JP7166293B2 - Dc/dcコンバータ及びその制御 - Google Patents
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Description
Ib_cmd=Im_cmd-Idelta;
Is_cmd=Im_cmd+Idelta;
Ideltaは、インターフェイス電流比較値と呼ばれる。インターフェイス電流比較値Ideltaは、正の定数として設定可能である。しかしながら、次の式のようにIm_cmdでその値が変化することが望ましい。
Idelta=Kdrp*abs(Im_cmd);
上記式では、インターフェイス電流比較値Ideltaは、正の値でなければならない。好ましくは、インターフェイス電流比較値Ideltaについて最小制限値Idelta_minが設定されており、それにより、Kdrp*abs(Im_cmd)<Idelta_minの場合Idelta=Idelta_minとなる。ドループ係数Kdrpは、小さい比(例えば、5-10%、Kdrp=0.05-0.1)であることが望ましい。Idelta_minは、チューニングの初期値として定格コンバータ電流の5%に設定されることが望ましい。デューティ比Db1及びDs1は、通常、最大値1に制限される。第1及び第2ポート130及び140の電圧が十分に離れている場合(即ち、第1及び第2ポート130、140の電圧の大きさが、実質的に等しくない)、デューティ比の一つ(より低い電圧側)が1に飽和すると、この側はスイッチングしない。他方の側は、1未満のデューティ比を有し、この側はスイッチングする。電圧が実質的に同じである場合(即ち、第1及び第2ポートの間の電圧レベルの差分が所定値未満である)、最大デューティ比は、所定値に制限される(例えば0.95に制限される)。この場合、両方の側がスイッチングする。実施形態では、一の場合から他に移行するためのヒステリシス帯(この例では25V)が存在する-これは、エッジでのモード間の急速な切替を防ぐ。制御システムは、第1及び第2ポート130及び140電圧V1及びV2が、実質的に同じであるとみなされる場合――両者は50V未満の差であり、25Vのヒステリシス帯が提供される場合――について、最大デューティ比が所定値0.95に制限される例について、下記の制御ロジックを含んでよい。即ち、
if abs(V1-V2) < 25V //電圧が十分に近い場合(25V以内)、最大デューティを0.95に制限
Db1_max=0.95 Ds1_max=0.95
else if abs(V1-V2) > 50V //電圧が十分に離れている場合(50Vより大きい)、最大デューティを1に解放
Db1_max=1 Ds1_max=1
上記式に従い、内部制御ループ520では、外部制御ループにより制御されるインターフェイス電流コマンドIm_cmdは、第1及び第2インテ―フェイス電流コマンドIb_cmd及びIs_cmdを出力するために、インターフェイス電流比較値Ideltaと比較される/により調整される。図5の実施形態では、インターフェイス電流比較値との比較は、第1インターフェイス電流コマンドIb_cmdを生成するために、インターフェイス電流コマンドIm_cmdからインテ―フェイス電流比較値Ideltaを引くことと、第2インターフェイス電流コマンドを生成するために、インターフェイス電流コマンドIm_cmdにインターフェイス電流比較値Ideltaを加えることとを含む。第1及び第2インターフェイス電流コマンドは、次に、例えば、これらの値からインターフェイス電流Im1の実際値を引くことによって、インターフェイス電流Im1の実際値(例えば、インダクタL1(図1)のインターフェイス電流又はトランス電流(図2))と比較され、比較の結果は、第1及び第2変換ステージコントローラ522及び524に出力される。第1及び第2変換ステージコントローラ522は、次に、第1及び第2変換ステージ110及び120夫々のスイッチング信号を生成するためのゲートデューティ値Db1及びDs1を生成する。
Claims (23)
- DC/DCコンバータシステムであって、
第1及び第2ポート間で電圧レベルを変換する双方向DC/DCコンバータを備え、
前記双方向DC/DCコンバータは、
前記第1ポートに接続され、複数のスイッチを有する第1変換ステージと、
前記第2ポートに接続され、複数のスイッチを有し、前記第1変換ステージにインターフェイスで接続された第2変換ステージと、
を有し、
前記双方向DC/DCコンバータを制御する制御システムを更に備え、
前記制御システムは、
前記第1ポート及び前記第2ポートの一方での電圧レベル、電流レベル又は電力レベルのいずれか一つのコマンドと、前記第1ポート及び前記第2ポートの前記一方での電圧レベル、電流レベル又は電力レベルの実際値とを比較するように構成され、比較に基づくインターフェイス電流コマンドを出力する外部制御ループユニットと、
前記インターフェイス電流コマンドと、前記第1及び前記第2変換ステージのインターフェイスでのインターフェイス電流の実際値とを比較するように構成され、比較に基づくスイッチング信号デューティ値を制御する内部制御ループユニットと、
を有し、
前記第1変換ステージは、第1ポートの第1端子及び第2端子間に直列接続された第1ハーフブリッジ及び第2ハーフブリッジを有し、
前記第2変換ステージは、第2ポートの第3端子及び第4端子間に直列接続された第3ハーフブリッジ及び第4ハーフブリッジを有し、
前記第1ハーフブリッジは、前記第1ポートの前記第1端子と前記第1ハーフブリッジ及び前記第2ハーフブリッジの接合部との間に直列接続された一対の第1スイッチを有し、
前記第2ハーフブリッジは、前記第1ポートの前記第2端子と前記第1ハーフブリッジ及び前記第2ハーフブリッジの接合部との間に直列接続された一対の第2スイッチを有し、
前記第3ハーフブリッジは、前記第2ポートの前記第3端子と前記第3ハーフブリッジ及び前記第4ハーフブリッジの接合部との間に直列接続された一対の第3スイッチを有し、
前記第4ハーフブリッジは、前記第2ポートの前記第4端子と前記第3ハーフブリッジ及び前記第4ハーフブリッジの接合部との間に直列接続された一対の第4スイッチを有する
ことを特徴とするDC/DCコンバータシステム。 - 前記第2変換ステージを前記第1変換ステージに接続する前記インターフェイスは、
前記一対の第1スイッチの接合部に接続された第1端子と、前記一対の第3スイッチの接合部に接続された第2端子とを有する第1インダクタと、
前記一対の第2スイッチの接合部に接続された第1端子と、前記一対の第4スイッチの接合部に接続された第2端子とを有する第2インダクタと、
を備えることを特徴とする請求項1に記載のDC/DCコンバータシステム。 - 前記第2変換ステージを前記第1変換ステージに接続する前記インターフェイスは、絶縁トランスを備え、
前記絶縁トランスの第1巻線の一方の側は、前記第1ハーフブリッジの前記一対の第1スイッチの接合部に接続されており、前記第1巻線の他方の側は、前記第2ハーフブリッジの前記一対の第2スイッチの接合部に接続されており、前記絶縁トランスの第2巻線の一方の側は、前記第3ハーフブリッジの前記一対の第3スイッチの接合部に接続されており、前記第2巻線の他方の側は、前記第4ハーフブリッジの前記一対の第4スイッチの接合部に接続されている
ことを特徴とする請求項1に記載のDC/DCコンバータシステム。 - 前記内部制御ループユニットは、第1変換ステージコントローラ及び第2変換ステージコントローラを有し、
前記内部制御ループユニットは更に、第1及び第2インターフェイス電流コマンドを生成するために、前記インターフェイス電流コマンドとインターフェイス電流比較値とを比較し、前記第1及び前記第2インターフェイス電流コマンドとインターフェイス電流の前記実際値とを比較するように構成されており、
前記第1変換ステージコントローラは、前記第1インターフェイス電流コマンドとインターフェイス電流の前記実際値との比較に応じて、前記第1変換ステージに対するスイッチング信号のデューティ値を制御し、
前記第2変換ステージコントローラは、前記第2インターフェイス電流コマンドとインターフェイス電流の前記実際値との比較に応じて、前記第2変換ステージに対するスイッチング信号のデューティ値を制御し、
前記インターフェイス電流比較値は、ドループ係数と前記インターフェイス電流コマンドの絶対値との積と等しく、
前記ドループ係数は、0.05から0.1の範囲から選択される
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のDC/DCコンバータシステム。 - 前記インターフェイス電流コマンドと前記インターフェイス電流比較値とを比較するときに、前記内部制御ループユニットは、前記第1インターフェイス電流コマンドを生成するために、前記インターフェイス電流比較値を前記インターフェイス電流コマンドから引き、前記第2インターフェイス電流コマンドを生成するために、前記インターフェイス電流比較値を前記インターフェイス電流コマンドに加え、前記第1インターフェイス電流コマンドとインターフェイス電流の前記実際値とを比較し、前記第1変換ステージコントローラによって、比較に基づいて、前記第1変換ステージに対する前記スイッチング信号の前記デューティ値を制御し、前記第2インターフェイス電流コマンドと前記インターフェイス電流の前記実際値とを比較し、前記第2変換ステージコントローラによって、比較に基づいて、前記第2変換ステージに対する前記スイッチング信号の前記デューティ値を制御するように構成されていることを特徴とする請求項4に記載のDC/DCコンバータシステム。
- 前記第1変換ステージコントローラ及び前記第2変換ステージコントローラは、比例-積分-微分(PID)コントローラ、比例-積分(PI)コントローラ、比例(P)コントローラ及びヒステリシスコントローラの一つを有することを特徴とする請求項4又は5に記載のDC/DCコンバータシステム。
- 前記外部制御ループユニットは、前記インターフェイス電流を制御するための、電圧又は電流についてのコマンドと、実際の電圧又は電流との比較を受信するために、比例-積分-微分(PID)コントローラ、比例-積分(PI)コントローラ、比例(P)コントローラ及びヒステリシスコントローラの一つを有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載のDC/DCコンバータシステム。
- 前記第1変換ステージは、前記第1ポートの電圧が前記第2ポートの電圧より高いときに、前記第1ポートの電圧を、前記第2ポートの出力である出力電圧に変換し、
前記第2変換ステージは、前記第2ポートの電圧が前記第1ポートの電圧より高いときに、前記第1ポートの電圧を、前記第2ポートの出力である出力電圧に変換し、
前記第1変換ステージ及び前記第2変換ステージ各々は、前記第1及び前記第2ポートの電圧が実質的に同じであるときに、前記第1及び前記第2ポートの電圧を制御するために動作する
ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載のDC/DCコンバータシステム。 - 前記第1変換ステージは、前記第1ポートでエネルギストレージユニットに接続されており、
前記第2変換ステージは、前記第2ポートでPVアレイに接続されている
ことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載のDC/DCコンバータシステム。 - 前記第1ハーフブリッジに結合された第1キャパシタと、
前記第2ハーフブリッジに結合された第2キャパシタと、
を更に備え、
前記制御システムは、前記第1キャパシタに係る電圧と前記第2キャパシタに係る電圧との間の電圧差を制御するためのキャパシタンス制御システムを更に有し、
前記キャパシタンス制御システムは、前記第1キャパシタに係る電圧と前記第2キャパシタに係る電圧との間の差分を計算し、前記第1キャパシタに係る電圧と前記第2キャパシタに係る電圧との間の差分に応じて、デューティ比オフセットを計算し、前記デューティ比オフセットを、前記第1変換ステージコントローラにより出力された前記デューティ値に適用するように構成されている
ことを特徴とする請求項4乃至9のいずれか一項に記載のDC/DCコンバータシステム。 - 前記第3ハーフブリッジに結合された第3キャパシタと、
前記第4ハーフブリッジに結合された第4キャパシタと、
を更に備え、
前記制御システムは、前記第3キャパシタに係る電圧と前記第4キャパシタに係る電圧との間の電圧差を制御するためのキャパシタンス制御システムを更に有し、
前記キャパシタンス制御システムは、前記第3キャパシタに係る電圧と前記第4キャパシタに係る電圧との間の差分を計算し、前記第3キャパシタに係る電圧と前記第4キャパシタに係る電圧との間の差分に応じて、デューティ比オフセットを計算し、前記デューティ比オフセットを、前記第2変換ステージコントローラにより出力された前記デューティ値に適用するように構成されている
ことを特徴とする請求項4乃至10のいずれか一項に記載のDC/DCコンバータシステム。 - インターフェイスで接続され、夫々複数のスイッチを有する、第1ポートに接続された第1変換ステージと第2ポートに接続された第2変換ステージとを有する双方向DC/DCコンバータを制御する方法であって、
前記第1及び前記第2ポートの一方の電流レベル、電圧レベル又は電力の一つのコマンドと、前記第1及び前記第2ポートの前記一方の電流レベル、電圧レベル又は電力の実際値とを比較し、
インターフェイス電流コマンドと、前記第1及び前記第2変換ステージの前記インターフェイスのインターフェイス電流の実際のレベルとを比較し、
比較に基づいてスイッチング信号を制御し、
前記第1変換ステージは、第1ポートの第1端子及び第2端子間に直列接続された第1ハーフブリッジ及び第2ハーフブリッジを有し、
前記第2変換ステージは、第2ポートの第3端子及び第4端子間に直列接続された第3ハーフブリッジ及び第4ハーフブリッジを有し、
前記第1ハーフブリッジは、前記第1ポートの前記第1端子と前記第1ハーフブリッジ及び前記第2ハーフブリッジの接合部との間に直列接続された一対の第1スイッチを有し、
前記第2ハーフブリッジは、前記第1ポートの前記第2端子と前記第1ハーフブリッジ及び前記第2ハーフブリッジの接合部との間に直列接続された一対の第2スイッチを有し、
前記第3ハーフブリッジは、前記第2ポートの前記第3端子と前記第3ハーフブリッジ及び前記第4ハーフブリッジの接合部との間に直列接続された一対の第3スイッチを有し、
前記第4ハーフブリッジは、前記第2ポートの前記第4端子と前記第3ハーフブリッジ及び前記第4ハーフブリッジの接合部との間に直列接続された一対の第4スイッチを有する
ことを特徴とする双方向DC/DCコンバータを制御する方法。 - 前記インターフェイス電流コマンドと、前記第1及び前記第2変換ステージの前記インターフェイスの前記インターフェイス電流の実際値とを比較すること、及び、比較に基づいてスイッチング信号を制御することは、
第1及び第2インターフェイス電流コマンドを生成するために、前記インターフェイス電流コマンドと、インターフェイス電流比較値とを比較することと、
前記第1及び前記第2インターフェイス電流コマンドと、インターフェイス電流の前記実際値とを比較することと、
前記第1インターフェイス電流コマンドとインターフェイス電流の前記実際値との比較に応じて、前記第1変換ステージに対するスイッチング信号のデューティ値を制御することと、
前記第2インターフェイス電流コマンドとインターフェイス電流の前記実際値との比較に応じて、前記第2変換ステージに対するスイッチング信号のデューティ値を制御することと、
を含み、
前記インターフェイス電流比較値は、ドループ係数と前記インターフェイス電流コマンドの絶対値との積と等しく、
前記ドループ係数は、0.05から0.1の範囲から選択される
ことを特徴とする請求項12に記載の双方向DC/DCコンバータを制御する方法。 - 前記第1及び前記第2インターフェイス電流コマンドを生成するために、前記インターフェイス電流コマンドと、前記インターフェイス電流比較値とを比較すること、及び、前記第1及び前記第2変換ステージに対するスイッチング信号の前記デューティ値を制御することは、
前記第1インターフェイス電流コマンドを生成するために、前記インターフェイス電流比較値を、前記インターフェイス電流コマンドから引くことと、
前記第2インターフェイス電流コマンドを生成するために、前記インターフェイス電流比較値を、前記インターフェイス電流コマンドに加えることと、
前記第1インターフェイス電流コマンドと前記インターフェイス電流の実際値とを比較して、比較に基づいて、前記第1変換ステージに対する前記スイッチング信号の前記デューティ値を制御することと、
前記第2インターフェイス電流コマンドと前記インターフェイス電流の前記実際値とを比較して、比較に基づいて、前記第2変換ステージに対する前記スイッチング信号の前記デューティ値を制御することと、
を含むことを特徴とする請求項13に記載の双方向DC/DCコンバータを制御する方法。 - 前記第1変換ステージは、前記第1ポートでエネルギストレージユニットに接続されており、
前記第2変換ステージは、前記第2ポートでPVアレイに接続されている
ことを特徴とする請求項12乃至14のいずれか一項に記載のDC/DCコンバータを制御する方法。 - 第1ポートの第1端子及び第2端子間に直列接続された第1ハーフブリッジ及び第2ハーフブリッジを有する第1変換ステージと、
前記第1変換ステージに接続され、第2ポートの第3端子及び第4端子間に直列接続された第3ハーフブリッジ及び第4ハーフブリッジを有する第2変換ステージと、
を備え、
前記第1変換ステージは、前記第1ポートの第1電圧の程度が前記第2ポートの第2電圧の程度より高いときに、前記第1ポートの第1電圧を、前記第2ポートの出力である所望の出力電圧に変換するように動作可能であり、
前記第2変換ステージは、前記第2ポートの第2電圧の程度が前記第1ポートの第1電圧の程度より大きいときに、前記第2ポートの第2電圧を、前記第1ポートの出力である所望の電圧出力電圧に変換するように動作可能である
ことを特徴とするDC/DCコンバータ。 - 直列接続された前記第1ハーフブリッジ及び前記第2ハーフブリッジと、直列接続された前記第3ハーフブリッジ及び前記第4ハーフブリッジとがカスケード接続を形成するように、前記第1変換ステージが前記第2変換ステージに接続されていることを特徴とする請求項16に記載のDC/DCコンバータ。
- 前記第1ハーフブリッジは、前記第1ポートの前記第1端子と、前記第1ハーフブリッジ及び前記第2ハーフブリッジの接合部との間に直列接続された一対の第1スイッチを有し、
前記第2ハーフブリッジは、前記第1ポートの前記第2端子と、前記第1ハーフブリッジ及び前記第2ハーフブリッジの接合部との間に直列接続された一対の第2スイッチを有し、
前記第3ハーフブリッジは、前記第2ポートの前記第1端子と、前記第3ハーフブリッジ及び前記第4ハーフブリッジの接合部との間に直列接続された一対の第3スイッチを有し、
前記第4ハーフブリッジは、前記第2ポートの前記第2端子と、前記第3ハーフブリッジ及び前記第4ハーフブリッジの接合部との間に直列接続された一対の第4スイッチを有する
ことを特徴とする請求項16又は17に記載のDC/DCコンバータ。 - 前記一対の第1スイッチの接合部に接続された第1端子と、前記一対の第3スイッチの接合部に接続された第2端子とを有する第1インダクタと、
前記一対の第2スイッチの接合部に接続された第1端子と、前記一対の第4スイッチに接続された第2端子とを有する第2インダクタと、
を更に備えることを特徴とする請求項18に記載のDC/DCコンバータ。 - 前記第1ハーフブリッジと前記第2ハーフブリッジとの接合部を、前記第3ハーフブリッジと前記第4ハーフブリッジとの接合部に接続する中央部接続を更に備えることを特徴とする請求項18又は19に記載のDC/DCコンバータ。
- 前記第1及び前記第2ハーフブリッジに近接して結合された第1及び第2キャパシタと、
前記第3及び前記第4ハーフブリッジに近接して結合された第3及び第4キャパシタと、
を更に備えることを特徴とする請求項18乃至20のいずれか一項に記載のDC/DCコンバータ。 - 前記第1変換ステージ及び前記第2変換ステージは、絶縁トランスを介して接続されており、
前記絶縁トランスの第1巻線の一方の側は、前記第1ハーフブリッジの前記一対の第1スイッチの接合部に接続されており、
前記第1巻線の他方の側は、前記第2ハーフブリッジの前記一対の第2スイッチの接合部に接続されており、
前記絶縁トランスの第2巻線の一方の側は、前記第3ハーフブリッジの前記一対の第3スイッチの接合部に接続されており、
前記第2巻線の他方の側は、前記第4ハーフブリッジの前記一対の第4スイッチの接合部に接続されている
ことを特徴とする請求項18に記載のDC/DCコンバータ。 - 前記第1ポートは、エネルギストレージユニットに結合するように構成されており、
前記第2ポートは、フォトボルタイクアレイに結合するように構成されている
ことを特徴とする請求項16乃至22のいずれか一項に記載のDC/DCコンバータ。
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