JP6624729B2 - Insulated bidirectional DC / DC converter and control method therefor - Google Patents

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Description

本発明は、絶縁型双方向DC/DCコンバータに関する。   The present invention relates to an isolated bidirectional DC / DC converter.

電気的絶縁と電圧整合手段として、小型・軽量の高周波トランス(以下、単にトランスという)を使用した絶縁型の双方向DC/DCコンバータが注目されている。双方向DC/DCコンバータは、2台の単相フルブリッジ回路(Hブリッジ回路ともいう)をトランス102を介して接続する回路構成に特徴があり、大電力用途に適している(非特許文献1〜3)。双方向DC/DCコンバータは、その回路構成から、DAB(Dual-Active-Bridge)コンバータとも称される。DABコンバータは、各ブリッジ回路の対角スイッチを同時にスイッチングすることによってデューティ比50%の方形波電圧を、トランスの1次巻線および2次巻線に発生させる。そしてブリッジ回路間の位相差を制御することによって伝送電力を調整できる。この場合、各ブリッジはゼロ電圧スイッチング(ZVS:Zero-Voltage Switching)動作が可能になり、高効率な電力伝送が実現できる。しかし、低出力領域では、不完全ZVS動作に伴うスイッチング損失(スナバ損失)が増加し、変換効率が低下するという問題がある(非特許文献3,4)。   As electrical insulation and voltage matching means, an insulated bidirectional DC / DC converter using a small and lightweight high-frequency transformer (hereinafter simply referred to as a transformer) has attracted attention. The bidirectional DC / DC converter is characterized by a circuit configuration in which two single-phase full-bridge circuits (also called H-bridge circuits) are connected via a transformer 102, and is suitable for high-power applications (Non-Patent Document 1). ~ 3). The bidirectional DC / DC converter is also called a DAB (Dual-Active-Bridge) converter because of its circuit configuration. The DAB converter generates a square wave voltage having a duty ratio of 50% in the primary winding and the secondary winding of the transformer by simultaneously switching the diagonal switches of each bridge circuit. The transmission power can be adjusted by controlling the phase difference between the bridge circuits. In this case, each bridge can perform a zero-voltage switching (ZVS) operation, and high-efficiency power transmission can be realized. However, in a low output region, there is a problem that switching loss (snubber loss) associated with incomplete ZVS operation increases and conversion efficiency decreases (Non-Patent Documents 3 and 4).

また、DABコンバータにパルス幅変調(PWM: Pulse-Width-Modulation)制御を組み合わせる提案もなされている(非特許文献5,6)これはブリッジ回路のレグ間に位相差を設けることで、電流実効値を低減しつつ伝送電力を調整しようとするものである。これは小容量DABコンバータを対象にしたもので、低出力領域では不完全ZVS動作となり、損失低減よりも制御性を優先させた考え方である。   There has also been proposed a combination of pulse-width-modulation (PWM) control with a DAB converter (Non-patent Documents 5 and 6). It is intended to adjust the transmission power while reducing the value. This is intended for a small-capacity DAB converter, which is an imperfect ZVS operation in a low output region, and is a concept in which controllability is prioritized over loss reduction.

低出力領域の損失低減を重視した電力調整手法として間欠運転がある。これは電力伝送休止期間を設け、伝送電力を平均的に調整しようとするもので、バーストモード(Burst Mode)とも呼ばれている(非特許文献7,8)。間欠運転そのものは古くから知られている。例えば、共振形インバータをした誘導加熱装置やコロナ放電処理装置に間欠運転を適用し、低出力領域の安定動作と損失低減を実現している(非特許文献9,10)。このような間欠運転は共振周波数を基本周期としているために電力調整が離散的になり、パルス密度変調(PDM: Pulse-Density-Modulation)とも呼ばれている。電力伝送期間にZVS動作可能な出力領域で運転し、スナバ損失の大幅な低減が可能となる。さらに、電力伝送休止期間中では鉄損が発生しないので、低出力領域の大幅な効率向上が期待できる。   There is an intermittent operation as a power adjustment technique that emphasizes loss reduction in a low output region. This is to provide a power transmission suspension period to adjust transmission power on average, and is also called a burst mode (Non-Patent Documents 7 and 8). Intermittent operation itself has been known for a long time. For example, intermittent operation is applied to an induction heating device or a corona discharge treatment device having a resonance type inverter to realize a stable operation in a low output region and a reduction in loss (Non-Patent Documents 9 and 10). In such an intermittent operation, since the resonance frequency is used as a basic cycle, power adjustment is discrete, and is also called pulse density modulation (PDM: Pulse-Density-Modulation). During the power transmission period, the operation is performed in the output region where the ZVS operation is possible, so that the snubber loss can be significantly reduced. Further, since no iron loss occurs during the power transmission suspension period, a significant improvement in efficiency in the low output region can be expected.

R. W. D. Doncker, D. M. Divan, M. H. Kheraluwala: “A three-phase soft-switched high-power-density dc/dc converter for high-power applications, ” IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 27, No. 1, pp. 63-73, (1991-1)RWD Doncker, DM Divan, MH Kheraluwala: “A three-phase soft-switched high-power-density dc / dc converter for high-power applications,” IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 27, No. 1, pp . 63-73, (1991-1) M. H. Kheraluwala, R. W. Gascoigne, D. M. Divan, E. D. Baumann:“Performance characterization of a high-power dual active bridge dc-todc converter, ” IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 28, No. 6, pp. 1294-1301,(1992-11)MH Kheraluwala, RW Gascoigne, DM Divan, ED Baumann: “Performance characterization of a high-power dual active bridge dc-todc converter,” IEEE Trans. Ind. Appl., Vol. 28, No. 6, pp. 1294-1301 , (1992-11) S. Inoue, H. Akagi: “Operating voltage and loss analysis of a bidirectional isolated dc/dc converter,” IEEJ Trans. Ind. Appl., Vol. 127, No. 2, pp. 189-197, (2007-5)S. Inoue, H. Akagi: “Operating voltage and loss analysis of a bidirectional isolated dc / dc converter,” IEEJ Trans. Ind. Appl., Vol. 127, No. 2, pp. 189-197, (2007-5 ) T. Yamagishi, H. Akagi: “A 750-V, 100-kW, 20-kHz bidirectional isolated dc/dc converter using SiC-MOSFET/SBD modules,” IEEJ Trans. Ind. Appl., Vol. 134, No. 5, pp. 544-553, (2014-5)T. Yamagishi, H. Akagi: “A 750-V, 100-kW, 20-kHz bidirectional isolated dc / dc converter using SiC-MOSFET / SBD modules,” IEEJ Trans. Ind. Appl., Vol. 134, No. 5, pp. 544-553, (2014-5) A. K. Jain, R. A. Ayyanar: “PWM control of dual active bridge: comprehensive analysis and experimental verification,” IEEE Trans. Power Electron., Vol. 26, No. 4, pp. 1215-1227, (2011-4)A. K. Jain, R. A. Ayyanar: “PWM control of dual active bridge: comprehensive analysis and experimental verification,” IEEE Trans. Power Electron., Vol. 26, No. 4, pp. 1215-1227, (2011-4) G. G. Oggier, G. O. Garcia, A. R. Oliva: “Switching control strategy to minimize dual active bridge converter losses,” IEEE Trans. Power Electron., Vol. 24, No. 7, pp. 1826-1838, (2009-7)G. G. Oggier, G. O. Garcia, A. R. Oliva: “Switching control strategy to minimize dual active bridge converter losses,” IEEE Trans. Power Electron., Vol. 24, No. 7, pp. 1826-1838, (2009-7) A. Rodriguez, A. Vazquez, D. G. Lamar, M. M. Hernando, J. Sebastian:“Different purpose design strategies and techniques to improve the performance of a dual active bridge with phase-shift control,” IEEE Trans. Power Electron., Vol. 30, No. 2, pp. 790-804, (2015-2)A. Rodriguez, A. Vazquez, DG Lamar, MM Hernando, J. Sebastian: “Different purpose design strategies and techniques to improve the performance of a dual active bridge with phase-shift control,” IEEE Trans. Power Electron., Vol. 30, No. 2, pp. 790-804, (2015-2) G. G. Oggier, M. Ordonez: “High-Efficiency DABConverter Using Switching Sequences and Burst Mode,” IEEE Trans. Power Electron., Vol. 31, No. 3, pp. 2069-2082, (2016-3)G. G. Oggier, M. Ordonez: “High-Efficiency DAB Converter Using Switching Sequences and Burst Mode,” IEEE Trans. Power Electron., Vol. 31, No. 3, pp. 2069-2082, (2016-3) H. Fujita, H. Akagi: “Pulse-density-modulated power control of a 4 kW,450 kHz voltage-source inverter for induction melting applications,” IEEE Trans. Ind. Applicat., Vol. 32, No. 2, pp. 279-286, Mar/Apr 1996H. Fujita, H. Akagi: “Pulse-density-modulated power control of a 4 kW, 450 kHz voltage-source inverter for induction melting applications,” IEEE Trans. Ind. Applicat., Vol. 32, No. 2, pp. .279-286, Mar / Apr 1996 H. Fujita, H. Akagi: “Control and performance of a pulse-density modulated series-resonant inverter for corona discharge processes,” IEEE Trans. Ind. Applicat., Vol. 35, No. 3, pp. 621-627, May/Jun 1999H. Fujita, H. Akagi: “Control and performance of a pulse-density modulated series-resonant inverter for corona discharge processes,” IEEE Trans. Ind. Applicat., Vol. 35, No. 3, pp. 621-627, May / Jun 1999

本発明者は、数百kWの大容量のDABコンバータに間欠運転を適用するにあたり、以下の課題を認識するに至った。   The inventor has come to recognize the following problem when applying intermittent operation to a DAB converter having a large capacity of several hundred kW.

非特許文献7,8は、1kW程度の小容量DABコンバータを対象としたものであり、そこで得られる知見を、数十kWから数百kWの大容量コンバータにそのまま適用すると、ある伝送電力では高効率が得られるかもしれないが、別の伝送電力での効率は著しく低下してしまう。   Non-Patent Documents 7 and 8 are directed to a small-capacity DAB converter of about 1 kW. If the knowledge obtained therefrom is applied as it is to a large-capacity converter of several tens of kW to several hundreds of kW, high power at a certain transmission power is obtained. Efficiency may be obtained, but efficiency at other transmit powers will be significantly reduced.

DABコンバータと間欠運転の組み合わせに際し、伝送電力の調整には複数の自由度が存在するが、従来技術(たとえば非特許文献7,8)ではその自由度を有効に活用しておらず、特に低出力時における効率にはさらなる改善の余地がある。   In the combination of the DAB converter and the intermittent operation, there are a plurality of degrees of freedom in adjusting the transmission power. However, the prior arts (for example, Non-Patent Documents 7 and 8) do not effectively utilize the degrees of freedom, and particularly have a low degree of freedom. There is room for further improvement in efficiency at output.

本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、幅広い伝送電力において高効率が得られる絶縁型の双方向DC/DCコンバータの提供にある。   The present invention has been made in view of such a problem, and one of exemplary purposes of one embodiment of the present invention is to provide an isolated bidirectional DC / DC converter capable of obtaining high efficiency in a wide range of transmission power.

本発明のある態様は、絶縁型の双方向DC/DCコンバータに関する。双方向DC/DCコンバータは、トランスと、トランスの1次巻線と接続される第1フルブリッジ回路と、トランスの2次巻線と接続される第2フルブリッジ回路と、第1フルブリッジ回路および第2フルブリッジ回路を制御するコントローラと、を備える。コントローラは、伝送電力が所定のしきい値PTHより高い第1領域において、第1フルブリッジ回路と第2フルブリッジ回路を位相差δにてスイッチングする連続運転を行い、位相差δを変化させることにより伝送電力を調整し、伝送電力がしきい値PTHより低い第2領域において、位相差δFIXを固定し、mを0.5の自然数倍の実数、nを実数として、δFIX+2πmの期間、第1フルブリッジ回路と第2フルブリッジ回路をスイッチングし、2πnの期間、第1フルブリッジ回路と第2フルブリッジ回路のスイッチングを停止する間欠運転を行い、nを変化させることにより伝送電力を調整する。しきい値PTHは、連続運転において最大効率を与える伝送電力(最大効率点)をP、連続運転において最小損失を与える伝送電力(最小損失点)をPとしたとき、P≦PTH≦P×1.1を満たす。 One embodiment of the present invention relates to an isolated bidirectional DC / DC converter. The bidirectional DC / DC converter includes a transformer, a first full bridge circuit connected to a primary winding of the transformer, a second full bridge circuit connected to a secondary winding of the transformer, and a first full bridge circuit. And a controller for controlling the second full bridge circuit. The controller performs the continuous operation of switching the first full-bridge circuit and the second full-bridge circuit with the phase difference δ in the first region where the transmission power is higher than the predetermined threshold value P TH to change the phase difference δ. By adjusting the transmission power in the second region where the transmission power is lower than the threshold value P TH , the phase difference δ FIX is fixed, m is a real number that is a natural number multiple of 0.5, n is a real number, and δ FIX is By switching the first full-bridge circuit and the second full-bridge circuit for a period of + 2πm, and performing an intermittent operation of stopping the switching of the first full-bridge circuit and the second full-bridge circuit for a period of 2πn, thereby changing n. Adjust the transmission power. Threshold P TH, when P 1 a transmission power which provides the maximum efficiency (maximum efficiency point) in continuous operation, the transmission power that gives the minimum loss in continuous operation (minimum loss point) was P 2, P 2 ≦ P TH ≦ P 1 × 1.1 is satisfied.

本発明者は、位相差制御の連続運転を行った場合に、伝送電力が最大効率点を下回ると、あるいは、伝送電力が最小損失点を下回ると、効率が顕著に低下し始めるという知見を得た。しきい値PTHをP≦PTH≦P×1.1を満たすように規定することにより、数十〜数百kWを超える高出力領域から、数kWオーダーあるいはそれ以下の低出力領域を含む幅広い電力範囲において、高効率を得ることができる。 The inventor has obtained the knowledge that, when the continuous operation of the phase difference control is performed, if the transmission power falls below the maximum efficiency point, or if the transmission power falls below the minimum loss point, the efficiency starts to significantly decrease. Was. By defining the threshold value P TH so as to satisfy P 2 ≦ P TH ≦ P 1 × 1.1, a high output region exceeding several tens to several hundreds kW to a low output region on the order of several kW or less. High efficiency can be obtained in a wide power range including

第2領域で使用される位相差δFIXは、伝送電力Pに対応する位相差δと、伝送電力Pに対応する位相差δの間に含まれてもよい。 The phase difference [delta] FIX used in the second region, the phase difference [delta] 1 corresponding to the transmission power P 1, may be included between the phase difference [delta] 2 corresponding to the transmission power P 2.

第2領域で使用される位相差δFIXは、伝送電力PTHに対応する位相差δであってもよい。 The phase difference δ FIX used in the second region may be a phase difference δ corresponding to the transmission power P TH .

しきい値PTHはPと実質的に等しく、第2領域で使用される位相差δは、Pに対応する位相差δと実質的に等しくてもよい。これによりさらに損失を低減し、効率を改善できる。 The threshold value P TH may be substantially equal to P 2, and the phase difference δ used in the second region may be substantially equal to the phase difference δ 1 corresponding to P 1 . This can further reduce losses and improve efficiency.

本発明のある態様によれば、絶縁型双方向DC/DCコンバータの効率を改善できる。   According to an aspect of the present invention, the efficiency of the isolated bidirectional DC / DC converter can be improved.

実施の形態に係る双方向DC/DCコンバータの回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram of a bidirectional DC / DC converter according to the embodiment. 図1の双方向DC/DCコンバータの1次側換算の等価回路図である。FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of primary-side conversion of the bidirectional DC / DC converter of FIG. 1. 第2モードにおける図2の等価回路図の動作波形図である。FIG. 3 is an operation waveform diagram of the equivalent circuit diagram of FIG. 2 in a second mode. 実験に用いた双方向DC/DCコンバータの回路図である。FIG. 3 is a circuit diagram of a bidirectional DC / DC converter used in an experiment. 実験に用いた定数を示す図である。It is a figure showing the constant used for the experiment. 定格出力P=100kWの連続運転時の動作波形図である。It is an operation | movement waveform diagram at the time of continuous operation of rated output P = 100kW. 出力電力P=45kWの連続運転時の動作波形図である。It is an operation | movement waveform diagram at the time of the continuous driving | operation of output power P = 45kW. 出力電力Pint=10kWにおける間欠運転時の動作波形図である。It is an operation | movement waveform diagram at the time of intermittent driving | operation at output power Pint = 10kW. 出力電力Pint=10kWにおける間欠運転時の動作波形図である。It is an operation | movement waveform diagram at the time of intermittent driving | operation at output power Pint = 10kW. 図10(a)、(b)は、出力電力Pと損失Plossの関係を示す図である。FIGS. 10A and 10B are diagrams showing the relationship between the output power P and the loss P loss . 図11(a)、(b)は、出力電力Pと効率ηの関係を示す図である。FIGS. 11A and 11B are diagrams showing the relationship between the output power P and the efficiency η. con=41kW(δ=8.8°)とPcon=19kW(δ=4°)における、出力電力Pint(1〜18kW)とnの関係を示す図である。In P con = 41kW (δ = 8.8 °) and P con = 19kW (δ = 4 °), it is a diagram showing the relationship between the output power P int (1~18kW) and n. 出力電力Pint(1〜18kW)と電圧リップルΔvp−pの関係を示す図である。Output power P int and (1~18kW) is a diagram showing the relationship between voltage ripple? Vp-p.

以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。   Hereinafter, the present invention will be described based on preferred embodiments with reference to the drawings. The same or equivalent components, members, and processes shown in each drawing are denoted by the same reference numerals, and the repeated description will be omitted as appropriate. In addition, the embodiments do not limit the invention but are exemplifications, and all features and combinations thereof described in the embodiments are not necessarily essential to the invention.

本明細書において、「部材Aが、部材Bと接続された状態」とは、部材Aと部材Bが物理的に直接的に接続される場合のほか、部材Aと部材Bが、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。同様に、「部材Cが、部材Aと部材Bの間に設けられた状態」とは、部材Aと部材C、あるいは部材Bと部材Cが直接的に接続される場合のほか、それらの電気的な接続状態に実質的な影響を及ぼさない、あるいはそれらの結合により奏される機能や効果を損なわせない、その他の部材を介して間接的に接続される場合も含む。   In this specification, “the state in which the member A is connected to the member B” refers to the case where the member A and the member B are physically directly connected to each other. Indirect connection via another member that does not substantially affect the basic connection state or impair the function or effect provided by the combination thereof. Similarly, “the state in which the member C is provided between the member A and the member B” means that the member A and the member C or the member B and the member C are directly connected, Indirect connection via another member that does not substantially affect the basic connection state or impair the function or effect provided by the combination thereof.

また本明細書において、電圧信号、電流信号などの電気信号、あるいは抵抗、キャパシタなどの回路素子に付された符号は、必要に応じてそれぞれの電圧値、電流値、あるいは抵抗値、容量値を表すものとする。   In this specification, electric signals such as voltage signals and current signals, or symbols attached to circuit elements such as resistors and capacitors denote the respective voltage values, current values, or resistance values and capacitance values as necessary. Shall be represented.

(動作原理)
図1は、実施の形態に係る双方向DC/DCコンバータの回路図である。双方向DC/DCコンバータ100は、トランス102、第1フルブリッジ回路104、第2フルブリッジ回路106およびコントローラ110を備える。
(Operating principle)
FIG. 1 is a circuit diagram of the bidirectional DC / DC converter according to the embodiment. The bidirectional DC / DC converter 100 includes a transformer 102, a first full bridge circuit 104, a second full bridge circuit 106, and a controller 110.

トランス102は、1次巻線W1および2次巻線W2を有する。1次巻線W1と2次巻線W2の巻線比はN:1である。第1フルブリッジ回路104の交流端子は、インダクタLa1を介してトランス102の1次巻線W1と接続され、第2フルブリッジ回路106の交流端子は、インダクタLa2を介してトランス102の2次巻線W2と接続される。 The transformer 102 has a primary winding W1 and a secondary winding W2. The turn ratio between the primary winding W1 and the secondary winding W2 is N: 1. The AC terminal of the first full bridge circuit 104 is connected to the primary winding W1 of the transformer 102 via the inductor La1 , and the AC terminal of the second full bridge circuit 106 is connected to the primary winding W2 of the transformer 102 via the inductor La2. Connected to next winding W2.

第1フルブリッジ回路104は、第1スイッチSW11〜第4スイッチSW14を含む。各スイッチSW1x(x=1,2,3,4)と並列に、スナバコンデンサC1xが設けられる。同様に第2フルブリッジ回路106は、第1スイッチSW21〜第4スイッチSW24を含み、各スイッチSW2xと並列にスナバコンデンサC2xが設けられる。スイッチSWは、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などのトランジスタを用いることができる。トランジスタ素子の種類は、要求される耐圧や、定格容量にもとづいて選択すればよい。なおスイッチSWと並列に、カソードが高電位側となるように還流ダイオード(フライホイルダイオード)が必要となるが、MOSFETを用いる場合、そのボディダイオードを還流ダイオードとして使用できる。   The first full bridge circuit 104 includes first to fourth switches SW11 to SW14. A snubber capacitor C1x is provided in parallel with each switch SW1x (x = 1, 2, 3, 4). Similarly, the second full bridge circuit 106 includes a first switch SW21 to a fourth switch SW24, and a snubber capacitor C2x is provided in parallel with each switch SW2x. As the switch SW, a transistor such as a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) can be used. The type of the transistor element may be selected based on the required withstand voltage and the rated capacity. A freewheel diode (flywheel diode) is required in parallel with the switch SW so that the cathode is on the high potential side. When a MOSFET is used, its body diode can be used as a freewheel diode.

第1フルブリッジ回路104の直流端子側には、キャパシタC1が接続され、第2フルブリッジ回路106の直流端子側には、キャパシタC2が接続される。なお双方向DC/DCコンバータ100は、双方向に電力を伝送可能であるが、以下では説明の便宜のため、第1フルブリッジ回路104側を入力として電源200が接続され、第2フルブリッジ回路106側を出力として負荷202が接続されるものとする。電源200の電圧をE、負荷202に生ずる電圧をEとする。逆方向で動作させる場合、以下の説明において、入力と出力を入れかえればよい。 The capacitor C1 is connected to the DC terminal side of the first full bridge circuit 104, and the capacitor C2 is connected to the DC terminal side of the second full bridge circuit 106. The bidirectional DC / DC converter 100 is capable of transmitting power bidirectionally. However, in the following, for convenience of description, the power supply 200 is connected to the first full bridge circuit 104 as an input, and the second full bridge circuit It is assumed that the load 202 is connected with the output on the 106 side. The voltage of the power supply 200 is E 1 and the voltage generated at the load 202 is E 2 . When operating in the reverse direction, the input and output may be switched in the following description.

コントローラ110は、第1フルブリッジ回路104のスイッチSW11〜SW14および第2フルブリッジ回路106のスイッチSW21〜SW24を制御する。具体的には、第1フルブリッジ回路104に関して、コントローラ110は所定の周波数(スイッチング周波数fsw)で、対角に配置されるペアSW11,SW14がオンの状態と、対角に配置される別のペアSW12,SW13がオンの状態と、をデューティ比50%で交互に繰り返す。このとき、第1フルブリッジ回路104の交流端子の電圧vac1は、スイッチング周波数fSW、デューティ比50%の矩形波となる。第2フルブリッジ回路106に関しても同様であり、コントローラ110はスイッチング周波数fswで、対角に配置されるペアSW21,SW24がオンの状態と、対角に配置される別のペアSW22,SW23がオンの状態と、をデューティ比50%で交互に繰り返す。このとき、第2フルブリッジ回路106の交流端子の電圧vac2もまた、スイッチング周波数fSW、デューティ比50%の矩形波となる。 The controller 110 controls the switches SW11 to SW14 of the first full bridge circuit 104 and the switches SW21 to SW24 of the second full bridge circuit 106. Specifically, with respect to the first full bridge circuit 104, the controller 110 determines whether the diagonally arranged pairs SW11 and SW14 are on at a predetermined frequency (switching frequency f sw ) and the diagonally arranged pair SW11 and SW14. And the state in which the pair SW12 and SW13 are ON are alternately repeated at a duty ratio of 50%. At this time, the voltage vac1 of the AC terminal of the first full bridge circuit 104 becomes a rectangular wave having a switching frequency f SW and a duty ratio of 50%. The same applies to the second full-bridge circuit 106. At the switching frequency f sw , the controller 110 switches the diagonally arranged pair SW21 and SW24 to the ON state, and sets the diagonally arranged paired SW22 and SW23 to another pair. The ON state and the ON state are alternately repeated at a duty ratio of 50%. At this time, the voltage v ac2 the AC terminal of the second full bridge circuit 106 is also a switching frequency f SW, a duty ratio of 50% of the rectangular wave.

図2は、図1の双方向DC/DCコンバータ100の1次側換算の等価回路図である。図1において配線抵抗、トランス102の励磁インダクタンス、トランス102と外付けインダクタLa1,La2の鉄損、銅損を無視すると、トランス102およびインダクタLa1,La2は、単一のインダクタLとして表される。このインダクタLは図1のインダクタLa1,La2の1次側換算のインダクタンス(La1+Na2)と、トランス102の漏れインダクタンスlの合成インダクタンスを表す。
L=(La1+Na2)+l
言い換えれば、このインダクタンスLの値が適切な値Loptになるように、外付けのインダクタLa1,La2ならびにトランス102が設計される。一般的には、lが小さくなるようにトランス102を設計し、適切なLoptが得られるようにLa1,La2を設計することができる。なお、Lopt=lとなるようにトランス102が設計可能である場合、外付けのインダクタLa1,La2は省略可能である。
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of primary-side conversion of the bidirectional DC / DC converter 100 of FIG. Wiring resistance 1, excitation inductance of the transformer 102, transformer 102 and the iron loss of the external inductor L a1, L a2, ignoring copper loss, transformer 102 and inductor L a1, L a2 as single inductor L expressed. This inductor L represents a combined inductance of the primary-side converted inductance (L a1 + N 2 La 2 ) of the inductors La 1 and La 2 in FIG. 1 and the leakage inductance 1 of the transformer 102.
L = (L a1 + N 2 L a2 ) +1
In other words, the value of the inductance L so that the appropriate value L opt, inductor L a1, L a2 and transformer 102 of the external is designed. In general, it is possible to l is the transformer 102 is designed to be smaller, designing L a1, L a2 as appropriate L opt is obtained. Note that when the transformer 102 can be designed so that L opt = 1, the external inductors La 1 and La 2 can be omitted.

また図1において、電圧E,Eは一定であり、スイッチSWは理想スイッチとみなし、スイッチングの遅延およびデッドタイムはないものとする。このとき第1フルブリッジ回路104および第2フルブリッジ回路106はそれぞれ、スイッチング周波数fSW、デューティ比50%の矩形波交流電圧を発生する理想電圧源204,206として表される。電圧源204は、インダクタLの一端に、振幅vac1の交流矩形電圧を印加する。電圧源206は、インダクタLの他端に、振幅N×vac2の交流矩形電圧を印加する。Nはトランス102の巻線比である。 In FIG. 1, the voltages E 1 and E 2 are constant, the switch SW is regarded as an ideal switch, and there is no switching delay and no dead time. At this time, the first full bridge circuit 104 and the second full bridge circuit 106 are represented as ideal voltage sources 204 and 206 that generate a rectangular wave AC voltage having a switching frequency f SW and a duty ratio of 50%, respectively. The voltage source 204 applies an AC rectangular voltage having an amplitude vac1 to one end of the inductor L. The voltage source 206 applies, to the other end of the inductor L, an AC rectangular voltage having an amplitude N × vac2 . N is the turns ratio of the transformer 102.

図1に戻り、伝送電力の制御について説明する。コントローラ110は、2つの動作モードが切り替え可能である。第1モードは、伝送電力(出力電力)Pが所定のしきい値PTHより高い第1領域において選択され、第2モードは、伝送電力Pがしきい値PTHより低い第2領域において選択される。以下、各モードの動作を説明する。 Returning to FIG. 1, the control of the transmission power will be described. The controller 110 can switch between two operation modes. The first mode is selected in a first region where the transmission power (output power) P is higher than a predetermined threshold P TH , and the second mode is selected in a second region where the transmission power P is lower than the threshold P TH. Is done. Hereinafter, the operation of each mode will be described.

(第1モード)
第1モードでは、第1フルブリッジ回路104と第2フルブリッジ回路106は、位相差δにてスイッチングされる。すなわち、トランス102の1次側の交流電圧vac1と2次側の交流電圧vac2は、位相差がδの矩形波となる。第1モードでは連続運転を行い、位相差δを変化させることにより伝送電力を調整する。第1モードにおける伝送電力Pconは、式(1)で与えられる。

Figure 0006624729
(1st mode)
In the first mode, the first full bridge circuit 104 and the second full bridge circuit 106 are switched by the phase difference δ. That is, the AC voltage v ac2 of the AC voltage v ac1 the primary side of the transformer 102 and the secondary side, the phase difference becomes a rectangular wave of [delta]. In the first mode, continuous operation is performed, and the transmission power is adjusted by changing the phase difference δ. The transmission power P con in the first mode is given by equation (1).
Figure 0006624729

(第2モード)
第2モードでは、間欠運転が行われる。第2モードでは、第1フルブリッジ回路104と第2フルブリッジ回路106の位相差δが、とある値δFIXに固定される。そして、スイッチングの1周期を2πとするとき、パラメータm、nを実数として、δFIX+2πmの期間、第1フルブリッジ回路104と第2フルブリッジ回路106をスイッチングし、続く2πnの期間、第1フルブリッジ回路104と第2フルブリッジ回路106のスイッチングを停止する。図3は、第2モードにおける図2の等価回路図の動作波形図である。ここでは、E<NEが成り立っている。伝送期間はδFIX+2πm、休止期間は2πnであるから、間欠運転の1周期は、2π(m+n)+δFIXとなる。
(2nd mode)
In the second mode, an intermittent operation is performed. In the second mode, the phase difference δ between the first full bridge circuit 104 and the second full bridge circuit 106 is fixed to a certain value δ FIX . When one cycle of switching is 2π, the parameters m and n are real numbers, and the first full-bridge circuit 104 and the second full-bridge circuit 106 are switched for a period of δ FIX + 2πm. Switching between the full bridge circuit 104 and the second full bridge circuit 106 is stopped. FIG. 3 is an operation waveform diagram of the equivalent circuit diagram of FIG. 2 in the second mode. Here, E <NE 2 is made up. Since the transmission period is δ FIX + 2πm and the rest period is 2πn, one cycle of the intermittent operation is 2π (m + n) + δ FIX .

パラメータmは、磁気飽和を防ぐため0.5の自然数倍(m=0.5,1.0,1.5…)とする必要がある。mが非整数の場合(m=0.5,1.5,2.5,…)、伝送期間の波形は、半波で区切られることとなる。たとえばm=0.5とすれば、ある伝送期間において、正の半波が、次の伝送期間において負の半波が発生する。第2モードでは、パラメータnを変化させることにより伝送電力を調整する。第2モードにおける伝送電力Pintは、式(2)で表される。nは0.5の自然数倍である必要はなく、任意の実数でよい。

Figure 0006624729
The parameter m needs to be a natural number multiple of 0.5 (m = 0.5, 1.0, 1.5...) To prevent magnetic saturation. When m is a non-integer (m = 0.5, 1.5, 2.5,...), the waveform of the transmission period is separated by half waves. For example, if m = 0.5, a positive half wave is generated during a certain transmission period, and a negative half wave is generated during the next transmission period. In the second mode, the transmission power is adjusted by changing the parameter n. The transmission power P int in the second mode is represented by Expression (2). n does not need to be a natural number multiple of 0.5, and may be any real number.
Figure 0006624729

第1モードで動作する第1領域と、第2モードで動作する第2領域の境界(しきい値PTH)は、以下のように規定される。連続運転において最大効率を与える伝送電力(最大効率点ともいう)をP、連続運転において最小損失を与える伝送電力(最小損失点)をPとしたとき、式(3)が成り立つ。
≦PTH≦P×1.1 …(3)
The boundary (threshold P TH ) between the first region operating in the first mode and the second region operating in the second mode is defined as follows. Equation (3) holds when the transmission power (also referred to as the maximum efficiency point) that gives the maximum efficiency in continuous operation is P 1 and the transmission power (the minimum loss point) that gives the minimum loss in continuous operation is P 2 .
P 2 ≦ P TH ≦ P 1 × 1.1 (3)

また第2モードで使用される位相差δの固定値δFIXは、連続運転時において最大効率点Pに対応する位相差δと、連続運転時において最小損失点Pに対応する位相差δの間の範囲に含まれる。 The fixed value δ FIX of the phase difference δ used in the second mode is a phase difference δ 1 corresponding to the maximum efficiency point P 1 during continuous operation and a phase difference δ 1 corresponding to the minimum loss point P 2 during continuous operation. It included in the range between [delta] 2.

以上が双方向DC/DCコンバータ100の構成ならびに動作原理である。この双方向DC/DCコンバータ100によれば、数十〜数百kWを超える高出力領域から、数kWオーダーあるいはそれ以下の低出力領域を含む幅広い電力範囲において、高効率を得ることができる。   The above is the configuration and operation principle of the bidirectional DC / DC converter 100. According to the bidirectional DC / DC converter 100, high efficiency can be obtained in a wide power range from a high output region exceeding several tens to several hundred kW to a low output region of several kW order or less.

すなわちDABコンバータと間欠運転の組み合わせに際し、伝送電力の調整には複数の自由度が存在する。具体的には、どのモードをどの電力領域で使用するか(モードを切り替えるしきい値PTH)、第2モードで使用する位相差δなどが設計パラメータとして存在し、それらの組み合わせが、多様な自由度を提供する。本実施の形態によれば、しきい値PTHを適切に選択することにより、特に低出力時における効率低下を抑制し、効率を改善できる。 That is, when combining the DAB converter and the intermittent operation, there are a plurality of degrees of freedom in adjusting the transmission power. Specifically, which mode is used in which power region (threshold P TH for switching the mode), the phase difference δ used in the second mode, and the like exist as design parameters, and combinations thereof are various. Provides freedom. According to the present embodiment, by appropriately selecting the threshold value P TH , it is possible to suppress a decrease in efficiency particularly at the time of low output and improve the efficiency.

以下、本発明の有用性を検証するために本発明者らが行った実験について説明する。図4は、実験に用いた双方向DC/DCコンバータの回路図である。トランス102、第1フルブリッジ回路104のスイッチSWとして、1.2kV、400AのSiC-MOSFETモジュールを4個用いた。このモジュールにはSBD(Schottky Barrier Diode)は搭載されておらず、還流ダイオードとしてSiC-MOSFETのソース−ドレイン間の寄生pnダイオードを活用する。この実験システムでは、第2フルブリッジ回路106の直流端子(双方向DC/DCコンバータ100の出力端子)を、第1フルブリッジ回路104の直流端子(双方向DC/DCコンバータ100の入力端子)と接続することにより、出力電力Pを直流電源E側(入力側)に回生する。これにより、入力側の直流電源EはDC/DCコンバータで生じる電力損失Ploss相当分を供給することになるため、大学の実験室の直流電源でも100kW定格運転が可能になる。さらに、双方向DC/DCコンバータ100の損失Plossを、直流電源Eの出力電力として直接的に高精度で測定することが可能となり、出力電力Pと電力損失Plossを個別に測定することによって、DC/DCコンバータの電力変換効率ηを式(4)で高精度に計算できる。
η=P/(P+Ploss) …(4)
なお本明細書では主回路のみの電力損失について論じるため、図1のコントローラ110(すなわちゲート駆動回路や制御回路)の電力損失は含まない。
Hereinafter, experiments performed by the present inventors to verify the usefulness of the present invention will be described. FIG. 4 is a circuit diagram of the bidirectional DC / DC converter used in the experiment. Four 1.2 kV, 400 A SiC-MOSFET modules were used as the switches SW of the transformer 102 and the first full bridge circuit 104. This module does not include an SBD (Schottky Barrier Diode), and utilizes a parasitic pn diode between the source and drain of the SiC-MOSFET as a freewheeling diode. In this experimental system, the DC terminal of the second full bridge circuit 106 (the output terminal of the bidirectional DC / DC converter 100) is connected to the DC terminal of the first full bridge circuit 104 (the input terminal of the bidirectional DC / DC converter 100). By connecting, the output power P is regenerated to the DC power supply E side (input side). As a result, the DC power supply E on the input side supplies the power loss P loss corresponding to the DC / DC converter, so that the 100 kW rated operation is possible even with the DC power supply in the university laboratory. Further, the loss P loss of the bidirectional DC / DC converter 100 can be directly measured with high accuracy as the output power of the DC power supply E. By separately measuring the output power P and the power loss P loss , , The power conversion efficiency η of the DC / DC converter can be calculated with high accuracy by equation (4).
η = P / (P + P loss ) (4)
In this specification, since the power loss of only the main circuit is discussed, the power loss of the controller 110 (that is, the gate drive circuit and the control circuit) in FIG. 1 is not included.

スイッチ素子SWにMOSFETを用いた場合は同期整流を採用できる。その結果、MOSFETと逆並列に接続する還流ダイオードが不要となる。SiC-MOSFETの寄生pnダイオードの順方向電圧はSi-MOSFETのそれよりも高い。しかし、同期整流の採用により、寄生pnダイオードの導通期間はデッドタイム(実験では0.6sに設定)以下となる。第1フルブリッジ回路104から第2フルブリッジ回路106へ電力を伝送する場合、第1フルブリッジ回路104のデッドタイム開始後、寄生pnダイオードが導通するまでに要する時間Tは、式(5)で表される。

Figure 0006624729
ただし、Isw1は第1フルブリッジ回路104のスイッチング時のインダクタ電流である。ダイオードの導通損失が発生するのはT>Tの場合であり、第1フルブリッジ回路104側のダイオードの導通損失Pdiode1は、式(6)となる。
Figure 0006624729
ただし、Vは寄生pnダイオードの順方向電圧降下である。 When a MOSFET is used for the switch element SW, synchronous rectification can be employed. As a result, there is no need for a free wheel diode connected in anti-parallel to the MOSFET. The forward voltage of the parasitic pn diode of the SiC-MOSFET is higher than that of the Si-MOSFET. However, due to the adoption of synchronous rectification, the conduction period of the parasitic pn diode becomes shorter than the dead time (set to 0.6 s in the experiment). When transmitting electric power from the first full bridge circuit 104 to the second full-bridge circuit 106, after the dead time start of the first full bridge circuit 104, the time T 1 required until the parasitic pn diode is conducting, the formula (5) Is represented by
Figure 0006624729
Here, I sw1 is an inductor current at the time of switching of the first full bridge circuit 104. The conduction loss of the diode occurs when T d > T 1 , and the conduction loss P diode1 of the diode on the side of the first full bridge circuit 104 is represented by Expression (6).
Figure 0006624729
Here, Vf is a forward voltage drop of the parasitic pn diode.

第2フルブリッジ回路106についても同様に、式(7)、(8)を得る。

Figure 0006624729
ただし、Isw2は第2フルブリッジ回路106のスイッチング時のインダクタ電流であり、Pdiode2は第2フルブリッジ回路106側で生じるダイオードの導通損失である。 Equations (7) and (8) are similarly obtained for the second full bridge circuit 106.
Figure 0006624729
Here, I sw2 is an inductor current at the time of switching of the second full bridge circuit 106, and P diode2 is a conduction loss of the diode generated on the second full bridge circuit 106 side.

図5は、実験に用いた定数を示す図である。これらの定数を用いて、式(5)と(7)から定格運転時(100kW)の寄生pnダイオードの導通損失を計算した。ここで、Vは3.1Vとした。その結果、導通損失は45W程度となり、寄生pnダイオードに起因する導通損失は実用上無視できる。なお、ZVS動作を行っており、寄生pnダイオードには逆回復電流は流れないので、導通損失のみを考慮している。 FIG. 5 is a diagram showing constants used in the experiment. Using these constants, the conduction loss of the parasitic pn diode during rated operation (100 kW) was calculated from equations (5) and (7). Here, Vf was set to 3.1V. As a result, the conduction loss is about 45 W, and the conduction loss due to the parasitic pn diode can be practically ignored. Since the ZVS operation is performed and no reverse recovery current flows through the parasitic pn diode, only the conduction loss is considered.

続いて、実験の結果を説明する。本実験では第1フルブリッジ回路104から第2フルブリッジ回路106への電力伝送を行った。以下の議論では、第1フルブリッジ回路104から第2フルブリッジ回路106への電力伝送を前提とする。図6は、定格出力P=100kWの連続運転時の動作波形図である。図7は、出力電力P=45kWの連続運転時の動作波形図である。出力100kW、45kWにおいて、位相差はδ=27.4°、δ=11°であった。   Next, the results of the experiment will be described. In this experiment, power transmission from the first full bridge circuit 104 to the second full bridge circuit 106 was performed. In the following discussion, it is assumed that power is transmitted from the first full bridge circuit 104 to the second full bridge circuit 106. FIG. 6 is an operation waveform diagram at the time of continuous operation with the rated output P = 100 kW. FIG. 7 is an operation waveform diagram at the time of continuous operation with output power P = 45 kW. At outputs of 100 kW and 45 kW, the phase differences were δ = 27.4 ° and δ = 11 °.

図8および図9は、出力電力Pint=10kWにおける間欠運転時の動作波形図である。なお図8、図9では、位相差δの値δFIXが異なっており、具体的には図8では、Pcon=41kWとなるδFIX(=11°)を用い、図9は、Pcon=19kWとなるδFIX(=3.3°)を用いている。 FIGS. 8 and 9 are operation waveform diagrams at the time of intermittent operation at output power P int = 10 kW. In FIG. 8, 9, have different values [delta] FIX retardation [delta], in particular in FIG. 8, using the P con = 41kW δ FIX (= 11 °), Fig. 9, P con Δ FIX (= 3.3 °) where = 19 kW is used.

図10(a)、(b)は、出力電力Pと損失Plossの関係を示す図である。図11(a)、(b)は、出力電力Pと効率ηの関係を示す図である。図10(b)、図11(b)はそれぞれ、図10(a)、図11(a)の0kW〜40kWの範囲を拡大したものである。ここで、変換効率ηの計算には式(4)を用いた。連続運転では出力電力P=41kWにおいて最高効率ηmax=98.8%に達した。すなわち実験に用いた回路定数の場合、最大効率点P=41kWである。また出力電力P=100kWの定格動作時では変換効率98%であった。連続運転時において、出力電力P=19kWを境に、それより電力Pを減少させると、電力損失Plossが増大していく領域が存在する。すなわち実験に用いた回路定数の場合、最小損失点Pは、19kWである。この領域では不完全ZVS動作によるスナバ損失が支配的となっている。 FIGS. 10A and 10B are diagrams showing the relationship between the output power P and the loss P loss . FIGS. 11A and 11B are diagrams showing the relationship between the output power P and the efficiency η. FIGS. 10B and 11B are enlarged views of the range of 0 kW to 40 kW in FIGS. 10A and 11A, respectively. Here, equation (4) was used to calculate the conversion efficiency η. In the continuous operation, the maximum efficiency η max = 98.8% was reached at the output power P = 41 kW. That is, in the case of the circuit constant used in the experiment, the maximum efficiency point P 1 is 41 kW. The conversion efficiency was 98% at the time of rated operation with the output power P = 100 kW. At the time of continuous operation, there is a region where the power loss P loss increases when the power P is further reduced after the output power P = 19 kW. That is, when the circuit constants used in the experiment, the minimum loss point P 2 is 19 kW. In this region, the snubber loss due to the imperfect ZVS operation is dominant.

間欠運転では、実測した3kW以上の出力電力において、Pcon=41kWのときはη=98.0%となり、一方で、Pcon=19kWのときは97%となった。また、Pcon=41kWとPcon=19kWを比べると、実測した全出力領域でPcon=41kWの方がPcon=19kWと比べ、電力損失をより低減できることがわかる。 In the intermittent operation, at an actually measured output power of 3 kW or more, η = 98.0% when P con = 41 kW, and 97% when P con = 19 kW. Furthermore, when comparing the P con = 41kW and P con = 19 kW, towards P con = 41kW at full power regions measured is compared with the P con = 19 kW, it can be seen that further reduce power loss.

図11(a)、(b)を参照する。連続運転と間欠運転の変換効率を比較すると、連続運転(従来制御)においてスナバ損失が支配的になる低出力領域(19kW以下)に、間欠運転を適用することで大幅な効率向上が可能であることがわかる。これはスナバ損失を低減し、かつ休止期間中の鉄損を零にできるからである。   Referring to FIGS. 11 (a) and 11 (b). Comparing the conversion efficiency between continuous operation and intermittent operation, it is possible to greatly improve efficiency by applying intermittent operation to a low output region (19 kW or less) where snubber loss is dominant in continuous operation (conventional control). You can see that. This is because the snubber loss can be reduced and the iron loss during the idle period can be reduced to zero.

一方でPintとPconの差が、ある一定値以下であるとき、すなわち間欠運転の周期が、ある一定値よりも短い場合、間欠運転は連続運転よりも効率が悪化する。図8、図9に示すように、間欠運転では伝送開始時の位相進みブリッジと伝送終了時の位相遅れブリッジではハードスイッチング動作となる。休止期間のインダクタ電流を零に制御するため、ハードスイッチング動作は原理的に発生する。したがって、間欠運転の周期が短くなると、ハードスイッチング動作に起因するスナバ損失の影響が大きくなり、結果として間欠運転の効率は悪化する。 On the other hand, when the difference between P int and P con is equal to or smaller than a certain value, that is, when the cycle of the intermittent operation is shorter than a certain value, the efficiency of the intermittent operation is lower than that of the continuous operation. As shown in FIGS. 8 and 9, in the intermittent operation, the phase advance bridge at the start of transmission and the phase delay bridge at the end of transmission perform a hard switching operation. In order to control the inductor current during the idle period to zero, a hard switching operation occurs in principle. Therefore, when the cycle of the intermittent operation is shortened, the influence of the snubber loss caused by the hard switching operation increases, and as a result, the efficiency of the intermittent operation deteriorates.

これらの実験結果を踏まえてしきい値PTHおよび位相差δFIXについてまとめると、以下の知見が得られる。 The following findings are obtained by summarizing the threshold value P TH and the phase difference δ FIX based on these experimental results.

(第1の設定方法)
図11(b)を参照すると、幅広い電力範囲で最も効率が良いのは、最小損失点P=19kWより高い領域において、第1モードで動作させ、最小損失点P=19kWより低い領域において、Pcon=41kWを与える位相差δFIXを用いて、第2モードで動作させた場合である。すなわち、しきい値PTHはPと実質的に等しく、第2モードで使用される位相差δとして、最大効率点Pに対応する位相差δと実質的に等しい値を用いることで、高い効率を維持することができる。
(First setting method)
Figure 11 (b), the most efficient that good in a wide power range, at higher than the minimum loss point P 2 = 19 kW region, is operated in the first mode, the lower the minimum loss point P 2 = 19 kW region , P con = 41 kW, and operated in the second mode using the phase difference δ FIX . That is, the threshold value P TH is substantially equal to P 2, and a value substantially equal to the phase difference δ 1 corresponding to the maximum efficiency point P 1 is used as the phase difference δ used in the second mode. , High efficiency can be maintained.

(第2の設定方法)
また図11(b)を参照すると、最小損失点P=19kWより高い領域において、第1モードで動作させ、最小損失点P=19kWより低い領域において、Pcon=19kWを与える位相差δFIXを用いて、第2モードで動作させた場合にも、広い電力範囲において、97%以上の高い効率が維持される。すなわち、しきい値PTHはPと実質的に等しく、第2モードで使用される位相差δとして、最小損失点Pに対応する位相差δと実質的に等しい値を用いるとよい。
(Second setting method)
Referring also to FIG. 11 (b), at higher than the minimum loss point P 2 = 19 kW region, is operated in the first mode, the lower the minimum loss point P 2 = 19 kW regions, a phase difference provided the P con = 19kW δ Even when the FIX is used to operate in the second mode, a high efficiency of 97% or more is maintained in a wide power range. That is, the threshold value P TH is substantially equal to P 2, and a value substantially equal to the phase difference δ 2 corresponding to the minimum loss point P 2 may be used as the phase difference δ used in the second mode. .

(第3の設定方法)
第1の設定方法と第2の設定方法の中間的な状態においても、それらの中間的な効率が得られる。したがってしきい値PTHはPと実質的に等しく、第2モードで使用される位相差δとして、位相差δとδの間の値を用いることで、高い効率を維持することができる。
(Third setting method)
Even in an intermediate state between the first setting method and the second setting method, an intermediate efficiency between them can be obtained. Therefore, the threshold value P TH is substantially equal to P 2, and high efficiency can be maintained by using a value between the phase differences δ 1 and δ 2 as the phase difference δ used in the second mode. it can.

(第4の設定方法)
図11(b)を参照すると、Pcon=41kWを与える位相差δを用いて、19kWを超える範囲において間欠運転を行った場合であっても、98%程度の高い効率は維持される。同様に、Pcon=19kWを与える位相差δを用いた場合であっても、19kWを超える範囲において間欠運転を行った場合であっても、97%程度の高い効率は維持される。この傾向は、P=41kWを超えた当たり(本発明者らの検討によればPより10%程度高い値)まで維持される。このことが、しきい値PTHを上述した式(3)にもとづいて定めればよいことの根拠となる。
(Fourth setting method)
Referring to FIG. 11B, even when the intermittent operation is performed in a range exceeding 19 kW using the phase difference δ 1 that gives P con = 41 kW, a high efficiency of about 98% is maintained. Similarly, even when using phase difference [delta] 2 to give P con = 19 kW, even when performing the intermittent operation in a range in excess of 19 kW, as high as 97% efficiency is maintained. This tendency is maintained up to the point where P 1 = 41 kW is exceeded (a value about 10% higher than P 1 according to the study of the present inventors). This is the basis for determining the threshold value P TH based on the above-described equation (3).

第3の設定方法における知見と組み合わせれば、しきい値PTHは式(3)を満たすように規定し、第2モードで使用される位相差δとして、位相差δとδの間の値を用いることで、高い効率を維持することができる。 When combined with the knowledge in the third setting method, the threshold value P TH is defined so as to satisfy Expression (3), and the phase difference δ used in the second mode is defined as the phase difference δ between the phase differences δ 1 and δ 2 . By using the value of, high efficiency can be maintained.

続いて、パラメータmについて検討する。第2モードの間欠運転における伝送期間と休止期間をどのように決定するかについては、高周波トランスの磁気飽和を防ぐという制約下で自由度が存在する。非特許文献8の伝送期間決定方法には、本明細書のmという概念がなく、2回の正負のパルス周期で高周波トランスの磁束を相殺しようとするものである。その結果、2回のパルス周期で合計6回のハードスイッチング動作が生じ、その結果として変換効率が低下する。これに対してm=1を選択すると、ハードスイッチング動作を2回に抑制できる。   Next, the parameter m will be discussed. Regarding how to determine the transmission period and the idle period in the intermittent operation of the second mode, there is a degree of freedom under the constraint of preventing magnetic saturation of the high-frequency transformer. The transmission period determination method of Non-Patent Document 8 does not have the concept of m in this specification, and attempts to cancel the magnetic flux of the high-frequency transformer with two positive and negative pulse periods. As a result, a total of six hard switching operations occur in two pulse periods, resulting in a decrease in conversion efficiency. On the other hand, if m = 1 is selected, the hard switching operation can be suppressed to twice.

本明細書の伝送期間決定方法を採用した場合、磁気飽和防止を考慮したmの最小値は0.5である。しかし、伝送電力が同一の場合、上述のスナバ損失低減の観点から、mを大きく設定した方が変換効率は向上する。その一方で、mを大きくすると、後述の電圧リプルが問題となる。以上、変換効率向上と電圧リプル低減のトレードオフを考慮すると、m=1とすることが好ましい。   When the transmission period determination method of this specification is adopted, the minimum value of m in consideration of prevention of magnetic saturation is 0.5. However, when the transmission power is the same, the conversion efficiency is improved by setting m to be large from the viewpoint of reducing the snubber loss. On the other hand, when m is increased, the voltage ripple described below becomes a problem. As described above, considering the trade-off between the improvement of the conversion efficiency and the reduction of the voltage ripple, it is preferable to set m = 1.

続いて、間欠運転に起因する電圧リプルについて検討する。間欠運転では電力伝送を伝送期間と休止期間に分割するため、直流キャパシタCdcに生じる電圧リプルが問題となる。休止期間nTsw(=n/fsw)において、直流キャパシタCdcが一定電流Iを負荷に供給すると仮定した場合、Cdcに生じる電圧リプルΔvp−pおよび電流Iはそれぞれ、式(9)、(10)で表される。

Figure 0006624729
Next, the voltage ripple caused by the intermittent operation will be discussed. In the intermittent operation, power transmission is divided into a transmission period and a pause period, so that voltage ripple occurring in the DC capacitor Cdc becomes a problem. In idle period nT sw (= n / f sw ), when the DC capacitor Cdc is assumed to be supplied to a load a constant current I 2, respectively voltage ripple Delta] v p-p and the current I 2 is generated in the C dc, formula (9 ) And (10).
Figure 0006624729

図12は、Pcon=41kW(δ=8.8°)とPcon=19kW(δ=4°)における、出力電力Pint(1〜18kW)とnの関係を示す図である。図13は、出力電力Pint(1〜18kW)と電圧リップルΔvp−pの関係を示す図である。各定数は図5の同じ値を用いている。トランスの巻数比は1:1(すなわちN=1) とし、E=E=750Vdcとしている。 FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the output power P int (1 to 18 kW) and n when P con = 41 kW (δ = 8.8 °) and P con = 19 kW (δ = 4 °). FIG. 13 is a diagram illustrating a relationship between the output power P int (1 to 18 kW) and the voltage ripple Δv pp . Each constant uses the same value in FIG. The turns ratio of the transformer is 1: 1 (that is, N = 1), and E 1 = E 2 = 750 Vdc .

理論解析の結果から、直流キャパシタの静電定数を1.1ms(400μs)とした場合でも、間欠運転に起因する電圧リプルは実用上の問題とはならない。この理由は、間欠運転を低出力領域にのみ適用するからである。具体的には、1〜18kWの出力領域において、Pcon=41kWとした場合のリップルΔvp−pは6.6V(750Vdcに対して0.88%)以下となり、Pcon=19kWとした場合のリップルΔvp−pは3.0V(750Vdcの0.4%)以下となる。 From the result of the theoretical analysis, even when the electrostatic constant of the DC capacitor is set to 1.1 ms (400 μs), the voltage ripple caused by the intermittent operation is not a practical problem. The reason for this is that the intermittent operation is applied only to the low output region. Specifically, in the output region of 1 to 18 kW, the ripple Δv pp when P con = 41 kW is 6.6 V or less (0.88% with respect to 750 V dc ), and P con = 19 kW. In this case, the ripple Δv pp becomes 3.0 V (0.4% of 750 V dc ) or less.

実施の形態では、単相フルブリッジ回路104、106を備えるDABを説明したが本発明はそれに限定されず、3相フルブリッジ回路および三相トランスを備えるDABにも本発明は適用可能である。   In the embodiment, the DAB including the single-phase full bridge circuits 104 and 106 has been described. However, the present invention is not limited thereto, and the present invention is applicable to a DAB including a three-phase full bridge circuit and a three-phase transformer.

実施の形態にもとづき、具体的な用語を用いて本発明を説明したが、実施の形態は、本発明の原理、応用を示しているにすぎず、実施の形態には、請求の範囲に規定された本発明の思想を逸脱しない範囲において、多くの変形例や配置の変更が認められる。   Although the present invention has been described using specific terms based on the embodiments, the embodiments are merely illustrative of the principles and applications of the present invention, and the embodiments are defined in the claims. Many modifications and changes in arrangement may be made without departing from the spirit of the present invention.

100…双方向DC/DCコンバータ、102…トランス、W1…1次巻線、W2…2次巻線、L1…漏れインダクタンス、104…第1フルブリッジ回路、106…第2フルブリッジ回路、110…コントローラ。 100 bidirectional DC / DC converter, 102 transformer, W1 primary winding, W2 secondary winding, L1 leakage inductance, 104 first full bridge circuit, 106 second full bridge circuit, 110 controller.

Claims (6)

トランスと、
前記トランスの1次巻線と接続される第1フルブリッジ回路と、
前記トランスの2次巻線と接続される第2フルブリッジ回路と、
前記第1フルブリッジ回路および前記第2フルブリッジ回路を制御するコントローラと、
を備え、
前記コントローラは、
伝送電力が所定のしきい値PTHより高い第1領域において、前記第1フルブリッジ回路と前記第2フルブリッジ回路を位相差δにてスイッチングする連続運転を行い、位相差δを変化させることにより伝送電力を調整し、
前記伝送電力が前記しきい値PTHより低い第2領域において、前記位相差δを固定し、mを0.5の自然数倍の実数、nを実数として、δ+2πmの期間、前記第1フルブリッジ回路と前記第2フルブリッジ回路をスイッチングし、2πnの期間、前記第1フルブリッジ回路と前記第2フルブリッジ回路のスイッチングを停止する間欠運転を行い、nを変化させることにより伝送電力を調整し、
前記しきい値PTHは、連続運転において最大効率を与える伝送電力をP、連続運転において最小損失を与える伝送電力をPとしたとき、P≦PTH≦P×1.1を満たすことを特徴とする絶縁型の双方向DC/DCコンバータ。
With a transformer,
A first full bridge circuit connected to a primary winding of the transformer;
A second full bridge circuit connected to a secondary winding of the transformer,
A controller for controlling the first full bridge circuit and the second full bridge circuit;
With
The controller is
Performing a continuous operation of switching the first full-bridge circuit and the second full-bridge circuit with a phase difference δ in a first region where the transmission power is higher than a predetermined threshold value P TH to change the phase difference δ; Adjust the transmission power by
In a second region where the transmission power is lower than the threshold value P TH , the phase difference δ is fixed, m is a real number that is a natural number multiple of 0.5, n is a real number, and the first full period is δ + 2πm. Switching the bridge circuit and the second full bridge circuit, performing intermittent operation of stopping the switching of the first full bridge circuit and the second full bridge circuit for 2πn, and adjusting the transmission power by changing n And
The threshold value P TH is, P 1 the transmission power which provides the maximum efficiency in continuous operation, when the transmission power that gives the minimum loss in continuous operation was P 2, the P 2 ≦ P TH ≦ P 1 × 1.1 An insulated bidirectional DC / DC converter characterized by satisfying.
前記第2領域で使用される位相差δは、伝送電力Pに対応する位相差δと、伝送電力Pに対応する位相差δの間に含まれることを特徴とする請求項1に記載の双方向DC/DCコンバータ。 The phase difference [delta] used in the second region, claim wherein the phase difference [delta] 1 corresponding to the transmission power P 1, to be included between the phase difference [delta] 2 corresponding to the transmission power P 2 1 2. The bidirectional DC / DC converter according to 1. 前記第2領域で使用される位相差δは、伝送電力PTHに対応する位相差δであることを特徴とする請求項1に記載の双方向DC/DCコンバータ。 2. The bidirectional DC / DC converter according to claim 1, wherein the phase difference δ used in the second area is a phase difference δ corresponding to transmission power P TH . 前記しきい値PTHはPと実質的に等しく、前記第2領域で使用される位相差δは、Pに対応する位相差δと実質的に等しいことを特徴とする請求項1に記載の双方向DC/DCコンバータ。 The threshold value P TH is P 2 and substantially equal to the phase difference δ to be used in the second region, according to claim 1, characterized in that substantially equal to 1 and the phase difference δ corresponding to P 1 2. The bidirectional DC / DC converter according to 1. m=1であることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の双方向DC/DCコンバータ。   5. The bidirectional DC / DC converter according to claim 1, wherein m = 1. 絶縁型の双方向DC/DCコンバータの制御方法であって、
前記双方向DC/DCコンバータは、
トランスと、
前記トランスの1次巻線と接続される第1フルブリッジ回路と、
前記トランスの2次巻線と接続される第2フルブリッジ回路と、
前記第1フルブリッジ回路および前記第2フルブリッジ回路を制御するコントローラと、
を備え、
前記制御方法は、
連続運転において最大効率を与える伝送電力をP、連続運転において最小損失を与える伝送電力をPとしたとき、P≦PTH≦P×1.1を満たすしきい値PTHを規定するステップと、
前記伝送電力が前記しきい値PTHより高い第1領域において、前記第1フルブリッジ回路と前記第2フルブリッジ回路を位相差δにてスイッチングする連続運転を行い、位相差δを変化させることにより伝送電力を調整するステップと、
前記伝送電力が前記しきい値PTHより低い第2領域において、前記位相差δを固定し、mを0.5の自然数倍の実数、nを実数として、δ+2πmの期間、前記第1フルブリッジ回路と前記第2フルブリッジ回路をスイッチングし、2πnの期間、前記第1フルブリッジ回路と前記第2フルブリッジ回路のスイッチングを停止する間欠運転を行い、nを変化させることにより伝送電力を調整するステップと、
を備えることを特徴とする制御方法。
A method of controlling an isolated bidirectional DC / DC converter, comprising:
The bidirectional DC / DC converter includes:
With a transformer,
A first full bridge circuit connected to a primary winding of the transformer;
A second full bridge circuit connected to a secondary winding of the transformer,
A controller for controlling the first full bridge circuit and the second full bridge circuit;
With
The control method includes:
When the transmission power that gives the maximum efficiency in continuous operation is P 1 and the transmission power that gives the minimum loss in continuous operation is P 2 , a threshold value P TH that satisfies P 2 ≦ P TH ≦ P 1 × 1.1 is defined. Steps to
Performing a continuous operation of switching the first full-bridge circuit and the second full-bridge circuit with a phase difference δ in a first region where the transmission power is higher than the threshold value P TH to change the phase difference δ; Adjusting the transmission power by:
In a second region where the transmission power is lower than the threshold value P TH , the phase difference δ is fixed, m is a real number that is a natural number multiple of 0.5, n is a real number, and the first full period is δ + 2πm. Switching the bridge circuit and the second full bridge circuit, performing intermittent operation for stopping the switching of the first full bridge circuit and the second full bridge circuit for 2πn, and adjusting the transmission power by changing n Steps to
A control method comprising:
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