JPWO2020225842A1 - Dc/dcコンバータ及び電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
(回路構成)
図1は、本実施の形態1に係るDC/DCコンバータ100の概略回路構成図である。DC/DCコンバータ100は、第1直流電源PS1と、第2直流電源PS2との間の双方向の電力伝送を行う。
制御回路30は、第1ブリッジ回路41において、正極側又は負極側のいずれか一方のスイッチング素子を第1基準素子QB1と定め、第2ブリッジ回路42における第1基準素子とは反対の極側のスイッチング素子を第1対角素子QO1と定めて、第1コンバータ10を制御する。本実施の形態では、第1ブリッジ回路41の正極側の第1スイッチング素子Q4Aが第1基準素子QB1に定められるとともに、第2ブリッジ回路42では、第1基準素子QB1(正極側)とは反対の極にあたる負極側の第2スイッチング素子Q3Bが第1対角素子QO1に定められる。
DC/DCコンバータ100では、直流電源PS1からバッテリPS2に電力を伝送、即ち、バッテリPS2を充電する第1電力伝送と、バッテリPS2から直流電源PS1に電力を伝送、即ち、バッテリPS2を放電する第2電力伝送とが選択的に実行される。まず、第1電力伝送の回路動作について説明する。
図5を参照して、図4の期間Bでは、第1コンバータ10において正極側の第1スイッチング素子Q4A(第1基準素子QB1)と、負極側の第2スイッチング素子Q3B(第1対角素子QO1)とが同時にオンになり、対角2素子が導通する。そのため、正極側の第1スイッチング素子Q4Aと、負極側の第2スイッチング素子Q3Bと介した電流により、直流電源PS1側から第1リアクトル14にエネルギが伝送されることによって第1リアクトル14が励磁される。
図6を参照して、図4の期間Cでは期間Bと同様に、第1コンバータ10において正極側の第1スイッチング素子Q4A(第1基準素子QB1)と、負極側の第2スイッチング素子Q3B(第1対角素子QO1)とが同時にオンされることにより、第1リアクトル14が励磁される。
図7には、図2の期間Cのゲートパターンに対応する電流経路が示される。
図8を参照して、スイッチング素子Q4Aのオフにより、第1コンバータ10における電流は、直流電源PS1を経由せずに、負極側の第1スイッチング素子Q4Bの逆並列ダイオード51と、負極側の第2スイッチング素子Q3Bとを介した電流経路を流れる。このとき、トランス3の第1巻線3aには、直流電源PS1の出力電圧が印加されない。一方で、2レグオフ動作が適用される第2コンバータ20では、オフ状態のスイッチング素子Q1A及びスイッチング素子Q2Bの逆並列ダイオードを経由する電流経路が形成される。この結果、励磁された第1リアクトル14のエネルギは、トランス3を経由してバッテリPS2側に伝送される。
図10を参照して、期間Hでは、正極側の第2スイッチング素子Q3Aがオンされるため、正極側の第2スイッチング素子Q3A及び負極側の第1スイッチング素子Q4Bを含む経路の電流により、再び第1リアクトル14が励磁される。期間H以降では、第1コンバータ10及び第2コンバータ20において、期間C〜Gとは電流方向が反転した動作が繰り返されるため、詳細な回路動作の説明は省略する。
次に、バッテリPS2から直流電源PS1に電力を伝送、即ち、バッテリPS2を放電する第2電力伝送の回路動作について説明する。第2電力伝送についても、第1リアクトル14の昇圧動作を伴わないバッテリPS2の放電(以下、降圧放電とも称する)と、第1リアクトル14の昇圧動作を伴うバッテリPS2の充電(昇圧放電とも称する)とが含まれる。
図14は、実施の形態1に係るDC/DCコンバータ100における電力伝送量に基づく位相シフト量の制御を説明するグラフである。図14の3段のグラフの横軸には、共通に、第1直流電源PS1から第2直流電源(バッテリ)PS2への電力伝送量P1[W]、及び、第2直流電源(バッテリ)PS2から第1直流電源PS1への電力伝送量P2[W]が示される。図14の横軸上では、右側へ行くほど電力伝送量P1が増加し、左側へいくほど電力伝送量P2が増加する。
まず、第1電力伝送(バッテリPS2の充電)の場合について詳細に説明する。図14の中段のグラフの右半分に示されるように、制御回路30は、電力伝送量P1が0〜第1基準値Pr1(Pr1>0)までの間にある場合、言い換えると、出力DUTY比が0〜第1基準値Dr1(Dr1>0)までの間にある場合には、降圧充電動作を実行する。
次に、第2電力伝送(バッテリPS2の放電)の場合について詳細に説明する。図1に示すように、DC/DCコンバータ100の回路構成は、トランス3を挟んで左右対称である。この回路対称性により、DC/DCコンバータ100の制御動作は、図14において、第1電力伝送と第2電力伝送とで左右対称になる。
次に、実施の形態2に係るDC/DCコンバータについて説明する。実施の形態2に係るDC/DCコンバータについて、回路構成及び基本的な制御は実施の形態1と同様であるが、電力伝送量に基づく位相シフト量の制御が実施の形態1と異なる。実施の形態2では、実施の形態1と同様の部分については、基本的には説明を繰り返さない。
実施の形態3では、実施の形態1又は実施の形態2のDC/DCコンバータを複数個用いて構成された電力変換装置の構成例を説明する。
最後に、本発明のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。
(2) 上記の各実施の形態においては、図1の第1コンバータ10において、左側のブリッジ回路が、第1基準素子QB1が設定される第1ブリッジ回路41とされ、右側のブリッジ回路が、第1対角素子QO1が設定される第2ブリッジ回路42とされ、図1の第2コンバータ20において、右側のブリッジ回路が、第2基準素子QB2が設定される第3ブリッジ回路43とされ、左側のブリッジ回路が、第2対角素子QO2が設定される第4ブリッジ回路44とされている例を代表的に説明した。
第1ブリッジ回路、42 第2ブリッジ回路、43 第3ブリッジ回路、44 第4ブリッジ回路、51 逆並列ダイオード、52 並列コンデンサ、100〜102 DC/DCコンバータ、110,120,130 電力変換装置、Dr1 第1基準値(出力DUTY比)、Dr2 第2基準値(出力DUTY比)、N11,N11a,N11b,N12,N12a,N12b,N21,N22 電源端子、P1 第1電力伝送量、P2 第2電力伝送量、PS1 第1直流電源、PS2 第2直流電源(バッテリ)、Pr1 第1基準値(電力伝送量)、Pr2 第2基準値(電力伝送量)、Pr3 第3基準値(電力伝送量)、Pr4 第4基準値(電力伝送量)、Pref 電力伝送指令値、Q1A〜Q4A,Q1B〜Q4A 半導体スイッチング素子、QB1 第1基準素子、QB2 第2基準素子、QO1 第1対角素子、QO2 第2対角素子、Tsw スイッチング周期、t1a,t1 第1対角オン時間、t2,t2a 第2仮想対角オン時間、t3a,t3 第3対角オン時間、t4,t4a 第4仮想対角オン時間、td 短絡防止時間。
Claims (10)
- 第1直流電源及び第2直流電源の間で双方向の電力伝送を行うDC/DCコンバータであって、
磁気的に結合した第1巻線及び第2巻線を有するトランスと、
前記第1直流電源及び前記第1巻線の間に接続された第1コンバータと、
前記第2直流電源及び前記第2巻線の間に接続された第2コンバータとを備え、
前記第1コンバータは、
前記第1直流電源に対して互いに並列に接続された第1ブリッジ回路及び第2ブリッジ回路を含み、
前記第1ブリッジ回路及び前記第2ブリッジ回路の各々は、
前記第1直流電源の正極及び負極の間に直列接続された正極側のスイッチング素子及び負極側のスイッチング素子を有し、
前記第1巻線は、前記第1ブリッジ回路の前記正極側のスイッチング素子及び前記負極側のスイッチング素子の接続点と、前記第2ブリッジ回路の前記正極側のスイッチング素子及び前記負極側のスイッチング素子の接続点との間に接続され、
前記第2コンバータは、
前記第2直流電源に対して互いに並列に接続された第3ブリッジ回路及び第4ブリッジ回路を含み、
前記第3ブリッジ回路及び前記第4ブリッジ回路の各々は、
前記第2直流電源の正極及び負極の間に直列接続された正極側のスイッチング素子及び負極側のスイッチング素子を有し、
前記第2巻線は、前記第3ブリッジ回路の前記正極側のスイッチング素子及び前記負極側のスイッチング素子の接続点と、前記第4ブリッジ回路の前記正極側のスイッチング素子及び前記負極側のスイッチング素子の接続点との間に接続され、
前記DC/DCコンバータは、
前記第1コンバータ及び前記第2コンバータの各前記正極側のスイッチング素子及び各前記負極側のスイッチング素子をオンオフ駆動制御する制御回路をさらに備え、
前記制御回路は、
前記第1直流電源から前記第2直流電源に電力を伝送する第1電力伝送の場合において、
前記第1コンバータでは、前記第1ブリッジ回路及び前記第2ブリッジ回路のそれぞれにおける前記正極側のスイッチング素子及び前記負極側のスイッチング素子をオンオフ駆動制御することで直流/交流電力変換を実行し、
前記第2コンバータでは、前記第1電力伝送による第1電力伝送量が予め定められた第1基準値より大きいときには、前記第3ブリッジ回路において前記正極側のスイッチング素子及び前記負極側のスイッチング素子のオンオフ駆動を停止するとともに、前記第4ブリッジ回路において前記正極側のスイッチング素子及び前記負極側のスイッチング素子をオンオフ駆動制御する一方で、前記第1電力伝送量が前記第1基準値より小さいときには、前記第3ブリッジ回路及び前記第4ブリッジ回路の両方で前記正極側のスイッチング素子及び前記負極側のスイッチング素子のオンオフ駆動を停止することで、交流/直流電力変換を実行する、DC/DCコンバータ。 - 前記制御回路は、
前記第2直流電源から前記第1直流電源に電力を伝送する第2電力伝送の場合において、
前記第2コンバータでは、前記第3ブリッジ回路及び前記第4ブリッジ回路のそれぞれにおける前記正極側のスイッチング素子及び前記負極側のスイッチング素子をオンオフ駆動制御することで直流/交流電力変換を実行し、
前記第1コンバータでは、前記第2電力伝送による第2電力伝送量が予め定められた第2基準値より大きいときには、前記第1ブリッジ回路において前記正極側のスイッチング素子及び前記負極側のスイッチング素子のオンオフ駆動を停止するとともに、前記第2ブリッジ回路において前記正極側のスイッチング素子及び前記負極側のスイッチング素子をオンオフ駆動制御する一方で、前記第2電力伝送量が前記第2基準値より小さいときには、前記第1ブリッジ回路及び前記第2ブリッジ回路の両方で前記正極側のスイッチング素子及び前記負極側のスイッチング素子のオンオフ駆動を停止することで、交流/直流電力変換を実行する、請求項1記載のDC/DCコンバータ。 - 前記制御回路は、
前記第1ブリッジ回路の前記正極側及び前記負極側の一方のスイッチング素子である第1基準素子のオンオフ駆動信号に対する、前記第2ブリッジ回路の前記正極側及び前記負極側の他方のスイッチング素子である第1対角素子のオンオフ駆動信号の位相シフト量を第1位相シフト量とし、
前記第1基準素子のオンオフ駆動信号に対する、前記第4ブリッジ回路の前記正極側及び前記負極側の前記一方のスイッチング素子である第2対角素子のオンオフ駆動信号の位相シフト量を第2位相シフト量とし、
前記第1位相シフト量及び前記第2位相シフト量の位相差が、前記第1から第4のブリッジ回路の各々において前記正極側のスイッチング素子及び前記負極側のスイッチング素子の両方がオフ状態とされる短絡防止期間より大きいときに、前記第1電力伝送量が前記第1基準値よりと大きいと判定して、前記第3ブリッジ回路において前記正極側のスイッチング素子及び前記負極側のスイッチング素子のオンオフ駆動を停止する一方で、前記位相差が前記短絡防止期間より小さいときに、前記第1電力伝送量が前記第1基準値より小さいと判定して、前記第3ブリッジ回路及び前記第4ブリッジ回路の両方で前記正極側のスイッチング素子及び前記負極側のスイッチング素子のオンオフ駆動を停止する、請求項1又は2に記載のDC/DCコンバータ。 - 前記制御回路は、前記第1電力伝送の場合には、
前記第1電力伝送量が前記第1基準値より小さい範囲では、前記第1電力伝送量が増加するに従って、前記第1位相シフト量を、前記第1電力伝送量が0であるときの最大値から減少させるとともに、仮想的に前記第2位相シフト量を前記第1位相シフト量と同量で変化させ、
前記第1電力伝送量が前記第1基準値より大きい範囲では、前記第1電力伝送量が増加するに従って、前記第1電力伝送量が前記第1基準値であるときの前記第1位相シフト量及び前記第2位相シフト量である基準位相シフト量から、前記第1位相シフト量を減少させるとともに前記第2位相シフト量を増加させる、請求項3記載のDC/DCコンバータ。 - 前記制御回路は、前記第1電力伝送の場合には、
前記第1電力伝送量が前記第1基準値より小さい範囲では、前記第1電力伝送量が増加するに従って、前記第1位相シフト量を、前記第1電力伝送量が0であるときの最大値から減少させるとともに、仮想的に前記第2位相シフト量を前記第1位相シフト量と同量で変化させ、
前記第1電力伝送量が前記第1基準値から、前記第1基準値よりも大きい値に予め設定された第3基準値までの範囲内であるときには、前記第1電力伝送量が増加するに従って、前記第1電力伝送量が前記第1基準値であるときの前記第1位相シフト量及び前記第2位相シフト量である基準位相シフト量から、前記第1位相シフト量を減少させるとともに前記第2位相シフト量を増加させ、
前記第1電力伝送量が前記第3基準値より大きい範囲では、前記第1電力伝送量が増加するのに従って、前記第2位相シフト量を前記第1電力伝送量が前記第3基準値であるときの値から増加させるとともに、前記第1位相シフト量を前記第1電力伝送量が前記第3基準値であるときの値に維持する、請求項3記載のDC/DCコンバータ。 - 前記制御回路は、前記第1電力伝送量が前記第1基準値であるときに、前記第1位相シフト量を基準シフト量に設定する一方で、前記第2位相シフト量を前記第1位相シフト量に対する位相差が前記短絡防止期間と同等となるように設定し、前記第1電力伝送量が前記第1基準値より大きい範囲では、前記第1電力伝送量が増加するに従って、前記第2位相シフト量を、前記第1電力伝送量が前記第1基準値であるときの前記第2位相シフト量から増加させる、請求項3〜5のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータ。
- 前記第1基準値は、前記第1位相シフト量及び前記第2位相シフト量が、各前記スイッチング素子を1回オンオフ駆動するスイッチング周期に対して予め定められた割合となるときの前記第1電力伝送量に対応させて予め設定される、請求項3〜6のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータ。
- 前記予め定められた割合は25%以下の値に予め設定される、請求項7記載のDC/DCコンバータ。
- 前記制御回路は、前記第1直流電源及び前記第2直流電源の間の電力伝送量に基いて、出力DUTY比を演算し、演算された前記出力DUTY比に基いて、前記第1位相シフト量及び前記第2位相シフト量を変化させる請求項3〜8のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータ。
- 請求項1〜9のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータを複数台備え、
前記複数台のDC/DCコンバータは、1個又は複数個の前記第1直流電源及び前記第2直流電源に対して、直列又は並列に接続される、電力変換装置。
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