Top > Search of Japanese Patents > SOFT SWITCHING CIRCUIT FOR TWO-WAY DC-DC CONVERTER

SOFT SWITCHING CIRCUIT FOR TWO-WAY DC-DC CONVERTER

Patent code P08A013902
File No. 7
Posted date Oct 31, 2008
Application number P2004-268376
Publication number P2006-087197A
Patent number P4411436
Date of filing Sep 15, 2004
Date of publication of application Mar 30, 2006
Date of registration Nov 27, 2009
Inventor
  • (In Japanese)千住 智信
  • (In Japanese)金城 達人
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人 琉球大学
Title SOFT SWITCHING CIRCUIT FOR TWO-WAY DC-DC CONVERTER
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a simple resonance circuit wherein, especially, the switch of a two-way DC-DC converter is subjected to soft switching in a current source inverter for power storage devices.
SOLUTION: A two-way DC-DC converter 2 includes: a first diode D1 whose anode is connected with an input-side negative terminal and whose cathode is connected with an output-side positive terminal; a second diode D2 whose anode is connected with an output-side negative terminal and whose cathode is connected with an input-side positive terminal; a first semiconductor switch SW1 provided between the input-side positive terminal and the output-side positive terminal; and a second semiconductor switch SW2 provided between the output-side negative terminal and the input-side negative terminal. A first inductor Lr1 for resonance is provided in series with the first semiconductor switch, and a second inductor Lr2 for resonance is provided in series with the second semiconductor switch. A capacitor Cr for resonance is provided in parallel with the output-side terminals. The semiconductor switches SW1 and SW2 are operated when the resonance current generated during charging/discharging is zero.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


近年、パワーエレクトロニクス技術の進歩を背景に、種々の大容量電力貯蔵装置が開発されている。現状で実用化されている大容量電力貯蔵装置に揚水発電所があるが、今後の建設は難しく発展性がない。また二次電池は環境への影響などが心配される。
近年、数1000μFオーダー以上という驚異的な静電容量を持つ電気二重層キャパシタ(EDLC)素子が出現し、これにパワーエレクトロニクス技術を利用することにより、二次電池に匹敵するエネルギ密度や出力密度を有する大容量電力貯蔵装置が開発されている。



一般に、電気二重層キャパシタバンクを利用した電力貯蔵装置(ECaSS)には電圧形インバータが用いられるが、単セルの耐電圧が3V以下でエネルギ放電に伴う端子電圧の低下が無視できないEDLC固有の特性に伴う直流リンク電圧の低下、出力低下、出力制御の困難性などの欠点が存在する。
発明者らは、ECaSSに電流形インバータを適用することによりこれらの欠点を解消する研究を行ってきた。電流形インバータは、過電流保護が容易、分散型電源に使用するときに単独運転の危険性が無いなど、電圧形インバータにない利点を有する。電流形インバータでは、直流電流の方向が変化せず、直流リンク電圧の極性を変化させることで電力の授受を行うため、充放電を行うには直流部に双方向DC-DCコンバータを設ける。



電流形インバータを用いる利点として、(1)比較的小さい直流入力電圧で大容量の電力を出力できる、(2)エネルギ放電に伴うEDLCの端子電圧が低下して直流リンク電圧が変動した場合でも低出力を維持できる、(3)直流部に接続する双方向DC-DCコンバータを用いて直流電流制御を行うことによってEDLCの内部抵抗損失を低減することができる、などを挙げることができる。
このように、電力貯蔵装置には電流形インバータの使用が好ましく、電流形インバータの汎用性の向上と変換効率の向上が求められている。特に、分散型電源には電流形インバータをパワーコンデショナーとして利用することが有利で、電力業界でも電流形インバータの需要がますます増大すると予測される。



しかし、自励式半導体素子を用いてハードスイッチングする電流形インバータでは、スイッチングによる電力損失が大きいためエネルギ変換効率が低く、また急峻な電圧・電流波形を生じるため装置ストレスが大きく製造コストが高くついた。さらに、電磁妨害(EMI)を発生するため、環境性にも問題があった。
スイッチング損失を低減し電磁妨害を抑制するため、共振を用いて、電流あるいは電圧がゼロのときにスイッチング素子をオン・オフするソフトスイッチング手法が用いられる。しかし、半導体素子および共振素子からなる回路構成が複雑となる。また、簡単な回路としては、双方向性を持たない無効電力制御に限定するものしかなかった。さらに、電力貯蔵装置に適用するには、電力の充放電を可能とする双方向性の共振回路構成が難しいため、大電力を扱う分野において、このような共振回路が実用化された例はなかった。



特許文献1には、電流形インバータに相当するDCリンク・LC直列共振形の高周波共振リンクを持つ電力変換装置において、ソフトスイッチングを利用し直流電源への電力回生が可能な回路が開示されている。
開示された回路は、LC直列共振回路中に共振コンデンサの充放電を制御するスイッチ素子を備えると共に、直流電流供給用インダクタと磁気的に密結合したフィードバック用インダクタとダイオードの直列回路を直流電源に並列接続したもので、電源装置から供給される直流電流がゼロになるとレンツの法則に従ってフィードバック用インダクタに大きなフィードバック電流が流れてバッテリに余剰電力が回生される。



開示された電流形インバータは、インバータのサイリスタがソフトスイッチングを行うためスイッチング損失が小さくなりインバータ効率が向上し、またスイッチングによるEMIが発生しない。
しかし、開示回路では共振回路部に双方向性を与えることができないため、バッテリから供給される電流によってフィードバック用インダクタに発生する起電力による電流を電力回生するだけで、系統側で発生する余剰電力を吸収する機構になっていない。



特許文献2には、商用電源の配電網から離れた離島などで利用できる発電設備が開示されている。この開示装置は、太陽光や風力など自然エネルギを利用する主発電装置の出力が不足する毎に起動されて主発電装置の出力が回復するまで運転する化石燃料で運転される補助発電装置を組み合わせたもので、補助発電装置の起動過渡期間の電力補償エネルギを保持するキャパシタバンクと双方向コンバータを備える。



自然エネルギを利用する主発電装置の出力不足を検知すると、双方向コンバータのインバータ運転によりキャパシタバンクの直流出力を定電圧制御して交流化し、配電線に供給して出力を補うことができる。また、主発電装置の出力に余剰があるときは、コンバータ運転して配電線の交流電力の一部を充電用の直流電力に変換してキャパシタバンクを充電する。双方向コンバータ内部の回路は開示されていないが、放電と充電を切り換えるために、充電路ダイオードと放電路スイッチを並列に組んだ回路が用いられる。この切り換え回路は電流共振形でなく、放電路スイッチは放電期間中は常時オンにすればよいので、ソフトスイッチングする要請は少ない。
なお、補助発電装置の起動過渡期間は数秒であるので、キャパシタバンクは大きな電力貯蔵を必要としない。
【特許文献1】
特開平8-51781号公報
【特許文献2】
特開2001-136681号公報

Field of industrial application (In Japanese)


本発明は、電流形インバータに接続する双方向DC-DCコンバータのソフトスイッチング回路に関し、特に充電可能な電力貯蔵装置に最適に用いることができる双方向DC-DCコンバータのソフトスイッチング回路に関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
入力側正極端子と負極端子および出力側正極端子と負極端子を有し、前記入力側負極端子にアノードを接続し前記出力側正極端子にカソードを接続した第1ダイオード、前記出力側負極端子にアノードを接続し前記入力側正極端子にカソードを接続した第2ダイオード、前記入力側正極端子と前記出力側正極端子の間に設けられた第1半導体スイッチ、および前記出力側負極端子と前記入力側負極端子の間に設けられた第2半導体スイッチにより構成される双方向DC-DCコンバータにおいて、
前記第1半導体スイッチに直列に第1共振用インダクタを設け、前記第2半導体スイッチに直列に第2共振用インダクタを設け、出力側正極端子と出力側負極端子の間に共振用キャパシタを設け、前記第1半導体スイッチと第2半導体スイッチを共振電流がゼロのときに作動させる制御器を備えたことを特徴とする電流共振形の双方向DC-DCコンバータのソフトスイッチング回路。

【請求項2】
 
前記第1半導体スイッチはアノードを前記入力側正極端子の方に向けカソードを前記出力側正極端子の方に向けたGTOサイリスタ、前記第2半導体スイッチはアノードを前記出力側負極端子の方に向けカソードを前記入力側負極端子の方に向けたGTOサイリスタであることを特徴とする請求項1記載の双方向DC-DCコンバータのソフトスイッチング回路。

【請求項3】
 
前記共振用キャパシタの容量をCrとしたとき、Crは、入力電圧をVin、出力端子に接続した直流出力電流をIdc、第1,第2の共振用インダクタのインダクタンスをそれぞれLr1,Lr2とするときに、不等式
Cr≧(Idc/Vin)2(Lr1+Lr2)
で表される関係を有するようにすることを特徴とする請求項1または2記載の双方向DC-DCコンバータのソフトスイッチング回路。

【請求項4】
 
電力貯蔵要素を前記入力側正極および負極端子に接続し、前記出力陽極端子は出力インダクタを介しまた前記出力負極端子は直接に電流形インバータに接続することにより、電力貯蔵装置を形成したことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の双方向DC-DCコンバータのソフトスイッチング回路。

【請求項5】
 
前記電力貯蔵要素は、電気二重層キャパシタを複数用いて形成されるキャパシタバンクで構成されることを特徴とする請求項4記載の双方向DC-DCコンバータのソフトスイッチング回路。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

※Click image to enlarge.

JP2004268376thum.jpg
State of application right Registered
Please contact us by E-mail or facsimile if you have any interests on this patent.


PAGE TOP

close
close
close
close
close
close
close