JP6358134B2 - Insulated bidirectional DC-DC converter and power conversion system - Google Patents

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    • H02M3/33584—Bidirectional converters

Description

本発明は、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ、および電力変換システムに関する。   The present invention relates to an insulated bidirectional DC-DC converter and a power conversion system.

例えば、特許文献１に示すように、様々な絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが提案されている。
特許文献１ 特開２０１４−１８０１１０号公報 For example, as shown in Patent Document 1, various insulated bidirectional DC-DC converters have been proposed.
Patent Document 1 JP 2014-180110 A

上記のような絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、コスト削減などの観点から、スイッチ回路に印加される電圧を抑制することが望まれている。   In the insulation type bidirectional DC-DC converter as described above, it is desired to suppress the voltage applied to the switch circuit from the viewpoint of cost reduction.

本発明の一態様に係る絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、第１の一対の入出力端の間に接続された第１スイッチ回路と、第１の一対の入出力端の一端と第１スイッチ回路の一端との間に接続されたコイルと、第１スイッチ回路に並列に接続された第１巻線と、第１スイッチ回路の一端と第１巻線の一端との間に接続された第１蓄電回路と、第１巻線とともにトランスを構成し、第２の一対の入出力端の間に接続され、互いに直列に接続された第２巻線および第３巻線と、第２巻線の第３巻線が接続される一端と反対側の他端と第２の一対の入出力端の一端との間に接続された第２スイッチ回路と、第３巻線の第２巻線が接続される一端と反対側の他端と第２の一対の入出力端の他端との間に接続された第３スイッチ回路と、第２の一対の入出力端の一端および第２スイッチ回路の第２の一対の入出力端側の一端に一端が接続された第２蓄電回路と、一端が第２蓄電回路の他端に接続され、他端が第２の一対の入出力端の他端および第３スイッチ回路の第２の一対の入出力端側の一端に接続された第３蓄電回路と、第２蓄電回路と第３蓄電回路との接続点と第２巻線と第３巻線との接続点とが電気的に接続されている。   An insulated bidirectional DC-DC converter according to an aspect of the present invention includes a first switch circuit connected between a first pair of input / output terminals, one end of the first pair of input / output terminals, and a first A coil connected between one end of the switch circuit, a first winding connected in parallel to the first switch circuit, and connected between one end of the first switch circuit and one end of the first winding The first power storage circuit and the first winding constitute a transformer, and are connected between the second pair of input / output terminals, and are connected in series with each other, the second winding and the third winding, and the second winding. A second switch circuit connected between the other end opposite to one end to which the third winding of the wire is connected and one end of the second pair of input / output ends, and a second winding of the third winding A third switch circuit connected between the other end opposite to the one end connected to the other end of the second pair of input / output ends, and a second pair of A second power storage circuit having one end connected to one end of the output end and one end on the second pair of input / output ends of the second switch circuit; one end connected to the other end of the second power storage circuit; A third power storage circuit connected to the other end of the pair of two input / output terminals and one end of the third switch circuit on the second pair of input / output terminals, and a connection point between the second power storage circuit and the third power storage circuit And a connection point between the second winding and the third winding are electrically connected.

上記絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、第２巻線と第３巻線との接続点は、センタータップであり、第２蓄電回路の容量と第３蓄電回路の容量との差は基準値以下でよい。   In the insulated bidirectional DC-DC converter, the connection point between the second winding and the third winding is a center tap, and the difference between the capacity of the second storage circuit and the capacity of the third storage circuit is a reference value. The following is acceptable.

上記絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、第１期間中、第１スイッチ回路がオンし、かつ第２スイッチ回路および第３スイッチ回路がオフし、第１期間より短い第２期間中に第１スイッチ回路がオフし、第２スイッチ回路および第３スイッチ回路がオンすることで、第１の一対の入出力端側から第２の一対の入出力端側へ電流が流れてよい。   In the insulated bidirectional DC-DC converter, the first switch circuit is turned on during the first period, the second switch circuit and the third switch circuit are turned off, and the first switch is turned on during the second period shorter than the first period. When the switch circuit is turned off and the second switch circuit and the third switch circuit are turned on, a current may flow from the first pair of input / output end sides to the second pair of input / output end sides.

上記絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、第１期間中、第１スイッチ回路がオフし、かつ第２スイッチ回路および第３スイッチ回路がオンし、第１期間より短い第２期間中に第１スイッチ回路がオンし、第２スイッチ回路および第３スイッチ回路がオフすることで、第２の一対の入出力端側から第１の一対の入出力端側へ電流が流れてよい。   In the insulated bidirectional DC-DC converter, the first switch circuit is turned off during the first period, the second switch circuit and the third switch circuit are turned on, and the first switch is turned on during the second period shorter than the first period. When the switch circuit is turned on and the second switch circuit and the third switch circuit are turned off, a current may flow from the second pair of input / output end sides to the first pair of input / output end sides.

本発明の一態様に係る電力変換システムは、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの第２の一対の入出力端を介して出力される電力を変換する電力変換装置とを備える。   The power conversion system which concerns on 1 aspect of this invention is the electric power which converts the electric power output via the 2nd pair of input-output terminal of an insulated bidirectional DC-DC converter and an insulated bidirectional DC-DC converter. A conversion device.

上記電力変換システムは、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの第１の一対の入出力端に接続される充放電装置をさらに備えてよい。   The power conversion system may further include a charging / discharging device connected to the first pair of input / output terminals of the insulated bidirectional DC-DC converter.

上記電力変換システムは、電力変換装置または第２の一対の入出力端を介して絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに電力を出力する分散型電源をさらに備えてよい。   The power conversion system may further include a distributed power source that outputs power to the insulated bidirectional DC-DC converter via the power conversion device or the second pair of input / output terminals.

なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。   The summary of the invention does not enumerate all the features of the present invention. In addition, a sub-combination of these feature groups can also be an invention.

本実施形態に係る電力変換システムの全体構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the whole structure of the power conversion system which concerns on this embodiment. 各スイッチ回路のオンオフタイミングについて説明するための図である。It is a figure for demonstrating the on-off timing of each switch circuit. 各スイッチ回路のオンオフタイミングについて説明するための図である。It is a figure for demonstrating the on-off timing of each switch circuit. 第１期間が第２期間より長い場合の電流の流れについて説明するための図である。It is a figure for demonstrating the flow of an electric current when a 1st period is longer than a 2nd period. 第１期間が第２期間より長い場合の電流の流れについて説明するための図である。It is a figure for demonstrating the flow of an electric current when a 1st period is longer than a 2nd period. 従来のＳＥＰＩＣ−ＺＥＴＡ絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the conventional SEPIC-ZETA insulation type bidirectional DC-DC converter. 第１期間が第２期間より短い場合の電流の流れについて説明するための図である。It is a figure for demonstrating the flow of an electric current when a 1st period is shorter than a 2nd period. 第１期間が第２期間より短い場合の電流の流れについて説明するための図である。It is a figure for demonstrating the flow of an electric current when a 1st period is shorter than a 2nd period. 変形例に係るＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the circuit structure of the DC-DC converter which concerns on a modification. 変形例に係るＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the circuit structure of the DC-DC converter which concerns on a modification.

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。   Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the invention.

図１は、本実施形態に係る電力変換システム１０００の全体構成の一例を示す図である。電力変換システム１０００は、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０、充放電装置５０、パワーコンディショナ１００、太陽電池アレイ２００、系統電源３００を含む。   FIG. 1 is a diagram illustrating an example of the overall configuration of a power conversion system 1000 according to the present embodiment. The power conversion system 1000 includes an insulated bidirectional DC-DC converter 10, a charge / discharge device 50, a power conditioner 100, a solar cell array 200, and a system power supply 300.

パワーコンディショナ１００は、太陽電池アレイ２００と系統電源３００とを連系させる。パワーコンディショナ１００は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２とインバータ１０４とを備える。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２は、太陽電池アレイ２００から出力される直流電圧を昇圧する。インバータ１０４は、昇圧された直流電圧を交流電圧に変換して、系統電源３００側に出力する。パワーコンディショナ１００は、電力変換装置の一例である。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２は、例えば、太陽電池アレイ２００の電圧が３００Ｖより小さい場合に、太陽電池アレイ２００から出力される直流電圧を３００Ｖ以上に昇圧して出力する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２は、例えば、太陽電池アレイ２００の電圧が３００Ｖ以上である場合に、太陽電池アレイ２００から出力される直流電圧を昇圧せずにそのまま出力する。   The power conditioner 100 links the solar cell array 200 and the system power supply 300 to each other. The power conditioner 100 includes a DC-DC converter 102 and an inverter 104. The DC-DC converter 102 boosts the DC voltage output from the solar cell array 200. Inverter 104 converts the boosted DC voltage into an AC voltage and outputs the AC voltage to system power supply 300 side. The power conditioner 100 is an example of a power converter. For example, when the voltage of the solar cell array 200 is smaller than 300V, the DC-DC converter 102 boosts the DC voltage output from the solar cell array 200 to 300V or more and outputs it. For example, when the voltage of the solar cell array 200 is 300 V or higher, the DC-DC converter 102 outputs the direct current voltage output from the solar cell array 200 as it is without being boosted.

太陽電池アレイ２００は、複数の太陽電池モジュールが直列に接続された複数の太陽電池ストリングが並列に接続されている。太陽電池アレイ２００は、分散型電源の一例である。分散型電源として、ガスエンジン、ガスタービン、マイクロガスタービン、燃料電池、風力発電装置、電気自動車、または蓄電システムなどが用いられてよい。なお、太陽電池アレイ２００とパワーコンディショナ１００との間には、昇圧回路がさらに設けられてもよい。また、パワーコンディショナ１００には、並列に接続された複数の太陽電池アレイ２００が接続されてもよい。   In the solar cell array 200, a plurality of solar cell strings in which a plurality of solar cell modules are connected in series are connected in parallel. The solar cell array 200 is an example of a distributed power source. As the distributed power source, a gas engine, a gas turbine, a micro gas turbine, a fuel cell, a wind power generator, an electric vehicle, a power storage system, or the like may be used. A booster circuit may be further provided between the solar cell array 200 and the power conditioner 100. In addition, a plurality of solar cell arrays 200 connected in parallel may be connected to the power conditioner 100.

充放電装置５０は、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を介して充放電可能な二次電池を含む。充放電装置５０に蓄電された電力は、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０およびパワーコンディショナ１００を介して系統電源３００側に出力されることで、充放電装置５０は、放電する。また、例えば、太陽電池アレイ２００から出力された電力が、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を介して充放電装置５０に入力されることで、充放電装置５０は、充電される。   The charging / discharging device 50 includes a secondary battery that can be charged and discharged via the insulating bidirectional DC-DC converter 10. The electric power stored in the charging / discharging device 50 is output to the system power supply 300 side via the insulating bidirectional DC-DC converter 10 and the power conditioner 100, whereby the charging / discharging device 50 is discharged. In addition, for example, the power output from the solar cell array 200 is input to the charging / discharging device 50 via the insulating bidirectional DC-DC converter 10, whereby the charging / discharging device 50 is charged.

絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、充放電装置５０から出力される電力を昇圧して、パワーコンディショナ１００側に出力する。絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、太陽電池アレイ２００から出力される電力を降圧して、充放電装置５０側に出力する。   The insulated bidirectional DC-DC converter 10 boosts the power output from the charging / discharging device 50 and outputs the boosted power to the power conditioner 100 side. The insulated bidirectional DC-DC converter 10 steps down the power output from the solar cell array 200 and outputs it to the charge / discharge device 50 side.

絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、一対の入出力端１１、スイッチ回路１２、コイル１４、巻線１６、コンデンサ１８、巻線２２、巻線２４、スイッチ回路２６、スイッチ回路２８、コンデンサ３２、コンデンサ３４、および一対の入出力端４６を備える。   The insulated bidirectional DC-DC converter 10 includes a pair of input / output terminals 11, a switch circuit 12, a coil 14, a winding 16, a capacitor 18, a winding 22, a winding 24, a switch circuit 26, a switch circuit 28, and a capacitor 32. , A capacitor 34, and a pair of input / output terminals 46.

一対の入出力端１１は、第１の一対の入出力端の一例である。一対の入出力端１１には、充放電装置５０が接続される。スイッチ回路１２は、一対の入出力端１１の間に接続される。スイッチ回路１２は、第１スイッチ回路の一例である。スイッチ回路１２は、例えば、パワーモジュールでよく、ＩＧＢＴモジュール、パワーＭＯＳＦＥＴモジュールなどでよい。   The pair of input / output ends 11 is an example of a first pair of input / output ends. A charging / discharging device 50 is connected to the pair of input / output terminals 11. The switch circuit 12 is connected between the pair of input / output terminals 11. The switch circuit 12 is an example of a first switch circuit. For example, the switch circuit 12 may be a power module, and may be an IGBT module, a power MOSFET module, or the like.

巻線１６は、第１巻線の一例であり、スイッチ回路１２に並列に接続される。コイル１４は、一対の入出力端１１の正極側の一端とスイッチ回路１２の正極側の一端との間に接続される。コンデンサ１８は、第１蓄電回路の一例であり、スイッチ回路１２の正極側の一端と、巻線１６の正極側の一端との間に接続される。   The winding 16 is an example of a first winding and is connected to the switch circuit 12 in parallel. The coil 14 is connected between one end on the positive electrode side of the pair of input / output terminals 11 and one end on the positive electrode side of the switch circuit 12. The capacitor 18 is an example of a first power storage circuit, and is connected between one end on the positive electrode side of the switch circuit 12 and one end on the positive electrode side of the winding 16.

巻線２２は、第２巻線の一例であり、巻線２４は、第３巻線の一例である。巻線２２および巻線２４は、巻線１６とともにトランスを構成する。巻線２２および巻線２４は、一対の入出力端４６の間に接続され、互いに直列に接続されている。一対の入出力端４６は、第２の一対の入出力端の一例である。巻線２２と巻線２４との接続点４２は、センタータップでよい。巻線２２の巻き数は、巻線２４の巻き数と同一でよい。   The winding 22 is an example of a second winding, and the winding 24 is an example of a third winding. The winding 22 and the winding 24 constitute a transformer together with the winding 16. The winding 22 and the winding 24 are connected between a pair of input / output ends 46 and are connected in series with each other. The pair of input / output ends 46 is an example of a second pair of input / output ends. A connection point 42 between the winding 22 and the winding 24 may be a center tap. The number of turns of the winding 22 may be the same as the number of turns of the winding 24.

スイッチ回路２６は、第２スイッチ回路の一例であり、スイッチ回路２８は、第３スイッチ回路の一例である。スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８は、例えば、パワーモジュールでよく、ＩＧＢＴモジュール、パワーＭＯＳＦＥＴモジュールなどでよい。   The switch circuit 26 is an example of a second switch circuit, and the switch circuit 28 is an example of a third switch circuit. The switch circuit 26 and the switch circuit 28 may be, for example, a power module, and may be an IGBT module, a power MOSFET module, or the like.

スイッチ回路２６は、巻線２２の巻線２４が接続される一端と反対側の他端と、一対の入出力端４６の一端（正極）との間に接続される。スイッチ回路２８は、巻線２４の巻線２２が接続される一端と反対側の他端と一対の入出力端４６の他端（負極）との間に接続される。   The switch circuit 26 is connected between the other end of the winding 22 opposite to the end to which the winding 24 is connected and one end (positive electrode) of the pair of input / output ends 46. The switch circuit 28 is connected between the other end opposite to one end to which the winding 22 of the winding 24 is connected and the other end (negative electrode) of the pair of input / output ends 46.

コンデンサ３２は、第２蓄電回路の一例であり、コンデンサ３４は、第３蓄電回路の一例である。コンデンサ３２およびコンデンサ３４は、互いに直列に接続される。   The capacitor 32 is an example of a second power storage circuit, and the capacitor 34 is an example of a third power storage circuit. Capacitor 32 and capacitor 34 are connected in series with each other.

コンデンサ３２は、一端が、一対の入出力端４６の一端（正極）およびスイッチ回路２６の一対の入出力端４６の一端（正極）側の一端に接続される。コンデンサ３４は、一端が、コンデンサ３２の他端に接続され、他端が、一対の入出力端４６の他端（負極）およびスイッチ回路２８の一対の入出力端４６の他端（負極）側の一端に接続される。コンデンサ３２の容量とコンデンサ３４の容量との差は、基準値以下でよい。コンデンサ３２の容量とコンデンサ３４の容量との差は、基準割合以下（例えば、１０％以下）でよい。コンデンサ３２の容量は、コンデンサ３４の容量と同一でよい。   One end of the capacitor 32 is connected to one end (positive electrode) of the pair of input / output terminals 46 and one end on the one end (positive electrode) side of the pair of input / output terminals 46 of the switch circuit 26. The capacitor 34 has one end connected to the other end of the capacitor 32, and the other end connected to the other end (negative electrode) of the pair of input / output ends 46 and the other end (negative electrode) side of the pair of input / output ends 46 of the switch circuit 28. Is connected to one end. The difference between the capacity of the capacitor 32 and the capacity of the capacitor 34 may be equal to or less than a reference value. The difference between the capacity of the capacitor 32 and the capacity of the capacitor 34 may be a reference ratio or less (for example, 10% or less). The capacity of the capacitor 32 may be the same as the capacity of the capacitor 34.

コンデンサ３２とコンデンサ３４との接続点４４と、巻線２２と巻線２４との接続点４２とは、ライン４５を介して電気的に接続される。巻線１６のトランスを構成する巻線２２および巻線２４のセンタータップである接続点４２と、コンデンサ３２とコンデンサ３４との接続点４４とを電気的に接続することで、巻線２２および巻線２４に励磁される電圧が、コンデンサ３２とコンデンサ３４とにより分圧されるので、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８に印加される電圧を低減できる。   A connection point 44 between the capacitor 32 and the capacitor 34 and a connection point 42 between the winding 22 and the winding 24 are electrically connected via a line 45. By electrically connecting a connection point 42 which is a center tap of the winding 22 and the winding 24 constituting the transformer of the winding 16 and a connection point 44 between the capacitor 32 and the capacitor 34, the winding 22 and the winding Since the voltage excited on the line 24 is divided by the capacitor 32 and the capacitor 34, the voltage applied to the switch circuit 26 and the switch circuit 28 can be reduced.

以上のように構成された絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０において、スイッチ回路１２のオンオフと、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８のオンオフとを制御することで、充放電装置５０から出力される電力を昇圧して出力したり、太陽電池アレイ２００から出力される電力を降圧して充放電装置５０に入力したりできる。   In the insulated bidirectional DC-DC converter 10 configured as described above, the power output from the charging / discharging device 50 is controlled by controlling the on / off of the switch circuit 12 and the on / off of the switch circuit 26 and the switch circuit 28. Can be boosted and output, or the power output from the solar cell array 200 can be stepped down and input to the charging / discharging device 50.

図２Ａおよび図２Ｂは、スイッチ回路１２、スイッチ回路２６、スイッチ回路２８のオンオフタイミングについて説明するための図である。   2A and 2B are diagrams for explaining on / off timings of the switch circuit 12, the switch circuit 26, and the switch circuit 28. FIG.

図２Ａにおいて、第１期間Ｔ１中、スイッチ回路１２がオンし、かつスイッチ回路２６およびスイッチ回路２８がオフする。また、第１期間Ｔ１に続く第１期間Ｔ１より短い第２期間Ｔ２中にスイッチ回路１２がオフし、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８がオンすることで、一対の入出力端１１側から一対の入出力端４６へ、電流が流れる。これにより、充放電装置５０が放電する。   2A, during the first period T1, the switch circuit 12 is turned on, and the switch circuit 26 and the switch circuit 28 are turned off. Further, when the switch circuit 12 is turned off and the switch circuit 26 and the switch circuit 28 are turned on during the second period T2 shorter than the first period T1 following the first period T1, a pair of input / output terminals 11 are connected to each other. A current flows to the input / output terminal 46. Thereby, the charging / discharging apparatus 50 discharges.

図２Ｂにおいて、第１期間Ｔ１中、スイッチ回路１２がオフし、かつスイッチ回路２６およびスイッチ回路２８がオンする。また、第１期間Ｔ１に続く第１期間Ｔ１より短い第２期間Ｔ２中にスイッチ回路１２がオンし、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８がオフすることで、一対の入出力端４６側から一対の入出力端１１側へ電流が流れる。これにより、充放電装置５０が充電される。   In FIG. 2B, during the first period T1, the switch circuit 12 is turned off, and the switch circuit 26 and the switch circuit 28 are turned on. Further, when the switch circuit 12 is turned on and the switch circuit 26 and the switch circuit 28 are turned off during the second period T2 shorter than the first period T1 following the first period T1, a pair of input / output terminals 46 are connected to each other. A current flows to the input / output end 11 side. Thereby, the charging / discharging apparatus 50 is charged.

図３Ａおよび図３Ｂは、充放電装置５０が放電する場合について説明するための図である。図３Ａは、第１期間Ｔ１の状態、図３Ｂは、第２期間Ｔ２の状態を示す。   3A and 3B are diagrams for explaining a case where the charging / discharging device 50 discharges. FIG. 3A shows the state of the first period T1, and FIG. 3B shows the state of the second period T2.

第１期間Ｔ１において、スイッチ回路１２は、オン状態で、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８はオフ状態である。この状態では、コイル１４および１次側の巻線１６が励磁され、２次側の巻線２２および巻線２４には電流が流れない。この状態で、スイッチ回路２６に印加される電圧Ｖｄ２よびスイッチ回路２８に印加される電圧Ｖｄ３は、コンデンサ１８に印加される電圧がＶｃ、コンデンサ３２に印加されている電圧がＶｃ２、コンデンサ３４に印加されている電圧がＶｃ３であり、巻線１６と巻線２２および巻線２４のそれぞれとの巻線数の比が１：ｎであるとすると、以下のようになる。
Ｖｄ２＝ｎ／２×Ｖｃ＋Ｖｃ２＝（ｎＶ１＋Ｖ２）／２
Ｖｄ３＝ｎ／２×Ｖｃ＋Ｖｃ３＝（ｎＶ１＋Ｖ２）／２
Ｖｃ＝Ｖ１、Ｖｃ２＝Ｖｃ３＝Ｖ２／２ In the first period T1, the switch circuit 12 is in an on state, and the switch circuit 26 and the switch circuit 28 are in an off state. In this state, the coil 14 and the primary side winding 16 are excited, and no current flows through the secondary side winding 22 and the winding 24. In this state, the voltage Vd2 applied to the switch circuit 26 and the voltage Vd3 applied to the switch circuit 28 are Vc applied to the capacitor 18, Vc2 applied to the capacitor 32, and applied to the capacitor 34. Assuming that the applied voltage is Vc3 and the ratio of the number of windings of the winding 16 and each of the windings 22 and 24 is 1: n, the following is obtained.
Vd2 = n / 2 × Vc + Vc2 = (nV1 + V2) / 2
Vd3 = n / 2 × Vc + Vc3 = (nV1 + V2) / 2
Vc = V1, Vc2 = Vc3 = V2 / 2

第２期間Ｔ２において、スイッチ回路１２は、オフ状態で、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８は、オン状態である。この状態では、コイル１４および１次側の巻線１６に励磁された励磁エネルギーによる電流は、図３Ｂに示す破線矢印のように流れ、コンデンサ１８を充電し、２次側にエネルギーを移動させる。このとき、Ｖｃ２およびＶｃ３は、Ｖ２／２に保たれ、Ｖｄ１＝Ｖ１＋Ｖ２／ｎとなる。   In the second period T2, the switch circuit 12 is in an off state, and the switch circuit 26 and the switch circuit 28 are in an on state. In this state, the current due to the excitation energy excited in the coil 14 and the primary winding 16 flows as indicated by the broken line arrow shown in FIG. 3B, charges the capacitor 18 and moves the energy to the secondary side. At this time, Vc2 and Vc3 are kept at V2 / 2, and Vd1 = V1 + V2 / n.

ここで、図４に示すような従来のＳＥＰＩＣ−ＺＥＴＡ絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの場合、Ｖｄ２＝ｎＶ１＋Ｖ２となる。上記の通り、本実施形態に係る絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０において、第１期間Ｔ１中は、Ｖｄ２＝（ｎＶ１＋Ｖ２）／２である。したがって、本実施形態に係る絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０によれば、従来のＳＥＰＩＣ−ＺＥＴＡ絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに比べて、スイッチ回路２６（およびスイッチ回路２８）に印加される電圧を、半分に低減できる。   Here, in the case of a conventional SEPIC-ZETA insulated bidirectional DC-DC converter as shown in FIG. 4, Vd2 = nV1 + V2. As described above, in the insulated bidirectional DC-DC converter 10 according to the present embodiment, Vd2 = (nV1 + V2) / 2 during the first period T1. Therefore, according to the isolated bidirectional DC-DC converter 10 according to the present embodiment, it is applied to the switch circuit 26 (and the switch circuit 28) compared to the conventional SEPIC-ZETA insulated bidirectional DC-DC converter. The voltage can be reduced by half.

図５Ａおよび図５Ｂは、充放電装置５０が充電される場合について説明するための図である。図５Ａは、第１期間Ｔ１の状態、図５Ｂは、第２期間Ｔ２の状態を示す。   5A and 5B are diagrams for explaining a case where the charging / discharging device 50 is charged. FIG. 5A shows the state of the first period T1, and FIG. 5B shows the state of the second period T2.

第１期間Ｔ１において、スイッチ回路１２は、オフ状態で、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８は、オン状態である。この状態では、図５Ａに示す破線矢印のように電流が流れ、一対の入出力端４６側から一対の入出力端１１側にエネルギーが移動する。このとき、巻線２２および巻線２４に流れる電流によって、巻線１６が励磁される。   In the first period T1, the switch circuit 12 is in an off state, and the switch circuit 26 and the switch circuit 28 are in an on state. In this state, a current flows as indicated by a broken-line arrow shown in FIG. 5A, and energy moves from the pair of input / output terminals 46 to the pair of input / output terminals 11. At this time, the winding 16 is excited by the current flowing through the winding 22 and the winding 24.

第２期間Ｔ２において、スイッチ回路１２は、オン状態で、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８は、オフ状態である。この状態では、図５Ｂに示す破線矢印のように電流が流れ、コイル１４および巻線１６に励磁された励磁エネルギーによる電流が流れ、一対の入出力端１１側にエネルギーが移動して、コンデンサ１８を充電する。このとき、Ｖｄ２およびＶｄ３の状態は、図３Ａと同じ状態となる。すなわち、
Ｖｄ２＝ｎ／２×Ｖｃ＋Ｖｃ２＝（ｎＶ１＋Ｖ２）／２
Ｖｄ３＝ｎ／２×Ｖｃ＋Ｖｃ３＝（ｎＶ１＋Ｖ２）／２
となる。 In the second period T2, the switch circuit 12 is in an on state, and the switch circuit 26 and the switch circuit 28 are in an off state. In this state, a current flows as indicated by a broken-line arrow shown in FIG. 5B, a current due to the excitation energy excited in the coil 14 and the winding 16 flows, the energy moves toward the pair of input / output terminals 11, and the capacitor 18 To charge. At this time, the states of Vd2 and Vd3 are the same as in FIG. 3A. That is,
Vd2 = n / 2 × Vc + Vc2 = (nV1 + V2) / 2
Vd3 = n / 2 × Vc + Vc3 = (nV1 + V2) / 2
It becomes.

以上の通り、本実施形態に係る絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０によれば、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８がオフ状態のときに、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８に印加される電圧Ｖｄ２およびＶｄ３を、従来のＳＥＰＩＣ−ＺＥＴＡ絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの２次側のスイッチ回路に印加される電圧Ｖｄ２の半分に低減できる。   As described above, according to the insulated bidirectional DC-DC converter 10 according to the present embodiment, when the switch circuit 26 and the switch circuit 28 are in the off state, the voltage Vd2 applied to the switch circuit 26 and the switch circuit 28 and Vd3 can be reduced to half the voltage Vd2 applied to the switch circuit on the secondary side of the conventional SEPIC-ZETA insulated bidirectional DC-DC converter.

例えば、充放電装置５０が系統電源３００と連系するパワーコンディショナ１００の電源となるためには、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０のＶ２の電圧は、３００Ｖ以上必要である。充放電装置５０の定格電圧は、一般に１００Ｖ前後である。そして、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０を安定して制御するためには、デューティ比は、０．５程度であることが望ましい。したがって、トランスの巻き数比は、ｎ＝３程度であることが望ましい。   For example, in order for the charging / discharging device 50 to be a power source for the power conditioner 100 linked to the system power source 300, the voltage V2 of the insulated bidirectional DC-DC converter 10 needs to be 300V or more. The rated voltage of the charging / discharging device 50 is generally around 100V. In order to stably control the insulated bidirectional DC-DC converter 10, the duty ratio is preferably about 0.5. Therefore, the transformer turns ratio is preferably about n = 3.

ｎ＝３とすると、図４に示す回路構成によれば、Ｖｄ２＝６００Ｖとなる。さらに、複数の太陽電池アレイ２００を並列に接続した場合、並列に接続された複数の太陽電池アレイ２００から出力される最大電圧は、４５０Ｖ程度になることがある。この場合、Ｖｄ２＝７５０Ｖとなる。一方、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８に用いられるＩＧＢＴまたはパワーＭＯＦＥＴなどのパワーモジュールは、耐電圧が、６００Ｖ〜６５０Ｖ程度であるものが比較的多く、かつ性能に優れ、コストも低い。しかし、上記の通り、図４に示す回路構成によれば、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８に対して、上記のようなパワーモジュールを用いることができず、耐電圧が比較的高い、高価なパワーモジュールを使わざるを得ない。しかし、本実施形態に係る絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０によれば、Ｖｄ２の電圧を従来の回路構成に比べて半分程度に抑えることができる。したがって、比較的安価なパワーモジュールを用いることができ、コストを削減できる。   If n = 3, according to the circuit configuration shown in FIG. 4, Vd2 = 600V. Furthermore, when the plurality of solar cell arrays 200 are connected in parallel, the maximum voltage output from the plurality of solar cell arrays 200 connected in parallel may be about 450V. In this case, Vd2 = 750V. On the other hand, power modules such as IGBTs or power MOFETs used for the switch circuit 26 and the switch circuit 28 have a relatively large withstand voltage of about 600 V to 650 V, are excellent in performance, and are low in cost. However, as described above, according to the circuit configuration shown in FIG. 4, the above power module cannot be used for the switch circuit 26 and the switch circuit 28, and an expensive power with a relatively high withstand voltage. You have to use modules. However, according to the insulated bidirectional DC-DC converter 10 according to the present embodiment, the voltage of Vd2 can be suppressed to about half compared to the conventional circuit configuration. Therefore, a relatively inexpensive power module can be used, and the cost can be reduced.

ここで、一対の入出力端１１側から一対の入出力端４６側に電流を流すだけであれば、図６に示す変形例のように、スイッチ回路２６およびスイッチ回路２８の代わりに、ダイオード２７およびダイオード２９を設けてもよい。また、一対の入出力端４６側から一対の入出力端１１側に電流を流すだけであれば、図７に示す変形例のように、スイッチ回路１２の代わりに、ダイオード１３を設けてもよい。   Here, if only a current flows from the pair of input / output terminals 11 to the pair of input / output terminals 46, a diode 27 is used instead of the switch circuit 26 and the switch circuit 28 as in the modification shown in FIG. 6. In addition, a diode 29 may be provided. In addition, as long as current flows only from the pair of input / output terminals 46 to the pair of input / output terminals 11, a diode 13 may be provided instead of the switch circuit 12 as in the modification shown in FIG. 7. .

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。   As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above-described embodiment. It is apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。   The order of execution of each process such as operations, procedures, steps, and stages in the apparatus, system, program, and method shown in the claims, the description, and the drawings is particularly “before” or “prior to”. It should be noted that the output can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Regarding the operation flow in the claims, the description, and the drawings, even if it is described using “first”, “next”, etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It is not a thing.

１０ 絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ
１１，４６ 一対の入出力端
１２，２６，２８ スイッチ回路
１４ コイル
１８，３２，３４ コンデンサ
１６，２２，２４ 巻線
５０ 充放電装置
１００ パワーコンディショナ
２００ 太陽電池アレイ
３００ 系統電源
１０００ 電力変換システム DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Insulation-type bidirectional | two-way DC-DC converter 11,46 A pair of input / output terminal 12,26,28 Switch circuit 14 Coil 18,32,34 Capacitor 16,22,24 Winding 50 Charging / discharging apparatus 100 Power conditioner 200 Solar cell Array 300 System power supply 1000 Power conversion system

Claims (7)

第１の一対の入出力端の間に接続された第１スイッチ回路と、
前記第１の一対の入出力端の一端と前記第１スイッチ回路の一端との間に接続されたコイルと、
前記第１スイッチ回路に並列に接続された第１巻線と、
前記第１スイッチ回路の前記一端と前記第１巻線の一端との間に接続された第１蓄電回路と、
前記第１巻線とともにトランスを構成し、第２の一対の入出力端の間に接続され、互いに直列に接続された第２巻線および第３巻線と、
前記第２巻線の前記第３巻線が接続される一端と反対側の他端と前記第２の一対の入出力端の一端との間に接続された第２スイッチ回路と、
前記第３巻線の前記第２巻線が接続される一端と反対側の他端と前記第２の一対の入出力端の他端との間に接続された第３スイッチ回路と、
前記第２の一対の入出力端の前記一端および前記第２スイッチ回路の前記第２の一対の入出力端側の一端に一端が接続された第２蓄電回路と、
一端が前記第２蓄電回路の他端に接続され、他端が前記第２の一対の入出力端の前記他端および前記第３スイッチ回路の前記第２の一対の入出力端側の一端に接続された第３蓄電回路と、
前記第２蓄電回路と前記第３蓄電回路との接続点と前記第２巻線と前記第３巻線との接続点とが電気的に接続されている、絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。 A first switch circuit connected between the first pair of input / output terminals;
A coil connected between one end of the first pair of input / output ends and one end of the first switch circuit;
A first winding connected in parallel to the first switch circuit;
A first power storage circuit connected between the one end of the first switch circuit and one end of the first winding;
A transformer together with the first winding, connected between a second pair of input / output ends, and a second winding and a third winding connected in series with each other;
A second switch circuit connected between one end of the second winding opposite to one end to which the third winding is connected and one end of the second pair of input / output ends;
A third switch circuit connected between the other end of the third winding opposite to the one end to which the second winding is connected and the other end of the second pair of input / output ends;
A second power storage circuit having one end connected to the one end of the second pair of input / output ends and one end of the second switch circuit on the second pair of input / output ends side;
One end is connected to the other end of the second power storage circuit, and the other end is connected to the other end of the second pair of input / output ends and to one end of the second pair of input / output ends of the third switch circuit. A connected third storage circuit;
An insulated bidirectional DC-DC converter, wherein a connection point between the second power storage circuit and the third power storage circuit and a connection point between the second winding and the third winding are electrically connected. 前記第２巻線と前記第３巻線との接続点は、センタータップであり、
前記第２蓄電回路の容量と前記第３蓄電回路の容量との差は基準値以下である、請求項１に記載の絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。 The connection point between the second winding and the third winding is a center tap,
2. The insulated bidirectional DC-DC converter according to claim 1, wherein a difference between a capacity of the second power storage circuit and a capacity of the third power storage circuit is equal to or less than a reference value. 第１期間中、前記第１スイッチ回路がオンし、かつ前記第２スイッチ回路および前記第３スイッチ回路がオフし、前記第１期間より短い第２期間中に前記第１スイッチ回路がオフし、前記第２スイッチ回路および前記第３スイッチ回路がオンすることで、前記第１の一対の入出力端側から前記第２の一対の入出力端側へ電流が流れる、請求項１または請求項２に記載の絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。   The first switch circuit is turned on during the first period, the second switch circuit and the third switch circuit are turned off, and the first switch circuit is turned off during a second period shorter than the first period, 3. The current flows from the first pair of input / output end sides to the second pair of input / output end sides by turning on the second switch circuit and the third switch circuit. 2. An insulated bidirectional DC-DC converter according to 1. 第１期間中、前記第１スイッチ回路がオフし、かつ前記第２スイッチ回路および前記第３スイッチ回路がオンし、前記第１期間より短い第２期間中に前記第１スイッチ回路がオンし、前記第２スイッチ回路および前記第３スイッチ回路がオフすることで、前記第２の一対の入出力端側から前記第１の一対の入出力端側へ電流が流れる、請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ。   The first switch circuit is turned off during the first period, the second switch circuit and the third switch circuit are turned on, and the first switch circuit is turned on during the second period shorter than the first period, 4. The current flows from the second pair of input / output terminals to the first pair of input / output terminals by turning off the second switch circuit and the third switch circuit. 5. An insulated bidirectional DC-DC converter according to any one of the above. 請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの前記第２の一対の入出力端を介して出力される電力を変換する電力変換装置と
を備える、電力変換システム。 An insulated bidirectional DC-DC converter according to any one of claims 1 to 4,
A power conversion system comprising: a power conversion device that converts power output via the second pair of input / output terminals of the insulated bidirectional DC-DC converter. 前記絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの前記第１の一対の入出力端に接続される充放電装置をさらに備える、請求項５に記載の電力変換システム。   The power conversion system according to claim 5, further comprising a charge / discharge device connected to the first pair of input / output terminals of the insulated bidirectional DC-DC converter. 前記電力変換装置または前記第２の一対の入出力端を介して前記絶縁型双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに電力を出力する分散型電源をさらに備える、請求項５または請求項６に記載の電力変換システム。   The power conversion according to claim 5 or 6, further comprising a distributed power source that outputs power to the isolated bidirectional DC-DC converter via the power converter or the second pair of input / output terminals. system.
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