ回路に転流を行うことを特徴とする電力変換器の制御方法。
A method for controlling a power converter according to any one of claims 1 to 5,
When the output current of the matrix converter provided in the circuit on the primary side is positive, the input has a potential lower than the potential of the input terminal to which the bidirectional switch circuit that is turned on in the matrix converter is connected. Commutation to the bidirectional switch circuit connected to the terminal,
When the output current of the matrix converter is negative, the bidirectional switch circuit connected to the input terminal having a higher potential than the input terminal connected to the bidirectional switch circuit that is turned on in the matrix converter A method for controlling a power converter, characterized in that commutation is performed.
請求項5記載の電力変換器の制御方法であって、
前記2次側の回路に含まれる前記双方向スイッチ回路は、
前記1次側から前記2次側への電力送電時には、前記伝達回路の前記1次側電圧に対して、前記2次側電圧の位相が遅れるように制御され、
前記2次側から前記1次側への電力送電時には、前記伝達回路の前記1次側電圧に対して、前記2次側電圧の位相が進むように制御される
ことを特徴とする電力変換器の制御方法。
A method for controlling a power converter according to claim 5,
The bidirectional switch circuit included in the secondary side circuit includes:
During power transmission from the primary side to the secondary side, the phase of the secondary side voltage is controlled to be delayed with respect to the primary side voltage of the transmission circuit,
The power converter is controlled so that a phase of the secondary side voltage advances with respect to the primary side voltage of the transmission circuit during power transmission from the secondary side to the primary side Control method.
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