JP2024154458A - Three-phase AC/DC converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、三相交流電源から供給される電力を所望の直流電力に変換する三相AC/DC変換装置に関する。 The present invention relates to a three-phase AC/DC conversion device that converts power supplied from a three-phase AC power source into a desired DC power.
従来のものよりも高出力、小型、低コストな電気自動車用急速充電器が求められている。このような急速充電器によれば、近年の電気自動車に搭載される大容量バッテリを短時間で充電することができる。また、このような急速充電器の実現は、電気自動車のより一層の普及に繋がると期待される。 There is a demand for quick chargers for electric vehicles that are more powerful, smaller, and less expensive than conventional ones. Such quick chargers will be able to charge the large-capacity batteries installed in recent electric vehicles in a short period of time. Furthermore, the realization of such quick chargers is expected to lead to the further spread of electric vehicles.
高出力な急速充電器は、単相のAC/DC変換装置に比べて一相当たりの電流値が小さな三相のAC/DC変換装置で構成されることが多い。三相AC/DC変換装置は、通常、入力される交流電圧を、力率を改善しつつ直流の中間電圧(これは、リンク電圧、バス電圧等と呼ばれることもある)に変換するPFC(Power Factor Correction)部と、中間電圧を変換して所望の直流電力を出力するDC/DCコンバータ部とを備える。DC/DCコンバータ部としては、小型で高効率な電流共振型DC/DCコンバータが採用されることが多い。 High-output quick chargers are often configured with a three-phase AC/DC converter, which has a smaller current value per phase compared to a single-phase AC/DC converter. A three-phase AC/DC converter usually includes a PFC (Power Factor Correction) section that converts the input AC voltage into a DC intermediate voltage (sometimes called a link voltage, bus voltage, etc.) while improving the power factor, and a DC/DC converter section that converts the intermediate voltage and outputs the desired DC power. A small, highly efficient current-resonant DC/DC converter is often used as the DC/DC converter section.
従来の三相AC/DC変換装置として、特許文献1に記載のものが知られている。このAC/DC変換装置は、図6に示すように、各相に入力リアクトルを設けた三相ブリッジ方式のPWM整流(インバータ)回路からなるPFC部と、単相ブリッジ方式のLLCコンバータからなるLLC部と、これらの間に設けられた平滑コンデンサCとを備えている。この三相AC/DC変換装置では、PFC部の整流出力を平滑コンデンサCで平滑することにより中間電圧が生成される。 A conventional three-phase AC/DC conversion device is described in Patent Document 1. As shown in FIG. 6, this AC/DC conversion device includes a PFC section consisting of a three-phase bridge type PWM rectification (inverter) circuit with an input reactor provided for each phase, an LLC section consisting of a single-phase bridge type LLC converter, and a smoothing capacitor C provided between them. In this three-phase AC/DC conversion device, an intermediate voltage is generated by smoothing the rectified output of the PFC section with the smoothing capacitor C.
平滑コンデンサCは、通常、PFC部で生じた高周波スイッチングノイズを吸収するためのフィルムコンデンサと、交流電源の周波数(例えば、商用周波数である50Hz/60Hz)に起因する低周波リップルを除去するための大容量の電解コンデンサとで構成される。 The smoothing capacitor C is usually composed of a film capacitor for absorbing high-frequency switching noise generated in the PFC section, and a large-capacity electrolytic capacitor for removing low-frequency ripple caused by the frequency of the AC power supply (for example, commercial frequencies of 50 Hz/60 Hz).
交流電源が三相200V系である場合、中間電圧の電圧値は380~400V程度となる。この場合は、高耐圧で高リップルに対応した多数(例えば、10個以上)の電解コンデンサで平滑コンデンサCを構成することになる。一般に、このような電解コンデンサは、高周波スイッチングノイズ用のフィルムコンデンサに比べ、単位体積あたりの静電容量が大きく、商用周波数に起因する低周波リップルの除去に適している反面、高コストで、大型で、短寿命であり、耐環境性能も高くない。したがって、前述の急速充電器を実現するためには、電解コンデンサの使用に伴う高コスト化、大型化、短寿命化の問題を解決する必要がある。なお、この問題は、交流電源から入力される電圧が高くなればなるほど重要となる。 When the AC power supply is a three-phase 200V system, the intermediate voltage is about 380 to 400V. In this case, smoothing capacitor C is made up of a large number (for example, 10 or more) of electrolytic capacitors that have high voltage resistance and can handle high ripples. In general, such electrolytic capacitors have a larger capacitance per unit volume than film capacitors for high-frequency switching noise, and are suitable for removing low-frequency ripples caused by commercial frequencies. However, they are expensive, large, have a short life, and do not have high environmental resistance. Therefore, in order to realize the above-mentioned quick charger, it is necessary to solve the problems of high cost, large size, and short life that come with using electrolytic capacitors. Note that this problem becomes more important the higher the voltage input from the AC power supply.
さらに、従来の別の三相AC/DC変換装置として、特許文献2に記載のものが知られている。この三相AC/DC変換装置は、図7に示すように、相毎に設けられた昇圧チョッパ部(計3つの昇圧チョッパ部)およびDC/DCコンバータ部(計3つのDC/DCコンバータ部)で構成されている。昇圧チョッパ部はダイオードブリッジ整流回路を含み、DC/DCコンバータ部はフォワード型のコンバータである。 Furthermore, another conventional three-phase AC/DC conversion device is known from Patent Document 2. As shown in FIG. 7, this three-phase AC/DC conversion device is composed of a boost chopper section (a total of three boost chopper sections) and a DC/DC converter section (a total of three DC/DC converter sections) provided for each phase. The boost chopper section includes a diode bridge rectifier circuit, and the DC/DC converter section is a forward type converter.
この三相AC/DC変換装置では、DC/DCコンバータ部において中間電圧に含まれるリップルがある程度除去されるとのことである。しかしながら、完全に除去されるわけではないので、やはり、昇圧チョッパ部およびDC/DCコンバータ部の出力部に設けられた平滑コンデンサを高コスト、大型、短寿命な大容量の電解コンデンサで構成する必要がある。すなわち、この三相AC/DC変換装置も、図6に示した三相AC/DC変換装置と同様の問題を有している。 In this three-phase AC/DC conversion device, the ripple contained in the intermediate voltage is removed to some extent in the DC/DC converter section. However, it is not completely removed, so it is necessary to configure the smoothing capacitors provided in the output section of the boost chopper section and the DC/DC converter section with high-capacity electrolytic capacitors that are expensive, large, and have a short life. In other words, this three-phase AC/DC conversion device has the same problems as the three-phase AC/DC conversion device shown in Figure 6.
この問題を解決し得る従来の三相AC/DC変換装置として、特許文献3に記載のものが知られている。この三相AC/DC変換装置は、図8に示すように、相毎に設けられた一次側コンバータユニット(計3つの一次側コンバータユニット)と、相毎に設けられた高周波トランス(計3つの高周波トランス)と、共通の二次側コンバータとで構成されている。 A conventional three-phase AC/DC conversion device that can solve this problem is described in Patent Document 3. As shown in FIG. 8, this three-phase AC/DC conversion device is composed of a primary converter unit provided for each phase (three primary converter units in total), a high-frequency transformer provided for each phase (three high-frequency transformers in total), and a common secondary converter.
この三相AC/DC変換装置では、一次側コンバータユニットが非平滑DCリンクキャパシタCdによって低周波(商用周波数)と高周波とをリンクする非平滑直流ステージとなるように構成されており、平滑直流リンクを使用するようには構成されていない。このため、この三相AC/DC変換装置によれば、大容量の電解コンデンサを不要とすることができる、とのことである。 In this three-phase AC/DC conversion device, the primary converter unit is configured as a non-smooth DC stage that links low frequency (commercial frequency) and high frequency by a non-smooth DC link capacitor Cd, and is not configured to use a smooth DC link. Therefore, with this three-phase AC/DC conversion device, it is said that it is possible to eliminate the need for a large-capacity electrolytic capacitor.
しかしながら、図8に示す従来の三相AC/DC変換装置では、PFC回路とフルブリッジインバータ回路とを組み合わせてなる一次側コンバータユニットに対し、位相シフトパルス幅変調制御と称するこの回路特有の複雑な制御がなされる。そして、この制御の下では、PFC回路がDCM(不連続通電モード)で動作する。このため、この三相AC/DC変換装置は、ピーク電流が大きく、効率が低いので、大電力用途には向いていない。 However, in the conventional three-phase AC/DC conversion device shown in Figure 8, the primary converter unit, which is made up of a combination of a PFC circuit and a full-bridge inverter circuit, is subjected to a complex control unique to this circuit called phase-shift pulse-width modulation control. Under this control, the PFC circuit operates in DCM (discontinuous conduction mode). For this reason, this three-phase AC/DC conversion device has a large peak current and low efficiency, making it unsuitable for high-power applications.
さらに、図8に示す従来の三相AC/DC変換装置では、二次側コンバータにおいて各相の出力が単純に加算されるだけなので、相間の不平衡が生じ得る。そして、この不平衡を解消するためには、複雑な相毎の個別制御が必要となる。なお、相間の不平衡は、高周波トランス、コイルLb、コンデンサCr等の相毎に設けられた回路要素の特性バラつき、とりわけ、高周波トランスおよびコイルLbの特性バラつきによって生じることが知られている。 Furthermore, in the conventional three-phase AC/DC conversion device shown in FIG. 8, the outputs of each phase are simply added in the secondary converter, so that an imbalance between the phases may occur. In order to eliminate this imbalance, complex individual control of each phase is required. It is known that the imbalance between the phases occurs due to variations in the characteristics of the circuit elements provided for each phase, such as the high-frequency transformer, coil Lb, and capacitor Cr, particularly variations in the characteristics of the high-frequency transformer and coil Lb.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、従来のものよりも低コスト、小型、長寿命であり、かつ制御が簡単な三相AC/DC変換装置を提供することを課題とする。 The present invention was made in consideration of these circumstances, and aims to provide a three-phase AC/DC conversion device that is lower cost, smaller, has a longer life, and is easier to control than conventional devices.
上記課題を解決するために、本発明に係る三相AC/DC変換装置は、三相交流電源から供給される第1相電力、第2相電力および第3相電力を所望の直流電力に変換するものであって、入力端に第1相電力が入力される第1PFC部と、入力端に第2相電力が入力される第2PFC部と、入力端に第3相電力が入力される第3PFC部と、第1PFC部の出力端に接続された第1入力端、第2PFC部の出力端に接続された第2入力端および第3PFC部の出力端に接続された第3入力端を有する三相LLCコンバータ部と、少なくとも第1PFC部、第2PFC部および第3PFC部を制御する制御部とを備え、第1PFC部、第2PFC部および第3PFC部は、それぞれ制御部によって三相交流電源の周波数よりも高い周波数でオンオフ制御されるスイッチング素子と該制御により生じるノイズを除去するためのコンデンサとを含み、三相LLCコンバータ部は、第1入力端に接続された第1絶縁トランス、第2入力端に接続された第2絶縁トランスおよび第3入力端に接続された第3絶縁トランスを含む、との構成を有している。 In order to solve the above problems, the three-phase AC/DC conversion device according to the present invention converts first-phase power, second-phase power, and third-phase power supplied from a three-phase AC power source into desired DC power, and is a three-phase LLC converter having a first PFC section to whose input terminal the first-phase power is input, a second PFC section to whose input terminal the second-phase power is input, a third PFC section to whose input terminal the third-phase power is input, a first input terminal connected to the output terminal of the first PFC section, a second input terminal connected to the output terminal of the second PFC section, and a third input terminal connected to the output terminal of the third PFC section. and a control unit that controls at least the first PFC unit, the second PFC unit, and the third PFC unit, each of which includes a switching element that is turned on and off by the control unit at a frequency higher than the frequency of the three-phase AC power supply, and a capacitor for removing noise caused by the control, and the three-phase LLC converter unit includes a first insulating transformer connected to the first input terminal, a second insulating transformer connected to the second input terminal, and a third insulating transformer connected to the third input terminal.
上記の構成、すなわち、第1相に設けられた第1PFC部の出力端を三相LLCコンバータ部の第1入力端に接続し、第2相に設けられた第2PFC部の出力端を三相LLCコンバータ部の第2入力端に接続し、かつ第3相に設けられた第3PFC部の出力端を三相LLCコンバータ部の第3入力端に接続した構成では、三相LLCコンバータ部の出力に三相交流電源の周波数の6倍の高調波が重畳される。したがって、この構成によれば、従来の中間電圧における低周波リップルの除去に用いるコンデンサよりも小容量な出力コンデンサで低周波リップルを吸収することが可能となる。 In the above configuration, i.e., in which the output terminal of the first PFC section provided in the first phase is connected to the first input terminal of the three-phase LLC converter section, the output terminal of the second PFC section provided in the second phase is connected to the second input terminal of the three-phase LLC converter section, and the output terminal of the third PFC section provided in the third phase is connected to the third input terminal of the three-phase LLC converter section, harmonics six times the frequency of the three-phase AC power supply are superimposed on the output of the three-phase LLC converter section. Therefore, with this configuration, it becomes possible to absorb low-frequency ripple with an output capacitor with a smaller capacity than the capacitor used to remove low-frequency ripple in conventional intermediate voltages.
第1PFC部、第2PFC部および第3PFC部は、互いに中性点接続され、第1絶縁トランス、第2絶縁トランスおよび第3絶縁トランスを構成する3つの一次側コイルおよび3つの二次側コイルは、それぞれ互いに中性点接続されていることが好ましい。 It is preferable that the first PFC section, the second PFC section, and the third PFC section are mutually neutral-connected, and that the three primary coils and the three secondary coils constituting the first isolation transformer, the second isolation transformer, and the third isolation transformer are mutually neutral-connected.
上記の構成、すなわち、第1PFC部、第2PFC部および第3PFC部が互いに中性点接続され、かつ第1絶縁トランス、第2絶縁トランスおよび第3絶縁トランスを構成する3つの一次側コイルおよび3つの二次側コイルがそれぞれ互いに中性点接続された構成によれば、第1PFC部、第2PFC部、第3PFC部および三相LLCコンバータ部における相間の不平衡が自律的に解消または緩和される。したがって、この構成によれば、複雑な相毎の個別制御を行ったり、第1PFC部、第2PFC部および第3PFC部と三相LLCコンバータ部とを連携させる特別な制御を行ったりする必要がなくなる。 According to the above configuration, i.e., the first PFC section, the second PFC section, and the third PFC section are connected to each other at their neutral points, and the three primary coils and three secondary coils constituting the first insulating transformer, the second insulating transformer, and the third insulating transformer are each connected to each other at their neutral points, the imbalance between the phases in the first PFC section, the second PFC section, the third PFC section, and the three-phase LLC converter section is autonomously eliminated or mitigated. Therefore, according to this configuration, it is not necessary to perform complex individual control for each phase, or to perform special control to link the first PFC section, the second PFC section, and the third PFC section with the three-phase LLC converter section.
三相交流電源が商用交流電源である場合は、オンオフ制御の周波数を10kHz以上とし、コンデンサをフィルムコンデンサまたはセラミックコンデンサとすることが好ましい。フィルムコンデンサおよびセラミックコンデンサは、電解コンデンサに比べ、低コストで、小型で、長寿命で、耐環境性能も優れている。 When the three-phase AC power supply is a commercial AC power supply, it is preferable that the on/off control frequency is 10 kHz or higher and the capacitor is a film capacitor or a ceramic capacitor. Film capacitors and ceramic capacitors are lower cost, smaller, have a longer life, and have better environmental resistance than electrolytic capacitors.
第1PFC部、第2PFC部および第3PFC部は、それぞれインタリーブ方式のPFC回路であることが好ましい。このような構成とすることで、三相LLCコンバータ部の出力に重畳される高調波の周波数がn倍(ただし、nはPFC回路のステージ数)され、より小容量の出力コンデンサで低周波リップルを吸収することが可能となり、三相AC/DC変換装置全体の小型化が可能となる。 The first PFC section, the second PFC section, and the third PFC section are preferably each an interleaved PFC circuit. With this configuration, the frequency of the harmonics superimposed on the output of the three-phase LLC converter section is multiplied by n (where n is the number of stages in the PFC circuit), making it possible to absorb low-frequency ripples with a smaller capacity output capacitor, and making it possible to miniaturize the entire three-phase AC/DC conversion device.
制御部は、第1PFC部、第2PFC部および第3PFC部におけるオンオフ制御を、それぞれの出力端の電圧の実効値に基づいて行ってもよい。このような構成とすることで、各PFC部の出力端における電圧の変動、具体的には、三相交流電源の周波数に起因する低周波リップルの影響を受けることなく制御を行うことが可能となる。 The control unit may perform on/off control of the first PFC unit, the second PFC unit, and the third PFC unit based on the effective value of the voltage at each output terminal. With this configuration, it becomes possible to perform control without being affected by fluctuations in the voltage at the output terminal of each PFC unit, specifically, low-frequency ripples caused by the frequency of the three-phase AC power supply.
本発明によれば、従来のものよりも低コスト、小型、長寿命であり、かつ制御が簡単な三相AC/DC変換装置を提供することができる。 The present invention provides a three-phase AC/DC conversion device that is lower cost, smaller, has a longer life, and is easier to control than conventional devices.
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る三相AC/DC変換装置の実施例について説明する。 Below, an embodiment of a three-phase AC/DC conversion device according to the present invention will be described with reference to the attached drawings.
[第1実施例]
図1に、本発明の第1実施例に係る三相AC/DC変換装置1Aを示す。三相AC/DC変換装置1Aは、三相交流電源10から供給される電力を所望の直流電力に変換して負荷20に供給するためのもので、同図に示すように、第1PFC部21Aと、第2PFC部22Aと、第3PFC部23Aと、三相LLCコンバータ部3Aとを備えている。このほか、三相AC/DC変換装置1Aは、三相交流電源10の第1相に接続される入力端子T1、三相交流電源10の第2相に接続される入力端子T2、三相交流電源10の第3相に接続される入力端子T3、負荷20の一端に接続される出力端子T4、および負荷20の他端に接続される出力端子T5も備えている。なお、本実施例および後述する第2,第3実施例では、三相交流電源10は三相200V系の商用交流電源であり、負荷20は電気自動車の駆動用バッテリである。
[First embodiment]
1 shows a three-phase AC/
第1PFC部21Aは、高周波スイッチングが可能なブリッジレス方式のトーテムポール型PFC回路で構成されており、コイルL1と、第1スイッチング素子Q1および第2スイッチング素子Q2と、第1ダイオードD1および第2ダイオードD2と、非平滑コンデンサC1とを備えている。なお、ブリッジレス方式の整流回路は、ダイオードブリッジ整流回路に比べて素子の導通損が少なく、ダイオードの逆回復時間に起因する損失もないため高効率で、PFC(力率改善)機能を兼ねることができるため、kW程度以上の高出力なAC/DC変換装置に向いている。
The
コイルL1は、入力端子T1に接続された一端と、スイッチング素子Q1,Q2に接続された他端とを有している。コイルL1の一端は、第1PFC部21Aの「入力端」であるといえる。
The coil L1 has one end connected to the input terminal T1 and the other end connected to the switching elements Q1 and Q2. One end of the coil L1 can be said to be the "input end" of the
スイッチング素子Q1,Q2は、パワー半導体スイッチング素子の一種であるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)で構成されている。スイッチング素子Q1,Q2にはFWD(Free Wheeling Diode)としてのダイオードが逆並列接続されているが、これは、スイッチング素子Q1,Q2に内蔵されたものであってもよいし、外付けされたものであってもよい。 The switching elements Q1 and Q2 are composed of IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), which are a type of power semiconductor switching element. A diode serving as an FWD (Free Wheeling Diode) is connected in inverse parallel to the switching elements Q1 and Q2, but this may be built into the switching elements Q1 and Q2 or may be attached externally.
第1スイッチング素子Q1は、ノードVp1に接続されたコレクタと、コイルL1の他端に接続されたエミッタとを有している。また、第2スイッチング素子Q2は、コイルL1の他端に接続されたコレクタと、ノードVn1に接続されたエミッタとを有している。つまり、スイッチング素子Q1,Q2は、直列に接続された状態でノードVp1-Vn1間に設けられている。 The first switching element Q1 has a collector connected to node Vp1 and an emitter connected to the other end of the coil L1. The second switching element Q2 has a collector connected to the other end of the coil L1 and an emitter connected to node Vn1. In other words, the switching elements Q1 and Q2 are connected in series and provided between nodes Vp1 and Vn1.
スイッチング素子Q1,Q2は、不図示の制御部により、商用周波数よりも十分に高い10kHz~数100kHzの範囲内の高い周波数でオンオフ制御される。制御部は、不図示の検出回路によって検出された各部の電流または電圧を参照しながら、不図示の適当な駆動回路を介してスイッチング素子Q1,Q2をオンオフ制御する。 The switching elements Q1 and Q2 are controlled to be turned on and off by a control unit (not shown) at a high frequency in the range of 10 kHz to several hundred kHz, which is sufficiently higher than the commercial frequency. The control unit controls the switching elements Q1 and Q2 to be turned on and off via an appropriate drive circuit (not shown) while referring to the current or voltage of each part detected by a detection circuit (not shown).
第1ダイオードD1は、ノードVp1に接続されたカソードと、中性点Nに接続されたアノードとを有している。また、第2ダイオード素子D2は、中性点Nに接続されたカソードと、ノードVn1に接続されたアノードとを有している。つまり、ダイオードD1,D2は、直列に接続された状態でノードVp1-Vn1間に逆方向に設けられている。なお、ダイオードD1,D2の接続点は、第1PFC部21Aの「他の入力端」であるといえる。
The first diode D1 has a cathode connected to node Vp1 and an anode connected to the neutral point N. The second diode element D2 has a cathode connected to the neutral point N and an anode connected to node Vn1. In other words, the diodes D1 and D2 are connected in series and arranged in the opposite direction between nodes Vp1 and Vn1. The connection point of the diodes D1 and D2 can be said to be the "other input end" of the
非平滑コンデンサC1は、スイッチング素子Q1,Q2のオンオフ制御により生じる高周波スイッチングノイズを吸収し得るように選定されたコンデンサであり、ノードVp1に接続された一端と、ノードVn1に接続された他端とを有している。「非平滑」との名称から明らかなように、非平滑コンデンサC1は、平滑を意図したものではない。言い換えると、非平滑コンデンサC1は、商用周波数に起因する低周波リップルの除去を意図したものではない。このため、本実施例では、非平滑コンデンサC1として、従来の三相AC/DC変換装置において中間電圧の低周波リップル除去のために使用されてきた高リップルに対応した大容量の電解コンデンサではなく、電解コンデンサよりも小型、低コスト、長寿命で、かつ耐環境性能が優れたフィルムコンデンサを使用したが、これに代えてセラミックコンデンサ等を使用することもできる。非平滑コンデンサC1としてこのようなコンデンサを使用した結果、非平滑コンデンサC1の両端、すなわち、ノードVp1-Vn1間に生じる中間電圧は、低周波リップルを含み得る。なお、非平滑コンデンサC1の両端は、第1PFC部21Aの「出力端」であるといえる。
The non-smoothing capacitor C1 is a capacitor selected to absorb high-frequency switching noise generated by the on-off control of the switching elements Q1 and Q2, and has one end connected to the node Vp1 and the other end connected to the node Vn1. As the name "non-smoothing" makes clear, the non-smoothing capacitor C1 is not intended for smoothing. In other words, the non-smoothing capacitor C1 is not intended to remove low-frequency ripples caused by the commercial frequency. For this reason, in this embodiment, a film capacitor that is smaller, lower cost, has a longer life, and has better environmental resistance than an electrolytic capacitor is used as the non-smoothing capacitor C1, rather than a large-capacity electrolytic capacitor that has been used to remove low-frequency ripples in the intermediate voltage in conventional three-phase AC/DC conversion devices. However, a ceramic capacitor or the like can also be used instead. As a result of using such a capacitor as the non-smoothing capacitor C1, the intermediate voltage generated across both ends of the non-smoothing capacitor C1, i.e., between the nodes Vp1 and Vn1, may include low-frequency ripples. In addition, both ends of the non-smoothing capacitor C1 can be considered the "output terminals" of the
第2PFC部22Aおよび第3PFC部23Aは、接続先が入力端子T1ではなくT2,T3である点、および接続先がノードVp1,Vn1ではなくVp2,Vn2,Vp3,Vn3である点を除き、第1PFC部21Aと共通している。
The
各PFC部21A,22A,23Aを構成するダイオードD1,D2の接続点は、中性点Nにおいて互いに接続されている。つまり、PFC部21A,22A,23Aは、他の入力端において互いに中性点接続されている。
The connection points of the diodes D1 and D2 constituting each of the
三相LLCコンバータ部3Aは、第5スイッチング素子Q5、第6スイッチング素子Q6、第7スイッチング素子Q7、第8スイッチング素子Q8、第9スイッチング素子Q9および第10スイッチング素子Q10と、第1共振コイルLr1、第2共振コイルLr2および第3共振コイルLr3と、第1共振コンデンサCr1、第2共振コイルCr2および第3共振コイルCr3と、第1高周波絶縁トランス(以下、単に「トランス」という)Tr1、第2トランスTr2および第3トランスTr3とを備えている。
The three-phase
スイッチング素子Q5,Q6,Q7,Q8,Q9,Q10は、IGBTで構成されている。スイッチング素子Q5,Q6,Q7,Q8,Q9,Q10にはFWDとしてのダイオードが逆並列接続されているが、これは、スイッチング素子Q5,Q6,Q7,Q8,Q9,Q10に内蔵されたものであってもよいし、外付けされたものであってもよい。 The switching elements Q5, Q6, Q7, Q8, Q9, and Q10 are composed of IGBTs. Diodes serving as FWDs are connected in inverse parallel to the switching elements Q5, Q6, Q7, Q8, Q9, and Q10, but these may be built into the switching elements Q5, Q6, Q7, Q8, Q9, and Q10 or may be externally attached.
第5スイッチング素子Q5は、ノードVp1に接続されたコレクタと、第1共振コイルLr1の一端に接続されたエミッタとを有している。また、第6スイッチング素子Q6は、第1共振コイルLr1の一端に接続されたコレクタと、ノードVn1に接続されたエミッタとを有している。つまり、スイッチング素子Q5,Q6は、直列に接続された状態でノードVp1-Vn1間に設けられている。なお、第5スイッチング素子Q5のコレクタおよび第6スイッチング素子Q6のエミッタは、三相LLCコンバータ部3Aの「第1入力端」であるといえる。
The fifth switching element Q5 has a collector connected to node Vp1 and an emitter connected to one end of the first resonant coil Lr1. The sixth switching element Q6 has a collector connected to one end of the first resonant coil Lr1 and an emitter connected to node Vn1. In other words, the switching elements Q5 and Q6 are connected in series and provided between nodes Vp1 and Vn1. The collector of the fifth switching element Q5 and the emitter of the sixth switching element Q6 can be said to be the "first input end" of the three-phase
第1共振コイルLr1は、前述の一端と、第1トランスTr1を構成する一次巻線の一端に接続された他端とを有している。なお、図1に示されている第1トランスTr1の一次巻線には、励磁インダクタンスが含まれているものとする。 The first resonant coil Lr1 has one end as described above and the other end connected to one end of the primary winding that constitutes the first transformer Tr1. Note that the primary winding of the first transformer Tr1 shown in FIG. 1 includes an excitation inductance.
第1トランスTr1を構成する一次巻線は、前述の一端と、第1共振コンデンサCr1の一端に接続された他端とを有している。また、第1トランスTr1を構成する二次巻線は、一端と、他のトランスTr2,Tr3を構成する二次巻線の他端に接続された他端とを有している。 The primary winding constituting the first transformer Tr1 has one end as described above and the other end connected to one end of the first resonant capacitor Cr1. The secondary winding constituting the first transformer Tr1 has one end and the other end connected to the other ends of the secondary windings constituting the other transformers Tr2 and Tr3.
第1共振コンデンサCr1は、前述の一端と、他の共振コンデンサCr2,Cr3の他端に接続された他端とを有している。 The first resonant capacitor Cr1 has one end as mentioned above and the other end connected to the other ends of the other resonant capacitors Cr2 and Cr3.
本実施例では、第1共振コイルLr1、第1トランスTr1(励磁インダクタンス)および第1共振コンデンサCr1が直列共振回路を構成している。なお、この直列共振回路は、三相LLCコンバータ部3Aの第1相に位置する共振回路なので、「第1共振回路」であるといえる。第1共振回路は、スイッチング素子Q5,Q6によって駆動される。
In this embodiment, the first resonant coil Lr1, the first transformer Tr1 (excitation inductance), and the first resonant capacitor Cr1 form a series resonant circuit. This series resonant circuit is the first phase of the three-phase
スイッチング素子Q7,Q8、第2共振コイルLr2、第2共振コンデンサCr2および第2トランスTr2は、接続先がノードVp1,Vn1ではなくVp2,Vn2である点を除き、スイッチング素子Q5,Q6、第1共振コイルLr1、第1共振コンデンサCr1および第1トランスTr1と共通している。なお、第7スイッチング素子Q7のコレクタおよび第8スイッチング素子Q8のエミッタは、三相LLCコンバータ部3Aの「第2入力端」であるといえる。また、第2共振コイルLr2、第2トランスTr2および第2共振コンデンサCr2で構成された直列共振回路は、「第2共振回路」であるといえる。第2共振回路は、スイッチング素子Q7,Q8によって駆動される。
The switching elements Q7 and Q8, the second resonant coil Lr2, the second resonant capacitor Cr2, and the second transformer Tr2 are common to the switching elements Q5 and Q6, the first resonant coil Lr1, the first resonant capacitor Cr1, and the first transformer Tr1, except that they are connected to nodes Vp2 and Vn2 instead of Vp1 and Vn1. The collector of the seventh switching element Q7 and the emitter of the eighth switching element Q8 can be said to be the "second input terminal" of the three-phase
スイッチング素子Q9,Q10、第3共振コイルLr3、第3共振コンデンサCr3および第3トランスTr3も、接続先がノードVp1,Vn1ではなくVp3,Vn3である点を除き、スイッチング素子Q5,Q6、第1共振コイルLr1、第1共振コンデンサCr1および第1トランスTr1と共通している。なお、第9スイッチング素子Q9のコレクタおよび第10スイッチング素子Q10のエミッタは、三相LLCコンバータ部3Aの「第3入力端」であるといえる。また、第3共振コイルLr3、第3トランスTr3および第3共振コンデンサCr3で構成された直列共振回路は、「第3共振回路」であるといえる。第3共振回路は、スイッチング素子Q9,Q10によって駆動される。
The switching elements Q9 and Q10, the third resonant coil Lr3, the third resonant capacitor Cr3, and the third transformer Tr3 are the same as the switching elements Q5 and Q6, the first resonant coil Lr1, the first resonant capacitor Cr1, and the first transformer Tr1, except that they are connected to nodes Vp3 and Vn3 instead of Vp1 and Vn1. The collector of the ninth switching element Q9 and the emitter of the tenth switching element Q10 can be said to be the "third input terminal" of the three-phase
前述の通り、各トランスTr1,Tr2,Tr3の一次巻線は、共振コンデンサCr1,Cr2,Cr3を介して互いに接続されている。つまり、トランスTr1,Tr2,Tr3の一次巻線は、Y結線により中性点接続されている。 As mentioned above, the primary windings of the transformers Tr1, Tr2, and Tr3 are connected to each other via the resonant capacitors Cr1, Cr2, and Cr3. In other words, the primary windings of the transformers Tr1, Tr2, and Tr3 are neutral-connected by a Y connection.
前述の通り、各トランスTr1,Tr2,Tr3の二次巻線は、互いに直接的に接続されている。つまり、トランスTr1,Tr2,Tr3の二次巻線も、Y結線により中性点接続されている。 As mentioned above, the secondary windings of the transformers Tr1, Tr2, and Tr3 are directly connected to each other. In other words, the secondary windings of the transformers Tr1, Tr2, and Tr3 are also neutral-connected by a Y connection.
三相LLCコンバータ部3Aは、第3ダイオードD3、第4ダイオードD4、第5ダイオードD5、第6ダイオードD6、第7ダイオードD7および第8ダイオードD8と、出力コンデンサC2とをさらに備えている。
The three-phase
第3ダイオードD3は、出力端子T4に接続されたカソードと、第1トランスTr1を構成する二次巻線の一端に接続されたアノードとを有している。また、第4ダイオードD4は、第1トランスTr1を構成する二次巻線の一端に接続されたカソードと、出力端子T5に接続されたアノードとを有している。つまり、ダイオードD3,D4は、直列に接続された状態で出力端子T4-T5間に逆方向に設けられている。 The third diode D3 has a cathode connected to the output terminal T4 and an anode connected to one end of the secondary winding that constitutes the first transformer Tr1. The fourth diode D4 has a cathode connected to one end of the secondary winding that constitutes the first transformer Tr1 and an anode connected to the output terminal T5. In other words, the diodes D3 and D4 are connected in series and arranged in the opposite direction between the output terminals T4 and T5.
ダイオードD5,D6は、接続先が第1トランスTr1の二次巻線ではなく第2トランスTr2の二次巻線である点を除き、ダイオードD3,D4と共通している。ダイオードD7,D8も、接続先が第1トランスTr1の二次巻線ではなく第3トランスTr3の二次巻線である点を除き、ダイオードD3,D4と共通している。 Diodes D5 and D6 are the same as diodes D3 and D4, except that they are connected to the secondary winding of the second transformer Tr2 instead of the secondary winding of the first transformer Tr1. Diodes D7 and D8 are the same as diodes D3 and D4, except that they are connected to the secondary winding of the third transformer Tr3 instead of the secondary winding of the first transformer Tr1.
このように、ダイオードD3,D4,D5,D6,D7,D8は、三相LLCコンバータ部3Aの三相ダイオードブリッジ整流回路を構成している。
In this way, diodes D3, D4, D5, D6, D7, and D8 form a three-phase diode bridge rectifier circuit of the three-phase
出力コンデンサC2は、ダイオードD3,D4,D5,D6,D7,D8で構成された三相ダイオードブリッジ整流回路による整流後の電圧を平滑し得るように選定された平滑用コンデンサであり、出力端子T4に接続された一端と、出力端子T5に接続された他端とを有している。本実施例では、出力コンデンサC2として電解コンデンサを使用したが、これに代えてフィルムコンデンサを使用することもできる。 The output capacitor C2 is a smoothing capacitor selected to smooth the voltage after rectification by the three-phase diode bridge rectifier circuit composed of diodes D3, D4, D5, D6, D7, and D8, and has one end connected to the output terminal T4 and the other end connected to the output terminal T5. In this embodiment, an electrolytic capacitor is used as the output capacitor C2, but a film capacitor can also be used instead.
不図示の制御部は、MPU(Micro Processing Unit)、DSP(Digital Signal Processor)等で構成されている。制御部は、中間電圧(ノードVp1-Vn1間の電圧)に基づいて、PFC部21A,22A,23Aを構成するスイッチング素子Q1,Q2、および三相LLCコンバータ部3Aを構成するスイッチング素子Q5,Q6,Q7,Q8,Q9,Q10をオンオフ制御するように構成されている。
The control unit (not shown) is composed of an MPU (Micro Processing Unit), DSP (Digital Signal Processor), etc. The control unit is configured to control the on/off of the switching elements Q1 and Q2 that constitute the
具体的には、制御部は、不図示の検出回路によって各PFC部21A,22A,23Aの入力電圧、すなわち入力端子T1,T2,T3の電圧と、各PFC部21A,22A,23Aの出力電圧、すなわち中間電圧Vp1-Vn1,Vp2-Vn2,Vp3-Vn3とを検出し、中間電圧が所望の電圧になるように、各相に120°の位相差を設けて、スイッチング素子Q1,Q2を背反にPWM制御する。このように制御することで、各相を同じデューティで制御することができ、制御を簡素化することができる。また、制御部は、不図示の検出回路によって三相LLCコンバータ部3Aの出力電圧(出力端子T4-T5間の電圧)と、負荷20に供給する出力電流とを検出し、出力電流が所望の電流値になるようにスイッチング素子Q5、Q6の組、スイッチング素子Q7,Q8の組およびスイッチング素子Q9,Q10の組を背反に、かつ各組に120°の位相差を設けて、各組を同一周波数で、デューティ50%で周波数変調制御する。三相LLCコンバータ部3Aは電流共振型であるため、制御部は、スイッチング素子Q1,Q2,Q5,Q6,Q7,Q8,Q9,Q10を10kHz~数100kHzの範囲内)の高い周波数で駆動することができる。
Specifically, the control unit detects the input voltages of each
前述の通り、中間電圧は、商用周波数に起因する低周波リップルを含み得る。言い換えると、中間電圧は、安定した直流電圧ではない。このため、制御部は、商用周波数の逓倍に対して十分に短い周期で中間電圧をサンプリングし、このサンプリングにより得られた数値群から算出した実効値に基づいて制御を行う。 As mentioned above, the intermediate voltage may contain low-frequency ripples due to the commercial frequency. In other words, the intermediate voltage is not a stable DC voltage. For this reason, the control unit samples the intermediate voltage at a period that is sufficiently short relative to the multiplication of the commercial frequency, and performs control based on the effective value calculated from the group of values obtained by this sampling.
本実施例に係る三相AC/DC変換装置1Aにより、使用するコンデンサの容量を従来よりも小さく(究極的には、三相交流電源10の瞬時停電対策のためのものを除いて完全に電解コンデンサレスに)することができる理由は次の通りである。
The three-phase AC/
第1相に設けられた第1PFC部21Aに接続されたスイッチング素子Q5,Q6、第2相に設けられた第2PFC部22Aに接続されたスイッチング素子Q7,Q8および第3相に設けられた第3PFC部23Aに接続されたスイッチング素子Q9,Q10を商用周波数よりも十分に高い周波数でオンオフさせることで、発生する高周波スイッチングノイズを非平滑コンデンサC1で除去し、中間電圧に含まれる商用周波数の低周波リップルを、後段の三相ダイオードブリッジ整流回路(D3,D4,D5,D6,D7,D8)で6倍の高調波に変換する。高周波スイッチングノイズを除去するために必要な非平滑コンデンサC1の容量は、低周波リップルを除去するために必要な平滑コンデンサの容量よりも大幅に小さい。また、6倍に高周波化されたリップルを除去するために必要な出力コンデンサC2の容量は、PCF部21A,22A,23A内で低周波リップルを除去する場合に必要となる平滑コンデンサの容量よりも小さい。このため、三相AC/DC変換装置1A全体で使用されるコンデンサの容量は小さくなる。
By turning on and off the switching elements Q5 and Q6 connected to the
また、本実施例に係る三相AC/DC変換装置1Aにより、制御が簡単になる理由は次の通りである。
Furthermore, the three-phase AC/
3つのPFC部21A,22A,23Aが互いに中性点接続されているので、PFC部21A,22A,23Aにおける相間の不平衡が自律的に解消または緩和される。また、トランスTr1,Tr2,Tr3を構成する3つの一次側コイルおよび3つの二次側コイルがそれぞれ互いに中性点接続されているので、三相LLCコンバータ部3Aにおける相間の不平衡も自律的に解消または緩和される。このため、複雑な相毎の個別制御を行ったり、PFC部21A,22A,23Aおよび三相LLCコンバータ部3Aを連携させる特別な制御を行ったりする必要がない。
Because the three
[第2実施例]
図2に、本発明の第2実施例に係る三相AC/DC変換装置1Bを示す。三相AC/DC変換装置1Bは、PFC部21A,22A,23Aの代わりにPFC部21B,22B,23Bを備えている点において三相AC/DC変換装置1Aと相違しているが、他の点においては三相AC/DC変換装置1Aと共通している。
[Second embodiment]
2 shows a three-phase AC/
第1PFC部21Bは、双方向の動作が可能で、しかも部品点数が少ないブリッジPWM整流(インバータ)方式のPFC回路で構成されており、コイルL1と、第1スイッチング素子Q1および第2スイッチング素子Q2と、非平滑コンデンサC1とを備えている。
The
コイルL1は、入力端子T1に接続された一端と、スイッチング素子Q1,Q2に接続された他端とを有している。コイルL1の一端は、第1PFC部21Bの「入力端」であるといえる。
The coil L1 has one end connected to the input terminal T1 and the other end connected to the switching elements Q1 and Q2. One end of the coil L1 can be said to be the "input end" of the
スイッチング素子Q1,Q2は、IGBTで構成されている。スイッチング素子Q1,Q2にはFWDとしてのダイオードが逆並列接続されているが、これは、スイッチング素子Q1,Q2に内蔵されたものであってもよいし、外付けされたものであってもよい。 The switching elements Q1 and Q2 are composed of IGBTs. A diode serving as a FWD is connected in inverse parallel to the switching elements Q1 and Q2, but this may be built into the switching elements Q1 and Q2 or may be attached externally.
第1スイッチング素子Q1は、ノードVp1に接続されたコレクタと、コイルL1の他端に接続されたエミッタとを有している。また、第2スイッチング素子Q2は、コイルL1の他端に接続されたコレクタと、ノードVn1に接続されたエミッタとを有している。つまり、スイッチング素子Q1,Q2は、直列に接続された状態でノードVp1-Vn1間に設けられている。なお、第2スイッチング素子Q2のエミッタは、第1PFC部21Bの「他の入力端」であるといえる。
The first switching element Q1 has a collector connected to node Vp1 and an emitter connected to the other end of the coil L1. The second switching element Q2 has a collector connected to the other end of the coil L1 and an emitter connected to node Vn1. In other words, the switching elements Q1 and Q2 are connected in series and provided between nodes Vp1 and Vn1. The emitter of the second switching element Q2 can be said to be the "other input end" of the
スイッチング素子Q1,Q2は、不図示の制御部により、商用周波数よりも十分に高い10kHz~数100kHzの範囲内の高い周波数でオンオフ制御される。 The switching elements Q1 and Q2 are controlled to be turned on and off by a control unit (not shown) at a high frequency in the range of 10 kHz to several hundred kHz, which is sufficiently higher than the commercial frequency.
非平滑コンデンサC1は、スイッチング素子Q1,Q2のオンオフ制御により生じる高周波スイッチングノイズを吸収し得るように選定されたコンデンサであり、ノードVp1に接続された一端と、ノードVn1に接続された他端とを有している。本実施例でも、非平滑コンデンサC1としてフィルムコンデンサを使用したが、これに代えてセラミックコンデンサ等を使用することもできる。非平滑コンデンサC1の両端は、第1PFC部21Bの「出力端」であるといえる。
The non-smoothing capacitor C1 is a capacitor selected to absorb high-frequency switching noise generated by the on/off control of the switching elements Q1 and Q2, and has one end connected to node Vp1 and the other end connected to node Vn1. In this embodiment, a film capacitor is used as the non-smoothing capacitor C1, but a ceramic capacitor or the like can also be used instead. Both ends of the non-smoothing capacitor C1 can be said to be the "output ends" of the
第2PFC部22Bおよび第3PFC部23Bは、接続先が入力端子T1ではなくT2,T3である点、および接続先がノードVp1,Vn1ではなくVp2,Vn2,Vp3,Vn3である点を除き、第1PFC部21Bと共通している。
The
各PFC部21B,22B,23Bを構成する第2スイッチング素子Q2のエミッタ、すなわちノードVn1,Vn2,Vn3は、中性点Nにおいて互いに接続されている。つまり、PFC部21B,22B,23Bは、他の入力端において互いに中性点接続されている。
The emitters of the second switching elements Q2 constituting each of the
本実施例に係る三相AC/DC変換装置1Bによれば、第1実施例と同様の作用効果が得られる。
The three-phase AC/
[第3実施例]
図3に、本発明の第3実施例に係る三相AC/DC変換装置1Cを示す。三相AC/DC変換装置1Cは、PFC部21A,22A,23Aの代わりにPFC部21C,22C,23Cを備えている点において三相AC/DC変換装置1Aと相違しているが、他の点においては三相AC/DC変換装置1Aと共通している。
[Third Example]
3 shows a three-phase AC/
第1PFC部21Cは、2ステージ・インタリーブ方式のトーテムポール型PFC回路で構成されており、第1コイルL1および第2コイルL2と、第1スイッチング素子Q1、第2スイッチング素子Q2、第3スイッチング素子Q3および第4スイッチング素子Q4と、第1ダイオードD1および第2ダイオードD2と、非平滑コンデンサC1とを備えている。
The
第1コイルL1は、入力端子T1に接続された一端と、スイッチング素子Q1,Q2に接続された他端とを有している。また、第2コイルL2は、入力端子T1に接続された一端と、スイッチング素子Q3,Q4に接続された他端とを有している。コイルL1,L2の一端は、第1PFC部21Cの「入力端」であるといえる。
The first coil L1 has one end connected to the input terminal T1 and the other end connected to the switching elements Q1 and Q2. The second coil L2 has one end connected to the input terminal T1 and the other end connected to the switching elements Q3 and Q4. One end of the coils L1 and L2 can be said to be the "input end" of the
スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4は、IGBTで構成されている。スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4にはFWDとしてのダイオードが逆並列接続されているが、これは、スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4に内蔵されたものであってもよいし、外付けされたものであってもよい。 The switching elements Q1, Q2, Q3, and Q4 are composed of IGBTs. Diodes serving as FWDs are connected in inverse parallel to the switching elements Q1, Q2, Q3, and Q4, but these may be built into the switching elements Q1, Q2, Q3, and Q4 or may be externally attached.
第1スイッチング素子Q1は、ノードVp1に接続されたコレクタと、第1コイルL1の他端に接続されたエミッタとを有している。また、第2スイッチング素子Q2は、第1コイルL1の他端に接続されたコレクタと、ノードVn1に接続されたエミッタとを有している。つまり、スイッチング素子Q1,Q2は、直列に接続された状態でノードVp1-Vn1間に設けられている。 The first switching element Q1 has a collector connected to node Vp1 and an emitter connected to the other end of the first coil L1. The second switching element Q2 has a collector connected to the other end of the first coil L1 and an emitter connected to node Vn1. In other words, the switching elements Q1 and Q2 are connected in series and provided between nodes Vp1 and Vn1.
第3スイッチング素子Q3は、ノードVp1に接続されたコレクタと、第2コイルL2の他端に接続されたエミッタとを有している。また、第4スイッチング素子Q4は、第2コイルL2の他端に接続されたコレクタと、ノードVn1に接続されたエミッタとを有している。つまり、スイッチング素子Q3,Q4は、直列に接続された状態でノードVp1-Vn1間に設けられている。 The third switching element Q3 has a collector connected to node Vp1 and an emitter connected to the other end of the second coil L2. The fourth switching element Q4 has a collector connected to the other end of the second coil L2 and an emitter connected to node Vn1. In other words, the switching elements Q3 and Q4 are connected in series and provided between nodes Vp1 and Vn1.
スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4は、不図示の制御部により、商用周波数よりも十分に高い10kHz~数100kHzの範囲内の高い周波数でオンオフ制御される。 The switching elements Q1, Q2, Q3, and Q4 are controlled to be turned on and off by a control unit (not shown) at a high frequency in the range of 10 kHz to several hundred kHz, which is sufficiently higher than the commercial frequency.
第1ダイオードD1は、ノードVp1に接続されたカソードと、中性点Nに接続されたアノードとを有している。また、第2ダイオード素子D2は、中性点Nに接続されたカソードと、ノードVn1に接続されたアノードとを有している。つまり、ダイオードD1,D2は、直列に接続された状態でノードVp1-Vn1間に逆方向に設けられている。なお、ダイオードD1,D2の接続点は、第1PFC部21Cの「他の入力端」であるといえる。
The first diode D1 has a cathode connected to node Vp1 and an anode connected to the neutral point N. The second diode element D2 has a cathode connected to the neutral point N and an anode connected to node Vn1. In other words, the diodes D1 and D2 are connected in series and arranged in the opposite direction between nodes Vp1 and Vn1. The connection point of the diodes D1 and D2 can be said to be the "other input end" of the
非平滑コンデンサC1は、スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4のオンオフ制御により生じる高周波スイッチングノイズを吸収し得るように選定されたコンデンサであり、ノードVp1に接続された一端と、ノードVn1に接続された他端とを有している。本実施例でも、非平滑コンデンサC1としてフィルムコンデンサを使用したが、これに代えてセラミックコンデンサ等を使用することもできる。非平滑コンデンサC1の両端は、第1PFC部21Cの「出力端」であるといえる。
The non-smoothing capacitor C1 is a capacitor selected to absorb high-frequency switching noise generated by the on/off control of the switching elements Q1, Q2, Q3, and Q4, and has one end connected to node Vp1 and the other end connected to node Vn1. In this embodiment, a film capacitor is used as the non-smoothing capacitor C1, but a ceramic capacitor or the like can also be used instead. Both ends of the non-smoothing capacitor C1 can be said to be the "output ends" of the
第2PFC部22Cおよび第3PFC部23Cは、接続先が入力端子T1ではなくT2,T3である点、および接続先がノードVp1,Vn1ではなくVp2,Vn2,Vp3,Vn3である点を除き、第1PFC部21Cと共通している。
The
各PFC部21C,22C,23Cを構成するダイオードD1,D2の接続点は、中性点Nにおいて互いに接続されている。つまり、PFC部21C,22C,23Cは、他の入力端において互いに中性点接続されている。
The connection points of the diodes D1 and D2 constituting each of the
前述の通り、第1実施例および第2実施例では、中間電圧が商用周波数に等しい周波数のリップルを含み得る。一方、PFC部21C,22C,23Cが2ステージ・インタリーブ方式のトーテムポール型PFC回路である本実施例では、中間電圧が商用周波数の2倍の周波数のリップルを含み得る。このため、本実施例では、三相ダイオードブリッジ整流回路(D3,D4,D5,D6,D7,D8)による整流後の電圧に商用周波数の12倍(=2×6倍)の高調波が重畳される。そして、この結果、本実施例に係る三相AC/DC変換装置1Cによれば、第1実施例および第2実施例で使用した出力コンデンサC2よりも小容量な出力コンデンサC2で低周波リップルを吸収することが可能となり、ひいては三相AC/DC変換装置1Cをより一層小型化することができる。
As described above, in the first and second embodiments, the intermediate voltage may include ripples at a frequency equal to the commercial frequency. On the other hand, in this embodiment, in which the
[変形例]
以上、本発明に係る三相AC/DC変換装置の第1実施例、第2実施例および第3実施例について説明してきたが、本発明の構成はこれらに限定されるものではない。
[Modification]
Although the first, second and third embodiments of the three-phase AC/DC conversion device according to the present invention have been described above, the configurations of the present invention are not limited to these.
例えば、本発明に係る三相AC/DC変換装置は、図4に示す三相AC/DC変換装置1Dのように、三相LLCコンバータ部3Dの各トランスTr1,Tr2,Tr3を構成する一次巻線がΔ結線により中性点接続され、かつ各トランスTr1,Tr2,Tr3の二次巻線がΔ結線により中性点接続された三相LLCコンバータ部3Dを備えていてもよい。あるいは、本発明に係る三相AC/DC変換装置は、図5に示す三相AC/DC変換装置1Eのように、三相LLCコンバータ部3Eの各トランスTr1,Tr2,Tr3を構成する一次巻線がΔ-Cr結線により中性点接続され、かつ各トランスTr1,Tr2,Tr3の二次巻線がY結線により中性点接続された三相LLCコンバータ部3Eを備えていてもよい。つまり、本発明では、三相LLCコンバータ部のトランスTr1,Tr2,Tr3を構成する3つの一次巻線および3つの二次巻線を、それぞれ任意の方法で中性点接続することができる。
For example, the three-phase AC/DC conversion device according to the present invention may include a three-phase
また、三相LLCコンバータ部を構成する共振コイルLr1,Lr2,Lr3および共振コンデンサCr1,Cr2,Cr3は、一次側の任意に位置に配置されていてもよい。ただし、共振コイルLr1、共振コンデンサLr1および第1トランスTr1の一次巻線は、直列接続されていなければならない。共振コイルLr2,Lr3、共振コンデンサCr2,Cr3およびトランスTr2,Tr3についても同様である。 The resonant coils Lr1, Lr2, Lr3 and resonant capacitors Cr1, Cr2, Cr3 that make up the three-phase LLC converter section may be placed at any position on the primary side. However, the resonant coil Lr1, the resonant capacitor Lr1, and the primary winding of the first transformer Tr1 must be connected in series. The same applies to the resonant coils Lr2, Lr3, the resonant capacitors Cr2, Cr3, and the transformers Tr2, Tr3.
また、三相LLCコンバータ部を構成する共振コイルLr1,Lr2,Lr3は、トランスTr1,Tr2,Tr3の漏れインダクタンスであってもよい。言い換えると、本発明では、トランスTr1,Tr2,Tr3の漏れインダクタンスを共振コイルLr1,Lr2,Lr3として利用することができる。 The resonant coils Lr1, Lr2, and Lr3 constituting the three-phase LLC converter section may be the leakage inductances of the transformers Tr1, Tr2, and Tr3. In other words, in the present invention, the leakage inductances of the transformers Tr1, Tr2, and Tr3 can be used as the resonant coils Lr1, Lr2, and Lr3.
また、三相LLCコンバータ部は、三相ダイオードブリッジ整流回路(D3,D4,D5,D6,D7,D8)の代わりに、スイッチング素子で構成された同期整流回路を備えていてもよい。あるいは、三相LLCコンバータ部は、ダイオードのいくつか(D3,D5,D7、あるいはD4,D6,D8)をスイッチング素子に置き替えたブースト制御回路を備えていてもよい。 The three-phase LLC converter section may also include a synchronous rectifier circuit composed of switching elements instead of the three-phase diode bridge rectifier circuit (D3, D4, D5, D6, D7, D8). Alternatively, the three-phase LLC converter section may include a boost control circuit in which some of the diodes (D3, D5, D7, or D4, D6, D8) are replaced with switching elements.
また、三相LLCコンバータ部を構成するスイッチング素子Q5,Q6,Q7,Q8,Q9,Q10は、部分共振のためのコンデンサが並列に外付けされたものであってもよい。 In addition, the switching elements Q5, Q6, Q7, Q8, Q9, and Q10 that make up the three-phase LLC converter section may have an external capacitor connected in parallel for partial resonance.
また、第1PFC部、第2PFC部および第3PFC部は、高周波変換が可能なPFC回路(力率改善回路)と非平滑コンデンサとを組み合わせてなる任意の回路であってもよい。例えば、第1実施例のPFC部21A,22A,23Aを構成するスイッチング素子Q1およびダイオードD2は、位置が入れ替わっていてもよい。また、第3実施例のPFC部21C,22C,23Cは、3以上のステージ数のインタリーブ方式のPFC回路であってもよい。また、第1実施例のPFC部21A,22A,23Aおよび第3実施例のPFC部21C,22C,23Cは、ダイオードD1,D2の接続点と中性点Nとの間に位置するコイルをさらに備えていてもよい。
The first PFC section, the second PFC section, and the third PFC section may be any circuit that combines a PFC circuit (power factor correction circuit) capable of high-frequency conversion with a non-smoothing capacitor. For example, the switching element Q1 and the diode D2 that constitute the
また、第1PFC部、第2PFC部および第3PFC部は、中性点接続されていなくてもよい。例えば、第1PFC部、第2PFC部および第3PFC部の他の入力端は、三相交流電源の負極に接続されていてもよい。 Furthermore, the first PFC section, the second PFC section, and the third PFC section do not have to be neutral-point connected. For example, the other input terminals of the first PFC section, the second PFC section, and the third PFC section may be connected to the negative pole of the three-phase AC power supply.
また、第1PFC部、第2PFC部、第3PFC部および三相LLCコンバータ部は、IGBT以外の任意のパワー半導体スイッチング素子(例えば、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)等)で構成されたスイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6,Q7,Q8,Q9,Q10を備えていてもよい。もちろん、本発明では、Si(Silicon)系以外の任意の種類(例えば、SiC(Silicon Carbide)系、GaN(Gallium Nitride)系等)のパワー半導体スイッチング素子を使用することもできる。 The first PFC section, the second PFC section, the third PFC section and the three-phase LLC converter section may also include switching elements Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8, Q9 and Q10 configured with any power semiconductor switching element other than an IGBT (e.g., MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) etc.). Of course, in the present invention, any type of power semiconductor switching element other than Si (Silicon) based (e.g., SiC (Silicon Carbide) based, GaN (Gallium Nitride) based, etc.) can also be used.
また、制御部は、第1PFC部、第2PFC部、第3PFC部および三相LLCコンバータ部をまとめて制御する単一の制御部で構成されていてもよいし、これらを分担して制御する複数の制御部で構成されていてもよい。さらに、制御部は、第1PFC部、第2PFC部および第3PFC部を任意の方法で制御してもよい。例えば、制御部は、PWM方式でこれらを制御してもよいし、PFM方式でこれらを制御してもよい。 The control unit may be configured as a single control unit that collectively controls the first PFC unit, the second PFC unit, the third PFC unit, and the three-phase LLC converter unit, or may be configured as multiple control units that share and control these units. Furthermore, the control unit may control the first PFC unit, the second PFC unit, and the third PFC unit in any manner. For example, the control unit may control them using a PWM method, or may control them using a PFM method.
また、制御部は、三相LLCコンバータ部の上アームを構成するスイッチング素子Q5,Q7,Q9をオンオフさせるタイミングと下アームを構成するスイッチング素子Q6,Q8,Q10をオンオフさせるタイミングとを所定の量だけずらす位相シフト制御により出力を増減させてもよいし、スイッチング素子Q5,Q6,Q7,Q8,Q9,Q10のデューティを変更することにより出力を増減させてもよい。 The control unit may increase or decrease the output by phase shift control that shifts by a predetermined amount the timing for turning on and off the switching elements Q5, Q7, and Q9 that constitute the upper arm of the three-phase LLC converter unit and the timing for turning on and off the switching elements Q6, Q8, and Q10 that constitute the lower arm, or may increase or decrease the output by changing the duty of the switching elements Q5, Q6, Q7, Q8, Q9, and Q10.
また、制御部は、ローパスフィルタ回路を介して中間電圧を検出することにより中間電圧の実効値を取得してもよい。あるいは、制御部は、ピークホールド回路を介して検出した中間電圧のピーク値に基づいて中間電圧の実効値を算出してもよい。なお、ローパスフィルタ回路またはピークホールド回路に使用するコンデンサは、取り扱う信号が小信号なので、主回路(PFC部)の中間電圧を平滑するコンデンサに比べて十分に小容量で小型のものでよい。 The control unit may also obtain the effective value of the intermediate voltage by detecting the intermediate voltage through a low-pass filter circuit. Alternatively, the control unit may calculate the effective value of the intermediate voltage based on the peak value of the intermediate voltage detected through a peak-hold circuit. Note that the capacitor used in the low-pass filter circuit or peak-hold circuit may be sufficiently small and of small capacity compared to the capacitor that smoothes the intermediate voltage in the main circuit (PFC unit) because the signals handled are small signals.
また、制御部は、各相の中間電圧の実効値ではなく、例えば、各相の中間電圧の時間平均値(つまり、3つの平均値)に基づいて制御を行ってもよいし、各相の中間電圧の時間平均値をさらに平均化したもの(つまり、1つの平均値)に基づいて制御を行ってもよい。 In addition, the control unit may perform control based on, for example, the time average value of the intermediate voltage of each phase (i.e., three average values) rather than the effective value of the intermediate voltage of each phase, or may perform control based on a further average of the time average value of the intermediate voltage of each phase (i.e., one average value).
また、制御部は、相間の不平衡が前述の不平衡解消(緩和)機能により解消(緩和)可能な範囲を超えそうな場合、または超えた場合に、各相のPFC部(例えば、第1実施例では第1PFC部21A、第2PFC部22Aおよび第3PFC部23A)の出力電圧を個別に制御し、これにより不平衡を解消(緩和)可能な程度とする機能を有していてもよい。
The control unit may also have a function of individually controlling the output voltage of the PFC unit of each phase (for example, the
また、図1~図5に示された各素子は機能を表す記号にすぎず、例えば、スイッチング素子Q1,Q2,Q3,Q4,Q5,Q6,Q7,Q8,Q9,Q10は、同一の、または異なる複数の素子を直列に、または並列に接続したものであってもよい。また、トランスTr1,Tr2,Tr3のそれぞれは、単相巻きのトランスであってもよいし、直列または並列に接続された複数のトランスで構成されたものであってもよい。あるいは、トランスTr1,Tr2,Tr3は、三相コイルを有する1個または複数個のトランスで構成された結合トランスであってもよい。その他の素子についても同様である。 In addition, each element shown in Figures 1 to 5 is merely a symbol indicating a function, and for example, switching elements Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, Q6, Q7, Q8, Q9, and Q10 may be the same or different elements connected in series or in parallel. Also, each of transformers Tr1, Tr2, and Tr3 may be a single-phase winding transformer, or may be composed of multiple transformers connected in series or in parallel. Alternatively, transformers Tr1, Tr2, and Tr3 may be a coupled transformer composed of one or multiple transformers with a three-phase coil. The same applies to the other elements.
また、本発明に係る三相AC/DC変換装置に電力を供給する三相交流電源は、200V系の商用交流電源に限定されない。例えば、三相交流電源は、200V系の他の交流電源であってもよいし、400V系等の交流電源であってもよい。 The three-phase AC power supply that supplies power to the three-phase AC/DC conversion device according to the present invention is not limited to a 200V commercial AC power supply. For example, the three-phase AC power supply may be another 200V AC power supply, or may be a 400V AC power supply, etc.
また、本発明に係る三相AC/DC変換装置によって電力が供給される負荷は、電気自動車の駆動用バッテリに限定されない。例えば、負荷は、分散電源等における他の蓄電池であってもよいし、直流負荷等であってもよい。 In addition, the load to which power is supplied by the three-phase AC/DC conversion device according to the present invention is not limited to the drive battery of an electric vehicle. For example, the load may be another storage battery in a distributed power source, or a DC load, etc.
1A,1B,1C,1D,1E 三相AC/DC変換装置
21A,21B,21C 第1PFC部
22A,22B,22C 第2PFC部
23A,23B,23C 第3PFC部
3A,3D,3E 三相LLCコンバータ部
10 三相交流電源
20 負荷
1A, 1B, 1C, 1D, 1E Three-phase AC/
Claims (6)
入力端に前記第1相電力が入力される第1PFC部と、
入力端に前記第2相電力が入力される第2PFC部と、
入力端に前記第3相電力が入力される第3PFC部と、
前記第1PFC部の出力端に接続された第1入力端、前記第2PFC部の出力端に接続された第2入力端および前記第3PFC部の出力端に接続された第3入力端を有する三相LLCコンバータ部と、
少なくとも前記第1PFC部、前記第2PFC部および前記第3PFC部を制御する制御部と
を備え、
前記第1PFC部、前記第2PFC部および前記第3PFC部は、それぞれ前記制御部によって前記三相交流電源の周波数よりも高い周波数でオンオフ制御されるスイッチング素子と該制御により生じるノイズを除去するためのコンデンサとを含み、
前記三相LLCコンバータ部は、前記第1入力端に接続された第1絶縁トランス、前記第2入力端に接続された第2絶縁トランスおよび前記第3入力端に接続された第3絶縁トランスを含む
ことを特徴とする三相AC/DC変換装置。 A three-phase AC/DC conversion device that converts first phase power, second phase power, and third phase power supplied from a three-phase AC power source into desired DC power,
a first PFC unit having an input terminal to which the first phase power is input;
a second PFC unit having an input terminal to which the second phase power is input;
a third PFC unit having an input terminal to which the third phase power is input;
a three-phase LLC converter unit having a first input terminal connected to an output terminal of the first PFC unit, a second input terminal connected to an output terminal of the second PFC unit, and a third input terminal connected to an output terminal of the third PFC unit;
a control unit that controls at least the first PFC unit, the second PFC unit, and the third PFC unit,
the first PFC unit, the second PFC unit, and the third PFC unit each include a switching element that is on/off controlled by the control unit at a frequency higher than a frequency of the three-phase AC power supply, and a capacitor for removing noise generated by the control,
a first isolation transformer connected to the first input terminal, a second isolation transformer connected to the second input terminal, and a third isolation transformer connected to the third input terminal.
前記第1絶縁トランス、前記第2絶縁トランスおよび前記第3絶縁トランスを構成する3つの一次側コイルおよび3つの二次側コイルは、それぞれ互いに中性点接続されている
ことを特徴とする請求項1に記載の三相AC/DC変換装置。 the first PFC section, the second PFC section, and the third PFC section are connected to each other at a neutral point;
2. The three-phase AC/DC conversion device according to claim 1, wherein the three primary coils and the three secondary coils constituting the first isolation transformer, the second isolation transformer and the third isolation transformer are respectively connected to each other at their neutral points.
ことを特徴とする請求項2に記載の三相AC/DC変換装置。 3. The three-phase AC/DC conversion device according to claim 2, wherein the frequency of the on/off control is 10 kHz or more.
ことを特徴とする請求項2に記載の三相AC/DC変換装置。 3. The three-phase AC/DC conversion device according to claim 2, wherein the capacitor is a film capacitor or a ceramic capacitor.
ことを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載の三相AC/DC変換装置。 5. The three-phase AC/DC conversion device according to claim 1, wherein the first PFC section, the second PFC section, and the third PFC section are each an interleaved PFC circuit.
ことを特徴とする請求項1~4のいずれか一項に記載の三相AC/DC変換装置。 5. The three-phase AC/DC conversion device according to claim 1, wherein the control unit performs the on/off control in the first PFC unit, the second PFC unit, and the third PFC unit based on an effective value of a voltage at each of the output terminals.
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