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JP7563190B2 - Bidirectional isolated DC-DC converter and control method - Google Patents

Bidirectional isolated DC-DC converter and control method Download PDF

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JP7563190B2 JP2021005501A JP2021005501A JP7563190B2 JP 7563190 B2 JP7563190 B2 JP 7563190B2 JP 2021005501 A JP2021005501 A JP 2021005501A JP 2021005501 A JP2021005501 A JP 2021005501A JP 7563190 B2 JP7563190 B2 JP 7563190B2
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Description

本発明は、双方向絶縁型DC-DCコンバータおよび制御方法に係るものであって、例えば双方向絶縁型DC-DCコンバータの変換効率に貢献可能な技術に関するものである。 The present invention relates to a bidirectional isolated DC-DC converter and a control method, and relates to technology that can contribute to the conversion efficiency of, for example, a bidirectional isolated DC-DC converter.

種々の分野で適用(例えばバッテリシミュレータ等の産業用機器に適用)されている直流電源装置の一例として、2つの直流電源(後述の図1では第1,第2直流電源1,2)間を双方向絶縁型DC-DCコンバータ(以下、単に双方向コンバータと適宜称する)により電力伝送(双方向に電力伝送)する構成がある。 One example of a DC power supply device that is used in various fields (for example, in industrial equipment such as battery simulators) is a configuration in which power is transmitted (power is transmitted in both directions) between two DC power sources (first and second DC power sources 1 and 2 in FIG. 1 described below) using a bidirectional isolated DC-DC converter (hereinafter simply referred to as a bidirectional converter).

電力伝送においては、例えば直流電源装置の一次側直流電力をスイッチング素子等により交流電力に変換してトランス一次側に流し、当該トランス二次側に伝送された交流電力をスイッチング素子により整流して直流電力に変換することが挙げられる。 In power transmission, for example, the primary side DC power of a DC power supply device is converted to AC power using a switching element or the like and sent to the primary side of a transformer, and the AC power transmitted to the secondary side of the transformer is rectified using a switching element and converted back to DC power.

トランスは、体積が印加電圧の周波数に依存することから、当該周波数が高い構成とした場合には、小型化することが可能となる。しかしながら、前述のようにスイッチング素子により電力を変換する場合に発生し得るスイッチング損失は、周波数にほぼ比例するものである。このため、双方向コンバータにおいて単に周波数が高くなるような構成にした場合には、当該双方向コンバータの損失が増大してしまうおそれがある。 Since the volume of a transformer depends on the frequency of the applied voltage, it is possible to make it smaller if the frequency is high. However, as mentioned above, the switching loss that can occur when converting power using a switching element is roughly proportional to the frequency. For this reason, if a bidirectional converter is simply configured to have a high frequency, there is a risk that the losses in the bidirectional converter will increase.

近年、双方向コンバータの1スイッチングあたりのスイッチング損失を低減したり、当該双方向コンバータの小型化と低損失化を両立させる構成として、Dual Active Bridge方式によるものが研究されている(例えば、非特許文献1参照)。 In recent years, bidirectional converters using the Dual Active Bridge method have been researched as a configuration that reduces the switching loss per switching and achieves both miniaturization and low loss in the bidirectional converter (see, for example, Non-Patent Document 1).

このDual Active Bridge方式の双方向コンバータは、双方向に電圧変換可能な一対のコンバータ部(後述の図1では第1,第2コンバータ部4,10)がトランス等によって結合された結合回路(以下、単にDAB回路と適宜称する)を備えている。そして、DAB回路の各コンバータ部のスイッチング素子において、それぞれゲート信号を出力して適宜スイッチング制御することにより、当該各コンバータ部間で所望の電力伝送ができるような構成となっている。また、スイッチング素子に対してコンデンサを並列接続したり、トランスに対してリアクトルを直列接続した構成もある。 This Dual Active Bridge bidirectional converter is equipped with a coupling circuit (hereinafter simply referred to as a DAB circuit) in which a pair of converter parts (first and second converter parts 4 and 10 in FIG. 1 described later) capable of bidirectional voltage conversion are coupled by a transformer or the like. The DAB circuit is configured so that the desired power transmission can be performed between the converter parts by outputting gate signals to the switching elements of each converter part for appropriate switching control. There are also configurations in which a capacitor is connected in parallel to the switching elements, and a reactor is connected in series to the transformer.

また、スイッチング素子のデッドタイム中にコンデンサとリアクトルによる共振現象を利用し、スイッチング素子の印加電圧をゼロにしてゼロ電圧スイッチングを図った構成もあり、当該スイッチング素子のターンオン損失をゼロにすることも可能となっている。 In addition, there is also a configuration that utilizes the resonance phenomenon caused by a capacitor and a reactor during the dead time of the switching element to reduce the applied voltage to zero and achieve zero voltage switching, making it possible to reduce the turn-on loss of the switching element to zero.

ところで、双方向コンバータの制御構成においては、例えばDAB回路二次側の直流出力部(後述の図1では第2平滑コンデンサ11等)の直流電圧を検出し、その検出結果に基づいて電圧制御するものがある。この電圧制御の場合、外部からの電圧指令どおりの直流電圧を出力できるように、双方向コンバータを動作させることとなる。 Incidentally, in the control configuration of the bidirectional converter, for example, there is a configuration in which the DC voltage of the DC output section (such as the second smoothing capacitor 11 in FIG. 1 described later) on the secondary side of the DAB circuit is detected and the voltage is controlled based on the detection result. In the case of this voltage control, the bidirectional converter is operated so that the DC voltage can be output according to the voltage command from the outside.

しかしながら、双方向コンバータの構成部品であるトランスやスイッチング素子は、許容電流が限られているため、前述のように単なる電圧制御による制御構成の場合には、例えば起動時の突入電流や、負荷急変時の電流増大により、当該構成部品の焼損や破壊等の事態を招く可能性がある。 However, the transformers and switching elements that are components of bidirectional converters have limited allowable currents, so in the case of a control configuration that simply controls voltage as described above, there is a possibility that the components may burn out or be destroyed due to, for example, an inrush current at startup or an increase in current during a sudden load change.

このような事態を抑制するものとして、電流制御を適用した制御構成が挙げられる。例えば特許文献1では、DAB回路二次側の直流出力部の電流(負荷電流)を検出し、その検出結果に基づいて電流制御をする技術が提案されている。 One way to prevent this is to use a control configuration that applies current control. For example, Patent Document 1 proposes a technology that detects the current (load current) of the DC output section on the secondary side of the DAB circuit and controls the current based on the detection results.

非特許文献1や特許文献1に示すような双方向コンバータ(以下、単に従来コンバータJ1と適宜称する)による電力伝送では、例えばDAB回路一次側のスイッチング素子のスイッチング制御によってトランス一次側に電圧を印加した場合、トランス二次側に電圧が誘導され、その誘導した電圧をDAB回路二次側のスイッチング素子によって整流する。DAB回路二次側の直流出力部にコンデンサ(後述の図1では第2平滑コンデンサ11)が接続されている場合には、当該整流によってコンデンサが充電されることとなる。 In power transmission using a bidirectional converter (hereinafter simply referred to as conventional converter J1) as shown in Non-Patent Document 1 and Patent Document 1, for example, when a voltage is applied to the primary side of a transformer by switching control of a switching element on the primary side of the DAB circuit, a voltage is induced on the secondary side of the transformer, and the induced voltage is rectified by a switching element on the secondary side of the DAB circuit. If a capacitor (second smoothing capacitor 11 in FIG. 1 described later) is connected to the DC output section on the secondary side of the DAB circuit, the capacitor is charged by the rectification.

ここで、従来コンバータJ1において、トランスの一次側,二次側のリアクトルによるインダクタンスや、コンデンサのキャパシタンスが存在する場合には、前記電力伝送において応答遅れが生じ得る。そして、前記応答遅れの後、DAB回路二次側に接続されている負荷(接続機器等)との間の電圧差によって、当該DAB回路二次側から負荷等に電流が流れだすこととなる。 Here, in the conventional converter J1, if there is inductance due to reactors on the primary and secondary sides of the transformer, or capacitance of the capacitor, a response delay may occur in the power transmission. After the response delay, a current will start to flow from the secondary side of the DAB circuit to the load (connected equipment, etc.) connected to the secondary side of the DAB circuit due to the voltage difference between the load and the secondary side of the DAB circuit.

このような応答遅れを伴う電力伝送では、DAB回路一次側をスイッチング制御してからDAB回路二次側の直流出力部の電流の増加に至るまでには、時間がかかってしまう。すなわち、制御において無駄な時間がかかってしまい、制御応答が遅くなってしまう。 In power transmission with this kind of response delay, it takes time from when the primary side of the DAB circuit is switched to when the current in the DC output section of the secondary side of the DAB circuit increases. In other words, time is wasted in the control, and the control response is slow.

また、従来コンバータJ1は、トランスの入出力電流(入力電流または出力電流)等を直接検出していない構成であるため、例えばDAB回路二次側の短絡などによってトランスに過電流が発生した場合には、当該トランスを保護することが困難となるおそれがある。 In addition, the conventional converter J1 is configured not to directly detect the input/output current (input current or output current) of the transformer, so if an overcurrent occurs in the transformer due to, for example, a short circuit on the secondary side of the DAB circuit, it may be difficult to protect the transformer.

そもそも、DAB回路におけるトランスを通過する電流は、当該DAB回路のスイッチング周波数程度(例えば10kHz~100kHz程度)の高周波交流である。このような高周波交流の電流を検出するためには、検出周波数の10倍程度のサンプリング周波数で検出することが必要、すなわち非常に高価なハードウェアを要することも考えられる。 First of all, the current passing through the transformer in a DAB circuit is a high-frequency AC current at about the switching frequency of the DAB circuit (for example, about 10 kHz to 100 kHz). In order to detect such a high-frequency AC current, it is necessary to detect it at a sampling frequency about 10 times the detection frequency, which means that very expensive hardware may be required.

以上のような従来コンバータJ1の課題を解決するために、特許文献2では、DAB回路のトランスの入出力電流等を直接検出する構成(以下、単に従来コンバータJ2と適宜称する)を検討している。 To solve the problems of the conventional converter J1 described above, Patent Document 2 considers a configuration that directly detects the input/output currents of the transformer of the DAB circuit (hereinafter, simply referred to as conventional converter J2).

井上重徳、赤木泰文、「双方向絶縁形DC/DCコンバータの動作電圧と損失解析」、電気学会論文誌D、127巻2号、2007年、pp189-pp197.Shigenori Inoue and Hirofumi Akagi, "Operating Voltage and Loss Analysis of Bidirectional Isolated DC/DC Converters," IEEJ Transactions on Power Systems, Vol. 127, No. 2, 2007, pp. 189-197. 比嘉隼、長野剛、伊藤淳一、「デュアルアクティブブリッジコンバータの制御法に応じたトランスの低損失化に関する検討」、平成27年電気学会全国大会、No.4-077、pp130-pp131.Higa, Jun, Nagano, Tsuyoshi, and Ito, Junichi, "A Study on Reducing Transformer Losses According to the Control Method of Dual Active Bridge Converters," Institute of Electrical Engineers of Japan National Convention 2015, No. 4-077, pp. 130-131.

特開2014-087134号公報JP 2014-087134 A 特開2020-150574号公報JP 2020-150574 A

従来コンバータJ2の場合、DAB回路一次側・二次側それぞれの直流電圧の差が大きくなると、スイッチング損失,導通損,銅損等も大きくなり、これにより双方向コンバータの制御応答が遅くなってしまうおそれが考えられ得る。 In the case of the conventional converter J2, when the difference in DC voltage between the primary and secondary sides of the DAB circuit becomes large, switching loss, conduction loss, copper loss, etc. also become large, which may slow down the control response of the bidirectional converter.

本発明は、かかる技術的課題を鑑みてなされたものであって、双方向コンバータの制御応答の向上や構成部品の保護に貢献可能な技術を提供することにある。 The present invention was made in consideration of these technical issues, and aims to provide technology that can contribute to improving the control response of bidirectional converters and protecting their components.

この発明の一態様は、トランスを介して結合され、第1,第2直流電源間に配置される第1,第2コンバータ部と、
第1,第2コンバータ部による電力伝送の出力電力を制御する制御回路と、を備えた双方向絶縁型DC-DCコンバータである。
One aspect of the present invention is a power supply comprising: first and second converter units coupled via a transformer and disposed between first and second DC power sources;
and a control circuit that controls the output power of power transmission by the first and second converter sections.

この一態様の双方向絶縁型DC-DCコンバータにおいては、第1直流電源の直流電圧は、第2直流電源の直流電圧よりも低い、または当該第2直流電源の直流電圧と同等であり、第1コンバータ部は、第1直流電源とトランスの一次側との間に接続され、第1,第2半導体スイッチング素子が直列接続された第1スイッチングアームと、第3,第4半導体スイッチング素子が直列接続された第2スイッチングアームと、が並列接続された単相フルブリッジ回路を有し、第2コンバータ部は、第2直流電源とトランスの二次側に接続され、第5,第6半導体スイッチング素子が直列接続された第3スイッチングアームと、第7,第8半導体スイッチング素子が直列接続された第4スイッチングアームと、が並列接続された単相フルブリッジ回路を有しているものとする。 In this bidirectional isolated DC-DC converter, the DC voltage of the first DC power supply is lower than or equal to the DC voltage of the second DC power supply, the first converter unit is connected between the first DC power supply and the primary side of the transformer, and has a single-phase full bridge circuit in which a first switching arm in which first and second semiconductor switching elements are connected in series and a second switching arm in which third and fourth semiconductor switching elements are connected in series are connected in parallel, and the second converter unit is connected to the second DC power supply and the secondary side of the transformer, and has a single-phase full bridge circuit in which a third switching arm in which fifth and sixth semiconductor switching elements are connected in series and a fourth switching arm in which seventh and eighth semiconductor switching elements are connected in series are connected in parallel.

また、制御回路は、第1,第2コンバータ部の各半導体スイッチング素子のゲート信号をそれぞれ生成するゲート信号生成部を備え、第1コンバータ部の出力電圧のパルス幅を決定する一次側パルス幅指令値と、第2コンバータ部の出力電圧のパルス幅を決定する二次側パルス幅指令値と、一次側パルス幅指令値および二次側パルス幅指令値の出力電圧の位相差を決定する位相差指令値と、を演算する。 The control circuit also includes a gate signal generating unit that generates gate signals for each semiconductor switching element of the first and second converter units, and calculates a primary side pulse width command value that determines the pulse width of the output voltage of the first converter unit, a secondary side pulse width command value that determines the pulse width of the output voltage of the second converter unit, and a phase difference command value that determines the phase difference of the output voltage between the primary side pulse width command value and the secondary side pulse width command value.

また、ゲート信号生成部は、第2コンバータ部の各スイッチング素子のゲート信号において、トランスの入力電流または出力電流から検出した電流検出値と、一次側パルス幅指令値と、二次側パルス幅指令値と、第1コンバータ部の直流側から検出した一次側電圧検出値と、第2コンバータ部の直流側から検出した二次側電圧検出値と、三角波キャリア信号と、に基づいて、第1コンバータ部の入出力力率が1となるように生成する。 The gate signal generating unit generates gate signals for each switching element of the second converter unit based on the current detection value detected from the input or output current of the transformer, the primary side pulse width command value, the secondary side pulse width command value, the primary side voltage detection value detected from the DC side of the first converter unit, the secondary side voltage detection value detected from the DC side of the second converter unit, and the triangular wave carrier signal so that the input/output power factor of the first converter unit becomes 1.

そして、前記電流検出値は、前記三角波キャリア信号の山部および谷部のうち何れか一方において、当該一方の頂点から遅延したタイミングでサンプリングされ、ローパスフィルタにより、前記三角波キャリア信号の周波数であるスイッチング周波数よりも大きい高周波成分が、当該電流検出値から除去され、前記制御回路により、前記電流検出値が電流指令値となるように制御される、ことを特徴とする。 The current detection value is sampled at either the peak or the valley of the triangular wave carrier signal at a timing delayed from the peak of the other peak, and a low-pass filter removes high-frequency components greater than a switching frequency, which is the frequency of the triangular wave carrier signal , from the current detection value , and the control circuit controls the current detection value to become a current command value .

また、制御回路は、前記遅延したタイミングでサンプリングされた電流検出値と、二次側電圧検出値と、第2コンバータ部の直流側において設定された電圧指令値と、に基づいて位相差指令値を生成することを特徴としても良い。 The control circuit may also be characterized in that it generates a phase difference command value based on the current detection value sampled at the delayed timing, the secondary side voltage detection value, and the voltage command value set on the DC side of the second converter unit.

また、一次側パルス幅指令値をW1、二次側パルス幅指令値をW2、一次側電圧検出値をVdc1、二次側電圧検出値をVdc2、位相差指令値をθとして、下記(1)式を満たすことを特徴としても良い。 In addition, it may be characterized in that the following equation (1) is satisfied, where the primary side pulse width command value is W1 , the secondary side pulse width command value is W2 , the primary side voltage detection value is Vdc1 , the secondary side voltage detection value is Vdc2 , and the phase difference command value is θ.

Figure 0007563190000001
Figure 0007563190000001

また、下記(2)式を満たすことを特徴としても良い。 It may also be characterized in that the following formula (2) is satisfied:

Figure 0007563190000002
Figure 0007563190000002

他の態様は、トランスを介して結合され、第1,第2直流電源間に配置される第1,第2コンバータ部と、第1,第2コンバータ部による電力伝送の出力電力を制御する制御回路と、を備えた双方向絶縁型DC-DCコンバータの制御方法である。 Another aspect is a method for controlling a bidirectional isolated DC-DC converter that includes first and second converter units that are coupled via a transformer and disposed between first and second DC power sources, and a control circuit that controls the output power of the power transmission by the first and second converter units.

この他の態様の双方向絶縁型DC-DCコンバータの制御方法においては、第1直流電源の直流電圧は、第2直流電源の直流電圧よりも低い、または当該第2直流電源の直流電圧と同等であり、第1コンバータ部は、第1直流電源とトランスの一次側との間に接続され、第1,第2半導体スイッチング素子が直列接続された第1スイッチングアームと、第3,第4半導体スイッチング素子が直列接続された第2スイッチングアームと、が並列接続された単相フルブリッジ回路を有し、第2コンバータ部は、第2直流電源とトランスの二次側に接続され、第5,第6半導体スイッチング素子が直列接続された第3スイッチングアームと、第7,第8半導体スイッチング素子が直列接続された第4スイッチングアームと、が並列接続された単相フルブリッジ回路を有しているものとする。 In this other aspect of the control method for a bidirectional isolated DC-DC converter, the DC voltage of the first DC power supply is lower than or equal to the DC voltage of the second DC power supply, the first converter unit is connected between the first DC power supply and the primary side of the transformer and has a single-phase full bridge circuit in which a first switching arm in which first and second semiconductor switching elements are connected in series and a second switching arm in which third and fourth semiconductor switching elements are connected in series are connected in parallel, and the second converter unit is connected to the second DC power supply and the secondary side of the transformer and has a single-phase full bridge circuit in which a third switching arm in which fifth and sixth semiconductor switching elements are connected in series and a fourth switching arm in which seventh and eighth semiconductor switching elements are connected in series are connected in parallel.

また、制御回路は、第1,第2コンバータ部の各半導体スイッチング素子のゲート信号をそれぞれ生成するゲート信号生成部を備え、第1コンバータ部の出力電圧のパルス幅を決定する一次側パルス幅指令値と、第2コンバータ部の出力電圧のパルス幅を決定する二次側パルス幅指令値と、一次側パルス幅指令値および二次側パルス幅指令値の出力電圧の位相差を決定する位相差指令値と、を演算する。 The control circuit also includes a gate signal generating unit that generates gate signals for each semiconductor switching element of the first and second converter units, and calculates a primary side pulse width command value that determines the pulse width of the output voltage of the first converter unit, a secondary side pulse width command value that determines the pulse width of the output voltage of the second converter unit, and a phase difference command value that determines the phase difference of the output voltage between the primary side pulse width command value and the secondary side pulse width command value.

ゲート信号生成部は、第2コンバータ部の各スイッチング素子のゲート信号において、トランスの入力電流または出力電流から検出した電流検出値と、一次側パルス幅指令値と、二次側パルス幅指令値と、第1コンバータ部の直流側から検出した一次側電圧検出値と、第2コンバータ部の直流側から検出した二次側電圧検出値と、三角波キャリア信号と、に基づいて、第1コンバータ部の入出力力率が1となるように生成する。 The gate signal generating unit generates gate signals for each switching element of the second converter unit so that the input/output power factor of the first converter unit is 1 based on the current detection value detected from the input or output current of the transformer, the primary side pulse width command value, the secondary side pulse width command value, the primary side voltage detection value detected from the DC side of the first converter unit, the secondary side voltage detection value detected from the DC side of the second converter unit, and the triangular wave carrier signal.

そして、前記電流検出値は、前記三角波キャリア信号の山部および谷部のうち何れか一方において、当該一方の頂点から遅延したタイミングでサンプリングされ、ローパスフィルタにより、前記三角波キャリア信号の周波数であるスイッチング周波数よりも大きい高周波成分が、当該電流検出値から除去され、前記制御回路により、前記電流検出値が電流指令値となるように制御される、ことを特徴とする。 The current detection value is sampled at either the peak or the valley of the triangular wave carrier signal at a timing delayed from the peak of the other peak, and a low-pass filter removes high-frequency components greater than a switching frequency, which is the frequency of the triangular wave carrier signal , from the current detection value , and the control circuit controls the current detection value to become a current command value .

以上示したように本発明によれば、双方向コンバータの制御応答の向上や構成部品の保護に貢献することが可能となる。 As described above, the present invention can contribute to improving the control response of bidirectional converters and protecting their components.

本実施形態の一例である双方向コンバータSを説明するための直流電源装置の概略構成図(双方向コンバータSの主回路構成を説明する図)。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a DC power supply device for explaining a bidirectional converter S according to an example of the present embodiment (a diagram for explaining a main circuit configuration of the bidirectional converter S). 制御回路200の制御構成図Control configuration diagram of the control circuit 200 制御回路200における一次側ゲート信号生成部281の内部構成例を示す構成図。FIG. 2 is a diagram showing an example of the internal configuration of a primary side gate signal generating unit 281 in the control circuit 200. 制御回路200の制御動作例を説明する波形図(三角波キャリア信号A、被比較波、一次側スイッチング信号、交流電圧V1)。4 is a waveform diagram illustrating an example of the control operation of the control circuit 200 (triangular wave carrier signal A, compared wave, primary side switching signal, and AC voltage V1). 制御回路200における二次側ゲート信号生成部282の内部構成例を示す構成図。FIG. 2 is a diagram showing an example of the internal configuration of a secondary side gate signal generating unit 282 in the control circuit 200. 制御回路200の制御動作例を説明する波形図(三角波キャリア信号B、被比較波、二次側スイッチング信号、交流電圧V2)。4 is a waveform diagram illustrating an example of the control operation of the control circuit 200 (triangular wave carrier signal B, compared wave, secondary side switching signal, AC voltage V2). 制御回路200における電流検出値のサンプリングの一例を説明する波形図(三角波キャリア信号A,B、被比較波、交流電圧V1,V2、電流検出値I1,Ifil)。1 is a waveform diagram illustrating an example of sampling of current detection values in the control circuit 200 (triangular wave carrier signals A and B, compared wave, AC voltages V1 and V2, and current detection values I1 and Ifil).

本発明の実施形態における双方向コンバータおよび制御方法の制御構成は、例えば、従来コンバータJ1のように単にDAB回路二次側の直流出力部の電流検出値等に基づいて電流制御する構成や、従来コンバータJ2のように単にDAB回路のトランスの入出力電流等を直接検出して電流制御する構成とは、全く異なるものである。 The control configuration of the bidirectional converter and control method in the embodiment of the present invention is completely different from, for example, a configuration in which current is controlled simply based on the current detection value of the DC output section on the secondary side of the DAB circuit, as in the conventional converter J1, or a configuration in which current is controlled by simply directly detecting the input/output current of the transformer of the DAB circuit, as in the conventional converter J2.

すなわち、本実施形態による制御構成は、第1,第2直流電源間のDAB回路の電力伝送の出力電力を制御する制御回路において、当該DAB回路一次側に配置される第1コンバータ部の出力電圧のパルス幅を決定する一次側パルス幅指令値と、当該DAB回路二次側に配置される第2コンバータ部の出力電圧のパルス幅を決定する二次側パルス幅指令値と、一次側パルス幅指令値および二次側パルス幅指令値の出力電圧の位相差を決定する位相差指令値と、を演算する。第1直流電源の直流電圧は、第2直流電源の直流電圧よりも低い、または当該第2直流電源の直流電圧と同等とする。 That is, in the control configuration according to this embodiment, a control circuit that controls the output power of the power transmission of the DAB circuit between the first and second DC power sources calculates a primary side pulse width command value that determines the pulse width of the output voltage of the first converter unit arranged on the primary side of the DAB circuit, a secondary side pulse width command value that determines the pulse width of the output voltage of the second converter unit arranged on the secondary side of the DAB circuit, and a phase difference command value that determines the phase difference of the output voltage between the primary side pulse width command value and the secondary side pulse width command value. The DC voltage of the first DC power source is lower than the DC voltage of the second DC power source or is equal to the DC voltage of the second DC power source.

また、第2コンバータ部の各スイッチング素子のゲート信号においては、トランスの入力電流または出力電流から検出した電流検出値と、一次側パルス幅指令値と、二次側パルス幅指令値と、第1コンバータ部の直流側から検出した一次側電圧検出値と、第2コンバータ部の直流側から検出した二次側電圧検出値と、三角波キャリア信号と、に基づいて、当該第1コンバータ部の入出力力率が1となるように生成する。 The gate signal of each switching element of the second converter unit is generated so that the input/output power factor of the first converter unit is 1 based on the current detection value detected from the input or output current of the transformer, the primary side pulse width command value, the secondary side pulse width command value, the primary side voltage detection value detected from the DC side of the first converter unit, the secondary side voltage detection value detected from the DC side of the second converter unit, and the triangular wave carrier signal.

そして、前記電流検出値においては、前記三角波キャリア信号の山部および谷部のうち何れか一方において、当該一方の頂点から遅延したサンプリング点でサンプリングされ、ローパスフィルタにより、前記三角波キャリア信号の周波数であるスイッチング周波数よりも大きい高周波成分が、当該電流検出値から除去され、前記制御回路により、前記電流検出値が電流指令値となるように制御されるものとする。 The current detection value is sampled at one of the peaks and valleys of the triangular wave carrier signal at a sampling point delayed from the peak of the other peak, and a low-pass filter removes high-frequency components greater than the switching frequency, which is the frequency of the triangular wave carrier signal , from the current detection value , and the control circuit controls the current detection value to become a current command value .

このような本実施形態の制御構成によれば、トランスの入力電流または出力電流の検出値を電流制御に適用するものであるため、例えば従来コンバータJ1で生じ得るような制御応答遅れを抑制することができる。また、当該電流検出値によれば、トランスに発生し得る過電流の有無を適宜把握することが容易となる。 According to the control configuration of this embodiment, the detected value of the input current or output current of the transformer is applied to the current control, so that it is possible to suppress the control response delay that may occur in the conventional converter J1, for example. In addition, the current detection value makes it easy to appropriately grasp the presence or absence of an overcurrent that may occur in the transformer.

また、第2コンバータ部の各スイッチング素子のゲート信号において、第1コンバータ部の入出力力率が1となるように生成するため、例えば各スイッチング素子,リアクトル,トランスの通過電流を低減することができる。これにより、例えばDAB回路一次側・二次側それぞれの直流電圧の差が大きい場合であっても、スイッチング損,導通損,銅損を十分抑制(例えば従来コンバータJ2と比較して十分抑制)することが可能となる。 In addition, the gate signals of each switching element of the second converter are generated so that the input/output power factor of the first converter is 1, so that, for example, the passing current of each switching element, reactor, and transformer can be reduced. This makes it possible to sufficiently suppress switching loss, conduction loss, and copper loss (sufficiently suppressed, for example, compared to the conventional converter J2) even when, for example, there is a large difference in the DC voltage between the primary and secondary sides of the DAB circuit.

ゆえに、双方向コンバータの制御応答の向上や構成部品の保護に貢献可能となる。このような貢献によれば、例えば直流電源装置に接続された負荷(接続機器等)について高精度な負荷運転ができ、また、当該直流電源装置の信頼性を向上できる可能性がある。 This can contribute to improving the control response of bidirectional converters and protecting their components. Such contributions can enable highly accurate load operation of a load (connected equipment, etc.) connected to a DC power supply, and can potentially improve the reliability of the DC power supply.

本実施形態の双方向コンバータおよび制御方法は、前述のように、DAB回路一次側に配置される第1コンバータ部の入出力力率が1となるように、第2コンバータ部の各スイッチング素子のゲート信号を適宜生成できるものであれば、種々の分野(例えば、電力変換技術等の分野)の技術常識を適宜適用し、必要に応じて先行技術文献等を適宜参照して設計変形することが可能であり、その一例として以下に示す実施例が挙げられる。 As described above, the bidirectional converter and control method of this embodiment can be modified in design by appropriately applying common technical knowledge in various fields (e.g., power conversion technology, etc.) and referring to prior art documents as necessary, as long as the gate signals of the switching elements of the second converter section can be appropriately generated so that the input/output power factor of the first converter section arranged on the primary side of the DAB circuit is 1. One example of this is shown in the following example.

なお、以下の実施例では、例えば互いに同様の内容について同一符号を引用する等により、詳細な説明を適宜省略しているものとする。また、主として、後述の直流電源1の直流電圧が後述の直流電源2の直流電圧よりも低い場合、または当該直流電源1,2の各直流電圧が同等の場合を想定して説明する。 In the following examples, detailed explanations will be omitted as appropriate, for example by referring to the same reference numerals for similar contents. In addition, the following explanations will be mainly based on the assumption that the DC voltage of DC power source 1 described below is lower than the DC voltage of DC power source 2 described below, or that the DC voltages of DC power sources 1 and 2 are equal.

《実施例》
図1に示す直流電源装置は、本実施形態の一例である双方向コンバータSを説明するためのものである。図1に示す双方向コンバータSは、DAB回路100と制御回路200を主として備え、2つの直流電源1,2の両者間に介在して電力伝送(双方向に電力伝送)できるように構成されている。
Example
The DC power supply device shown in Fig. 1 is for explaining a bidirectional converter S, which is an example of this embodiment. The bidirectional converter S shown in Fig. 1 mainly comprises a DAB circuit 100 and a control circuit 200, and is configured to be interposed between two DC power sources 1 and 2 so as to transmit power (transmit power in both directions).

DAB回路100は、直流電源1に並列に接続された第1平滑コンデンサ3と、スイッチング回路を有した第1コンバータ部4と、絶縁されたトランスとしての高周波トランス8と、スイッチング回路を有した第2コンバータ部10と、直流電源2に並列に接続された第2平滑コンデンサ11と、を主として備えている。 The DAB circuit 100 mainly comprises a first smoothing capacitor 3 connected in parallel to the DC power source 1, a first converter section 4 having a switching circuit, a high-frequency transformer 8 as an isolated transformer, a second converter section 10 having a switching circuit, and a second smoothing capacitor 11 connected in parallel to the DC power source 2.

第1コンバータ部4のスイッチング回路は、例えばIGBTやMOSFET等を用いて成る複数の半導体スイッチング素子5a~5d(以下、単にスイッチ5a~5dと適宜称する)を有した構成(フルブリッジ回路構成)である。 The switching circuit of the first converter section 4 is configured (full bridge circuit configuration) with multiple semiconductor switching elements 5a to 5d (hereinafter simply referred to as switches 5a to 5d) made of, for example, IGBTs, MOSFETs, etc.

図1の第1コンバータ部4のスイッチング回路の場合、直列接続されたスイッチ5a,5bから成る第1スイッチングアームと、直列接続されたスイッチ5c,5dから成る第2スイッチングアームと、が並列接続された単相フルブリッジ回路で構成されている。 The switching circuit of the first converter section 4 in FIG. 1 is configured as a single-phase full-bridge circuit in which a first switching arm consisting of switches 5a and 5b connected in series and a second switching arm consisting of switches 5c and 5d connected in series are connected in parallel.

そして、第1コンバータ部4の直流側が第1平滑コンデンサ3に接続され、当該第1コンバータ部4の交流側が高周波トランス8の第1巻線(一次側)8aに接続されており、直流/交流間の双方向の電力変換を行うことが可能な構成となっている。 The DC side of the first converter unit 4 is connected to the first smoothing capacitor 3, and the AC side of the first converter unit 4 is connected to the first winding (primary side) 8a of the high-frequency transformer 8, making it possible to perform bidirectional power conversion between DC and AC.

図1中の各スイッチ5a~5dの場合、それぞれダイオードが逆並列接続されている。また、各スイッチ5a~5dには、それぞれ並列にコンデンサ6a~6dが接続され、ゼロ電圧スイッチング回路構成となっている。このゼロ電圧スイッチング回路構成により、各スイッチ5a~5dのターンオン時において、各素子の両端電圧をほぼゼロ電圧にすることも可能となる。 In the case of each of the switches 5a to 5d in FIG. 1, a diode is connected in anti-parallel. In addition, each of the switches 5a to 5d is connected in parallel to a capacitor 6a to 6d, respectively, forming a zero-voltage switching circuit configuration. This zero-voltage switching circuit configuration makes it possible to make the voltage across each element almost zero when each of the switches 5a to 5d is turned on.

また、各スイッチ5a~5dとトランス8との間の交流入出力線には、第1リアクトル7が接続され、当該第1リアクトル7と第1巻線8aとが直列接続された構成となっている。 In addition, a first reactor 7 is connected to the AC input/output lines between each switch 5a to 5d and the transformer 8, and the first reactor 7 and the first winding 8a are connected in series.

第2コンバータ部10のスイッチング回路は、第1コンバータ部4の場合と同様に、例えばIGBTやMOSFET等を用いて成る複数のスイッチ12a~12dを有した構成(フルブリッジ回路構成)である。 The switching circuit of the second converter section 10, like that of the first converter section 4, is configured with multiple switches 12a to 12d (full bridge circuit configuration) that are made up of, for example, IGBTs, MOSFETs, etc.

図1の第2コンバータ部10のスイッチング回路の場合、直列接続されたスイッチ12a,12bから成る第3スイッチングアームと、直列接続されたスイッチ12c,12dから成る第4スイッチングアームと、が並列接続された単相フルブリッジ回路で構成されている。 In the case of the switching circuit of the second converter section 10 in FIG. 1, it is configured as a single-phase full bridge circuit in which a third switching arm consisting of switches 12a and 12b connected in series and a fourth switching arm consisting of switches 12c and 12d connected in series are connected in parallel.

そして、第2コンバータ部10の直流側が第2平滑コンデンサ11に接続され、当該第2コンバータ部10の交流側がトランス8の第2巻線(二次側)8bに接続されており、直流/交流間の双方向の電力変換を行うことが可能な構成となっている。 The DC side of the second converter unit 10 is connected to the second smoothing capacitor 11, and the AC side of the second converter unit 10 is connected to the second winding (secondary side) 8b of the transformer 8, making it possible to perform bidirectional power conversion between DC and AC.

図1中の各スイッチ12a~12dの場合も、それぞれダイオードが逆並列接続されている。また、各スイッチ12a~12dには、それぞれ並列にコンデンサ13a~13dが接続され、ゼロ電圧スイッチング回路構成となっている。このゼロ電圧スイッチング回路構成により、各スイッチ12a~12dのターンオン時において、各素子の両端電圧をほぼゼロ電圧にすることも可能となる。 In the case of each of the switches 12a to 12d in FIG. 1, a diode is connected in anti-parallel. In addition, each of the switches 12a to 12d is connected in parallel to a capacitor 13a to 13d, respectively, forming a zero-voltage switching circuit configuration. This zero-voltage switching circuit configuration makes it possible to make the voltage across each element almost zero when each of the switches 12a to 12d is turned on.

また、各スイッチ12a~12dとトランス8との間の交流入出力線には、第2リアクトル9が接続され、当該第2リアクトル9と第2巻線8bとが直列接続された構成となっている。 In addition, a second reactor 9 is connected to the AC input/output lines between each switch 12a to 12d and the transformer 8, and the second reactor 9 and the second winding 8b are connected in series.

DAB回路100においては、交流電流Iを検出する電流検出器20が設置されている。この電流検出器20は、前述のように交流電流Iを検出できるものであれば、種々の態様を適用することができ、その設置位置も適宜変更することが可能である。電流検出器20の具体例としては、例えばホールCT等のセンサを用いてなるものが挙げられる。また、電流検出器20の設置位置においては、トランス8の一次側または二次側において交流電流Iを検出できる位置が挙げられる。 In the DAB circuit 100, a current detector 20 is installed to detect the AC current I. As long as the current detector 20 can detect the AC current I as described above, various configurations can be applied, and the installation position can also be changed as appropriate. A specific example of the current detector 20 is one that uses a sensor such as a Hall CT. In addition, the installation position of the current detector 20 can be a position where the AC current I can be detected on the primary side or secondary side of the transformer 8.

図1の電流検出器20の場合、トランス8の一次側(第1コンバータ部4とトランス8の第1巻線8aとの間)において交流電流Iを検出する構成となっているが、例えばスイッチ5a,5bの共通接続点と第1リアクトル7との間や、スイッチ5c,5dの共通接続点と第1巻線8aとの間で検出する構成であっても良い。このように検出された電流検出値(後述の図7では電流検出値I1)は、制御回路200に入力されることとなる。 In the case of the current detector 20 in FIG. 1, the AC current I is detected on the primary side of the transformer 8 (between the first converter section 4 and the first winding 8a of the transformer 8), but it may also be detected, for example, between the common connection point of the switches 5a and 5b and the first reactor 7, or between the common connection point of the switches 5c and 5d and the first winding 8a. The current detection value detected in this way (current detection value I1 in FIG. 7 described later) is input to the control circuit 200.

また、DAB回路100の第1コンバータ部4直流側には、当該直流側の直流電圧を検出する一次側電圧検出器31が設置されている。また、第2コンバータ部10直流側には、当該直流側の直流電圧を検出する二次側電圧検出器32が設置されている。これら一次側電圧検出器31,二次側電圧検出器32は、前述のように直流電圧を検出できるものであれば、種々の態様を適用することができ、その設置位置も適宜変更することが可能である。 In addition, a primary side voltage detector 31 is installed on the DC side of the first converter unit 4 of the DAB circuit 100 to detect the DC voltage on the DC side. In addition, a secondary side voltage detector 32 is installed on the DC side of the second converter unit 10 to detect the DC voltage on the DC side. As long as the primary side voltage detector 31 and secondary side voltage detector 32 can detect DC voltage as described above, various configurations can be applied, and their installation positions can also be changed as appropriate.

図1の場合、一次側電圧検出器31は第1平滑コンデンサ3と直流電源1との間に設置され、二次側電圧検出器32は第2平滑コンデンサ11と直流電源2との間に設置されている。これにより、一次側電圧検出器31,二次側電圧検出器32は、それぞれ第1,第2平滑コンデンサ3,11の直流電圧を検出できる構成となっている。このように検出された各電圧検出値(一次側電圧検出値,二次側電圧検出値)も、制御回路200に入力されることとなる。 In the case of FIG. 1, the primary side voltage detector 31 is installed between the first smoothing capacitor 3 and the DC power supply 1, and the secondary side voltage detector 32 is installed between the second smoothing capacitor 11 and the DC power supply 2. As a result, the primary side voltage detector 31 and the secondary side voltage detector 32 are configured to detect the DC voltages of the first and second smoothing capacitors 3 and 11, respectively. The voltage detection values detected in this way (primary side voltage detection value, secondary side voltage detection value) are also input to the control circuit 200.

制御回路200は、電流検出器20で検出された電流検出値と、一次側電圧検出器31,二次側電圧検出器32で検出された各電圧検出値と、が入力される。また、第2コンバータ部10直流側における所望の電圧指令値が設定されており、所望の三角波キャリア信号を生成できるようになっている。 The control circuit 200 receives the current detection value detected by the current detector 20 and the voltage detection values detected by the primary side voltage detector 31 and the secondary side voltage detector 32. In addition, a desired voltage command value is set on the DC side of the second converter unit 10, so that a desired triangular wave carrier signal can be generated.

また、制御回路200は、電流検出値,各電圧検出値,電圧指令値,三角波キャリア信号(例えば後述の三角波キャリア信号Aや三角波キャリア信号B)に基づいて、第1,第2コンバータ部4,10の各スイッチ5a~5d,12a~12dをそれぞれスイッチング制御するゲート信号G-5(具体的には、各スイッチ5a~5d毎のゲート信号G-5a~G-5d;オンオフ指令信号),G-12(具体的には、各スイッチ12a~12d毎のゲート信号G-12a~G-12d;オンオフ指令信号)を生成できるようになっている。 The control circuit 200 is also capable of generating gate signals G-5 (specifically, gate signals G-5a to G-5d for each switch 5a to 5d; on/off command signals) and G-12 (specifically, gate signals G-12a to G-12d for each switch 12a to 12d; on/off command signals) that control the switching of each switch 5a to 5d, 12a to 12d of the first and second converter units 4 and 10, respectively, based on the current detection value, each voltage detection value, voltage command value, and triangular wave carrier signal (for example, triangular wave carrier signal A and triangular wave carrier signal B described below).

そして、制御回路200は、前記生成されたゲート信号G-5,G-12を各スイッチ5a~5d,12a~12dにそれぞれ送信し、第1,第2コンバータ部4,10の各々のスイッチング回路を駆動制御できるような制御構成となっている。 The control circuit 200 is configured to transmit the generated gate signals G-5 and G-12 to each switch 5a to 5d and 12a to 12d, respectively, to drive and control the switching circuits of the first and second converter units 4 and 10.

また、各スイッチ5a~5dとトランス8との間の交流入出力線には、第1リアクトル7が接続され、当該第1リアクトル7と第1巻線8aとが直列接続された構成となっている。 In addition, a first reactor 7 is connected to the AC input/output lines between each switch 5a to 5d and the transformer 8, and the first reactor 7 and the first winding 8a are connected in series.

以上示した双方向コンバータSにおいては、目的に応じて適宜設計変更することができる。例えば、コンデンサ6a~6d,13a~13dや第1,第2リアクトル7,9は、適宜省略しても良い。 The bidirectional converter S described above can be modified in design as needed depending on the purpose. For example, the capacitors 6a-6d, 13a-13d and the first and second reactors 7, 9 may be omitted as needed.

また、制御回路200においても、前述のように第1,第2コンバータ部4,10の各々のスイッチング回路を駆動制御できるような制御構成であれば、種々の態様を適用することができ、具体例としては以下に示す構成例が挙げられる。 In addition, as for the control circuit 200, as long as the control configuration is such that it can drive and control the switching circuits of the first and second converter units 4 and 10 as described above, various aspects can be applied, and specific examples include the configuration example shown below.

〈制御回路200の構成例〉
図2は、制御回路200の構成例を示すものである。図2の制御回路の場合、電圧検出ローパスフィルタ部(LPF:Low-Pass Filter)210,220、電流検出ローパスフィルタ部230、電圧制御部(AVR:Automatic Voltage Regurator)240、電流制限部250、電流制御部(ACR:Automatic Current Regurator)260、パルス幅演算部270、一次側ゲート信号生成部281、二次側ゲート信号生成部282、三角波生成部300、ADC部(ADC:Analog-to―Digital Converter)310を、主として備えている。
<Configuration example of control circuit 200>
Fig. 2 shows an example of the configuration of the control circuit 200. The control circuit in Fig. 2 mainly includes voltage detection low-pass filter units (LPF: Low-Pass Filter) 210, 220, a current detection low-pass filter unit 230, a voltage control unit (AVR: Automatic Voltage Regulator) 240, a current limiting unit 250, a current control unit (ACR: Automatic Current Regulator) 260, a pulse width calculation unit 270, a primary side gate signal generation unit 281, a secondary side gate signal generation unit 282, a triangular wave generation unit 300, and an ADC unit (ADC: Analog-to-Digital Converter) 310.

電圧検出ローパスフィルタ部210には、一次側電圧検出器31で検出された一次側電圧検出値が入力され、電圧検出ローパスフィルタ部220には、二次側電圧検出器32で検出された二次側電圧検出値が入力される。これら電圧検出ローパスフィルタ部210,220により、前記入力された一次側電圧検出値,二次側電圧検出値の高周波のノイズ成分を、それぞれ除去できる構成となっている。 The primary side voltage detection value detected by the primary side voltage detector 31 is input to the voltage detection low pass filter unit 210, and the secondary side voltage detection value detected by the secondary side voltage detector 32 is input to the voltage detection low pass filter unit 220. These voltage detection low pass filter units 210, 220 are configured to remove high frequency noise components from the input primary side voltage detection value and secondary side voltage detection value, respectively.

減算器24aは、電圧検出ローパスフィルタ部220の出力と電圧指令値との差分を導出するものであり、当該差分を電圧制御部240に入力できる構成となっている。 The subtractor 24a derives the difference between the output of the voltage detection low-pass filter unit 220 and the voltage command value, and is configured to input this difference to the voltage control unit 240.

電圧制御部240は、減算器24aの出力に基づいて、二次側電圧検出値が電圧指令値となるように制御できる構成となっている。この電圧制御部240の制御構成は、例えばPID補償器等を用いてなる構成が挙げられる。そして、電圧制御部240の出力は、電流指令値となって適用されることとなる。 The voltage control unit 240 is configured to be able to control the secondary side voltage detection value to become a voltage command value based on the output of the subtractor 24a. The control configuration of this voltage control unit 240 can be, for example, a configuration using a PID compensator or the like. The output of the voltage control unit 240 is then applied as a current command value.

電流制限部250は、電流指令値に係る許容電流値が予め設定されているものであり、電圧制御部240から入力された電流指令値を、許容電流値以下となるように制限できる構成となっている。 The current limiting unit 250 has a preset allowable current value related to the current command value, and is configured to limit the current command value input from the voltage control unit 240 so that it is equal to or less than the allowable current value.

三角波生成部300は、各スイッチ5a~5d,12a~12dのスイッチング、および交流電流Iの検出のサンプルの基準となる三角波キャリア信号Aを生成できる構成となっている。三角波キャリア信号Aにおいては、当該三角波キャリア信号Aの周波数がスイッチング周波数(fc)となり、三角波キャリア信号Aの平均値がゼロとなるようにした正負対称(最大値1、最小値-1の正負対称)の信号である。このような三角波キャリア信号Aにより、例えば後述の図4に示すように、当該三角波キャリア信号Aの正の部分が山部となり、負の部分が谷部として現れることとなる。 The triangular wave generating unit 300 is configured to generate a triangular wave carrier signal A that serves as a reference for switching the switches 5a to 5d, 12a to 12d and for sampling detection of the AC current I. The triangular wave carrier signal A has a frequency equal to the switching frequency (fc) and is a signal with positive and negative symmetry (maximum value 1, minimum value -1) such that the average value of the triangular wave carrier signal A is zero. With such a triangular wave carrier signal A, the positive parts of the triangular wave carrier signal A appear as peaks and the negative parts appear as valleys, for example, as shown in FIG. 4 described later.

電流検出器20で検出した電流検出値は、電流検出ローパスフィルタ部230に入力され、高周波のノイズ成分が除去される。そして、電流検出ローパスフィルタ部230の出力と、三角波生成部300で生成した三角波キャリア信号が、それぞれADC部310に入力される。 The current detection value detected by the current detector 20 is input to the current detection low-pass filter unit 230, which removes high-frequency noise components. Then, the output of the current detection low-pass filter unit 230 and the triangular wave carrier signal generated by the triangular wave generating unit 300 are each input to the ADC unit 310.

ADC部310は、電流検出ローパスフィルタ部230でノイズを除去した電流検出値を、デジタル値に変換してサンプリングできる構成となっている。この電流検出値の変換およびサンプリングのタイミングは、三角波キャリア信号Aの山部および谷部のうち何れか一方であって、当該一方の頂点から遅延したサンプリング点(後述の図7では例えば記号「▽」で示されたサンプル点)としている。 The ADC section 310 is configured to convert the current detection value, from which noise has been removed by the current detection low-pass filter section 230, into a digital value and sample it. The timing of the conversion and sampling of the current detection value is either one of the peaks or valleys of the triangular wave carrier signal A, and the sampling point is delayed from the peak of that one (for example, the sample point indicated by the symbol "▽" in Figure 7 described below).

減算器26aは、電流制限部250の出力とADC部310の出力との差分を導出するものであり、その差分を電流制御部260に入力できる構成となっている。 The subtractor 26a derives the difference between the output of the current limiting section 250 and the output of the ADC section 310, and is configured to input this difference to the current control section 260.

電流制御部260は、減算器26aの出力に基づいて、電流検出値が電流指令値となるように制御できる構成となっている。この電流制御部260の制御構成は、例えばPID補償器等を用いてなる構成が挙げられる。そして、電流制御部260の出力は、位相差指令値θとなって適用されることとなる。 The current control unit 260 is configured to be able to control the current detection value to become the current command value based on the output of the subtractor 26a. The control configuration of this current control unit 260 can be, for example, a configuration using a PID compensator. The output of the current control unit 260 is applied as the phase difference command value θ.

位相差指令値θは、電圧検出ローパスフィルタ部210,220から出力された各電圧検出値(フィルタ後の一次側電圧検出値,二次側電圧検出値)および第1コンバータ部4の一次側パルス幅指令値W1とともに、パルス幅演算部270に入力される。一次側パルス幅指令値W1においては、例えば予め制御回路200に設定されたパルス幅である。 The phase difference command value θ is input to the pulse width calculation unit 270 together with each voltage detection value (filtered primary side voltage detection value, secondary side voltage detection value) output from the voltage detection low pass filter units 210, 220 and the primary side pulse width command value W1 of the first converter unit 4. The primary side pulse width command value W1 is, for example, a pulse width set in advance in the control circuit 200.

パルス幅演算部270は、例えば後述の演算例に示すように、第2コンバータ部10の二次側パルス幅指令値W2を演算できる構成となっている。 The pulse width calculation section 270 is configured to be able to calculate a secondary side pulse width command value W2 of the second converter section 10, for example, as shown in a calculation example described later.

一次側ゲート信号生成部281は、一次側パルス幅指令値W1と、三角波生成部300で生成された三角波キャリア信号Aと、が入力され、ゲート信号G-5を生成できる構成となっている。 The primary side gate signal generating unit 281 is configured to receive the primary side pulse width command value W1 and the triangular wave carrier signal A generated by the triangular wave generating unit 300, and to generate a gate signal G-5.

二次側ゲート信号生成部282は、二次側パルス幅指令値W2と、三角波生成部300で生成された三角波キャリア信号Aと、位相差指令値θと、が入力され、二次側ゲート信号G-12を生成できる構成となっている。 The secondary side gate signal generating unit 282 is configured to receive the secondary side pulse width command value W2 , the triangular wave carrier signal A generated by the triangular wave generating unit 300, and the phase difference command value θ, and to generate the secondary side gate signal G-12.

〈パルス幅演算部270による演算例〉
例えば非特許文献2に示されている内容によると、図1に示した双方向コンバータSの第1リアクトル7に流れる電流I(つまり電流検出器20で検出した電流検出値)を低減することにより、銅損,導通損失を抑制できることが読み取れる。
<Example of Calculation by Pulse Width Calculation Unit 270>
For example, according to the contents shown in Non-Patent Document 2, it can be read that copper loss and conduction loss can be suppressed by reducing the current I (i.e., the current detection value detected by the current detector 20) flowing through the first reactor 7 of the bidirectional converter S shown in FIG. 1.

また、第1リアクトル7に流れる電流が最小となる条件の一つとしては、直流電圧が大きい方のインバータ(図1では第2コンバータ部10のスイッチング回路)が高周波トランスやリアクトルに供給される無効電力をすべて負担し、当該直流電圧が小さい方のインバータ(本実施例においては第1コンバータ部4のスイッチング回路)を力率1で運転することが読み取れる。 In addition, one of the conditions for minimizing the current flowing through the first reactor 7 can be seen as the inverter with the higher DC voltage (the switching circuit of the second converter unit 10 in FIG. 1) bearing all of the reactive power supplied to the high-frequency transformer and reactor, and the inverter with the lower DC voltage (the switching circuit of the first converter unit 4 in this embodiment) operating at a power factor of 1.

そこで、パルス幅演算部270においては、前記非特許文献2の内容により、下記(1)式を満たすように二次側パルス幅指令値W2を演算することが挙げられる。なお、下記(1)式において、Vdc1は第1コンバータ部4の出力電圧のパルス幅を決定する一次側電圧検出値、Vdc2は第2コンバータ部10の出力電圧のパルス幅を決定する二次側電圧検出値、θは一次側パルス幅指令値W1および二次側パルス幅指令値W2の出力電圧の位相差を決定する位相差指令値(rad)とする。また、一次側パルス幅指令値W1は任意の固定値とし、W1は0<W1≦1を満たし、W2は0<W2≦1を満たすものとする。 Therefore, in the pulse width calculation unit 270, the secondary side pulse width command value W2 is calculated so as to satisfy the following formula (1) according to the contents of the above-mentioned non-patent document 2. In the following formula (1), Vdc1 is a primary side voltage detection value that determines the pulse width of the output voltage of the first converter unit 4, Vdc2 is a secondary side voltage detection value that determines the pulse width of the output voltage of the second converter unit 10, and θ is a phase difference command value (rad) that determines the phase difference of the output voltage between the primary side pulse width command value W1 and the secondary side pulse width command value W2. In addition, the primary side pulse width command value W1 is an arbitrary fixed value, W1 satisfies 0< W1 ≦1, and W2 satisfies 0< W2 ≦1.

Figure 0007563190000003
Figure 0007563190000003

この(1)式においてVdc1が小さ過ぎる場合には、W1=1としても、力率1の運転ができなくなることが考えられ得る。このような場合、パルス幅演算部270においては、下記(2)式を満たす範囲で演算動作することが挙げられる。 If Vdc1 in this formula (1) is too small, it may be impossible to operate with a power factor of 1 even if W1 = 1. In such a case, the pulse width calculation unit 270 performs calculations within a range that satisfies the following formula (2).

Figure 0007563190000004
Figure 0007563190000004

以上のようにパルス幅演算部270を演算動作させることにより、図1に示した双方向コンバータSの第1リアクトル7に流れる電流Iを低減し、銅損,導通損失を抑制できることとなる。 By operating the pulse width calculation unit 270 as described above, the current I flowing through the first reactor 7 of the bidirectional converter S shown in Figure 1 can be reduced, and copper loss and conduction loss can be suppressed.

〈一次側ゲート信号生成部281によるゲート信号G-5の生成例〉
制御回路200の一次側ゲート信号生成部281においては、例えば図3に示すような構成を適用し、下記のとおり制御動作させることが挙げられる。
<Example of generation of gate signal G-5 by primary side gate signal generating unit 281>
In the primary side gate signal generating section 281 of the control circuit 200, for example, a configuration as shown in FIG. 3 is applied, and the control operation is performed as follows.

図3に示す一次側ゲート信号生成部281の場合、演算部400、矩形波生成部410、乗算器421,422、三角波比較部431,432、デッドタイム生成部441,442,443,444を、主として備えている。 The primary side gate signal generating unit 281 shown in FIG. 3 mainly comprises a calculation unit 400, a rectangular wave generating unit 410, multipliers 421 and 422, triangular wave comparing units 431 and 432, and dead time generating units 441, 442, 443, and 444.

この一次側ゲート信号生成部281には、あらかじめ制御回路200に設定された一次側パルス幅指令値W1が、入力される。一次側パルス幅指令値W1は、演算部400に入力されて1-W1の値に変換されることとなる(すなわち、W1は0<W1≦1を満たす場合には、0≦(1-W1)<1となる)。 A primary side pulse width command value W1 set in advance in the control circuit 200 is input to this primary side gate signal generation unit 281. The primary side pulse width command value W1 is input to the calculation unit 400 and converted to a value of 1- W1 (that is, when W1 satisfies 0< W1 ≦1, 0≦(1- W1 )<1).

矩形波生成部410は、三角波キャリア信号Aに同期した2種類の矩形波信号を生成し、その生成した各矩形波信号をそれぞれ乗算器421,422に入力できる構成となっている。具体的に、三角波キャリア信号Aの立ち上がり時(傾きが正の時)に-1、立ち下がり時(傾きが負の時)に+1とした矩形波信号は、乗算器421に入力する。また、三角波キャリア信号Aの立ち上がり時(傾きが正の時)に+1、立ち下がり時(傾きが負の時)に-1とした矩形波信号は、乗算器422に入力する。 The square wave generating unit 410 is configured to generate two types of square wave signals synchronized with the triangular wave carrier signal A, and input each of the generated square wave signals to the multipliers 421 and 422. Specifically, a square wave signal that is -1 when the triangular wave carrier signal A rises (when the slope is positive) and +1 when it falls (when the slope is negative) is input to the multiplier 421. In addition, a square wave signal that is +1 when the triangular wave carrier signal A rises (when the slope is positive) and -1 when it falls (when the slope is negative) is input to the multiplier 422.

乗算器421では、矩形波生成部410で生成した矩形波信号において、演算部400で演算した(1-W1)を乗算することにより、第1コンバータ部4のスイッチ5a,5bに係るスイッチング信号G-5a,G-5b用の被比較波(以下、単にG-5a,G-5b用被比較波と適宜称する)にする。このG-5a,G-5b用被比較波は、三角波キャリア信号Aとともに、三角波比較部431に入力される。 The multiplier 421 multiplies the rectangular wave signal generated by the rectangular wave generating unit 410 by (1-W 1 ) calculated by the calculating unit 400 to generate a compared wave for the switching signals G-5a, G-5b (hereinafter simply referred to as the compared wave for G-5a, G-5b) related to the switches 5a, 5b of the first converter unit 4. This compared wave for G-5a, G-5b is input to the triangular wave comparing unit 431 together with the triangular wave carrier signal A.

三角波比較部431では、例えば図4に示すように、G-5a,G-5b用被比較波と三角波キャリア信号Aとの比較結果に基づいて、スイッチング信号G-5a,G-5bを生成する。 The triangular wave comparator 431 generates switching signals G-5a and G-5b based on the results of the comparison between the G-5a and G-5b comparison waves and the triangular wave carrier signal A, as shown in FIG. 4, for example.

図4に示すスイッチング信号G-5a,G-5bの場合、G-5a,G-5b用被比較波≦三角波キャリア信号Aとなっている領域において、スイッチ5aがスイッチングオン,スイッチ5bがスイッチングオフとなり、G-5a,G-5b用被比較波>三角波キャリア信号Aとなっている領域においては、スイッチ5aがスイッチングオフ,スイッチ5bがスイッチングオンとなるような信号になっている。 In the case of the switching signals G-5a and G-5b shown in FIG. 4, in the region where the compared wave for G-5a and G-5b is less than or equal to the triangular wave carrier signal A, switch 5a switches on and switch 5b switches off, and in the region where the compared wave for G-5a and G-5b is greater than or equal to the triangular wave carrier signal A, switch 5a switches off and switch 5b switches on.

このように生成されたスイッチング信号G-5a,G-5bは、それぞれデッドタイム生成部441,442に入力される。そして、デッドタイム生成部441,442により、当該スイッチング信号G-5a,G-5bの立ち上がり部がデッドタイム分削除されて(例えば、デッドタイム分オン信号→オフ信号に修正されて)、それぞれスイッチ5a,5b用のゲート信号G-5a,G-5bとなる。 The switching signals G-5a and G-5b generated in this way are input to the dead time generating units 441 and 442, respectively. Then, the rising parts of the switching signals G-5a and G-5b are deleted by the dead time generating units 441 and 442 for the dead time (for example, the on signal is corrected to an off signal for the dead time), and become the gate signals G-5a and G-5b for the switches 5a and 5b, respectively.

乗算器422では、矩形波生成部410で生成した矩形波信号において、演算部400で演算した(1-W1)を乗算することにより、第1コンバータ部4のスイッチ5c,5dに係るスイッチング信号G-5c,G-5d用の被比較波(以下、単にG-5c,G-5d用被比較波と適宜称する)にする。このG-5c,G-5d用被比較波は、三角波キャリア信号Aとともに、三角波比較部432に入力される。 The multiplier 422 multiplies the rectangular wave signal generated by the rectangular wave generating unit 410 by (1-W 1 ) calculated by the calculating unit 400 to generate a compared wave for the switching signals G-5c, G-5d (hereinafter simply referred to as the compared wave for G-5c, G-5d) related to the switches 5c, 5d of the first converter unit 4. This compared wave for G-5c, G-5d is input to the triangular wave comparing unit 432 together with the triangular wave carrier signal A.

三角波比較部432では、例えば図4に示すように、G-5c,G-5d用被比較波と三角波キャリア信号Aとの比較結果に基づいて、スイッチング信号G-5c,G-5dを生成する。 The triangular wave comparator 432 generates switching signals G-5c and G-5d based on the results of the comparison between the compared waves for G-5c and G-5d and the triangular wave carrier signal A, as shown in FIG. 4, for example.

図4に示すスイッチング信号G-5c,G-5dの場合、G-5c,G-5d用被比較波≦三角波キャリア信号Aとなっている領域において、スイッチ5cがスイッチングオフ,スイッチ5dがスイッチングオンとなり、G-5c,G-5d用被比較波>三角波キャリア信号Aとなっている領域においては、スイッチ5cがスイッチングオン,スイッチ5dがスイッチングオフとなるような信号になっている。 In the case of the switching signals G-5c and G-5d shown in FIG. 4, in the region where the compared wave for G-5c and G-5d is less than or equal to the triangular wave carrier signal A, switch 5c is switched off and switch 5d is switched on, and in the region where the compared wave for G-5c and G-5d is greater than or equal to the triangular wave carrier signal A, switch 5c is switched on and switch 5d is switched off.

このように生成されたスイッチング信号G-5c,G-5dは、それぞれデッドタイム生成部443,444に入力される。そして、デッドタイム生成部443,444により、当該スイッチング信号G-5c,G-5dの立ち上がり部がデッドタイム分削除されて(例えば、デッドタイム分オン信号→オフ信号に修正されて)、それぞれスイッチ5c,5d用のゲート信号G-5c,G-5dとなる。 The switching signals G-5c and G-5d thus generated are input to the dead time generating units 443 and 444, respectively. Then, the rising edge of the switching signals G-5c and G-5d is deleted by the dead time generating units 443 and 444 for the dead time (for example, the on signal is corrected to an off signal for the dead time), and the resulting signals become the gate signals G-5c and G-5d for the switches 5c and 5d, respectively.

〈二次側ゲート信号生成部282によるゲート信号G-12の生成例〉
制御回路200の二次側ゲート信号生成部282においては、例えば図5に示すような構成を適用し、下記のとおり制御動作させることが挙げられる。
<Example of generation of gate signal G-12 by secondary side gate signal generating unit 282>
In the secondary side gate signal generating section 282 of the control circuit 200, for example, a configuration as shown in FIG. 5 is applied, and the control operation is performed as follows.

図5に示す二次側ゲート信号生成部282の場合、演算部500、位相シフト部501、矩形波生成部510、乗算器521,522、三角波比較部531,532、デッドタイム生成部541,542,543,544を、主として備えている。 The secondary gate signal generating unit 282 shown in FIG. 5 mainly comprises a calculation unit 500, a phase shift unit 501, a rectangular wave generating unit 510, multipliers 521 and 522, triangular wave comparing units 531 and 532, and dead time generating units 541, 542, 543, and 544.

この二次側ゲート信号生成部282には、パルス幅演算部270で演算された二次側パルス幅指令値W2と、電流制御部260で生成された位相差指令値θと、が入力される。 The secondary gate signal generating section 282 receives the secondary pulse width command value W 2 calculated by the pulse width calculating section 270 and the phase difference command value θ generated by the current control section 260 .

演算部500では、二次側パルス幅指令値W2および位相差指令値θから、{(2θ/π)+(W2/2)}と、{(2θ/π)-(W2/2)}と、を演算するように構成されている。 The calculation unit 500 is configured to calculate {(2θ/π)+(W 2 /2)} and {(2θ/π)-(W 2 /2)} from the secondary side pulse width command value W 2 and the phase difference command value θ.

位相シフト部501は、三角波生成部300から入力される三角波キャリア信号Aを、90度位相進みの三角波キャリア信号Bに変換するように構成されている。 The phase shift unit 501 is configured to convert the triangular wave carrier signal A input from the triangular wave generating unit 300 into a triangular wave carrier signal B with a 90 degree phase lead.

矩形波生成部510は、位相シフト部501から出力された三角波キャリア信号Bが入力され、この三角波キャリア信号Bに同期した矩形波信号を生成し、その生成した矩形波信号を乗算器521,522に入力できる構成となっている。具体的に、三角波キャリア信号Bの立ち上がり時(傾きが正の時)に+1、立ち下がり時(傾きが負の時)に-1とした矩形波信号を、乗算器521,522に入力する。 The square wave generating unit 510 is configured to receive the triangular wave carrier signal B output from the phase shift unit 501, generate a square wave signal synchronized with this triangular wave carrier signal B, and input the generated square wave signal to the multipliers 521 and 522. Specifically, a square wave signal that is +1 when the triangular wave carrier signal B rises (when the slope is positive) and -1 when it falls (when the slope is negative) is input to the multipliers 521 and 522.

乗算器521では、矩形波生成部510で生成した矩形波信号において、演算部500で演算した{(2θ/π)+(W2/2)}を乗算することにより、第2コンバータ部10のスイッチ12a,12bに係るスイッチング信号G-12a,G-12b用の被比較波(以下、単にG-12a,G-12b用被比較波と適宜称する)にする。このG-12a,G-12b用被比較波は、三角波キャリア信号Bとともに、三角波比較部531に入力される。 In the multiplier 521, the square wave signal generated in the square wave generating section 510 is multiplied by {(2θ/π)+( W2 /2)} calculated in the calculating section 500 to generate a compared wave for the switching signals G-12a, G-12b (hereinafter simply referred to as the compared wave for G-12a, G-12b) related to the switches 12a, 12b of the second converter section 10. This compared wave for G-12a, G-12b is input to the triangular wave comparing section 531 together with the triangular wave carrier signal B.

三角波比較部531では、例えば図6に示すように、G-12a,G-12b用被比較波と三角波キャリア信号Bとの比較結果に基づいて、スイッチング信号G-12a,G-12bを生成する。 The triangular wave comparator 531 generates switching signals G-12a and G-12b based on the results of the comparison between the compared waves for G-12a and G-12b and the triangular wave carrier signal B, as shown in FIG. 6 for example.

図6に示すスイッチング信号G-12a,G-12bの場合、G-12a,G-12b用被比較波≦三角波キャリア信号Bとなっている領域において、スイッチ12aがスイッチングオン,スイッチ12bがスイッチングオフとなり、G-12a,G-12b用被比較波>三角波キャリア信号Bとなっている領域においては、スイッチ12aがスイッチングオフ,スイッチ12bがスイッチングオンとなるような信号になっている。 In the case of the switching signals G-12a and G-12b shown in FIG. 6, in the region where the compared wave for G-12a and G-12b is less than or equal to the triangular wave carrier signal B, switch 12a switches on and switch 12b switches off, and in the region where the compared wave for G-12a and G-12b is greater than or equal to the triangular wave carrier signal B, switch 12a switches off and switch 12b switches on.

このように生成されたスイッチング信号G-12a,G-12bは、それぞれデッドタイム生成部541,542に入力される。そして、デッドタイム生成部541,542により、当該スイッチング信号G-12a,G-12bの立ち上がり部がデッドタイム分削除されて(例えば、デッドタイム分オン信号→オフ信号に修正されて)、それぞれスイッチ12a,12b用のゲート信号G-12a,G-12bとなる。 The switching signals G-12a and G-12b generated in this way are input to the dead time generating units 541 and 542, respectively. Then, the rising parts of the switching signals G-12a and G-12b are deleted by the dead time generating units 541 and 542 for the dead time (for example, the on signal is corrected to an off signal for the dead time), and become the gate signals G-12a and G-12b for the switches 12a and 12b, respectively.

乗算器522では、矩形波生成部510で生成した矩形波信号において、演算部500で演算した{(2θ/π)-(W2/2)}を乗算することにより、第2コンバータ部10のスイッチ12c,12dに係るスイッチング信号G-12c,G-12d用の被比較波(以下、単にG-12c,G-12d用被比較波と適宜称する)にする。このG-12c,G-12d用被比較波は、三角波キャリア信号Bとともに、三角波比較部532に入力される。 In the multiplier 522, the rectangular wave signal generated in the rectangular wave generating section 510 is multiplied by {(2θ/π)-( W2 /2)} calculated in the calculating section 500 to generate a compared wave for the switching signals G-12c, G-12d (hereinafter simply referred to as the compared wave for G-12c, G-12d) related to the switches 12c, 12d of the second converter section 10. This compared wave for G-12c, G-12d is input to the triangular wave comparing section 532 together with the triangular wave carrier signal B.

三角波比較部532では、例えば図6に示すように、G-12c,G-12d用被比較波と三角波キャリア信号Bとの比較結果に基づいて、スイッチング信号G-12c,G-12dを生成する。 The triangular wave comparator 532 generates switching signals G-12c and G-12d based on the results of the comparison between the comparison waves for G-12c and G-12d and the triangular wave carrier signal B, as shown in FIG. 6, for example.

図6に示すスイッチング信号G-12c,G-12dの場合、G-12c,G-12d用被比較波≦三角波キャリア信号Bとなっている領域において、スイッチ12cがスイッチングオン,スイッチ12dがスイッチングオフとなり、G-12c,G-12d用被比較波>三角波キャリア信号Bとなっている領域においては、スイッチ12cがスイッチングオフ,スイッチ12dがスイッチングオンとなるような信号になっている。 In the case of the switching signals G-12c and G-12d shown in FIG. 6, in the region where the compared wave for G-12c and G-12d is less than or equal to the triangular wave carrier signal B, switch 12c switches on and switch 12d switches off, and in the region where the compared wave for G-12c and G-12d is greater than or equal to the triangular wave carrier signal B, switch 12c switches off and switch 12d switches on.

このように生成されたスイッチング信号G-12c,G-12dは、それぞれデッドタイム生成部543,544に入力される。そして、デッドタイム生成部543,544により、当該スイッチング信号G-12c,G-12dの立ち上がり部がデッドタイム分削除されて(例えば、デッドタイム分オン信号→オフ信号に修正されて)、それぞれスイッチ12c,12d用のゲート信号G-12c,G-12dとなる。 The switching signals G-12c and G-12d thus generated are input to the dead time generating units 543 and 544, respectively. Then, the rising parts of the switching signals G-12c and G-12d are deleted by the dead time generating units 543 and 544 for the dead time (for example, the on signal is corrected to an off signal for the dead time), and become the gate signals G-12c and G-12d for the switches 12c and 12d, respectively.

ここで、第2コンバータ部10の出力電圧(交流電圧)を電圧V2とすると、図6のとおり、電圧V2は二次側パルス幅指令値W2となり、三角波キャリア信号Bのゼロクロス点から電圧パルスの中心までの時間はθ/(2πfc)となる。 Here, if the output voltage (AC voltage) of the second converter unit 10 is voltage V2, as shown in FIG. 6, voltage V2 becomes secondary-side pulse width command value W2 , and the time from the zero-cross point of triangular wave carrier signal B to the center of the voltage pulse is θ/(2πfc).

〈制御回路200におけるサンプリングの一例〉
次に、制御回路200における電流検出値のサンプリングの一例を、図7に基づいて説明する。なお、図7においては、第1コンバータ部4の出力電圧(交流電圧)である電圧V1と、第2コンバータ部10の出力電圧(交流電圧)である電圧V2と、電流検出器20で検出された電流検出値I1と、を同一時間軸で描写したものとなっている。
<An example of sampling in the control circuit 200>
Next, an example of sampling of the current detection value in the control circuit 200 will be described with reference to Fig. 7. In Fig. 7, the voltage V1 which is the output voltage (AC voltage) of the first converter unit 4, the voltage V2 which is the output voltage (AC voltage) of the second converter unit 10, and the current detection value I1 detected by the current detector 20 are depicted on the same time axis.

図7に示すように、電圧V1と電流検出値I1は、パルス幅演算部270の演算によって力率1の関係(第1コンバータ部4の入出力力率が1)となり、同位相となる。また、三角波キャリア信号Bのゼロクロス点は、三角波キャリア信号Aの山部または谷部の頂点となり、電圧V1の電圧パルスの中心となっている。よって電圧V1と電圧V2の電圧パルスの中心間の時間はθ/(2πfc)となり、電圧V1と電圧V2の位相差指令値はθ[rad]となっている。 As shown in FIG. 7, the voltage V1 and the current detection value I1 are in a power factor 1 relationship (the input/output power factor of the first converter unit 4 is 1) and in phase due to the calculations of the pulse width calculation unit 270. In addition, the zero crossing point of the triangular wave carrier signal B is the apex of the peak or valley of the triangular wave carrier signal A, and is the center of the voltage pulse of voltage V1. Therefore, the time between the centers of the voltage pulses of voltages V1 and V2 is θ/(2πfc), and the phase difference command value between voltages V1 and V2 is θ [rad].

電流検出値I1には高周波成分が少なからず含まれているが、当該電流検出値I1の基本波成分のピークにおいては、電圧V1の電圧パルスの中央、つまり三角波キャリア信号Aの山部または谷部の頂点側となる。制御回路200の場合、電流検出値I1においては、電流検出ローパスフィルタ部230に入力されるため、前記のような高周波数成分は除去されることとなる。 The current detection value I1 contains a fair amount of high frequency components, but the peak of the fundamental wave component of the current detection value I1 is at the center of the voltage pulse of the voltage V1, that is, on the apex side of the crest or valley of the triangular wave carrier signal A. In the case of the control circuit 200, the current detection value I1 is input to the current detection low-pass filter unit 230, so that the high frequency components described above are removed.

この電流検出ローパスフィルタ部230において、例えば時定数をスイッチング周波数fcの3倍程度とすることにより、周波数fcの基本波成分は減衰せずに、3次高調波以上の高周波数成分が低減されることとなる。このように電流検出ローパスフィルタ部230を通過した後の電流検出値I1の信号波形は、図7に示す電流信号Ifilのようにほぼ正弦波となる。 In this current detection low-pass filter unit 230, for example, by setting the time constant to about three times the switching frequency fc, the fundamental wave component of frequency fc is not attenuated, and high-frequency components of the third harmonic or higher are reduced. In this way, the signal waveform of the current detection value I1 after passing through the current detection low-pass filter unit 230 becomes approximately a sine wave, like the current signal Ifil shown in Figure 7.

この電流信号Ifilは、電流検出ローパスフィルタ部230により、電流検出値I1よりも位相が遅れたものとなり、当該電流信号Ifilのピークにおいては三角波キャリア信号Aの山部または谷部の頂点から遅延した点(一定の時間遅れた点)となる。このような遅延時間(山部または谷部の頂点から遅延した点までの時間)は、電流検出ローパスフィルタ部230による遅延と電流検出器20等の検出回路により決定され、電流Iの振幅等に依存するようなことはない。 This current signal Ifil is delayed in phase from the current detection value I1 by the current detection low-pass filter unit 230, and the peak of the current signal Ifil is a delayed point (a point delayed by a certain time) from the apex of the crest or valley of the triangular wave carrier signal A. Such a delay time (the time from the apex of the crest or valley to the delayed point) is determined by the delay by the current detection low-pass filter unit 230 and a detection circuit such as the current detector 20, and does not depend on the amplitude of the current I, etc.

制御回路200の場合、ADC部310において、三角波キャリア信号Aと任意のサンプルタイミング基準値を比較し、電流のサンプルタイミングを決定するように構成されている。これにより、例えば図7中の記号「▽」で示すサンプル点のように、常に三角波キャリア信号Aの山部または谷部の頂点から一定の遅延時間を持ったサンプルタイミングを生成することが可能となる。 In the case of the control circuit 200, the ADC unit 310 is configured to compare the triangular wave carrier signal A with an arbitrary sample timing reference value and determine the current sample timing. This makes it possible to generate sample timing that always has a constant delay time from the apex of the peak or valley of the triangular wave carrier signal A, such as the sample point indicated by the symbol "▽" in Figure 7.

また、このようなサンプルタイミング点は、電流信号IfilにおいてdI/dt(傾き)が最も小さくなる地点であり、他の地点でサンプルする場合と比較すると、サンプルタイミングのジッタによる影響(検出値が大きく振れるような影響)を回避し易い。 In addition, such a sample timing point is the point where dI/dt (slope) is smallest in the current signal Ifil, and compared to sampling at other points, it is easier to avoid the effects of jitter in the sample timing (such as large fluctuations in the detected value).

以上のような制御回路200における電流検出値のサンプリングによれば、当該電流検出値においてスイッチング周波数よりも大きい高周波成分を除去でき、フィードバック制御の検出値として好適に利用することが可能となる。これにより、電流制御において良好な安定性が得られることにもなる。 By sampling the current detection value in the control circuit 200 as described above, high frequency components higher than the switching frequency can be removed from the current detection value, and the current detection value can be suitably used as a detection value for feedback control, which also results in good stability in current control.

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変更等が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変更等が特許請求の範囲に属することは当然のことである。 Although the present invention has been described in detail above only with respect to the specific examples, it will be clear to those skilled in the art that various modifications are possible within the scope of the technical concept of the present invention, and it goes without saying that such modifications fall within the scope of the claims.

例えば、実施例においては、DAB回路100一次側(第1コンバータ部4)とトランス8一次側との間の交流電流Iから検出された電流検出値を適用しているが、DAB回路二次側(第2コンバータ部10)とトランス8二次側との間から検出された電流検出値を適用しても、当該実施例で示したものと同様の作用効果を奏することとなる。 For example, in the embodiment, the current detection value detected from the AC current I between the primary side of the DAB circuit 100 (first converter unit 4) and the primary side of the transformer 8 is applied, but even if the current detection value detected between the secondary side of the DAB circuit (second converter unit 10) and the secondary side of the transformer 8 is applied, the same effect as that shown in the embodiment is achieved.

また、トランス8の入力電流または出力電流を常時検出できるため、当該検出結果を適宜流用することも可能である。例えば、トランス8の入力電流または出力電流の検出値が所定値(予め設定された閾値等)を超過した場合に、DAB回路100の全てのスイッチ(スイッチ5a~5d,12a~12d)のゲート信号をスイッチングオフとする機能を追加(例えば図1の構成とは別に追加)することが挙げられる。これにより、例えば過電流が発生した場合に、トランス8が破壊しないように保護することが可能となる。このような保護機能における交流電流Iの検出点は、特に限定されるものではない(三角波キャリア信号の谷部や山部に限定されない)。 In addition, since the input current or output current of the transformer 8 can be constantly detected, the detection results can be appropriately reused. For example, a function can be added (e.g., added separately from the configuration in FIG. 1) that switches off the gate signals of all the switches (switches 5a-5d, 12a-12d) of the DAB circuit 100 when the detected value of the input current or output current of the transformer 8 exceeds a predetermined value (such as a preset threshold value). This makes it possible to protect the transformer 8 from destruction, for example, when an overcurrent occurs. The detection point of the AC current I in such a protection function is not particularly limited (it is not limited to the valleys or peaks of the triangular wave carrier signal).

S…双方向コンバータ
100…DAB回路
200…制御回路
1,2…直流電源
4,10…第1,第2コンバータ部
5a~5d…スイッチ(第1~第4半導体スイッチング素子)
12a~12d…スイッチ(第5~第8半導体スイッチング素子)
8…トランス
S... Bidirectional converter 100... DAB circuit 200... Control circuit 1, 2... DC power supply 4, 10... First and second converter units 5a to 5d... Switches (first to fourth semiconductor switching elements)
12a to 12d: Switches (fifth to eighth semiconductor switching elements)
8. Transformer

Claims (5)

トランスを介して結合され、第1,第2直流電源間に配置される第1,第2コンバータ部と、
前記第1,第2コンバータ部による電力伝送の出力電力を制御する制御回路と、
を備え、
前記第1直流電源の直流電圧は、前記第2直流電源の直流電圧よりも低い、または当該第2直流電源の直流電圧と同等であり、
前記第1コンバータ部は、前記第1直流電源と前記トランスの一次側との間に接続され、
第1,第2半導体スイッチング素子が直列接続された第1スイッチングアームと、第3,第4半導体スイッチング素子が直列接続された第2スイッチングアームと、が並列接続された単相フルブリッジ回路を有し、
前記第2コンバータ部は、前記第2直流電源と前記トランスの二次側に接続され、
第5,第6半導体スイッチング素子が直列接続された第3スイッチングアームと、第7,第8半導体スイッチング素子が直列接続された第4スイッチングアームと、が並列接続された単相フルブリッジ回路を有し、
前記制御回路は、前記第1,第2コンバータ部の各半導体スイッチング素子のゲート信号をそれぞれ生成するゲート信号生成部を備え、
前記第1コンバータ部の出力電圧のパルス幅を決定する一次側パルス幅指令値と、
前記第2コンバータ部の出力電圧のパルス幅を決定する二次側パルス幅指令値と、
前記一次側パルス幅指令値および前記二次側パルス幅指令値の出力電圧の位相差を決定する位相差指令値と、
を演算し、
前記ゲート信号生成部は、前記第2コンバータ部の各スイッチング素子のゲート信号において、
前記トランスの入力電流または出力電流から検出した電流検出値と、
前記一次側パルス幅指令値と、
前記二次側パルス幅指令値と、
前記第1コンバータ部の直流側から検出した一次側電圧検出値と、
前記第2コンバータ部の直流側から検出した二次側電圧検出値と、
三角波キャリア信号と、
に基づいて、前記第1コンバータ部の入出力力率が1となるように生成し、
前記電流検出値は、
前記三角波キャリア信号の山部および谷部のうち何れか一方において、当該一方の頂点から遅延したタイミングでサンプリングされ、
ローパスフィルタにより、前記三角波キャリア信号の周波数であるスイッチング周波数よりも大きい高周波成分が、当該電流検出値から除去され
前記制御回路により、前記電流検出値が電流指令値となるように制御される、
ことを特徴とする双方向絶縁型DC-DCコンバータ。
a first converter unit and a second converter unit coupled via a transformer and disposed between the first and second DC power sources;
A control circuit for controlling output power of power transmission by the first and second converter units;
Equipped with
a DC voltage of the first DC power source is lower than or equal to a DC voltage of the second DC power source;
the first converter unit is connected between the first DC power supply and a primary side of the transformer,
a single-phase full bridge circuit in which a first switching arm in which first and second semiconductor switching elements are connected in series and a second switching arm in which third and fourth semiconductor switching elements are connected in series are connected in parallel;
the second converter unit is connected to the second DC power supply and a secondary side of the transformer,
a single-phase full bridge circuit in which a third switching arm in which fifth and sixth semiconductor switching elements are connected in series and a fourth switching arm in which seventh and eighth semiconductor switching elements are connected in series are connected in parallel,
the control circuit includes a gate signal generating unit that generates gate signals for the semiconductor switching elements of the first and second converter units,
A primary-side pulse width command value that determines a pulse width of an output voltage of the first converter unit;
A secondary-side pulse width command value that determines a pulse width of an output voltage of the second converter unit;
a phase difference command value that determines a phase difference between an output voltage of the primary pulse width command value and the secondary pulse width command value;
Calculate
The gate signal generation unit generates a gate signal for each switching element of the second converter unit.
a current detection value detected from an input current or an output current of the transformer ;
The primary side pulse width command value;
The secondary pulse width command value;
A primary side voltage detection value detected from a DC side of the first converter unit;
A secondary side voltage detection value detected from a DC side of the second converter unit;
A triangular wave carrier signal;
based on the above , the input/output power factor of the first converter unit is generated to be 1;
The detected current value is
Sampling is performed at a timing delayed from one of the crest and the trough of the triangular wave carrier signal,
A low-pass filter removes high-frequency components higher than a switching frequency, which is the frequency of the triangular wave carrier signal , from the current detection value ,
The control circuit controls the current detection value to become a current command value .
A bidirectional isolated DC-DC converter comprising:
前記制御回路は、前記遅延したタイミングでサンプリングされた前記電流検出値と、前記二次側電圧検出値と、前記第2コンバータ部の直流側において設定された電圧指令値と、に基づいて前記位相差指令値を生成することを特徴とする請求項1記載の双方向絶縁型DC-DCコンバータ。 2. The bidirectional isolated DC-DC converter according to claim 1, wherein the control circuit generates the phase difference command value based on the current detection value sampled at the delayed timing, the secondary side voltage detection value, and a voltage command value set on the DC side of the second converter unit. 前記一次側パルス幅指令値をW前記二次側パルス幅指令値をW前記一次側電圧検出値をVdc1、二次側電圧検出値をVdc2、位相差指令値をθとして、下記(1)式を満たすことを特徴とする請求項1または2記載の双方向絶縁型DC-DCコンバータ。
Figure 0007563190000005
The bidirectional isolated DC- DC converter according to claim 1 or 2, characterized in that the following formula (1) is satisfied, where the primary side pulse width command value is W1 , the secondary side pulse width command value is W2 , the primary side voltage detection value is Vdc1 , the secondary side voltage detection value is Vdc2, and the phase difference command value is θ.
Figure 0007563190000005
下記(2)式を満たすことを特徴とする請求項3記載の双方向絶縁型DC-DCコンバータ。
Figure 0007563190000006
4. The bidirectional isolated DC-DC converter according to claim 3, wherein the following formula (2) is satisfied:
Figure 0007563190000006
トランスを介して結合され、第1,第2直流電源間に配置される第1,第2コンバータ部と、
前記第1,第2コンバータ部による電力伝送の出力電力を制御する制御回路と、
を備えた双方向絶縁型DC-DCコンバータの制御方法であって、
前記第1直流電源の直流電圧は、前記第2直流電源の直流電圧よりも低い、または当該第2直流電源の直流電圧と同等であり、
前記第1コンバータ部は、前記第1直流電源と前記トランスの一次側との間に接続され、
第1,第2半導体スイッチング素子が直列接続された第1スイッチングアームと、第3,第4半導体スイッチング素子が直列接続された第2スイッチングアームと、が並列接続された単相フルブリッジ回路を有し、
前記第2コンバータ部は、前記第2直流電源とトランスの二次側に接続され、
第5,第6半導体スイッチング素子が直列接続された第3スイッチングアームと、第7,第8半導体スイッチング素子が直列接続された第4スイッチングアームと、が並列接続された単相フルブリッジ回路を有し、
前記制御回路は、前記第1,第2コンバータ部の各半導体スイッチング素子のゲート信号をそれぞれ生成するゲート信号生成部を備え、
前記第1コンバータ部の出力電圧のパルス幅を決定する一次側パルス幅指令値と、
前記第2コンバータ部の出力電圧のパルス幅を決定する二次側パルス幅指令値と、
前記一次側パルス幅指令値および前記二次側パルス幅指令値の出力電圧の位相差を決定する位相差指令値と、
を演算し、
前記ゲート信号生成部は、前記第2コンバータ部の各スイッチング素子のゲート信号において、
前記トランスの入力電流または出力電流から検出した電流検出値と、
前記一次側パルス幅指令値と、
前記二次側パルス幅指令値と、
前記第1コンバータ部の直流側から検出した一次側電圧検出値と、
前記第2コンバータ部の直流側から検出した二次側電圧検出値と、
三角波キャリア信号と、
に基づいて、前記第1コンバータ部の入出力力率が1となるように生成し、
前記電流検出値は、
前記三角波キャリア信号の山部および谷部のうち何れか一方において、当該一方の頂点から遅延したタイミングでサンプリングされ、
ローパスフィルタにより、前記三角波キャリア信号の周波数であるスイッチング周波数よりも大きい高周波成分が、当該電流検出値から除去され
前記制御回路により、前記電流検出値が電流指令値となるように制御される、
ことを特徴とする双方向絶縁型DC-DCコンバータの制御方法。
a first converter unit and a second converter unit coupled via a transformer and disposed between the first and second DC power sources;
A control circuit for controlling output power of power transmission by the first and second converter units;
A control method for a bidirectional isolated DC-DC converter comprising:
a DC voltage of the first DC power source is lower than or equal to a DC voltage of the second DC power source;
the first converter unit is connected between the first DC power supply and a primary side of the transformer,
a single-phase full bridge circuit in which a first switching arm in which first and second semiconductor switching elements are connected in series and a second switching arm in which third and fourth semiconductor switching elements are connected in series are connected in parallel;
the second converter unit is connected to the second DC power source and a secondary side of a transformer,
a single-phase full bridge circuit in which a third switching arm in which fifth and sixth semiconductor switching elements are connected in series and a fourth switching arm in which seventh and eighth semiconductor switching elements are connected in series are connected in parallel,
the control circuit includes a gate signal generating unit that generates gate signals for the semiconductor switching elements of the first and second converter units,
A primary-side pulse width command value that determines a pulse width of an output voltage of the first converter unit;
A secondary-side pulse width command value that determines a pulse width of an output voltage of the second converter unit;
a phase difference command value that determines a phase difference between an output voltage of the primary pulse width command value and the secondary pulse width command value;
Calculate
The gate signal generation unit generates a gate signal for each switching element of the second converter unit.
a current detection value detected from an input current or an output current of the transformer ;
The primary side pulse width command value;
The secondary pulse width command value;
A primary side voltage detection value detected from a DC side of the first converter unit;
A secondary side voltage detection value detected from a DC side of the second converter unit;
A triangular wave carrier signal;
based on the above , the input/output power factor of the first converter unit is generated to be 1;
The detected current value is
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A low-pass filter removes high-frequency components higher than a switching frequency, which is the frequency of the triangular wave carrier signal , from the current detection value ,
The control circuit controls the current detection value to become a current command value .
A control method for a bidirectional isolated DC-DC converter.
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