JP6705324B2 - Power conversion circuit - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換回路に関する。 The present invention relates to a power conversion circuit.
従来から、複数の入出力ポートのうちの２つの入出力ポートの間で電力変換を行うことができる電力変換回路が提案されている。 Conventionally, a power conversion circuit that can perform power conversion between two input/output ports of a plurality of input/output ports has been proposed.
特許文献１には、昇圧動作と絶縁電力伝送を１つの回路で同時に行うことができる電力変換回路が記載されている。具体的には、１次側変換回路の２つの入出力ポートと、 １次側変換回路と磁気結合する２次側変換回路の２つの入出力ポートとの合計４つの入出力ポートを含む電力変換回路において、１次側変換回路は、１次側変換回路と２次側変換回路を磁気結合するセンタータップ式のトランスの１次側コイルと、トランスの１次側コイルの両端に接続される２つのリアクトルが磁気結合して構成される１次側磁気結合リアクトルとを有するブリッジ部を含む１次側フルブリッジ回路と、１次側フルブリッジ回路の正極母線と負極母線との間に設けられる第１入出力ポートと、１次側フルブリッジ回路の負極母線とトランスの１次側コイルのセンタータップとの間に設けられる第２入出力ポートとを有し、２次側変換回路は、センタータップ式のトランスの２次側コイルと、トランスの２次側コイルの両端に接続される２つのリアクトルが磁気結合して構成される２次側磁気結合リアクトルと、を有するブリッジ部を含む２次側フルブリッジ回路と、２次側フルブリッジ回路の正極母線と負極母線との間に設けられる第３入出力ポートと、２次側フルブリッジ回路の負極母線とトランスの２次側コイルのセンタータップとの間に設けられる第４入出力ポートとを有する。１次側変換回路内あるいは２次側変換回路内では時比率（デューティ）変調により昇圧コンバータとして動作させ、１次側変換回路と２次側変換回路との間では位相変調により絶縁コンバータとして動作させて電力伝送する。
図６は、従来の電力変換回路１０を用いたシステムの一例を示す。電力変換回路１０の１次側変換回路に主機電池１２、インバータ回路１４及びモータ１６が接続され、２次側変換回路に補機が接続されるシステムである。主機電池１２からの電力は１次側変換回路で昇圧されてインバータ回路１４に供給され、インバータ回路１４で三相交流電力に変換されてモータ１６に供給される。また、主機電池１２からの電力は１次側変換回路から２次側変換回路に電力伝送されて補機１８に供給される。
FIG. 6 shows an example of a system using the conventional
しかし、１次側変換回路が昇圧コンバータとして機能する際に指令値電圧が主機電池１２の電圧に一致すると、常時、１次側変換回路の上側アームのスイッチ素子がオンとなるので１次側変換回路から２次側変換回路への絶縁電力伝送ができなくなる問題がある。絶縁電力伝送は、１次側変換回路と２次側変換回路のスイッチング位相差により行うからである。また、スイッチング周波数は主機用の昇圧回路のスイッチング周波数に合わせて遅い周波数にしなければならず、トランスコア体積が大型化してしまう問題もある。
However, when the command value voltage matches the voltage of the
図７Ａ及び図７Ｂは、これらの問題を解決するための１つの回路構成を示す。図７Ａは全体構成であり、図７Ｂは図７Ａにおけるモジュール１の構成である。他のモジュールも同一構成である。
7A and 7B show one circuit configuration for solving these problems. 7A shows the overall configuration, and FIG. 7B shows the configuration of the
電力変換回路１０を構成する１次側変換回路１０Ａと２次側変換回路１０Ｂにおいて、高圧側である１次側変換回路１０Ａを複数のモジュール１、モジュール２、モジュール３、・・・モジュールＮの多直列接続とし、主機側回路のスイッチ素子耐圧を下げることで、スイッチング周波数を補機用絶縁コンバータと同程度まで高くし、トランスコア体積の増大を防ぐことができる。また、主機電池１２として電池セルを並列化して図６の場合よりも低い電圧とすることで、全動作範囲での常時スイッチングを可能とし、絶縁電力伝送が可能となる。なお、図７Ｂにおいて、主機電池の電池セル１２とトランスの１次側コイルとの間に電池セル１２を回路から分離するためのフューズ１３が接続される。
In the primary
但し、このような回路構成では、最大昇圧時に極端に高いデューティとなり、出力キャパシタの体積が増大してしまう。また、入力電圧を低くした分、リアクトルには図６の場合よりも大きな電流が流れるため、リアクトルコア体積増大や銅損増加による効率低下を招いてしまう。さらに、複数のモジュール１、モジュール２、・・・、モジュールＮを多直列接続しているため、１つのモジュールが故障しただけで主機用昇圧コンバータ機能と、補機用絶縁コンバータ機能が失われてしまい、システムロバスト性が低くなる問題もある。
However, in such a circuit configuration, the duty is extremely high at the time of maximum boosting, and the volume of the output capacitor is increased. In addition, since a larger current than that in the case of FIG. 6 flows in the reactor by the amount of lowering the input voltage, the reactor volume increases and the copper loss increases, leading to a decrease in efficiency. Further, since a plurality of
本発明の目的は、昇圧コンバータ機能と絶縁コンバータ機能を担保しつつトランスコア体積の増大を抑制し、かつ、システムロバスト性も確保し得る電力変換回路を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a power conversion circuit capable of suppressing an increase in transformer core volume while ensuring a boost converter function and an insulating converter function and also ensuring system robustness.
本発明は、１次側変換回路と、２次側変換回路と、１次側変換回路と２次側変換回路を磁気結合するトランスとを備え、１次側変換回路は、トランスの１次側コイルと、トランスの１次側コイルに接続された複数のスイッチ素子及び電源を備えるモジュールが複数個直列接続され、少なくとも２つのモジュールの１次側コイルが互いに逆巻きであり、モジュールは、第１のトランスコイルと第２のトランスコイルとで構成され、第１のトランスコイルの一端と第２のトランスコイルの一端とが接続され、トランス動作とリアクトル動作をともに行うトランスである第１ハイブリッドトランスと、第２のトランスコイルの他端に一端が接続される第１フライングキャパシタと、第１フライングキャパシタの他端に負極側が接続される第１スイッチ素子と、第２のトランスコイルの一端に正極側が接続される第３スイッチ素子と、第２のトランスコイル及び第１フライングキャパシタの直列回路に並列に接続される第２スイッチ素子とを備える第１昇圧回路と、第３のトランスコイルと第４のトランスコイルとで構成され、第３のトランスコイルの一端と第４のトランスコイルの一端とが接続され、トランス動作とリアクトル動作をともに行うトランスである第２ハイブリッドトランスと、第４のトランスコイルの他端に一端が接続される第２フライングキャパシタと、第２フライングキャパシタの他端に負極側が接続される第４スイッチ素子と、第４のトランスコイルの一端に正極側が接続される第６スイッチ素子と、第４のトランスコイル及び第２フライングキャパシタの直列回路に並列に接続される第５スイッチ素子とを備える第２昇圧回路と、第１昇圧回路の第１スイッチ素子と第１フライングキャパシタの中点と、第２昇圧回路の第４スイッチ素子と第２フライングキャパシタの中点との間に接続されたトランスの１次側コイルと、正極が第１昇圧回路の第１ハイブリッドトランスの第１のトランスコイルの他端及び第２昇圧回路の第２ハイブリッドトランスの第３のトランスコイルの他端に接続され、負極が第３スイッチ素子及び第６スイッチ素子の負極側に接続された電源とを備え、複数個のモジュール間で、一方のモジュールの第１スイッチ素子及び第４スイッチ素子の正極側を、他方のモジュールの第３スイッチ素子及び第６スイッチ素子の負極側に接続することで、モジュールが複数個直列接続されることを特徴とする。 The present invention includes a primary side conversion circuit, a secondary side conversion circuit, and a transformer that magnetically couples the primary side conversion circuit and the secondary side conversion circuit, and the primary side conversion circuit is the primary side of the transformer. a coil, the module comprising a plurality of switching elements and power supply connected to the transformer primary coil is multiple serially connected state, and are counter-wound primary coil of the at least two modules to each other, the module first And a second transformer coil, one end of the first transformer coil is connected to one end of the second transformer coil, and the first hybrid transformer is a transformer that performs both the transformer operation and the reactor operation. , A first flying capacitor whose one end is connected to the other end of the second transformer coil, a first switching element whose negative side is connected to the other end of the first flying capacitor, and a positive side to one end of the second transformer coil. A first booster circuit including a third switch element connected to the second transformer coil and a second switch element connected in parallel to a series circuit of the second transformer coil and the first flying capacitor; a third transformer coil; A second hybrid transformer, which is a transformer configured to perform both a transformer operation and a reactor operation, in which one end of the third transformer coil and one end of the fourth transformer coil are connected to each other. A second flying capacitor whose one end is connected to the other end, a fourth switching element whose negative side is connected to the other end of the second flying capacitor, and a sixth switching element whose positive side is connected to one end of the fourth transformer coil. A second booster circuit including a fourth switch coil and a fifth switch element connected in parallel to a series circuit of the second flying capacitor, and a first switch element of the first booster circuit and a first flying capacitor. Point, the primary coil of the transformer connected between the fourth switching element of the second booster circuit and the middle point of the second flying capacitor, and the positive electrode of the first hybrid transformer of the first booster circuit. A power supply connected to the other end of the transformer coil and the other end of the third transformer coil of the second hybrid transformer of the second booster circuit, the negative electrode of which is connected to the negative electrode side of the third switch element and the sixth switch element. , Between the plurality of modules, by connecting the positive side of the first switch element and the fourth switch element of one module to the negative side of the third switch element and the sixth switch element of the other module, Be connected in series Is characterized by .
本発明の１つの実施形態では、モジュールは、電源を回路から切り離すフューズを備える。 In one embodiment of the invention, the module comprises a fuse that disconnects the power supply from the circuit .
本発明の他の実施形態では、複数のモジュールのいずれかが故障した場合に、故障したモジュール、及び故障したモジュールの１次側コイルと互いに逆巻きの関係にあるモジュールの全スイッチ素子を常時オン動作させ、他のモジュールのスイッチ素子をオンオフ動作させるように制御する制御回路とを備える。 In another embodiment of the present invention, when any one of the plurality of modules fails, all the switch elements of the failed module and the module having a reverse winding relationship with the primary coil of the failed module are always turned on. And a control circuit for controlling the switching elements of the other modules to perform on/off operations .
本発明によれば、昇圧コンバータ機能と絶縁コンバータ機能を担保しつつトランスコア体積の増大を抑制し、かつ、システムロバスト性を確保することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress an increase in the transformer core volume while ensuring the boost converter function and the insulating converter function, and to ensure system robustness.
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
＜第１実施形態＞
図１Ａ及び図１Ｂは、第１実施形態における電力変換回路１０の回路構成を示す。図１Ａは、電力変換回路１０の全体構成であり、図１Ｂは図１Ａにおけるモジュール１の回路構成である。
<First Embodiment>
1A and 1B show the circuit configuration of the
電力変換回路１０は、１次側変換回路１０Ａと２次側変換回路１０Ｂから構成され、１次側変換回路１０Ａは、複数のモジュール１、モジュール２、・・・、モジュールＮが多直列接続されて構成される。１次側変換回路１０Ａにはインバータ回路１４さらにはモータ１６が負荷として接続される（図６参照）。図では、インバータ回路１４を負荷抵抗として示している。２次側変換回路１０Ｂには補機１８が負荷として接続される（図６参照）。図では、補機１８を負荷抵抗として示している。
The
１次側変換回路１０Ａのモジュール１は、図１Ｂに示すように、トランスの１次側コイルＴｒ１と、トランスの１次側コイルＴｒ１の両端に接続される２つのリアクトルが磁気結合して構成される１次側磁気結合リアクトルを有するフルブリッジ回路と、主機電池（電池セル）１２と、フューズ１３を備える。モジュール１には、出力キャパシタＣ１が接続される。
As shown in FIG. 1B, the
フルブリッジ回路は、左上アーム、左下アーム、右上アーム、及び右下アームを含んで構成され、それぞれスイッチ素子（ＭＯＳトランジスタ）Ｓ１〜Ｓ４と、当該スイッチ素子に並列に接続される帰還ダイオードで構成される。正極母線と負極母線との間に、左上アームと左下アームとを直列接続した左側アームが取り付けられて、また、右上アームと、右下アームとを直列接続した右側アームが左側アームと並列に取り付けられる。スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２の中点には、磁気結合リアクトル及びトランスの１次側コイルＴｒ１の一端が接続される。トランスの１次側コイルＴｒ１の他端は、磁気結合リアクトルを介してスイッチ素子Ｓ３，Ｓ４の中点に接続される。トランスの１次側コイルＴｒ１の中点にはフューズ１３を介して主機電池（電池セル）１２の正極が接続され、主機電池（電池セル１２）の負極は負極母線に接続される。他のモジュールも同様の構成であり、モジュール２はトランスの１次側コイルＴｒ２を備え、モジュールＮはトランスの１次側コイルＴｒＮを備える。
The full-bridge circuit includes an upper left arm, a lower left arm, an upper right arm, and a lower right arm, each of which is composed of switch elements (MOS transistors) S1 to S4 and a feedback diode connected in parallel to the switch element. It A left arm in which an upper left arm and a lower left arm are connected in series is attached between the positive electrode bus and the negative electrode bus, and a right arm in which an upper right arm and a lower right arm are connected in series is attached in parallel with the left arm. Be done. The magnetic coupling reactor and one end of the primary coil Tr1 of the transformer are connected to the midpoints of the switch elements S1 and S2. The other end of the primary coil Tr1 of the transformer is connected to the midpoint of the switch elements S3, S4 via a magnetic coupling reactor. The positive electrode of the main engine battery (battery cell) 12 is connected to the middle point of the primary coil Tr1 of the transformer via a
モジュール１、モジュール２、・・・、モジュールＮは、それぞれの出力キャパシタＣ１、Ｃ２、・・・Ｃｎにおいて互いに直列接続される。
The
２次側変換回路１０Ｂは、スイッチ素子Ｓ７，Ｓ８、トランスの２次側コイル、及び電流平滑用リアクトルを備える。１次側変換回路１０Ａの複数のモジュール１、モジュール２、・・・、モジュールＮの１次側コイルＴｒ１，Ｔｒ２，・・・ＴｒＮと、２次側変換回路１０Ｂの２次側コイルは、いずれもトランスコアを介して磁気結合する。
The secondary
制御回路５０は、１次側変換回路１０Ａ及び２次側変換回路１０Ｂのスイッチ素子のオンオフを制御する。制御回路５０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及び入出力インタフェースを備えるマイコンで構成される。制御回路５０は、スイッチ素子のスイッチング制御を行うべく、デューティ指令値及び位相差指令値を算出する。
The
図１Ａ及び図１Ｂの構成でも、高圧側である１次側変換回路１０Ａを複数のモジュール１、モジュール２、モジュール３、・・・モジュールＮの多直列接続とし、主機側回路のスイッチ素子耐圧を下げることで、スイッチング周波数を補機用絶縁コンバータと同程度まで高くし、トランスコア体積の増大を防ぐことができる。また、主機電池１２として電池セルを並列化して図６の場合よりも低い電圧とすることで、全動作範囲での常時スイッチングが可能で、絶縁電力伝送が可能となる。
In the configurations of FIGS. 1A and 1B as well, the primary-
他方、図１Ａ及び図１Ｂの構成が、図７Ａ及び図７Ｂの構成と異なる点は、トランスの１次側コイルＴｒ１，Ｔｒ２，・・・ＴｒＮのうち、隣接する２つの１次側コイルが互いに逆巻きとなっている点である。具体的には、Ｔｒ１とＴｒ２は互いに逆巻きであり、Ｔｒ２とＴｒ３は互いに逆巻きであり、Ｔｒ３とＴｒ４は互いに逆巻きである。一般的に、第ｉモジュールの１次側コイルＴｒｉとこれに隣接する第（ｉ＋１）モジュールの１次側コイルＴｒｉ＋１は、互いに逆巻きである（ｉ＝１，２，３・・・，Ｎ）。 On the other hand, the configuration of FIGS. 1A and 1B is different from the configurations of FIGS. 7A and 7B in that the two adjacent primary coils of the transformer primary coils Tr1, Tr2,... TrN are mutually adjacent. It is a reverse winding point. Specifically, Tr1 and Tr2 are reversely wound, Tr2 and Tr3 are reversely wound, and Tr3 and Tr4 are reversely wound. Generally, the primary coil Tri of the i-th module and the primary coil Tri+1 of the (i+1)th module adjacent to the i-th module are reversely wound (i=1, 2, 3,..., N).
このような回路構成において、図２に示すように、いずれかのモジュール、例えばモジュール１の回路が故障した場合を想定する。図において、モジュール１に×印が付されており、故障したことを示す。制御回路５０は、故障したモジュール１の全スイッチ素子を常時オン動作させるとともに、モジュール１の１次側コイルＴｒ１と互いに逆巻きの関係にあるモジュール、例えばモジュール２の全スイッチ素子も常時オン動作させる。また、制御回路５０は、残りのモジュールについては、通常時と同様にスイッチ素子をオンオフ動作させ、１次側変換回路１０Ａと２次側変換回路１０Ｂとの間の位相差を制御する。
In such a circuit configuration, as shown in FIG. 2, it is assumed that one of the modules, for example, the circuit of the
すると、故障したモジュール１、及びこれと互いに逆巻きのモジュール２を除く他のモジュールによるトランス励磁電圧は、互いに逆巻きのモジュール１とモジュール２で相殺されるため、たとえモジュール１が故障していても１次側変換回路１０Ａから２次側変換回路１０Ｂへの絶縁コンバータ機能は維持される。すなわち、たとえモジュール１が故障したとしても、モジュール１，２を除く他のモジュールから補機への絶縁電力伝送が可能である。
Then, the transformer excitation voltages of the
また、図１Ｂに示すように、トランスの１次側コイルＴｒ１と主機電池（電池セル）１２との間にはフューズ１３が設けられており、故障したモジュール１及びこれと逆巻きのモジュール２の全スイッチ素子を常時オン動作することで、モジュール１及びモジュール２では主機電池（電池セル）１２と回路が分離され、主機電池（電池セル）１２を保護することができる。
Further, as shown in FIG. 1B, a
さらに、モジュール１及びモジュール２に接続された出力キャパシタＣ１，Ｃ２の電荷はこれらのモジュール内の全スイッチ素子のオン動作によりゼロとなり、全オン動作したスイッチ素子を介して主機モータ電流が流れるため、モジュール１，２を除く他のモジュールによる主機昇圧コンバータ機能も維持される。
Further, the electric charges of the output capacitors C1 and C2 connected to the
なお、モジュール１が故障した場合に、モジュール２に代えてモジュール４（あるいはモジュール６等）の全スイッチ素子をオン動作させてもよい。
If the
以上のように、たとえいずれかのモジュールが故障しても昇圧コンバータ機能及び絶縁コンバータ機能を維持でき、図７Ａ及び図７Ｂの構成と比べてシステムのロバスト性を向上させることができる。 As described above, even if one of the modules fails, the boost converter function and the insulation converter function can be maintained, and the robustness of the system can be improved as compared with the configurations of FIGS. 7A and 7B.
＜第２実施形態＞
図３は、本実施形態の電力変換回路１０の基本回路構成を示す。本実施形態においても、１次側変換回路１０Ａは、複数のモジュールを多直列接続して構成されるが、モジュールの回路構成が第１実施形態の構成と異なる。図３では、１つのモジュール内の回路構成を示す。
<Second Embodiment>
FIG. 3 shows a basic circuit configuration of the
本実施形態のモジュールは、ハイブリッドトランスとフライングキャパシタを用いた高昇圧回路を２並列化（これらをＵ相昇圧回路及びＶ相昇圧回路とする）して構成される。ハイブリッドトランスは、トランス動作とリアクトル動作をともに行うトランスであり、ハイブリッドトランスを用いることで、スイッチングデューティを極端に高い値にしなくても高昇圧比を得ることが可能である The module of the present embodiment is configured by arranging two high booster circuits using a hybrid transformer and a flying capacitor in parallel (these are referred to as a U-phase booster circuit and a V-phase booster circuit). The hybrid transformer is a transformer that performs both the transformer operation and the reactor operation. By using the hybrid transformer, it is possible to obtain a high boosting ratio without making the switching duty extremely high.
Ｕ相昇圧回路は、第１昇圧回路として機能し、第１ハイブリッドトランス、スイッチ素子Ｓ１、スイッチ素子Ｓ２、スイッチ素子Ｓ３、及び第１フライングキャパシタＣｆｕを備える。第１ハイブリッドトランスは、トランスコイルＬｐとトランスコイルＬｓから構成され、トランス動作とリアクトル動作を行う。トランスコイルＬｐは主機電池（電池セル）１２に接続される。トランスコイルＬｓと第１フライングキャパシタＣｆｕは直列接続され、スイッチ素子Ｓ１及びＳ３は、直列接続されたトランスコイルＬｓ及び第１フライングキャパシタＣｆｕに直列接続される。スイッチ素子Ｓ３は、直列接続されたトランスコイルＬｓ及び第１フライングキャパシタＣｆｕに並列接続される。スイッチ素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３のそれぞれには、並列に還流ダイオードが接続される。 The U-phase booster circuit functions as a first booster circuit and includes a first hybrid transformer, a switch element S1, a switch element S2, a switch element S3, and a first flying capacitor Cfu. The first hybrid transformer includes a transformer coil Lp and a transformer coil Ls, and performs a transformer operation and a reactor operation. The transformer coil Lp is connected to the main engine battery (battery cell) 12. The transformer coil Ls and the first flying capacitor Cfu are connected in series, and the switch elements S1 and S3 are connected in series to the transformer coil Ls and the first flying capacitor Cfu connected in series. The switch element S3 is connected in parallel to the transformer coil Ls and the first flying capacitor Cfu which are connected in series. A freewheeling diode is connected in parallel to each of the switch elements S1, S2, S3.
また、Ｖ相昇圧回路は、第２昇圧回路として機能し、第２ハイブリッドトランス、スイッチ素子Ｓ４、スイッチ素子Ｓ５、スイッチ素子Ｓ６、及び第２フライングキャパシタＣｆｖを備える。第２ハイブリッドトランスは、トランスコイルＬｐとトランスコイルＬｓから構成され、トランス動作とリアクトル動作を行う。トランスコイルＬｐは主機電池（電池セル）１２に接続される。トランスコイルＬｓと第２フライングキャパシタＣｆｖは直列接続され、スイッチ素子Ｓ４及びＳ６は、直列接続されたトランスコイルＬｓ及び第２フライングキャパシタＣｆｖに直列接続される。スイッチ素子Ｓ５は、直列接続されたトランスコイルＬｓ及び第２フライングキャパシタＣｆｖに並列接続される。スイッチ素子Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６のそれぞれには、並列に還流ダイオードが接続される。 The V-phase booster circuit functions as a second booster circuit and includes a second hybrid transformer, a switch element S4, a switch element S5, a switch element S6, and a second flying capacitor Cfv. The second hybrid transformer includes a transformer coil Lp and a transformer coil Ls, and performs a transformer operation and a reactor operation. The transformer coil Lp is connected to the main engine battery (battery cell) 12. The transformer coil Ls and the second flying capacitor Cfv are connected in series, and the switch elements S4 and S6 are connected in series to the transformer coil Ls and the second flying capacitor Cfv connected in series. The switch element S5 is connected in parallel with the transformer coil Ls and the second flying capacitor Cfv which are connected in series. A free wheeling diode is connected in parallel to each of the switch elements S4, S5 and S6.
トランスの１次側コイルＴｒ１の一端は、Ｕ相昇圧回路のスイッチ素子Ｓ１と第１フライングキャパシタＣｆｕの中点に接続され、他端は、Ｖ相昇圧回路のスイッチ素子Ｓ４と第２フライングキャパシタＣｆｖの中点に接続される。 One end of the primary coil Tr1 of the transformer is connected to the midpoint of the switch element S1 of the U-phase booster circuit and the first flying capacitor Cfu, and the other end is connected to the switch element S4 of the V-phase booster circuit and the second flying capacitor Cfv. Connected to the midpoint.
Ｕ相昇圧回路及びＶ相昇圧回路のスイッチ素子Ｓ１〜Ｓ６は、制御回路５０によりオンオフ制御される。Ｕ相昇圧回路及びＶ相昇圧回路のスイッチングデューティで主機昇圧コンバータ動作を行い、Ｕ相とＶ相の位相差で絶縁コンバータ動作を行う。
The switch elements S1 to S6 of the U-phase booster circuit and the V-phase booster circuit are on/off controlled by the
２次側変換回路１０Ｂは、第１実施形態と同様であり、２つのスイッチ素子Ｓ７，Ｓ８、トランスの２次側コイル、及び電流平滑用リアクトルを備える。
The secondary
図４は、主機電池（電池セル）１２から主機負荷１４と補機負荷１８へ同時に電力伝送する場合の動作波形タイミングチャートを示す。
FIG. 4 is a timing chart of operation waveforms when power is simultaneously transmitted from the main machine battery (battery cell) 12 to the
図において、スイッチ素子Ｓ１〜Ｓ８のオンオフ動作タイミング、トランスの１次側コイルＴｒ１の電圧ＶＴｒ１及び電流ｉＴｒ１、Ｕ相昇圧回路の第１ハイブリッドトランスのトランスコイルＬｐ，Ｌｓを流れる電流ｉＬｐｕ，ｉＬｓｕ、Ｖ相昇圧回路の第２ハイブリッドトランスのトランスコイルＬｐ，Ｌｓを流れる電流ｉＬｐｖ，ｉＬｓｖ、２次側変換回路１０Ｂを流れる電流ｉｏの時間変化を示す。また、Ｄはスイッチ素子Ｓ２，Ｓ３のオンデューティ、Ｔはスイッチング周期を示す。φはＵ相とＶ相の位相差を示す。
In the figure, the ON/OFF operation timings of the switch elements S1 to S8, the voltage VTr1 and the current iTr1 of the primary coil Tr1 of the transformer, and the currents iLpu, iLsu, V flowing in the transformer coils Lp, Ls of the first hybrid transformer of the U-phase booster circuit are shown. The time change of the currents iLpv and iLsv flowing through the transformer coils Lp and Ls of the second hybrid transformer of the phase booster circuit and the current io flowing through the secondary
スイッチ素子Ｓ１と、Ｓ２及びＳ３とは反転の関係にあり、スイッチ素子Ｓ１がオンするとスイッチ素子Ｓ２及びＳ３はオフする。これらのスイッチ素子は、昇圧比で決まるデューティでオンオフ動作する。スイッチ素子Ｓ４と、Ｓ５及びＳ６も同様の反転関係にある。 The switch element S1 and S2 and S3 have an inverted relationship, and when the switch element S1 is turned on, the switch elements S2 and S3 are turned off. These switch elements operate on and off with a duty determined by the boost ratio. The switch element S4 and S5 and S6 have the same inversion relationship.
スイッチ素子Ｓ１をオフ、スイッチ素子Ｓ２，Ｓ３をオンとすると、主機電池（電池セル）１２と第１ハイブリッドトランス及び第１フライングキャパシタＣｆｕが接続され、主機電池（電池セル）１２から第１ハイブリッドトランスを介して第１フライングキャパシタＣｆｕに充電する。つまり、第１ハイブリッドトランスのトランス動作によって第１フライングキャパシタＣｆｕへ電力を供給する。また、これと同時に第１ハイブリッドトランスのリアクトル動作により磁気素子にエネルギが蓄積される。第１ハイブリッドトランスのトランスコイルＬｐ及びＬｓに電流ｉＬｐ、ｉＬｓが流れる。 When the switch element S1 is turned off and the switch elements S2 and S3 are turned on, the main engine battery (battery cell) 12 is connected to the first hybrid transformer and the first flying capacitor Cfu, and the main engine battery (battery cell) 12 to the first hybrid transformer is connected. To charge the first flying capacitor Cfu. That is, power is supplied to the first flying capacitor Cfu by the transformer operation of the first hybrid transformer. At the same time, energy is stored in the magnetic element by the reactor operation of the first hybrid transformer. Currents iLp and iLs flow through the transformer coils Lp and Ls of the first hybrid transformer.
次に、スイッチ素子Ｓ１をオン、スイッチ素子Ｓ２，Ｓ３をオフとすると、主機電池（電池セル）１２とトランスコイルＬｐ，Ｌｓ、第１フライングキャパシタＣｆｕ、スイッチ素子Ｓ１が互いに直列に接続され、トランスコイルＬｐ，Ｌｓに流れる電流が等しくなるまで、半導体スイッチ素子Ｓ２に並列に接続された還流ダイオードに還流する。 Next, when the switch element S1 is turned on and the switch elements S2 and S3 are turned off, the main battery (battery cell) 12, the transformer coils Lp and Ls, the first flying capacitor Cfu, and the switch element S1 are connected in series to each other, and the transformer Until the currents flowing through the coils Lp and Ls become equal, they flow back to the free wheeling diode connected in parallel to the semiconductor switch element S2.
その後、主機電池（電池セル）１２と第１フライングキャパシタＣｆｕが直列状態において、出力キャパシタＣ１側へ電力を供給する。Ｖ相についても同様である。 After that, the main engine battery (battery cell) 12 and the first flying capacitor Cfu are connected in series, and power is supplied to the output capacitor C1 side. The same applies to the V phase.
他方、Ｕ相とＶ相の位相差φによりトランスの１次側コイルＴｒ１に印加される電圧ＶＴｒ１が制御される。 On the other hand, the voltage VTr1 applied to the primary coil Tr1 of the transformer is controlled by the phase difference φ between the U phase and the V phase.
２次側変換回路１０Ｂのスイッチ素子Ｓ７，Ｓ８は、論理式
Ｓ７＝Ｓ２＋Ｓ５
Ｓ８＝Ｓ１＋Ｓ６
となるようにオンオフ動作する。すなわち、スイッチ素子Ｓ７は、スイッチ素子Ｓ２とＳ５の論理和でオンオフ動作し、スイッチ素子Ｓ８は、スイッチ素子Ｓ１とＳ６の論理和でオンオフ動作する。これにより、スイッチ素子Ｓ７，Ｓ８は、１次側変換回路１０Ａから２次側変換回路１０Ｂへの電力伝送時は同期整流機能を実行し、２次側変換回路１０Ｂから１次側変換回路１０Ａへの電力伝送時はトランス励磁機能を実行する。
The switch elements S7 and S8 of the secondary
S8=S1+S6
It operates on and off as follows. That is, the switch element S7 is turned on/off by the logical sum of the switch elements S2 and S5, and the switch element S8 is turned on/off by the logical sum of the switch elements S1 and S6. As a result, the switch elements S7 and S8 perform the synchronous rectification function during power transmission from the primary
図３に示す回路では、高昇圧比動作でもデューティを極端に大きくする必要がないので、出力電流リプルを低減でき、出力キャパシタのサイズを低減することができる。 In the circuit shown in FIG. 3, the duty does not have to be extremely increased even in the high boost ratio operation, so that the output current ripple can be reduced and the size of the output capacitor can be reduced.
図５Ａ及び図５Ｂに、本実施形態の電力変換回路の回路構成を示す。図５Ａは、電力変換回路１０の全体構成であり、図５Ｂは図５Ａにおけるモジュール１の回路構成である。本実施形態においても、トランスの１次側コイルＴｒ１，Ｔｒ２，・・・ＴｒＮのうち、隣接する２つの１次側コイルが互いに逆巻きとなる。具体的には、Ｔｒ１とＴｒ２は互いに逆巻きであり、Ｔｒ２１とＴｒ３は互いに逆巻きであり、Ｔｒ３とＴｒ４は互いに逆巻きである。一般的に、第ｉモジュールの１次側コイルＴｒｉとこれに隣接する第（ｉ＋１）モジュールの１次側コイルＴｒｉ＋１は、互いに逆巻きである。
5A and 5B show the circuit configuration of the power conversion circuit of this embodiment. 5A shows the overall configuration of the
このような回路構成において、いずれかのモジュール、例えばモジュール１の回路が故障した場合を想定する。制御回路５０は、故障したモジュール１の全スイッチ素子をオン動作させるとともに、モジュール１の１次側コイルＴｒ１と互いに逆巻きの関係にあるモジュール、例えばモジュール２の全スイッチ素子もオン動作させる。また、制御回路５０は、残りのモジュールについては、通常と同様にスイッチ素子をオンオフ動作させ、位相差を制御する。
In such a circuit configuration, it is assumed that any module, for example, the circuit of
すると、故障したモジュール１、及びこれと互いに逆巻きのモジュール２を除く他のモジュールによるトランス励磁電圧は、互いに逆巻きのモジュール１とモジュール２で相殺されるため、たとえモジュール１が故障していても１次側変換回路１０Ａから２次側変換回路１０Ｂへの絶縁コンバータ機能が維持される。
Then, the transformer excitation voltages of the
また、図５Ｂに示すように、Ｕ相昇圧回路のハイブリッドトランス及びＶ相昇圧回路のハイブリッドトランスと主機電池（電池セル）１２との間にフューズ１３を設けることで、故障したモジュール１及びこれと逆巻きのモジュール２の全スイッチ素子をオン動作すると、モジュール１及びモジュール２では主機電池（電池セル）１２と回路が分離され、主機電池（電池セル）１２を保護することができる。
Further, as shown in FIG. 5B, by providing the
また、モジュール１及びモジュール２に接続された出力キャパシタの電荷は全スイッチ素子のオン動作によりゼロとなり、全オン動作したスイッチ素子を介して主機モータ電流が流れるため、これ以外のモジュールによる主機昇圧コンバータ機能も維持される。
In addition, the electric charge of the output capacitors connected to the
また、発明者等は、本実施形態の回路構成では、第１実施形態の回路構成と比べて、磁気素子コアに流れる直流磁束と出力キャパシタに流れる実効電流値が減少するため、体積を４６％低減できることを確認している。 In addition, in the circuit configuration of the present embodiment, the inventor and the like reduce the DC magnetic flux flowing in the magnetic element core and the effective current value flowing in the output capacitor in the circuit configuration of the first embodiment, so that the volume is 46%. It has been confirmed that it can be reduced.
さらに、発明者等は、２並列化された６Ｖのセルを入力とした回路を２８直列し、出力電圧の合計が６５０Ｖ、出力電力の合計が２７ｋＷとなるように回路を動作させたときの損失を算出した。本実施形態では第１実施形態に比べてスイッチ素子Ｓ１，Ｓ４に流れる電流は入力電圧とフライングキャパシタの合計電圧から出力電圧へのシリーズ昇圧と見なすことができるため、電流値を低くすることができる。このため、スイッチ素子損失を小さくすることができる。また、第１実施形態のリアクトルには大電流が流れているのに対し、本実施形態ではハイブリッドトランスの低圧側コイルにのみ大電流が流れるため、リアクトル巻線の導通損失も低減できる。これらの相乗効果により、回路損失を１７％低減できることを確認している。 Furthermore, the inventors of the present invention connected 28 circuits in which two parallel-connected 6 V cells were input in series, and operated the circuits so that the total output voltage was 650 V and the total output power was 27 kW. Was calculated. In the present embodiment, the current flowing through the switch elements S1 and S4 can be regarded as series boosting from the total voltage of the input voltage and the flying capacitor to the output voltage as compared with the first embodiment, so that the current value can be lowered. .. Therefore, the switch element loss can be reduced. Further, while a large current flows in the reactor of the first embodiment, a large current flows only in the low-voltage side coil of the hybrid transformer in the present embodiment, so the conduction loss of the reactor winding can be reduced. It has been confirmed that the circuit loss can be reduced by 17% by these synergistic effects.
以上のように、第２実施形態では、第１実施形態と同様にシステムのロバスト性を向上できるだけでなく、フライングキャパシタにハイブリッドトランスのトランス動作による給電を行いながら主機電池（電池セル）１２とフライングキャパシタによるシリーズ昇圧を行うため、コアに生じる磁束を低減できる。また、高昇圧動作でもスイッチングデューティを極端に高くする必要がないため出力電流リプルを低減でき、結果として出力キャパシタサイズを低減できる。また、上アームの導通損失が低減されるとともにリアクトル巻線の導通損失が低減されるので回路効率を向上させることができる。 As described above, in the second embodiment, not only can the system robustness be improved as in the first embodiment, but the main unit battery (battery cell) 12 and the flying capacitor can be fed to the flying capacitor while supplying power by the transformer operation of the hybrid transformer. Since the series boosting is performed by the capacitor, the magnetic flux generated in the core can be reduced. Further, since it is not necessary to extremely increase the switching duty even in the high boosting operation, the output current ripple can be reduced, and as a result, the output capacitor size can be reduced. Further, the conduction loss of the upper arm is reduced and the conduction loss of the reactor winding is reduced, so that the circuit efficiency can be improved.
なお、第１実施形態及び第２実施形態では、多直列接続された複数のモジュールのうち、隣接するモジュールのトランスの１次側コイルを互いに逆巻きとしているが、トランスコアが共通で１次側コイルの巻線方向が互いに逆であるモジュールが少なくとも２つあればよい。 In the first embodiment and the second embodiment, the primary coils of the transformers of the adjacent modules among the plurality of modules connected in series are reversely wound, but the transformer core is common and the primary coil is the same. It suffices if there are at least two modules whose winding directions are opposite to each other.
また、第１実施形態及び第２実施形態におけるモジュールの個数は任意であり、かつ、必要に応じて後からモジュールを追加することもできる。 In addition, the number of modules in the first and second embodiments is arbitrary, and modules can be added later as needed.
また、第１実施形態及び第２実施形態では、主機昇圧コンバータ機能及び補機絶縁コンバータ機能について説明したが、複数のモジュールを多直列接続しているので、各モジュールの主機電池（電池セル）１２のＳＯＣ（充電状態）に応じてスイッチ素子をＯＮ動作させてセルを均等化することもできる。 Further, in the first and second embodiments, the main machine boost converter function and the auxiliary machine insulation converter function have been described, but since a plurality of modules are connected in multiple series, the main machine battery (battery cell) 12 of each module is described. It is also possible to equalize the cells by turning on the switch elements according to the SOC (state of charge).
また、第１実施形態及び第２実施形態では、各モジュールにおいて主機電池（電池セル）１２を回路に接続しているので、例えば低温時に回路からの発熱により主機電池（電池セル）１２を加熱して主機電池（電池セル）１２の温度を調整することもできる。 Further, in the first and second embodiments, since the main engine battery (battery cell) 12 is connected to the circuit in each module, the main engine battery (battery cell) 12 is heated by the heat generated from the circuit at a low temperature, for example. The temperature of the main engine battery (battery cell) 12 can also be adjusted.
さらに、第１実施形態及び第２実施形態では、２次側変換回路１０Ｂに補機１８のみを接続しているが、複数の２次側変換回路１０Ｂを１次側変換回路１０Ａに磁気結合させ、
ある２次側変換回路の出力電圧を４８Ｖ、別の２次側変換回路の出力電圧を１２Ｖとし、さらに別の２次側変換回路には太陽光発電装置を接続する等してもよい。
Further, in the first and second embodiments, only the
The output voltage of a certain secondary side conversion circuit may be 48V, the output voltage of another secondary side conversion circuit may be 12V, and a solar power generation device may be connected to another secondary side conversion circuit.
１０ 電力変換回路、１０Ａ １次側変換回路、１０Ｂ ２次側変換回路、１２ 主機電池（電池セル）、１３ フューズ、１４ インバータ回路（主機抵抗）、１６ モータ、１８ 補機（補機抵抗）。
10 power conversion circuit, 10A primary conversion circuit, 10B secondary conversion circuit, 12 main battery (battery cell), 13 fuse, 14 inverter circuit (main resistance), 16 motor, 18 auxiliary (auxiliary resistance).
Claims (3)
２次側変換回路と、
１次側変換回路と２次側変換回路を磁気結合するトランスと、
を備え、
１次側変換回路は、トランスの１次側コイルと、トランスの１次側コイルに接続された複数のスイッチ素子及び電源を備えるモジュールが複数個直列接続され、
少なくとも２つのモジュールの１次側コイルが互いに逆巻きであり、
モジュールは、
第１のトランスコイルと第２のトランスコイルとで構成され、第１のトランスコイルの一端と第２のトランスコイルの一端とが接続され、トランス動作とリアクトル動作をともに行うトランスである第１ハイブリッドトランスと、第２のトランスコイルの他端に一端が接続される第１フライングキャパシタと、第１フライングキャパシタの他端に負極側が接続される第１スイッチ素子と、第２のトランスコイルの一端に正極側が接続される第３スイッチ素子と、第２のトランスコイル及び第１フライングキャパシタの直列回路に並列に接続される第２スイッチ素子とを備える第１昇圧回路と、
第３のトランスコイルと第４のトランスコイルとで構成され、第３のトランスコイルの一端と第４のトランスコイルの一端とが接続され、トランス動作とリアクトル動作をともに行うトランスである第２ハイブリッドトランスと、第４のトランスコイルの他端に一端が接続される第２フライングキャパシタと、第２フライングキャパシタの他端に負極側が接続される第４スイッチ素子と、第４のトランスコイルの一端に正極側が接続される第６スイッチ素子と、第４のトランスコイル及び第２フライングキャパシタの直列回路に並列に接続される第５スイッチ素子とを備える第２昇圧回路と、
第１昇圧回路の第１スイッチ素子と第１フライングキャパシタの中点と、第２昇圧回路の第４スイッチ素子と第２フライングキャパシタの中点との間に接続されたトランスの１次側コイルと、
正極が第１昇圧回路の第１ハイブリッドトランスの第１のトランスコイルの他端及び第２昇圧回路の第２ハイブリッドトランスの第３のトランスコイルの他端に接続され、負極が第３スイッチ素子及び第６スイッチ素子の負極側に接続された電源と、
を備え、
複数個のモジュール間で、一方のモジュールの第１スイッチ素子及び第４スイッチ素子の正極側を、他方のモジュールの第３スイッチ素子及び第６スイッチ素子の負極側に接続することで、モジュールが複数個直列接続されることを特徴とする電力変換回路。 A primary side conversion circuit,
A secondary side conversion circuit,
A transformer for magnetically coupling the primary side conversion circuit and the secondary side conversion circuit,
Equipped with
In the primary side conversion circuit, a plurality of modules including a primary side coil of a transformer and a plurality of switch elements and a power source connected to the primary side coil of the transformer are connected in series,
Ri der counter-wound to each other the primary coil of the at least two modules,
The module is
A first hybrid, which is a transformer that includes a first transformer coil and a second transformer coil, one end of the first transformer coil and one end of the second transformer coil are connected, and is a transformer that performs both a transformer operation and a reactor operation. A transformer, a first flying capacitor whose one end is connected to the other end of the second transformer coil, a first switch element whose negative side is connected to the other end of the first flying capacitor, and an end of the second transformer coil. A first booster circuit including a third switch element connected to the positive electrode side and a second switch element connected in parallel to a series circuit of a second transformer coil and a first flying capacitor;
A second hybrid, which is a transformer configured by a third transformer coil and a fourth transformer coil, one end of the third transformer coil and one end of the fourth transformer coil being connected, and performing both transformer operation and reactor operation A transformer, a second flying capacitor whose one end is connected to the other end of the fourth transformer coil, a fourth switch element whose negative side is connected to the other end of the second flying capacitor, and an end of the fourth transformer coil. A second booster circuit including a sixth switch element connected to the positive electrode side and a fifth switch element connected in parallel to a series circuit of a fourth transformer coil and a second flying capacitor,
A primary coil of a transformer connected between the first switch element of the first booster circuit and the middle point of the first flying capacitor, and the fourth switch element of the second booster circuit and the middle point of the second flying capacitor; ,
The positive electrode is connected to the other end of the first transformer coil of the first hybrid transformer of the first booster circuit and the other end of the third transformer coil of the second hybrid transformer of the second booster circuit, and the negative electrode is connected to the third switch element and A power source connected to the negative side of the sixth switch element,
Equipped with
A plurality of modules are connected by connecting the positive side of the first switch element and the fourth switch element of one module to the negative side of the third switch element and the sixth switch element of the other module. A power conversion circuit characterized by being connected in series .
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換回路。 The power conversion circuit according to claim 1, wherein the module includes a fuse that disconnects the power supply from the circuit.
を備えることを特徴とする請求項１，２のいずれかに記載の電力変換回路。 When any of the plurality of modules fails, all the switching elements of the failed module and the module having a reverse winding relationship with the primary coil of the failed module are always turned on, and the switching elements of other modules are turned on. A control circuit for controlling to turn on and off,
The power conversion circuit according to claim 1 , further comprising:
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