WO2025192519A1 - コンバータ、パワーコンディショナ及び蓄電システム - Google Patents
コンバータ、パワーコンディショナ及び蓄電システムInfo
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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- H02M3/22—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC
- H02M3/24—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters
- H02M3/28—Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC
Definitions
- One aspect of the present invention relates to a converter, a power conditioner, and a power storage system.
- Energy storage systems include a storage battery that stores power and a power conditioner (see, for example, Patent Document 1).
- the storage battery is a rechargeable secondary battery.
- the power conditioner is a power conversion device that includes a transformer that converts DC power and a converter that converts DC power to AC power.
- a flyback converter 20 as shown in Figure 7 is used.
- the primary winding Lp of the transformer T and the switching element Q are connected in series with the input voltage Vi.
- the switching element Q is turned on and off by a control signal Vg generated by a control circuit 21.
- Vg generated by a control circuit 21.
- the input voltage Vi is intermittently applied to the primary winding Lp of the transformer T.
- the flyback voltage Vr generated in the secondary winding Ls of the transformer T is rectified and smoothed by a diode D and a capacitor Co to generate an output voltage Vo.
- the control circuit 21 adjusts the on time of the switching element Q using the control signal Vg generated based on the detected value of the output voltage Vo, controlling the amount of output energy and regulating the output voltage Vo.
- the control circuit 21 adjusts the on time of the switching element Q, for example, while keeping the frequency f constant, performing so-called PWM control.
- a flyback voltage Vr is applied to the switching element Q.
- the flyback voltage Vr varies slightly depending on the turns ratio of the transformer T and the on-duty setting of the switching element Q, but at most it is approximately the input voltage Vi. In other words, the switching element Q must be able to withstand a voltage at least twice the input voltage Vi.
- each switching element Q can be reduced.
- the input voltage Vi is divided in half by the series circuit of capacitors Ci1 and Ci2, and converters 20 are connected in parallel to each other.
- Each switching element Q of the parallel-connected converters 20 can be a product with a voltage resistance similar to that of the input voltage Vi.
- the control circuits 21 of each of the converters 20 connected in parallel perform PWM control based on the detected value of the output voltage Vo, but there is variation in the reference voltage used to compare the detected value of the output voltage Vo. Due to variations in the reference voltage, the output voltages Vo of the converters 20 connected in parallel differ slightly, resulting in unbalanced output currents. Therefore, a configuration in which converters 20 are connected in parallel necessitates the addition of a balancing circuit (not shown) to balance the currents.
- the balancing circuit has a complex circuit configuration due to the large potential difference between the converters 20 whose secondary sides are connected in parallel. Therefore, a configuration in which converters 20 are connected in parallel requires a complex balancing circuit in addition to multiple converters 20, resulting in a large and expensive circuit.
- One aspect of the present invention provides a converter that can handle high input voltages without increasing the circuit size by using low-voltage switching elements.
- One aspect of the present invention is a converter that applies an input voltage intermittently to a primary winding of a transformer by controlling the on/off of a switching element, and rectifies and smooths the induced voltage generated in the secondary winding of the transformer before outputting it.
- One aspect of the present invention includes a primary winding that is divided into multiple sections, and the same number of switching elements as the number of divisions of the primary winding.
- a switching element is connected in series to each of the divided primary windings.
- the voltage applied to each switching element is divided by the divided primary winding. Therefore, switching elements with a withstand voltage of approximately the input voltage Vi can be used, providing a converter that can handle high input voltages using low-voltage switching elements without increasing the circuit size.
- FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a power storage system.
- 1 is a diagram illustrating a configuration of a first embodiment of a power storage system.
- FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of a power storage system according to a second embodiment.
- 4A to 4C are waveform diagrams of the various parts of the drive circuit shown in FIG. 3.
- FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of a power storage system according to a third embodiment.
- FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of a fourth embodiment of a power storage system.
- FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the configuration of a conventional converter.
- FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a configuration in which the converters illustrated in FIG. 7 are connected in parallel.
- a converter 10 according to the first embodiment is provided in a power conditioner 2 or the like of a power storage system 1 shown in FIG. 1 as a transformer 4 that transforms DC power.
- the power storage system 1 includes a power storage element 3.
- the power storage element 3 is a power storage device that can charge and discharge power.
- the power storage element 3 may be a secondary battery such as a lithium ion battery or a lead storage battery, or a capacitor such as an electric double layer capacitor (EDLC) or a lithium ion capacitor (LIC).
- EDLC electric double layer capacitor
- LIC lithium ion capacitor
- Various other secondary batteries may also be used.
- the power conditioner 2 has an input unit 5, to which DC power generated by a power generation device 7 such as a solar cell (PV) or fuel cell (FC) is input.
- the power conditioner 2 also has a transformer 4 and a converter 6.
- Transformer 4 includes a converter that boosts the DC power converted by converter 6 and the DC power input from input unit 5 to a high voltage suitable for charging storage element 3 and controls charging.
- Transformer 4 includes a converter (hereinafter referred to as converter 10) that reduces the high-voltage DC power discharged from storage element 3 to a voltage suitable for conversion by converter 6.
- Converter 6 is an inverter that converts DC power to AC power and AC power to DC power. Converter 6 converts DC power transformed by transformer 4 and DC power input from input unit 5 into AC power and outputs it to power grid 8 and load 9. Converter 6 converts AC power input from power grid 8 into DC power.
- converter 10 is a flyback-type transformer equipped with transformer T1.
- Transformer T1 has split primary windings Lp1 and Lp2 and a secondary winding Ls magnetically coupled to the primary windings Lp1 and Lp2.
- transformer T1 has multiple primary windings Lp1 and Lp2 connected in series with the input voltage Vi, and each primary winding Lp1 and Lp2 is magnetically coupled to the secondary winding Ls.
- Converter 10 includes a switching element Q1 connected in series to primary winding Lp1 and a switching element Q2 connected in series to primary winding Lp2.
- Converter 10 has a primary side circuit, in which a series circuit consisting of primary winding Lp1 and switching element Q1 and a series circuit consisting of primary winding Lp2 and switching element Q2 are connected in series with respect to input voltage Vi.
- Switching elements Q1 and Q2 are configured, for example, as metal-oxide semiconductor field-effect transistors (MOSFETs). Switching elements Q1 and Q2 may also be configured as other power elements, such as insulated gate bipolar transistors (IGBTs).
- MOSFETs metal-oxide semiconductor field-effect transistors
- IGBTs insulated gate bipolar transistors
- Converter 10 includes a diode D and capacitor Co as a secondary-side rectifying and smoothing circuit.
- the flyback voltage Vr which is the induced voltage generated in the secondary winding Ls of the transformer T, is rectified and smoothed by diode D and capacitor Co to generate the output voltage Vo.
- the flyback voltage Vr may be rectified using synchronous rectification.
- Converter 10 is equipped with a control circuit 11 that controls the on/off of switching elements Q1 and Q2 at the same time.
- Control circuit 11 adjusts the on-time of switching elements Q1 and Q2 using control signals Vg1 and Vg2 generated based on the detected value of output voltage Vo, controlling the amount of energy output and regulating output voltage Vo.
- control circuit 11 performs so-called PWM control, which adjusts the on-time of switching element Q while keeping frequency f constant.
- converter 10 the input voltage Vi is divided in half by primary windings Lp1 and Lp2, and the voltages applied to switching elements Q1 and Q2 (input voltage Vi + flyback voltage Vr) are also divided in half. Therefore, switching elements Q1 and Q2 can be made with products that have a withstand voltage similar to the input voltage Vi.
- Converter 10 can handle input voltages of approximately 900V by using relatively inexpensive 900V MOS-FETs for switching elements Q1 and Q2.
- control signals Vg1 and Vg2 generated by control circuit 11 are signals with identical rise and fall times. Because switching elements Q1 and Q2 are controlled to turn on and off at the same timing by control signals Vg1 and Vg2, there is no significant variation in the power handled by the two switching elements Q1 and Q2. Converter 10 does not require the addition of special balancing circuits, etc., allowing for an inexpensive, simple circuit configuration.
- a converter 10a according to the second embodiment includes a control circuit 21 that generates a reference control signal Vg (hereinafter referred to as a reference signal Vg) instead of the control circuit 11 according to the first embodiment.
- the converter 10a also includes a drive circuit 12 that generates control signals Vg1 and Vg2 based on the reference signal Vg.
- the drive circuit 12 comprises a capacitor Cc, a drive transformer DT, and resistors R1 to R4.
- Capacitor Cc is a coupling capacitor that removes the DC component of the reference signal Vg generated by the control circuit 21.
- the drive transformer DT also comprises a primary winding Lpa and divided secondary windings Ld1 and Ld2.
- the primary winding Lpa and the secondary windings Ld1 and Ld2 are set to the same number of turns.
- One end of the secondary winding Ld1 is connected to the control terminal of the switching element Q1 via resistor R1 (approximately 10 ⁇ ) for reducing surge current, and the other end is connected to the low-potential side terminal of the switching element Q1.
- Resistor R2 (approximately 10 k ⁇ ) is connected between the control terminal and low-potential side terminal of the switching element Q1 for reducing surge voltage.
- One end of the secondary winding Ld2 is connected to the control terminal of switching element Q2 via resistor R3 (approximately 10 ⁇ ) for reducing surge current, and the other end is connected to the low-potential terminal of switching element Q2.
- Resistor R4 (approximately 10 k ⁇ ) is connected between the control terminal and low-potential terminal of switching element Q2 to reduce surge voltage.
- FIG. 4 is a waveform diagram of each part of the drive circuit 12. Because the primary winding Lpa and the secondary windings Ld1 and Ld2 have the same turn ratio, the voltage signals VLd1 and VLd2 generated in the secondary windings Ld1 and Ld2, respectively, have the same waveform as the voltage signal VLpa.
- the voltage signal VLd1 is output as control signal Vg1 via resistors R1 and R2, and the voltage signal VLd2 is output as control signal Vg2 via resistors R3 and R4.
- the control signals Vg1 and Vg2 have the same rising and falling timings and are suitable for driving the switching elements Q1 and Q2, respectively.
- a converter 10b according to the third embodiment includes capacitors C1 and C2 and resistors R5 and R6 in addition to the components of the converter 10 according to the first embodiment.
- Capacitors C1 and C2 are connected in parallel to the input voltage Vi as a series circuit that divides the input voltage Vi.
- the connection point between capacitors C1 and C2 is connected to the connection point between switching element Q1 and primary winding Lp2.
- Capacitors C1 and C2 correct variations in the switching current of switching elements Q1 and Q2. If the switching current of switching elements Q1 and Q2 varies for some reason, the capacitor voltage of capacitors C1 and C2 will drop where more switching current flows, naturally correcting the variations in switching current. Because capacitors C1 and C2 are connected in close proximity to their respective switching elements Q1 and Q2, surge absorption by leakage inductance, etc. can also be expected.
- Resistor R5 is connected in parallel with capacitor C1, and resistor R6 is connected in parallel with capacitor C2.
- Resistors R5 and R6 are high-resistance voltage balancers that correct voltage value differences caused by variations in the capacitance of capacitors C1 and C2.
- a converter 10c according to the fourth embodiment includes a primary winding Lp3, a switching element Q3, a capacitor C3, and a resistor R7 in addition to the components of the converter 10b according to the third embodiment.
- a transformer T1c of the converter 10c includes divided primary windings Lp1, Lp2, and Lp3.
- the converter 10c has a primary side circuit including a series circuit including the primary winding Lp1 and the switching element Q1, a series circuit including the primary winding Lp2 and the switching element Q2, and a series circuit including the primary winding Lp3 and the switching element Q3, all connected in series with respect to the input voltage Vi.
- Converter 10c is equipped with a control circuit 11c that controls the on/off of switching elements Q1, Q2, and Q3 at the same time.
- Control circuit 11c adjusts the on-time of switching elements Q1, Q2, and Q3 using control signals Vg1, Vg2, and Vg3 generated based on the detected value of output voltage Vo, controlling the amount of energy output and regulating output voltage Vo.
- control circuit 11c performs so-called PWM control, which adjusts the on-time of switching element Q while keeping frequency f constant.
- converter 10c the input voltage Vi is divided by one-third by the primary windings Lp1, Lp2, and Lp3, and the voltage (input voltage Vi + flyback voltage Vr) applied to each of the switching elements Q1, Q2, and Q3 is also divided by one-third. Therefore, switching elements Q1, Q2, and Q3 can be made with a withstand voltage approximately two-thirds of the input voltage Vi.
- Converter 10c can handle an input voltage of approximately 1,350 V by using relatively inexpensive 900 V MOS-FETs for switching elements Q1, Q2, and Q3.
- Capacitors C1, C2, and C3 are connected in parallel to the input voltage Vi as a series circuit that divides the input voltage Vi.
- the connection point between capacitors C1 and C2 is connected to the connection point between switching element Q1 and primary winding Lp2, and the connection point between capacitors C2 and C3 is connected to the connection point between switching element Q2 and primary winding Lp3.
- Capacitors C1, C2, and C3 correct variations in the switching currents in switching elements Q1, Q2, and Q3.
- Resistor R5 is connected in parallel with capacitor C1
- resistor R6 is connected in parallel with capacitor C2
- resistor R7 is connected in parallel with capacitor C3.
- Resistors R5, R6, and R7 act as high-resistance voltage balancers, correcting voltage value discrepancies caused by variations in the capacitance of capacitors C1, C2, and C3.
- the number of divisions of the primary winding Lp and the number of switching elements Q may be four or more.
- the supportable input voltage Vi increases as the number of divisions of the primary winding Lp increases. If the number of divisions of the primary winding Lp and the number of switching elements Q are set to five, the supportable input voltage Vi will be approximately 2250V when using relatively inexpensive 900V MOS-FETs for the switching elements Q.
- a converter 10 according to one embodiment of the present invention includes a primary winding Lp1, Lp2 divided into a plurality of sections (two sections), and a number of switching elements Q1, Q2 corresponding to the number (two sections) of the divided primary windings Lp1, Lp2.
- the switching elements Q1, Q2 are connected in series to the divided primary windings Lp1, Lp2, respectively.
- the converter 10 controls the on/off of the switching elements Q1, Q2 to intermittently apply an input voltage Vi to a primary winding Lp of a transformer T, and rectifies and smooths an induced voltage (flyback voltage Vr) generated in a secondary winding Ls of the transformer T to output the induced voltage.
- the input voltage Vi is divided in half by the primary windings Lp1 and Lp2, and the voltages applied to the switching elements Q1 and Q2 (input voltage Vi + flyback voltage Vr) are also divided in half. Therefore, the switching elements Q1 and Q2 can be made with a withstand voltage equivalent to the input voltage Vi. By using low-voltage switching elements Q1 and Q2, high input voltages can be accommodated without increasing the circuit size.
- the converter 10 described in (1) above is provided with a control circuit 11 that controls the on/off of the two switching elements Q1 and Q2 of the primary windings Lp1 and Lp2 at the same timing.
- the converter 10 described in (2) above does not cause large variations in the power handled by the multiple (two) switching elements Q1 and Q2.
- the converter 10 does not require the addition of special balancing circuits, etc., allowing for an inexpensive, simple circuit configuration.
- the converter 10 described in (1) and (2) above includes a drive circuit 12.
- the drive circuit 12 uses a drive transformer DT to generate control signals Vg1 and Vg2 from the reference signal Vg generated by the control circuit 21, which drive the two (2) switching elements Q1 and Q2 of the primary windings Lp1 and Lp2, respectively.
- the converter 10a described in (3) above can generate control signals Vg1 and Vg2 suitable for driving the switching elements Q1 and Q2, which have different potentials.
- the converters 10 and 10a described in (1) to (3) above may be provided with capacitors C1 and C2 connected in parallel to the series circuits of the primary windings Lp1 and Lp2 and the switching elements Q1 and Q2, respectively.
- capacitor voltage of capacitors C1 and C2 drops when a larger switching current flows, naturally correcting variations in the switching current. Because capacitors C1 and C2 are connected in close proximity to their respective switching elements Q1 and Q2, surge absorption by leakage inductance, etc., can also be expected.
- the converter 10b described in (4) above may be provided with resistors R5 and R6 connected in parallel to the capacitors C1 and C2, respectively.
- resistors R5 and R6 are high-resistance voltage balancers that can correct voltage value differences due to variations in the capacitance of capacitors C1 and C2, etc.
- a power conditioner 2 includes a converter 10, 10a, 10b, or 10c described in (1) to (5) as a transformer 4 that transforms DC power.
- the power conditioner 2 described in (6) above can handle high voltage input and output of over 1000V using low-voltage switching elements.
- the energy storage system 1 includes the converters 10, 10a, 10b, and 10c described in (1) to (5) as the transformer 4 that transforms the discharge power of the energy storage element 3.
- the energy storage system 1 described in (7) above can accommodate energy storage elements 3 that generate high voltages of over 1000 V using low-voltage switching elements.
- Energy storage system 2 Power conditioner 3 Energy storage element 4 Transformer 10, 10a, 10b, 10c Converter 11, 11c Control circuit 12 Drive circuit C1, C2, C3 Capacitor DT Drive transformer Lp1, Lp2, Lp3 Primary winding Q1, Q2, Q3 Switching elements R5 to R7 Resistor T1, T1c Transformer
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Abstract
複数に分割された一次巻線(Lp1、Lp2)と、一次巻線(Lp1、Lp2)の分割数のスイッチング素子(Q1、Q2)と、を備える。コンバータ(10)は、分割された一次巻線(Lp1、Lp2)のそれぞれにスイッチング素子(Q1、Q2)が直列に接続される。コンバータ(10)は、スイッチング素子(Q1、Q2)をオンオフ制御することによって、トランス(T)の一次巻線(Lp)に入力電圧(Vi)を断続的に印加させ、トランスTの二次巻線(Ls)に生じる誘起電圧を整流平滑して出力する。
Description
本発明の一態様は、コンバータ、パワーコンディショナおよび蓄電システムに関する。
再生可能エネルギーの利用拡大や、エネルギーマネジメントの促進のために、蓄電システム(ESS)に対するニーズが高まっている。蓄電システムは、電力を蓄える蓄電池と、パワーコンディショナと、を備える(例えば、特許文献1参照)。蓄電池は、充放電可能な二次電池が用いられる。パワーコンディショナは、電力変換装置であり、直流電力を変圧する変圧器と、直流電力と交流電力とを変換する変換器と、を備える。
パワーコンディショナの変圧器は、絶縁型で構成する場合、図7に示すようなフライバック型のコンバータ20が用いられる。コンバータ20は、入力電圧Viに対してトランスTの一次巻線Lpとスイッチング素子Qとが直列に接続されている。スイッチング素子Qは、制御回路21で生成される制御信号Vgによってオンオフされる。スイッチング素子Qのオンオフにより、入力電圧Viは、トランスTの一次巻線Lpに断続的に印加される。トランスTは、スイッチング素子Qのオン1回当りで、E=1/2・Lp・i2のエネルギーを蓄え、スイッチング素子Qがオフすると蓄えたエネルギーを二次巻線Lsにフライバック電圧Vrとして出力する。トランスTの二次巻線Lsに発生するフライバック電圧Vrは、ダイオードDとキャパシタCoにて、整流平滑され、出力電圧Voが生成される。制御回路21は、出力電圧Voの検出値に基づいて生成した制御信号Vgによってスイッチング素子Qのオン時間を調整し、出力するエネルギー量を制御して出力電圧Voを調節する。制御回路21は、例えば、周波数fを一定として、スイッチング素子Qのオン時間を調節する。いわゆるPWM制御などを行う。
コンバータ20において、スイッチング素子Qには、入力電圧Viに加えてフライバック電圧Vrが印加される。フライバック電圧Vrは、トランスTの巻数比や、スイッチング素子Qのオンdutyの設定などにより多少異なるが、最大で入力電圧Vi程度になる。すなわち、スイッチング素子Qは、入力電圧Viの2倍以上の耐圧が必要となる。
スイッチング素子QとしてMOS-FETを用いる場合、様々な耐圧の製品があるが、比較的安価なのは、900V耐圧までであり、900V耐圧以上の製品は、極めて高価となる。入力電圧Viが500V超の高電圧である場合、スイッチング素子Qは、高価な製品を選択せざるを得ない。近年の蓄電システムの分野では、1000V超の高電圧を発生するため、蓄電システムで使用されるコンバータ20は、高価なものになってしまう欠点があった。スイッチング素子Qは、無制限に高耐圧品が存在するわけではないため、コンバータ20が対応可能な入力電圧Viには、上限があった。
図8に示すように、コンバータ20を直列に接続(キャパシタCi1、Ci2に対しては、並列接続)することで、それぞれのスイッチング素子Qに印加される電圧は、低減できる。入力電圧ViをキャパシタCi1、Ci2の直列回路により1/2に分圧し、それぞれにコンバータ20は、並列に接続されている。並列に接続されたコンバータ20のそれぞれのスイッチング素子Qは、入力電圧Viと同程度の耐圧の製品で対応できる。
しかしながら、キャパシタCi1、Ci2の容量バラツキ等により、分圧される電圧は、多少異なる。加えて、並列に接続されたコンバータ20のそれぞれの制御回路21は、出力電圧Voの検出値に基づいてPWM制御等を行うが、出力電圧Voの検出値と比較する基準電圧にバラツキがある。基準電圧のバラツキにより、並列に接続されたコンバータ20のそれぞれ出力電圧Voは、微妙に異なり、それぞれの出力電流がバランスしない。そのため、コンバータ20を並列に接続した構成は、それぞれの電流をバランスさせる図示しないバランス回路を付加せざるを得ない。バランス回路は、二次側が並列に接続されたコンバータ20のそれぞれの電位差も大きいことから、複雑な回路構成となる。従って、コンバータ20を並列に接続した構成は、複数個のコンバータ20と共に、複雑なバランス回路が必要になり、回路規模が大きく高価なものになってしまう。
本発明の一態様は、低耐圧のスイッチング素子を用いて、回路規模を大きくすることなく、高い入力電圧に対応できるコンバータを提供する。
本発明の一態様は、スイッチング素子をオンオフ制御することによって、トランスの一次巻線に入力電圧を断続的に印加させ、前記トランスの二次巻線に生じる誘起電圧を整流平滑して出力するコンバータである。本発明の一態様は、複数に分割された前記一次巻線と、前記一次巻線の分割数の前記スイッチング素子と、を備える。本発明の一態様は、分割された前記一次巻線のそれぞれに前記スイッチング素子が直列に接続される。
本発明の一態様によれば、分割された一次巻線によってそれぞれのスイッチング素子にそれぞれ印加される電圧が分圧される。従って、スイッチング素子は、入力電圧Vi程度の耐圧の製品を採用できるため、低耐圧のスイッチング素子を用いて、回路規模を大きくすることなく、高い入力電圧に対応できるコンバータを提供する。
以下、図を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。以下の実施の形態において、同様の機能を示す構成には、同一の符号を付して適宜説明を省略する。
(第1の実施の形態)
第1の実施の形態のコンバータ10は、直流電力を変圧する変圧器4として、図1に示す蓄電システム1のパワーコンディショナ2等に備えられる。蓄電システム1は、蓄電素子3を備える。蓄電素子3は、電力を充放電可能な蓄電デバイスである。蓄電素子3は、例えば、リチウムイオン電池や鉛蓄電池等の二次電池や、電気二重層キャパシタ(EDLC)やリチウムイオンキャパシタ(LIC)等のキャパシタが用いられる。その他各種の二次電池が用いられる。
第1の実施の形態のコンバータ10は、直流電力を変圧する変圧器4として、図1に示す蓄電システム1のパワーコンディショナ2等に備えられる。蓄電システム1は、蓄電素子3を備える。蓄電素子3は、電力を充放電可能な蓄電デバイスである。蓄電素子3は、例えば、リチウムイオン電池や鉛蓄電池等の二次電池や、電気二重層キャパシタ(EDLC)やリチウムイオンキャパシタ(LIC)等のキャパシタが用いられる。その他各種の二次電池が用いられる。
パワーコンディショナ2は、入力部5を備え、太陽電池(PV)、燃料電池(FC)等の発電装置7で発電された直流電力が入力部5に入力される。パワーコンディショナ2は、変圧器4と、変換器6と、を備える。
変圧器4は、変換器6で変換された直流電力や入力部5から入力された直流電力を蓄電素子3の充電に適した高電圧に昇圧して充電制御するコンバータを備える。変圧器4は、蓄電素子3から放電された高電圧の直流電力を変換器6の変換に適した電圧に降圧するコンバータ(以下、コンバータ10と称す)を備える。
変換器6は、直流電力を交流電力に、交流電力を直流電力にそれぞれ変換するインバータである。変換器6は、変圧器4で変圧された直流電力や入力部5から入力された直流電力を交流電力に変換して電力系統8や負荷9に出力する。変換器6は、電力系統8から入力された交流電力を直流電力に変換する。
コンバータ10は、図2を参照すると、トランスT1を備えたフライバック型の変圧器である。トランスT1は、分割された一次巻線Lp1、Lp2と、一次巻線Lp1、Lp2と磁気結合された二次巻線Lsと、を備える。換言すれば、トランスT1は、複数の一次巻線Lp1、Lp2を備え、複数の一次巻線Lp1、Lp2が入力電圧Viに対して直列に接続されており、それぞれの一次巻線Lp1、Lp2が二次巻線Lsと磁気結合している。
コンバータ10は、一次巻線Lp1に直列に接続されたスイッチング素子Q1と、一次巻線Lp2に直列に接続されたスイッチング素子Q2と、を備える。コンバータ10は、一次側回路として、一次巻線Lp1とスイッチング素子Q1からなる直列回路と、一次巻線Lp2とスイッチング素子Q2からなる直列回路とが、入力電圧Viに対して直列に接続される。
スイッチング素子Q1、Q2は、例えば、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)で構成される。スイッチング素子Q1、Q2は、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(IGBT)等の他のパワー素子で構成してもよい。
コンバータ10は、二次側の整流平滑回路として、ダイオードDとキャパシタCoとを備える。トランスTの二次巻線Lsに生じる誘起電圧であるフライバック電圧Vrは、ダイオードDとキャパシタCoにて、整流平滑され、出力電圧Voが生成される。フライバック電圧Vrの整流は、同期整流を用いてもよい。
コンバータ10は、スイッチング素子Q1、Q2を同一のタイミングでオンオフ制御する制御回路11を備える。制御回路11は、出力電圧Voの検出値に基づいて生成した制御信号Vg1、Vg2によってスイッチング素子Q1、Q2のオン時間を調整し、出力するエネルギー量を制御して出力電圧Voを調節する。制御回路11は、例えば、周波数fを一定として、スイッチング素子Qのオン時間を調節する、いわゆるPWM制御などを行う。
コンバータ10において、入力電圧Viは、一次巻線Lp1、Lp2により1/2に分圧されるため、スイッチング素子Q1、Q2にそれぞれ印加される電圧(入力電圧Vi+フライバック電圧Vr)も1/2に分圧される。従って、スイッチング素子Q1、Q2は、入力電圧Vi程度の耐圧の製品を採用できる。コンバータ10は、スイッチング素子Q1、Q2に比較的安価な900V耐圧のMOS-FETを用いて、入力電圧Vi=900V程度に対応できる。
コンバータ10において、制御回路11によって生成された制御信号Vg1、Vg2は、立ち上がりタイミング及び立下りタイミングが同一の信号である。スイッチング素子Q1、Q2は、制御信号Vg1、Vg2によって同一のタイミングでオンオフ制御されるため、2つのスイッチング素子Q1、Q2が扱う電力が大きくばらつくこともない。コンバータ10は、特別なバランス回路等の付加が不要で、安価なシンプルな回路構成が可能となる。
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態のコンバータ10aは、図3を参照すると、第1の実施の形態の制御回路11の代わりに、基準となる制御信号Vg(以下、基準信号Vgと称す)を生成する制御回路21を備える。コンバータ10aは、基準信号Vgに基づいて制御信号Vg1、Vg2を生成するドライブ回路12を備える。
第2の実施の形態のコンバータ10aは、図3を参照すると、第1の実施の形態の制御回路11の代わりに、基準となる制御信号Vg(以下、基準信号Vgと称す)を生成する制御回路21を備える。コンバータ10aは、基準信号Vgに基づいて制御信号Vg1、Vg2を生成するドライブ回路12を備える。
ドライブ回路12は、キャパシタCcと、ドライブトランスDTと、抵抗R1~R4と、を備える。キャパシタCcは、制御回路21で生成された基準信号Vgの直流成分を除去するカップリングキャパシタである。ドライブトランスDTは、第1の実施の形態のコンバータ10の構成に加えて、一次巻線Lpaと、分割された二次巻線Ld1、Ld2とを備える。一次巻線Lpa、二次巻線Ld1、Ld2は、同じ巻き数に設定される。二次巻線Ld1は、一端がサージ電流低減用の抵抗R1(10Ω程度)を介してスイッチング素子Q1の制御端子に接続され、他端がスイッチング素子Q1の低電位側端子に接続される。抵抗R2(10kΩ程度)は、サージ電圧低減用にスイッチング素子Q1の制御端子と低電位側端子との間に接続される。二次巻線Ld2は、一端がサージ電流低減用の抵抗R3(10Ω程度)を介してスイッチング素子Q2の制御端子に接続され、他端がスイッチング素子Q2の低電位側端子に接続される。抵抗R4(10kΩ程度)は、サージ電圧低減用にスイッチング素子Q2の制御端子と低電位側端子との間に接続される。
図3及び図4を参照すると、制御回路21で生成された基準信号Vgは、キャパシタCcによって直流成分が除去され、電圧信号VLpaとしてドライブトランスDTの一次巻線Lpaに印加される。図4は、ドライブ回路12の各部の波形図である。一次巻線Lpaと、二次巻線Ld1、Ld2の巻き数比が同じであるため、二次巻線Ld1、Ld2にそれぞれ生じる電圧信号VLd1、VLd2は、電圧信号VLpaと同一の波形となる。電圧信号VLd1は、抵抗R1、R2を介して制御信号Vg1として、電圧信号VLd2は、抵抗R3、R4を介して制御信号Vg2としてそれぞれ出力される。制御信号Vg1、Vg2は、立ち上がりタイミング及び立下りタイミングが同一の信号であり、スイッチング素子Q1、Q2のそれぞれドライブに適した信号となる。
(第3の実施の形態)
第3の実施の形態のコンバータ10bは、図5を参照すると、第1の実施の形態のコンバータ10に加えて、キャパシタC1、C2と、抵抗R5、R6と、を備える。
第3の実施の形態のコンバータ10bは、図5を参照すると、第1の実施の形態のコンバータ10に加えて、キャパシタC1、C2と、抵抗R5、R6と、を備える。
キャパシタC1、C2は、入力電圧Viを分圧する直列回路として、入力電圧Viと並列に接続される。キャパシタC1とキャパシタC2との接続点は、スイッチング素子Q1と一次巻線Lp2との接続点に接続される。
キャパシタC1、C2は、スイッチング素子Q1、Q2におけるスイッチング電流のばらつきを是正する。何らかの理由でスイッチング素子Q1、Q2のスイッチング電流がばらついた場合、キャパシタC1、C2のキャパシタ電圧は、スイッチング電流が多く流れた方が降下するため、自然とスイッチング電流のばらつきが是正される。キャパシタC1、C2は、それぞれのスイッチング素子Q1、Q2の直近に接続されるため、リーケージインダクタンス等によるサージ吸収も期待できる。
抵抗R5はキャパシタC1と、抵抗R6はキャパシタC2と、それぞれ並列に接続される。抵抗R5、R6は、高抵抗による電圧バランサであり、キャパシタC1、C2の容量バラツキ等による電圧値相違を是正する。
(第4の実施の形態)
第4の実施の形態のコンバータ10cは、図6を参照すると、第3の実施の形態のコンバータ10bに加え、一次巻線Lp3と、スイッチング素子Q3と、キャパシタC3と、抵抗R7と、を備える。コンバータ10cのトランスT1cは、分割された一次巻線Lp1、Lp2、Lp3を備える。コンバータ10cは、一次側回路として、一次巻線Lp1とスイッチング素子Q1からなる直列回路と、一次巻線Lp2とスイッチング素子Q2からなる直列回路と、一次巻線Lp3とスイッチング素子Q3からなる直列回路とが、入力電圧Viに対して直列に接続される。
第4の実施の形態のコンバータ10cは、図6を参照すると、第3の実施の形態のコンバータ10bに加え、一次巻線Lp3と、スイッチング素子Q3と、キャパシタC3と、抵抗R7と、を備える。コンバータ10cのトランスT1cは、分割された一次巻線Lp1、Lp2、Lp3を備える。コンバータ10cは、一次側回路として、一次巻線Lp1とスイッチング素子Q1からなる直列回路と、一次巻線Lp2とスイッチング素子Q2からなる直列回路と、一次巻線Lp3とスイッチング素子Q3からなる直列回路とが、入力電圧Viに対して直列に接続される。
コンバータ10cは、スイッチング素子Q1、Q2、Q3を同一のタイミングでオンオフ制御する制御回路11cを備える。制御回路11cは、出力電圧Voの検出値に基づいて生成した制御信号Vg1、Vg2、Vg3によってスイッチング素子Q1、Q2、Q3のオン時間を調整し、出力するエネルギー量を制御して出力電圧Voを調節する。制御回路11cは、例えば、周波数fを一定として、スイッチング素子Qのオン時間を調節する、いわゆるPWM制御などを行う。
コンバータ10cにおいて、入力電圧Viは、一次巻線Lp1、Lp2、Lp3により1/3に分圧されるため、スイッチング素子Q1、Q2、Q3にそれぞれ印加される電圧(入力電圧Vi+フライバック電圧Vr)も1/3に分圧される。従って、スイッチング素子Q1、Q2、Q3は、入力電圧Viの(2/3)倍程度の耐圧の製品を採用できる。コンバータ10cは、スイッチング素子Q1、Q2、Q3に比較的安価な900V耐圧のMOS-FETを用いて、入力電圧Vi=1350V程度に対応できる。
キャパシタC1、C2、C3は、入力電圧Viを分圧する直列回路として、入力電圧Viと並列に接続される。キャパシタC1とキャパシタC2との接続点は、スイッチング素子Q1と一次巻線Lp2との接続点に、キャパシタC2とキャパシタC3との接続点は、スイッチング素子Q2と一次巻線Lp3との接続点に、それぞれ接続される。キャパシタC1、C2、C3は、スイッチング素子Q1、Q2、Q3におけるスイッチング電流のばらつきを是正する。
抵抗R5はキャパシタC1と、抵抗R6はキャパシタC2と、抵抗R7はキャパシタC3と、それぞれ並列に接続される。抵抗R5、R6、R7は、高抵抗による電圧バランサであり、キャパシタC1、C2、C3の容量バラツキ等による電圧値相違を是正する。
一次巻線Lpの分割数、及びスイッチング素子Qの個数は、4以上であってもよい。対応可能な入力電圧Viは、一次巻線Lpの分割数を多くすることで、より大きくなる。一次巻線Lpの分割数、及びスイッチング素子Qの個数を5とした場合、対応可能な入力電圧Viは、スイッチング素子Qに比較的安価な900V耐圧のMOS-FETを用いて、2250V程度となる。
(まとめ)
本発明の各実施形態にかかるコンバータ10は、以下のように記載することもできる。
(1)本実施の一実施形態にかかるコンバータ10は、複数(2個)に分割された一次巻線Lp1、Lp2と、一次巻線Lp1、Lp2の分割数(2個)に対応する数のスイッチング素子Q1、Q2と、を備える。コンバータ10は、分割された一次巻線Lp1、Lp2のそれぞれにスイッチング素子Q1、Q2が直列に接続される。コンバータ10は、スイッチング素子Q1、Q2をオンオフ制御することによって、トランスTの一次巻線Lpに入力電圧Viを断続的に印加させ、トランスTの二次巻線Lsに生じる誘起電圧(フライバック電圧Vr)を整流平滑して出力する。
本発明の各実施形態にかかるコンバータ10は、以下のように記載することもできる。
(1)本実施の一実施形態にかかるコンバータ10は、複数(2個)に分割された一次巻線Lp1、Lp2と、一次巻線Lp1、Lp2の分割数(2個)に対応する数のスイッチング素子Q1、Q2と、を備える。コンバータ10は、分割された一次巻線Lp1、Lp2のそれぞれにスイッチング素子Q1、Q2が直列に接続される。コンバータ10は、スイッチング素子Q1、Q2をオンオフ制御することによって、トランスTの一次巻線Lpに入力電圧Viを断続的に印加させ、トランスTの二次巻線Lsに生じる誘起電圧(フライバック電圧Vr)を整流平滑して出力する。
本発明の一実施形態にかかるコンバータ10によれば、入力電圧Viは、一次巻線Lp1、Lp2により1/2に分圧されるため、スイッチング素子Q1、Q2にそれぞれ印加される電圧(入力電圧Vi+フライバック電圧Vr)も1/2に分圧される。従って、スイッチング素子Q1、Q2は、入力電圧Vi程度の耐圧の製品を採用できる。低耐圧のスイッチング素子Q1、Q2を用いて、回路規模を大きくすることなく、高い入力電圧に対応できる。
(2)上記(1)に記載のコンバータ10において、一次巻線Lp1、Lp2の分割数(2個)のスイッチング素子Q1、Q2を同一のタイミングでオンオフ制御する制御回路11を備える。
上記(2)に記載のコンバータ10によれば、複数個(2個)のスイッチング素子Q1、Q2が扱う電力が大きくばらつくこともない。コンバータ10は、特別なバランス回路等の付加が不要で、安価なシンプルな回路構成が可能となる。
(3)上記(1)~(2)に記載のコンバータ10は、ドライブ回路12を備える。ドライブ回路12は、ドライブトランスDTを用いて、制御回路21で生成された基準信号Vgから一次巻線Lp1、Lp2の分割数(2個)のスイッチング素子Q1、Q2をそれぞれドライブする制御信号Vg1、Vg2を生成する。
上記(3)に記載のコンバータ10aによれば、電位の異なるスイッチング素子Q1、Q2のそれぞれドライブに適した制御信号Vg1、Vg2を生成できる。
(4)上記(1)~(3)に記載のコンバータ10、10aにおいて、一次巻線Lp1、Lp2とスイッチング素子Q1、Q2の直列回路のそれぞれに並列に接続されたキャパシタC1、C2を備えてもよい。
上記(4)に記載のコンバータ10bによれば、キャパシタC1、C2のキャパシタ電圧は、スイッチング電流が多く流れた方が降下するため、自然とスイッチング電流のばらつきが是正される。キャパシタC1、C2は、それぞれのスイッチング素子Q1、Q2の直近に接続されるため、リーケージインダクタンス等によるサージ吸収も期待できる。
(5)上記(4)に記載のコンバータ10bにおいて、キャパシタC1、C2のそれぞれに並列に接続された抵抗R5、R6を備えてもよい。
上記(5)に記載のコンバータ10bによれば、抵抗R5、R6は、高抵抗による電圧バランサであり、キャパシタC1、C2の容量バラツキ等による電圧値相違を是正できる。
(6)本発明の一実施形態にかかるパワーコンディショナ2は、直流電力を変圧する変圧器4として(1)~(5)に記載のコンバータ10、10a、10b、10cを備える。
上記(6)に記載のパワーコンディショナ2によれば、低耐圧のスイッチング素子を用いて、1000V超の高電圧の入出力に対応できる。
(7)本発明の一実施形態にかかる蓄電システム1は、蓄電素子3の放電電力を変圧する変圧器4して(1)~(5)に記載のコンバータ10、10a、10b、10cを備える。
上記(7)に記載の蓄電システム1によれば、低耐圧のスイッチング素子を用いて、1000V超の高電圧を発生する蓄電素子3に対応できる。
以上、本発明を具体的な実施形態で説明したが、上記実施形態は例であって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更して実施できることは言うまでも無い。
1 蓄電システム
2 パワーコンディショナ
3 蓄電素子
4 変圧器
10、10a、10b、10c コンバータ
11、11c 制御回路
12 ドライブ回路
C1、C2、C3 キャパシタ
DT ドライブトランス
Lp1、Lp2、Lp3 一次巻線
Q1、Q2、Q3 スイッチング素子
R5~R7 抵抗
T1、T1c トランス
2 パワーコンディショナ
3 蓄電素子
4 変圧器
10、10a、10b、10c コンバータ
11、11c 制御回路
12 ドライブ回路
C1、C2、C3 キャパシタ
DT ドライブトランス
Lp1、Lp2、Lp3 一次巻線
Q1、Q2、Q3 スイッチング素子
R5~R7 抵抗
T1、T1c トランス
Claims (7)
- スイッチング素子のオンオフによって、トランスの一次巻線に入力電圧を断続的に印加させ、前記トランスの二次巻線に生じる誘起電圧を整流平滑して出力するコンバータであって、
複数に分割された前記一次巻線と、
前記一次巻線の分割数に対応する数の前記スイッチング素子と、を備え、
分割された前記一次巻線のそれぞれに前記スイッチング素子が直列に接続されるコンバータ。 - 同一のタイミングで前記一次巻線の分割数の前記スイッチング素子のオンオフを制御する制御回路を備える請求項1に記載のコンバータ。
- ドライブ回路を備え、
前記ドライブ回路は、ドライブトランスを用いて、前記制御回路で生成された基準信号から前記一次巻線の分割数の前記スイッチング素子をそれぞれドライブする制御信号を生成する請求項2に記載のコンバータ。 - 前記一次巻線と前記スイッチング素子の直列回路のそれぞれに並列に接続されたキャパシタを備える請求項1又は2に記載のコンバータ。
- 前記キャパシタのそれぞれに並列に接続された抵抗を備える請求項4に記載のコンバータ。
- 請求項1又は2に記載のコンバータを備えるパワーコンディショナ。
- 蓄電素子と、請求項1又は2に記載のコンバータと、を備える蓄電システム。
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| JP2024-040672 | 2024-03-15 | ||
| JP2024040672A JP2025140990A (ja) | 2024-03-15 | 2024-03-15 | コンバータ、パワーコンディショナ及び蓄電システム |
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|---|---|
| WO2025192519A1 true WO2025192519A1 (ja) | 2025-09-18 |
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|---|---|---|---|
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Citations (5)
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| JP2018148734A (ja) * | 2017-03-08 | 2018-09-20 | 田淵電機株式会社 | フライバックコンバータ |
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-
2024
- 2024-03-15 JP JP2024040672A patent/JP2025140990A/ja active Pending
-
2025
- 2025-03-10 WO PCT/JP2025/008778 patent/WO2025192519A1/ja active Pending
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