JP6973932B2 - Dc/dcコンバータの制御装置 - Google Patents
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三相DAB方式の双方向DC/DCコンバータは、双方向に使用できるコンバータであり、1次側電力P1の1次側DC電圧E1が印加される平滑用のコンデンサ1−1と、2次側電力P2の2次側DC電圧E2が印加される平滑用のコンデンサ1−2と、を有している。コンデンサ1−1の両電極間には、DC電圧とAC(交流)電圧とを相互に変換する共振機能付きの1次側ブリッジ回路10−1が接続され、コンデンサ1−2の両電極間にも、AC電圧とDC電圧とを相互に変換する共振機能付きの2次側ブリッジ回路10−2が接続されている。
これに対して、2次側のDC電力P2を入力して1次側の負荷へ供給する場合には、上記と逆の動作が行われる。
三相DAB方式の双方向DC/DCコンバータにおけるY−Y結線方式において、例えば、トランス40の1次巻線41−1〜43−1と2次巻線41−2〜43−2との巻数比を1:1とすると、変換される入力電力Pは、1次巻線41−1〜43−1側のAC電圧と2次巻線41−2〜43−2側のAC電圧との1次−2次間位相差φの関数となる。DC電圧E1,E2、FET11〜22のスイッチング周波数f、及びインダクタンス値Lが固定とすると、位相差φにより電力制御が可能となる。
本発明は、スイッチング素子がオフする時の電流を減少させて電力変換効率を向上させるDC/DCコンバータの制御装置を提供することを目的としている。
図1は、本発明の実施例1におけるDC/DCコンバータ(例えば、三相DAB方式の双方向DC/DCコンバータ)を示す回路図である。
この三相DAB方式の双方向DC/DCコンバータは、従来の図17と同様に、双方向に使用できるコンバータであり、1次側(例えば、蓄電池側)電力P1の第1DC電圧E1が印加される平滑用のコンデンサ61と、2次側(例えば、直流リンク側)電力P2の第2DC電圧E2が印加される平滑用のコンデンサ62と、を有している。コンデンサ61の両電極間には、DC電圧とAC電圧とを相互に変換する共振機能付きの第1ブリッジ回路(例えば、1次側ブリッジ回路)70−1が接続され、コンデンサ62の両電極間にも、AC電圧とDC電圧とを相互に変換する共振機能付きの第2ブリッジ回路(例えば、2次側ブリッジ回路)70−2が接続されている。
周波数制御部210は、1次−2次間の電力変換効率を計算する電力変換効率計算部211と、FET71〜82がオフする時に流れるオフ電流値の正負を判定する電流値正負判定部212と、スイッチング周波数fを一定値αだけ増減する周波数調整部213と、電力変換効率が上昇しているか否かを判定する効率変動判定部214と、を有し、それらがバス210aを介して相互に接続されている。
例えば、DC電圧E1側の1次側電力P1を入力してDC電圧E2側の一定の2次側電力P2を負荷へ供給する場合の定電力動作を説明する。
図1のDC/DCコンバータにおいて、例えば、トランス100の1次巻線111〜113と2次巻線121〜123との巻数比を1:1とすると、変換される入力電力Pは、1次巻線111〜113側のAC電圧と2次巻線121〜123側のAC電圧との1次−2次間位相差φの関数となり、次式(1)、(2)にて与えられる。
P=[(E1×E2)/(360×f×L)]×[φ(240−φ)/360]
・・・(1)
(φ=60°〜120°の時)
P=[(E1×E2)/(360×f×L)]×[(−φ2+180φ−1800)/180] ・・・(2)
但し、f;FET71〜82のスイッチング周波数
L;インダクタ91〜93の各インダクタンス値
1次側のFET71〜76の場合
(φ=0〜60°の時)
i=[1/(360×f×L)]×[(120E1+(φ−120)E2)/3] ・・・(3)
(φ=60〜120°の時)
i=[1/(360×f×L)]×[(120E1+(2φ−180)E2)/3] ・・・(4)
2次側のFET77〜82の場合
(φ=0〜60°の時)
i=[1/(360×f×L)]×{[(120−φ)E1−120E2]/3} ・・・(5)
(φ=60〜120°の時)
i=[1/(360×f×L)]×{[(2φ−180)E1+120E2]/3} ・・・(6)
で表される。
図3では、DC電圧E2=E1、位相差φ=90°の入力電力Pを1とした時の電圧比d(=E2/E1)のd1〜d7曲線が描かれている。電圧比dにおいて、d1曲線=0.14、d2曲線=0.29、d3曲線=0.5、d4曲線=0.57、d5曲線=1、d6曲線=1.43、d7曲線=2である。電圧比dが大きくなるほど、入力電力Pが大きくなっている。
(φ=0〜60°の時)
φ>120(1−1/d)
(φ60〜120°の時)
φ>90(1−2/(3d))
で表される。
(φ=0〜60°の時)
φ>120(1−d)
(φ=60〜120°の時)
φ>90(1−(2d)/3)
で表される。
図4において、符号241は1次側境界Y−Y曲線、符号242は2次側境界Y−Y曲線である。2本の1次側境界Y−Y曲線241,241で囲まれた谷形の領域は、1次側FET71〜76のZVSを外れる領域であり、2本の2次側境界Y−Y曲線242,242で囲まれた山形の領域は、2次側FET77〜82のZVSを外れる領域である。1次側境界Y−Y曲線241と2次側境界Y−Y曲線242とで囲まれた左右の2つの三角形の領域は、1次、2次側FET71〜76,77〜82のZVS動作領域である。
この図5のフローチャートでは、周波数制御部210により、ステップST1〜ST9を実行してスイッチング周波数fを制御し、損失を軽減させる動作例が示されている。
このように、周波数制御部210でスイッチング周波数fを制御することにより、最も電力変換効率が高い状態で電力変換動作を行わせることができる。
図6は、図1のDC/DCコンバータを用い、DC電圧E1=264V、DC電圧E2=350V、入力電力P=11kW、スイッチング周波数f=55kHzとした時の1次側FET71,72の電流・電圧波形図である。
図7は、図6と同様に、図1のDC/DCコンバータを用い、DC電圧E1=264V、DC電圧E2=350V、入力電力P=11kWとし、図6とは異なるスイッチング周波数f=50kHzとした時の1次側FET71,72の電流・電圧波形図である。
図6と図7を対比すると、スイッチング周波数fを図6の55kHzから、図7の50kHzに下げると、図7のドレイン電流Idの波形CH2が、符号250の箇所で低下しているのが分かる。
図8に示すように、スイッチング周波数fを55kHzから50kHzへと低くすることにより、位相差φが75°から61.3°へと小さくなっている。更に、図7のドレイン電流Idの波形CH2の符号250箇所に示すように、FET71がオフする時のドレイン電流Idが低下している。これにより、電力変換効率が94.60%から95.34%へと改善していることが確認できる。
このように、本実施例1の制御装置200によれば、FET71〜82がオフする時の電流iを低下させているので、電力変換効率を向上できる。
図9は、本発明の実施例2におけるDC/DCコンバータ(例えば、三相DAB方式の双方向DC/DCコンバータ)を示す回路図である。
この三相DAB方式の双方向DC/DCコンバータでは、実施例1の図1中のY−Y結線方式の三相トランス100に代えて、Δ−Δ結線方式の三相トランス100Aが設けられている。三相トランス100Aは、実施例1の三相トランス100と同様に、3つの1次巻線111〜113と3つの2次巻線121〜123を有している。
その他の構成は、実施例1と同様である。
図9のDC/DCコンバータにおいて、例えば、トランス100Aの1次巻線111〜113と2次巻線121〜123との巻数比を1:1とすると、変換される入力電力Pは、1次巻線111〜113側のAC電圧と2次巻線121〜123側のAC電圧との1次−2次間位相差φの関数となり、次式(7)、(8)にて与えられる。
P=[(E1×E2)/(360×f×L)]×[φ(240−φ)/120]
・・・(7)
(φ=60°〜120°の時)
P=[(E1×E2)/(360×f×L)]×[(−φ2+180φ−1800)/60] ・・・(8)
但し、f;FET71〜82のスイッチング周波数
L;インダクタ91〜93の各インダクタンス値
実施例1と同様に、DC電圧E1,E2、スイッチング周波数f、及びインダクタンス値Lが固定とすると、位相差φにより電力制御が可能となる。
図10では、図3と同様に、DC電圧E2=E1、位相差φ=90°の電力を1とした時の電圧比d(=E2/E1)のd1〜d7曲線が描かれている。電圧比dにおいて、d1曲線=0.14、d2曲線=0.29、d3曲線=0.5、d4曲線=0.57、d5曲線=1、d6曲線=1.43、d7曲線=2である。電圧比dが大きくなるほど、入力電力Pが大きくなっている。
1次側FET71〜76及び2次側FET77〜82のZVS動作範囲において、1次側FET71〜76のZVS動作条件と、2次側FET77〜82のZVS動作条件と、は実施例1と同様である。
この図11は、実施例1の図4と略同様の特性になっている。
本実施例2では、実施例1と同様に、周波数制御部210でスイッチング周波数fを制御しているので、最も電力変換効率が高い状態で電力変換動作を行わせることができる。
図12は、本発明の実施例3におけるDC/DCコンバータ(例えば、三相DAB方式の双方向DC/DCコンバータ)を示す回路図である。
この三相DAB方式の双方向DC/DCコンバータでは、実施例1の図1中のY−Y結線方式の三相トランス100に代えて、Y−Δ結線方式の三相トランス100Bが設けられている。三相トランス100Bは、実施例1の三相トランス100と同様に、3つの1次巻線111〜113と3つの2次巻線121〜123を有している。
その他の構成は、実施例1と同様である。
図12のDC/DCコンバータにおいて、例えば、トランス100Bの1次巻線111〜113と2次巻線121〜123との巻数比を1:1とすると、変換される入力電力Pは、1次巻線111〜113側のAC電圧と2次巻線121〜123側のAC電圧との1次−2次間位相差φの関数となり、次式(9)、(10)にて与えられる。
P=[(E1×E2)/(360×f×L)]×[φ−30] ・・・(9)
(φ=60°〜120°の時)
P=[(E1×E2)/(360×f×L)]×[(−φ2+240φ−7200)/120] ・・・(10)
但し、f;FET71〜82のスイッチング周波数
L;インダクタ91〜93の各インダクタンス値
実施例1と同様に、DC電圧E1,E2、スイッチング周波数f、及びインダクタンス値Lが固定とすると、位相差φにより電力制御が可能となる。
図13では、図3と同様に、DC電圧E2=E1、位相差φ=90°の電力を1とした時の電圧比d(=E2/E1)のd1〜d7曲線が描かれている。電圧比dにおいて、d1曲線=0.14、d2曲線=0.29、d3曲線=0.5、d4曲線=0.57、d5曲線=1、d6曲線=1.43、d7曲線=2である。位相差φが30°以上の領域において、電圧比dが大きくなるほど、入力電力Pが大きくなっている。
図14において、符号243は1次側境界Δ−Y曲線、符号244は2次側境界Δ−Y曲線である。
本実施例3では、実施例1と同様に、周波数制御部210でスイッチング周波数fを制御しているので、最も電力変換効率が高い状態で電力変換動作を行わせることができる。
Y−Y結線方式のトランス100を有する実施例1のDC/DCコンバータと、Δ−Δ結線方式のトランス100Aを有する実施例2のDC/DCコンバータと、Y−Δ結線方式のトランス100Bを有する実施例3のDC/DCコンバータと、を比較する。
同じ回路及びスイッチング周波数fにおいて、Δ−Δ結線方式の実施例2が、Y−Y結線方式の実施例1よりも3倍の電力変換が可能である。同じ入力電力Pを得る場合、実施例1に比べて実施例2のインダクタ91〜93を1/3まで小型化が可能である。Y−Δ結線方式の実施例3の場合、位相差φ>30°から正方向の電力変換を行う。実施例3の場合、ZVS条件を最適化すると、トランス100Bの1次巻線111〜113/2次巻線121〜123の巻数比を1:0.583にする必要がある。この場合、実施例3では、Y−Y結線方式の実施例1と略同じ入力電力Pが得られる。
Δ−Δ結線方式の実施例2の場合、Y−Y結線方式の実施例1と同じZVS動作領域である。Y−Δ結線方式の実施例3の場合は、出力電圧±14%以内の範囲において全域でZVS動作を行う。電力変換特性及びZVS動作領域と特性は、シミュレーションにて検証できた。電力P−位相差φ特性及びZVS動作領域特性は、各ブリッジ回路70−1,70−2内の上下FETのデッドタイムの影響を受けるため、ZVS動作を外れる条件付近では、位相差φが変動しても入力電力Pが変動しない。上記の特性はデッドタイムの影響を考慮していない。
図15の横軸は1次−2次間位相差φ(°)、縦軸は入力電力Pである。Δ−Δ結線方式の入力電力をP(Δ−Δ)、Y−Δ結線方式の入力電力をP(Y−Δ)、Y−Y結線方式の入力電力をP(Y−Y)とすると、P(Δ−Δ)=3P(Y−Δ)、P(Y−Δ)=P(Y−Y)となる。Y−Δ結線方式の場合、位相差φがφ−30°へ遷移してリセット、トランス1次/2次巻数比を1:0.583とする。符号245はY−YE1=E2曲線、符号246はΔ−ΔE1=E2曲線、及び符号247はY−ΔE1=E2(トランス1次/2次巻線比=1:0.583)曲線である。
図16の横軸は1次−2次間位相差φ(°)、縦軸は電圧比d(E2=E1)である。符号241は1次側境界Y−Y曲線、符号242は2次側境界Y−Y曲線、符号243は1次側境界Y−Δ曲線、及び符号244は2次側境界Y−Δ曲線である。Y−Δ結線方式の場合、トランス1次/2次巻線比は1:0.583、位相差φはφ−30°へ遷移、出力電圧が±14%範囲で全域ZVS動作をする。
図15及び図16から明らかなように、Y−Δ結線方式は、ZVS動作条件においてY−Y結線方式とΔ−Δ結線方式に比べて利点(メリット)がある。しかし、Y−Δ結線方式の方が無効電流が増えるので、FET71〜82及び巻線111〜113,121〜123の導通損失が増えることが予想される。電力変換効率の観点から見た場合、ZVS動作条件だけではなく、各部品(デバイス)のストレスの比較を行い、総合的に判断する必要がある。
(A) 入出力コンデンサ61,62のリプル電流比較
(B) FET71〜82の導通電流の平均値及び実効値の比較
(C) トランス巻線の電圧、電流分析によって損失の大小の比較
従って、(A)〜(C)の比較検討により、電力変換効率、サイズ、コストの観点から総合的に評価してDC/DCコンバータを実現することが望ましい。
本発明は、上記実施例1〜3に限定されず、種々の利用形態や変形が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の(a)〜(d)のようなものがある。
(b) 実施例1〜3では、三相DAB(Y−Y)、(Δ−Δ)、(Y−Δ)結線方式について説明したが、他の結線方式(例えば、単相のDAB方式)についても本発明を適用できる。
(c) FET71〜82は、他のスイッチング素子(例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)、SiC(炭化ケイ素、シリコンカーバイト)素子、GaN(窒化ガリウム、ガリウムナイトライド)素子等)を使用しても良い。
(d) 実施例1〜3では、双方向のDC/DCコンバータについて説明したが、一方向のDC/DCコンバータについても、本発明を適用できる。
70−1,70−2 1次側、2次側ブリッジ回路
71〜82 FET
71a〜82a ボディダイオード
71b〜82b 寄生容量
91〜93 インダクタ
100,100A,100B トランス
111〜113 1次巻線
121〜123 2次巻線
200 制御装置
210 周波数制御部
211 電力変換効率計算部
211a,211b,211c 第1、第2、第3電力変換効率計算部
212 電流値正負判定部
213 周波数調整部
213a,213b 第1、第2周波数調整部
214 効率変動判定部
214a,214b 第1、第2効率変動判定部
220 定電力制御部
230 駆動部
Claims (6)
- 1次巻線及び2次巻線を有する変圧器と、
複数の第1制御信号によりそれぞれオン/オフ動作する複数の第1スイッチング素子がブリッジ接続され、第1直流電圧を交流電圧に変換して前記1次巻線側へ供給する第1ブリッジ回路と、
複数の第2制御信号によりそれぞれオン/オフ動作する複数の第2スイッチング素子がブリッジ接続され、前記2次巻線側から供給される交流電圧を整流して第2直流電圧を出力する第2ブリッジ回路と、
を備えるDC/DCコンバータに対し、所望のスイッチング周波数を有する前記複数の第1制御信号及び前記複数の第2制御信号を出力して前記複数の第1スイッチング素子及び前記複数の第2スイッチング素子のオン/オフ動作を制御するDC/DCコンバータの制御装置において、
前記制御装置は、
前記第1スイッチング素子又は前記第2スイッチング素子がオフする時のオフ電流値を求め、前記オフ電流値が正の場合には、前記1次巻線及び前記2次巻線間の位相差が小さくなるように前記スイッチング周波数を変化させることを特徴とするDC/DCコンバータの制御装置。 - 前記第1ブリッジ回路と前記1次巻線との間には、共振用のインダクタが接続されている請求項1記載のDC/DCコンバータの制御装置。
- 前記制御装置は
前記第1直流電圧側及び前記第2直流電圧側の電流及び電圧に基づき、第1電力変換効率を計算して第1電力変換効率計算結果を出力する第1電力変換効率計算部と、
前記第1電力変換効率計算結果が出力された時のオフ電流値を、前記第1直流電圧、前記第2直流電圧、前記位相差、前記スイッチング周波数、及び前記1次巻線のインダクタンス値に基づいて計算し、計算された前記オフ電流値の正負を判定して正負判定結果を求め、前記正負判定結果が負の場合には、前記第1電力変換効率計算部に対して前記第1電力変換効率を計算させる電流値正負判定部と、
前記正負判定結果が正の場合には、前記スイッチング周波数を一定値だけ下げる第1周波数調整部と、
前記スイッチング周波数を一定値だけ下げた時の第2電力変換効率を、前記第1直流電圧側及び前記第2直流電圧側の電流及び電圧に基づいて計算する第2電力変換効率計算部と、
前記第2電力変換効率の上昇又は下降を判定して第1効率変動判定結果を求め、前記第1効率変動判定結果が上昇の場合には、前記第1周波数調整部に対して前記スイッチング周波数を一定値だけ下げさせる第1効率変動判定部と、
前記第1効率変動判定結果が下降の場合には、前記スイッチング周波数を一定値だけ上げる第2周波数調整部と、
前記スイッチング周波数を一定値だけ上げた時の第3電力変換効率を、前記第1直流電圧側及び前記第2直流電圧側の電流及び電圧に基づいて計算する第3電力変換効率計算部と、
前記第3電力変換効率の上昇又は下降を判定して第2効率変動判定結果を求め、前記第2効率変動判定結果が上昇の場合には、前記第2周波数調整部に対して前記スイッチング周波数を一定値だけ上げさせ、前記第2効率変動判定結果が下降の場合には、前記第1電力変換効率計算部に対して前記第1電力変換効率を計算させる第2効率変動判定部と、
を有する請求項1記載のDC/DCコンバータの制御装置。 - 前記制御装置は
前記第1直流電圧側及び前記第2直流電圧側の電流及び電圧に基づき、第1電力変換効率を計算して第1電力変換効率計算結果を出力する第1電力変換効率計算部と、
前記第1電力変換効率計算結果が出力された時のオフ電流値を、前記第1直流電圧、前記第2直流電圧、前記位相差、前記スイッチング周波数、及び前記インダクタのインダクタンス値に基づいて計算し、計算された前記オフ電流値の正負を判定して正負判定結果を求め、前記正負判定結果が負の場合には、前記第1電力変換効率計算部に対して前記第1電力変換効率を計算させる電流値正負判定部と、
前記正負判定結果が正の場合には、前記スイッチング周波数を一定値だけ下げる第1周波数調整部と、
前記スイッチング周波数を一定値だけ下げた時の第2電力変換効率を、前記第1直流電圧側及び前記第2直流電圧側の電流及び電圧に基づいて計算する第2電力変換効率計算部と、
前記第2電力変換効率の上昇又は下降を判定して第1効率変動判定結果を求め、前記第1効率変動判定結果が上昇の場合には、前記第1周波数調整部に対して前記スイッチング周波数を一定値だけ下げさせる第1効率変動判定部と、
前記第1効率変動判定結果が下降の場合には、前記スイッチング周波数を一定値だけ上げる第2周波数調整部と、
前記スイッチング周波数を一定値だけ上げた時の第3電力変換効率を、前記第1直流電圧側及び前記第2直流電圧側の電流及び電圧に基づいて計算する第3電力変換効率計算部と、
前記第3電力変換効率の上昇又は下降を判定して第2効率変動判定結果を求め、前記第2効率変動判定結果が上昇の場合には、前記第2周波数調整部に対して前記スイッチング周波数を一定値だけ上げさせ、前記第2効率変動判定結果が下降の場合には、前記第1電力変換効率計算部に対して前記第1電力変換効率を計算させる第2効率変動判定部と、
を有する請求項2記載のDC/DCコンバータの制御装置。 - 前記制御装置は、
プログラム制御可能なプロセッサ、又は、個別回路により構成されている請求項1〜4のいずれか1項記載のDC/DCコンバータの制御装置。 - 前記DC/DCコンバータは、
デュアル・アクティブ・ブリッジ方式の双方向DC/DCコンバータである請求項1〜5のいずれか1項記載のDC/DCコンバータの制御装置。
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