JP2017147812A - Power supply device and its first charge control method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直流電力と交流電力を対象とした電力変換を行う電源装置およびその初充電制御方法に関するものである。 The present invention relates to a power supply apparatus that performs power conversion for direct current power and alternating current power, and an initial charge control method thereof.
電力系統には多くの絶縁トランスが採用されているが、電力系統の周波数と同じ数十Hz(日本の場合、50/60Hz)の低周波で駆動されているため、小型・軽量化が難しいという課題があった。 Many isolation transformers are used in the power system, but it is difficult to reduce the size and weight because it is driven at a low frequency of several tens of Hz (50/60 Hz in Japan). There was a problem.
これに対し、近年、高圧・大電力用途への適用が検討されているSST(ソリッドステートトランス:以下単にSSTと称する。)の技術を採用することで、小型・軽量化に貢献できることが期待されている。SSTは、高周波トランスと、電力変換回路で構成されており、その出力もしくは入力は従来と同じ周波数の交流電力である。SST内では、電力変換回路(DC/DCコンバータやインバータ)により高周波を生成して高周波トランスを駆動することで、入力または出力を従来と同じ周波数の交流電力系統に接続しており、これにより従来の絶縁トランスを代替するものである。この構成によれば、高周波トランスを数十〜数百kHzの高周波駆動することによって、従来型絶縁トランス単体と比較して大幅な小型・軽量化を実現できる。 On the other hand, by adopting SST (Solid State Transformer: hereinafter simply referred to as SST) technology that has been studied for application to high-voltage and high-power applications in recent years, it is expected to contribute to reduction in size and weight. ing. The SST is composed of a high-frequency transformer and a power conversion circuit, and the output or input of the SST is AC power having the same frequency as the conventional one. In SST, a high frequency is generated by a power conversion circuit (DC / DC converter or inverter) and a high frequency transformer is driven to connect an input or output to an AC power system having the same frequency as the conventional one. It replaces the isolation transformer. According to this configuration, the high-frequency transformer can be driven at a high frequency of several tens to several hundreds of kHz, so that a significant reduction in size and weight can be realized as compared to a conventional insulating transformer alone.
例えば電力系統向けの電力変換器の新たな用途として、太陽光発電や風力発電といった自然エネルギー導入の世界的な拡大に伴い、自然エネルギーの電力を制御して電力系統へ出力する高性能な電力変換器であるPCS(パワーコンディショニングシステム:以下単にPCSと称する。)が求められている。PCSは、電力系統に接続されて使用されるために、その出力側には高圧絶縁トランスを使用しており、電力系統の周波数と同じ数十Hzの低周波で駆動せざるを得ないために設備が大型化するという課題を有している。 For example, as a new application of power converters for power systems, high-performance power conversion that controls the power of natural energy and outputs it to the power system with the global expansion of natural energy introduction such as solar power generation and wind power generation. PCS (Power Conditioning System: hereinafter simply referred to as PCS) is required. Since the PCS is connected to the power system and used, a high-voltage insulation transformer is used on its output side, and it must be driven at a low frequency of several tens of Hz, which is the same as the frequency of the power system. There is a problem that the equipment becomes larger.
また電力系統連系向け以外にも、例えば高圧のモータやポンプ向け、鉄道向け等の高圧電力を使用する電力変換器の場合にも、入力側に高圧絶縁トランスを使用しているものがある。出力側同様に入力側の場合であっても、高圧絶縁トランスは電力系統からの受電により電力系統の周波数と同じ数十Hzの低周波で駆動されているため設備が大型化するという同様の課題を抱えている。 In addition to power grid interconnections, for example, power converters that use high voltage power such as for high voltage motors and pumps, railways, etc., use a high voltage insulation transformer on the input side. Even when the output side is the same as the output side, the high voltage isolation transformer is driven at a low frequency of several tens of Hz that is the same as the frequency of the power system by receiving power from the power system. Have
SST思想の採用により、これらの電力用途への適用拡大において、小型化装置での実現を可能としている。係るSST思想の採用による電源装置においても、通常の電源装置と同様に交流入力に接続される場合に電源装置に流れる突入電流を軽減する必要があり、通常は特許文献1に例示されるような充電電流抑制用の回路を入力側に設置する必要がある。 By adopting the SST concept, it is possible to realize with a miniaturized device in expanding the application to these power applications. Even in a power supply device employing such an SST concept, it is necessary to reduce the inrush current flowing through the power supply device when connected to an AC input as in a normal power supply device. It is necessary to install a charging current suppression circuit on the input side.
高圧系統から降圧する電力変換器の小型・軽量化の実現に向けてSSTを適用するには、系統側と低圧側の間で絶縁が必要であるため高周波トランスにて絶縁を確保するが、最初に系統と接続する際に系統側SSTのコンデンサへの充電電流を抑制する初充電抑制回路が必要となる。例えば6.6kV系統に接続する場合は、メインのトランスに加えて、初充電抵抗と初充電リレーも必要となる。初充電に必要な機器も6.6kVに対応する必要があるため、電力変換器を用いった電源送致が大型化するという問題がある。 In order to realize SST to reduce the size and weight of the power converter that steps down from the high-voltage system, it is necessary to insulate between the system side and the low-voltage side. Therefore, an initial charge suppression circuit that suppresses the charging current to the capacitor on the system side SST when connecting to the system is required. For example, when connecting to a 6.6 kV system, an initial charging resistor and an initial charging relay are required in addition to the main transformer. Since the equipment required for the initial charging needs to be compatible with 6.6 kV, there is a problem that the power supply using the power converter becomes large.
以上のことから本発明においては、突入電流を抑制する機能も含めて小型化が可能な電源装置およびその初充電制御方法を提供することを目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a power supply apparatus that can be reduced in size, including the function of suppressing inrush current, and an initial charge control method thereof.
以上のような課題に対して本発明では、入力側から順次、平滑用の第1のコンデンサと、第1のインバータ部と、LLCトランスと、第2の整流器部と、平滑用の第2のコンデンサとを備えて出力側に至り、LCトランスの1次側または2次側に初充電トランスと、初充電出力スイッチを並列接続して構成された主回路を備えることを特徴とする電源装置である。 In the present invention, the first capacitor for smoothing, the first inverter unit, the LLC transformer, the second rectifier unit, and the second smoothing unit are sequentially applied from the input side to the above problems. A power supply device comprising a main circuit configured by connecting a first charge transformer and an initial charge output switch in parallel on a primary side or a secondary side of an LC transformer. is there.
また本発明は、最初に初充電電源回路から、Y結線三相回路の中性点に接続された主回路における第1と第2のコンデンサを充電し、その充電後に当該主回路に隣接する高圧側の主回路における第1と第2のコンデンサを充電し、以後順次当該主回路に隣接する高圧側の主回路における第1と第2のコンデンサを充電していくことを特徴とする電源装置の初充電制御方法である。 In the present invention, the first and second capacitors in the main circuit connected to the neutral point of the Y-connected three-phase circuit are charged from the initial charging power supply circuit first, and the high voltage adjacent to the main circuit is charged after the charging. The first and second capacitors in the main circuit on the side are charged, and then the first and second capacitors in the main circuit on the high voltage side adjacent to the main circuit are sequentially charged. This is the first charge control method.
本発明によれば、系統との絶縁性を確保し、小型の初充電制御回路とすることができる。さらに本発明の実施例によれば、初充電トランスに入力される周波数の高周波化により初充電トランス体積を低減する。また、初充電トランスを駆動する素子には低圧の素子を使用可能となる。結果、初充電電源回路全体の小型・軽量化が可能となるため、高圧向けの電力変換器の小型・軽量化を実現できる。 According to the present invention, insulation from the system can be ensured, and a small initial charge control circuit can be obtained. Furthermore, according to the embodiment of the present invention, the volume of the initial charging transformer is reduced by increasing the frequency input to the initial charging transformer. In addition, a low-voltage element can be used as an element for driving the initial charge transformer. As a result, the first charge power supply circuit as a whole can be reduced in size and weight, so that the power converter for high voltage can be reduced in size and weight.
以下、本発明に係る電源装置およびその初充電制御方法の実施例について、図を用いて説明する。 Embodiments of a power supply apparatus and an initial charge control method thereof according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1に本発明の実施例1に係る電源装置の構成例を示している。本発明の電源装置は、SSTで構成された複数の主回路10の入力側または出力側を直列接続してY結線三相回路の各相を形成する。図1は、入力側をΔ結線、出力側をY結線とした例を示している。なお、入力側をY結線とした例は、実施例2として後述する。
FIG. 1 shows a configuration example of a power supply device according to
図1の電源装置は、SSTで構成された複数の主回路10の入力側を直列接続してΔ結線三相回路の各相を形成し、SSTで構成された複数の主回路10の出力側を直列接続してY結線三相回路の各相を形成している。実施例1の構成は、入力が系統に接続され、出力に高圧モータ等の高圧負荷と接続し、入力側をΔ結線、出力側をY結線とした構成である。6.6kVに対してSSTで構成された主回路10を8段もしくは6段接続することを想定しているが、勿論この段数に限るものではないし、段数と絶縁耐圧を変更することで3.3kVや11kV等へ上下させることも可能である。また、図示していないが、入力フィルタと出力フィルタは適宜追加するのがよい。 The power supply device of FIG. 1 connects the input sides of a plurality of main circuits 10 composed of SSTs in series to form each phase of a Δ-connected three-phase circuit, and outputs the plurality of main circuits 10 composed of SSTs. Are connected in series to form each phase of the Y-connected three-phase circuit. The configuration of the first embodiment is a configuration in which the input is connected to the system, the output is connected to a high voltage load such as a high voltage motor, the input side is Δ connection, and the output side is Y connection. Although it is assumed that the main circuit 10 composed of SST is connected to 6.6 kV in eight or six stages, of course, the number of stages is not limited to this, and the number of stages and the withstand voltage can be changed by changing the number of stages. It is also possible to raise and lower to 3 kV, 11 kV, and the like. Although not shown, it is preferable to add an input filter and an output filter as appropriate.
図2は、SSTで構成された主回路10の詳細構成例を示している。主回路10は、フルブリッジ型のLLC共振コンバータを用いて構成されており、入力端子Ti側から順次、第1の整流器部R1と、平滑用のコンデンサC1と、第1のインバータ部In1と、LLCトランス3と、第2の整流器部R2と、平滑用のコンデンサC2と、第2のインバータ部In2で構成されている。ここでLLCトランス3とは、トランス1次巻線側を第1のリアクトル31、一次巻線としての第2のリアクトル32、コンデンサ33を直列配置することから、LLCのように呼称された絶縁変圧器である。なお図2は、複数の主回路のうち、Y結線三相回路における中性点N側の主回路10aを例示しているが、他の主回路10も基本的に同じ構成とされている。
FIG. 2 shows a detailed configuration example of the main circuit 10 configured by SST. The main circuit 10 is configured using a full-bridge type LLC resonant converter, and sequentially from the input terminal Ti side, a first rectifier unit R1, a smoothing capacitor C1, a first inverter unit In1, The circuit includes an
係る主回路10の構成において、第1の整流器部R1は、単相のフルブリッジ構成とされ、その半導体素子Q1、Q2、Q3、Q4をMOS−FETで構成し、第1のインバータ部In1は、単相のフルブリッジ構成とされ、その半導体素子H1、H2、H3、H4をMOS−FETで構成した例を示している。また第2の整流器部R2は、ダイオードによる単相のフルブリッジ構成とされ、第2のインバータ部In2は、単相のフルブリッジ構成とされ、その半導体素子S1、S2、S3、S4をMOS−FETで構成した例を示している。 In the configuration of the main circuit 10, the first rectifier unit R1 has a single-phase full-bridge configuration, the semiconductor elements Q1, Q2, Q3, and Q4 are configured by MOS-FETs, and the first inverter unit In1 is In this example, a single-phase full-bridge configuration is used, and the semiconductor elements H1, H2, H3, and H4 are configured by MOS-FETs. The second rectifier section R2 has a single-phase full-bridge configuration with a diode, and the second inverter section In2 has a single-phase full-bridge configuration. The semiconductor elements S1, S2, S3, and S4 are connected to the MOS− An example of an FET is shown.
この主回路10の構成によれば、第1の整流器部R1で交流系統の電力を直流に変換し、第1のインバータ部In1において、直流を高周波数の交流に変換し、LLCトランス3において任意の電圧に調整し、その後第2の整流器部R2において直流に変換した後、第2のインバータ部In2において、適宜周波数の交流に変換し出力端子Toに出力する。 According to the configuration of the main circuit 10, the first rectifier unit R1 converts the power of the AC system into DC, the first inverter unit In1 converts the DC into high-frequency AC, and the LLC transformer 3 arbitrarily And then converted to a direct current in the second rectifier section R2, and then converted to an alternating current having a frequency as appropriate in the second inverter section In2 and output to the output terminal To.
さらに図2の主回路10は、LLCトランス3と第2の整流器部R2との接続点から分岐して初充電処理のために、初充電トランス1と初充電出力スイッチ2を設けている。図1に示されているように、これらの初充電処理部は多段積構成された複数の主回路10のうち、Y結線三相回路における中性点N側の主回路10aについて、その初充電トランス1を初充電電源回路20に接続し、その初充電出力スイッチ2をY結線三相回路における中性点N側で隣接する高圧側の主回路10bの初充電トランス1に接続している。なお、以降の隣接する主回路10間は、低圧側の初充電トランス1と高圧側の初充電出力スイッチ2により順次接続されている。
Further, the main circuit 10 in FIG. 2 is provided with an
このように本発明の電源装置では、中性点側主回路10aのLLCトランス3の二次巻線側に初充電トランス1を介して初充電電源回路20を接続したものである。初充電電源回路20は、低圧直流電源21と初充電用インバータ部22により構成されており、低圧直流電源21の直流電圧を初充電用インバータ部22で交流電圧に変換し、初充電トランス1を介して平滑用のコンデンサC1、C2を充電している。コンデンサC1、C2の充電は、入力端子Tiへの電圧印加前の時点から実施されており、電源装置稼働後にも接続状態を保持していてもよい。この結果、入力端子Tiへの電圧印加により電源装置に流れる突入電流は、平滑用のコンデンサC1、C2が充電されていることから、差電圧に相当する分のみが流れるために突入電流が抑制されている。
Thus, in the power supply device of the present invention, the initial charge
また中性点側主回路10aにおけるコンデンサC1、C2の充電完了後には、隣接する高圧側の主回路10bのコンデンサC1、C2の初充電を行うことになるが、これは低圧側の初充電トランス1と高圧側の初充電出力スイッチ2により形成される回路を用いて、順次行われる。本発明は、高圧側に対する初充電処理について工夫されたものであり、この詳細な処理手順について後述する。
Further, after the charging of the capacitors C1 and C2 in the neutral point side
以下、図1、図2に示した本発明の実施例1に係る電源装置の動作内容について説明するが、まず通常運転状態における処理内容を説明し、その後に初充電処理の説明を行うことにする。 Hereinafter, the operation content of the power supply device according to the first embodiment of the present invention illustrated in FIGS. 1 and 2 will be described. First, the processing content in the normal operation state will be described, and then the initial charging process will be described. To do.
図1、図2の構成において、フルブリッジ型のLLC共振コンバータが与える直流電圧Vd2は1000V以下の直流電圧であるため、高周波駆動に適したMOS FETを適用することを想定している。スイッチング周波数は数十kHzから数百kHzを想定している。使用するMOS FETには高耐圧・高周波スイッチングに適したSiC MOS FETを適用しても構わないし、その他同様の機能を有するものであればよい。LLC共振コンバータの2次側はダイオードによる平滑を想定している。Siのダイオードの他に、導通損失を低減させるためにSi型のショットキーバリアダイオードやSiC ショットキーバリアダイオードを適用しても構わないし、SiC MOS FETを同期させて使用することで損失低減させてもよいし、その他同様の機能を有するものであればよい。 In the configuration of FIGS. 1 and 2, since the DC voltage Vd2 provided by the full bridge type LLC resonant converter is a DC voltage of 1000 V or less, it is assumed that a MOS FET suitable for high frequency driving is applied. The switching frequency is assumed to be several tens kHz to several hundreds kHz. As the MOS FET to be used, a SiC MOS FET suitable for high withstand voltage and high frequency switching may be applied, and any other MOS FET having the same function may be used. The secondary side of the LLC resonant converter is assumed to be smoothed by a diode. In addition to Si diodes, Si-type Schottky barrier diodes and SiC Schottky barrier diodes may be applied to reduce conduction loss, and loss can be reduced by using SiC MOS FETs in synchronization. It may be any other one having the same function.
またLLCトランス3は、系統電圧との絶縁機能を有し、LLC共振とするために高周波トランスの励磁インダクタンスLm(第2のリアクトル32)に共振対応させたリーケージインダクタンスLr(第1のリアクトル31)と共振コンデンサCr(コンデンサ33)と接続される構成である。リーケージインダクタンスLrは高周波トランス内の漏れ磁束の定数の調整が可能となる構造として高周波トランス内で一体化した構成を想定しているがそれに限るものではない。共振コンデンサCrはフィルムコンデンサやセラミックコンデンサを使用することを想定しているが、同様の機能を有するものであればよい。
Further, the
図2には図1の主回路10における通常の出力パワーフローをP1として示している。通常は単相コンバータにより整流された直流電圧Vd1をフルブリッジ型のLLC共振コンバータでVd2に出力するパワーフローとなる。 FIG. 2 shows a normal output power flow in the main circuit 10 of FIG. 1 as P1. Normally, the power flow is such that the DC voltage Vd1 rectified by the single-phase converter is output to Vd2 by a full-bridge type LLC resonant converter.
この場合に、LLC共振コンバータの制御はPWMではなく、デッドタイムを付与したDuty50%の周波数制御である。前述した励磁インダクタンスLm、リーケージインダクタンスLr、共振コンデンサCrの値にて共振周波数は決まり、数十〜数百kHzに設定することを想定している。 In this case, the control of the LLC resonant converter is not PWM but frequency control of duty 50% with a dead time. The resonance frequency is determined by the values of the excitation inductance Lm, the leakage inductance Lr, and the resonance capacitor Cr described above, and is assumed to be set to several tens to several hundreds kHz.
なおLLC共振コンバータの制御は、フルブリッジ型の第1のインバータ部In1を構成する4組の半導体素子H1、H2、H3、H4のオン、オフを制御する制御回路により実行される。制御回路自体は通常よく行われる回路構成のものであり、具体的な回路構成を省略するが、要するに以下のように半導体素子を制御する。 Note that the control of the LLC resonant converter is executed by a control circuit that controls on / off of the four sets of semiconductor elements H1, H2, H3, and H4 that constitute the full-bridge first inverter unit In1. The control circuit itself has a circuit configuration that is usually performed, and a specific circuit configuration is omitted. In short, the semiconductor element is controlled as follows.
例えばフルブリッジ型の4組の半導体素子H1、H2、H3、H4のうち、図2の右上と左下の半導体素子H3、H2を第1の組、右下と左上の半導体素子H1、H4を第2の組としたときに、第1の組をON、第2の組をOFFとする第1の導通状態と、第2の組をON、第1の組をOFFとする第2の導通状態を交互に形成するように制御し、第1の導通状態から第2の導通状態を経て再度第1の導通状態に達するまでの期間を一周期とする駆動周波数によりON、OFF制御を行うものである。 For example, among the four full-bridge semiconductor elements H1, H2, H3, and H4, the upper right and lower left semiconductor elements H3 and H2 in FIG. 2 are the first set, and the lower right and upper left semiconductor elements H1 and H4 are the first. In the case of two sets, the first conduction state in which the first group is ON and the second group is OFF, and the second conduction state in which the second group is ON and the first group is OFF Are controlled to be alternately formed, and ON / OFF control is performed with a driving frequency having a period from the first conduction state to the first conduction state again through the second conduction state. is there.
図3、図4、図5により、LLC共振周波数、駆動周波数の大小関係と、第1のインバータ部In1の電圧、電流波形の関係を説明する。これらの図において横軸は時間、縦軸は1周期間における電圧、電流の大きさを示している。 The relationship between the LLC resonance frequency and the drive frequency and the voltage and current waveforms of the first inverter unit In1 will be described with reference to FIGS. In these figures, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the magnitude of voltage and current during one cycle.
図3に、LLC共振周波数が駆動周波数と等しい時の電圧、電流波形を示す。この場合には、前記したフルブリッジ型の第1のインバータ部In1を構成する4組の半導体素子のオン、オフを制御する制御回路により駆動周波数が制御されており、かつ駆動周波数は高周波トランスであるLLCトランス3の励磁インダクタンスLm、リーケージインダクタンスLr、共振コンデンサ容量Crの値にて定まる共振周波数と一致している。
FIG. 3 shows voltage and current waveforms when the LLC resonance frequency is equal to the drive frequency. In this case, the drive frequency is controlled by a control circuit that controls on / off of the four sets of semiconductor elements constituting the full-bridge first inverter unit In1, and the drive frequency is a high-frequency transformer. This coincides with the resonance frequency determined by the values of the excitation inductance Lm, leakage inductance Lr, and resonance capacitor capacitance Cr of a
LLC共振周波数が駆動周波数と等しい状態では、LLCトランス3の1次側電流ITinの波形を図示しているように、半導体素子であるMOS−FETのON時には、MOS−FETを流れる電流はMOS−FETのボディダイオードを通して逆方向に流れるため、ZVS(ゼロボルトスイッチング)となり、ON時のスイッチング損失は発生しない。MOS−FETのOFF時には、MOS−FETを流れる電流はピークアウトして十分に低く抑えられ、OFF時のスイッチング損失も小さくなるため、LLC共振制御によって高効率なスイッチングが実現でき、パワーデバイスの冷却器の小型化が実現できる。
In the state where the LLC resonance frequency is equal to the drive frequency, as shown in the waveform of the primary current ITin of the
LLC制御によりLLC共振周波数が駆動周波数と等しく制御された時、LLCトランス3の2次側の電圧はVToutのようであり、要するに矩形状の電圧出力が得られる。したがって、制御回路用電源トランス4には矩形波電圧が入力される。このため、制御回路用電源トランス4の2次側出力には、第2のコンデンサC2の端子電圧Vdcに対して巻数比に応じた電圧が出力されるため、LLC共振コンバータと同様に電圧変動は無く、直流リアクトルも不要である。
When the LLC resonance frequency is controlled to be equal to the drive frequency by the LLC control, the voltage on the secondary side of the
図4に、駆動周波数をLLC共振周波数よりも低下させて、昇圧動作となった時の電圧、電流波形を示す。 FIG. 4 shows voltage and current waveforms when the drive frequency is lowered below the LLC resonance frequency and the boost operation is performed.
駆動周波数をLLC共振周波数よりも低下させた状態では、LLCトランス3の1次側電流ITinの波形を図示しているように、MOS−FETのON時にはMOS−FETを流れる電流はMOS−FETのボディダイオードを通して逆方向に流れるため、ZVS(ゼロボルトスイッチング)となりON時のスイッチング損失は発生しない。OFF時にはMOS−FETを流れる電流はピークアウト後に十分に低く横ばいの値に抑えられるため、OFF時のスイッチング損失は共振周波数駆動と同様に小さくなる。
When the drive frequency is lower than the LLC resonance frequency, as shown in the waveform of the primary current ITin of the
LLC制御によりLLC共振周波数が駆動周波数よりも高く制御された時、LLCトランス3の2次側の電圧はVToutのような矩形波電圧となる。この矩形波電圧は、制御回路用電源トランス4に対しては、立ち上がり、立下りで少し遅れがでる波形であるが、基本的には矩形波が入力される。このため、制御回路用電源トランス4の2次側出力には、第2のコンデンサC2の端子電圧Vdcに対して巻数比に応じた電圧が出力されるため、LLC共振コンバータと同様に電圧変動は無く、直流リアクトルも不要である。
When the LLC resonance frequency is controlled to be higher than the drive frequency by the LLC control, the voltage on the secondary side of the
図5に、駆動周波数をLLC共振周波数よりも上昇させて、降圧動作となった時の電圧、電流波形を示す。 FIG. 5 shows voltage and current waveforms when the drive frequency is raised above the LLC resonance frequency and the step-down operation is performed.
駆動周波数をLLC共振周波数よりも上昇させた状態では、LLCトランス3の1次側電流ITinの波形を図示しているように、MOS−FETのON時にはMOS−FETを流れる電流はMOS−FETのボディダイオードを通して逆方向に流れるため、ZVS(ゼロボルトスイッチング)となりON時のスイッチング損失は発生しない。OFF時にはMOS−FETを流れる電流は低下しない状態での遮断となるため、OFF時のスイッチング損失は大きくなる。ただし、PCSでの制御動作の場合は、降圧制御となる電圧範囲を制限することで効率の低下を最小限とすることができる。
In a state where the drive frequency is higher than the LLC resonance frequency, as shown in the waveform of the primary side current ITin of the
LLC制御により駆動周波数をLLC共振周波数よりも上昇させた時、LLCトランス3の2次側の電圧はVToutのようであり、要するに矩形状の電圧出力が得られる。したがって、制御回路用電源トランス4には矩形波電圧が入力される。このため、制御回路用電源トランス4の2次側出力には、第2のコンデンサC2の端子電圧Vdcに対して巻数比に応じた電圧が出力されるため、LLC共振コンバータ1と同様に電圧変動は無く、直流リアクトルも不要である。
When the drive frequency is raised above the LLC resonance frequency by the LLC control, the voltage on the secondary side of the
上記したLLC制御における3種の運転態様(LLC共振周波数=駆動周波数、LLC共振周波数>駆動周波数、LLC共振周波数<駆動周波数)は、電力変換装置の実運用場面で適宜選択実行される。 The three operation modes in the above-described LLC control (LLC resonance frequency = drive frequency, LLC resonance frequency> drive frequency, LLC resonance frequency <drive frequency) are appropriately selected and executed in the actual operation scene of the power converter.
次に本発明における初充電処理について説明する。最初に中性点側主回路10aに対する初充電について説明する。
Next, the initial charging process in the present invention will be described. First, initial charging for the neutral point side
図6に、中性点側主回路10aに対する初充電制御時のパワーフローを示す。このパワーフローでは、低圧DC電源21から初充電用インバータ部22(低圧のフルブリッジMOS FET)、初充電用トランス1、第2の整流器部R2を経由して第2のコンデンサC2を充電し、また低圧DC電源21から初充電用インバータ部22(低圧のフルブリッジMOS FET)、初充電用トランス1、第1のインバータ部R1を経由して第1のコンデンサC1を充電する。この場合のフローは、図示するF1、F2、F3、F4の通りであるが、第1のインバータ部R1におけるフローF3、F4は半導体素子H1、H2、H3、H4を制御して行うのではなく、半導体素子H1、H2、H3、H4の並列ダイオードにより形成されている。このことは、主回路が交流電源に未接続であり外部から電力を得られていない状態においても、初充電電源回路20のみでコンデンサC1、C2の初充電が可能であることを意味している。
FIG. 6 shows a power flow at the time of initial charge control for the neutral point side
このパワーフロー形成に当たり、初充電用インバータ部22(低圧のフルブリッジMOS FET)において、Duty50%の矩形波をLLCトランス3の2次側から入力することで初充電制御を実施する。前述の通り、LLC制御におけるトランス電圧は矩形波であるため、初充電制御が可能となる。また、矩形波の周波数はLLC制御における周波数と同程度の数十kHz程度の高周波を想定しているため、LLCトランス同様に初充電トランスにおいても高周波化による小型化が可能となる。
In forming this power flow, initial charge control is performed by inputting a rectangular wave of 50% duty from the secondary side of the
初充電制御における周波数の違いを図7に示す。系統側の直流電圧Vd1は、LLCの共振周波数の前後で変化させることで、通常出力と逆方向においても直流電圧Vd1を変化させることが可能となる。したがって、実施例1では初充電開始時は高周波として充電電流を抑制し、共振周波数まで低下後に更に周波数を低下させることで直流電圧Vd1を高電圧まで初充電を完了させることを想定している。もちろん電流値に問題が無い場合は一定周波数での制御でも構わない。 The difference in frequency in the initial charge control is shown in FIG. By changing the DC voltage Vd1 on the system side before and after the resonance frequency of the LLC, it becomes possible to change the DC voltage Vd1 in the direction opposite to the normal output. Therefore, in Example 1, it is assumed that the charging current is suppressed as a high frequency at the start of the initial charging, and the initial charging is completed until the DC voltage Vd1 is increased to a high voltage by further reducing the frequency after the resonance frequency is lowered. Of course, if there is no problem in the current value, control at a constant frequency may be used.
以上の説明から、初充電トランス1をLLCトランス2の2次側に接続することで、低圧駆動素子の使用による小型化、周波数による初充電の制御、高周波化による初充電トランス小型化を満たすことが可能となり、電源装置全体での小型・軽量化が可能となる。
From the above description, by connecting the
以上により中性点側主回路10aに対する初充電処理が行われた。次に隣接する高圧側初回路の初充電を行う。これを可能とするために本発明においては、低圧側主回路から高圧側主回路への初充電を行うために、主回路内に初充電用トランス1と上段への初充電出力スイッチ2を設けた構成としている。SSTで構成された主回路10を共通構成とするために、初充電トランス1と上段への初充電出力スイッチ2を主回路10内に含めた構成としている。初充電トランス1と上段への初充電出力スイッチ2は、主回路10が1段分の耐圧が必要であるため、主回路10に使用している半導体素子と同様の耐圧となり、入出力電圧に対して低圧化が可能となる。半導体素子はMOS FETで表記しているが、周波数特性は必要ないためIGBTでも良いし、同様の機能が実現できるものであればよい。
Thus, the initial charging process for the neutral point side
図8は、複数の主回路の間で実施する高圧側主回路への充電制御の考え方を示している。上述の通り、初充電電源回路20によって1段目の主回路10aの初充電完了後、上段への初充電出力スイッチ2をONし、2段目の初充電を開始する。2段目の初充電が完了後に同様に2段目主回路10b内の上段への初充電出力スイッチ2をONすることの繰り返しにより最上段まで初充電を完了する。また、図示していないが、Y結線のU、V、Wの各相に同様の初充電処理を実施するが、同時に行っても良いし、順に行っても良い。初充電制御回路20もU、V、W相で一括構成としても良いし、各相に1つ備えた分割構成としても良い。
FIG. 8 shows the concept of charge control for the high-voltage side main circuit implemented between a plurality of main circuits. As described above, after the initial charging of the first stage
以上説明したように、初充電トランス1をLLCトランス3の2次側に接続することで、低圧駆動素子の使用による小型化、周波数による初充電の制御、高周波化による初充電トランス小型化を満たすことが可能となり、電源装置全体での小型・軽量化が可能となる。
As described above, by connecting the
実施例1では、SSTを用いた主回路の入力側をΔ結線、出力側をY結線とした構成の場合における主回路構成を説明した。これに対し、図9に示す実施例2は、実施例1とは逆に入力側をY結線、出力側をΔ結線とした構成例を示している。 In the first embodiment, the main circuit configuration in the case where the input side of the main circuit using SST is the Δ connection and the output side is the Y connection has been described. On the other hand, the second embodiment shown in FIG. 9 shows a configuration example in which the input side is Y-connected and the output side is Δ-connected, contrary to the first embodiment.
実施例2の場合にも、6.6kVに対して主回路10を8段もしくは6段接続することを想定しているが、もちろんこれに限るものではないし、段数と絶縁耐圧を変更することで3.3kVや11kV等へ上下させることも可能である。また、図示していないが、入力フィルタと出力フィルタは適宜追加することが可能である。また、Y結線側の中性点近傍最下限から初充電電源回路20を駆動することで上段方向に初充電を行うために、初充電用トランス1と上段への初充電出力スイッチ2を設けた構成としている。主回路10を共通構成とするために、初充電トランス1と上段への出力スイッチ3を主回路10内に含めた構成としている。初充電トランス1と上段への出力スイッチ3は、SST1段分の耐圧が必要であるため、主回路10に使用している半導体素子と同様の耐圧となり、入出力電圧に対して低圧化が可能となる。半導体素子はMOS FETで表記しているが、周波数特性は必要ないためIGBTでも良いし、同様の機能が実現できるものであれば構わない。
Also in the case of the second embodiment, it is assumed that the main circuit 10 is connected in 8 or 6 stages to 6.6 kV, but of course, the present invention is not limited to this, and the number of stages and the withstand voltage can be changed. It is also possible to raise and lower to 3.3 kV, 11 kV, and the like. Although not shown, an input filter and an output filter can be added as appropriate. Also, in order to perform the initial charging in the upper direction by driving the initial charging
但し、実施例2では入力側がY結線であるため、共振コンデンサのあるLLCトランス3の1次側に初充電トランス1と上段への初充電出力スイッチ3が接続されている。また、実施例2では初充電電源回路20内に主回路10とは別に初充電トランス1Aを備えている。本構成とすることで、初充電電源回路20内の半導体素子耐圧を実施例1よりも更に低圧化可能となる。
However, since the input side is Y-connected in the second embodiment, the
なお、充電制御については1次側に接続した場合でも、実施例1と同様の制御で実現可能である。実施例2も実施例1と同様に、初充電トランス1をLLCトランス2の1次側に接続することで、低圧駆動素子の使用による小型化、周波数による初充電の制御、高周波化による初充電トランス小型化を満たすことが可能となり、電源装置全体での小型・軽量化が可能となる。
Note that the charging control can be realized by the same control as in the first embodiment even when connected to the primary side. In the second embodiment, similarly to the first embodiment, the
以上、2つの実施例を挙げたが、もちろん用途に応じて前記実施例に記述した内容を組み合わせて使用してもよい。 Two examples have been described above. Of course, the contents described in the above examples may be used in combination depending on the application.
実施例3では、主回路10の構成について説明する。実施例1、実施例2では、フルブリッジ型のLLC共振コンバータを用い、入力端子Ti側から順次、第1の整流器部R1と、平滑用のコンデンサC1と、第1のインバータ部In1と、LLCトランス3と、第2の整流器部R2と、平滑用のコンデンサC2と、第2のインバータ部In2で構成されているものとして説明を行った。
In the third embodiment, the configuration of the main circuit 10 will be described. In the first and second embodiments, a full-bridge type LLC resonant converter is used, and sequentially from the input terminal Ti side, the first rectifier unit R1, the smoothing capacitor C1, the first inverter unit In1, and the LLC The description has been given on the assumption that the
然るに本発明の電源回路の適用に当たり、入力と出力の関係は多様である。例えば交流入力、交流出力のケース以外に、直流入力、交流出力のケース、交流入力、直流出力のケースもあり得る。これらの適用対象の事情を考慮すると、電源回路の主回路10の最小限の標準化構成としては、平滑用のコンデンサC1と、第1のインバータ部In1と、LLCトランス3と、第2の整流器部R2と、平滑用のコンデンサC2と、初充電トランス1と、初充電出力スイッチ3を備えるものとし、適用対象に応じて第1の整流器部R1や第2のインバータ部In2が追加設置され、あるいは初充電トランス1と、初充電出力スイッチ2の接続場所がLLCトランス3の1次側、2次側で選択可能となるように設計されるのがよい。
However, when the power supply circuit of the present invention is applied, the relationship between input and output is various. For example, in addition to the case of AC input and AC output, there may be a case of DC input, AC output, AC input, and DC output. Considering the circumstances of these application targets, the minimum standardized configuration of the main circuit 10 of the power supply circuit includes a smoothing capacitor C1, a first inverter unit In1, an
10:主回路
R1、R2:整流器部
In1、In2:インバータ部
1:初充電トランス
2:初充電出力スイッチ
3:LLCトランス
20:初充電電源回路
21:低圧DC電源
22:初充電用インバータ部
10: Main circuit R1, R2: Rectifier part In1, In2: Inverter part 1: Initial charge transformer 2: Initial charge output switch 3: LLC transformer 20: Initial charge power supply circuit 21: Low voltage DC power supply 22: Inverter part for initial charge
Claims (10)
前記平滑用の第1のコンデンサの入力側の第1の整流器部、前記平滑用の第2のコンデンサの出力側の第2のインバータ部の、いずれか一方または双方を備えて構成された主回路を備えることを特徴とする電源装置。 The power supply device according to claim 1,
A main circuit comprising one or both of a first rectifier section on the input side of the first capacitor for smoothing and a second inverter section on the output side of the second capacitor for smoothing A power supply apparatus comprising:
前記初充電トランスと初充電出力スイッチは、前記LLCトランスの1次側または2次側に切替え可能に並列接続されることを特徴とする電源装置。 The power supply device according to claim 1 or 2,
The initial charging transformer and the initial charging output switch are connected in parallel so as to be switchable to a primary side or a secondary side of the LLC transformer.
前記第1の整流器部の入力側と、前記第2のインバータ部の出力側の、いずれか一方または双方は、Y結線三相回路の各相に接続されていることを特徴とする電源装置。 The power supply device according to claim 2,
Either or both of the input side of the first rectifier unit and the output side of the second inverter unit are connected to each phase of a Y-connected three-phase circuit.
前記Y結線三相回路の各相は、複数の前記主回路の前記入力側の端子、または複数の前記主回路の出力側の端子が直列接続されて形成されていることを特徴とする電源装置。 The power supply device according to claim 4,
Each phase of the Y-connected three-phase circuit is formed by connecting in series the terminals on the input side of the plurality of main circuits or the terminals on the output side of the plurality of main circuits. .
前記Y結線三相回路の中性点側の主回路における前記初充電出力スイッチは、当該主回路に隣接する高圧側の主回路の前記初充電トランスを介して高圧側の主回路の前記LLCトランスに接続されていることを特徴とする電源装置。 The power supply device according to claim 5,
The initial charge output switch in the main circuit on the neutral point side of the Y-connected three-phase circuit is connected to the LLC transformer of the main circuit on the high voltage side via the initial charge transformer of the main circuit on the high voltage side adjacent to the main circuit. A power supply device connected to the power supply.
前記Y結線三相回路の中性点に接続された主回路における前記初充電トランスは、初充電電源回路に接続されていることを特徴とする電源装置。 The power supply device according to claim 6, wherein
The power supply device, wherein the initial charging transformer in the main circuit connected to a neutral point of the Y-connected three-phase circuit is connected to an initial charging power supply circuit.
前記初充電電源回路は、低圧DC電源と初充電用インバータ部とを備え、高周波の交流電圧を出力することを特徴とする電源装置。 The power supply device according to claim 7,
The initial charging power supply circuit includes a low-voltage DC power supply and an initial charging inverter unit, and outputs a high-frequency AC voltage.
前記第1のインバータ部は、高周波交流出力を与えることを特徴とする電源装置。 The power supply device according to any one of claims 1 to 8,
The first inverter unit provides a high-frequency alternating current output.
最初に前記初充電電源回路から、前記Y結線三相回路の中性点に接続された主回路における前記第1と第2のコンデンサを充電し、その充電後に当該主回路に隣接する高圧側の主回路における前記第1と第2のコンデンサを充電し、以後順次当該主回路に隣接する高圧側の主回路における前記第1と第2のコンデンサを充電していくことを特徴とする電源装置の初充電制御方法。 An initial charge control method for a power supply device according to any one of claims 7 to 9,
First, from the initial charging power supply circuit, the first and second capacitors in the main circuit connected to the neutral point of the Y-connected three-phase circuit are charged, and after the charging, the high-voltage side adjacent to the main circuit A power supply device characterized in that the first and second capacitors in the main circuit are charged, and thereafter the first and second capacitors in the high-voltage side main circuit adjacent to the main circuit are sequentially charged. First charge control method.
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