JP7099356B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
第1入出力端子対と、
第2入出力端子対と、
前記第1入出力端子対及び前記第2入出力端子対に接続されたDC/DCコンバータと、
前記DC/DCコンバータを制御する制御部と、
を備え、
前記DC/DCコンバータは、
第1接続点を介して直列接続された第1及び第2スイッチング素子を有し、前記第1入出力端子対に接続された、第1スイッチングレグと、
第2接続点を介して直列接続された第3及び第4スイッチング素子を有し、前記第1スイッチングレグに並列接続された、第2スイッチングレグと、
第3接続点を介して直列接続された第5及び第7スイッチング素子を有し、前記第2入出力端子対に接続された、第3スイッチングレグと、
第4接続点を介して直列接続された第6及び第8スイッチング素子を有し、前記第3スイッチングレグに並列接続された、第4スイッチングレグと、
前記第1接続点と前記第2接続点とに接続された、トランスの一方の巻線を含む第1エネルギー蓄積変換部と、
前記第3接続点と前記第4接続点とに接続された、前記トランスの他方の巻線を含む第2エネルギー蓄積変換部と、
を備え、
前記第1エネルギー蓄積変換部及び前記第2エネルギー蓄積変換部の少なくともいずれか一方は、前記トランスの巻線に直列接続されたリアクトルを有し、
前記制御部は、
前記第7スイッチング素子及び前記第8スイッチング素子をOFFした状態で、
前記第1スイッチング素子及び前記第4スイッチング素子をONし、第2スイッチング素子及び第3スイッチング素子をOFFし、かつ、前記第5スイッチング素子をONし、前記第6スイッチング素子をOFFする第1状態と、
前記第1スイッチング素子及び前記第4スイッチング素子をONし、第2スイッチング素子及び第3スイッチング素子をOFFし、かつ、前記第5スイッチング素子及び前記第6スイッチング素子をOFFする第2状態と、
前記第1スイッチング素子をOFFし、前記第4スイッチング素子をONし、第2スイッチング素子及び第3スイッチング素子をOFFし、かつ、前記第5スイッチング素子及び第6スイッチング素子をOFFする第3状態と、
前記第2スイッチング素子及び前記第3スイッチング素子をONし、第1スイッチング素子及び第4スイッチング素子をOFFし、かつ、前記第6スイッチング素子をONし、前記第5スイッチング素子をOFFする第4状態と、
前記第2スイッチング素子及び前記第3スイッチング素子をONし、前記第1スイッチング素子及び第4スイッチング素子をOFFし、かつ、前記第6スイッチング素子及び第5スイッチング素子をOFFする第5状態と、
前記第3スイッチング素子をONし、前記第2スイッチング素子をOFFし、前記第1スイッチング素子及び第4スイッチング素子をOFFし、かつ、前記第6スイッチング素子及び第5スイッチング素子をOFFする第6状態と、
を含み、前記第1状態、前記第2状態、前記第3状態、前記第4状態、前記第5状態、前記第6状態の順に繰り返し遷移させ、
前記第3状態及び前記第6状態の期間を制御することを特徴とする電力変換装置である。
第2リアクトルを有するようにしてもよい。さらに、第1エネルギー蓄積変換部がトランスの一方の巻線に直列接続された第1リアクトルを有し、かつ、第2エネルギー蓄積変換部がトランスの他方の巻線に直列接続された第2リアクトルを有するようにしてもよい。このような第1リアクトルとして、トランスの一方の巻線側に発生する漏れインダクタンスを用いてもよいし、第2リアクトルとして、トランスの他方の巻線側に発生する漏れインダクタンスを用いてもよい。
前記第1状態及び前記第4状態の期間をTonとし、前記第2状態及び前記第5状態の期間をToff1としたとき、所定の係数kに対して、Toff1=Ton/(k-1)を満たすように、Ton及びToff1を制御することによって、前記第3状態及び前記第6状態の期間を制御するようにしてもよい。
以下、本発明の適用例について、図面を参照しつつ説明する。本発明は例えば、図1に示すようなDAB方式のDC/DCコンバータを含む電力変換装置に適用される。
同様の構成のDAB方式のDC/DCコンバータは従来から知られているが、従来、昇圧動作を行う場合には、図10Aに示すようなタイミグチャートに従って、スイッチング素子SW1~SW6がON/OFF制御されていた。図10Bは、このときの従来のDC/DCコンバータの入力側のリアクトルに流れる電流である。
図10A及び図10Bの縦の点線は、図3に示す本発明の実施例に係る電力変換装置における制御と対比するために付したものであり、従来の制御に必ずしも対応していない。
すなわち、本発明では、第1スイッチング素子SW1、第4スイッチング素子SW4及び第5スイッチング素子SW5がONしている第1状態(#1)から、第1スイッチング素子SW1及び第4スイッチング素子SW4がONし、第5スイッチング素子SW5がOFFしている第2状態(#2)に続いて、第3状態(#3)に遷移している。この第3状態(#3)では、第1スイッチング素子SW1がOFFし、第4スイッチング素子SW4がONし、第5スイッチング素子SW5がOFFしている。このような制御における本発明のDC/DCコンバータ10は図2Cに示すような経路で電流が流れている。このとき、第1入出力端子対13p,13mから電力の供給を受けることなく、第1リアクトル及び第2リアクトルを流れる電流が循環している。一方で、2次側入出力端子対14p,14mから電流が負荷に流れて、エネルギーが失われている。
このような第3状態(#3)を設けていない従来例に比べて、入力側のリアクトルに流れる電流は急速に減少している。本発明は、このような第3状態(第6状態も同様)の期間を制御することによって、昇降圧比を連続的に制御している。これによって、本発明では、出力電圧の変動を抑え、高効率化を実現している。
図10Bに見られるように、本発明の第3状態に対応する制御が行われていない従来例では、入力側のリアクトル電流の減少過程が一様であり、このような効果を実現することができない。
以下では、本発明の実施例1に係る電力変換装置について、図面を用いて、より詳細に説明する。
図1は、実施例1に係る電力変換装置の一例を示す概略構成図である。
本実施例に係る電力変換装置は、DAB(Dual Active Bridge)方式のDC/DCコンバータであり、トランスTRを介して双方向の電力変換が可能な装置である。図示してあるように、電力変換装置は、DC/DCコンバータ10と制御ユニット20と第1入出力端子対13(13p、13m)、第2入出力端子対14(14p、14m)とを備える。ここでは、制御ユニット20は制御部に相当する。
ものでなくても良い。ただし、以下では、トランスTRの巻数比が1:1であるものとして、電力変換装置の構成及び動作を説明する。第1巻線及びリアクトルLr1によって第1エネルギー蓄積変換部が構成され、第2巻線及びリアクトルLr2によって第2エネルギー蓄積変換部が構成される。
・第1状態(#1):第1スイッチング素子SW1、第4スイッチング素子SW4及び第5スイッチング素子SW5がONとなっている状態(第1スイッチング素子SW1及び第4スイッチング素子SW4及び第5スイッチング素子SW5がONとなっており、他の各スイッチング素子がOFFとなっている状態;以下、同様。)
・第2状態(#2):第1スイッチング素子SW1及び第4スイッチング素子SW4がONとなっている状態
・第3状態(#3):第4スイッチング素子SW4がONとなっている状態
・第4状態(#4):第2スイッチング素子SW2、第3スイッチング素子SW3及び第6スイッチング素子SW6がONとなっている状態
・第5状態(#5):第2スイッチング素子SW2及び第3スイッチング素子SW3がONとなっている状態
・第6状態(#6):第3スイッチング素子SW3がONとなっている状態
スイッチング周期をTとすると、Toff2=T-Ton-Toff1であるから、Ton及びToff1を制御することによって、昇圧比が1以下となる場合を含めて昇圧比を制御することができる。すなわち、DCコンバータ10ではTonとToff1を制御することによって昇降圧動作を実現することができる。TonとToff1は独立のパラメータである。しかし、降圧動作ではTonとToff1の期間、すなわち第1状態(#1)及び第2状態(#2)並びに第4状態(#4)及び第5状態(#5)の期間においては、1次側から2次側にエネルギーが供給されるため、Tonの増加減少とToff1の増加減少とは同時に行うことが必要である。
このため、本実施例では、TonとToffとが一定の関係に保持しつつ、昇圧比を制
御する。ここでは、設計で求められる最大の昇圧比がkであるとき、
Toff1=Ton/(k-1)・・・(1)
の関係を満たすように、Ton及びToff1を制御する。従って、Ton及びToff1が式(1)の関係を満たすことを前提に、Tonを制御することにより、降圧動作から昇圧動作まで連続的に制御することができる。ここでは、設計で求められる最大の昇圧比kが所定の係数kに対応する。
50V、電力P=3kW、Ton=15μsec、スイッチング周波数fsw=20kHz、k=3とした場合のシミュレーション結果を示す。図9(A)が出力電流Iout、図9(B)がリアクトル電流ILを示す。図7、図8及び図9のいずれも出力電圧Vout=300Vである。図7から図9へとTonが長くなるように設定されており、図7が降圧動作、図9が昇圧動作というように、Tonを制御することにより、降圧動作から昇圧動作までを連続的に行えることがシミュレーション結果によっても示されている。
このように、本実施例に係るDC/DCコンバータ10によれば、昇降圧動作を連続的に行うことができ、出力電圧の変動を抑制し、高効率の電力変換を実現することができる。
<発明1>
第1入出力端子対(13p,13m)と、
第2入出力端子対(14p,14m)と、
前記第1入出力端子対(13p,13m)及び前記第2入出力端子対(14p,14m)に接続されたDC/DCコンバータ(10)と、
前記DC/DCコンバータを制御する制御部(20)と、
を備え、
前記DC/DCコンバータ(10)は、
第1接続点(p1)を介して直列接続された第1及び第2スイッチング素子(SW1,SW2)を有し、前記第1入出力端子対(13p,13m)に接続された、第1スイッチングレグと、
第2接続点(p2)を介して直列接続された第3及び第4スイッチング素子(SW3,SW4)を有し、前記第1スイッチングレグに並列接続された、第2スイッチングレグと、
第3接続点(p3)を介して直列接続された第5及び第7スイッチング素子(SW5,SW7)を有し、前記第2入出力端子対(13p,13m)に接続された、第3スイッチングレグと、
第4接続点(p4)を介して直列接続された第6及び第8スイッチング素子(SW6,SW8)を有し、前記第3スイッチングレグに並列接続された、第4スイッチングレグと、
前記第1接続点(p1)と前記第2接続点(p2)とに接続された、トランス(TR)の一方の巻線を含む第1エネルギー蓄積変換部と、
前記第3接続点(p3)と前記第4接続点(p4)とに接続された、前記トランス(TR)の他方の巻線を含む第2エネルギー蓄積変換部と、
を備え、
前記第1エネルギー蓄積変換部及び前記第2エネルギー蓄積変換部の少なくともいずれか一方は、前記トランス(TR)の巻線に直列接続されたリアクトル(Lr1,Lr2)を有し、
前記制御部(20)は、
前記第7スイッチング素子(SW7)及び前記第8スイッチング素子(SW8)をOFFした状態で、
前記第1スイッチング素子(SW1)及び前記第4スイッチング素子(SW4)をONし、第2スイッチング素子(SW2)及び第3スイッチング素子(SW3)をOFFし、かつ、前記第5スイッチング素子(SW5)をONし、前記第6スイッチング素子(SW6)をOFFする第1状態と、
前記第1スイッチング素子(SW1)及び前記第4スイッチング素子(SW4)をONし、第2スイッチング素子(SW2)及び第3スイッチング素子(SW3)をOFFし、かつ、前記第5スイッチング素子(SW5)及び前記第6スイッチング素子(SW6)を
OFFする第2状態と、
前記第1スイッチング素子(SW1)をOFFし、前記第4スイッチング素子(SW4)をONし、第2スイッチング素子(SW2)及び第3スイッチング素子(SW3)をOFFし、かつ、前記第5スイッチング素子(SW5)及び第6スイッチング素子(SW6)をOFFする第3状態と、
前記第2スイッチング素子(SW2)及び前記第3スイッチング素子(SW3)をONし、第1スイッチング素子(SW1)及び第4スイッチング素子(SW4)をOFFし、かつ、前記第6スイッチング素子(SW6)をONし、前記第5スイッチング素子(SW5)をOFFする第4状態と、
前記第2スイッチング素子(SW2)及び前記第3スイッチング素子(SW3)をONし、前記第1スイッチング素子(SW1)及び第4スイッチング素子(SW4)をOFFし、かつ、前記第6スイッチング素子(SW6)及び第5スイッチング素子(SW5)をOFFする第5状態と、
前記第3スイッチング素子(SW2)をONし、前記第2スイッチング素子(SW3)をOFFし、前記第1スイッチング素子(SW1)及び第4スイッチング素子(SW4)をOFFし、かつ、前記第6スイッチング素子(SW6)及び第5スイッチング素子(SW5)をOFFする第6状態と、
を含み、前記第1状態、前記第2状態、前記第3状態、前記第4状態、前記第5状態、前記第6状態の順に繰り返し遷移させ、
前記第3状態及び前記第6状態の期間を制御することを特徴とする電力変換装置。
20 :制御ユニット
SW1 :第1スイッチング素子
SW2 :第2スイッチング素子
SW3 :第3スイッチング素子
SW4 :第4スイッチング素子
SW5 :第5スイッチング素子
SW6 :第6スイッチング素子
SW7 :第7スイッチング素子
SW8 :第8スイッチング素子
TR :トランス
Lr1:第1リアクトル
Lr2:第2リアクトル
Claims (2)
- 第1入出力端子対と、
第2入出力端子対と、
前記第1入出力端子対及び前記第2入出力端子対に接続されたDC/DCコンバータと、
前記DC/DCコンバータを制御する制御部と、
を備え、
前記DC/DCコンバータは、
第1接続点を介して直列接続された第1及び第2スイッチング素子を有し、前記第1入出力端子対に接続された、第1スイッチングレグと、
第2接続点を介して直列接続された第3及び第4スイッチング素子を有し、前記第1スイッチングレグに並列接続された、第2スイッチングレグと、
第3接続点を介して直列接続された第5及び第7スイッチング素子を有し、前記第2入出力端子対に接続された、第3スイッチングレグと、
第4接続点を介して直列接続された第6及び第8スイッチング素子を有し、前記第3スイッチングレグに並列接続された、第4スイッチングレグと、
前記第1接続点と前記第2接続点とに接続された、トランスの一方の巻線を含む第1エネルギー蓄積変換部と、
前記第3接続点と前記第4接続点とに接続された、前記トランスの他方の巻線を含む第2エネルギー蓄積変換部と、
を備え、
前記第1エネルギー蓄積変換部及び前記第2エネルギー蓄積変換部の少なくともいずれか一方は、前記トランスの巻線に直列接続されたリアクトルを有し、
前記制御部は、
前記第7スイッチング素子及び前記第8スイッチング素子をOFFした状態で、
前記第1スイッチング素子及び前記第4スイッチング素子をONし、第2スイッチング素子及び第3スイッチング素子をOFFし、かつ、前記第5スイッチング素子をONし、前記第6スイッチング素子をOFFする第1状態と、
前記第1スイッチング素子及び前記第4スイッチング素子をONし、第2スイッチング
素子及び第3スイッチング素子をOFFし、かつ、前記第5スイッチング素子及び前記第6スイッチング素子をOFFする第2状態と、
前記第1スイッチング素子をOFFし、前記第4スイッチング素子をONし、第2スイッチング素子及び第3スイッチング素子をOFFし、かつ、前記第5スイッチング素子及び第6スイッチング素子をOFFする第3状態と、
前記第2スイッチング素子及び前記第3スイッチング素子をONし、第1スイッチング素子及び第4スイッチング素子をOFFし、かつ、前記第6スイッチング素子をONし、前記第5スイッチング素子をOFFする第4状態と、
前記第2スイッチング素子及び前記第3スイッチング素子をONし、前記第1スイッチング素子及び第4スイッチング素子をOFFし、かつ、前記第6スイッチング素子及び第5スイッチング素子をOFFする第5状態と、
前記第3スイッチング素子をONし、前記第2スイッチング素子をOFFし、前記第1スイッチング素子及び第4スイッチング素子をOFFし、かつ、前記第6スイッチング素子及び第5スイッチング素子をOFFする第6状態と、
を含み、前記第1状態、前記第2状態、前記第3状態、前記第4状態、前記第5状態、前記第6状態の順に繰り返し遷移させ、
前記第3状態及び前記第6状態の期間に基づき昇降圧比を制御することを特徴とする電力変換装置。 - 前記第1状態及び前記第4状態の期間をTonとし、前記第2状態及び前記第5状態の期間をToff1としたとき、所定の係数kに対して、Toff1=Ton/(k-1)を満たすように、Ton及びToff1を制御することによって、前記第3状態及び前記第6状態の期間を制御することを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
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