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公開番号2025031944
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-07
出願番号2024229643,2021133971
出願日2024-12-26,2021-08-19
発明の名称DAB方式双方向絶縁型DC/DCコンバータおよびその制御方法
出願人株式会社明電舎
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H02M 3/28 20060101AFI20250228BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】両端が直列接続されたDAB方式双方向絶縁型DC/DCコンバータにおいてコンデンサ電圧バランスを均等にする。
【解決手段】DAB方式双方向絶縁型DC/DCコンバータは、1次側直流電源DC1と、2次側直流電源DC2と、第1ユニット～第mユニットと、を備える。1次側直流電源DC1、2次側直流電源DC2の正極と負極との間に第1ユニット～前記第mユニットの1次側直流コンデンサC1、2次側直流コンデンサC2が直列接続される。1次側直流コンデンサC1、2次側直流コンデンサC2にそれぞれ第1インバータ、第2インバータが接続される。第1インバータの交流側と第2インバータの交流側との間にトランスTrが接続される。各ユニットの電力伝送の上流側の直流コンデンサ電圧が等しくなるように各ユニットの第1インバータと第2インバータが出力する交流電圧の位相差を制御する。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
１次側直流電源と、２次側直流電源と、前記１次側直流電源と前記２次側直流電源との間に接続された第１ユニット～第ｍ（ｍ：２以上の整数）ユニットと、を備えたＤＡＢ方式双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータであって、
前記１次側直流電源の正極と負極との間に直列接続された前記第１ユニット～前記第ｍユニットの１次側直流コンデンサと、
前記２次側直流電源の正極と負極との間に直列接続された前記第１ユニット～前記第ｍユニットの２次側直流コンデンサと、
前記第１ユニット～前記第ｍユニットの前記１次側直流コンデンサにそれぞれ接続された前記第１ユニット～前記第ｍユニットの第１インバータと、
前記第１ユニット～前記第ｍユニットの前記２次側直流コンデンサにそれぞれ接続された前記第１ユニット～前記第ｍユニットの第２インバータと、
前記第１ユニット～前記第ｍユニットの前記第１インバータの交流側にそれぞれ１次巻線が接続され、前記第１ユニット～前記第ｍユニットの前記第２インバータの交流側にそれぞれ２次巻線が接続された前記第１ユニット～前記第ｍユニットのトランスと、
前記第１，第２インバータのゲート信号を生成する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記１次側直流コンデンサと前記２次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値が全ユニットのうち最小以外のユニットで、当該ユニットの運転力率を低下させることを特徴とするＤＡＢ方式双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
続きを表示（約 3,400 文字）【請求項２】
１次側直流電源と、２次側直流電源と、前記１次側直流電源と前記２次側直流電源との間に接続された第１ユニット～第ｍ（ｍ：２以上の整数）ユニットと、を備えたＤＡＢ方式双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータであって、
前記１次側直流電源の正極と負極との間に直列接続された前記第１ユニット～前記第ｍユニットの１次側直流コンデンサと、
前記２次側直流電源の正極と負極との間に直列接続された前記第１ユニット～前記第ｍユニットの２次側直流コンデンサと、
前記第１ユニット～前記第ｍユニットの前記１次側直流コンデンサにそれぞれ接続された前記第１ユニット～前記第ｍユニットの第１インバータと、
前記第１ユニット～前記第ｍユニットの前記２次側直流コンデンサにそれぞれ接続された前記第１ユニット～前記第ｍユニットの第２インバータと、
前記第１ユニット～前記第ｍユニットの前記第１インバータの交流側にそれぞれ１次巻線が接続され、前記第１ユニット～前記第ｍユニットの前記第２インバータの交流側にそれぞれ２次巻線が接続された前記第１ユニット～前記第ｍユニットのトランスと、
前記第１，第２インバータのゲート信号を生成する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
電力伝送の下流側の直流コンデンサ電圧が全ユニットのうち最小以外のユニットで、当該ユニットの運転力率を低下させることを特徴とするＤＡＢ方式双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項３】
前記制御部は、
第ｋユニットの前記１次側直流コンデンサと前記２次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値と、全ユニットのうち前記１次側直流コンデンサと前記２次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値の最小値と、の偏差である第２エネルギー偏差を算出する第９減算器と、
前記第２エネルギー偏差を増幅する第３アンプと、
第ｋユニットの１次側パルス幅指令値と第ｋユニットの２次側パルス幅指令値のうち小さい方に前記第３アンプの出力を加算する第７加算器と、
前記第７加算器の出力を上限値、下限値内に制限する第１リミッタと、
前記第１リミッタの入力値と出力値の差分を算出する第１０減算器と、
第ｋユニットの前記１次側パルス幅指令値と第ｋユニットの前記２次側パルス幅指令値のうち大きい方から、前記第１リミッタの入力値と出力値の差分を減算する第１１減算器と、
前記第１１減算器の出力を上限値、下限値内に制限する第２リミッタと、
第ｋユニットの前記１次側パルス幅指令値が第ｋユニットの前記２次側パルス幅指令値よりも大きい場合、前記第２リミッタの出力を出力し、それ以外の場合前記第１リミッタの出力を出力する第４スイッチと、
第ｋユニットの前記１次側パルス幅指令値が第ｋユニットの前記２次側パルス幅指令値よりも大きい場合、前記第１リミッタの出力を出力し、それ以外の場合前記第２リミッタの出力を出力する第５スイッチと、
前記トランスの巻数比が１次巻線：２次巻線＝１：ｎの時に、第ｋユニットの１次側交流電流検出値を１／ｎ倍し、または、第ｋユニットの２次側交流電流検出値をｎ倍する第１乗算器と、
前記第４スイッチの出力に、第ｋユニットの１次側交流電流検出値の直流成分を増幅した値を加算して第ｋユニットの１次側のプラス側パルス幅指令値として出力する第３加算器と、
前記第４スイッチの出力から、第ｋユニットの１次側交流電流検出値の直流成分を増幅した値を減算して第ｋユニットの１次側のマイナス側パルス幅指令値として出力する第５減算器と、
前記第５スイッチの出力に、第ｋユニットの２次側交流電流検出値の直流成分を増幅した値を加算して第ｋユニットの２次側のプラス側パルス幅指令値として出力する第４加算器と、
前記第５スイッチの出力から、第ｋユニットの２次側交流電流検出値の直流成分を増幅した値を減算して第ｋユニットの２次側のマイナス側パルス幅指令値として出力する第６減算器と、
を備えたことを特徴とする請求項１記載のＤＡＢ方式双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項４】
前記制御部は、
前記１次側直流コンデンサと前記２次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値が全ユニットのうち最小以外のユニットで、当該ユニットが出力する電流の直流成分を大きくすることを特徴とする請求項１記載のＤＡＢ方式双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項５】
前記制御部は、
電力伝送の下流側の直流コンデンサ電圧が全ユニットのうち最小以外のユニットで、当該ユニットが出力する電流の直流成分を大きくすることを特徴とする請求項２記載のＤＡＢ方式双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項６】
１次側直流電源と、
２次側直流電源と、
前記１次側直流電源と前記２次側直流電源との間に接続された第１ユニット～第ｍ（ｍ：２以上の整数）ユニットと、
前記１次側直流電源の正極と負極との間に直列接続された前記第１ユニット～前記第ｍユニットの１次側直流コンデンサと、
前記２次側直流電源の正極と負極との間に直列接続された前記第１ユニット～前記第ｍユニットの２次側直流コンデンサと、
前記第１ユニット～前記第ｍユニットの前記１次側直流コンデンサにそれぞれ接続された前記第１ユニット～前記第ｍユニットの第１インバータと、
前記第１ユニット～前記第ｍユニットの前記２次側直流コンデンサにそれぞれ接続された前記第１ユニット～前記第ｍユニットの第２インバータと、
前記第１ユニット～前記第ｍユニットの前記第１インバータの交流側にそれぞれ１次巻線が接続され、前記第１ユニット～前記第ｍユニットの前記第２インバータの交流側にそれぞれ２次巻線が接続された前記第１ユニット～前記第ｍユニットのトランスと、
前記第１，第２インバータのゲート信号を生成する制御部と、
を備えたＤＡＢ方式双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法であって、
前記制御部は、
前記１次側直流コンデンサと前記２次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値が全ユニットのうち最小以外のユニットで、当該ユニットの運転力率を低下させることを特徴とするＤＡＢ方式双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法。
【請求項７】
１次側直流電源と、
２次側直流電源と、
前記１次側直流電源と前記２次側直流電源との間に接続された第１ユニット～第ｍ（ｍ：２以上の整数）ユニットと、
前記１次側直流電源の正極と負極との間に直列接続された前記第１ユニット～前記第ｍユニットの１次側直流コンデンサと、
前記２次側直流電源の正極と負極との間に直列接続された前記第１ユニット～前記第ｍユニットの２次側直流コンデンサと、
前記第１ユニット～前記第ｍユニットの前記１次側直流コンデンサにそれぞれ接続された前記第１ユニット～前記第ｍユニットの第１インバータと、
前記第１ユニット～前記第ｍユニットの前記２次側直流コンデンサにそれぞれ接続された前記第１ユニット～前記第ｍユニットの第２インバータと、
前記第１ユニット～前記第ｍユニットの前記第１インバータの交流側にそれぞれ１次巻線が接続され、前記第１ユニット～前記第ｍユニットの前記第２インバータの交流側にそれぞれ２次巻線が接続された前記第１ユニット～前記第ｍユニットのトランスと、
前記第１，第２インバータのゲート信号を生成する制御部と、
を備えたＤＡＢ方式双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法であって、
前記制御部は、
電力伝送の下流側の直流コンデンサ電圧が全ユニットのうち最小以外のユニットで、当該ユニットの運転力率を低下させることを特徴とするＤＡＢ方式双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの制御方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電力をインバータにより交流電力に変換し、トランスを用いて絶縁し、別のインバータで直流に変換するデュアルアクティブブリッジ（ＤＡＢ）方式の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの直列接続における電圧バランス制御に関する。
続きを表示（約 1,400 文字）【背景技術】
【０００２】
非特許文献１、特許文献１～３は補助コンバータを用いてコンデンサ電圧のバランスを制御する方式である。補助コンバータを用いることでいかなる条件においてもコンデンサ電圧の偏差を非常に小さく保つことができる。
【０００３】
非特許文献１，特許文献１は補助コンバータとしてＤＡＢ方式のコンバータを、特許文献２はチョッパを、特許文献３は共振回路と倍電圧整流回路を用いている。特許文献３の補助コンバータは受動素子のみで構成されているため、別途制御手段を用いることなくコンデンサ電圧をバランスさせることができる。
【０００４】
特許文献４は、ＤＡＢユニットの一端にブリッジセルを接続し、ブリッジセルのカスケード接続構成を電源に接続した構成である。ブリッジセルのカスケード接続構成ではコンデンサ電圧のバランス制御方法が確立されていて、また、電源が交流でも対応できる。電源が直流のみの場合はブリッジセルをチョッパセルに置換することで半導体素子数を少なくすることができる。ＤＡＢユニットのもう一端には切替機を接続し、負荷の台数や容量に応じて自由にＤＡＢユニットの並列台数を切り替えることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
国際公開ＷＯ２０１７／１６３５０８
特開２０１７－０１７８６８号公報
特開２０１７－０１７８６９号公報
特開２０１９－２１３４２４号公報
【非特許文献】
【０００６】
石橋卓治、地道拓志、森修、「大規模洋上風力発電の直流送配電システム向け高圧大容量ＤＣ／ＤＣ変換器の回路方式と制御法」、電気学会論文誌Ｄ、２０１８年、１３８巻１号、ｐ５８－６６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、非特許文献１、特許文献１～３の構成では、追加した補助コンバータの分だけ部品点数・コスト・装置容積が増加してしまう。特許文献１ではＭ直列構成に対してＭ－１台の補助コンバータが必要となる。
【０００８】
非特許文献１では入力３直列３並列・出力９直列の構成に対し２台の補助コンバータが必要となる。また、補助コンバータの容量設計も問題となる。
【０００９】
例えば、非特許文献１では半導体損失のばらつきとリアクトルのばらつきを考慮した設計例が記載されている。しかし、これ以外の例えば直流コンデンサの経年劣化による漏れ電流増加には対応できず、バランス維持が不可能となる。余裕を持って容量を設計すると、コストや装置容積が増加してしまう。また、非特許文献１、特許文献１，２の構成では補助回路の制御手段が別途必要となり、検出器や制御基板の分だけコストが増加してしまう。
【００１０】
特許文献３の構成であれば制御手段が不要である。しかし、調整電圧の設計が困難である。調整電圧が過剰であれば、コンデンサ電圧がバランスされていても補助コンバータを介して上下のＤＡＢユニットを電流が循環し続け損失が増加してしまう。調整電圧が不足しているとコンデンサ電圧のバランスが大きく崩れてから電流が補助コンバータを流れ始め、コンデンサ電圧の偏差が拡大してしまう。
（【００１１】以降は省略されています）

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