JP7444113B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
これによれば、入力電圧と出力電圧とに対応した1次係数にすることができるため、反転期間を出力期間の1次関数とみなした構成において、反転期間を入力電圧と出力電圧との変化に追従させることができる。したがって、入力電圧と出力電圧とが変化する場合であっても、出力電流を目標電流に近づけることができる。
これによれば、入力電圧及び出力電圧に加え、さらに目標電流に基づいて1次係数が決定されるため、目標電流に応じて適切な1次係数を設定することができる。したがって、電力変換効率の向上を図ることができる。
これによれば、目標電流が大きくなるに従って、1次係数が大きくなる。これにより、反転期間が長くなり易い。したがって、大きな目標電流に対応できる。一方、目標電流が小さくなるに従って1次係数は小さくなる。これにより、反転期間が短くなりやすい。したがって、反転期間に起因する出力電流のリップル電流を低減できる。なお、この場合であっても、出力期間を制御することにより出力電流を目標電流に近づけることができる。したがって、目標電流が小さい状況において、目標電流の出力を実現しつつ、反転期間に起因する出力電流のリップル電流を低減できる。
以下、電力変換装置の第1実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図1に示すように、電源システム100は、直流電源110と、負荷120と、電力変換装置10と、を備える。直流電源110は、直流電圧を出力する電圧源である。負荷120は、例えば、直流電力を充放電可能な蓄電装置であり、一例としては二次電池である。二次電池とは、例えば、リチウムイオン蓄電池や鉛蓄電池である。
次に、1次側スイッチング素子Q1~Q4及び2次側スイッチング素子Q5~Q8を制御する制御モードについて説明する。以下の説明では、各ダイオードD1~D8をそれぞれ「第nダイオードDn」と、各コンデンサC1~C8をそれぞれ「第nコンデンサCn」と称することがある。なお、nは1~8の自然数である。
反転期間Φは、半周期における1次側電圧V1と2次側電圧V2との極性が反転している期間である。伝送期間Wは、半周期における反転期間Φ以外の期間である。本実施形態では、反転期間Φは、第1パターンP1が設定されている期間であり、伝送期間Wは、パターンP2~P4が設定されている期間である。
入力期間T1は、1次側電圧V1が正となっている期間である。本実施形態では、入力期間T1は、パターンP2,P3が設定されている期間である。
次に、図5を用いて両側PWM制御モード処理について説明する。
図5に示すように、制御回路50は、ステップS100にて、1次側電圧センサ37から入力電圧Vinを、2次側電圧センサ47から出力電圧Voutを、負荷制御装置121から要求電力Prをそれぞれ取得する。
その後、制御回路50は、ステップS102に進み、出力電流Ioutが目標電流Itとなる反転期間Φ、入力期間T1及び出力期間T2を導出する導出処理を実行する。つまり、制御回路50は、両側PWM制御モードである場合、目標電流Itに基づいて、反転期間Φ及び出力期間T2を導出する。本実施形態では、ステップS102の導出処理を実行する制御回路50が導出部に対応する。導出処理の詳細については後述する。
以下、図6を用いて、ステップS102における導出処理の詳細について説明する。
図6に示すように、制御回路50は、ステップS110において、入力電圧Vinと出力電圧Voutとに基づき、1次係数Kを決定する。したがって、本実施形態では、ステップS110の処理を実行する制御回路50が決定部に対応する。本実施形態の1次係数Kは、以下の式(4)である。
このようにして、制御回路50は、導出処理において、反転期間Φ、入力期間T1、及び出力期間T2を導出する。
次に、第1実施形態の作用及び効果について説明する。
(1-1)電力変換装置10は、1次側巻線22及び2次側巻線23を有するトランス20と、1次側フルブリッジ回路30と、2次側フルブリッジ回路40と、制御回路50と、を備えている。
2次側フルブリッジ回路40は、2次側巻線23に接続されている。2次側フルブリッジ回路40は、複数の2次側スイッチング素子Q5~Q8を備えている。
制御回路50は、両側PWM制御モードである場合、目標電流Itに基づいて反転期間Φ及び出力期間T2を導出する導出処理を行い、当該導出処理によって導出された反転期間Φ及び出力期間T2となるように各スイッチング素子Q1~Q8を制御するものである。
かかる構成によれば、入力電圧Vinと出力電圧Voutとに対応した1次係数Kを用いて、反転期間Φを出力期間T2の1次関数fとみなすことができる。そのため、当該1次係数Kを通じて、反転期間Φを入力電圧Vinと出力電圧Voutに追従させることができる。したがって、入力電圧Vinと出力電圧Voutとが変化する場合であっても、出力電流Ioutを目標電流Itに近づけることができる。
これによれば、入力電圧Vinと出力電圧Voutの大小関係が変化した場合でも、同じ式(3)に基づいて1次係数Kを決定することができる。したがって、入力電圧Vinと出力電圧Voutとの大小関係が変化する場合であっても、同一の関係式に基づく簡易な制御を行うことができる。
以下、電力変換装置の第2実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、上述した第1実施形態と同様の構成については、同一の部材番号を用い、説明を省略する。
図7に示すように、まず、制御回路50は、ステップS210において、入力電圧Vin及び出力電圧Voutに加え、さらに出力電流Ioutに基づき、1次係数Kを決定する。第2実施形態における1次係数Kは、例えば、修正項gを用いて、式(5)のように表される。
ステップS212の判定結果が否定の場合、すなわち、1次係数Kがゼロ以下の場合、制御回路50は、ステップS213に進み、1次係数Kをゼロに変更し、ステップS214に進む。一方、ステップS212の判定結果が肯定の場合、制御回路50はステップS214に進む。
このようにして、制御回路50は、導出処理において、反転期間Φ、入力期間T1、及び出力期間T2を導出する。
次に、第2実施形態の作用について説明する。
図8(a)は、比較例としての第1実施形態における1次側電流IL及び2次側電流ISの波形を示す。図8(b)は、比較例としての第1実施形態における出力電流Ioutの波形を示す。図8(c)は、第2実施形態における1次側電流IL及び2次側電流ISの波形を示す。図8(d)は、第2実施形態における出力電流Ioutの波形を示す。なお、以下の説明では、図8(b)に示す第1実施形態と図8(d)に示す第2実施形態の出力電流Ioutとは、同一の目標電流Itに対応するものとする。
次に、第2実施形態の効果について説明する。
(2-1)制御回路50は、導出処理において、目標電流Itに基づいて1次関数fの1次係数Kを決定するステップS210の処理を実行する。
かかる構成によれば、目標電流Itが大きくなるに従って、1次係数Kが大きくなる。これにより、反転期間Φが大きくなりやすい。したがって、大きな目標電流Itに対応できる。
第1実施形態及び第2実施形態は、以下のように変更して実施することができる。各実施形態及び以下の変形例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
これにより、ステップS103のような判定を行うことなく、線形な関係に基づいて反転期間Φを閾値Φ0以上に保つことができる。したがって、簡易な制御を実現することができる。
○第2実施形態において、修正項gは、目標電流Itの増加に伴い増加する関数でなくてもよい。例えば、修正項gは、目標電流Itの増加に対して減少する極小値を有する関数であってもよい。
上記各実施形態及び別例から把握できる技術的思想について説明する。
(付記1)複数の1次側スイッチング素子に対して並列接続されている複数の1次側コンデンサと、複数の2次側スイッチング素子に対して並列に接続されている複数の2次側コンデンサと、を備え、制御回路は、導出部によって導出された反転期間が所定の閾値未満の場合に、当該反転期間を閾値に変更する変更部を備えるとよい。
Claims (5)
- 1次側巻線及び2次側巻線を有するトランスと、
前記1次側巻線に接続された回路であって、複数の1次側スイッチング素子を有する1次側フルブリッジ回路と、
前記2次側巻線に接続された回路であって、複数の2次側スイッチング素子を有する2次側フルブリッジ回路と、
前記複数の1次側スイッチング素子及び前記複数の2次側スイッチング素子を制御することにより、前記1次側フルブリッジ回路に入力される入力電圧を前記2次側フルブリッジ回路から出力される出力電圧に変換する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、
前記複数の1次側スイッチング素子及び前記複数の2次側スイッチング素子を周期的に制御する制御モードとして、前記1次側巻線に入力される1次側電圧が正、負又はゼロに切り替わり、且つ、前記2次側巻線に入力される2次側電圧が正、負、又はゼロに切り替わる両側PWM制御モードを備え、
前記両側PWM制御モードは、前記1次側電圧と前記2次側電圧との極性が反転している反転期間と、伝送期間とにより構成され、
前記伝送期間は、前記2次側電圧が正又は負である出力期間を含み、
前記制御回路は、前記両側PWM制御モードである場合、
目標電流に基づいて前記反転期間及び前記出力期間を導出する導出部を備え、
当該導出部によって導出された前記反転期間及び前記出力期間となるように前記複数の1次側スイッチング素子及び前記複数の2次側スイッチング素子を制御するものであり、
前記導出部は、前記反転期間を前記出力期間の1次関数とみなして、前記反転期間及び前記伝送期間を導出する、電力変換装置。 - 前記導出部は、前記入力電圧と前記出力電圧とに基づいて前記1次関数の1次係数を決定する決定部を備える、請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記入力電圧をVinとし、前記出力電圧をVoutとし、前記入力電圧及び前記出力電圧に依存しない定数をaとした場合、前記1次係数は、a×Vin/(Vin+Vout)である、請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記決定部は、前記入力電圧と前記出力電圧とに加えて、前記目標電流に基づいて前記1次関数の1次係数を決定する、請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記決定部は、前記目標電流の増加に伴い前記1次係数を増加させる、請求項4に記載の電力変換装置。
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