JP7089377B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置に関し、特に、電力変換装置が備えるスイッチング回路の制御に関する。 The present invention relates to a power conversion device, and more particularly to control of a switching circuit included in the power conversion device.
ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両が広く用いられている。電動車両には、駆動用モータに電力を供給するためのバッテリが搭載されている。ハイブリッド自動車では、エンジンの駆動力や回生制動によって発電した電力によってバッテリが充電される。また、プラグイン機能のある電動車両では、商用電源から供給される電力によってバッテリが充電される。バッテリを充電するため、電動車両には電力変換装置が搭載されている。電力変換装置は、バッテリ充電のために入力された電圧を適切な電圧に変換してバッテリに印加する。 Electric vehicles such as hybrid vehicles and electric vehicles are widely used. The electric vehicle is equipped with a battery for supplying electric power to the drive motor. In a hybrid vehicle, the battery is charged by the driving force of the engine and the electric power generated by regenerative braking. Further, in an electric vehicle having a plug-in function, the battery is charged by the electric power supplied from the commercial power source. To charge the battery, the electric vehicle is equipped with a power converter. The power conversion device converts the voltage input for charging the battery into an appropriate voltage and applies it to the battery.
以下の特許文献1および2には、本願発明に関連する電力変換装置が記載されている。特許文献1には、2つのスイッチング回路を各回路に接続された巻線によって磁気的に結合させ、2つのスイッチング回路の間で電力を伝送させる電力変換装置が示されている。2つのスイッチング回路を磁気的に結合させることで、2つのスイッチング回路間の絶縁性が高められる。特許文献2には、第1および第2の昇圧コンバータのパルス幅変調による力率改善を行いつつ、第1および第2の昇圧コンバータの周波数を調整することにより出力電圧を制御する電力変換装置が示されている。プラグイン機能のある電動車両については、特許文献2に記載されているような昇圧コンバータ(スイッチング回路)を用いて、入力電力の力率を調整する技術が提案されている。
The following
近年、電動車両に搭載されたバッテリから一般家庭の電気機器に交流電力を供給するV2H(Vehicle to Home)と呼ばれる技術や、電動車両に搭載されたバッテリから商用電源システム等の電力供給システムに交流電力を供給するV2G(Vehicle to Grid)と呼ばれる技術につき研究が行われている。V2HおよびV2Gでは、ユーザが操作する箇所とバッテリとの間の絶縁性を十分なものとする必要がある。そこで、2つのスイッチング回路をトランス(各スイッチング回路に接続された巻線)によって磁気的に結合させ、2つのスイッチング回路の間で電力を伝送させる電力変換装置が提案されている。しかし、このような、電力変換装置では、入力電力の力率や伝送損失等の電力伝送特性を良好にする技術が十分に検討されているとは言い難い。 In recent years, a technology called V2H (Vehicle to Home) that supplies AC power from a battery mounted on an electric vehicle to electric equipment in a general household, and a battery mounted on an electric vehicle are used to AC power to a power supply system such as a commercial power supply system. Research is being conducted on a technology called V2G (Vehicle to Grid) that supplies power. In V2H and V2G, it is necessary to have sufficient insulation between the place operated by the user and the battery. Therefore, a power conversion device has been proposed in which two switching circuits are magnetically coupled by a transformer (a winding connected to each switching circuit) to transmit electric power between the two switching circuits. However, in such a power conversion device, it cannot be said that a technique for improving the power transmission characteristics such as the power factor of the input power and the transmission loss has been sufficiently studied.
本発明は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置について、交流電力の供給先の電気機器と直流電源とを絶縁すると共に、電力伝送特性を向上させることを目的とする。 An object of the present invention is to insulate a DC power supply from an electric device to which an AC power is supplied and to improve the power transmission characteristics of a power conversion device that converts DC power into AC power.
本発明は、電力変換装置であって、第1スイッチング回路および第2スイッチング回路と、前記第1スイッチング回路に両端が接続された1次巻線と、前記第2スイッチング回路に両端が接続され、前記1次巻線と磁気的に結合する2次巻線と、を備え、前記第1スイッチング回路は、2つのハーフブリッジが並列接続されたフルブリッジであって、各前記ハーフブリッジは、それぞれの一端が共通に接続された2つのスイッチング素子を備える、フルブリッジと、それぞれの一端が共通に接続された第1整流スイッチング素子および第2整流スイッチング素子と、を備え、前記1次巻線は、2つの前記ハーフブリッジのうちの一方における2つのスイッチング素子の接続点と、2つの前記ハーフブリッジのうちの他方における2つのスイッチング素子の接続点との間に接続されており、前記第1整流スイッチング素子の他端は、前記フルブリッジにおける2つの並列接続点のうちの一方に接続されており、前記第2整流スイッチング素子の他端は、前記2つの並列接続点のうちの他方に接続されており、前記1次巻線の中途点から引き出された経路と、前記第1整流スイッチング素子および第2整流スイッチング素子の接続点との間から、前記第2スイッチング回路に入力された直流電力に基づく出力交流電圧が出力され、前記電力変換装置は、さらに、前記第2スイッチング回路に流入する直流電流と、その直流電流に対する目標値との差異に応じて、前記第1スイッチング回路をスイッチングする位相と、前記第2スイッチング回路をスイッチングする位相との差を制御する制御部と、前記フルブリッジにおける2つの並列接続点に接続されたコンデンサと、を備え、前記制御部は、前記コンデンサの端子間電圧に対する目標値と、前記第2スイッチング回路に流入する直流電流に対する目標値と、前記第1スイッチング回路および前記第2スイッチング回路をスイッチングする際のデューティ比と、前記1次巻線における漏れインダクタンスと、当該スイッチングの周波数とに基づいて、前記第1スイッチング回路をスイッチングする位相と、前記第2スイッチング回路をスイッチングする位相との差を制御する、ことを特徴とする。 The present invention is a power conversion device , wherein a first switching circuit and a second switching circuit, a primary winding having both ends connected to the first switching circuit, and both ends connected to the second switching circuit are connected. The first switching circuit comprises a secondary winding that is magnetically coupled to the primary winding, and the first switching circuit is a full bridge in which two half bridges are connected in parallel, and each half bridge has its own. The primary winding comprises a full bridge comprising two switching elements, one ends of which are commonly connected, and a first and second rectifying switching elements of which one end is commonly connected. It is connected between the connection point of the two switching elements in one of the two half bridges and the connection point of the two switching elements in the other of the two half bridges, and is the first rectification switching. The other end of the element is connected to one of the two parallel connection points in the full bridge, and the other end of the second rectifying switching element is connected to the other of the two parallel connection points. Based on the DC power input to the second switching circuit from between the path drawn from the middle point of the primary winding and the connection point of the first rectifying switching element and the second rectifying switching element. The output AC voltage is output, and the power converter further switches the first switching circuit according to the difference between the direct current flowing into the second switching circuit and the target value with respect to the direct current. A control unit that controls the difference between the phase and the phase for switching the second switching circuit, and a capacitor connected to two parallel connection points in the full bridge, the control unit is located between the terminals of the capacitor. The target value for the voltage, the target value for the direct current flowing into the second switching circuit, the duty ratio when switching the first switching circuit and the second switching circuit, and the leakage inductance in the primary winding. It is characterized in that the difference between the phase for switching the first switching circuit and the phase for switching the second switching circuit is controlled based on the switching frequency .
また、本発明は、電力変換装置であって、第1スイッチング回路および第2スイッチング回路と、前記第1スイッチング回路に両端が接続された1次巻線と、前記第2スイッチング回路に両端が接続され、前記1次巻線と磁気的に結合する2次巻線と、を備え、前記第1スイッチング回路は、2つのハーフブリッジが並列接続されたフルブリッジであって、各前記ハーフブリッジは、それぞれの一端が共通に接続された2つのスイッチング素子を備える、フルブリッジと、それぞれの一端が共通に接続された第1整流スイッチング素子および第2整流スイッチング素子と、を備え、前記1次巻線は、2つの前記ハーフブリッジのうちの一方における2つのスイッチング素子の接続点と、2つの前記ハーフブリッジのうちの他方における2つのスイッチング素子の接続点との間に接続されており、前記第1整流スイッチング素子の他端は、前記フルブリッジにおける2つの並列接続点のうちの一方に接続されており、前記第2整流スイッチング素子の他端は、前記2つの並列接続点のうちの他方に接続されており、前記1次巻線の中途点から引き出された経路と、前記第1整流スイッチング素子および第2整流スイッチング素子の接続点との間から、前記第2スイッチング回路に入力された直流電力に基づく出力交流電圧が出力され、前記電力変換装置は、さらに、前記フルブリッジにおける2つの並列接続点に接続されたコンデンサと、前記コンデンサの端子間電圧と、前記コンデンサの端子間電圧に対する目標値との差異に応じたデューティ比で、前記第1スイッチング回路および前記第2スイッチング回路をスイッチングする制御部と、を備え、前記制御部は、前記出力交流電圧と、前記1次巻線の中途点から引き出された経路に流れる中途点電流と、に応じたデューティ比で、前記第1スイッチング回路および前記第2スイッチング回路をスイッチングする、ことを特徴とする。Further, the present invention is a power conversion device, in which a first switching circuit and a second switching circuit, a primary winding having both ends connected to the first switching circuit, and both ends connected to the second switching circuit. The first switching circuit is a full bridge in which two half bridges are connected in parallel, and each half bridge is provided with a secondary winding that is magnetically coupled to the primary winding. The primary winding comprises a full bridge comprising two switching elements, one end of which is commonly connected, and a first rectifying switching element and a second rectifying switching element, one end of which is commonly connected. Is connected between the connection point of the two switching elements in one of the two half bridges and the connection point of the two switching elements in the other of the two half bridges. The other end of the rectifying switching element is connected to one of the two parallel connection points in the full bridge, and the other end of the second rectifying switching element is connected to the other of the two parallel connection points. The DC power input to the second switching circuit from between the path drawn from the middle point of the primary winding and the connection point of the first rectifying switching element and the second rectifying switching element. The output AC voltage is output based on the above, and the power conversion device further obtains a target value for a capacitor connected to two parallel connection points in the full bridge, a voltage between terminals of the capacitor, and a voltage between terminals of the capacitor. The first switching circuit and the control unit for switching the second switching circuit are provided at a duty ratio corresponding to the difference between the control unit and the output AC voltage and the intermediate point of the primary winding. It is characterized in that the first switching circuit and the second switching circuit are switched at a duty ratio corresponding to a midpoint current flowing in a path drawn from the circuit.
望ましくは、前記制御部は、前記出力交流電圧に対する目標値と、前記コンデンサの端子間電圧との差異に応じたデューティ比で、前記第1スイッチング回路および前記第2スイッチング回路をスイッチングする。Desirably, the control unit switches the first switching circuit and the second switching circuit with a duty ratio corresponding to the difference between the target value for the output AC voltage and the voltage between the terminals of the capacitor.
また、本発明は、電力変換装置であって、第1スイッチング回路および第2スイッチング回路と、前記第1スイッチング回路に両端が接続された1次巻線と、前記第2スイッチング回路に両端が接続され、前記1次巻線と磁気的に結合する2次巻線と、を備え、前記第1スイッチング回路は、2つのハーフブリッジが並列接続されたフルブリッジであって、各前記ハーフブリッジは、それぞれの一端が共通に接続された2つのスイッチング素子を備える、フルブリッジと、それぞれの一端が共通に接続された第1整流スイッチング素子および第2整流スイッチング素子と、を備え、前記1次巻線は、2つの前記ハーフブリッジのうちの一方における2つのスイッチング素子の接続点と、2つの前記ハーフブリッジのうちの他方における2つのスイッチング素子の接続点との間に接続されており、前記第1整流スイッチング素子の他端は、前記フルブリッジにおける2つの並列接続点のうちの一方に接続されており、前記第2整流スイッチング素子の他端は、前記2つの並列接続点のうちの他方に接続されており、前記1次巻線の中途点から引き出された経路と、前記第1整流スイッチング素子および第2整流スイッチング素子の接続点との間から、前記第2スイッチング回路に入力された直流電力に基づく出力交流電圧が出力され、前記電力変換装置は、さらに、前記出力交流電圧と、前記出力交流電圧に対する目標値との差異に応じたデューティ比で、前記第1スイッチング回路および前記第2スイッチング回路をスイッチングする制御部、を備えることを特徴とする。Further, the present invention is a power conversion device, in which a first switching circuit and a second switching circuit, a primary winding having both ends connected to the first switching circuit, and both ends connected to the second switching circuit. The first switching circuit is a full bridge in which two half bridges are connected in parallel, and each half bridge is provided with a secondary winding that is magnetically coupled to the primary winding. The primary winding comprises a full bridge comprising two switching elements, one end of which is commonly connected, and a first rectifying switching element and a second rectifying switching element, one end of which is commonly connected. Is connected between the connection point of the two switching elements in one of the two half bridges and the connection point of the two switching elements in the other of the two half bridges. The other end of the rectifying switching element is connected to one of the two parallel connection points in the full bridge, and the other end of the second rectifying switching element is connected to the other of the two parallel connection points. The DC power input to the second switching circuit from between the path drawn from the middle point of the primary winding and the connection point of the first rectifying switching element and the second rectifying switching element. The output AC voltage is output based on the above, and the power conversion device further performs the first switching circuit and the second switching at a duty ratio according to the difference between the output AC voltage and the target value with respect to the output AC voltage. It is characterized by including a control unit for switching a circuit.
望ましくは、前記フルブリッジにおける2つの並列接続点に接続されたコンデンサを備え、前記制御部は、前記出力交流電圧に対する目標値と、前記コンデンサの端子間電圧との差異に応じたデューティ比で、前記第1スイッチング回路および前記第2スイッチング回路をスイッチングする。 Desirably, a capacitor connected to two parallel connection points in the full bridge is provided, and the control unit has a duty ratio according to a difference between a target value for the output AC voltage and a voltage between terminals of the capacitor. The first switching circuit and the second switching circuit are switched.
望ましくは、前記フルブリッジにおける2つの並列接続点に接続されたコンデンサと、前記コンデンサの端子間電圧と、前記コンデンサの端子間電圧に対する目標値との差異に応じて、前記第1スイッチング回路をスイッチングする位相と、前記第2スイッチング回路をスイッチングする位相との差を制御する制御部と、を備える。 Desirably , the first switching circuit is switched according to the difference between the capacitor connected to the two parallel connection points in the full bridge, the voltage between the terminals of the capacitor, and the target value with respect to the voltage between the terminals of the capacitor. A control unit for controlling the difference between the phase to be switched and the phase for switching the second switching circuit is provided.
望ましくは、前記第2スイッチング回路は、2つの2次側ハーフブリッジが並列接続された2次側フルブリッジであって、各前記2次側ハーフブリッジは、それぞれの一端が共通に接続された2つのスイッチング素子を備える、2次側フルブリッジを備え、前記2次巻線は、2つの前記2次側ハーフブリッジのうちの一方における2つのスイッチング素子の接続点と、2つの前記2次側ハーフブリッジのうちの他方における2つのスイッチング素子の接続点との間に接続されており、前記2次側フルブリッジにおける2つの並列接続点から直流電力が入力される。 Desirably, the second switching circuit is a secondary full bridge in which two secondary half bridges are connected in parallel, and each of the secondary half bridges has one end connected in common. It comprises a secondary full bridge with one switching element, the secondary winding being the connection point of the two switching elements in one of the two secondary half bridges and the two secondary halves. It is connected between the connection points of the two switching elements on the other side of the bridge, and DC power is input from the two parallel connection points on the secondary side full bridge.
望ましくは、前記第1整流スイッチング素子および前記第2整流スイッチング素子のそれぞれは、前記出力交流電圧の極性に応じてオンオフする。 Desirably, each of the first rectifying switching element and the second rectifying switching element is turned on and off according to the polarity of the output AC voltage.
本発明によれば、交流電力の供給先の電気機器と直流電源とを絶縁すると共に、電力伝送特性を向上させることができる。 According to the present invention, it is possible to insulate the electric device to which the AC power is supplied from the DC power supply and improve the power transmission characteristics.
(1)電力変換装置の構成の概要
図1には、本発明の基本技術に係る車両搭載用の電力変換装置の構成が示されている。電力変換装置は、力率改善回路10、電圧コンバータ回路14および制御部22を備えている。力率改善回路10には交流電圧源18が接続されている。交流電圧源18は、例えば、商用電源であり、電力変換装置の搭載先の車両がプラグイン機能を有する場合には、電源コネクタが交流電圧源18となる。電圧コンバータ回路14には直流電源回路20が接続されている。直流電源回路20は、例えば、バッテリ、あるいはバッテリを充電するための充電回路である。制御部22は、力率改善回路10および電圧コンバータ回路14が備える各スイッチング素子をオンオフ制御する。
(1) Outline of Configuration of Power Conversion Device FIG. 1 shows a configuration of a power conversion device for mounting on a vehicle according to the basic technique of the present invention. The power conversion device includes a power
力率改善回路10は、交流電圧源18から流入する電流の時間波形をスイッチングによって調整し、交流電圧源18から電力変換装置側を見た力率を改善する。力率改善回路10および電圧コンバータ回路14はトランスTによって結合されており、交流電圧源18から出力された電力は、力率改善回路10から電圧コンバータ回路14に伝送される。電圧コンバータ回路14は、トランスTの2次巻線T2から得られる交流電圧を直流電圧に変換し、適切な大きさの直流電圧を直流電源回路20に出力する。力率改善回路10および電圧コンバータ回路14によれば、交流電圧源18から直流電源回路20に効率的に電力が供給される。直流電源回路20がバッテリである場合には、直流電源回路20としてのバッテリが充電され、直流電源回路20がバッテリを充電するための充電回路であるときは、直流電源回路20によってバッテリが充電される。
The power
(2)力率改善回路の構成および動作
力率改善回路10の構成について説明する。力率改善回路10は、フィルタコンデンサCf、1次巻線T1、および第1スイッチング回路12を備えている。
(2) Configuration of Power Factor Improvement Circuit and Operation The configuration of the power
第1スイッチング回路12は、スイッチング素子S1およびS2によって構成されるハーフブリッジU、スイッチング素子S3およびS4によって構成されるハーフブリッジV、整流スイッチング素子S9、整流スイッチング素子S10、および中間コンデンサCbufを備えている。ハーフブリッジUは、スイッチング素子S1の一端と、スイッチング素子S2の一端とを接続したものである。スイッチング素子S1の両端には、スイッチング素子S2との接続点の側をアノードとしてダイオードが接続されている。スイッチング素子S2の両端には、スイッチング素子S1との接続点の側をカソードとしてダイオードが接続されている。スイッチング素子S1およびS2としては、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が用いられる。この場合、スイッチング素子S1としてのIGBTのエミッタと、スイッチング素子S2としてのIGBTのコレクタとが接続される。
The
同様に、ハーフブリッジVは、スイッチング素子S3の一端と、スイッチング素子S4の一端とを接続したものである。スイッチング素子S3の両端には、スイッチング素子S4との接続点の側をアノードとしてダイオードが接続されている。スイッチング素子S4の両端には、スイッチング素子S3との接続点の側をカソードとしてダイオードが接続されている。スイッチング素子S3およびS4としては、例えば、IGBTが用いられる。この場合、スイッチング素子S3としてのIGBTのエミッタと、スイッチング素子S4としてのIGBTのコレクタとが接続される。 Similarly, the half bridge V connects one end of the switching element S3 and one end of the switching element S4. Diodes are connected to both ends of the switching element S3 with the side of the connection point with the switching element S4 as an anode. Diodes are connected to both ends of the switching element S4 with the side of the connection point with the switching element S3 as the cathode. As the switching elements S3 and S4, for example, an IGBT is used. In this case, the emitter of the IGBT as the switching element S3 and the collector of the IGBT as the switching element S4 are connected.
スイッチング素子S1およびS2の接続点と、スイッチング素子S3およびS4の接続点との間には、1次巻線T1が接続されている。1次巻線T1のタップm(中途点)は交流端子24-2に接続されている。 A primary winding T1 is connected between the connection points of the switching elements S1 and S2 and the connection points of the switching elements S3 and S4. The tap m (midway point) of the primary winding T1 is connected to the AC terminal 24-2.
ハーフブリッジUおよびVは並列接続され、フルブリッジを構成している。すなわち、スイッチング素子S1のスイッチング素子S2側とは反対側の端子(図の上側の端子)と、スイッチング素子S3のスイッチング素子S4側とは反対側の端子(図の上側の端子)とが接続されている。また、スイッチング素子S2のスイッチング素子S1側とは反対側の端子(図の下側の端子)と、スイッチング素子S4のスイッチング素子S3側とは反対側の端子(図の下側の端子)とが接続されている。 The half bridges U and V are connected in parallel to form a full bridge. That is, the terminal on the side opposite to the switching element S2 side of the switching element S1 (the terminal on the upper side in the figure) and the terminal on the side opposite to the switching element S4 side in the switching element S3 (the terminal on the upper side in the figure) are connected. ing. Further, the terminal on the side opposite to the switching element S1 side of the switching element S2 (the terminal on the lower side in the figure) and the terminal on the side opposite to the switching element S3 side of the switching element S4 (the terminal on the lower side in the figure) are It is connected.
整流スイッチング素子S9の一端は整流スイッチング素子S10の一端に接続されている。整流スイッチング素子S9の他端は、ハーフブリッジUおよびVの上側の端子に接続され、整流スイッチング素子S10の他端は、ハーフブリッジUおよびVの下側の端子に接続されている。整流スイッチング素子S9およびS10の接続点は、交流端子24-1に接続されている。整流スイッチング素子S9の両端には、整流スイッチング素子S10との接続点の側をアノードとしてダイオードが接続されている。整流スイッチング素子S10の両端には、整流スイッチング素子S9との接続点の側をカソードとしてダイオードが接続されている。整流スイッチング素子S9およびS10としては、例えば、IGBTが用いられる。この場合、整流スイッチング素子S9としてのIGBTのエミッタと、整流スイッチング素子S10としてのIGBTのコレクタとが接続される。 One end of the rectifying switching element S9 is connected to one end of the rectifying switching element S10. The other end of the rectifying switching element S9 is connected to the upper terminals of the half bridges U and V, and the other end of the rectifying switching element S10 is connected to the lower terminals of the half bridges U and V. The connection points of the rectifying switching elements S9 and S10 are connected to the AC terminal 24-1. Diodes are connected to both ends of the rectifying switching element S9 with the side of the connection point with the rectifying switching element S10 as an anode. Diodes are connected to both ends of the rectifying switching element S10 with the side of the connection point with the rectifying switching element S9 as the cathode. As the rectifying switching elements S9 and S10, for example, an IGBT is used. In this case, the emitter of the IGBT as the rectifying switching element S9 and the collector of the IGBT as the rectifying switching element S10 are connected.
スイッチング素子S1、スイッチング素子S3、および整流スイッチング素子S9の接続点と、スイッチング素子S2、スイッチング素子S4、および整流スイッチング素子S10の接続点との間には、中間コンデンサCbufが接続されている。 An intermediate capacitor Cbuf is connected between the connection point of the switching element S1, the switching element S3, and the rectifying switching element S9 and the connection point of the switching element S2, the switching element S4, and the rectifying switching element S10.
1次巻線T1は、電圧コンバータ回路14が備える2次巻線T2に磁気的に結合し、1次巻線T1および2次巻線T2はトランスTを構成している。1次巻線T1は、自己インダクタとしての第1インダクタL1、自己インダクタとしての第2インダクタL2、および相互インダクタMを直列接続したもので表される。相互インダクタMの一端とスイッチング素子S1およびS2の接続点との間には第1インダクタL1が接続され、相互インダクタMの他端とスイッチング素子S3およびS4の接続点との間には第2インダクタL2が接続されている。トランスTの結合係数kには、k=M/(L1+L2)の関係がある。第1のインダクタL1と第2インダクタL2は磁気的に結合してもよい。また、交流端子24-2とタップmとの間にもインダクタ(リアクトル)が接続されてもよい。
The primary winding T1 is magnetically coupled to the secondary winding T2 included in the
交流端子24-1と交流端子24-2との間には、フィルタコンデンサCfが接続されている。また、交流端子24-1と交流端子24-2との間には交流電圧源18が接続されている。交流電圧源18が商用電源である場合には、交流端子24-1および24-2には、ケーブルを介して電源用プラグが接続され、その電源用プラグが電源コネクタに差し込まれる。
A filter capacitor Cf is connected between the AC terminal 24-1 and the AC terminal 24-2. Further, an
力率改善回路10の動作について説明する。交流電圧源18は交流端子24-1および24-2に、正弦波電圧である入力交流電圧Vacを出力する。フィルタコンデンサCfは、力率改善回路10で発生し、交流電圧源18側に流出する高周波電流を抑制する。
The operation of the power
制御部22は、制御信号Cn1~Cn4をそれぞれスイッチング素子S1~S4に出力し、スイッチング素子S1~S4をオンオフ制御する。制御信号Cniがハイであるときは、スイッチング素子Siはオンとなり、制御信号Cniがローであるときは、スイッチング素子Siはオフとなる。ただし、iは1~4のうちいずれかの整数である。制御信号Cn2は制御信号Cn1に対してハイおよびローを反転したものであり、制御信号Cn4は、制御信号Cn3に対してハイおよびローを反転したものである。また、制御信号Cn3およびCn4は、それぞれ、制御信号Cn1およびCn2に対して位相が180°遅れている。
The
これによって、スイッチング素子S1およびスイッチング素子S2は、交互にオンオフする。すなわち、スイッチング素子S1がオフからオンになったときは、スイッチング素子S2はオンからオフになり、スイッチング素子S1がオンからオフになったときは、スイッチング素子S2は、オフからオンになる。同様に、スイッチング素子S3およびスイッチング素子S4は交互にオンオフする。スイッチング素子S1およびS2のオンオフの位相に対し、スイッチング素子S3およびS4のオンオフの位相は180°遅れる。 As a result, the switching element S1 and the switching element S2 are alternately turned on and off. That is, when the switching element S1 is turned from off to on, the switching element S2 is changed from on to off, and when the switching element S1 is turned from on to off, the switching element S2 is changed from off to on. Similarly, the switching element S3 and the switching element S4 are alternately turned on and off. The on / off phase of the switching elements S3 and S4 is delayed by 180 ° with respect to the on / off phase of the switching elements S1 and S2.
制御部22は、例えば、中間コンデンサCbufの端子間電圧(中間電圧Vb)、交流電圧源18と1次巻線T1のタップmとの間の経路を流れる中途点電流iL、交流電圧源18が出力する入力交流電圧Vac等に応じて、制御信号Cn1~Cn4のデューティ比(時比率)を変化させる。また、入力交流電圧Vacの極性が、交流端子24-1の側を正とするとき(入力交流電圧Vacが正の値となる半周期の間)は、制御部22は、整流スイッチング素子S9をオフにし、整流スイッチング素子S10をオンにする。そして、入力交流電圧Vacの極性が、交流端子24-1の側を負とするとき(入力交流電圧Vacが負の値となる半周期の間)は、制御部22は、整流スイッチング素子S9をオンにし、整流スイッチング素子S10をオフにする。これによって、交流端子24-1および24-2に流れる電流の時間波形を入力交流電圧Vacの時間波形に近似させ、または一致させると共に、交流端子24-1および24-2に流れる電流の位相を入力交流電圧Vacの位相に近似させ、または一致させる。
The
図2(a)~(e)には、入力交流電圧Vacが正の値となる半周期における力率改善回路10の動作タイミングが示されている。図2(a)には制御信号Cn1の反転値および制御信号Cn2の時間波形が示されており、図2(b)には制御信号Cn3の反転値および制御信号Cn4の時間波形が示されている。符号の上に付された「-」の記号は、その符号で表される制御信号の反転値を意味する。図2(c)には、スイッチング素子S1およびS2の接続点の電位Vu(U相電位Vu)の時間波形が示されており、図2(d)には、スイッチング素子S3およびS4との接続点の電位Vv(V相電位Vv)の時間波形が示されている。さらに、図2(e)には、1次巻線T1に印加される電圧Vuv(1次巻線電圧Vuv)の時間波形が示されている。制御信号Cn1の反転値および制御信号Cn3の反転値は、それぞれ、制御信号Cn2およびCn4と同一である。また、U相電位VuおよびV相電位Vvの基準は接地導体G1の電位である。
FIGS. 2A to 2E show the operation timing of the power
図2(a)に示されているように、制御信号Cn1の反転値および制御信号Cn2の周期はPであり、1周期Pの間に制御信号Cn1の反転値および制御信号Cn2は、ハイ時間δだけハイになる。図2(b)に示されているように、制御信号Cn3の反転値および制御信号Cn4は、制御信号Cn1の反転値および制御信号Cn2に対して半周期、すなわち、180°遅れている。デューティ比αは、α=δ/Pであり、ハイ時間δが入力交流電圧Vacの瞬時値に応じて変化し、デューティ比αはハイ時間δの変化に伴って変化する。 As shown in FIG. 2A, the inversion value of the control signal Cn1 and the period of the control signal Cn2 are P, and the inversion value of the control signal Cn1 and the control signal Cn2 are in high time during one period P. Only δ becomes high. As shown in FIG. 2B, the inverted value of the control signal Cn3 and the control signal Cn4 are delayed by half a cycle, that is, 180 ° with respect to the inverted value of the control signal Cn1 and the control signal Cn2. The duty ratio α is α = δ / P, the high time δ changes according to the instantaneous value of the input AC voltage Vac, and the duty ratio α changes with the change of the high time δ.
ここでは、中間コンデンサCbufが一定の電圧Vbに充電されているものとして力率改善回路10の動作について説明する。
Here, the operation of the power
制御信号Cn1がハイであり、制御信号Cn2がローである間、スイッチング素子S1はオンになり、スイッチング素子S2はオフになる。これによってU相電位Vuは、中間コンデンサCbufの充電電圧(中間電圧Vb)となる。一方、制御信号Cn1がローであり、制御信号Cn2がハイである間、スイッチング素子S1はオフになり、スイッチング素子S2はオンになる。これによってU相電位は0となる。したがって、図2(c)に示されているように、U相電位Vuは、周期Pで時間(P-δ)の間Vbとなり、その他の時間帯で0となる。 While the control signal Cn1 is high and the control signal Cn2 is low, the switching element S1 is turned on and the switching element S2 is turned off. As a result, the U-phase potential Vu becomes the charging voltage (intermediate voltage Vb) of the intermediate capacitor Cbuf. On the other hand, while the control signal Cn1 is low and the control signal Cn2 is high, the switching element S1 is turned off and the switching element S2 is turned on. As a result, the U-phase potential becomes 0. Therefore, as shown in FIG. 2 (c), the U-phase potential Vu becomes Vb during the time (P-δ) in the period P and becomes 0 in the other time zones.
制御信号Cn3がハイであり、制御信号Cn4がローである間、スイッチング素子S3はオンになり、スイッチング素子S4はオフになる。これによって、V相電位Vvは中間電圧Vbとなる。一方、制御信号Cn3がローであり、制御信号Cn4がハイである間、スイッチング素子S3はオフになり、スイッチング素子S4はオンになる。これによってV相電位は0となる。したがって、図2(d)に示されているように、V相電位Vvは、U相電位Vuと同一の時間波形を有し、U相電位Vuから180°位相が遅れた電位となる。 While the control signal Cn3 is high and the control signal Cn4 is low, the switching element S3 is turned on and the switching element S4 is turned off. As a result, the V-phase potential Vv becomes an intermediate voltage Vb. On the other hand, while the control signal Cn3 is low and the control signal Cn4 is high, the switching element S3 is turned off and the switching element S4 is turned on. As a result, the V-phase potential becomes 0. Therefore, as shown in FIG. 2D, the V-phase potential Vv has the same time waveform as the U-phase potential Vu, and is 180 ° out of phase with the U-phase potential Vu.
1次巻線電圧Vuvは、U相電位VuからV相電位Vvを減じた電圧である。これによって、図2(e)に示されているように、1次巻線電圧Vuvは、波高値Vbで正負対称の時間波形となる。 The primary winding voltage Vuv is a voltage obtained by subtracting the V-phase potential Vv from the U-phase potential Vu. As a result, as shown in FIG. 2 (e), the primary winding voltage Vuv becomes a positive-negatively symmetric time waveform at the peak value Vb.
図3(a)~(e)には、入力交流電圧Vacが負の値となる半周期における力率改善回路10の動作タイミングが示されている。図3(a)には制御信号Cn1の反転値および制御信号Cn2の時間波形が示されており、図3(b)には制御信号Cn3の反転値および制御信号Cn4の時間波形が示されている。図3(c)にはU相電位Vuの時間波形が示されており、図3(d)にはV相電位Vvの時間波形が示されている。さらに、図3(e)には1次巻線電圧Vuvの時間波形が示されている。図2に示されている事項と同一の事項については同一の符号付してその説明を省略する。
FIGS. 3A to 3E show the operation timing of the power
図3(a)に示されているように、制御信号Cn1の反転値および制御信号Cn2の周期はPであり、1周期Pの間に制御信号Cn1の反転値および制御信号Cn2は、ハイ時間γだけハイになる。図3(b)に示されているように、制御信号Cn3の反転値および制御信号Cn4は、制御信号Cn1の反転値および制御信号Cn2に対して半周期、すなわち、180°遅れている。デューティ比αは、α=γ/Pであり、ハイ時間γが入力交流電圧Vacの瞬時値に応じて変化し、デューティ比αはハイ時間γの変化に伴って変化する。 As shown in FIG. 3A, the inversion value of the control signal Cn1 and the cycle of the control signal Cn2 are P, and the inversion value of the control signal Cn1 and the control signal Cn2 are in high time during one cycle P. Only γ becomes high. As shown in FIG. 3B, the inverted value of the control signal Cn3 and the control signal Cn4 are delayed by half a cycle, that is, 180 ° with respect to the inverted value of the control signal Cn1 and the control signal Cn2. The duty ratio α is α = γ / P, the high time γ changes according to the instantaneous value of the input AC voltage Vac, and the duty ratio α changes with the change of the high time γ.
入力交流電圧Vacが正の値となる半周期と同様の動作によって、入力交流電圧Vacが負の値となる半周期においては、図3(c)に示されているように、U相電位Vuは、周期Pで時間(P-γ)の間Vbとなり、その他の時間帯で0となる。また、図3(d)に示されているように、V相電位Vvは、U相電位Vuと同一の時間波形を有し、U相電位Vuから180°位相が遅れた電位となる。1次巻線電圧Vuvは、U相電位VuからV相電位Vvを減じた電圧である。これによって、図3(e)に示されているように、1次巻線電圧Vuvは、波高値Vbで正負対称の時間波形となる。これによって、2次巻線T2には、1次巻線電圧Vuvに基づく2次巻線電圧Vwxが発生する。 As shown in FIG. 3C, in the half cycle in which the input AC voltage Vac becomes a negative value by the same operation as the half cycle in which the input AC voltage Vac becomes a positive value, the U phase potential Vu Is Vb during the time (P-γ) in the period P, and becomes 0 in the other time zones. Further, as shown in FIG. 3D, the V-phase potential Vv has the same time waveform as the U-phase potential Vu, and is a potential whose phase is delayed by 180 ° from the U-phase potential Vu. The primary winding voltage Vuv is a voltage obtained by subtracting the V-phase potential Vv from the U-phase potential Vu. As a result, as shown in FIG. 3 (e), the primary winding voltage Vuv becomes a positive-negatively symmetric time waveform at the peak value Vb. As a result, the secondary winding voltage Vwx based on the primary winding voltage Vuv is generated in the secondary winding T2.
また、制御信号Cn1~Cn4に従ってスイッチングS1~S4がオンオフ制御されることで、スイッチング素子S1~S4、整流スイッチング素子S9およびS10が整流回路として動作し、1次巻線T1の端子間電圧Vuvが整流されて中間コンデンサCbufに印加される。これによって、入力交流電圧Vacに基づいて、中間コンデンサCbufが充電される。 Further, by controlling the switching S1 to S4 on and off according to the control signals Cn1 to Cn4, the switching elements S1 to S4, the rectifying switching elements S9 and S10 operate as a rectifier circuit, and the voltage Vuv between the terminals of the primary winding T1 is increased. It is rectified and applied to the intermediate capacitor Cbuf. As a result, the intermediate capacitor Cbuf is charged based on the input AC voltage Vac.
制御信号Cn1~Cn4の周期は、入力交流電圧Vacの周期よりも十分短い。1次巻線T1に流れる電流の時間波形は、スイッチング素子S1~S4のスイッチングによって整形され、力率改善動作が実行される。 The period of the control signals Cn1 to Cn4 is sufficiently shorter than the period of the input AC voltage Vac. The time waveform of the current flowing through the primary winding T1 is shaped by the switching of the switching elements S1 to S4, and the power factor improving operation is executed.
(3)電圧コンバータの構成および動作
次に、電圧コンバータ回路14の構成について図1を参照して説明する。電圧コンバータ回路14は、2次巻線T2および第2スイッチング回路16を備えている。
(3) Configuration and Operation of Voltage Converter Next, the configuration of the
第2スイッチング回路16は、スイッチング素子S5およびS6によって構成される2次側ハーフブリッジW、スイッチング素子S7およびS8によって構成される2次側ハーフブリッジX、および2次側コンデンサCoutを備えている。2次側ハーフブリッジWは、スイッチング素子S5の一端と、スイッチング素子S6一端とを接続したものである。スイッチング素子S5の両端には、スイッチング素子S6との接続点の側をアノードとしてダイオードが接続されている。スイッチング素子S6の両端には、スイッチング素子S5との接続点の側をカソードとしてダイオードが接続されている。スイッチング素子S5およびS6としては、例えば、IGBTが用いられる。この場合、スイッチング素子S5としてのIGBTのエミッタと、スイッチング素子S6としてのIGBTのコレクタとが接続される。
The
同様に、ハーフブリッジXは、スイッチング素子S7の一端と、スイッチング素子S8の一端とを接続したものである。スイッチング素子S7の両端には、スイッチング素子S8との接続点の側をアノードとしてダイオードが接続されている。スイッチング素子S8の両端には、スイッチング素子S7との接続点の側をカソードとしてダイオードが接続されている。スイッチング素子S7およびS8としては、例えば、IGBTが用いられる。この場合、スイッチング素子S7としてのIGBTのエミッタと、スイッチング素子S8としてのIGBTのコレクタとが接続される。 Similarly, the half bridge X connects one end of the switching element S7 and one end of the switching element S8. Diodes are connected to both ends of the switching element S7 with the side of the connection point with the switching element S8 as an anode. Diodes are connected to both ends of the switching element S8 with the side of the connection point with the switching element S7 as the cathode. As the switching elements S7 and S8, for example, an IGBT is used. In this case, the emitter of the IGBT as the switching element S7 and the collector of the IGBT as the switching element S8 are connected.
スイッチング素子S5およびS6の接続点と、スイッチング素子S7およびS8の接続点との間には2次巻線T2が接続されている。 A secondary winding T2 is connected between the connection points of the switching elements S5 and S6 and the connection points of the switching elements S7 and S8.
2次側ハーフブリッジWおよびXは並列接続され、2次側フルブリッジを構成している。すなわち、スイッチング素子S5の上側の端子とスイッチング素子S6の上側の端子とが接続され、スイッチング素子S7の下側の端子とスイッチング素子S8の下側の端子とが接続されている。2次側ハーフブリッジWおよびXの上側の端子と、2次側ハーフブリッジWおよびXの下側の端子との間には、2次側コンデンサCoutが接続されている。また、2次側ハーフブリッジWおよびXの上側の端子には正極端子26Pが接続され、2次側ハーフブリッジWおよびXの下側の端子には負極端子26Nが接続されている。さらに、正極端子26Pと負極端子26Nとの間には直流電源回路20が接続されている。
The secondary side half bridges W and X are connected in parallel to form a secondary side full bridge. That is, the upper terminal of the switching element S5 and the upper terminal of the switching element S6 are connected, and the lower terminal of the switching element S7 and the lower terminal of the switching element S8 are connected. A secondary capacitor Cout is connected between the upper terminals of the secondary half bridges W and X and the lower terminals of the secondary half bridges W and X. Further, the
電圧コンバータ回路14の動作について説明する。力率改善回路10の1次巻線T1に印加された電圧に応じて2次巻線T2に電圧が発生し、2次巻線T2に発生した電圧がスイッチング素子S5およびS6の接続点と、スイッチング素子S7およびS8の接続点との間に印加される。
The operation of the
制御部22は、制御信号Cn5~Cn8をそれぞれスイッチング素子S5~S8に出力し、スイッチング素子S5~S8をオンオフ制御する。制御信号Cniがハイであるときは、スイッチング素子Siはオンとなり、制御信号Cniがローであるときは、スイッチング素子Siはオフとなる。ただし、iは5~8のうちいずれかの整数である。制御信号Cn6は制御信号Cn5に対してハイおよびローを反転させたものであり、制御信号Cn8は、制御信号Cn7に対してハイおよびローを反転させたものである。また、制御信号Cn7およびCn8は、それぞれ、制御信号Cn5およびCn6に対して位相が180°遅れている。
The
これによってスイッチング素子S5およびS6は交互にオンオフする。すなわち、スイッチング素子S5がオフからオンになったときは、スイッチング素子S6はオンからオフになり、スイッチング素子S5がオンからオフになったときは、スイッチング素子S6はオフからオンになる。同様に、スイッチング素子S7およびS8は交互にオンオフする。スイッチング素子S5およびS6のオンオフの位相に対し、スイッチング素子S7およびS8のオンオフの位相は180°遅れる。制御部22は、電圧コンバータ回路14におけるデューティ比を、力率改善回路10におけるデューティ比に一致させる。
As a result, the switching elements S5 and S6 are alternately turned on and off. That is, when the switching element S5 goes from off to on, the switching element S6 goes from on to off, and when the switching element S5 goes from on to off, the switching element S6 goes from off to on. Similarly, the switching elements S7 and S8 are alternately turned on and off. The on / off phase of the switching elements S7 and S8 is delayed by 180 ° with respect to the on / off phase of the switching elements S5 and S6. The
制御部22は、2次側コンデンサCoutの端子間電圧と、その目標値との差異に応じて、第2スイッチング回路16をスイッチングする位相を、第1スイッチング回路12に対して遅らせる。
The
ここでは、2次側コンデンサCoutが一定の電圧Vdに充電されているものとして電圧コンバータ回路14の動作について説明する。
Here, the operation of the
図4(a)には、1次巻線電圧Vuvおよび2次巻線電圧Vwxの時間波形が示されている。ここで、2次巻線電圧Vwxは、スイッチング素子S7およびS8の接続点の電位を基準としたスイッチング素子S5およびS6の接続点の電圧である。1次巻線電圧Vuvは波高値がVbの矩形波であり、2次巻線電圧Vwxは波高値がVdの矩形波である。2次巻線電圧Vwxは1次巻線電圧Vuvに対して位相がφだけ遅れている。図4(b)には、2次巻線T2に流れる電流idの時間波形が示されている。2次巻線電流idは、2次側ハーフブリッジXから2次側ハーフブリッジWに向かう方向を正とする。 FIG. 4A shows the time waveforms of the primary winding voltage Vuv and the secondary winding voltage Vwx. Here, the secondary winding voltage Vwx is the voltage at the connection point of the switching elements S5 and S6 with reference to the potential of the connection point of the switching elements S7 and S8. The primary winding voltage Vuv is a rectangular wave having a peak value of Vb, and the secondary winding voltage Vwx is a rectangular wave having a peak value of Vd. The phase of the secondary winding voltage Vwx is delayed by φ with respect to the primary winding voltage Vuv. FIG. 4B shows a time waveform of the current id flowing through the secondary winding T2. The secondary winding current id is positive in the direction from the secondary side half bridge X to the secondary side half bridge W.
1次巻線電圧Vuvが0からVbに立ち上がり、2次巻線電圧Vwxが0である期間τ1の間、2次巻線電流idは0から正方向に急激に増加する。その後、2次巻線電圧VwxがVdに立ち上がり、1次巻線電圧VuvがVbであり2次巻線電圧VwxがVdである期間τ2の間、2次巻線電流idの変化は緩やかになる。さらに、1次巻線電圧VuvがVbから0に立ち下がり、2次巻線電圧VwxがVdである期間τ3の間、2次巻線電流idは0に向かってに急激に減少する。 During the period τ1 when the primary winding voltage Vuv rises from 0 to Vb and the secondary winding voltage Vwx is 0, the secondary winding current id rapidly increases from 0 in the positive direction. After that, the change of the secondary winding current id becomes gradual during the period τ2 in which the secondary winding voltage Vwx rises to Vd and the primary winding voltage Vv is Vb and the secondary winding voltage Vwx is Vd. .. Further, the primary winding voltage Vuv drops from Vb to 0, and the secondary winding current id decreases sharply toward 0 during the period τ3 when the secondary winding voltage Vwx is Vd.
1次巻線電圧Vuvおよび2次巻線電圧Vwxが0である期間τ4では、2次巻線電流idは0である。 During the period τ4 when the primary winding voltage Vuv and the secondary winding voltage Vwx are 0, the secondary winding current id is 0.
1次巻線電圧Vuvが0から-Vbに立ち下がり、2次巻線電圧Vwxが0である期間τ5の間、2次巻線電流idは0から負方向に急激に増加する。その後、2次巻線電圧Vwxが-Vdに立ち下がり、1次巻線電圧Vuvが-Vbであり2次巻線電圧Vwxが-Vdである期間τ6の間、2次巻線電流idの変化は緩やかになる。さらに、1次巻線電圧Vuvが-Vbから0に立ち上がり、2次巻線電圧Vwxが-Vdである期間τ7の間、2次巻線電流idは0に向かってに急激に減少する。 During the period τ5 when the primary winding voltage Vuv drops from 0 to −Vb and the secondary winding voltage Vwx is 0, the secondary winding current id rapidly increases from 0 in the negative direction. After that, the secondary winding voltage Vwx drops to -Vd, and the change in the secondary winding current id during the period τ6 when the primary winding voltage Vuv is -Vb and the secondary winding voltage Vwx is -Vd. Becomes gradual. Further, the primary winding voltage Vuv rises from −Vb to 0, and the secondary winding current id decreases sharply toward 0 during the period τ7 when the secondary winding voltage Vwx is −Vd.
1次巻線電圧Vuvが立ち上がりまたは立ち下がってから2次巻線電圧Vwxが立ち上がりまたは立ち下がる前までの期間τ1およびτ5では、1次巻線T1から2次巻線T2にエネルギーが供給されると共に、2次巻線T2はエネルギーを蓄える。そして、期間τ2、τ3、τ6およびτ7の間、電圧コンバータ回路14は、2次巻線電圧Vwxおよび2次巻線電流idの積で定まる電力を直流電源回路20に出力する。
During the period τ1 and τ5 from the rise or fall of the primary winding voltage Vuv to the rise or fall of the secondary winding voltage Vwx, energy is supplied from the primary winding T1 to the secondary winding T2. At the same time, the secondary winding T2 stores energy. Then, during the periods τ2, τ3, τ6, and τ7, the
1次巻線電圧Vuvと2次巻線電圧Vwxとの位相差φが大きい程、2次巻線T2にエネルギーが蓄積される期間τ1およびτ5が長くなり、期間τ2、τ3、τ6およびτ7における2次巻線電流idの絶対値が大きくなる。ただし、位相差φは180°未満の値である。したがって、1次巻線電圧Vuvと2次巻線電圧Vwxとの位相差φが大きい程、力率改善回路10から電圧コンバータ回路14に伝送され、電圧コンバータ回路14から直流電源回路20に出力される電力が大きくなる。
The larger the phase difference φ between the primary winding voltage Vuv and the secondary winding voltage Vwx, the longer the period τ1 and τ5 in which energy is stored in the secondary winding T2, and in the periods τ2, τ3, τ6 and τ7. The absolute value of the secondary winding current id becomes large. However, the phase difference φ is a value less than 180 °. Therefore, the larger the phase difference φ between the primary winding voltage Vuv and the secondary winding voltage Vwx, the more the power
なお、制御部22が、上述のようにスイッチング素子S5~S8をスイッチング制御することで、2次巻線電流idが2次側コンデンサCoutの上端から下端に流れ、2次側コンデンサCoutは、所定の電圧Vdで充電される。
The
電圧コンバータ回路14は、1次巻線T1および2次巻線T2によって構成されるトランスTによって、力率改善回路10に磁気的に結合している。したがって、力率改善回路10は、電圧コンバータ回路14から電気的に絶縁され、電圧コンバータ回路14で発生した高電圧による電流が、力率改善回路10側に流れることが回避される。また、上述のように、1次巻線T1に印加される1次巻線電圧Vuvは、正負対称の時間波形を有しているため、力率改善回路10から電圧コンバータ回路14に電力が伝送される際にトランスTにおいて生じる損失が低減される。
The
(4)電力供給モード(入力電流制御モードおよび出力電圧制御モード)
上記では、交流端子24-1および24-2に交流電圧源18が接続され、交流電圧源18から直流電源回路20に電力を供給する動作について説明した。この動作では、直流電源回路20がバッテリである場合には、直流電源回路20としてのバッテリが充電され、直流電源回路20がバッテリを充電するための充電回路であるときは、直流電源回路20によってバッテリが充電される。このような充電モードの他、電力変換装置は、交流端子24-1および24-2に負荷回路が接続され、直流電源回路20から負荷回路に電力を供給する電力供給モードで動作する。
(4) Power supply mode (input current control mode and output voltage control mode)
In the above, the operation in which the
図5には、電力供給モードでの接続構成例として、正極端子26Pおよび負極端子26Nに直流電源回路20としてバッテリ28が接続され、交流端子24-1および24-2に負荷回路30が接続された接続構成例が示されている。
In FIG. 5, as an example of the connection configuration in the power supply mode, the
電力供給モードには、入力電流制御モードおよび出力電圧制御モードがある。入力電流制御モードでは、バッテリ28から正極端子26Pに流入する電流および負極端子26Nからバッテリ28に流出する電流が目標値に近付けられ、あるいは目標値に合わせられる。
The power supply mode includes an input current control mode and an output voltage control mode. In the input current control mode, the current flowing from the
入力電流制御モードはV2Gにおける動作モードであってもよい。V2Gでは、交流端子24-1および24-2に負荷回路30として電力供給システムが接続される。電力供給システムでは伝送電圧が一定に維持されているため、電力供給システムが接続された交流端子24-1および24-2に現れる出力交流電圧は所定値に維持される。また、バッテリ28から正極端子26Pおよび負極端子26Nに出力される電圧は一定である。したがって、バッテリ28から正極端子26Pに流入する電流および負極端子26Nからバッテリ28に流出する電流が目標値に近付けられ、または合わせられることで、交流端子24-1および24-2に流れる電流が所定値に近付けられ、または合わせられる。これによって、電力変換装置から負荷回路30としての電力供給システムに供給される電力が所定値に近付けられ、または合わせられる。
The input current control mode may be an operation mode in V2G. In V2G, a power supply system is connected to AC terminals 24-1 and 24-2 as a
一方、出力電圧制御モードはV2Hにおける動作モードであってもよい。V2Hでは、交流端子24-1および24-2に負荷回路として一般的な電気機器が接続される。電気機器としては、例えば、商用交流電源によって動作する家電製品や事務用機器がある。出力電圧制御モードでは、交流端子24-1および24-2に現れる出力交流電圧が所定値に近付けられ、または合わせられる。これによって、交流端子24-1および24-2に接続された電気機器に与えられる電源電圧が安定化される。 On the other hand, the output voltage control mode may be the operation mode in V2H. In V2H, general electric equipment is connected to AC terminals 24-1 and 24-2 as a load circuit. Examples of electrical equipment include home appliances and office equipment operated by a commercial AC power source. In the output voltage control mode, the output AC voltage appearing at the AC terminals 24-1 and 24-2 is brought close to or adjusted to a predetermined value. This stabilizes the power supply voltage applied to the electrical equipment connected to the AC terminals 24-1 and 24-2.
電力供給モードにおけるスイッチング素子S1~S4のスイッチングタイミングは、充電モードにおけるスイッチングタイミングと同様である。また、電力供給モードにおける整流スイッチング素子S9およびS10のスイッチングタイミングは次の通りである。交流端子24-1および24-2の間の出力交流電圧が、交流端子24-1の側を正とするときは、制御部22は、整流スイッチング素子S9をオフにし、整流スイッチング素子S10をオンにする。そして、出力交流電圧が、交流端子24-1の側を負とするときは、制御部22は、整流スイッチング素子S9をオンにし、整流スイッチング素子S10をオフにする。
The switching timing of the switching elements S1 to S4 in the power supply mode is the same as the switching timing in the charging mode. The switching timings of the rectifying switching elements S9 and S10 in the power supply mode are as follows. When the output AC voltage between the AC terminals 24-1 and 24-2 is positive on the side of the AC terminal 24-1, the
電力供給モードにおけるスイッチング素子S5~S8のスイッチングタイミングもまた、充電モードにおけるスイッチングタイミングと同様である。ただし、充電モードでは、制御部22が、スイッチング素子S5~S8をスイッチングする位相をスイッチング素子S1~S4に対して遅らせるのに対し、電力供給モードでは、制御部22が、スイッチング素子S5~S8をスイッチングする位相をスイッチング素子S1~S4に対して進める。
The switching timing of the switching elements S5 to S8 in the power supply mode is also the same as the switching timing in the charging mode. However, in the charging mode, the
図6(a)には、電力供給モードにおける1次巻線電圧Vuvおよび2次巻線電圧Vwxの時間波形が示されている。2次巻線電圧Vwxは1次巻線電圧Vuvに対して位相がφだけ進んでいる。図6(b)には、1次巻線T1に流れる電流ieの時間波形が示されている。1次巻線電流ieは、ハーフブリッジVからハーフブリッジUに向かう方向を正とする。 FIG. 6A shows the time waveforms of the primary winding voltage Vuv and the secondary winding voltage Vwx in the power supply mode. The phase of the secondary winding voltage Vwx is advanced by φ with respect to the primary winding voltage Vuv. FIG. 6B shows a time waveform of the current ie flowing through the primary winding T1. The primary winding current ie is positive in the direction from the half bridge V to the half bridge U.
2次巻線電圧Vwxが0からVdに立ち上がり、1次巻線電圧Vuvが0である期間τ1の間、1次巻線電流ieは0から正方向に急激に増加する。その後、1次巻線電圧VuvがVbに立ち上がり、2次巻線電圧VwxがVdであり1次巻線電圧VuvがVbである期間τ2の間、1次巻線電流ieの変化は緩やかになる。さらに、2次巻線電圧VwxがVdから0に立ち下がり、1次巻線電圧VuvがVbである期間τ3の間、1次巻線電流ieは0に向かってに急激に減少する。 The primary winding current ie rapidly increases from 0 in the positive direction during the period τ1 when the secondary winding voltage Vwx rises from 0 to Vd and the primary winding voltage Vuv is 0. After that, the primary winding voltage Vuv rises to Vb, and the change in the primary winding current ie becomes gradual during the period τ2 in which the secondary winding voltage Vwx is Vd and the primary winding voltage Vv is Vb. .. Further, the secondary winding voltage Vwx drops from Vd to 0, and the primary winding current ie decreases sharply toward 0 during the period τ3 when the primary winding voltage Vuv is Vb.
2次巻線電圧Vwxおよび1次巻線電圧Vuvが0である期間τ4では、1次巻線電流ieは0である。 During the period τ4 where the secondary winding voltage Vwx and the primary winding voltage Vuv are 0, the primary winding current ie is 0.
2次巻線電圧Vwxが0から-Vdに立ち下がり、1次巻線電圧Vuvが0である期間τ5の間、1次巻線電流ieは0から負方向に急激に増加する。その後、1次巻線電圧Vuvが-Vbに立ち下がり、2次巻線電圧Vwxが-Vdであり1次巻線電圧Vuvが-Vbである期間τ6の間、1次巻線電流ieの変化は緩やかになる。さらに、2次巻線電圧Vwxが-Vdから0に立ち上がり、1次巻線電圧Vuvが-Vbである期間τ7の間、1次巻線電流ieは0に向かってに急激に減少する。 During the period τ5 when the secondary winding voltage Vwx falls from 0 to −Vd and the primary winding voltage Vuv is 0, the primary winding current ie rapidly increases from 0 in the negative direction. After that, the primary winding voltage Vuv drops to -Vb, and the change in the primary winding current ie during the period τ6 where the secondary winding voltage Vwx is -Vd and the primary winding voltage Vv is -Vb. Becomes gradual. Further, the secondary winding voltage Vwx rises from −Vd to 0, and the primary winding current ie decreases sharply toward 0 during the period τ7 when the primary winding voltage Vuv is −Vb.
2次巻線電圧Vwxが立ち上がりまたは立ち下がってから1次巻線電圧Vuvが立ち上がりまたは立ち下がる前までの期間τ1およびτ5では、2次巻線T2から1次巻線T1にエネルギーが供給されると共に、1次巻線T1はエネルギーを蓄える。そして、期間τ2、τ3、τ6およびτ7の間、力率改善回路10は、1次巻線電圧Vuvおよび1次巻線電流ieの積で定まる電力を交流端子24-1および24-2から負荷回路30に出力する。
During the period τ1 and τ5 from the rise or fall of the secondary winding voltage Vwx to the rise or fall of the primary winding voltage Vuv, energy is supplied from the secondary winding T2 to the primary winding T1. At the same time, the primary winding T1 stores energy. Then, during the periods τ2, τ3, τ6 and τ7, the power
2次巻線電圧Vwxと1次巻線電圧Vuvとの位相差φが大きい程、1次巻線T1にエネルギーが蓄積される期間τ1およびτ5が長くなり、期間τ2、τ3、τ6およびτ7における1次巻線電流ieの絶対値が大きくなる。ただし、位相差φは180°未満の値である。したがって、2次巻線電圧Vwxと1次巻線電圧Vuvとの位相差φが大きい程、電圧コンバータ回路14から力率改善回路10に伝送され、力率改善回路10から電力供給システムに出力される電力が大きくなる。
The larger the phase difference φ between the secondary winding voltage Vwx and the primary winding voltage Vuv, the longer the period τ1 and τ5 in which energy is stored in the primary winding T1, and in the periods τ2, τ3, τ6 and τ7. The absolute value of the primary winding current ie becomes large. However, the phase difference φ is a value less than 180 °. Therefore, the larger the phase difference φ between the secondary winding voltage Vwx and the primary winding voltage Vuv, the more it is transmitted from the
なお、制御部22が、上述のようにスイッチング素子S1~S4をスイッチング制御することで、1次巻線電流ieが中間コンデンサCbufの上端から下端に流れ、中間コンデンサCbufは、所定の電圧Vbで充電される。
The
(5)入力電流制御モード
電力供給モードのうちの1つである入力電流制御モードについて具体的に説明する。入力電流制御モードでは、例えば、交流端子24-1および24-2に負荷回路30として電力供給システムが接続される。図7には電力供給システム32の等価回路が示されている。電力供給システム32は、2本の電力伝送線25、負荷回路36および送配電設備34を備えている。送配電設備34は、2本の電力伝送線25の間の電圧を一定に維持しつつ、負荷回路36に電力を供給する。2本の電力伝送線25は、交流端子24-1および24-2に接続されており、電力変換装置から2本の電力伝送線25を介して負荷回路36に電力が供給される。これによって、送配電設備34に加えて電力変換装置から負荷回路36に電力が供給される。交流端子24-1および24-2の間の出力交流電圧(システム交流電圧Vs)は、送配電設備34によって一定に維持されている。
(5) Input Current Control Mode An input current control mode, which is one of the power supply modes, will be specifically described. In the input current control mode, for example, a power supply system is connected to the AC terminals 24-1 and 24-2 as a
図8には、入力電流制御モードにおける制御部22の構成例として、制御部22Aのブロック図が示されている。制御部22Aは、図8に示されている各構成要素をプログラムを実行することによって実現するプロセッサを備えていてもよい。また、各構成要素が、ハードウエアとしての電子回路によって個別に構成されてもよい。
FIG. 8 shows a block diagram of the
制御部22Aが、各制御信号を生成するに際しては、バッテリ28から正極端子26Pに流れ、負極端子26Nからバッテリ28に流れるバッテリ電流ibtの計測値Ibtm、中間電圧Vbの計測値Vbm、システム交流電圧Vsの計測値Vsm、および中途点電流iLの計測値ILが用いられる。電力変換装置には、これらを計測するための各センサ(図示せず)が設けられている。
When the
制御部22Aは、中間電圧Vbの計測値である中間電圧計測値Vbmとその目標値Vb*との差異、システム交流電圧計測値Vsm、中途点電流計測値IL、システム交流電圧目標値Vs*および中間電圧計測値Vbmに基づいてデューティ比目標値αを求める。また、制御部22Aは、バッテリ電流計測値Ibtmとその目標値Ibt*との差異、バッテリ電流目標値Ibt*、中間電圧目標値Vb*およびデューティ比目標値αに基づいて、第2スイッチング回路16をスイッチングする位相を、第1スイッチング回路12に対して変化させる各制御信号を生成する。
The
デューティ比目標値αを求める処理について説明する。減算器38は、中間電圧目標値Vb*から中間電圧計測値Vbmを減算して第1誤差を求め、電圧PI制御部40に出力する。電圧PI制御部40は、比例積分制御による第1制御値を求め、乗算器42に出力する。乗算器42は、システム交流電圧計測値Vsmを第1制御値に乗じ、さらに、システム交流電圧計測値Vsmの時間平均値の自乗の逆数を乗じて得られる中途点電流目標値iL*を減算器44に出力する。減算器44は、中途点電流目標値iL*から中途点電流計測値ILを減算して第2誤差を求め、電流PI制御部46に出力する。電流PI制御部46は、比例積分制御による第2制御値を求め加算器48に出力する。加算器48は、第2制御値に半周期目標値1-Vs*/Vbmを加算して調整前目標値α0を求める。半周期目標値1-Vs*/Vbmは、システム交流電圧Vsが正の半周期の値であるときに、力率改善回路10において力率改善効果が得られるデューティ比としての意義を有する。
The process of obtaining the duty ratio target value α will be described. The
デューティ比決定部50は、システム交流電圧計測値Vsmが0または正の値であるときは、α=α0としてデューティ比目標値αを求める。また、デューティ比決定部50は、システム交流電圧計測値Vsmが負の値であるときは、α=1-α0としてデューティ比目標値αを求める。
When the system AC voltage measurement value Vsm is 0 or a positive value, the duty
第2スイッチング回路16をスイッチングする位相を、第1スイッチング回路12に対して変化させる処理について説明する。減算器52は、バッテリ電流目標値ibt*からバッテリ電流計測値ibtmを減算した第3誤差を求め、位相PI制御部54に出力する。位相PI制御部54は、比例積分制御による第3制御値を求め、加算器55に出力する。
The process of changing the phase of switching the
FF値決定部56は、次の(数1)に基づいて、第3制御値に対するフィードフォワード値FFを求め、加算器55に出力する。
The FF
ただし、ωswは、第1スイッチング回路12および第2スイッチング回路16をスイッチングする際のスイッチング角周波数である。Leqは、1次巻線T1における漏れインダクタンスであり、第1インダクタL1および第2インダクタL2のインダクタンスをそれぞれL1およびL2とし、1次巻線T1と2次巻線T2との結合係数をkとすると、Leq=(L1+L2)・(1-k)の関係がある。
However, ωsw is a switching angular frequency when switching the
加算器55は、第3制御値にフィードフォワード値FFを加算して位相制御値を求め位相調整部60に出力する。キャリア生成部58は、パルス幅変調を行うためのキャリア信号を位相調整部60に出力する。キャリア信号は、例えば、三角波を時間波形とする信号である。
The adder 55 adds the feedforward value FF to the third control value to obtain the phase control value, and outputs the phase control value to the
位相調整部60は、さらに、キャリア生成部58から出力されたキャリア信号の位相を、位相制御値に基づいて変化させて、UV相バッファアンプ62に出力する。例えば、位相調整部60は、位相制御値が大きい程、キャリア信号の位相を遅らせる。UV相バッファアンプ62は、位相調整部60から出力されたキャリア信号をU相キャリア信号CUとしてUV相制御信号生成部64に出力する。また、UV相バッファアンプ62は、位相調整部60から出力されたキャリア信号を180°遅延させてV相キャリア信号CVとしてUV相制御信号生成部64に出力する。
The
位相調整部60は、キャリア信号をWX相バッファアンプ66に出力する。WX相バッファアンプ66は、位相調整部60から出力されたキャリア信号をW相キャリア信号CWとしてWX相制御信号生成部68に出力する。また、WX相バッファアンプ66は、位相調整部60から出力されたキャリア信号を180°遅延させてX相キャリア信号CXとしてWX相制御信号生成部68に出力する。
The
ここでは、位相調整部60が、UV相バッファアンプ62に出力する信号の位相を位相制御値に基づいて遅らせる処理について説明したが、位相調整部60が、WX相バッファアンプ66に出力する信号の位相を位相制御値に基づいて進める処理が実行されてもよい。
Here, the process of delaying the phase of the signal output to the UV
UV相制御信号生成部64は、デューティ比目標値α、U相キャリア信号CUおよびV相キャリア信号CVに基づいて、図2および図3に示されるような制御信号Cn1~Cn4を生成する。WX相制御信号生成部68は、デューティ比目標値α、W相キャリア信号CWおよびX相キャリア信号CXに基づいて、制御信号Cn1~Cn4に対して位相が180°遅れた制御信号Cn5~Cn8を生成する。
The UV phase control
以上のように、図8に示されている構成によって、制御部22Aは、第2スイッチング回路16に流入する直流電流ibtと、その直流電流に対する目標値ibt*との差異に応じて、第1スイッチング回路12をスイッチングする位相と、第2スイッチング回路16をスイッチングする位相との差を制御する。
As described above, according to the configuration shown in FIG. 8, the
また、制御部22Aは(数1)に従い、中間電圧Vbに対する目標値Vb*と、第2スイッチング回路16に流入する直流電流に対する目標値ibt*と、第1スイッチング回路12および第2スイッチング回路16をスイッチングする際のデューティ比と、1次巻線T1における漏れインダクタンスLeqと、スイッチング角周波数ωswとに基づいて、第1スイッチング回路12をスイッチングする位相と、第2スイッチング回路16とをスイッチングする位相との差を制御する。
Further, according to (Equation 1), the
また、制御部22Aは、中間電圧Vbと、中間電圧Vbに対する目標値Vb*との差異に応じたデューティ比で、第1スイッチング回路12および第2スイッチング回路16をスイッチングする。
Further, the
また、制御部22Aは、出力交流電圧Vs(システム交流電圧Vs)と、1次巻線の中途点から引き出された経路に流れる中途点電流iLと、に応じたデューティ比で、第1スイッチング回路12および第2スイッチング回路16をスイッチングする。
Further, the
また、制御部22Aは、出力交流電圧に対する目標値Vs*と、中間電圧Vbとの差異に応じたデューティ比で、第1スイッチング回路12および第2スイッチング回路16をスイッチングする。
Further, the
このような制御によれば、中間電圧目標値Vb*と中間電圧計測値Vbmとの差異に応じて中途点電流目標値iL*が求められ、中途点電流計測値ILが中途点電流目標値iL*に近付き、または一致するようなデューティ比目標値αが求められる。また、バッテリ電流計測値ibtmがバッテリ電流目標値ibt*に満たないときは、第1スイッチング回路12をスイッチングする位相に対する、第2スイッチング回路16をスイッチングする位相の進みが大きくなる。そして、バッテリ電流計測値ibtmがバッテリ電流目標値ibt*を超えるときは、第1スイッチング回路12をスイッチングする位相に対する、第2スイッチング回路16をスイッチングする位相の進みが小さくなる。これによって、バッテリ電流計測値ibtmがバッテリ電流目標値ibt*に近付き、または一致する。さらに、第1スイッチング回路12および第2スイッチング回路16のスイッチング位相差|φ|を制御するための第3制御値には、FF値決定部56によって求められたフィードフォワード値FFが加算され、位相制御値が求められる。このようなフィードフォワード制御によって、電力供給システム32における消費電力が変化したとしても、電力変換装置から電力供給システム32に供給される電力が消費電力の変化に迅速に追従する。
According to such control, the midpoint current target value iL * is obtained according to the difference between the intermediate voltage target value Vb * and the intermediate voltage measured value Vbm, and the midpoint current measured value IL is the midpoint current target value iL. A duty ratio target value α that approaches or matches * is obtained. Further, when the battery current measured value ibtm is less than the battery current target value ibt * , the phase for switching the
図9には、入力電流制御モードの動作についてのシミュレーション結果が示されている。図9(a)~(e)における横軸は時間を示す。図9(a)には、システム交流電圧Vsおよび中途点電流iLの時間波形が示されている。ただし、中途点電流iLは、シミュレーションによって求められたものではなく、縦軸のスケールを20倍にして模式的に時間波形が表されたものである。図9(b)には、中間電圧Vbおよびバッテリ電流ibtの時間波形が示されている。ただし、バッテリ電流ibtの縦軸のスケールは50倍とされている。図9(c)には、スイッチング素子S9およびS10の状態が示されている。図9(d)には、デューティ比αの時間波形が示されている。図9(e)には、第1スイッチング回路12をスイッチングする位相に対する第2スイッチング回路16をスイッチングする位相の遅れφが示されている。
FIG. 9 shows the simulation results for the operation of the input current control mode. The horizontal axis in FIGS. 9 (a) to 9 (e) indicates time. FIG. 9A shows the time waveforms of the system AC voltage Vs and the midpoint current iL. However, the midpoint current iL is not obtained by simulation, but is schematically a time waveform represented by multiplying the scale of the vertical axis by 20. FIG. 9B shows the time waveforms of the intermediate voltage Vb and the battery current ibt. However, the scale of the vertical axis of the battery current ibt is set to 50 times. FIG. 9C shows the states of the switching elements S9 and S10. FIG. 9D shows a time waveform having a duty ratio α. FIG. 9E shows a phase delay φ for switching the
(6)出力電圧制御モード
電力供給モードのうちの他の1つである出力電圧制御モードについて具体的に説明する。出力電圧制御モードでは、例えば、交流端子24-1および24-2に負荷回路30として電気機器が接続される。電気機器は、その動作状態に応じて消費電力が変化し、消費電力の変動によって電源電圧が変動した場合には、十分な性能が発揮されないことがある。そこで、出力電圧制御モードでは、交流端子24-1および24-2から出力される出力交流電圧が目標値に近付けられ、または目標値に合わせられる。
(6) Output Voltage Control Mode An output voltage control mode, which is another one of the power supply modes, will be specifically described. In the output voltage control mode, for example, an electric device is connected to the AC terminals 24-1 and 24-2 as a
図10には、出力電圧制御モードにおける制御部22の構成例として、制御部22Bのブロック図が示されている。制御部22Bは、図に示されている各構成要素をプログラムを実行することによって実現するプロセッサを備えていてもよい。また、各構成要素が、ハードウエアとしての電子回路によって個別に構成されてもよい。
FIG. 10 shows a block diagram of the
制御部22Bが、各制御信号を生成するに際しては、中間電圧Vbの計測値Vbm、および負荷電圧VL(交流端子24-1および24-2の間の電圧)の計測値VLmが用いられる。電力変換装置には、これらを計測するための各センサ(図示せず)が設けられている。
When the
制御部22Bは、負荷電圧計測値VLmの絶対値とその目標値VL*との差異、負荷電圧目標値VL*、および中間電圧計測値Vbmに基づいてデューティ比目標値αを求める。また、制御部22Bは、中間電圧計測値Vbmと中間電圧目標値Vb*との差異に基づいて、第2スイッチング回路16をスイッチングする位相を、第1スイッチング回路12に対して変化させる各制御信号を生成する。
The
デューティ比目標値αを求める処理について説明する。減算器38は、負荷電圧計測値VLmの絶対値に対する目標値VL*から負荷電圧計測値VLmの絶対値|VLm|を減算して第1電圧誤差を求め、電圧PI制御部40に出力する。電圧PI制御部40は、比例積分制御によるデューティ比制御値を求め、加算器48に出力する。加算器48は、デューティ比制御値にオフセット値VL*/Vbmを加算して調整前目標値α0を求める。オフセット値VL*/Vbmは、負荷電圧測定値の絶対値の目標値VL*と中間電圧測定値Vbmとの相違を比率で表した誤差としての意義を有する。
The process of obtaining the duty ratio target value α will be described. The
デューティ比決定部50は、負荷電圧計測値VLmが0または正の値であるときは、α=α0としてデューティ比目標値αを求める。また、デューティ比決定部50は、負荷電圧計測値VLmが負の値であるであるときは、α=1-α0としてデューティ比目標値αを求める。
When the load voltage measurement value VLm is 0 or a positive value, the duty
第2スイッチング回路16をスイッチングする位相を、第1スイッチング回路12に対して変化させる処理について説明する。減算器52は、中間電圧目標値Vb*から中間電圧計測値Vbmを減算した第2電圧誤差を求め、位相PI制御部54に出力する。位相PI制御部54は、比例積分制御による位相制御値を求め位相調整部60に出力する。
The process of changing the phase of switching the
位相調整部60、UV相バッファアンプ62およびUV相制御信号生成部64は、キャリア信号、位相制御値およびデューティ比目標値αに基づいて、制御信号Cn1~Cn4を生成する。また、位相調整部60、WX相バッファアンプ66およびWX相制御信号生成部68は、キャリア信号、位相制御値およびデューティ比目標値αに基づいて、制御信号Cn5~Cn8を生成する。
The
図10に示されている構成によって、制御部22Bは、中間電圧Vbと、中間電圧に対する目標値Vb*との差異に応じて、第1スイッチング回路12をスイッチングする位相と、第2スイッチング回路16をスイッチングする位相との差を制御する。
According to the configuration shown in FIG. 10, the
また、制御部22Bは、出力交流電圧VLの絶対値と、出力交流電圧の絶対値に対する目標値VL*との差異に応じたデューティ比で、第1スイッチング回路12および第2スイッチング回路16をスイッチングする。
Further, the
また、制御部22Bは、出力交流電圧VLの絶対値に対する目標値VL*と、中間電圧Vbとの差異に応じたデューティ比で、第1スイッチング回路12および第2スイッチング回路16をスイッチングする。
Further, the
制御部22Aが行う制御によれば、負荷電圧計測値VLmの絶対値|VLm|がその目標値に近付き、または一致し、さらに、|VLm|の目標値VL*と中間電圧計測値Vbmとが一致するようなデューティ比目標値αが求められる。また、中間電圧計測値Vbmが中間電圧目標値Vb*に満たないときは、第1スイッチング回路12をスイッチングする位相に対し、第2スイッチング回路16をスイッチングする位相の進みが大きくなる。そして、中間電圧計測値Vbmが中間電圧目標値Vb*を超えるときは、第1スイッチング回路12をスイッチングする位相に対し、第2スイッチング回路16をスイッチングする位相の進みが小さくなる。これによって、中間電圧計測値Vbmが中間電圧目標値Vb*に近付き、または一致する。したがって、負荷電圧VLの絶対値が所定値に近付けられ、または合わせられ、負荷電圧VLが安定化される。
According to the control performed by the
図11には、出力電圧制御モードの動作についてのシミュレーション結果が示されている。図11(a)~(e)における横軸は時間を示す。図11(a)には、負荷電圧VLおよび中途点電流iLの時間波形が示されている。図11(b)には、中間電圧Vbの時間波形が示されている。図11(c)には、整流スイッチング素子S9およびS10の状態が示されている。図11(d)には、デューティ比αの時間波形が示されている。図11(e)には、第1スイッチング回路12をスイッチングする位相に対する第2スイッチング回路16をスイッチングする位相の遅れφが示されている。
FIG. 11 shows the simulation results for the operation of the output voltage control mode. The horizontal axis in FIGS. 11 (a) to 11 (e) indicates time. FIG. 11A shows the time waveforms of the load voltage VL and the midpoint current iL. FIG. 11B shows a time waveform of the intermediate voltage Vb. FIG. 11C shows the states of the rectifying switching elements S9 and S10. FIG. 11D shows a time waveform having a duty ratio α. FIG. 11E shows a phase delay φ for switching the
(7)トランスTの巻線比
電力変換装置では、力率改善回路10から電圧コンバータ回路14に伝送される電力、または、電圧コンバータ回路14から力率改善回路10に伝送される電力を一定とした場合、第1スイッチング回路12および第2スイッチング回路16のスイッチング位相差|φ|について次のような傾向がある。すなわち、デューティ比が1または0に近い程、スイッチング位相差が大きくなり、デューティ比が0.5に近い程、スイッチング位相差が小さくなる傾向がある。これは、デューティ比が0.5に近い程、図4および図6における期間τ2およびτ6が長くなり、電力が伝送される時間が長くなるためである。すなわち、期間τ2およびτ6が長くなり、伝送電力を一定とするという条件下では、期間τ1およびτ5を長くして(スイッチング位相差を大きくして)、1次巻線T1または2次巻線T2に流れる電流を大きくする必要がないためである。伝送電力を一定とするという条件下では、デューティ比が0.5に近い程、スイッチング位相差が小さくなり、1次巻線T1または2次巻線T2に流れる電流が小さくなる。これによって、ジュール熱による損失が小さくなり、伝送効率が向上する。本実施形態に係る電力変換回路では、トランスTの巻線比を適切な値とすることで、以下に説明するように、デューティ比が0.5に近付けられ、伝送効率が向上する。
(7) Winding ratio of transformer T In the power conversion device, the power transmitted from the power
上述の力率改善回路10では、交流端子24-1と交流端子24-2との間の出力交流電圧V(=Vac,VsまたはVL)の実行値をVrmsとしたとき、中間電圧目標値Vb*をVrmsの1.8倍とすることで、第1スイッチング回路12および第2スイッチング回路16のデューティ比が0.5に近付けられる。ただし、交流端子24-1と交流端子24-2との間の出力交流電圧Vの時間波形は正弦波である。これは実効値がVrmsの正弦波を全波整流して得られた時間波形の時間平均値は0.9Vrmsであり、中間電圧Vbを、この2倍の電圧とすることでデューティ比が0.5に近付けられるためである。そこで、1次巻線T1の巻数に対する2次巻線T2の巻数として定義される巻線比Nを、N=Vbat/(1.8・Vrms)とすることでデューティ比が0.5に近付けられる。ただし、Vbatはバッテリ28の出力電圧である。したがって、伝送電力を一定とするという条件下では、N=Vbat/(1.8・Vrms)とすることでデューティ比が0.5に近付けられ、伝送効率が向上する。
In the power
10 力率改善回路、12 第1スイッチング回路、14 電圧コンバータ回路、16 第2スイッチング回路、18 交流電圧源、20 直流電源回路、22 制御部、24-1,24-2 交流端子、26P 正極端子、26N 負極端子、28 バッテリ、30,36 負荷回路、32 電力供給システム、34 送配電設備、38、44,48、52 減算器、40 電圧PI制御部、42 乗算器、46 電流PI制御部、50 デューティ比決定部、54 位相PI制御部、56 FF値決定部、58 キャリア生成部、60 位相調整部、62 UV相バッファアンプ、64 UV相制御信号生成部、66 WX相バッファアンプ、68 WX相制御信号生成部。
10 Power factor improvement circuit, 12 1st switching circuit, 14 Voltage converter circuit, 16 2nd switching circuit, 18 AC voltage source, 20 DC power supply circuit, 22 Control unit, 24-1, 24-2 AC terminal, 26P positive terminal , 26N Negative terminal, 28 battery, 30, 36 load circuit, 32 power supply system, 34 power transmission and distribution equipment, 38, 44, 48, 52 subtractor, 40 voltage PI control unit, 42 multiplier, 46 current PI control unit, 50 Duty ratio determination unit, 54 Phase PI control unit, 56 FF value determination unit, 58 carrier generation unit, 60 phase adjustment unit, 62 UV phase buffer amplifier, 64 UV phase control signal generation unit, 66 WX phase buffer amplifier, 68 WX Phase control signal generator.
Claims (8)
第1スイッチング回路および第2スイッチング回路と、
前記第1スイッチング回路に両端が接続された1次巻線と、
前記第2スイッチング回路に両端が接続され、前記1次巻線と磁気的に結合する2次巻線と、を備え、
前記第1スイッチング回路は、
2つのハーフブリッジが並列接続されたフルブリッジであって、各前記ハーフブリッジは、それぞれの一端が共通に接続された2つのスイッチング素子を備える、フルブリッジと、
それぞれの一端が共通に接続された第1整流スイッチング素子および第2整流スイッチング素子と、を備え、
前記1次巻線は、
2つの前記ハーフブリッジのうちの一方における2つのスイッチング素子の接続点と、2つの前記ハーフブリッジのうちの他方における2つのスイッチング素子の接続点との間に接続されており、
前記第1整流スイッチング素子の他端は、前記フルブリッジにおける2つの並列接続点のうちの一方に接続されており、
前記第2整流スイッチング素子の他端は、前記2つの並列接続点のうちの他方に接続されており、
前記1次巻線の中途点から引き出された経路と、前記第1整流スイッチング素子および第2整流スイッチング素子の接続点との間から、前記第2スイッチング回路に入力された直流電力に基づく出力交流電圧が出力され、
前記電力変換装置は、さらに、
前記第2スイッチング回路に流入する直流電流と、その直流電流に対する目標値との差異に応じて、前記第1スイッチング回路をスイッチングする位相と、前記第2スイッチング回路をスイッチングする位相との差を制御する制御部と、
前記フルブリッジにおける2つの並列接続点に接続されたコンデンサと、を備え、
前記制御部は、
前記コンデンサの端子間電圧に対する目標値と、前記第2スイッチング回路に流入する直流電流に対する目標値と、前記第1スイッチング回路および前記第2スイッチング回路をスイッチングする際のデューティ比と、前記1次巻線における漏れインダクタンスと、当該スイッチングの周波数とに基づいて、前記第1スイッチング回路をスイッチングする位相と、前記第2スイッチング回路をスイッチングする位相との差を制御する、ことを特徴とする電力変換装置。 It ’s a power converter,
The first switching circuit and the second switching circuit,
A primary winding having both ends connected to the first switching circuit,
A secondary winding, both ends of which are connected to the second switching circuit and magnetically coupled to the primary winding, is provided.
The first switching circuit is
A full bridge in which two half bridges are connected in parallel, each said half bridge comprising two switching elements, one end of which is commonly connected.
A first rectifying switching element and a second rectifying switching element, one of which is connected in common, are provided.
The primary winding is
It is connected between the connection point of two switching elements in one of the two half bridges and the connection point of two switching elements in the other of the two half bridges.
The other end of the first rectifying switching element is connected to one of the two parallel connection points in the full bridge.
The other end of the second rectifying switching element is connected to the other of the two parallel connection points.
Output AC based on the DC power input to the second switching circuit from between the path drawn from the middle point of the primary winding and the connection point of the first rectifying switching element and the second rectifying switching element. The voltage is output ,
The power conversion device further
The difference between the phase for switching the first switching circuit and the phase for switching the second switching circuit is controlled according to the difference between the direct current flowing into the second switching circuit and the target value with respect to the direct current. Control unit and
A capacitor connected to two parallel connection points in the full bridge.
The control unit
The target value for the voltage between terminals of the capacitor, the target value for the DC current flowing into the second switching circuit, the duty ratio when switching between the first switching circuit and the second switching circuit, and the first winding. A power conversion device characterized in that the difference between the phase for switching the first switching circuit and the phase for switching the second switching circuit is controlled based on the leakage inductance in the line and the switching frequency. ..
第1スイッチング回路および第2スイッチング回路と、
前記第1スイッチング回路に両端が接続された1次巻線と、
前記第2スイッチング回路に両端が接続され、前記1次巻線と磁気的に結合する2次巻線と、を備え、
前記第1スイッチング回路は、
2つのハーフブリッジが並列接続されたフルブリッジであって、各前記ハーフブリッジは、それぞれの一端が共通に接続された2つのスイッチング素子を備える、フルブリッジと、
それぞれの一端が共通に接続された第1整流スイッチング素子および第2整流スイッチング素子と、を備え、
前記1次巻線は、
2つの前記ハーフブリッジのうちの一方における2つのスイッチング素子の接続点と、2つの前記ハーフブリッジのうちの他方における2つのスイッチング素子の接続点との間に接続されており、
前記第1整流スイッチング素子の他端は、前記フルブリッジにおける2つの並列接続点のうちの一方に接続されており、
前記第2整流スイッチング素子の他端は、前記2つの並列接続点のうちの他方に接続されており、
前記1次巻線の中途点から引き出された経路と、前記第1整流スイッチング素子および第2整流スイッチング素子の接続点との間から、前記第2スイッチング回路に入力された直流電力に基づく出力交流電圧が出力され、
前記電力変換装置は、さらに、
前記フルブリッジにおける2つの並列接続点に接続されたコンデンサと、
前記コンデンサの端子間電圧と、前記コンデンサの端子間電圧に対する目標値との差異に応じたデューティ比で、前記第1スイッチング回路および前記第2スイッチング回路をスイッチングする制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記出力交流電圧と、前記1次巻線の中途点から引き出された経路に流れる中途点電流と、に応じたデューティ比で、前記第1スイッチング回路および前記第2スイッチング回路をスイッチングする、ことを特徴とする電力変換装置。 It ’s a power converter,
The first switching circuit and the second switching circuit,
A primary winding having both ends connected to the first switching circuit,
A secondary winding, both ends of which are connected to the second switching circuit and magnetically coupled to the primary winding, is provided.
The first switching circuit is
A full bridge in which two half bridges are connected in parallel, each said half bridge comprising two switching elements, one end of which is commonly connected.
A first rectifying switching element and a second rectifying switching element, one of which is connected in common, are provided.
The primary winding is
It is connected between the connection point of two switching elements in one of the two half bridges and the connection point of two switching elements in the other of the two half bridges.
The other end of the first rectifying switching element is connected to one of the two parallel connection points in the full bridge.
The other end of the second rectifying switching element is connected to the other of the two parallel connection points.
Output AC based on the DC power input to the second switching circuit from between the path drawn from the middle point of the primary winding and the connection point of the first rectifying switching element and the second rectifying switching element. The voltage is output,
The power conversion device further
Capacitors connected to the two parallel connection points in the full bridge,
A control unit that switches between the first switching circuit and the second switching circuit at a duty ratio corresponding to a difference between the voltage between the terminals of the capacitor and the target value with respect to the voltage between the terminals of the capacitor is provided .
The control unit
Switching the first switching circuit and the second switching circuit at a duty ratio corresponding to the output AC voltage and the midpoint current flowing in the path drawn from the midpoint of the primary winding. Characterized power conversion device.
前記制御部は、
前記出力交流電圧に対する目標値と、前記コンデンサの端子間電圧との差異に応じたデューティ比で、前記第1スイッチング回路および前記第2スイッチング回路をスイッチングする、ことを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device according to claim 2 ,
The control unit
A power conversion device characterized in that the first switching circuit and the second switching circuit are switched at a duty ratio corresponding to a difference between a target value with respect to the output AC voltage and a voltage between terminals of the capacitor.
第1スイッチング回路および第2スイッチング回路と、
前記第1スイッチング回路に両端が接続された1次巻線と、
前記第2スイッチング回路に両端が接続され、前記1次巻線と磁気的に結合する2次巻線と、を備え、
前記第1スイッチング回路は、
2つのハーフブリッジが並列接続されたフルブリッジであって、各前記ハーフブリッジは、それぞれの一端が共通に接続された2つのスイッチング素子を備える、フルブリッジと、
それぞれの一端が共通に接続された第1整流スイッチング素子および第2整流スイッチング素子と、を備え、
前記1次巻線は、
2つの前記ハーフブリッジのうちの一方における2つのスイッチング素子の接続点と、2つの前記ハーフブリッジのうちの他方における2つのスイッチング素子の接続点との間に接続されており、
前記第1整流スイッチング素子の他端は、前記フルブリッジにおける2つの並列接続点のうちの一方に接続されており、
前記第2整流スイッチング素子の他端は、前記2つの並列接続点のうちの他方に接続されており、
前記1次巻線の中途点から引き出された経路と、前記第1整流スイッチング素子および第2整流スイッチング素子の接続点との間から、前記第2スイッチング回路に入力された直流電力に基づく出力交流電圧が出力され、
前記電力変換装置は、さらに、
前記出力交流電圧と、前記出力交流電圧に対する目標値との差異に応じたデューティ比で、前記第1スイッチング回路および前記第2スイッチング回路をスイッチングする制御部、を備えることを特徴とする電力変換装置。 It ’s a power converter,
The first switching circuit and the second switching circuit,
A primary winding having both ends connected to the first switching circuit,
A secondary winding, both ends of which are connected to the second switching circuit and magnetically coupled to the primary winding, is provided.
The first switching circuit is
A full bridge in which two half bridges are connected in parallel, each said half bridge comprising two switching elements, one end of which is commonly connected.
A first rectifying switching element and a second rectifying switching element, one of which is connected in common, are provided.
The primary winding is
It is connected between the connection point of two switching elements in one of the two half bridges and the connection point of two switching elements in the other of the two half bridges.
The other end of the first rectifying switching element is connected to one of the two parallel connection points in the full bridge.
The other end of the second rectifying switching element is connected to the other of the two parallel connection points.
Output AC based on the DC power input to the second switching circuit from between the path drawn from the middle point of the primary winding and the connection point of the first rectifying switching element and the second rectifying switching element. The voltage is output,
The power conversion device further
A power conversion device including a control unit that switches between the first switching circuit and the second switching circuit at a duty ratio corresponding to a difference between the output AC voltage and a target value with respect to the output AC voltage. ..
前記フルブリッジにおける2つの並列接続点に接続されたコンデンサを備え、
前記制御部は、
前記出力交流電圧に対する目標値と、前記コンデンサの端子間電圧との差異に応じたデューティ比で、前記第1スイッチング回路および前記第2スイッチング回路をスイッチングする、ことを特徴とする電力変換装置。 In the power conversion device according to claim 4 ,
With capacitors connected to the two parallel connection points in the full bridge
The control unit
A power conversion device characterized in that the first switching circuit and the second switching circuit are switched at a duty ratio corresponding to a difference between a target value with respect to the output AC voltage and a voltage between terminals of the capacitor.
前記フルブリッジにおける2つの並列接続点に接続されたコンデンサと、Capacitors connected to the two parallel connection points in the full bridge,
前記コンデンサの端子間電圧と、前記コンデンサの端子間電圧に対する目標値との差異に応じて、前記第1スイッチング回路をスイッチングする位相と、前記第2スイッチング回路をスイッチングする位相との差を制御する制御部と、The difference between the phase for switching the first switching circuit and the phase for switching the second switching circuit is controlled according to the difference between the voltage between the terminals of the capacitor and the target value with respect to the voltage between the terminals of the capacitor. Control unit and
を備えることを特徴とする電力変換装置。A power conversion device characterized by being equipped with.
前記第2スイッチング回路は、The second switching circuit is
2つの2次側ハーフブリッジが並列接続された2次側フルブリッジであって、各前記2次側ハーフブリッジは、それぞれの一端が共通に接続された2つのスイッチング素子を備える、2次側フルブリッジを備え、A secondary side full bridge in which two secondary side half bridges are connected in parallel, and each of the secondary side half bridges includes two switching elements in which one end thereof is commonly connected. Equipped with a bridge
前記2次巻線は、The secondary winding is
2つの前記2次側ハーフブリッジのうちの一方における2つのスイッチング素子の接続点と、2つの前記2次側ハーフブリッジのうちの他方における2つのスイッチング素子の接続点との間に接続されており、It is connected between the connection point of the two switching elements in one of the two secondary side half bridges and the connection point of the two switching elements in the other of the two secondary side half bridges. ,
前記2次側フルブリッジにおける2つの並列接続点から直流電力が入力されることを特徴とする電力変換装置。A power conversion device characterized in that DC power is input from two parallel connection points in the secondary side full bridge.
前記第1整流スイッチング素子および前記第2整流スイッチング素子のそれぞれは、前記出力交流電圧の極性に応じてオンオフすることを特徴とする電力変換装置。 The power conversion device according to any one of claims 1 to 7 .
A power conversion device characterized in that each of the first rectifying switching element and the second rectifying switching element is turned on and off according to the polarity of the output AC voltage.
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