(57)【要約】【課題】循環電流を抑制する電力変換回路システムを提供することである。【解決手段】電力変換回路システム８は、複数のトランジスタの接続点に接続される１次側コイル４１とを有する１次側電力変換回路２０と、１次側電力変換回路２０と同様に構成され、１次側コイル４１に相当する２次側コイル４２を有する２次側電力変換回路３０と、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０との間における電力伝送制御を行う制御回路５０と、を備え、制御回路５０は、１次側コイル４１の両端電圧波形と２次側コイル４２の両端電圧波形が異なるときに両波形の電圧比変動又は位相対称性変動の少なくとも１つに応じて、１次側コイルの両端電圧信号又は２次側コイルの両端電圧信号のオンオフ比を設定するフィードフォワード制御を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極母線と負極母線との間に、直列接続される複数のトランジスタと、複数のトランジスタの接続点に接続される１次側コイルとを有する１次側電力変換回路と、
１次側電力変換回路と同様に構成され、１次側コイルに相当する２次側コイルを有する２次側電力変換回路と、
１次側コイルと２次側コイルとを磁気結合することで１次側電力変換回路と２次側電力変換回路との間における電力伝送制御を行う制御回路と、を備え、
制御回路は、
１次側コイルの両端電圧波形と２次側コイルの両端電圧波形が異なるときに両波形の電圧比変動又は位相対称性変動の少なくとも１つに応じて、１次側コイルの両端電圧信号又は２次側コイルの両端電圧信号のオンオフ比を設定するフィードフォワード制御を行うことを特徴とする電力変換回路システム。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換回路システムにおいて、
複数のトランジスタは、正極母線と負極母線との間に、左アーム上トランジスタと左アーム下トランジスタとが左アーム接続点で直列に接続される左アームと、正極母線と負極母線との間に、右アーム上トランジスタと右アーム下トランジスタとが右アーム接続点で直列に接続される右アームとを含み、
１次側コイル及び２次側コイルは、それぞれ対応する左アーム接続点と右アーム接続点との間に接続配置されることを特徴とする電力変換回路システム。
【請求項３】
請求項２に記載の電力変換回路システムにおいて、
１次側コイルの両端電圧波形と２次側コイルの両端電圧波形の位相差をφとし、
左アーム又は右アームの少なくとも１つの短絡防止のために設定されたデッドタイムに基づいて定まるデッドタイム変換値をξとしたときに、
位相差φがデッドタイム変換値ξ未満のときフィードフォワード制御は行わず、位相差φがデッドタイム変換値ξ以上のときにフィードフォワード制御を行うことを特徴とする電力変換回路システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換回路システムに係り、特に、１次側電力変換回路と、この１次側電力変換回路と磁気結合する２次側電力変換回路とを備える電力変換回路システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、１次側電力変換回路と、この１次側電力変換回路と磁気結合する２次側電力変換回路との間において、双方向で電力の授受を行う電力変換回路システムが開発されている。１次側電力変換回路及び２次側電力変換回路は、それぞれ、正極母線と負極母線との間に直列接続される複数のトランジスタを含んで構成される。また、１次側電力変換回路及び２次側電力変換回路では、直列接続される複数のトランジスタの短絡防止のために、直列接続される複数のトランジスタの双方がオフとなる期間であるデッドタイムが設けられている。
【０００３】
本発明に関連する技術として、例えば、特許文献１には、３つの入出力ポートを有し、ハーフブリッジ回路を含む電力変換回路が開示されている。そして、この電力変換回路の３つの入出力ポートには、高圧インバータ回路と、１４Ｖ用負荷と、４２Ｖ用負荷とが接続されることが開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、２つの入出力ポートを有し、ブリッジコイル回路を含む電力変換回路が開示されている。そして、この電力変換回路は、トランスを構成するリアクトルの他に３つのリアクトルが設けられている。また、この電力変換回路の２つの入出力ポートには、高圧インバータ回路と低圧電子機器が接続されることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７，４０８，７９４号明細書
【特許文献２】特開２００６−１８７１４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記電力変換回路システムでは、１次側電力変換回路の１次側コイルの両端電圧波形と２次側電力変換回路の２次側コイルの両端電圧波形を揃え、この２つの電圧波形の位相差φを調整することで電力伝送方向と電力伝送量を制御する。
【０００７】
そして、上記のようにデッドタイムを設けた場合には、１次側電力変換回路の１次側コイルの両端電圧波形と２次側電力変換回路の２次側コイルの両端電圧波形の位相対称性に変動が生じてしまうことがある。
【０００８】
また、１次側電力変換回路または２次側電力変換回路に接続される電源電圧変動により、１次側コイルの両端電圧波形と２次側コイルの両端電圧波形の電圧比に変動が生じてしまうことがある。このように、上記位相対称性変動または電圧比変動が生じた場合に、１次側電力変換回路および２次側電力変換回路において電力伝送に寄与しない循環電流が流れてしまう。
【０００９】
本発明の目的は、循環電流を抑制する電力変換回路システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る電力変換回路システムは、正極母線と負極母線との間に、直列接続される複数のトランジスタと、複数のトランジスタの接続点に接続される１次側コイルとを有する１次側電力変換回路と、１次側電力変換回路と同様に構成され、１次側コイルに相当する２次側コイルを有する２次側電力変換回路と、１次側コイルと２次側コイルとを磁気結合することで１次側電力変換回路と２次側電力変換回路との間における電力伝送制御を行う制御回路と、を備え、制御回路は、１次側コイルの両端電圧波形と２次側コイルの両端電圧波形が異なるときに両波形の電圧比変動又は位相対称性変動の少なくとも１つに応じて、１次側コイルの両端電圧信号又は２次側コイルの両端電圧信号のオンオフ比を設定するフィードフォワード制御を行うことを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る電力変換回路システムにおいて、複数のトランジスタは、正極母線と負極母線との間に、左アーム上トランジスタと左アーム下トランジスタとが左アーム接続点で直列に接続される左アームと、正極母線と負極母線との間に、右アーム上トランジスタと右アーム下トランジスタとが右アーム接続点で直列に接続される右アームとを含み、１次側コイル及び２次側コイルは、それぞれ対応する左アーム接続点と右アーム接続点との間に接続配置されることが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る電力変換回路システムにおいて、１次側コイルの両端電圧波形と２次側コイルの両端電圧波形の位相差をφとし、左アーム又は右アームの少なくとも１つの短絡防止のために設定されたデッドタイムに基づいて定まるデッドタイム変換値をξとしたときに、位相差φがデッドタイム変換値ξ未満のときフィードフォワード制御は行わず、位相差φがデッドタイム変換値ξ以上のときにフィードフォワード制御を行うことが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、１次側コイルの両端電圧波形と２次側コイルの両端電圧波形が異なるときに両波形の電圧比変動又は位相対称性変動の少なくとも１つに応じて、１次側コイルの両端電圧信号又は２次側コイルの両端電圧信号のオンオフ比を設定するフィードフォワード制御が行われる。これにより、１次側コイルの両端電圧波形と２次側コイルの両端電圧波形の関係が補正されるため、循環電流を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る実施形態の電力変換回路システムを示す図である。
【図２】本発明に係る実施形態において、循環電流を抑制するための手順を示すフローチャートである。
【図３】本発明に係る実施形態において、フィードフォワード制御及びフィードバック制御が行われない場合の電力変換回路システムの各トランジスタのスイッチング制御、変圧回路の両端電圧Ｖ１，Ｖ２及び１次側コイルを流れるＩLの関係を示す図である。
【図４】本発明に係る実施形態において、フィードフォワード制御によって、循環電流を抑制する様子を示す図である。
【図５】本発明に係る別の実施形態の電力変換回路システムを示す図である。
【図６】本発明に係る別の実施形態において、フィードフォワード制御によって、循環電流を抑制する様子を示す図である。
【図７】本発明に係る別の実施形態において、フィードフォワード制御によって、循環電流を抑制する様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。また、以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１６】
図１は、電力変換回路システム８を示す図である。電力変換回路システム８は、電力変換装置１０と制御回路５０とを含んで構成される。電力変換装置１０は、入出力ポートＡ，Ｂの間で電力伝送を行う機能を有する。電力変換装置１０は、１次側電力変換回路２０と、２次側電力変換回路３０とを含んで構成される。なお、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０とは、変圧回路４０によって磁気結合されている。
【００１７】
１次側正極母線６０と１次側負極母線６２との間には、１次側左アーム上トランジスタ２２と、１次側左アーム下トランジスタ２４とを直列接続した１次側左アーム２３が取り付けられている。１次側正極母線６０と１次側負極母線６２との間には、１次側右アーム上トランジスタ２６と、１次側右アーム下トランジスタ２８とを直列接続した１次側右側アーム２７が１次側左アーム２３と並列に取り付けられている。
【００１８】
入出力ポートＡ（ＰＯＲＴ＿Ａ）は、１次側正極母線６０と１次側負極母線６２との間に設けられる。なお、２次側電力変換回路３０は、１次側電力変換回路２０と同様の構成を有する回路であるため、詳細な説明は省略する。入出力ポートＢ（ＰＯＲＴ＿Ｂ）は、１次側正極母線６１と１次側負極母線６３との間に設けられる。なお、入出力ポートＡ，Ｂには、負荷や電源等が接続される。
【００１９】
変圧回路４０は、１次側コイル４１と、この１次側コイル４１と磁気結合する２次側コイル４２とを備える。１次側コイル４１と２次側コイル４２の巻き数比は１：Ｎである。
【００２０】
制御回路５０は、電力変換装置１０全体を制御するパラメータを設定し、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０の各トランジスタのスイッチング制御を行う機能を有する。制御回路５０は、デッドタイム設定処理部５１と、位相差設定処理部５２と、オンオフ比設定処理部５３と、１次側スイッチング処理部５４と、２次側スイッチング処理部５５と、フィードフォワード処理部５６と、フィードバック処理部５７と、循環電流判断処理部５８とを含んで構成される。かかる機能は、ソフトウェアを実行することで実現でき、具体的には、循環電流抑制プログラムを実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。
【００２１】
デッドタイム設定処理部５１は、デッドタイム変換値ξを設定する機能を有する。ここで、デッドタイム変換値ξは、上アーム側のトランジスタ２２，２６，３２，３６と対応する下アーム側のトランジスタ２４，２８，３４，３８の双方がオフとなる期間であるデッドタイムＴｄが設けられたときに、Ｔｄ／Ｔｏ×２π（Ｔｏ：スイッチング周期）で求められる値である。ここで、デッドタイムＴｄの初期値は、実験やシミュレーション等によって予め求められる。
【００２２】
位相差設定処理部５２は、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０との間のトランジスタのスイッチング制御の周期の位相差φを設定する機能を有する。位相差φは、１次側コイル４１の両端電圧Ｖ１と２次側コイル４２の両端電圧Ｖ２との電圧波形の位相差である。ここで、位相差φを変更することで、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０の間における伝送方向及び電力伝送量を制御することができ、位相差φ≧＋｜デッドタイム変換値ξ｜であれば、１次側電力変換回路２０から２次側電力変換回路３０に伝送し、位相差φ≦−｜デッドタイム変換値ξ｜であれば、２次側電力変換回路３０から１次側電力変換回路２０に伝送することができる。また、−｜デッドタイム変換値ξ｜＜位相差φ＜＋｜デッドタイム変換値ξ｜、すなわち、｜位相差φ｜＜｜デッドタイム変換値ξ｜であれば、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０と間の伝送は行われない。
【００２３】
オンオフ比設定処理部５３は、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０の間の電力伝送量を調整するために、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０のトランジスタのオンオフ比を設定する機能を有する。ここで、１次側電力変換回路２０の左アーム下トランジスタ２４と右アーム下トランジスタ２８のスイッチング制御のオンオフ比をそれぞれＤ１（δ１／２π）、２次側電力変換回路３０の左アーム下トランジスタ３４と右アーム下トランジスタ３８のスイッチング制御のオンオフ比をＤ２（δ２／２π）とする。
【００２４】
１次側スイッチング処理部５４は、デッドタイム設定処理部５１、位相差設定処理部５２及びオンオフ比設定処理部５３による設定に基づいて、左アーム上トランジスタ２２と、左アーム下トランジスタ２４と、右アーム上トランジスタ２６と、右アーム下トランジスタ２８の各トランジスタをスイッチング制御する機能を有する。
【００２５】
２次側スイッチング処理部５５は、１次側スイッチング処理部５４と同様に、左アーム上トランジスタ３２と、左アーム下トランジスタ３４と、右アーム上トランジスタ３６と、右アーム下トランジスタ３８の各トランジスタをスイッチング制御する機能を有する。
【００２６】
フィードフォワード処理部５６は、上記デッドタイムＴｄの設定により１次側コイル４１の両端電圧Ｖ１と２次側コイル４２の両端電圧Ｖ２の波形が異なるときに、この両波形の位相対称性変動に応じて、１次側コイル４１の両端電圧Ｖ１又は２次側コイルの両端電圧Ｖ２のオンオフ比を設定するフィードフォワード制御を行う。フィードフォワード処理部５６は、｜位相差φ｜≧｜デッドタイム変換値ξ｜であれば、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０との間で伝送が行われており、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０のうち、送電側の変換回路のトランジスタのオンオフ比を受電側の変換回路のトランジスタのオンオフ比よりも小さくするフィードフォワード制御を行う。具体的には、例えば、２次側電力変換回路３０から１次側電力変換回路２０へ電力伝送がなされているときは、２次側電力変換回路３０が送電側となり、１次側電力変換回路２０が受電側となる。このとき、Ｄ２＝Ｄ１−ξ／２πの関係式を用いて、２次側電力変換回路３０の左アーム上トランジスタ３２，左アーム下トランジスタ３４，右アーム上トランジスタ３６，右アーム下トランジスタ３８のオンオフ比Ｄ２を再設定する。なお、１次側電力変換回路２０が送電側で、２次側電力変換回路３０が受電側の場合は、Ｄ１＝Ｄ２−ξ／２πの関係式を用いる。また、フィードフォワード処理部５６は、｜位相差φ｜＜｜デッドタイム変換値ξ｜であれば、このフィードフォワード制御は行わない。
【００２７】
フィードバック処理部５７は、フィードフォワード処理部５６によるフィードフォワード制御を行った後も後述する循環電流が存在する場合に、循環電流が０となるように送電側の変換回路のトランジスタのオンオフ比を再設定するフィードバック制御（ＰＩ制御）を行う。なお、循環電流は、変圧回路４０の両端電圧Ｖ１，Ｖ２がともに０であるときに１次側電力変換回路２０の２次側電力変換回路３０の少なくとも一方に流れる電流である。この循環電流は、電力伝送に寄与しない電流であり、例えば、図１に示されるようなループ電流である。
【００２８】
循環電流判断処理部５８は、１次側電力変換回路２０または２次側電力変換回路３０を流れる循環電流の値が０以上であるか否かを判断する機能を有する。なお、ここでは、循環電流の値は、両端電圧Ｖ１，Ｖ２がともに０であるときに、１次側コイル４１を流れる電流値である。
【００２９】
上記構成の電力変換回路システム８の作用について説明する。図２は、電力変換回路システム８において、循環電流を抑制するための手順を示すフローチャートである。外部信号に基づいて、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０との間のトランジスタのスイッチング制御の周期の位相差φと、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０の各トランジスタのオンオフ比Ｄ１，Ｄ２とを求めて設定し、さらにデッドタイム変換値ξの初期設定を行う（Ｓ２）。この工程は、制御回路５０のデッドタイム設定処理部５１、位相差設定処理部５２及びオンオフ比設定処理部５３の機能によって実行される。
【００３０】
次に、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０の各トランジスタのスイッチング制御を行う（Ｓ４）。この工程は、制御回路５０の１次側スイッチング処理部５４及び２次側スイッチング処理部５５の機能によって実行される。
【００３１】
次いで、｜位相差φ｜≧｜デッドタイム変換値ξ｜であるか否かを判断する（Ｓ６）。この工程は、制御回路５０のフィードフォワード処理部５６の機能によって実行される。Ｓ６の工程において、｜位相差φ｜≧｜デッドタイム変換値ξ｜でないと判断すれば、ＥＮＤ処理へと進む。Ｓ６の工程において、｜位相差φ｜≧｜デッドタイム変換値ξ｜であると判断すれば、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０のうち、送電側の変換回路のトランジスタのオンオフ比を受電側の変換回路のトランジスタのオンオフ比よりも小さくするフィードフォワード制御を行う（Ｓ８）。この工程は、制御回路５０のフィードフォワード処理部５６の機能によって実行される。
【００３２】
続いて、循環電流の値が０以上であるか否かを判断する（Ｓ１０）。この工程は、制御回路５０の循環電流判断処理部５８の機能によって実行される。Ｓ１０の工程において、循環電流の値が０以上でないと判断すれば、ＥＮＤ処理へと進む。Ｓ１０の工程において、循環電流の値が０以上であると判断すれば、循環電流が０となるようにフィードバック制御を行う（Ｓ１２）。この工程は、制御回路５０のフィードバック処理部５７の機能によって実行される。
【００３３】
電力変換回路システム８において、比較のために、仮に上記フィードフォワード制御及びフィードバック制御が行われない場合について検討する。図３は、フィードフォワード制御及びフィードバック制御が行われない場合の電力変換回路システム８の各トランジスタのスイッチング制御、変圧回路４０の両端電圧Ｖ１，Ｖ２及び１次側コイル４１を流れるＩLの関係を示す図である。デッドタイムＴｄが設定されている場合には、１次側コイル４１の両端電圧Ｖ１と２次側コイル４２の両端電圧Ｖ２の位相対称性に変動が生じる。これにより、１次側電力変換回路２０または２次側電力変換回路３０において電力伝送に寄与しない循環電流が生じてしまう。具体的には、図３に示されるようにＶ１とＶ２がともに０Ｖとなる際の循環電流が流れる。この循環電流を抑制することが、本発明が解決しようとする課題である。
【００３４】
本実施形態の電力変換回路システム８によれば、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０のうち、送電側の変換回路のトランジスタのオンオフ比を受電側の変換回路のトランジスタのオンオフ比より小さくするフィードフォワード制御が行われる。これにより、図４（ａ）に示されるようにフィードフォワード制御がない場合に流れていた循環電流は、図４（ｂ）に示されるように、Ｖ１とＶ２の位相が対称となるように補正されることで抑制される。
【００３５】
また、電力変換回路システム８によれば、上記フィードフォワード制御を行っても循環電流の値が０以上のままである場合には、循環電流が０となるように送電側の変換回路のトランジスタのオンオフ比を再設定するフィードバック制御がなされる。これにより、より効果的に循環電流を抑制することができる。
【００３６】
次に、電力変換回路システム８の変形例である電力変換回路システム９について説明する。図５は、電力変換回路システム９を示す図である。電力変換回路システム９と電力変換回路システム８の相違は、フィードフォワード処理部５９のみであるため、以下では、その相違点を中心に説明する。
【００３７】
フィードフォワード処理部５９は、入出力ポートＡ，Ｂに接続される負荷変動により１次側コイル４１の両端電圧Ｖ１と２次側コイル４２の両端電圧Ｖ２の波形が異なるときに、この両波形の電圧比変動に応じて、１次側コイル４１の両端電圧Ｖ１又は２次側コイルの両端電圧Ｖ２のオンオフ比を設定するフィードフォワード制御を行う。フィードフォワード処理部５９は、｜位相差φ｜≧｜デッドタイム変換値ξ｜であれば、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０との間で伝送が行われており、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０との間を循環する循環電流の値が０となるように１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路のトランジスタのオンオフ比を調整するフィードフォワード制御を行う。具体的には、例えば、２次側電力変換回路３０から１次側電力変換回路２０へ電力伝送がなされているときは、２次側電力変換回路３０が送電側となり、１次側電力変換回路２０が受電側となる。Ｄ２＋ΔＤの関係式を用いて、２次側電力変換回路３０のトランジスタ３２，３４，３６，３８のオンオフ比Ｄ２を再設定する。ΔＤ＝（１−Ｄ２）×（１−ＮＶA／ＶB）の関係式を用いてΔＤを求める。なお、１次側電力変換回路２０が送電側で、２次側電力変換回路３０が受電側の場合は、ΔＤ＝（１−Ｄ２）×（１−ＶB／ＮＶA）の関係式を用いてΔＤを求める。また、フィードフォワード処理部５９は、｜位相差φ｜＜｜デッドタイム変換値ξ｜であれば、このフィードフォワード制御は行わない。
【００３８】
上記構成の電力変換回路システム９の作用について説明する。電力変換回路システム９においても電力変換回路システム８と同様に図２に示される循環電流抑制プログラムを実行する。本実施形態の電力変換回路システム９によれば、１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０との間を循環する循環電流の値が０となるように１次側電力変換回路２０と２次側電力変換回路３０のトランジスタのオンオフ比を調整するフィードフォワード制御が行われる。これにより、図６（ａ）に示されるようにＮＶA＜ＶBの状態でフィードフォワード制御がない場合に流れていた循環電流は、図６（ｂ）に示されるように、Ｖ１とＶ２の電圧比の関係が補正されることで抑制される。また、図７（ａ）に示されるようにＮＶA＞ＶBの状態でフィードフォワード制御がない場合に流れていた循環電流は、図７（ｂ）に示されるように、Ｖ１とＶ２の電圧比の関係が補正されることで抑制される。
【符号の説明】
【００３９】
８，９  電力変換回路システム、１０  電力変換装置、２０  １次側電力変換回路、２２  １次側左アーム上トランジスタ、２３  １次側左アーム、２４  １次側左アーム下トランジスタ、２６  １次側右アーム上トランジスタ、２７  １次側右側アーム、２８  １次側右アーム下トランジスタ、３０  ２次側電力変換回路、３２  ２次側左アーム上トランジスタ、３３  １次側左アーム、３４  １次側左アーム下トランジスタ、３６  １次側右アーム上トランジスタ、３７  １次側右側アーム、３８  １次側右アーム下トランジスタ、４０  変圧回路、４１  １次側コイル、４２  ２次側コイル、５０  制御回路、５１  デッドタイム設定処理部、５２  位相差設定処理部、５３  オンオフ比設定処理部、５４  １次側スイッチング処理部、５５  ２次側スイッチング処理部、５６  フィードフォワード処理部、５７  フィードバック処理部、５８  循環電流判断処理部、５９  フィードフォワード処理部、６０  １次側正極母線、６１  ２次側正極母線、６２  ２次側負極母線、６３  ２次側負極母線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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