JP2016208693A - Power conversion device - Google Patents

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綾井 直樹
Naoki Ayai
直樹 綾井
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce the number of semiconductor devices on a power conversion device to which an isolation transformer is mounted.SOLUTION: The power conversion device includes: an AC side first electric circuit running from one input terminal of an AC side to a primary side neutral point of an isolation transformer; an AC side second electric circuit running from the other input terminal to both terminal parts of a primary side winding through a common electric circuit by being branched at a branch point to two electric circuits; a reactor interposed by at least one of the AC side first electric circuit and the common electric circuit; a first switch and a second switch, having bidirectionality, bidirectionally cutting off power supply in an off state, inserted respectively between the branch point and one end and the other end of the primary side winding; a DC side first electric circuit reaching one output terminal by being mutually connected to a negative electrode of each rectifier whose positive electrode is connected to both terminal parts of the secondary side winding; a DC side second electric circuit reaching from the secondary side neutral point to the other output terminals; a capacitor provided between two output terminals; a control part for controlling each switch.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、交流を直流に変換するか、又は、直流を交流に変換する電力変換装置に関する。   The present invention relates to a power converter that converts alternating current to direct current or converts direct current to alternating current.

図17〜図21はそれぞれ、従来の代表的な絶縁型直流電源(交流から直流への電力変換装置)を示す回路図である。
まず、図17に示す絶縁型直流電源は、絶縁トランス201と、ダイオードブリッジの整流回路202と、昇圧チョッパ回路203とを備えている。この回路は、半導体デバイスの使用数(ダイオード5個、スイッチ1個の合計6個)が少なく、制御もシンプルであるため、広く用いられている。なお、既知の回路であり、回路図及び図記号より回路動作は自明であるため、ここでは詳細な説明は省略する(以下同様)。
FIGS. 17 to 21 are circuit diagrams each showing a conventional typical isolated DC power supply (AC to DC power converter).
First, the insulation type DC power source shown in FIG. 17 includes an insulation transformer 201, a diode bridge rectifier circuit 202, and a boost chopper circuit 203. This circuit is widely used because the number of semiconductor devices used (5 diodes and 6 switches in total) is small and the control is simple. In addition, since it is a known circuit and the circuit operation is obvious from the circuit diagram and symbol, detailed description is omitted here (the same applies hereinafter).

図18に示す絶縁型直流電源は、ACアダプタ等に広く用いられる回路であり、整流回路202と、昇圧チョッパ回路203と、絶縁型のDC/DCコンバータ204とを備えている。この回路は、半導体デバイスの使用数(ダイオード7個、スイッチ3個の合計10個)が図17の回路より多い。   The insulated DC power source shown in FIG. 18 is a circuit widely used for an AC adapter or the like, and includes a rectifier circuit 202, a boost chopper circuit 203, and an insulated DC / DC converter 204. In this circuit, the number of semiconductor devices used (a total of 10 diodes and 3 switches) is larger than that of the circuit of FIG.

図19に示す絶縁型直流電源は、図18における整流回路202及び昇圧チョッパ回路203を、バイポーラ型昇圧チョッパ回路205に置き換えて整流と力率制御を行うものである。この場合、半導体デバイスの数(ダイオード4個、スイッチ4個の合計8個)は、図18の回路よりも少ないが、図17の回路よりは多い。   The insulated DC power source shown in FIG. 19 performs rectification and power factor control by replacing the rectifier circuit 202 and the boost chopper circuit 203 in FIG. 18 with a bipolar boost chopper circuit 205. In this case, the number of semiconductor devices (a total of eight diodes and four switches) is smaller than that of the circuit of FIG. 18, but larger than that of the circuit of FIG.

図20に示す絶縁型直流電源は、整流回路206と、絶縁型のDC/DCコンバータ207とを備えている(例えば、特許文献1の図5参照。)。この場合の半導体デバイスの使用数は8個(ダイオード6個、スイッチ2個の合計8個)である。
図21に示す絶縁型直流電源は、整流回路208と、絶縁型のDC/DCコンバータ209とを備えている(例えば、特許文献1の図2参照。)。この場合の半導体デバイスの使用数は8個(ダイオード4個、スイッチ4個の合計8個)である。
The insulated DC power source shown in FIG. 20 includes a rectifier circuit 206 and an insulated DC / DC converter 207 (see, for example, FIG. 5 of Patent Document 1). In this case, the number of semiconductor devices used is eight (a total of eight diodes and two switches).
The insulated DC power source shown in FIG. 21 includes a rectifier circuit 208 and an insulated DC / DC converter 209 (see, for example, FIG. 2 of Patent Document 1). In this case, the number of semiconductor devices used is eight (a total of eight diodes and four switches).

特許第3216736号Japanese Patent No. 3216736

上記のような従来の絶縁型直流電源(電力変換装置)において、まず、図17の回路は、半導体デバイスの数は最も少ないが、絶縁トランス201が、商用系統の周波数で使用される低周波トランスとなる。そのため、高周波トランスと比較すると、絶縁トランス201のサイズ及び重量が大きい。また、絶縁トランス201の励磁電流が大きく、そのため、無負荷時や軽負荷時の効率が悪い。   In the conventional insulation type DC power supply (power conversion device) as described above, first, the circuit of FIG. 17 has the smallest number of semiconductor devices, but the insulation transformer 201 is a low-frequency transformer used at a commercial frequency. It becomes. For this reason, the size and weight of the insulating transformer 201 are larger than those of the high-frequency transformer. In addition, the exciting current of the insulating transformer 201 is large, so that the efficiency at no load or light load is poor.

一方、図18〜21に示す絶縁型直流電源は、いずれも、半導体デバイスの使用数が8個以上である。交流側から高周波絶縁トランスまでの区間で見ると、6個以上である。半導体デバイスは、オン抵抗による電力損失や、スイッチングに伴う電力損失がある。
また、スイッチの場合、駆動回路の他、寄生インダクタンスによって起こるターンオフサージを吸収するスナバ回路等、周辺回路を設置するスペースが必要である。さらに、スイッチ自身を冷却するため放熱器も必要であるが、そのサイズがスイッチより大きい。従って、半導体デバイスが多いほど、装置全体を小型化することが困難になる。
On the other hand, all of the insulated DC power supplies shown in FIGS. 18 to 21 use eight or more semiconductor devices. Looking at the section from the AC side to the high frequency insulation transformer, it is 6 or more. Semiconductor devices have power loss due to on-resistance and power loss due to switching.
In the case of a switch, a space for installing a peripheral circuit such as a snubber circuit that absorbs a turn-off surge caused by parasitic inductance is required in addition to the drive circuit. In addition, a radiator is required to cool the switch itself, but its size is larger than the switch. Therefore, the more semiconductor devices, the more difficult it is to reduce the size of the entire apparatus.

かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、高周波の絶縁トランスを搭載し、交流−直流間での電力変換を行う機能を備えた電力変換装置において、半導体デバイスの数を削減することを目的とする。   In view of such conventional problems, an object of the present invention is to reduce the number of semiconductor devices in a power converter equipped with a high-frequency insulating transformer and having a function of performing power conversion between AC and DC. To do.

(交流から直流への変換)
本発明の電力変換装置は、交流から直流への電力変換を行う電力変換装置であって、1次側巻線及び2次側巻線のそれぞれに1次側中性点及び2次側中性点を有する絶縁トランスと、交流側の一方の入力端から前記1次側中性点に至る交流側第1電路と、交流側の他方の入力端から共通電路を経て分岐点で2電路に分岐して前記1次側巻線の両端部に至る交流側第2電路と、前記交流側第1電路及び前記共通電路の少なくとも一方に介挿されるリアクトルと、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記1次側巻線の一端部との間に挿入される第1スイッチと、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記1次側巻線の他端部との間に挿入される第2スイッチと、前記2次側巻線の一端部に正極が接続された第1整流素子と、前記2次側巻線の他端部に正極が接続された第2整流素子と、前記第1整流素子及び前記第2整流素子の各負極を互いに接続して、直流側の一方の出力端に至る直流側第1電路と、前記2次側中性点から直流側の他方の出力端に至る直流側第2電路と、前記一方の出力端と前記他方の出力端との間に設けられたコンデンサと、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチの双方がオン、一方がオフ、双方がオン、他方がオフとなる工程が繰り返されるようスイッチング動作させる制御部と、を備えている電力変換装置である。
(Conversion from AC to DC)
The power converter of the present invention is a power converter that performs power conversion from alternating current to direct current, and has a primary side neutral point and a secondary side neutral point in each of the primary side winding and the secondary side winding. Branching into two electric circuits at a branching point via an insulating transformer having a point, an AC side first electric circuit from one input terminal on the AC side to the primary neutral point, and a common electric circuit from the other input terminal on the AC side The AC side second electric circuit reaching both ends of the primary side winding, the reactor inserted in at least one of the AC side first electric circuit and the common electric circuit, and bidirectionally energizable, and In the switch-off state, the current is cut off in both directions, and the first switch inserted between the branch point and one end of the primary side winding can be energized in both directions, and the switch is turned off. In this state, power is cut off in both directions, and the branch point and the other end of the primary winding are A second switch inserted into the first winding, a first rectifying element having a positive electrode connected to one end of the secondary winding, and a second rectifying element having a positive electrode connected to the other end of the secondary winding A first DC circuit that connects the negative electrodes of the first rectifying element and the second rectifying element to each other and reaches one output terminal on the DC side, and the other on the DC side from the secondary neutral point DC-side second electric circuit that reaches the output terminal, a capacitor provided between the one output terminal and the other output terminal, both the first switch and the second switch are on, and one is off And a control unit that performs a switching operation so that a process in which both are turned on and the other is turned off is repeated.

(交流−直流間の双方向)
また、本発明は、交流と直流との間で双方向に電力変換を行う電力変換装置であって、交流側の1次側巻線及び直流側の2次側巻線のそれぞれに1次側中性点及び2次側中性点を有する絶縁トランスと、交流側の一方のポートから前記1次側中性点に至る交流側第1電路と、交流側の他方のポートから共通電路を経て分岐点で2電路に分岐して前記1次側巻線の両端部に至る交流側第2電路と、前記交流側第1電路及び前記共通電路の少なくとも一方に介挿されるリアクトルと、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記1次側巻線の一端部との間に挿入される第1スイッチと、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記1次側巻線の他端部との間に挿入される第2スイッチと、前記2次側巻線の一端部に正極が接続された整流素子と並列に設けられた第3スイッチと、前記2次側巻線の他端部に正極が接続された整流素子と並列に設けられた第4スイッチと、前記第3スイッチの整流素子及び前記第4スイッチの整流素子の各負極を互いに接続して、直流側の一方のポートに至る直流側第1電路と、前記2次側中性点から直流側の他方のポートに至る直流側第2電路と、前記直流側の一方のポートと前記直流側の他方のポートとの間に設けられたコンデンサと、交流から直流への変換時は、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチの双方がオン、一方がオフ、双方がオン、他方がオフとなる工程が繰り返されるようスイッチング動作させ、逆に、直流から交流への変換時は、前記第3スイッチ及び前記第4スイッチを交互にオン状態とするスイッチング動作を行わせるとともに、これに対応して、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチを交互にオン状態とするスイッチング動作を行わせる制御部と、を備えている電力変換装置である。
(Both directions between AC and DC)
The present invention is also a power conversion device that performs bidirectional power conversion between alternating current and direct current, the primary side of each of the primary side winding on the alternating current side and the secondary side winding on the direct current side. An insulation transformer having a neutral point and a secondary side neutral point, an AC side first electric circuit from one port on the AC side to the primary side neutral point, and a common circuit from the other port on the AC side An AC side second electric circuit that branches into two electric circuits at the branch point and reaches both ends of the primary side winding; a reactor inserted in at least one of the AC side first electric circuit and the common electric circuit; It can be energized, and can be energized in both directions with the first switch inserted between the branch point and one end of the primary winding when the switch is off. In the switch-off state, the power supply is cut off in both directions, and the branch point and the primary A second switch inserted between the other end of the winding, a third switch provided in parallel with a rectifier having a positive electrode connected to one end of the secondary winding, and the secondary side A fourth switch provided in parallel with a rectifier having a positive electrode connected to the other end of the winding; and a rectifier of the third switch and a negative electrode of the rectifier of the fourth switch DC side first electric circuit reaching one port on the side, DC side second electric circuit extending from the secondary side neutral point to the other port on the DC side, one port on the DC side and the other on the DC side And a capacitor provided between the first switch and the second switch, both of the first switch and the second switch are on, one is off, both are on, and the other is off. Switching operation is repeated, and conversely, from DC to AC At the time of conversion, a switching operation for alternately turning on the third switch and the fourth switch is performed, and correspondingly, a switching operation for alternately turning on the first switch and the second switch. And a control unit that performs the operation.

(直流から交流への変換)
また、本発明は、直流から交流への電力変換を行う電力変換装置であって、交流側の1次側巻線及び直流側の2次側巻線のそれぞれに1次側中性点及び2次側中性点を有する絶縁トランスと、交流側の一方の出力端から前記1次側中性点に至る交流側第1電路と、交流側の他方の出力端から共通電路を経て分岐点で2電路に分岐して前記1次側巻線の両端部に至る交流側第2電路と、前記交流側第1電路及び前記共通電路の少なくとも一方に介挿されるリアクトルと、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記1次側巻線の一端部との間に挿入される第1スイッチと、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記1次側巻線の他端部との間に挿入される第2スイッチと、一端が、前記2次側巻線の一端部に接続された第3スイッチと、一端が、前記2次側巻線の他端部に接続された第4スイッチと、前記第3スイッチの他端及び前記第4スイッチの他端を互いに接続して、直流側の一方の入力端に至る直流側第1電路と、前記2次側中性点から直流側の他方の入力端に至る直流側第2電路と、前記第3スイッチ及び前記第4スイッチを交互にオン状態とするスイッチング動作を行わせるとともに、これに対応して、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチを交互にオン状態とするスイッチング動作を行わせる制御部と、を備えている。
(Conversion from DC to AC)
In addition, the present invention is a power conversion device that performs power conversion from direct current to alternating current, and includes a primary-side neutral point and 2 for each of an alternating-current primary winding and a direct-current secondary winding. An isolation transformer having a secondary neutral point, a first AC circuit on the AC side from one output end on the AC side to the primary neutral point, and a branch point via the common circuit from the other output terminal on the AC side Bi-directionally energized with a second AC circuit that branches into two electric circuits and reaches both ends of the primary winding, a reactor that is inserted into at least one of the first AC circuit and the common circuit And in a switch-off state, the current is cut off in both directions, and the first switch inserted between the branch point and one end of the primary winding can be turned on in both directions. In the switch-off state, the power supply is cut off in both directions, and the branch point and the primary winding A second switch inserted between the second side winding, one end connected to one end of the secondary winding, and one end connected to the other end of the secondary winding. The fourth switch, the other end of the third switch and the other end of the fourth switch are connected to each other, and the first DC circuit that reaches one input terminal on the DC side, and the secondary neutral point A DC side second electric circuit extending from the DC side to the other input terminal on the DC side, and a switching operation for alternately turning on the third switch and the fourth switch, and correspondingly, the first switch And a control unit for performing a switching operation for alternately turning on the second switch.

本発明によれば、高周波の絶縁トランスを搭載し、交流−直流間での電力変換を行う機能を備えた電力変換装置において、交流側から絶縁トランスまでの半導体デバイスの数を削減することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the number of semiconductor devices from an alternating current side to an insulation transformer can be reduced in the power converter device which mounts a high frequency insulation transformer and was equipped with the function to perform the power conversion between alternating current and direct current. .

第1実施形態としての、絶縁整流コンバータを主要部とする電力変換装置の回路図である。It is a circuit diagram of the power converter device which makes an insulated rectifier converter the principal part as a 1st embodiment. リアクトルに流すべきリアクトル電流指令値Ic*を求めるまでの制御ブロック図である。It is a control block diagram until it calculates | requires the reactor electric current command value Ic * which should be sent to a reactor. 参照波Vrefを求める制御ブロック図である。It is a control block diagram which calculates | requires the reference wave Vref. 絶縁整流コンバータのPWMゲートパルス演算論理を示す制御ブロック図である。It is a control block diagram which shows the PWM gate pulse arithmetic logic of an insulation rectifier converter. 絶縁整流コンバータのPWMゲートパルス演算論理を示す制御ブロック図である。It is a control block diagram which shows the PWM gate pulse arithmetic logic of an insulation rectifier converter. 降圧チョッパの制御ブロック図である。It is a control block diagram of a step-down chopper. 交流電圧の符号が正から負に遷移する区間の一部における、入力の交流電圧Va、絶縁整流コンバータのゲート駆動パルスGate1,Gate2,Gate3,Gate4、リアクトル電流指令値Ic*及び検出値Icを示す波形図である。The input AC voltage Va, the gate drive pulses Gate1, Gate2, Gate3, Gate4, the reactor current command value Ic *, and the detected value Ic of the insulating rectifier converter are shown in a part of the interval in which the sign of the AC voltage transitions from positive to negative. It is a waveform diagram. 絶縁整流コンバータ及び降圧チョッパにおける入出力の波形図である。It is an input-output waveform diagram in an insulated rectifier converter and a step-down chopper. 第2実施形態としての、絶縁双方向コンバータを主要部とする電力変換装置の回路図である。It is a circuit diagram of the power converter device which has an insulated bidirectional converter as a principal part as 2nd Embodiment. リアクトル電流指令値及び参照波を求めるための制御ブロック図である。It is a control block diagram for calculating | requiring a reactor current command value and a reference wave. PWMゲートパルス演算論理を示す制御ブロック図である。It is a control block diagram which shows a PWM gate pulse calculation logic. 双方向チョッパにおけるリアクトルの電流指令値を求める制御ブロック図である。It is a control block diagram which calculates | requires the electric current command value of the reactor in a bidirectional chopper. PWMゲートパルス演算論理を示す制御ブロック図である。It is a control block diagram which shows a PWM gate pulse calculation logic. 絶縁双方向コンバータのゲート駆動パルス、及び、電圧、電流波形を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the gate drive pulse of an insulated bidirectional | two-way converter, a voltage, and a current waveform. 絶縁双方向コンバータ及び双方向チョッパの逆変換における入出力の波形図である。It is an input-output waveform diagram in the reverse conversion of an insulated bidirectional converter and a bidirectional chopper. 順変換から逆変換に移行したときの波形図である。It is a wave form diagram when transfering from forward conversion to reverse conversion. 従来の代表的な絶縁型直流電源の第1例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the 1st example of the conventional typical insulation type DC power supply. 従来の代表的な絶縁型直流電源の第2例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the 2nd example of the conventional typical insulation type DC power supply. 従来の代表的な絶縁型直流電源の第3例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the 3rd example of the conventional typical insulation type DC power supply. 従来の代表的な絶縁型直流電源の第4例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the 4th example of the conventional typical insulation type DC power supply. 従来の代表的な絶縁型直流電源の第5例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the 5th example of the conventional typical insulation type DC power supply.

[実施形態の要旨]
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
[Summary of Embodiment]
The gist of the embodiment of the present invention includes at least the following.

(1)交流から直流への電力変換を行う電力変換装置であって、1次側巻線及び2次側巻線のそれぞれに1次側中性点及び2次側中性点を有する絶縁トランスと、交流側の一方の入力端から前記1次側中性点に至る交流側第1電路と、交流側の他方の入力端から共通電路を経て分岐点で2電路に分岐して前記1次側巻線の両端部に至る交流側第2電路と、前記交流側第1電路及び前記共通電路の少なくとも一方に介挿されるリアクトルと、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記1次側巻線の一端部との間に挿入される第1スイッチと、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記1次側巻線の他端部との間に挿入される第2スイッチと、前記2次側巻線の一端部に正極が接続された第1整流素子と、前記2次側巻線の他端部に正極が接続された第2整流素子と、前記第1整流素子及び前記第2整流素子の各負極を互いに接続して、直流側の一方の出力端に至る直流側第1電路と、前記2次側中性点から直流側の他方の出力端に至る直流側第2電路と、前記一方の出力端と前記他方の出力端との間に設けられたコンデンサと、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチの双方がオン、一方がオフ、双方がオン、他方がオフとなる工程が繰り返されるようスイッチング動作させる制御部と、を備えている電力変換装置である。   (1) A power converter that performs power conversion from alternating current to direct current, having an insulation transformer having a primary side neutral point and a secondary side neutral point in each of the primary side winding and the secondary side winding The first AC circuit on the AC side extending from one input end on the AC side to the primary neutral point, and the second input circuit branching from the other input end on the AC side through the common circuit to the second circuit at the branch point. In an AC side second electric circuit reaching both ends of the side winding, a reactor inserted in at least one of the AC side first electric circuit and the common electric circuit, bidirectionally energizable, and in a switch-off state A first switch that cuts off electricity in both directions and is inserted between the branch point and one end of the primary winding, and can be energized in both directions, and is bidirectional when switched off. The second is inserted between the branch point and the other end of the primary winding. A first rectifier element having a positive electrode connected to one end of the secondary winding, a second rectifier element having a positive electrode connected to the other end of the secondary winding, and the first rectifier A first DC circuit that connects one of the negative electrodes of the element and the second rectifying element to one output terminal on the DC side, and a DC that extends from the secondary neutral point to the other output terminal on the DC side Side second electric circuit, a capacitor provided between the one output terminal and the other output terminal, both the first switch and the second switch are on, one is off, both are on, the other And a control unit that performs a switching operation so that the process of turning off is repeated.

上記(1)のように構成された電力変換装置では、第1スイッチ及び第2スイッチの双方がオンの期間に、リアクトルにエネルギーが蓄積される。そして、第1スイッチ及び第2スイッチのいずれか一方がオフとなったとき、エネルギーが絶縁トランスの2次側に放出されるとともに、負荷電圧によりリアクトルはリセットされる。2次側巻線の電圧は、第1整流素子及び第2整流素子によって整流され、コンデンサによる平滑を経て、出力される。第1スイッチ及び第2スイッチは双方向性を有するため、交流電圧・交流電流の符号(方向)に関わらず、このような、電流型コンバータとしての機能を実現することができる。
従って、商用周波数のような低周波の交流を、整流せずに、高周波のスイッチングにより絶縁トランスで変圧し、2次側で整流して直流の出力とすることができる。このような構成によれば、交流入力から絶縁トランスまでの変換を、第1スイッチ及び第2スイッチのみのスイッチングによって、実現することができる。
こうして、絶縁トランスを有しながらも、スイッチの総数を抑えた、交流から直流への電力変換装置を得ることができる。
In the power conversion device configured as described in (1) above, energy is accumulated in the reactor while both the first switch and the second switch are on. When either the first switch or the second switch is turned off, energy is released to the secondary side of the insulating transformer, and the reactor is reset by the load voltage. The voltage of the secondary winding is rectified by the first rectifying element and the second rectifying element, and is output after being smoothed by the capacitor. Since the first switch and the second switch have bidirectionality, such a function as a current type converter can be realized regardless of the sign (direction) of the AC voltage / AC current.
Therefore, a low-frequency alternating current such as a commercial frequency can be transformed with an insulating transformer by high-frequency switching without being rectified, and rectified on the secondary side to be a direct-current output. According to such a configuration, conversion from the AC input to the isolation transformer can be realized by switching only the first switch and the second switch.
In this way, it is possible to obtain an AC to DC power conversion device that has an insulating transformer and suppresses the total number of switches.

(2)また、(1)の電力変換装置において、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチの各々は、双方向に通電可能なスイッチ素子に並列にダイオードが接続された半導体スイッチが一対、互いに、前記ダイオードが逆極性となるように直列接続されて成るスイッチ直列体であってもよい。
この場合、一対のスイッチ素子の直列体によって所望の特性を容易に得ることができる。このようなスイッチ素子としては、例えば、ボディダイオードを含むMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)、逆並列ダイオードを接続したIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、逆並列にショットキーバリアダイオードを接続したSiC−MOSFETを使用することができる。
(2) Further, in the power conversion device of (1), each of the first switch and the second switch includes a pair of semiconductor switches in which a diode is connected in parallel to a switch element that can be energized bidirectionally. It may be a switch series body in which the diodes are connected in series so as to have reverse polarity.
In this case, desired characteristics can be easily obtained by the series body of a pair of switch elements. Examples of such switch elements include MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors) including body diodes, IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) connected with anti-parallel diodes, and Schottky barrier diodes connected in anti-parallel. A SiC-MOSFET can be used.

(3)また、上記(2)の電力変換装置において、前記制御部は、入力される交流電圧の符号に応じて、一対の前記半導体スイッチのうち、いずれか一方を導通状態として、他方をスイッチング動作させるようにしてもよい。
この場合、第1スイッチ及び第2スイッチの合計4個の半導体スイッチのうち、交流電圧の符号が正又は負の期間に高周波でスイッチング動作する半導体スイッチは2個となるので、スイッチング損失を低減することができる。なお、スイッチング動作させない方の半導体スイッチを導通状態とするには、スイッチ素子をオンに保持するか、または、スイッチ素子をオフに保持して、逆並列のダイオードを通電経路として利用すればよい。
(3) In the power converter of (2) above, the control unit switches one of the pair of semiconductor switches to a conductive state and switches the other according to the sign of the input AC voltage. You may make it operate.
In this case, among the total of four semiconductor switches of the first switch and the second switch, there are two semiconductor switches that perform switching operation at a high frequency during a period in which the sign of the AC voltage is positive or negative, thereby reducing the switching loss. be able to. In order to bring the semiconductor switch that is not to be switched into a conducting state, the switch element may be kept on or the switch element may be kept off and an antiparallel diode may be used as the energization path.

(4)また、交流と直流との間で双方向に電力変換を行う電力変換装置であって、交流側の1次側巻線及び直流側の2次側巻線のそれぞれに1次側中性点及び2次側中性点を有する絶縁トランスと、交流側の一方のポートから前記1次側中性点に至る交流側第1電路と、交流側の他方のポートから共通電路を経て分岐点で2電路に分岐して前記1次側巻線の両端部に至る交流側第2電路と、前記交流側第1電路及び前記共通電路の少なくとも一方に介挿されるリアクトルと、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記1次側巻線の一端部との間に挿入される第1スイッチと、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記1次側巻線の他端部との間に挿入される第2スイッチと、前記2次側巻線の一端部に正極が接続された整流素子と並列に設けられた第3スイッチと、前記2次側巻線の他端部に正極が接続された整流素子と並列に設けられた第4スイッチと、前記第3スイッチの整流素子及び前記第4スイッチの整流素子の各負極を互いに接続して、直流側の一方のポートに至る直流側第1電路と、前記2次側中性点から直流側の他方のポートに至る直流側第2電路と、前記直流側の一方のポートと前記直流側の他方のポートとの間に設けられたコンデンサと、交流から直流への変換時は、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチの双方がオン、一方がオフ、双方がオン、他方がオフとなる工程が繰り返されるようスイッチング動作させ、逆に、直流から交流への変換時は、前記第3スイッチ及び前記第4スイッチを交互にオン状態とするスイッチング動作を行わせるとともに、これに対応して、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチを交互にオン状態とするスイッチング動作を行わせる制御部と、を備えている。   (4) Moreover, it is a power converter device which performs power conversion bidirectionally between alternating current and direct current, and is in the primary side in each of the primary side winding on the alternating current side and the secondary side winding on the direct current side. An isolation transformer having a neutral point and a secondary neutral point, an AC side first electric circuit from one port on the AC side to the primary side neutral point, and a branch from the other port on the AC side via a common circuit Bi-directionally energized bi-directionally to the two ends of the primary winding and to both ends of the primary winding, a reactor inserted in at least one of the AC side first electric circuit and the common electric circuit, bidirectionally In a state where the switch is turned off, the current can be cut off in both directions, and the first switch inserted between the branch point and one end of the primary winding can be turned on in both directions. In the switch-off state, power is cut off in both directions, and the branch point and the primary winding A second switch inserted between the other end of the second winding, a third switch provided in parallel with a rectifier element having a positive electrode connected to one end of the secondary winding, and the secondary winding. A fourth switch provided in parallel with a rectifier having a positive electrode connected to the other end of each of the first switch, and the negative electrodes of the rectifier of the third switch and the rectifier of the fourth switch are connected to each other, DC side first electric circuit reaching one port, DC side second electric circuit extending from the secondary side neutral point to the other port on the DC side, one port on the DC side and the other port on the DC side During the conversion from AC to DC, a process is repeated in which both the first switch and the second switch are on, one is off, both are on, and the other is off. Reverse switching from direct current to alternating current Performs a switching operation for alternately turning on the third switch and the fourth switch, and correspondingly performs a switching operation for alternately turning on the first switch and the second switch. And a control unit to be performed.

上記(4)のように構成された電力変換装置では、交流から直流への変換に際し、第1スイッチ及び第2スイッチの双方がオンの期間に、リアクトルにエネルギーが蓄積される。そして、第1スイッチ及び第2スイッチのいずれか一方がオフとなったとき、エネルギーが絶縁トランスの2次側に放出されるとともに、負荷電圧によりリアクトルはリセットされる。2次側巻線の電圧は、第1整流素子及び第2整流素子によって整流され、コンデンサによる平滑を経て、出力される。第1スイッチ及び第2スイッチは双方向性を有するため、交流電圧・交流電流の符号(方向)に関わらず、このような、電流型コンバータとしての機能を実現することができる。   In the power conversion device configured as in (4) above, energy is accumulated in the reactor during the period in which both the first switch and the second switch are on during conversion from AC to DC. When either the first switch or the second switch is turned off, energy is released to the secondary side of the insulating transformer, and the reactor is reset by the load voltage. The voltage of the secondary winding is rectified by the first rectifying element and the second rectifying element, and is output after being smoothed by the capacitor. Since the first switch and the second switch have bidirectionality, such a function as a current type converter can be realized regardless of the sign (direction) of the AC voltage / AC current.

従って、商用周波数のような低周波の交流を、整流せずに、高周波のスイッチングにより絶縁トランスで変圧し、2次側で整流して直流の出力とすることができる。このような構成によれば、交流入力から絶縁トランスまでの変換を、第1スイッチ及び第2スイッチのみのスイッチングによって、実現することができる。   Therefore, a low-frequency alternating current such as a commercial frequency can be transformed with an insulating transformer by high-frequency switching without being rectified, and rectified on the secondary side to be a direct-current output. According to such a configuration, conversion from the AC input to the isolation transformer can be realized by switching only the first switch and the second switch.

一方、直流から交流への変換に際しては、第3スイッチ,第4スイッチを交互にオン状態とすることにより、絶縁トランスの2次側(直流側)回路は、プッシュプルコンバータとして動作させることができる。絶縁トランスの1次側では、第3スイッチ及び第4スイッチのいずれか一方のオン状態と対応して、第1スイッチ及び第2スイッチのいずれか一方をオン状態とすることにより、交流を発生させることができる。
こうして、絶縁トランスを有しながらも、スイッチの総数を抑えた、双方向の電力変換装置を得ることができる。
On the other hand, when converting from direct current to alternating current, the third switch and the fourth switch are alternately turned on so that the secondary side (DC side) circuit of the isolation transformer can be operated as a push-pull converter. . On the primary side of the isolation transformer, alternating current is generated by turning on one of the first switch and the second switch in correspondence with the on state of either the third switch or the fourth switch. be able to.
Thus, it is possible to obtain a bidirectional power conversion device that has an insulating transformer and suppresses the total number of switches.

(5)また、(4)の電力変換装置において、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチの各々は、双方向に通電可能なスイッチ素子に並列にダイオードが接続された半導体スイッチが一対、互いに、前記ダイオードが逆極性となるように直列接続されて成るスイッチ直列体であってもよい。
この場合、一対のスイッチ素子の直列体によって所望の特性を容易に得ることができる。このようなスイッチ素子としては、例えば、ボディダイオードを含むMOSFET、逆並列ダイオードを接続したIGBT、逆並列にショットキーバリアダイオードを接続したSiC−MOSFETを使用することができる。
(5) Moreover, in the power converter of (4), each of the first switch and the second switch includes a pair of semiconductor switches in which a diode is connected in parallel to a switch element that can be energized bidirectionally. It may be a switch series body in which the diodes are connected in series so as to have reverse polarity.
In this case, desired characteristics can be easily obtained by the series body of a pair of switch elements. As such a switch element, for example, a MOSFET including a body diode, an IGBT connected with an antiparallel diode, or an SiC-MOSFET connected with a Schottky barrier diode in antiparallel can be used.

(6)また、(5)の電力変換装置において、直流から交流への変換時に、前記制御部は、前記第3スイッチ及び前記第4スイッチのいずれか一方のオン状態に対応して、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチのいずれか一方をオン状態とすることで交流電圧の符号の正、他方をオン状態とすることで交流電圧の符号の負、を作り出すことができる。
この場合、各スイッチのオン時間をパルス幅変調制御することにより容易に、所望の交流電圧を作り出すことができる。
(6) Further, in the power conversion device of (5), at the time of conversion from direct current to alternating current, the control unit corresponds to the ON state of one of the third switch and the fourth switch, and By turning on one of the first switch and the second switch, the sign of the AC voltage can be positive, and by turning the other switch on, the sign of the AC voltage can be negative.
In this case, it is possible to easily generate a desired AC voltage by performing pulse width modulation control on the ON time of each switch.

(7)また、直流から交流への電力変換を行う電力変換装置としては、交流側の1次側巻線及び直流側の2次側巻線のそれぞれに1次側中性点及び2次側中性点を有する絶縁トランスと、交流側の一方の出力端から前記1次側中性点に至る交流側第1電路と、交流側の他方の出力端から共通電路を経て分岐点で2電路に分岐して前記1次側巻線の両端部に至る交流側第2電路と、前記交流側第1電路及び前記共通電路の少なくとも一方に介挿されるリアクトルと、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記1次側巻線の一端部との間に挿入される第1スイッチと、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記1次側巻線の他端部との間に挿入される第2スイッチと、一端が、前記2次側巻線の一端部に接続された第3スイッチと、一端が、前記2次側巻線の他端部に接続された第4スイッチと、前記第3スイッチの他端及び前記第4スイッチの他端を互いに接続して、直流側の一方の入力端に至る直流側第1電路と、前記2次側中性点から直流側の他方の入力端に至る直流側第2電路と、前記第3スイッチ及び前記第4スイッチを交互にオン状態とするスイッチング動作を行わせるとともに、これに対応して、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチを交互にオン状態とするスイッチング動作を行わせる制御部と、を備えている電力変換装置。   (7) In addition, as a power conversion device that performs power conversion from direct current to alternating current, the primary side neutral point and the secondary side are respectively provided to the primary side winding on the AC side and the secondary side winding on the DC side. An isolation transformer having a neutral point, an AC side first electric circuit from one output end on the AC side to the primary side neutral point, and two electric circuits at a branch point from the other output end on the AC side via a common circuit An AC side second electric circuit that branches to both ends of the primary side winding, a reactor inserted in at least one of the AC side first electric circuit and the common electric circuit, and can be energized in both directions. And in the switch-off state, the current supply is cut off in both directions, the first switch inserted between the branch point and one end of the primary winding, and can be supplied in both directions, and In the switch-off state, power is cut off in both directions, and the branch point and the other end of the primary winding A second switch inserted between the second switch, one end connected to one end of the secondary winding, and one end connected to the other end of the secondary winding. 4 switches, the other end of the third switch and the other end of the fourth switch are connected to each other, the DC side first electric circuit leading to one input end on the DC side, and the secondary side neutral point to DC A DC side second electric circuit that reaches the other input terminal on the side, and a switching operation that alternately turns on the third switch and the fourth switch, and correspondingly, the first switch and the And a control unit that performs a switching operation to alternately turn on the second switch.

上記(7)のように構成された電力変換装置では、第3スイッチ,第4スイッチを交互にオン状態とすることにより、絶縁トランスの2次側(直流側)回路は、プッシュプルコンバータとして動作させることができる。絶縁トランスの1次側では、第3スイッチ及び第4スイッチのいずれか一方のオン状態と対応して、第1スイッチ及び第2スイッチのいずれか一方をオン状態とすることにより、交流を発生させることができる。
このような構成によれば、絶縁トランスから交流側までの変換を、第1スイッチ及び第2スイッチのみのスイッチングによって、実現することができる。
こうして、絶縁トランスを有しながらも、スイッチの総数を抑えた、直流から交流への電力変換装置を得ることができる。
In the power conversion device configured as described in (7) above, the secondary (DC side) circuit of the isolation transformer operates as a push-pull converter by alternately turning on the third switch and the fourth switch. Can be made. On the primary side of the isolation transformer, alternating current is generated by turning on one of the first switch and the second switch in correspondence with the on state of either the third switch or the fourth switch. be able to.
According to such a configuration, conversion from the insulating transformer to the AC side can be realized by switching only the first switch and the second switch.
In this way, it is possible to obtain a direct-to-alternate power conversion device that has an insulating transformer and suppresses the total number of switches.

(8)また、(1)〜(7)のいずれかにおいて、前記制御部は、交流電圧を検出する電圧センサ、直流電圧を検出する電圧センサ、及び、前記リアクトルに流れる電流を検出する電流センサを含み、前記制御部は、前記交流電圧に同期する交流電流が前記リアクトルに流れるよう、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチのスイッチングを行うようにしてもよい。
この場合、交流入力の力率を1に近づけることができる。
(8) Moreover, in any one of (1) to (7), the control unit detects a voltage sensor that detects an AC voltage, a voltage sensor that detects a DC voltage, and a current sensor that detects a current flowing through the reactor. The control unit may perform switching of the first switch and the second switch so that an alternating current synchronized with the alternating voltage flows through the reactor.
In this case, the power factor of AC input can be made close to 1.

(9)また、(4)〜(8)のいずれかにおいて、交流側の端部の両電路間に、コンデンサを備えていてもよい。
この場合、第1スイッチ及び第2スイッチのスイッチング動作によるリプルをコンデンサによって吸収することができる。
(9) In any one of (4) to (8), a capacitor may be provided between both electric paths at the end on the AC side.
In this case, the ripple due to the switching operation of the first switch and the second switch can be absorbed by the capacitor.

(10)また、(1)〜(6)のいずれかの電力変換装置において、直流側の端部の両電路間と負荷との間に、当該負荷に対する出力電圧が一定となる制御を行うDC/DCコンバータを備えてもよい。
直流側の末端の両電路間の出力電圧(直流電圧)には、負荷のインピーダンスによって交流周期の半分の周期の低周波リプルが重畳される場合がある。そこで、DC/DCコンバータを設けることにより、このような低周波リプルを平滑化することができる。DC/DCコンバータは、必要に応じて、降圧型、昇圧型、昇降圧型から選択することができる。なお、電流容量を増大させるためには複数のDC/DCコンバータを並列に設けることができる。この場合、DC/DCコンバータごとに相互に絶縁する必要がある場合は、絶縁型のDC/DCコンバータを用いることもできる。
(10) Further, in the power conversion device according to any one of (1) to (6), DC that performs control such that the output voltage with respect to the load is constant between the two electric circuits at the DC side end and the load. A / DC converter may be provided.
A low-frequency ripple having a period that is half of the AC period may be superimposed on the output voltage (DC voltage) between both ends of the DC side, depending on the impedance of the load. Therefore, by providing a DC / DC converter, such a low frequency ripple can be smoothed. The DC / DC converter can be selected from a step-down type, a step-up type, and a step-up / down type as required. In order to increase the current capacity, a plurality of DC / DC converters can be provided in parallel. In this case, when it is necessary to insulate each DC / DC converter from each other, an insulation type DC / DC converter can be used.

[実施形態の詳細]
以下、本発明の実施形態の詳細について図面を参照して説明する。絶縁トランスを含む、交流−直流間の電力変換装置の主要部としては、例えば以下の3種類がある。
(a)絶縁整流コンバータ:絶縁トランスを介して交流から直流への電力変換を行うもの。
(b)絶縁双方向コンバータ:絶縁トランスを介して交流と直流との間で双方向に電力変換を行うもの。
(c)絶縁インバータ:絶縁トランスを介して直流から交流への電力変換を行うもの。
ここで、(c)は、機能的に(b)に含まれるので、以下、(a)の絶縁整流コンバータを主要部とする電力変換装置、及び、(b)の絶縁双方向コンバータを主要部とする電力変換装置について、それぞれ説明する。
[Details of the embodiment]
Details of embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. As main parts of an AC-DC power converter including an insulation transformer, for example, there are the following three types.
(A) Insulating rectifier converter: A converter that performs power conversion from alternating current to direct current through an insulating transformer.
(B) Insulated bidirectional converter: A converter that performs bidirectional power conversion between alternating current and direct current through an insulating transformer.
(C) Insulated inverter: A device that performs power conversion from DC to AC through an insulating transformer.
Here, since (c) is functionally included in (b), hereinafter, a power conversion device having the insulated rectifying converter of (a) as a main part and an insulating bidirectional converter of (b) as the main part Each of the power conversion devices will be described.

《第1実施形態:絶縁整流コンバータを主要部とする電力変換装置》   << 1st Embodiment: The power converter device which uses an insulated rectifier converter as a principal part >>

(全体回路構成の概要)
図1は、第1実施形態としての、絶縁整流コンバータを主要部とする電力変換装置の回路図である。図において、電力変換装置100は、主回路としての絶縁整流コンバータ10及び降圧チョッパ20、並びに、これらを制御する制御部30とを備えている。制御機能も含めて考えれば、制御部30は絶縁整流コンバータ10の一部でもあり、また、降圧チョッパ20の一部でもある。
この電力変換装置100は、交流入力を、直流出力に変換する。
(Overview of overall circuit configuration)
FIG. 1 is a circuit diagram of a power conversion device having an insulated rectifier converter as a main part, as a first embodiment. In the figure, a power converter 100 includes an insulated rectifier converter 10 and a step-down chopper 20 as main circuits, and a control unit 30 that controls them. Considering the control function, the control unit 30 is also a part of the insulating rectifier converter 10 and also a part of the step-down chopper 20.
This power converter 100 converts an AC input into a DC output.

また、この電力変換装置100は、制御用の計測要素として、交流入力が供給される入力端Pa1,Pa2間の電圧を検出する電圧センサ31、リアクトル1に流れる電流を検出する電流センサ32、絶縁整流コンバータ10の出力端Pd1,Pd2間の電圧を検出する電圧センサ33、及び、降圧チョッパ20の出力端Pd3,Pd4間の電圧を検出する電圧センサ34を備えている。各センサ31〜34の検出出力は、制御部30に送られる。各センサ31〜34は、機能的には制御部30の一部であると考えることができる。   In addition, the power conversion apparatus 100 includes, as control measurement elements, a voltage sensor 31 that detects a voltage between input terminals Pa1 and Pa2 to which an AC input is supplied, a current sensor 32 that detects a current flowing through the reactor 1, an insulation A voltage sensor 33 that detects a voltage between the output terminals Pd1 and Pd2 of the rectifier converter 10 and a voltage sensor 34 that detects a voltage between the output terminals Pd3 and Pd4 of the step-down chopper 20 are provided. Detection outputs of the sensors 31 to 34 are sent to the control unit 30. Each sensor 31 to 34 can be considered to be a part of the control unit 30 in terms of function.

(絶縁整流コンバータの回路構成)
絶縁整流コンバータ10は、主回路の主要な構成部品として、リアクトル1、第1スイッチS1、第2スイッチS2、絶縁トランス2、第1整流素子D1、第2整流素子D2、及び、コンデンサ3を備えており、これらは、図1に示すように接続されている。なお、「第1」、「第2」は便宜上の呼び名であり、デバイスとしては対等である。従って、逆になってもよい。
(Insulated rectifier converter circuit configuration)
The isolated rectifying converter 10 includes a reactor 1, a first switch S1, a second switch S2, an insulating transformer 2, a first rectifying element D1, a second rectifying element D2, and a capacitor 3 as main components of the main circuit. These are connected as shown in FIG. Note that “first” and “second” are names for convenience, and devices are equivalent. Therefore, it may be reversed.

第1スイッチS1は、一対の半導体スイッチS11,S12が互いに逆極性となるように直列に接続され、スイッチ直列体を成すものである。半導体スイッチS11,S12は、例えばMOSFETであり、それぞれ、並列にボディダイオードDS11,DS12を有する。これら一対の半導体スイッチS11,S12は、ソース側を互いに接続するように直列接続されている。なお、逆に、ドレイン側を互いに接続するように直列接続することもできる。但し、ソース側を互いに接続すると、制御が共通に行える利点がある。 The first switch S1 is a series of switches in which a pair of semiconductor switches S11 and S12 are connected in series so as to have opposite polarities. The semiconductor switches S11 and S12 are, for example, MOSFETs, and have body diodes D S11 and D S12 in parallel, respectively. The pair of semiconductor switches S11 and S12 are connected in series so that the source sides are connected to each other. Conversely, the drain sides can be connected in series so as to be connected to each other. However, connecting the source sides to each other has the advantage that the control can be performed in common.

同様に、第2スイッチS2は、一対の半導体スイッチS21,S22が互いに逆極性となるように直列に接続され、スイッチ直列体を成すものである。半導体スイッチS21,S22は、例えばMOSFETであり、それぞれ、並列にボディダイオードDS21,DS22を有する。 Similarly, the second switch S2 is a series of switches in which a pair of semiconductor switches S21 and S22 are connected in series so as to have opposite polarities. The semiconductor switches S21 and S22 are, for example, MOSFETs, and have body diodes D S21 and D S22 in parallel, respectively.

なお、ここでは半導体スイッチS11,S12,S21,S22のスイッチ素子としてMOSFETを用いた回路を例示したが、MOSFETに代えて、ダイオードを逆並列接続したIGBTを使用してもよい。IGBTをスイッチ素子とする場合、逆方向への電流は、ダイオードに流すことができる。
また、逆並列にショットキーバリアダイオードを接続したSiC−MOSFETを使用することもできる。
また、第1スイッチS1,第2スイッチS2はそれぞれ、一対の半導体スイッチによってスイッチ直列体を構成するものとして説明したが、このようなスイッチ直列体の回路を内蔵するワンチップデバイスを作製することも可能である。
In addition, although the circuit using MOSFET was illustrated as a switch element of semiconductor switch S11, S12, S21, S22 here, it may replace with MOSFET and may use IGBT which connected the diode antiparallel. When the IGBT is used as a switch element, a current in the reverse direction can be passed through the diode.
Further, an SiC-MOSFET in which a Schottky barrier diode is connected in antiparallel can also be used.
Further, the first switch S1 and the second switch S2 have been described as constituting a switch series body by a pair of semiconductor switches, but it is also possible to produce a one-chip device incorporating such a switch series body circuit. Is possible.

絶縁トランス2は、1次側巻線21及び2次側巻線22のそれぞれに1次側中性点21n及び2次側中性点22nを有する。
ここで、交流側の一方の入力端Pa1から電流センサ32及びリアクトル1を介して1次側中性点21nに至る電路を、交流側第1電路L1と称する。また、入力端Pa1との間に交流電圧を生じさせる他方の入力端Pa2から絶縁トランス2までの交流側第2電路L2は、共通電路L20を経て分岐点P1で2電路L21,L22に分岐して1次側巻線21の両端部に至る。すなわち、分岐後の電路L21は、第1スイッチS1を介して1次側巻線21の一方の端部21bに接続されている。また、分岐後の電路L22は、第2スイッチS2を介して1次側巻線21の他方の端部21aに接続されている。
The insulating transformer 2 has a primary side neutral point 21n and a secondary side neutral point 22n in each of the primary side winding 21 and the secondary side winding 22.
Here, the electric circuit from one input terminal Pa1 on the AC side to the primary side neutral point 21n via the current sensor 32 and the reactor 1 is referred to as an AC side first electric circuit L1. In addition, the AC side second electric circuit L2 from the other input terminal Pa2 that generates an AC voltage to the input terminal Pa1 to the insulating transformer 2 branches to the two electric circuits L21 and L22 at the branch point P1 through the common circuit L20. To both ends of the primary winding 21. That is, the branched electric circuit L21 is connected to one end 21b of the primary side winding 21 through the first switch S1. Further, the branched electric circuit L22 is connected to the other end 21a of the primary winding 21 via the second switch S2.

なお、この例では、交流側第1電路L1に介挿されているリアクトル1を示したが、リアクトル1は、交流側第2電路L2の共通電路L20に設けてもよい。また、交流側第1電路L1及び交流側第2電路L2の共通電路L20の双方に介挿してもよい。   In addition, in this example, although the reactor 1 inserted in the alternating current side 1st electric circuit L1 was shown, you may provide the reactor 1 in the common electric circuit L20 of the alternating current side 2nd electric circuit L2. Moreover, you may insert in both the common electric circuit L20 of the alternating current side 1st electric circuit L1 and the alternating current side 2nd electric circuit L2.

第1スイッチS1は、制御によって以下のような動作状態となる。
スイッチング動作によって、半導体スイッチS11,S12が共にオンのときは、1次側巻線21の端部21bから分岐点P1へ向かう方向、及び、その逆方向のいずれにも、電流が流れる(双方向に通電可能状態)。この場合、半導体スイッチS11,S12について共通の制御信号を用いることができる。
半導体スイッチS11,S12が共にオフのときは、1次側巻線21の端部21bから分岐点P1へ向かう方向、及び、その逆方向のいずれにも、電流が流れない(双方向に遮断状態)。
The first switch S1 is in the following operation state by control.
When both the semiconductor switches S11 and S12 are turned on by the switching operation, a current flows in the direction from the end 21b of the primary winding 21 to the branch point P1 and in the opposite direction (bidirectional). Can be energized). In this case, a common control signal can be used for the semiconductor switches S11 and S12.
When both the semiconductor switches S11 and S12 are off, no current flows in the direction from the end 21b of the primary winding 21 to the branch point P1 and in the opposite direction (in a bi-directionally interrupted state). ).

半導体スイッチS11がオンで、S12がオフの場合、1次側巻線21の端部21bから分岐点P1へ向かう方向にはダイオードDS12を通電経路として利用することで、電流が流れるが、その逆方向には流れない。
半導体スイッチS11がオフで、S12がオンの場合は、分岐点P1から1次側巻線21の端部21bへ向かう方向にはダイオードDS11を通電経路として利用することで、電流が流れるが、その逆方向には流れない。
When the semiconductor switch S11 is on and S12 is off, a current flows by using the diode DS12 as an energization path in the direction from the end 21b of the primary winding 21 to the branch point P1, It does not flow in the reverse direction.
When the semiconductor switch S11 is off and S12 is on, a current flows in the direction from the branch point P1 toward the end 21b of the primary winding 21 by using the diode DS11 as an energization path. It does not flow in the opposite direction.

同様に、第2スイッチS2は、制御によって以下のような動作状態となる。
スイッチング動作によって、半導体スイッチS21,S22が共にオンのときは、1次側巻線21の端部21aから分岐点P1へ向かう方向、及び、その逆方向のいずれにも、電流が流れる(双方向に通電可能状態)。この場合、半導体スイッチS21,S22について共通の制御信号を用いることができる。
半導体スイッチS21,S22が共にオフのときは、1次側巻線21の端部21aから分岐点P1へ向かう方向、及び、その逆方向のいずれにも、電流が流れない(双方向に遮断状態)。
Similarly, the second switch S2 is in the following operation state by control.
When both the semiconductor switches S21 and S22 are turned on by the switching operation, current flows in the direction from the end 21a of the primary winding 21 to the branch point P1 and in the opposite direction (bidirectional). Can be energized). In this case, a common control signal can be used for the semiconductor switches S21 and S22.
When both of the semiconductor switches S21 and S22 are off, no current flows in the direction from the end 21a of the primary winding 21 to the branch point P1 or in the opposite direction (in a bi-directionally interrupted state). ).

半導体スイッチS21がオンで、S22がオフの場合、1次側巻線21の端部21aから分岐点P1へ向かう方向にはダイオードDS22を通電経路として利用することで、電流が流れるが、その逆方向には流れない。
半導体スイッチS21がオフで、S22がオンの場合は、分岐点P1から1次側巻線21の端部21aへ向かう方向にはダイオードDS21を通電経路として利用することで、電流が流れるが、その逆方向には流れない。
When the semiconductor switch S21 is on and S22 is off, a current flows by using the diode DS22 as an energization path in the direction from the end 21a of the primary winding 21 to the branch point P1, It does not flow in the reverse direction.
When the semiconductor switch S21 is off and S22 is on, a current flows by using the diode DS21 as an energization path in the direction from the branch point P1 toward the end 21a of the primary side winding 21, It does not flow in the opposite direction.

以上の第1スイッチS1の場所及び動作、第2スイッチS2の場所及び動作を要約すると、第1スイッチS1は、分岐点P1と1次側巻線21の一端部21bとの間に挿入されていて、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断することができる。
また、第2スイッチS2は、分岐点P1と1次側巻線21の他端部21aとの間に挿入されていて、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断することができる。
To summarize the location and operation of the first switch S1 and the location and operation of the second switch S2, the first switch S1 is inserted between the branch point P1 and one end 21b of the primary winding 21. Thus, power can be passed in both directions, and power can be cut off in both directions when the switch is off.
The second switch S2 is inserted between the branch point P1 and the other end 21a of the primary winding 21, and can be energized in both directions. In addition, the second switch S2 is bidirectional in the switch-off state. The energization can be cut off.

また、制御部30により、入力される交流電圧の符号に応じて、直列体を成す一対の半導体スイッチのうち、いずれか一方を導通状態(オン保持又はダイオード利用)として、他方をスイッチング動作させることもできる。
この場合、第1スイッチS1及び第2スイッチS2の合計4個の半導体スイッチ(S11,S12,S21,S22)のうち、交流電圧の符号が正又は負の期間に高周波でスイッチング動作する半導体スイッチは2個となるので、スイッチング損失を低減することができる。
Moreover, according to the code | symbol of the alternating voltage input by the control part 30, either one is made into a conduction | electrical_connection state (ON holding | maintenance or diode utilization) among a pair of semiconductor switches which comprise a serial body, and the other is switched. You can also.
In this case, of the total of four semiconductor switches (S11, S12, S21, S22) of the first switch S1 and the second switch S2, the semiconductor switch that performs switching operation at a high frequency during a period in which the sign of the AC voltage is positive or negative is Since there are two, switching loss can be reduced.

次に、第1整流素子D1はダイオードであり、正極(アノード)が絶縁トランス2の2次側巻線の一方の端部22aに接続されている。また、第2整流素子D2は同様のダイオードであり、正極(アノード)が2次側巻線22の他方の端部22bに接続されている。ここで、第1整流素子D1及び第2整流素子D2の各負極(カソード)は、合流点P2で互いに接続され、直流側の一方の出力端Pd1に至る。この電路を、直流側第1電路L3と称すると、もう一方の直流側第2電路L4は、2次側中性点22nから、一方の出力端Pd1との間に直流電圧を生じさせる直流側の他方の出力端Pd2に至る電路である。   Next, the first rectifying element D1 is a diode, and the positive electrode (anode) is connected to one end 22a of the secondary winding of the insulating transformer 2. The second rectifying element D <b> 2 is a similar diode, and the positive electrode (anode) is connected to the other end 22 b of the secondary winding 22. Here, the negative electrodes (cathodes) of the first rectifying element D1 and the second rectifying element D2 are connected to each other at the junction P2, and reach one output terminal Pd1 on the DC side. When this electric circuit is called a DC side first electric circuit L3, the other DC side second electric circuit L4 is a DC side that generates a DC voltage between the secondary side neutral point 22n and one output terminal Pd1. This is an electric circuit that reaches the other output terminal Pd2.

絶縁整流コンバータ10としての、直流側の出力端Pd1,Pd2間には、平滑用のコンデンサ3が接続されている。   A smoothing capacitor 3 is connected between the output terminals Pd1 and Pd2 on the DC side as the insulating rectifier converter 10.

制御部30は、電圧センサ31によって検出される交流入力電圧、電流センサ32によって検出される交流電流、絶縁整流コンバータ10の出力端Pd1,Pd2間で電圧センサ33が検出する直流電圧、及び、降圧チョッパ20の出力端Pd3,Pd4間で電圧センサ34が検出する直流出力電圧に基づいて、絶縁整流コンバータ10及び降圧チョッパ20を制御する。
制御部30は、例えば、コンピュータを含み、ソフトウェア(コンピュータプログラム)をコンピュータが実行することで、絶縁整流コンバータ10及び降圧チョッパ20に必要な制御機能を実現する。この場合、ソフトウェアは、制御部30の記憶装置(図示せず。)に格納される。なお、コンピュータを含まないハードウェアのみの回路で制御部30を構成することも可能である。
The control unit 30 includes an AC input voltage detected by the voltage sensor 31, an AC current detected by the current sensor 32, a DC voltage detected by the voltage sensor 33 between the output terminals Pd1 and Pd2 of the insulated rectifier converter 10, and a step-down voltage. The isolated rectifier converter 10 and the step-down chopper 20 are controlled based on the DC output voltage detected by the voltage sensor 34 between the output terminals Pd3 and Pd4 of the chopper 20.
The control unit 30 includes, for example, a computer, and realizes a control function necessary for the isolated rectifying converter 10 and the step-down chopper 20 when the computer (computer program) is executed by the computer. In this case, the software is stored in a storage device (not shown) of the control unit 30. It is also possible to configure the control unit 30 with a hardware-only circuit that does not include a computer.

(絶縁整流コンバータの動作)
上記のように構成された絶縁整流コンバータ10においては、交流入力に対して、制御部30は、第1スイッチS1及び第2スイッチS2を共にオン状態とする。このとき、例えば入力端Pa1から、リアクトル1を含む交流側第1電路L1、絶縁トランス2の1次側巻線21の中性点21n、1次側巻線21の両端部21b,21a、第1スイッチS1及び第2スイッチS2を通り、共通電路L20を介して入力端Pa2に戻る閉ループが形成され、リアクトル1にエネルギーが蓄積される。なお、1次側巻線21には中性点21nに対して互いに逆向きに電流が流れることで1次側巻線21の両端電圧が0となり、2次側巻線22に電圧は発生しない。
(Operation of isolated rectifier converter)
In the isolated rectifying converter 10 configured as described above, the control unit 30 turns on both the first switch S1 and the second switch S2 with respect to the AC input. At this time, for example, from the input end Pa1, the AC side first electric circuit L1 including the reactor 1, the neutral point 21n of the primary side winding 21 of the insulating transformer 2, the both ends 21b and 21a of the primary side winding 21, A closed loop that passes through the first switch S1 and the second switch S2 and returns to the input terminal Pa2 via the common electric circuit L20 is formed, and energy is stored in the reactor 1. In addition, since current flows through the primary side winding 21 in opposite directions with respect to the neutral point 21n, the voltage across the primary side winding 21 becomes 0, and no voltage is generated in the secondary side winding 22. .

次に、制御部30は、例えば、第1スイッチS1をオフにする。このとき、リアクトル1に蓄積されたエネルギーが絶縁トランス2の2次側に放出されるとともに、負荷電圧によりリアクトル1はリセットされる。2次側巻線22の電圧は、第1整流素子D1及び第2整流素子D2によって整流され、コンデンサ3による平滑を経て、出力される。   Next, the control unit 30 turns off the first switch S1, for example. At this time, the energy accumulated in the reactor 1 is released to the secondary side of the insulating transformer 2, and the reactor 1 is reset by the load voltage. The voltage of the secondary winding 22 is rectified by the first rectifying element D1 and the second rectifying element D2, and is output after being smoothed by the capacitor 3.

続いて、制御部30は、再び第1スイッチS1及び第2スイッチS2を共にオン状態とする。これにより、リアクトル1にエネルギーが蓄積される。次に、制御部30は、第2スイッチS2をオフにする。このとき、リアクトル1に蓄積されたエネルギーが絶縁トランス2の2次側に放出されるとともに、負荷電圧によりリアクトル1はリセットされる。2次側巻線22の電圧は、第1整流素子D1及び第2整流素子D2によって整流され、コンデンサ3による平滑を経て、出力される。   Subsequently, the control unit 30 turns on both the first switch S1 and the second switch S2 again. Thereby, energy is accumulated in the reactor 1. Next, the control unit 30 turns off the second switch S2. At this time, the energy accumulated in the reactor 1 is released to the secondary side of the insulating transformer 2, and the reactor 1 is reset by the load voltage. The voltage of the secondary winding 22 is rectified by the first rectifying element D1 and the second rectifying element D2, and is output after being smoothed by the capacitor 3.

こうして、制御部30は、第1スイッチS1及び第2スイッチS2の双方がオン、一方がオフ、双方がオン、他方がオフとなる工程が繰り返されるようスイッチング動作を行わせる。スイッチングの周波数は、例えば10〜20kHzである。従って、第1スイッチS1,第2スイッチS2についてのオン期間、オフ期間は、交流入力(例えば周波数50Hz)の波長に比べて極めて短い期間である。   In this way, the control unit 30 performs the switching operation so that the process of turning on both of the first switch S1 and the second switch S2 and turning off one of them, turning on both, and turning off the other is repeated. The switching frequency is, for example, 10 to 20 kHz. Therefore, the ON period and the OFF period for the first switch S1 and the second switch S2 are extremely shorter than the wavelength of the AC input (for example, frequency 50 Hz).

(絶縁整流コンバータについてのまとめ)
以上のように、上記の絶縁整流コンバータ10では、第1スイッチS1及び第2スイッチS2の双方がオンの期間に、リアクトル1にエネルギーが蓄積される。そして、第1スイッチS1及び第2スイッチS2のいずれか一方がオフとなったとき、エネルギーが絶縁トランス2の2次側に放出されるとともに、負荷電圧によりリアクトル1はリセットされる。2次側巻線22の電圧は、第1整流素子D1及び第2整流素子D2によって整流され、コンデンサ3による平滑を経て、出力される。第1スイッチS1及び第2スイッチS2は双方向性を有するため、交流電圧・交流電流の符号(方向)に関わらず、このような、電流型コンバータとしての機能を実現することができる。
(Summary of isolated rectifier converter)
As described above, in the above-described isolated rectifying converter 10, energy is accumulated in the reactor 1 during a period in which both the first switch S1 and the second switch S2 are on. When one of the first switch S1 and the second switch S2 is turned off, energy is released to the secondary side of the insulating transformer 2, and the reactor 1 is reset by the load voltage. The voltage of the secondary winding 22 is rectified by the first rectifying element D1 and the second rectifying element D2, and is output after being smoothed by the capacitor 3. Since the first switch S1 and the second switch S2 are bidirectional, such a function as a current converter can be realized regardless of the sign (direction) of the AC voltage / AC current.

従って、商用周波数のような低周波の交流を、整流せずに、高周波のスイッチングにより絶縁トランス2で変圧し、2次側で整流して直流の出力とすることができる。このような構成によれば、交流入力から絶縁トランス2までの変換を、第1スイッチS1及び第2スイッチS2のみのスイッチングによって、実現することができる。
こうして、絶縁トランス2を有しながらも、スイッチの総数を抑えた、交流から直流への絶縁整流コンバータ10を得ることができる。
Therefore, a low-frequency alternating current such as a commercial frequency can be transformed by the insulating transformer 2 by high-frequency switching without being rectified, and rectified on the secondary side to be a direct-current output. According to such a configuration, conversion from the AC input to the isolation transformer 2 can be realized by switching only the first switch S1 and the second switch S2.
In this way, it is possible to obtain an AC-to-DC isolated rectifier converter 10 that has the insulating transformer 2 and suppresses the total number of switches.

(降圧チョッパの詳細)
次に、降圧チョッパ20は、スイッチS5、ダイオードD3、リアクトル13、及び、コンデンサ4を備えている。スイッチS5は、例えばボディダイオードDS5を有するMOSFETである。降圧チョッパ20は、スイッチS5を所定のデューティでスイッチングすることにより、絶縁整流コンバータ10の出力電圧を降圧し、出力端Pd3,Pd4に出力する。出力端Pd3,Pd4間の電圧は、電圧センサ34によって検出される。
(Details of step-down chopper)
Next, the step-down chopper 20 includes a switch S5, a diode D3, a reactor 13, and a capacitor 4. Switch S5 is, for example, a MOSFET having a body diode D S5. The step-down chopper 20 steps down the output voltage of the isolated rectifier converter 10 by switching the switch S5 with a predetermined duty, and outputs it to the output terminals Pd3 and Pd4. The voltage between the output terminals Pd3 and Pd4 is detected by the voltage sensor 34.

なお、DC/DCコンバータとして降圧チョッパ20を設けるのは一例に過ぎず、必要に応じて、降圧型、昇圧型、昇降圧型から選択することができる。なお、電流容量を増大させるためには複数のDC/DCコンバータを並列に設けることができる。この場合、DC/DCコンバータごとに相互に絶縁する必要がある場合は、絶縁型のDC/DCコンバータを用いることもできる。   Note that providing the step-down chopper 20 as a DC / DC converter is merely an example, and can be selected from a step-down type, a step-up type, and a step-up / step-down type as necessary. In order to increase the current capacity, a plurality of DC / DC converters can be provided in parallel. In this case, when it is necessary to insulate each DC / DC converter from each other, an insulation type DC / DC converter can be used.

このように、絶縁整流コンバータ10の終端の両電路間と負荷との間に、DC/DCコンバータを設けることで、当該負荷に対する出力電圧が一定となる制御を行うことができる。すなわち、絶縁整流コンバータ10の終端の両電路間の出力電圧(直流電圧)には、負荷のインピーダンスによって交流周期の半分の周期の低周波リプルが重畳される場合がある。そこで、DC/DCコンバータを設けることにより、このような低周波リプルを平滑化し、より高品質な直流出力を得ることができる。   As described above, by providing the DC / DC converter between both ends of the insulated rectifier converter 10 and the load, it is possible to perform control in which the output voltage with respect to the load becomes constant. That is, a low-frequency ripple having a period that is half of the AC period may be superimposed on the output voltage (DC voltage) between both ends of the insulating rectifier converter 10 depending on the impedance of the load. Therefore, by providing a DC / DC converter, such a low frequency ripple can be smoothed and a higher quality DC output can be obtained.

(制御ブロック図の例)
次に、制御部30による制御の具体例を、制御ブロック図を用いて説明する。
まず、例えば、交流の周波数は50Hz、交流電圧の実効値は202V、直流出力電圧は48V、負荷抵抗は1Ω(約2.3kW)とする。絶縁型整流コンバータ10の出力電圧は100V、絶縁トランス2の巻線比は3:1とする。絶縁型整流コンバータ10と降圧チョッパ20との間には、100Hzの低周波リプルを平滑化するため、キャパシタンスCmが4mFのコンデンサ3を置いた。
(Example of control block diagram)
Next, a specific example of control by the control unit 30 will be described using a control block diagram.
First, for example, the AC frequency is 50 Hz, the effective value of the AC voltage is 202 V, the DC output voltage is 48 V, and the load resistance is 1 Ω (about 2.3 kW). The output voltage of the insulating rectifier converter 10 is 100 V, and the winding ratio of the insulating transformer 2 is 3: 1. A capacitor 3 having a capacitance Cm of 4 mF was placed between the insulating rectifier converter 10 and the step-down chopper 20 in order to smooth the low frequency ripple of 100 Hz.

図2は、リアクトル1に流すべきリアクトル電流指令値Ic*を求めるまでの制御ブロック図である。
交流入力の力率を1にするためには、交流電圧に同期した電流を流さなければならない。まず、交流電圧Va及びリアクトル電流Icを、それぞれ、電圧センサ31及び電流センサ32によって検出する。リアクトル電流指令値Ic*は、リアクトル電流検出値Icの波形が交流電圧Vaに一致するように定める。
FIG. 2 is a control block diagram until the reactor current command value Ic * to be passed through the reactor 1 is obtained.
In order to set the power factor of the AC input to 1, a current synchronized with the AC voltage must flow. First, the AC voltage Va and the reactor current Ic are detected by the voltage sensor 31 and the current sensor 32, respectively. Reactor current command value Ic * is determined so that the waveform of detected reactor current value Ic matches AC voltage Va.

リアクトル電流指令値Ic*は、絶縁トランス2の2次側にある平滑用のコンデンサ3(キャパシタンスCm)を流れる無効電流と、絶縁型整流コンバータ10の出力電流とを合わせて1次側に換算したものと考えることができる。キャパシタンスCmの無効電流は出力の目標電圧100V(=Vm*)とキャパシタンスCmの両端での電圧検出値Vmとの偏差にPI補償器を通した値を、1次側の値に換算するために、絶縁トランス2の巻線比(n1/n2)の逆数である1/3(図2の「K」)を乗じたものとする。これによって絶縁整流コンバータ10の出力電圧のフィードバック制御が制御系に組み込まれる。   Reactor current command value Ic * was converted to the primary side by combining the reactive current flowing through smoothing capacitor 3 (capacitance Cm) on the secondary side of insulation transformer 2 and the output current of insulated rectifier converter 10. Can be considered a thing. The reactive current of the capacitance Cm is used to convert the value obtained by passing the PI compensator into the deviation between the output target voltage 100V (= Vm *) and the voltage detection value Vm at both ends of the capacitance Cm to the primary value. , And multiplied by 1/3 (“K” in FIG. 2) that is the reciprocal of the winding ratio (n1 / n2) of the insulating transformer 2. Thereby, feedback control of the output voltage of the insulating rectifier converter 10 is incorporated in the control system.

出力電流は、絶縁整流コンバータ10のリアクトル電流検出値Ic(の絶対値)で代用する。リアクトル電流検出値Icは、元からトランス1次側の値なので換算は必要ない。これを、先に求めた無効電流成分と合わせて交流周期(50Hz)で平均化したものを絶縁整流コンバータ10の平均電流指令値とする。この平均値に交流電圧Vaを規格化した正弦波を乗ずることによってリアクトル電流指令値Ic*を得ることができる。   The output current is substituted with the reactor current detection value Ic (absolute value) of the insulating rectifier converter 10. Since the reactor current detection value Ic is originally a value on the primary side of the transformer, no conversion is necessary. An average current command value of the insulating rectifier converter 10 is obtained by averaging this with the reactive current component obtained previously and averaging the alternating current period (50 Hz). The reactor current command value Ic * can be obtained by multiplying this average value by a sine wave obtained by standardizing the AC voltage Va.

図3は、参照波Vrefを求める制御ブロック図である。図において、リアクトル電流指令値Ic*とリアクトル電流検出値Icとの偏差にPI補償器を通した値を、交流電圧検出値(交流電圧)Vaから減じる。その結果の値を、キャパシタンスCmの両端での電圧検出値Vmを1次側に換算した電圧で割り、参照波Vrefを求めることができる。   FIG. 3 is a control block diagram for obtaining the reference wave Vref. In the figure, the value obtained by passing the PI compensator to the deviation between the reactor current command value Ic * and the reactor current detection value Ic is subtracted from the AC voltage detection value (AC voltage) Va. The reference value Vref can be obtained by dividing the resultant value by the voltage obtained by converting the voltage detection value Vm at both ends of the capacitance Cm to the primary side.

図4及び図5は、絶縁整流コンバータ10のPWM(Pulse Width Modulation)ゲートパルス演算論理を示す制御ブロック図である。第1スイッチS1及び第2スイッチS2は、それぞれ、半導体スイッチ及び逆並列ダイオードを一対、互いに逆極性となるよう直列接続したスイッチ直列体である。そこで、交流電圧の符号に応じて、スイッチ直列体の一方の半導体スイッチを高周波(例えば10kHz)でスイッチングし、他方の半導体スイッチは、オフとしてダイオードを通電経路として使うか又はダイオードに依存せずオンに保持する。すなわち、第1スイッチS1及び第2スイッチS2の各々を構成する2つの半導体スイッチ(S11及びS12,S21及びS22)は、個別にオン、オフ制御される。   4 and 5 are control block diagrams showing the PWM (Pulse Width Modulation) gate pulse calculation logic of the isolated rectifying converter 10. Each of the first switch S1 and the second switch S2 is a switch series body in which a pair of semiconductor switches and antiparallel diodes are connected in series so as to have opposite polarities. Therefore, according to the sign of the AC voltage, one semiconductor switch of the switch series body is switched at a high frequency (for example, 10 kHz), and the other semiconductor switch is turned off and the diode is used as a current-carrying path or turned on without depending on the diode. Hold on. That is, the two semiconductor switches (S11 and S12, S21 and S22) constituting each of the first switch S1 and the second switch S2 are individually controlled on and off.

そのために例えば、一旦、非絶縁チョッパのハイサイドに相当する仮想ゲートを作って(図4の(a)、図5の(a))、この仮想ゲートを、仮想ゲート用の搬送波(20kHz)の倍周期(10kHz)の矩形パルスと共に、NANDゲートに入力する(図4の(b)、図5の(b))。各半導体スイッチの矩形パルスの位相を互いに180度ずらせば(図4の(c)、図5の(c))、二つのスイッチのオフ期間が交互になるパルスをつくることができる。   For this purpose, for example, a virtual gate corresponding to the high side of the non-insulated chopper is once created (FIG. 4 (a), FIG. 5 (a)), and this virtual gate is used as a virtual gate carrier wave (20 kHz). A rectangular pulse with a double period (10 kHz) is input to the NAND gate ((b) in FIG. 4 and (b) in FIG. 5). If the phases of the rectangular pulses of the semiconductor switches are shifted from each other by 180 degrees (FIG. 4 (c), FIG. 5 (c)), a pulse in which the OFF periods of the two switches are alternated can be generated.

入力される交流電圧の符号が正のときにスイッチングを行う半導体スイッチS11,S21については、参照波と搬送波とをコンパレータに通して得た仮想ゲート駆動パルスGateAを用いる(図4)。このGateAに基づいて、半導体スイッチS11,S21のゲート駆動パルスGate1,Gate2が得られる。   For the semiconductor switches S11 and S21 that perform switching when the sign of the input AC voltage is positive, a virtual gate drive pulse GateA obtained by passing a reference wave and a carrier wave through a comparator is used (FIG. 4). Based on GateA, gate drive pulses Gate1 and Gate2 of the semiconductor switches S11 and S21 are obtained.

一方、入力される交流電圧の符号が負のときにスイッチングを行う半導体スイッチS12,S22については、符号反転した参照波を用いて得られる仮想ゲート駆動パルスGateBを用いる(図5)。このGateBに基づいて、半導体スイッチS12,S22のゲート駆動パルスGate3,Gate4が得られる。   On the other hand, for the semiconductor switches S12 and S22 that perform switching when the sign of the input AC voltage is negative, the virtual gate drive pulse GateB obtained by using the reference wave with the sign inverted is used (FIG. 5). Based on this GateB, gate drive pulses Gate3 and Gate4 of the semiconductor switches S12 and S22 are obtained.

図6は、降圧チョッパ20の制御ブロック図である。降圧チョッパ20としては、出力電圧の上限値、下限値をそれぞれ定電圧で設定して出力電圧検出値Voutと比較する2つのコンパレータと、フリップフロップとを使った簡単なヒステリシス制御を行った。こうして、半導体スイッチS5のゲート駆動パルスGate5が得られる。   FIG. 6 is a control block diagram of the step-down chopper 20. The step-down chopper 20 performs simple hysteresis control using two comparators that set the upper limit value and the lower limit value of the output voltage as constant voltages and compare with the output voltage detection value Vout, and a flip-flop. Thus, the gate drive pulse Gate5 of the semiconductor switch S5 is obtained.

(波形図)
図7は、交流電圧の符号が正から負に遷移する区間の一部における、入力の交流電圧Va、絶縁整流コンバータ10のゲート駆動パルスGate1,Gate2,Gate3,Gate4、リアクトル電流指令値Ic*(滑らかな方)及び検出値Ic(リプルのある方)を示す波形図である。交流電圧Vaの符号が正の前半では、ゲート駆動パルスGate1,Gate2に基づいて、半導体スイッチS11とS21とがスイッチングを行っている。直列の他方の半導体スイッチS12,S22のゲート駆動パルスはHレベル(オン)を保持している。但し、この場合の直列の他方の半導体スイッチS12,S22のゲート駆動パルスはLレベル(オフ)を保持してもよく、その場合は、逆並列ダイオードが通電経路となる。
(Waveform diagram)
FIG. 7 shows the input AC voltage Va, the gate drive pulses Gate1, Gate2, Gate3, Gate4 of the insulating rectifier converter 10, the reactor current command value Ic * () in a part of the section where the sign of the AC voltage transitions from positive to negative. It is a wave form diagram which shows the detection value Ic (one with a ripple) and the detection value Ic. In the first half of the positive sign of the AC voltage Va, the semiconductor switches S11 and S21 perform switching based on the gate drive pulses Gate1 and Gate2. The gate drive pulse of the other semiconductor switch S12, S22 in series holds the H level (ON). However, the gate drive pulses of the other semiconductor switches S12 and S22 in this case may be kept at the L level (off), and in this case, the anti-parallel diode becomes the energization path.

交流電圧Vaの符号が負になる後半では、ゲート駆動パルスGate3,Gate4に基づいて、半導体スイッチS12とS22とがスイッチングを行っている。直列の他方の半導体スイッチS11,S21のゲート駆動パルスはHレベル(オン)を保持している。但し、この場合の直列の他方の半導体スイッチS11,S21のゲート駆動パルスはLレベル(オフ)を保持してもよく、その場合は、逆並列ダイオードが通電経路となる。   In the second half in which the sign of the AC voltage Va is negative, the semiconductor switches S12 and S22 perform switching based on the gate drive pulses Gate3 and Gate4. The gate drive pulse of the other semiconductor switch S11, S21 in series holds the H level (ON). However, the gate drive pulses of the other semiconductor switches S11 and S21 in this case may be held at the L level (off), and in this case, the anti-parallel diode becomes the energization path.

リアクトル電流検出値Icはリプルを含むが、リアクトル電流指令値Ic*に良く追随し、概ね合致している。リプルの周期は、半導体スイッチのスイッチング周期の半分になる。   Although the reactor current detection value Ic includes ripples, it closely follows the reactor current command value Ic * and substantially matches. The ripple period is half the switching period of the semiconductor switch.

図8は、絶縁整流コンバータ10及び降圧チョッパ20における入出力の波形図である。上から順に、絶縁整流コンバータ10へ入力される交流電圧Va、入力電流としてのリアクトル電流検出値Ic、コンデンサ3の両端での電圧検出値Vm、降圧チョッパ20の出力電圧検出値Voutを表している。入力電流の力率は0.999、歪み率は3.3%(40次以下では0.5%)と、ともに申し分無い値が得られている。電圧検出値Vmは、縦軸の数値範囲を狭くして表しているので交流波形のように見えるが、交流電圧Vaの2倍の周波数成分を含む、最小90.40V、最大109.0V、平均値100Vの直流電圧である。そして、降圧チョッパ20を介した出力電圧Voutは48.02V(最大48.50V,最小47.53V)で、目標値に一致しており、リプルは2%と小さく、良好な結果が得られる。   FIG. 8 is a waveform diagram of input / output in the isolated rectifier converter 10 and the step-down chopper 20. In order from the top, the AC voltage Va input to the isolated rectifying converter 10, the reactor current detection value Ic as the input current, the voltage detection value Vm at both ends of the capacitor 3, and the output voltage detection value Vout of the step-down chopper 20 are shown. . The power factor of the input current is 0.999, and the distortion rate is 3.3% (0.5% below the 40th order), both of which are satisfactory values. The voltage detection value Vm is expressed as an AC waveform because the numerical range of the vertical axis is narrowed, but it appears as an AC waveform, but includes a frequency component twice as high as the AC voltage Va, a minimum of 90.40 V, a maximum of 109.0 V, and an average. It is a DC voltage with a value of 100V. The output voltage Vout through the step-down chopper 20 is 48.02 V (maximum 48.50 V, minimum 47.53 V), which matches the target value, and the ripple is as small as 2%, and a good result is obtained.

(補足)
本実施形態の絶縁整流コンバータ10は、整流、力率改善、絶縁の機能を1台のコンバータで行うことができるので、回路が簡素化され、小型化・高効率化が可能になる。
リプルが小さな直流電圧が必要な場合には、絶縁整流コンバータ10の出力側に一定の出力電圧を出力する降圧チョッパ20のようなDC/DCコンバータを追加すればよい。このDC/DCコンバータは部品の少ない非絶縁回路にすることができる。そのため、DC/DCコンバータを複数並列にして大容量化する際に有利である。例えば出力回路が5並列のときに、非絶縁整流型では整流回路と合わせた半導体デバイスの合計数が24個になるのに対して、本実施形態の絶縁整流コンバータ10では16個で足りる。このため小型化、低損失化が可能になる。なお、本実施形態では直流側のチョッパはDCバス側(コンデンサ3の両端)からみて降圧チョッパ20としたが、求められる最終出力電圧に応じて、これを昇圧チョッパ、あるいは昇降圧チョッパに変えてもよい。
(Supplement)
The isolated rectifying converter 10 of the present embodiment can perform functions of rectification, power factor improvement, and insulation with a single converter, so that the circuit is simplified, and miniaturization and high efficiency are possible.
When a DC voltage with a small ripple is required, a DC / DC converter such as a step-down chopper 20 that outputs a constant output voltage may be added to the output side of the isolated rectifying converter 10. This DC / DC converter can be a non-insulated circuit with few components. Therefore, it is advantageous when the capacity is increased by connecting a plurality of DC / DC converters in parallel. For example, when the output circuits are 5 in parallel, the total number of semiconductor devices combined with the rectifier circuit is 24 in the non-insulated rectification type, whereas in the isolated rectifier converter 10 of this embodiment, 16 is sufficient. This makes it possible to reduce the size and loss. In the present embodiment, the DC chopper is the step-down chopper 20 as viewed from the DC bus side (both ends of the capacitor 3). However, this is replaced with a step-up chopper or a step-up / step-down chopper according to the required final output voltage. Also good.

《第2実施形態:絶縁双方向コンバータを主要部とする電力変換装置》   << 2nd Embodiment: The power converter device which has an insulated bidirectional converter as a principal part >>

(全体回路構成の概要)
図9は、第2実施形態としての、絶縁双方向コンバータを主要部とする電力変換装置の回路図である。図において、電力変換装置100は、主回路としての絶縁双方向コンバータ10及び双方向チョッパ20、並びに、これらを制御する制御部30とを備えている。制御機能も含めて考えれば、制御部30は絶縁整流コンバータ10の一部でもあり、また、双方向チョッパ20の一部でもある。
この電力変換装置100は、交流入力を直流出力に変換し、また、直流入力を交流出力に変換することができる。
(Overview of overall circuit configuration)
FIG. 9 is a circuit diagram of a power conversion device mainly including an insulated bidirectional converter as a second embodiment. In the figure, a power converter 100 includes an insulated bidirectional converter 10 and a bidirectional chopper 20 as main circuits, and a control unit 30 for controlling them. Considering the control function, the control unit 30 is also a part of the insulating rectifier converter 10 and a part of the bidirectional chopper 20.
The power conversion apparatus 100 can convert an AC input into a DC output, and can convert a DC input into an AC output.

また、この電力変換装置100は、制御用の計測要素として、交流側のポートPa1,Pa2間の電圧を検出する電圧センサ31、リアクトル1に流れる電流を検出する電流センサ32、絶縁双方向コンバータ10のポートPd1,Pd2間の電圧を検出する電圧センサ33、双方向チョッパ20のポートPd3,Pd4間の電圧を検出する電圧センサ34、及び、リアクトル13に流れる電流を検出する電流センサ35を備えている。各センサ31〜35の検出出力は、制御部30に送られる。各センサ31〜35は、機能的には制御部30の一部であると考えることができる。   In addition, the power conversion apparatus 100 includes, as control measurement elements, a voltage sensor 31 that detects a voltage between the ports Pa1 and Pa2 on the AC side, a current sensor 32 that detects a current flowing through the reactor 1, and an insulated bidirectional converter 10. A voltage sensor 33 for detecting a voltage between the ports Pd1 and Pd2, a voltage sensor 34 for detecting a voltage between the ports Pd3 and Pd4 of the bidirectional chopper 20, and a current sensor 35 for detecting a current flowing through the reactor 13. Yes. Detection outputs of the sensors 31 to 35 are sent to the control unit 30. Each sensor 31 to 35 can be considered to be a part of the control unit 30 in terms of function.

(絶縁双方向コンバータの回路構成)
絶縁双方向コンバータ10は、主回路の主要な構成部品として、交流側のコンデンサ5、2線にまたがるリアクトル1、第1スイッチS1、第2スイッチS2、絶縁トランス2、第3スイッチS3、第4スイッチS4、及び、コンデンサ3を備えており、これらは、図9に示すように接続されている。なお、「第1」、「第2」は便宜上の呼び名であり、デバイスとしては対等である。従って、逆になってもよい。同様に、「第3」、「第4」は便宜上の呼び名であり、デバイスとしては対等であるので、逆になってもよい。
(Circuit configuration of isolated bidirectional converter)
The insulated bidirectional converter 10 includes, as main components of the main circuit, an AC capacitor 5, a reactor 1 across two wires, a first switch S 1, a second switch S 2, an insulation transformer 2, a third switch S 3, a fourth switch. A switch S4 and a capacitor 3 are provided, and these are connected as shown in FIG. Note that “first” and “second” are names for convenience, and devices are equivalent. Therefore, it may be reversed. Similarly, “third” and “fourth” are names for convenience, and the devices are equivalent, and may be reversed.

第1スイッチS1は、一対の半導体スイッチS11,S12が互いに逆極性となるように直列に接続され、スイッチ直列体を成すものである。半導体スイッチS11は、スイッチ素子としてのMOSFET及びボディダイオードDS11を備えている。また、半導体スイッチS12は、スイッチ素子としてのMOSFET及びボディダイオードDS12を備えている。これら一対の半導体スイッチS11,S12は、ソース側を互いに接続するように直列接続されている。なお、逆に、ドレイン側を互いに接続するように直列接続することもできる。但し、ソース側を互いに接続すると、制御が共通に行える利点がある。 The first switch S1 is a series of switches in which a pair of semiconductor switches S11 and S12 are connected in series so as to have opposite polarities. The semiconductor switches S11 has a MOSFET and a body diode D S11 as a switch element. The semiconductor switches S12, includes a MOSFET and a body diode D S12 as a switching element. The pair of semiconductor switches S11 and S12 are connected in series so that the source sides are connected to each other. Conversely, the drain sides can be connected in series so as to be connected to each other. However, connecting the source sides to each other has the advantage that the control can be performed in common.

同様に、第2スイッチS2は、一対の半導体スイッチS21,S22が互いに逆極性となるように直列に接続され、スイッチ直列体を成すものである。半導体スイッチS21は、スイッチ素子としてのMOSFET及びボディダイオードDS21を備えている。また、半導体スイッチS22は、スイッチ素子としてのMOSFET及びボディダイオードDS22を備えている。 Similarly, the second switch S2 is a series of switches in which a pair of semiconductor switches S21 and S22 are connected in series so as to have opposite polarities. The semiconductor switch S21 includes a MOSFET as a switch element and a body diode DS21 . The semiconductor switch S22 includes a MOSFET and a body diode DS22 as switching elements.

なお、MOSFETは、半導体スイッチとしての一例に過ぎない。また、第1スイッチS1,第2スイッチS2はそれぞれ、一対の半導体スイッチによってスイッチ直列体を構成するものとして説明したが、このようなスイッチ直列体の回路を内蔵するワンチップデバイスを作製することも可能である。   The MOSFET is merely an example as a semiconductor switch. Further, the first switch S1 and the second switch S2 have been described as constituting a switch series body by a pair of semiconductor switches, but it is also possible to produce a one-chip device incorporating such a switch series body circuit. Is possible.

絶縁トランス2は、1次側巻線21及び2次側巻線22のそれぞれに1次側中性点21n及び2次側中性点22nを有する。
ここで、交流側の一方のポートPa1から電流センサ32及びリアクトル1を介して1次側中性点21nに至る電路を、交流側第1電路L1と称する。また、ポートPa1との間に交流電圧を生じさせる他方のポートPa2から絶縁トランス2までの交流側第2電路L2は、共通電路L20を経て分岐点P1で2電路L21,L22に分岐して1次側巻線21の両端部に至る。すなわち、分岐後の電路L21は、第1スイッチS1を介して1次側巻線21の一方の端部21bに接続されている。また、分岐後の電路L22は、第2スイッチS2を介して1次側巻線21の他方の端部21aに接続されている。
The insulating transformer 2 has a primary side neutral point 21n and a secondary side neutral point 22n in each of the primary side winding 21 and the secondary side winding 22.
Here, an electric circuit from one port Pa1 on the AC side to the primary side neutral point 21n via the current sensor 32 and the reactor 1 is referred to as an AC side first electric circuit L1. The AC-side second electric circuit L2 from the other port Pa2 that generates an AC voltage to the port Pa1 to the insulating transformer 2 branches to the two electric circuits L21 and L22 at the branch point P1 via the common electric circuit L20. It reaches both ends of the secondary winding 21. That is, the branched electric circuit L21 is connected to one end 21b of the primary side winding 21 through the first switch S1. Further, the branched electric circuit L22 is connected to the other end 21a of the primary winding 21 via the second switch S2.

第1スイッチS1は、制御によって以下のような動作状態となる。
スイッチング動作によって、半導体スイッチS11,S12が共にオンのときは、1次側巻線21の端部21bから分岐点P1へ向かう方向、及び、その逆方向のいずれにも、電流が流れる(双方向に通電可能状態)。この場合、半導体スイッチS11,S12について共通の制御信号を用いることができる。
半導体スイッチS11,S12が共にオフのときは、1次側巻線21の端部21bから分岐点P1へ向かう方向、及び、その逆方向のいずれにも、電流が流れない(双方向に遮断状態)。
The first switch S1 is in the following operation state by control.
When both the semiconductor switches S11 and S12 are turned on by the switching operation, a current flows in the direction from the end 21b of the primary winding 21 to the branch point P1 and in the opposite direction (bidirectional). Can be energized). In this case, a common control signal can be used for the semiconductor switches S11 and S12.
When both the semiconductor switches S11 and S12 are off, no current flows in the direction from the end 21b of the primary winding 21 to the branch point P1 and in the opposite direction (in a bi-directionally interrupted state). ).

半導体スイッチS11がオンで、S12がオフの場合、1次側巻線21の端部21bから分岐点P1へ向かう方向にはダイオードDS12を通電経路として利用することで、電流が流れるが、その逆方向には流れない。
半導体スイッチS11がオフで、S12がオンの場合は、分岐点P1から1次側巻線21の端部21bへ向かう方向にはダイオードDS11を通電経路として利用することで、電流が流れるが、その逆方向には流れない。
When the semiconductor switch S11 is on and S12 is off, a current flows by using the diode DS12 as an energization path in the direction from the end 21b of the primary winding 21 to the branch point P1, It does not flow in the reverse direction.
When the semiconductor switch S11 is off and S12 is on, a current flows in the direction from the branch point P1 toward the end 21b of the primary winding 21 by using the diode DS11 as an energization path. It does not flow in the opposite direction.

同様に、第2スイッチS2は、制御によって以下のような動作状態となる。
スイッチング動作によって、半導体スイッチS21,S22が共にオンのときは、1次側巻線21の端部21aから分岐点P1へ向かう方向、及び、その逆方向のいずれにも、電流が流れる(双方向に通電可能状態)。この場合、半導体スイッチS21,S22について共通の制御信号を用いることができる。
半導体スイッチS21,S22が共にオフのときは、1次側巻線21の端部21aから分岐点P1へ向かう方向、及び、その逆方向のいずれにも、電流が流れない(双方向に遮断状態)。
Similarly, the second switch S2 is in the following operation state by control.
When both the semiconductor switches S21 and S22 are turned on by the switching operation, current flows in the direction from the end 21a of the primary winding 21 to the branch point P1 and in the opposite direction (bidirectional). Can be energized). In this case, a common control signal can be used for the semiconductor switches S21 and S22.
When both of the semiconductor switches S21 and S22 are off, no current flows in the direction from the end 21a of the primary winding 21 to the branch point P1 or in the opposite direction (in a bi-directionally interrupted state). ).

半導体スイッチS21がオンで、S22がオフの場合、1次側巻線21の端部21aから分岐点P1へ向かう方向にはダイオードDS22を通電経路として利用することで、電流が流れるが、その逆方向には流れない。
半導体スイッチS21がオフで、S22がオンの場合は、分岐点P1から1次側巻線21の端部21aへ向かう方向にはダイオードDS21を通電経路として利用することで、電流が流れるが、その逆方向には流れない。
When the semiconductor switch S21 is on and S22 is off, a current flows by using the diode DS22 as an energization path in the direction from the end 21a of the primary winding 21 to the branch point P1, It does not flow in the reverse direction.
When the semiconductor switch S21 is off and S22 is on, a current flows by using the diode DS21 as an energization path in the direction from the branch point P1 toward the end 21a of the primary side winding 21, It does not flow in the opposite direction.

以上の第1スイッチS1の場所及び動作、第2スイッチS2の場所及び動作を要約すると、第1スイッチS1は、分岐点P1と1次側巻線21の一端部21bとの間に挿入されていて、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断することができる。
また、第2スイッチS2は、分岐点P1と1次側巻線21の他端部21aとの間に挿入されていて、双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断することができる。
To summarize the location and operation of the first switch S1 and the location and operation of the second switch S2, the first switch S1 is inserted between the branch point P1 and one end 21b of the primary winding 21. Thus, power can be passed in both directions, and power can be cut off in both directions when the switch is off.
The second switch S2 is inserted between the branch point P1 and the other end 21a of the primary winding 21, and can be energized in both directions. In addition, the second switch S2 is bidirectional in the switch-off state. The energization can be cut off.

また、制御部30により、入力される交流電圧の符号に応じて、直列体を成す一対の半導体スイッチのうち、いずれか一方を導通状態(オン保持又はダイオード利用)として、他方をスイッチング動作させることもできる。
この場合、第1スイッチS1及び第2スイッチS2の合計4個の半導体スイッチ(S11,S12,S21,S22)のうち、交流電圧の符号が正又は負の期間に高周波でスイッチング動作する半導体スイッチは2個となるので、スイッチング損失を低減することができる。
Moreover, according to the code | symbol of the alternating voltage input by the control part 30, either one is made into a conduction | electrical_connection state (ON holding | maintenance or diode utilization) among a pair of semiconductor switches which comprise a serial body, and the other is switched. You can also.
In this case, of the total of four semiconductor switches (S11, S12, S21, S22) of the first switch S1 and the second switch S2, the semiconductor switch that performs switching operation at a high frequency during a period in which the sign of the AC voltage is positive or negative is Since there are two, switching loss can be reduced.

次に、第3スイッチS3は、スイッチ素子としてのMOSFET及びボディダイオードDS3を備えている。MOSFETのソース及びボディダイオードDS3の正極(アノード)が、絶縁トランス2の2次側巻線の一方の端部22aに接続されている。第4スイッチS4は、スイッチ素子としてのMOSFET及びボディダイオードDS4を備えている。MOSFETのソース及びボディダイオードDS4の正極(アノード)が、絶縁トランス2の2次側巻線の他方の端部22bに接続されている。 Next, the third switch S3 is provided with a MOSFET and a body diode D S3 as a switching element. The positive electrode of the MOSFET of the source and the body diode D S3 (anode) is connected to one end 22a of the secondary coil of a transformer 2. The fourth switch S4 includes a MOSFET as a switch element and a body diode DS4 . The positive electrode of the MOSFET of the source and the body diode D S4 (anode) is connected to the other end 22b of the secondary coil of a transformer 2.

各スイッチS3,S4(MOSFET)のドレイン及び各ボディダイオードDS3,DS4の各負極(カソード)は、それぞれ、合流点P2で互いに接続され、直流側の一方のポートPd1に至る。この電路を、直流側第1電路L3と称すると、もう一方の直流側第2電路L4は、2次側中性点22nから、一方のポートPd1との間に直流電圧を生じさせる直流側の他方のポートPd2に至る電路である。 The drains of the switches S3 and S4 (MOSFETs) and the negative electrodes (cathodes) of the body diodes D S3 and D S4 are connected to each other at the junction P2 and reach one port Pd1 on the DC side. When this circuit is called a DC side first circuit L3, the other DC side second circuit L4 is a DC side that generates a DC voltage from the secondary side neutral point 22n to one port Pd1. This is an electric circuit leading to the other port Pd2.

絶縁双方向コンバータ10としての、直流側のポートPd1,Pd2間には、平滑用のコンデンサ3が接続されている。   A smoothing capacitor 3 is connected between the ports Pd1 and Pd2 on the DC side as the insulated bidirectional converter 10.

制御部30は、電圧センサ31によって検出される交流入力電圧、電流センサ32によって検出される交流電流、絶縁双方向コンバータ10のポートPd1,Pd2間で電圧センサ33が検出する直流電圧、及び、双方向チョッパ20のポートPd3,Pd4間で電圧センサ34が検出する直流出力電圧に基づいて、絶縁双方向コンバータ10及び双方向チョッパ20を制御する。
制御部30は、例えば、コンピュータを含み、ソフトウェア(コンピュータプログラム)をコンピュータが実行することで、絶縁双方向コンバータ10及び双方向チョッパ20に必要な機能を実現する。この場合、ソフトウェアは、制御部30の記憶装置(図示せず。)に格納される。なお、コンピュータを含まないハードウェアのみの回路で制御部30を構成することも可能である。
The control unit 30 includes an AC input voltage detected by the voltage sensor 31, an AC current detected by the current sensor 32, a DC voltage detected by the voltage sensor 33 between the ports Pd1 and Pd2 of the insulated bidirectional converter 10, and both. Based on the DC output voltage detected by the voltage sensor 34 between the ports Pd3 and Pd4 of the direction chopper 20, the insulated bidirectional converter 10 and the bidirectional chopper 20 are controlled.
The control unit 30 includes, for example, a computer, and realizes functions necessary for the insulated bidirectional converter 10 and the bidirectional chopper 20 when the computer (computer program) is executed by the computer. In this case, the software is stored in a storage device (not shown) of the control unit 30. It is also possible to configure the control unit 30 with a hardware-only circuit that does not include a computer.

(絶縁双方向コンバータの動作)
(順方向(交流から直流へ))
交流から直流への変換を行う場合の絶縁双方向コンバータ10の機能は、第1実施形態における絶縁整流コンバータ10と同様である。
まず、交流入力に対して、制御部30は、第1スイッチS1及び第2スイッチS2を共にオン状態とする。このとき、例えばポートPa1から、リアクトル1を含む交流側第1電路L1、絶縁トランス2の1次側巻線21の中性点21n、1次側巻線21の両端部21b,21a、第1スイッチS1及び第2スイッチS2を通り、リアクトルを含む共通電路L20を介してポートPa2に戻る閉ループが形成され、リアクトル1にエネルギーが蓄積される。なお、1次側巻線21には中性点21nに対して互いに逆向きに電流が流れることで1次側巻線21の両端電圧が0となり、2次側巻線22に電圧は発生しない。
(Operation of isolated bidirectional converter)
(Forward (AC to DC))
The function of the insulated bidirectional converter 10 when performing conversion from alternating current to direct current is the same as that of the insulated rectifying converter 10 in the first embodiment.
First, with respect to the AC input, the control unit 30 turns on both the first switch S1 and the second switch S2. At this time, for example, from the port Pa1, the AC side first electric circuit L1 including the reactor 1, the neutral point 21n of the primary side winding 21 of the insulation transformer 2, the both ends 21b and 21a of the primary side winding 21, the first A closed loop that passes through the switch S1 and the second switch S2 and returns to the port Pa2 through the common electric circuit L20 including the reactor is formed, and energy is accumulated in the reactor 1. In addition, since current flows through the primary side winding 21 in opposite directions with respect to the neutral point 21n, the voltage across the primary side winding 21 becomes 0, and no voltage is generated in the secondary side winding 22. .

次に、制御部30は、例えば、第1スイッチS1をオフにする。このとき、リアクトル1に蓄積されたエネルギーが絶縁トランス2の2次側に放出されるとともに、負荷電圧によりリアクトル1はリセットされる。2次側巻線22の電圧は、ボディダイオードDS3及びDS4によって整流され、コンデンサ3による平滑を経て、出力される。 Next, the control unit 30 turns off the first switch S1, for example. At this time, the energy accumulated in the reactor 1 is released to the secondary side of the insulating transformer 2, and the reactor 1 is reset by the load voltage. The voltage of the secondary winding 22 is rectified by the body diodes D S3 and D S4 , and is output after being smoothed by the capacitor 3.

続いて、制御部30は、再び第1スイッチS1及び第2スイッチS2を共にオン状態とする。これにより、リアクトル1にエネルギーが蓄積される。次に、制御部30は、第2スイッチS2をオフにする。このとき、リアクトル1に蓄積されたエネルギーが絶縁トランス2の2次側に放出されるとともに、負荷電圧によりリアクトル1はリセットされる。2次側巻線22の電圧は、ボディダイオードDS3及びDS4によって整流され、コンデンサ3による平滑を経て、出力される。 Subsequently, the control unit 30 turns on both the first switch S1 and the second switch S2 again. Thereby, energy is accumulated in the reactor 1. Next, the control unit 30 turns off the second switch S2. At this time, the energy accumulated in the reactor 1 is released to the secondary side of the insulating transformer 2, and the reactor 1 is reset by the load voltage. The voltage of the secondary winding 22 is rectified by the body diodes D S3 and D S4 , and is output after being smoothed by the capacitor 3.

こうして、制御部30は、第1スイッチS1及び第2スイッチS2の双方がオン、一方がオフ、双方がオン、他方がオフとなる工程が繰り返されるようスイッチング動作を行わせる。スイッチングの周波数は、例えば10〜20kHzである。従って、第1スイッチS1,第2スイッチS2についてのオン期間、オフ期間は、交流入力(例えば周波数50Hz)の波長に比べて極めて短い期間である。   In this way, the control unit 30 performs the switching operation so that the process of turning on both of the first switch S1 and the second switch S2 and turning off one of them, turning on both, and turning off the other is repeated. The switching frequency is, for example, 10 to 20 kHz. Therefore, the ON period and the OFF period for the first switch S1 and the second switch S2 are extremely shorter than the wavelength of the AC input (for example, frequency 50 Hz).

以上のように、上記の絶縁双方向コンバータ10では、第1スイッチS1及び第2スイッチS2の双方がオンの期間に、リアクトル1にエネルギーが蓄積される。そして、第1スイッチS1及び第2スイッチS2のいずれか一方がオフとなったとき、エネルギーが絶縁トランス2の2次側に放出されるとともに、負荷電圧によりリアクトル1はリセットされる。2次側巻線22の電圧は、ボディダイオードDS3及びDS4によって整流され、コンデンサ3による平滑を経て、出力される。第1スイッチS1及び第2スイッチS2は双方向性を有するため、交流電圧・交流電流の符号(方向)に関わらず、このような、電流型コンバータとしての機能を実現することができる。 As described above, in the above-described insulated bidirectional converter 10, energy is stored in the reactor 1 during a period in which both the first switch S1 and the second switch S2 are on. When one of the first switch S1 and the second switch S2 is turned off, energy is released to the secondary side of the insulating transformer 2, and the reactor 1 is reset by the load voltage. The voltage of the secondary winding 22 is rectified by the body diodes D S3 and D S4 , and is output after being smoothed by the capacitor 3. Since the first switch S1 and the second switch S2 are bidirectional, such a function as a current converter can be realized regardless of the sign (direction) of the AC voltage / AC current.

従って、商用周波数のような低周波の交流を、整流せずに、高周波のスイッチングにより絶縁トランス2で変圧し、2次側で整流して直流の出力とすることができる。このような構成によれば、交流入力から絶縁トランス2までの変換を、第1スイッチS1及び第2スイッチS2のみのスイッチングによって、実現することができる。
こうして、絶縁トランス2を有しながらも、スイッチの総数を抑えた、交流から直流への絶縁双方向コンバータ10を得ることができる。
Therefore, a low-frequency alternating current such as a commercial frequency can be transformed by the insulating transformer 2 by high-frequency switching without being rectified, and rectified on the secondary side to be a direct-current output. According to such a configuration, conversion from the AC input to the isolation transformer 2 can be realized by switching only the first switch S1 and the second switch S2.
In this way, it is possible to obtain an AC to DC isolated bidirectional converter 10 that has the isolation transformer 2 and suppresses the total number of switches.

(双方向チョッパの詳細)
次に、双方向チョッパ20は、ボディダイオードDS5を有するスイッチ(MOSFET)S5、ボディダイオードDS6を有するスイッチ(MOSFET)S6、リアクトル13、及び、コンデンサ4を備えている。双方向チョッパ20は、スイッチS5,S6を所定のデューティでスイッチングすることにより、絶縁双方向コンバータ10の出力電圧を降圧し、ポートPd3,Pd4に出力する。ポートPd3,Pd4間の電圧は、電圧センサ34によって検出される。出力電流は、電流センサ35によって検出される。
(Details of bidirectional chopper)
Next, the bidirectional chopper 20 includes a switch (MOSFET) S5 having a body diode D S5 , a switch (MOSFET) S6 having a body diode D S6 , a reactor 13, and a capacitor 4. The bidirectional chopper 20 steps down the output voltage of the isolated bidirectional converter 10 by switching the switches S5 and S6 with a predetermined duty, and outputs it to the ports Pd3 and Pd4. The voltage between the ports Pd3 and Pd4 is detected by the voltage sensor 34. The output current is detected by the current sensor 35.

なお、DC/DCコンバータとして双方向チョッパ20を設けるのは一例であり、必要に応じて、降圧型、昇圧型、昇降圧型から選択することができる。なお、電流容量を増大させるためには複数のDC/DCコンバータを並列に設けることができる。この場合、DC/DCコンバータごとに相互に絶縁する必要がある場合は、絶縁型のDC/DCコンバータを用いることもできる。   Note that providing the bidirectional chopper 20 as a DC / DC converter is merely an example, and can be selected from a step-down type, a step-up type, and a step-up / down type as necessary. In order to increase the current capacity, a plurality of DC / DC converters can be provided in parallel. In this case, when it is necessary to insulate each DC / DC converter from each other, an insulation type DC / DC converter can be used.

このように、絶縁双方向コンバータ10の端部の両電路間と負荷との間に、DC/DCコンバータを設けることで、当該負荷に対する出力電圧が一定となる制御を行うことができる。すなわち、絶縁双方向コンバータ10の端部の両電路間の出力電圧(直流電圧)には、負荷のインピーダンスによって交流周期の半分の周期の低周波リプルが重畳される場合がある。そこで、DC/DCコンバータを設けることにより、このような低周波リプルを平滑化することができる。   As described above, by providing the DC / DC converter between the two electric circuits at the end of the insulated bidirectional converter 10 and the load, it is possible to perform control so that the output voltage with respect to the load becomes constant. That is, a low-frequency ripple having a period that is half of the AC period may be superimposed on the output voltage (DC voltage) between both electric circuits at the end of the insulated bidirectional converter 10 depending on the impedance of the load. Therefore, by providing a DC / DC converter, such a low frequency ripple can be smoothed.

(逆変換(直流から交流へ))
一方、逆変換では、直流を交流に変換する。ポートPd3,Pd4に入力される直流電圧は、双方向チョッパ20のスイッチS5,S6を交互にオンにすることにより、所定電圧に昇圧することができる。昇圧された直流電圧は、絶縁双方向コンバータ10に入力される。
ここで、絶縁トランス2の2次側回路はプッシュプルコンバータとして動作させることができる。但し、1次側回路のスイッチが双方向の電流・電圧を阻止するため、少なくとも双方向スイッチに含まれるスイッチのいずれかを能動的にオンにしなければプッシュプルコンバータとして動作しない。
(Reverse conversion (DC to AC))
On the other hand, in reverse conversion, direct current is converted into alternating current. The DC voltage input to the ports Pd3 and Pd4 can be boosted to a predetermined voltage by turning on the switches S5 and S6 of the bidirectional chopper 20 alternately. The boosted DC voltage is input to the insulated bidirectional converter 10.
Here, the secondary side circuit of the isolation transformer 2 can be operated as a push-pull converter. However, since the switch of the primary circuit blocks bidirectional current and voltage, it does not operate as a push-pull converter unless at least one of the switches included in the bidirectional switch is actively turned on.

そこで、図9の回路において、絶縁トランス2の2次側の第3スイッチS3をオンとするとき、1次側では、第1スイッチS1をオンとする。また、絶縁トランス2の2次側の第4スイッチS4をオンとするとき、1次側では、第2スイッチS2をオンとする。これにより、交流側のポートPa1−Pa2には、符号が正の電圧が発生する。
逆に、符号が負の電圧を発生させるには、絶縁トランス2の2次側の第3スイッチS3をオンとするとき、1次側では、第2スイッチS2をオンとする。また、絶縁トランス2の2次側の第4スイッチS4をオンとするとき、1次側では、第1スイッチS1をオンとする。これにより、交流側のポートPa1−Pa2には、符号が負の電圧が発生する。
そして、それぞれのオン時間をPWM制御することにより、交流波形を得ることができる。
Therefore, in the circuit shown in FIG. 9, when the third switch S3 on the secondary side of the isolation transformer 2 is turned on, the first switch S1 is turned on on the primary side. When the fourth switch S4 on the secondary side of the isolation transformer 2 is turned on, the second switch S2 is turned on on the primary side. As a result, a voltage having a positive sign is generated at the ports Pa1-Pa2 on the AC side.
Conversely, to generate a voltage with a negative sign, when the third switch S3 on the secondary side of the isolation transformer 2 is turned on, the second switch S2 is turned on on the primary side. When the fourth switch S4 on the secondary side of the isolation transformer 2 is turned on, the first switch S1 is turned on on the primary side. As a result, a voltage having a negative sign is generated at the ports Pa1-Pa2 on the AC side.
An AC waveform can be obtained by PWM control of each on time.

上記の絶縁双方向コンバータ10は、非絶縁のインバータと同様に、直流側に交流の半周期の脈流が流れる。直流電源又は負荷に流れる電流を平滑化するには絶縁双方向コンバータ10の直流側の、平滑用のコンデンサ3を挟んで右側に、リアクトルを配置したチョッパを接続すればよい。チョッパは、コンデンサ3から見るとブリッジ、リアクトルの順になるので降圧型となる。この構成では、交流電源、直流電源との接続部は共にリアクトル入力となり、入出力電流が連続となる。このため基本的にノーマルチョークは必要なく、フィルタ回路を簡素化することができる。   In the above-described insulated bidirectional converter 10, an AC half-cycle pulsating current flows on the DC side, as in a non-insulated inverter. In order to smooth the current flowing through the DC power supply or the load, a chopper having a reactor disposed on the DC side of the insulating bidirectional converter 10 on the right side of the smoothing capacitor 3 may be connected. The chopper is a step-down type because it is in the order of a bridge and a reactor when viewed from the capacitor 3. In this configuration, both the AC power supply and the connection portion with the DC power supply are reactor inputs, and the input / output current is continuous. Therefore, a normal choke is basically unnecessary, and the filter circuit can be simplified.

双方向スイッチである第1スイッチS1,第2スイッチS2は、ソースを共通にした2つのMOSFET、あるいは、エミッタを共通にした逆並列ダイオードを含むIGBTを用いることができる。電流検出は絶縁双方向コンバータに含まれる交流のリアクトル1の電流(電流センサ32)、双方向チョッパ20に含まれる直流のリアクトル13の電流(電流センサ35)の2箇所で行う。電圧は交流電圧(電圧センサ31)、リンク電圧(電圧センサ33)、直流電圧(電圧センサ34)の3箇所にて検出する。   As the first switch S1 and the second switch S2 which are bidirectional switches, two MOSFETs having a common source or an IGBT including an antiparallel diode having a common emitter can be used. Current detection is performed at two locations: the current of the AC reactor 1 included in the insulated bidirectional converter (current sensor 32) and the current of the DC reactor 13 included in the bidirectional chopper 20 (current sensor 35). The voltage is detected at three locations: an AC voltage (voltage sensor 31), a link voltage (voltage sensor 33), and a DC voltage (voltage sensor 34).

(絶縁双方向コンバータについてのまとめ)
上記のような絶縁双方向コンバータ10によれば、交流から直流への変換に際し、第1スイッチS1及び第2スイッチS2の双方がオンの期間に、リアクトル1にエネルギーが蓄積される。そして、第1スイッチS1及び第2スイッチS2のいずれか一方がオフとなったとき、エネルギーが絶縁トランス2の2次側に放出されるとともに、負荷電圧によりリアクトル1はリセットされる。2次側巻線の電圧は、ボディダイオードDS3,DS4によって整流され、コンデンサ3による平滑を経て、出力される。第1スイッチS1及び第2スイッチS2は双方向性を有するため、交流電圧・交流電流の符号(方向)に関わらず、このような、電流型コンバータとしての機能を実現することができる。
(Summary of isolated bidirectional converter)
According to the insulated bidirectional converter 10 as described above, during conversion from alternating current to direct current, energy is accumulated in the reactor 1 while both the first switch S1 and the second switch S2 are on. When one of the first switch S1 and the second switch S2 is turned off, energy is released to the secondary side of the insulating transformer 2, and the reactor 1 is reset by the load voltage. The voltage of the secondary winding is rectified by the body diodes D S3 and D S4 , and is output after being smoothed by the capacitor 3. Since the first switch S1 and the second switch S2 are bidirectional, such a function as a current converter can be realized regardless of the sign (direction) of the AC voltage / AC current.

従って、商用周波数のような低周波の交流を、整流せずに、高周波のスイッチングにより絶縁トランス2で変圧し、2次側で整流して直流の出力とすることができる。このような構成によれば、交流入力から絶縁トランス2までの変換を、第1スイッチS1及び第2スイッチS2のみのスイッチングによって、実現することができる。   Therefore, a low-frequency alternating current such as a commercial frequency can be transformed by the insulating transformer 2 by high-frequency switching without being rectified, and rectified on the secondary side to be a direct-current output. According to such a configuration, conversion from the AC input to the isolation transformer 2 can be realized by switching only the first switch S1 and the second switch S2.

一方、直流から交流への変換に際しては、第3スイッチS3,第4スイッチS4を交互にオン状態とすることにより、絶縁トランス2の2次側(直流側)回路は、プッシュプルコンバータとして動作させることができる。絶縁トランス2の1次側では、第3スイッチS3及び第4スイッチS4のいずれか一方のオン状態と対応して、第1スイッチS1及び第2スイッチS2のいずれか一方をオン状態とすることにより、交流を発生させることができる。
こうして、絶縁トランス2を有しながらも、スイッチの総数を抑えた、双方向の電力変換装置を得ることができる。
On the other hand, when converting from direct current to alternating current, the third switch S3 and the fourth switch S4 are alternately turned on so that the secondary side (DC side) circuit of the isolation transformer 2 operates as a push-pull converter. be able to. On the primary side of the isolation transformer 2, one of the first switch S 1 and the second switch S 2 is turned on in correspondence with the on state of either the third switch S 3 or the fourth switch S 4. , Can generate alternating current.
Thus, it is possible to obtain a bidirectional power conversion device that has the isolation transformer 2 and suppresses the total number of switches.

(制御ブロック図の例)
次に、制御部30による制御の具体例を、制御ブロック図を用いて説明する。
まず、例えば、交流の周波数は50Hz、交流電圧の実効値は202V、直流電圧は200V、とする。交流電源の周波数は50Hz、交流電圧Vaの実効値は202Vとする。直流側には電圧200Vの電源を接続する。絶縁双方向コンバータ10と双方向チョッパ20の相互接続点の目標値は350V、絶縁トランス2の巻線比は1:1とする。交流側のコンデンサ5は、絶縁双方向コンバータ10のスイッチングリプルを平滑化するためキャパシタンスCaが22μFのフィルムコンデンサとする。コンデンサ3(キャパシタンスCm)は、100Hzの低周波リプルを平滑化するため4mFの電解コンデンサとする。
(Example of control block diagram)
Next, a specific example of control by the control unit 30 will be described using a control block diagram.
First, for example, the AC frequency is 50 Hz, the effective value of the AC voltage is 202 V, and the DC voltage is 200 V. The frequency of the AC power supply is 50 Hz, and the effective value of the AC voltage Va is 202V. A power supply with a voltage of 200 V is connected to the DC side. The target value of the interconnection point between the insulating bidirectional converter 10 and the bidirectional chopper 20 is 350 V, and the winding ratio of the insulating transformer 2 is 1: 1. The capacitor 5 on the AC side is a film capacitor having a capacitance Ca of 22 μF in order to smooth the switching ripple of the insulating bidirectional converter 10. The capacitor 3 (capacitance Cm) is a 4 mF electrolytic capacitor for smoothing the low frequency ripple of 100 Hz.

(制御ブロック図)
図10は、リアクトル電流指令値及び参照波を求めるための制御ブロック図である。図の左側の制御ブロック図において、まず、交流電流指令値Ia*を与える。Ia*は交流電圧検出値(交流電圧)Vaに対して任意の位相を設定することができる。交流電源から直流電源に向かって流れる電流を正と定義したとき、位相を0度とすれば交流電源から直流電源への充電、位相を180度とすれば、直流電源から交流電源への放電となる。その他、遅れ位相、進み位相を任意に設定することができる。Ia*にコンデンサ5のキャパシタンスCaを流れる無効電流(交流電圧検出値の微分にCaを掛けて計算)を加算することによって、リアクトル電流指令値Ic*を得る。
(Control block diagram)
FIG. 10 is a control block diagram for obtaining the reactor current command value and the reference wave. In the control block diagram on the left side of the figure, first, an alternating current command value Ia * is given. Ia * can set an arbitrary phase with respect to the AC voltage detection value (AC voltage) Va. When the current flowing from the AC power source toward the DC power source is defined as positive, charging from the AC power source to the DC power source if the phase is 0 degrees, and discharging from the DC power source to the AC power source if the phase is 180 degrees. Become. In addition, the delay phase and the lead phase can be arbitrarily set. The reactor current command value Ic * is obtained by adding a reactive current (calculated by multiplying the differential of the AC voltage detection value by Ca) flowing through the capacitance Ca of the capacitor 5 to Ia *.

図10の右側において、Ic*とリアクトル電流検出値Icとの偏差を比例積分補償器に入力するリアクトル電流フィードバックによって、リアクトル電圧を得ることができる。交流電圧検出値から、このリアクトル電圧を減算し、トランス巻き数比を考慮して1次側(双方向スイッチ側)に換算したコンデンサ3(Cm)の電圧検出値Vmで除することによって参照波V_refを得る。   On the right side of FIG. 10, the reactor voltage can be obtained by the reactor current feedback that inputs the deviation between Ic * and the detected reactor current value Ic to the proportional-integral compensator. A reference wave is obtained by subtracting this reactor voltage from the AC voltage detection value and dividing by the voltage detection value Vm of the capacitor 3 (Cm) converted to the primary side (bidirectional switch side) in consideration of the transformer turns ratio. V_ref is obtained.

図11は、PWMゲートパルス演算論理を示す制御ブロック図である。
図11の(a)において、参照波と搬送波(三角波)を比較器に入力することによって仮想ゲートAの駆動パルスGateAを得る。次に、(b)において、GateAと、周期が搬送波の2倍(周波数が半分)の矩形波をANDゲートに入力することによってGate4P、さらにこれをNOTゲートに入力することによってGate1Pを得る。同様に、(c)において、GateAと、上記矩形波とは位相が180度ずれた矩形波をANDゲートに入力することによってGate3P、さらにこれをNOTゲートに入力することによってGate2Pを得る。
FIG. 11 is a control block diagram showing the PWM gate pulse calculation logic.
In FIG. 11A, a reference pulse and a carrier wave (triangular wave) are input to a comparator to obtain a drive pulse GateA for the virtual gate A. Next, in (b), GateA and a rectangular wave whose period is twice that of the carrier wave (half the frequency) are input to the AND gate, and Gate4P is input to the NOT gate, and Gate1P is obtained. Similarly, in (c), GateA and the rectangular wave are obtained by inputting a rectangular wave whose phase is shifted by 180 degrees to the AND gate, and further inputting this to the NOT gate, thereby obtaining Gate2P.

また、(f)において、符号を反転した参照波と搬送波とを比較器に入力することによって仮想ゲートBの駆動パルスGateBを得る。(g)において、GateAの場合と同様に、GateBと、周期が搬送波の2倍(周波数が半分)の矩形波をANDゲートに入力することによってGate3Nを得て、さらにこれをNOTゲートに入力することによってGate1Nを得る。(h)において、同じくGateBと、上記矩形波と位相が180度ずれた矩形波をANDゲートに入力することによってGate4N、さらにこれをNOTゲートに入力することによってGate2Nを得る。   Further, in (f), the reference pulse and carrier wave whose signs are inverted are input to the comparator to obtain the drive pulse GateB of the virtual gate B. In (g), as in Gate A, Gate 3 and a rectangular wave whose period is twice that of the carrier wave (frequency is half) are input to the AND gate to obtain Gate 3N, which is then input to the NOT gate. To obtain Gate1N. In (h), Gate 4N is obtained by inputting Gate B and a rectangular wave whose phase is 180 degrees out of phase with the rectangular wave, and Gate 2N is obtained by inputting the same to the NOT gate.

Gate1P及びGate1N、Gate2P及びGate2Nを、それぞれANDゲート入力することによってGate1、Gate2を得る。これらは絶縁双方向コンバータ10の1次側の二つの双方向スイッチである第1スイッチS1及び第2スイッチS2のゲート駆動パルスである。また、Gate3PとGate3N、Gate4PとGate4NをそれぞれORゲートに入力することによってGate3、Gate4を得る。これらは絶縁双方向コンバータ10の2次側の第3スイッチS3,第4スイッチS4のゲート駆動パルスである。   Gate1 and Gate2 are obtained by AND-inputting Gate1P and Gate1N, Gate2P and Gate2N, respectively. These are gate drive pulses for the first switch S1 and the second switch S2, which are two bidirectional switches on the primary side of the insulated bidirectional converter 10. Gate3 and Gate4 are obtained by inputting Gate3P and Gate3N, and Gate4P and Gate4N to the OR gate, respectively. These are gate drive pulses of the third switch S3 and the fourth switch S4 on the secondary side of the insulated bidirectional converter 10.

図12は、双方向チョッパ20におけるリアクトル13の電流指令値を求める制御ブロック図である。
まず、コンデンサ3(キャパシタンスCm)の目標電圧をVm*として、電圧検出値Vmとの偏差を比例積分補償器に入力してVmのフィードバックを行い、Cmを流れる無効電流を得る。Vmと直流電源電圧Vgを考慮して、これを直流電源側の電流値に換算する。直流電源電流からこの無効電流を減算することによってリアクトル13(直流リアクトル)の電流指令値Ig*を得るが、ここでは、直流電源電流の検出回路を省略するためリアクトル13の電流検出値Igで代用している。絶縁双方向コンバータによって発生する低周波リプルを平滑コンデンサCmで吸収して直流電源にはリプルを含まない直流電流を流すため、電流指令値Ig*はそのままの値ではなく交流の半周期で平均化した数値を用いる。
FIG. 12 is a control block diagram for obtaining the current command value of the reactor 13 in the bidirectional chopper 20.
First, the target voltage of the capacitor 3 (capacitance Cm) is set to Vm *, and a deviation from the voltage detection value Vm is input to the proportional-integral compensator to feed back Vm, thereby obtaining a reactive current flowing through Cm. Considering Vm and the DC power supply voltage Vg, this is converted into a current value on the DC power supply side. By subtracting this reactive current from the DC power supply current, a current command value Ig * of the reactor 13 (DC reactor) is obtained. In this case, the current detection value Ig of the reactor 13 is used instead of the detection circuit for the DC power supply current. doing. The low frequency ripple generated by the isolated bidirectional converter is absorbed by the smoothing capacitor Cm, and a direct current that does not include ripple is caused to flow in the direct current power supply. Therefore, the current command value Ig * is averaged over a half period of alternating current, not as it is. Use the numerical value.

図13は、PWMゲートパルス演算論理を示す制御ブロック図である。
まず、Ig*と検出値Igとの偏差を比例積分補償器に入力して、これに直流電源の電圧検出値Vgを加算、さらにCmの電圧検出値で割ることによって参照波Vm_refを得る。この参照波Vm_refを搬送波と共に比較器に入力することによって双方向チョッパ20のハイサイドのスイッチS5の駆動パルスGate5を得る。Gate5をNOTゲートに入力することによってローサイドのスイッチS6の駆動パルスGate6を得る。
FIG. 13 is a control block diagram showing the PWM gate pulse calculation logic.
First, the deviation between Ig * and the detected value Ig is input to the proportional-integral compensator, the voltage detection value Vg of the DC power supply is added to this, and further divided by the voltage detection value of Cm to obtain the reference wave Vm_ref. By inputting this reference wave Vm_ref together with the carrier wave to the comparator, the drive pulse Gate5 of the high-side switch S5 of the bidirectional chopper 20 is obtained. The drive pulse Gate6 of the low-side switch S6 is obtained by inputting Gate5 to the NOT gate.

(波形図)
図14は、絶縁双方向コンバータ10のゲート駆動パルス、及び、電圧、電流波形を示す波形図である。この図では逆変換においてリアクトル1の電流Icの符号が正から負へ変化する期間を示している。交流側から直流側へ流れる電流を正としているため、交流電圧とリアクトル電流の位相は互いに180度ずれている。Gate1とGate2とはオフ期間が交互に現れ、Icの符号が正の期間では、Gate1のオフ期間はGate3のオン期間に、Gate2のオフ期間はGate4のオン期間に、それぞれ一致する。Icが負の期間になると、Gate1のオフ期間はGate4のオン期間、Gate2のオフ期間はGate3のオン期間にそれぞれ一致するように変化する。
(Waveform diagram)
FIG. 14 is a waveform diagram showing the gate drive pulse, voltage, and current waveforms of the insulated bidirectional converter 10. This figure shows a period in which the sign of the current Ic of the reactor 1 changes from positive to negative in the reverse conversion. Since the current flowing from the AC side to the DC side is positive, the phases of the AC voltage and the reactor current are shifted from each other by 180 degrees. Gate 1 and Gate 2 have alternating off periods. When the sign of Ic is positive, the off period of Gate 1 coincides with the on period of Gate 3, and the off period of Gate 2 coincides with the on period of Gate 4. When Ic is a negative period, the OFF period of Gate1 changes to match the ON period of Gate4, and the OFF period of Gate2 changes to match the ON period of Gate3.

図15は、絶縁双方向コンバータ10及び双方向チョッパ20の逆変換における入出力の波形図である。交流電圧Vaに対して、交流出力電流Iacは同期しており力率は限りなく1に近づき、99.9%である。出力電流の総合歪率は1.6%で十分に小さい。リンク電圧Vmには100Hzの低周波リプルが重畳しているが、チョッパによって直流電源から出力する電流(Ib)はリプル率0.6%に平滑化されており問題無い。   FIG. 15 is an input / output waveform diagram in the reverse conversion of the insulated bidirectional converter 10 and the bidirectional chopper 20. The AC output current Iac is synchronized with the AC voltage Va, and the power factor approaches 1 as much as possible and is 99.9%. The overall distortion rate of the output current is 1.6%, which is sufficiently small. A low frequency ripple of 100 Hz is superimposed on the link voltage Vm, but the current (Ib) output from the DC power source by the chopper is smoothed to a ripple rate of 0.6%, which is not a problem.

図16は、順変換から逆変換に移行したときの波形図である。この例では交流電流指令値Ia*の振幅と位相を0.1秒の間に徐々に変化させることによって順変換から逆変換への切替を行っているが、交流電流Ia、直流電流Ibともに波形が乱れることなく変化している。   FIG. 16 is a waveform diagram when transitioning from forward conversion to reverse conversion. In this example, switching from forward conversion to reverse conversion is performed by gradually changing the amplitude and phase of the AC current command value Ia * during 0.1 seconds. However, both the AC current Ia and the DC current Ib have waveforms. Is changing without being disturbed.

第1実施形態と同様に、絶縁双方向コンバータ10は、整流、力率改善、絶縁、逆変換の機能を1台のコンバータで行うことができるので、回路が簡素化され、小型化・高効率化が可能になる。   As in the first embodiment, the isolated bidirectional converter 10 can perform functions of rectification, power factor improvement, insulation, and reverse conversion with a single converter, thereby simplifying the circuit, reducing size, and increasing efficiency. Can be realized.

《付記》
なお、上述の各実施形態については、その少なくとも一部を、相互に任意に組み合わせてもよい。
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
<Appendix>
In addition, about each above-mentioned embodiment, you may combine the at least one part arbitrarily mutually.
The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

1 リアクトル
2 絶縁トランス
3,4,5 コンデンサ
10 絶縁整流コンバータ、絶縁双方向コンバータ
13 リアクトル
20 降圧チョッパ、双方向チョッパ
21 1次側巻線
21a,21b 端部
21n 1次側中性点
22 2次側巻線
22a,22b 端部
22n 2次側中性点
30 制御部
31 電圧センサ
32 電流センサ
33,34 電圧センサ
35 電流センサ
100 電力変換装置
201 絶縁トランス
202 整流回路
203 昇圧チョッパ回路
204 DC/DCコンバータ
205 バイポーラ型昇圧チョッパ回路
206 整流回路
207 DC/DCコンバータ
208 整流回路
209 DC/DCコンバータ
D1 第1整流素子
D2 第2整流素子
S11,DS12,DS21,DS22 ダイオード
L1 交流側第1電路
L2 交流側第2電路
L3 直流側第1電路
L4 直流側第2電路
L20 共通電路
L21,L22 電路
P1 分岐点
P2 合流点
Pa1,Pa2 入力端、ポート
Pd1,Pd2 出力端、ポート
Pd3,Pd4 出力端、ポート
S1 第1スイッチ
S2 第2スイッチ
S3 第3スイッチ
S4 第4スイッチ
S11,S12,S21,S22 半導体スイッチ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Reactor 2 Insulation transformer 3, 4, 5 Capacitor 10 Insulation rectification converter, insulation bidirectional converter 13 Reactor 20 Step-down chopper, bidirectional chopper 21 Primary side winding 21a, 21b End part 21n Primary side neutral point 22 Secondary Side winding 22a, 22b End 22n Secondary side neutral point 30 Control unit 31 Voltage sensor 32 Current sensor 33, 34 Voltage sensor 35 Current sensor 100 Power converter 201 Insulation transformer 202 Rectifier circuit 203 Boost chopper circuit 204 DC / DC Converter 205 bipolar step-up chopper circuit 206 rectifier circuit 207 DC / DC converter 208 rectifier circuit 209 DC / DC converter D1 first rectifier element D2 second rectifier element D S11 , D S12 , D S21 , D S22 diode L1 AC side first Electric circuit L AC side second electric circuit L3 DC side first electric circuit L4 DC side second electric circuit L20 Common electric circuit L21, L22 Electric circuit P1 Branch point P2 Junction point Pa1, Pa2 input terminal, port Pd1, Pd2 output terminal, port Pd3, Pd4 output terminal, Port S1 First switch S2 Second switch S3 Third switch S4 Fourth switch S11, S12, S21, S22 Semiconductor switch

Claims (10)

交流から直流への電力変換を行う電力変換装置であって、
1次側巻線及び2次側巻線のそれぞれに1次側中性点及び2次側中性点を有する絶縁トランスと、
交流側の一方の入力端から前記1次側中性点に至る交流側第1電路と、
交流側の他方の入力端から共通電路を経て分岐点で2電路に分岐して前記1次側巻線の両端部に至る交流側第2電路と、
前記交流側第1電路及び前記共通電路の少なくとも一方に介挿されるリアクトルと、
双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記1次側巻線の一端部との間に挿入される第1スイッチと、
双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記1次側巻線の他端部との間に挿入される第2スイッチと、
前記2次側巻線の一端部に正極が接続された第1整流素子と、
前記2次側巻線の他端部に正極が接続された第2整流素子と、
前記第1整流素子及び前記第2整流素子の各負極を互いに接続して、直流側の一方の出力端に至る直流側第1電路と、
前記2次側中性点から直流側の他方の出力端に至る直流側第2電路と、
前記一方の出力端と前記他方の出力端との間に設けられたコンデンサと、
前記第1スイッチ及び前記第2スイッチの双方がオン、一方がオフ、双方がオン、他方がオフとなる工程が繰り返されるようスイッチング動作させる制御部と、
を備えている電力変換装置。
A power conversion device that performs power conversion from alternating current to direct current,
An insulating transformer having a primary side neutral point and a secondary side neutral point in each of the primary side winding and the secondary side winding;
An AC side first electric circuit extending from one input end of the AC side to the primary side neutral point;
A second AC circuit on the AC side that branches from the other input terminal on the AC side through the common circuit to the two circuits at the branch point and reaches both ends of the primary winding;
A reactor inserted in at least one of the AC side first electric circuit and the common electric circuit;
A first switch that can be energized in both directions and cuts off in both directions when switched off, and is inserted between the branch point and one end of the primary winding;
A second switch that can be energized in both directions and cuts off the current in both directions in a switch-off state, and is inserted between the branch point and the other end of the primary winding;
A first rectifying element having a positive electrode connected to one end of the secondary winding;
A second rectifying element having a positive electrode connected to the other end of the secondary winding;
A DC side first electric circuit that connects the negative electrodes of the first rectifying element and the second rectifying element to each other and reaches one output terminal on the DC side;
A DC side second electric circuit extending from the secondary side neutral point to the other output end of the DC side;
A capacitor provided between the one output end and the other output end;
A controller that performs a switching operation so that both the first switch and the second switch are on, one is off, both are on, and the other is off; and
A power conversion device comprising:
前記第1スイッチ及び前記第2スイッチの各々は、双方向に通電可能なスイッチ素子に並列にダイオードが接続された半導体スイッチが一対、互いに、前記ダイオードが逆極性となるように直列接続されて成るスイッチ直列体である、請求項1に記載の電力変換装置。   Each of the first switch and the second switch is composed of a pair of semiconductor switches each having a diode connected in parallel to a bidirectionally switchable element and connected in series so that the diodes have opposite polarities. The power converter according to claim 1 which is a switch series object. 前記制御部は、入力される交流電圧の符号に応じて、一対の前記半導体スイッチのうち、いずれか一方を導通状態として、他方をスイッチング動作させる、請求項2に記載の電力変換装置。   The power conversion device according to claim 2, wherein the control unit switches one of the pair of semiconductor switches to a conductive state and switches the other according to a sign of an input AC voltage. 交流と直流との間で双方向に電力変換を行う電力変換装置であって、
交流側の1次側巻線及び直流側の2次側巻線のそれぞれに1次側中性点及び2次側中性点を有する絶縁トランスと、
交流側の一方のポートから前記1次側中性点に至る交流側第1電路と、
交流側の他方のポートから共通電路を経て分岐点で2電路に分岐して前記1次側巻線の両端部に至る交流側第2電路と、
前記交流側第1電路及び前記共通電路の少なくとも一方に介挿されるリアクトルと、
双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記1次側巻線の一端部との間に挿入される第1スイッチと、
双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記1次側巻線の他端部との間に挿入される第2スイッチと、
前記2次側巻線の一端部に正極が接続された整流素子と並列に設けられた第3スイッチと、
前記2次側巻線の他端部に正極が接続された整流素子と並列に設けられた第4スイッチと、
前記第3スイッチの整流素子及び前記第4スイッチの整流素子の各負極を互いに接続して、直流側の一方のポートに至る直流側第1電路と、
前記2次側中性点から直流側の他方のポートに至る直流側第2電路と、
前記直流側の一方のポートと前記直流側の他方のポートとの間に設けられたコンデンサと、
交流から直流への変換時は、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチの双方がオン、一方がオフ、双方がオン、他方がオフとなる工程が繰り返されるようスイッチング動作させ、逆に、直流から交流への変換時は、前記第3スイッチ及び前記第4スイッチを交互にオン状態とするスイッチング動作を行わせるとともに、これに対応して、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチを交互にオン状態とするスイッチング動作を行わせる制御部と、
を備えている電力変換装置。
A power conversion device that performs bidirectional power conversion between alternating current and direct current,
An insulation transformer having a primary side neutral point and a secondary side neutral point in each of the AC side primary side winding and the DC side secondary side winding;
An AC side first electric circuit extending from one port on the AC side to the primary side neutral point;
An AC side second electric circuit that branches from the other port on the AC side through a common electric circuit to two electric circuits at a branch point and reaches both ends of the primary side winding;
A reactor inserted in at least one of the AC side first electric circuit and the common electric circuit;
A first switch that can be energized in both directions and cuts off in both directions when switched off, and is inserted between the branch point and one end of the primary winding;
A second switch that can be energized in both directions and cuts off the current in both directions in a switch-off state, and is inserted between the branch point and the other end of the primary winding;
A third switch provided in parallel with a rectifying element having a positive electrode connected to one end of the secondary winding;
A fourth switch provided in parallel with a rectifying element having a positive electrode connected to the other end of the secondary winding;
A DC side first electric circuit that connects the negative electrodes of the rectifier element of the third switch and the rectifier element of the fourth switch to each other and reaches one port on the DC side;
A DC side second electric circuit extending from the secondary side neutral point to the other port on the DC side;
A capacitor provided between one port on the DC side and the other port on the DC side;
At the time of conversion from AC to DC, a switching operation is repeated so that both the first switch and the second switch are turned on, one is turned off, both are turned on, and the other is turned off. At the time of conversion to alternating current, a switching operation for alternately turning on the third switch and the fourth switch is performed, and correspondingly, the first switch and the second switch are alternately turned on. A control unit for performing a switching operation of
A power conversion device comprising:
前記第1スイッチ及び前記第2スイッチの各々は、双方向に通電可能なスイッチ素子に並列にダイオードが接続された半導体スイッチが一対、互いに、前記ダイオードが逆極性となるように直列接続されて成るスイッチ直列体である、請求項4に記載の電力変換装置。   Each of the first switch and the second switch is composed of a pair of semiconductor switches each having a diode connected in parallel to a bidirectionally switchable element and connected in series so that the diodes have opposite polarities. The power converter according to claim 4 which is a switch series body. 直流から交流への変換時に、前記制御部は、前記第3スイッチ及び前記第4スイッチのいずれか一方のオン状態に対応して、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチのいずれか一方をオン状態とすることで交流電圧の符号の正、他方をオン状態とすることで交流電圧の符号の負、を作り出す請求項5に記載の電力変換装置。   At the time of conversion from direct current to alternating current, the control unit turns on one of the first switch and the second switch in response to the on state of either the third switch or the fourth switch. The power converter according to claim 5, wherein the sign of the AC voltage is positive and the sign of the AC voltage is negative when the other is turned on. 直流から交流への電力変換を行う電力変換装置であって、
交流側の1次側巻線及び直流側の2次側巻線のそれぞれに1次側中性点及び2次側中性点を有する絶縁トランスと、
交流側の一方の出力端から前記1次側中性点に至る交流側第1電路と、
交流側の他方の出力端から共通電路を経て分岐点で2電路に分岐して前記1次側巻線の両端部に至る交流側第2電路と、
前記交流側第1電路及び前記共通電路の少なくとも一方に介挿されるリアクトルと、
双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記1次側巻線の一端部との間に挿入される第1スイッチと、
双方向に通電可能であり、かつ、スイッチオフの状態では双方向に通電を遮断し、前記分岐点と前記1次側巻線の他端部との間に挿入される第2スイッチと、
一端が、前記2次側巻線の一端部に接続された第3スイッチと、
一端が、前記2次側巻線の他端部に接続された第4スイッチと、
前記第3スイッチの他端及び前記第4スイッチの他端を互いに接続して、直流側の一方の入力端に至る直流側第1電路と、
前記2次側中性点から直流側の他方の入力端に至る直流側第2電路と、
前記第3スイッチ及び前記第4スイッチを交互にオン状態とするスイッチング動作を行わせるとともに、これに対応して、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチを交互にオン状態とするスイッチング動作を行わせる制御部と、
を備えている電力変換装置。
A power conversion device that performs power conversion from direct current to alternating current,
An insulation transformer having a primary side neutral point and a secondary side neutral point in each of the AC side primary side winding and the DC side secondary side winding;
An AC side first electric circuit from one output end on the AC side to the neutral point on the primary side;
A second AC circuit on the AC side that branches from the other output end on the AC side through the common circuit to the two circuits at the branch point and reaches both ends of the primary winding;
A reactor inserted in at least one of the AC side first electric circuit and the common electric circuit;
A first switch that can be energized in both directions and cuts off in both directions when switched off, and is inserted between the branch point and one end of the primary winding;
A second switch that can be energized in both directions and cuts off the current in both directions in a switch-off state, and is inserted between the branch point and the other end of the primary winding;
A third switch having one end connected to one end of the secondary winding;
A fourth switch having one end connected to the other end of the secondary winding;
A DC side first electric circuit connecting the other end of the third switch and the other end of the fourth switch to one input end on the DC side;
A DC side second electric circuit extending from the secondary side neutral point to the other input end on the DC side;
A switching operation for alternately turning on the third switch and the fourth switch is performed, and a switching operation for alternately turning on the first switch and the second switch is performed correspondingly. A control unit;
A power conversion device comprising:
前記制御部は、交流電圧を検出する電圧センサ、直流電圧を検出する電圧センサ、及び、前記リアクトルに流れる電流を検出する電流センサを含み、
前記制御部は、前記交流電圧に同期する交流電流が前記リアクトルに流れるよう、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチのスイッチングを行う、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の電力変換装置。
The control unit includes a voltage sensor that detects an AC voltage, a voltage sensor that detects a DC voltage, and a current sensor that detects a current flowing through the reactor,
The electric power according to any one of claims 1 to 7, wherein the control unit performs switching of the first switch and the second switch so that an alternating current synchronized with the alternating voltage flows through the reactor. Conversion device.
交流側の端部の両電路間に、コンデンサを備えている請求項4〜請求項8のいずれか1項に記載の電力変換装置。   The power converter of any one of Claims 4-8 provided with the capacitor | condenser between both electric circuits of the edge part by the side of an alternating current. 直流側の端部の両電路間と負荷との間に、当該負荷に対する出力電圧が一定となる制御を行うDC/DCコンバータを備えた請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の電力変換装置。   The DC / DC converter according to any one of claims 1 to 6, further comprising a DC / DC converter that performs control such that an output voltage with respect to the load is constant between both electric circuits at the end portion on the direct current side and the load. Power conversion device.
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