2次側位相シフトPWM制御DC-DCコンバータの特性解析

パ ワ ー エ レ ク トロ ニ ク ス 研 究 会 論 文 誌Vol. _{28 (2003 . 3)}

論 文

JSPE-28-27

2次 側 位 相 シ フ トPWM制

御DC-DCコ

ンバ ー タ の 特 性 解 析

characteristic analysis of the DC-D converter using secondary side phase

shift PWM control

横 山 大 大 江 武 彦 田 原 潤 道 平 雅 一 尼 子 邦 之

Recently, the DC-DC converter using high frequency AC link circuit is used. And phase shift control

has been conventionally used for the control system. However, by this method, you have to pass much

resonance current at auxiliary inductance to perform soft switching for the circulation current caused

during the circulated time. Therefore, conduction loss was increased and we were not able to be

expected in order to raise efficiency.

So, in this research, secondary side phase shift PWM control is proposed. This system removes the

circulation current and can solve the problem of phase shift control, so high efficiency can be made to

realize. 1、 は じめ に 近 年、 電 力 用 半 導 体 デ バ イ ス の 性 能 が飛 躍 的 に 向 上 し、 電 力 変 換 装 置 の 大 き な メ リ ッ トを生 む よ うに な っ て き た。 しか しそ の 一 方 で、 スイ ッチ ン グ過 渡 時 に生 じる 問題 点 が ク ロー ズ ァ ップ され て き た。 そ こで、 そ れ を解 決 す る一 方式 と して ソ フ トスイ ッチ ン グ と称 され る新 しい ス イ ッチ ン グ方 式 が提 案 され、 これ を利 用 した電 力 変 換 装 置 に 関 す る研 究 が活 発 に 行 わ れ て い る。 本 研 究 で は、 高 周 波ACリ ン ク回 路 を位 相 シ フ ト制 御 で動 作 させ る際 の 問題 点 を解 決 で き る新 しい 制 御 方 法 で あ る、 二 次 側 位 相 シ フ トPWM制 御(以 下: 二 次 側 位 相 制 御)を 用 い た DC・DCコ ンバ ー タ の製 作 お よび 高 効 率化 を 行 う。 2、 高 周 波ACリ ン クDC-DCコ ンバ ー タの 回 路 構 成 図2.1に 位相 シ フ トPWM制 御DUDCコ ンバ ー タの 回 路 構 成 を、 図2.2に そ の ス イ ッチ ン グ シー ケ ン ス と1次 側 高 周 波 イ ンバ ー タ 出 力 電 圧 ・電 流波 形 を示 す。 こ の制 御 方 式 の 大 き な特 徴 は、 高 周 波 イ ンバ ー タ の ア ー ム間 に位 相 差 を与 え る こ と に よ り、 出 力 され る 直流 電 圧 の 制御 を容 易 に行 え る こ とで あ る。 しか しな が ら、位 相 シ フ トPWM制 御 を行 う と、 高周 波 イ ンバ ー タ の 出 力 電 圧 がゼ ロ とな る期 間、 す な わ ち ダイ オ ー ド整 流 回路 の 環 流 期 間 に循 環 電 流 が発 生 し、ま た、 高 周 波 イ ンバ ー タ の ス イ ッチ ン グ時 に急 激 な電 流 変 動 が 生 じて しま う。 図2.1 位 相 シ フ トPWM制 御DC-DCコ ン バ ー タ(従 来 方 式) 循環 電流の除去や、急激 な電流 変動 を抑制す るために、ダ イ オー ド整流 回路内に制御 可能 なパ ワーデ バイ スを接続 した 図2.2 位 相 シ フ トPWM制 御 の ス イ ッチ ン グ シー ケ ン ス と 高周 波 イ ンバ ー タ 出 力波 形 S1, S2 駆 動 信 号 S3, S4 駆 動 信 号 出 力 電 圧 V1 出 力 電 流 it

-134-回路 構 成 とな る高 周 波ACリ ン クD(}DCコ ンバ ー タ を、 図 2.3に 示 す。 図 中のL51、Ls2は、 高 周 波 トラ ン ス の漏 れ イ ン ダ ク タ ン ス で あ る。 定 常 状 態 で の スイ ッチ ング シー ケ ン ス と 基 本 動 作波 形 を図2.4に 示 す。 出 力 電圧 の 制 御 は、 提 案 す る2次 側PWM制 御 で 行 う。新 しい制 御 方 式 で あ る2次 側PWM制 御 は、1次 側 と 同期 させ た2次 側 のパ ワー デ バ イ ス の位 相 を シ フ トさせ 出 力 電 圧 を制 御 す る。 この た め、1次 側 の フル ブ リ ッジイ ンバ ー タは ア ー ム間 に位 相 差 が な く、デ ッ ドタ イ ム を含 む50%Dutyで 対称 駆動 す る方 形 波 発 振 回 路 と して 動 作 す る。 2次 側PWM制 御 の特 徴 は、1次 側 か ら2次 側 へ 電 力 を供 給 しない 環 流 期 間 に2次 側 スイ ッチ のS5、S6が と もに オ フ とな ってD7、D8が オ ン と な り、負 荷 電 洗 が 高周 波 トラ ン ス を介 さず2次 側 回 路 の み で 環 流 す る とこ ろ で あ る。 この時、1 次 側 か ら見 て2次 側 が 開放 され た 状 態 と等 し くな る た め、1 次 側 に循 環 電 流 が 生 じな くな る。 この結 果 方 式 で は、 環 流 期 間 に 流 れ る循 環 電 流 に よ り導 通 損 失 が生 じて い た が、 提 案 す る2次 側PWM制 御 で は 単独 環 流 期 間 とな るた め、 循 環 電 流 に よる 導 通 損 失 が ほ とん ど生 じな くな る。 3、 シ ミュ レー シ ョン に よ る動 作 解 析

ATP(Alternative Transients Program)を 用 い た 二 次 側 位

相 シ フ トPWM制 御DC-DCコ ンバ ー タの シ ミュ レー シ ョン 解 析 に よ り得 られ た 一 次 側 イ ン バ ー タ 出 力 電 圧 を図(a)に 示 す。 図3(a)か ら、 トラ ンス 電 圧V1が 反 転 して も、 イ ンバ ー タ 電 流i1は ゼ ロま で の 変 化 に と どま り、環 流期 間 に 環 環 電 流 が流 れ て い な い こ とが わ か る。 ま た、 これ らの 波 形 か ら、原 理 通 りの動 作 が な され て い る こ とが確 認 で き る。 次 に試 作 実 験 に よ り得 られ た実 測 波 形 を 図3(b)に 示 す。 同 図(a)の シ ミ ュ レー シ ョ ン解 析 に よ り得 られ た 波 形 と ほ ぼ 一 致 す る こ とか ら、 試 作 実 験 に よ り得 られ た結 果 も妥 当 で あ る と考 え られ る。 4、 動 作 確 認 製 作 した 位 相 シ フ トPWM制 御DC-DCコ ンバ ー タ及 び2 次側PWM制 御DC-DCコ ンバ ー タ にお い て、 先 に述 べ た よ うな 原 理 通 りの動 作 が な され て い るか を:確認 す るた め に、 実 験 器 の 動 作確 認 を行 っ た。 図2.3 2次 側PWM制 御DC・DCコ ン バ ー タ(提 案 方 式) 図2.4 定 常 状 態 で の ス イ ッチ ン グ シー ケ ンス と基 本 動 作 波 形

-135-図4.1に 高周 波 イ ンバ ー タ 出力 電 圧 電 流 波 形 を示 す。 これ を 見 る と、位 相 シ フ トPWM制 御DC・DCコ ンバ ー タ で は、1 次 側 か ら2次 側 へ 電 力 を供 給 しな い期 間 に、 高 周 波 トラ ンス に循 環 電 流 が 流 れ て い る こ とが確認 で き る。それ に対 して、2 次 側PWM制 御DC・DCコ ン バ ー タ で は、 そ の期 間 は 高 周 波 トラ ン ス の励 磁 電流 の み が わ ず か に流 れ て お り、循 環 電 流 を 除 去 で き て い る こ とが わ か る。 そ の た め、 瞬 時 に正 負 が 逆転 す る電 流i1の 急 激 な 変 動 も抑 制 で き て い る こ とが確 認 で き る。 図4.2に 補 助 イ ン ダ ク タ電 流 波 形 を示 す。 この波 形 か ら、 提 案 方 式 で は従 来 方 式 と比 較 して、1次 側 高 周 波 イ ンバ ー タ のZVSに 必 要 な共 振 電 流 を非 常 に小 さ く抑 え られ て い る こ とが 見 て とれ る。 これ よ り、1次 側 高 周 波 イ ンバ ー タのZVS を実 現 させ る際 に、 従 来 方 式 で は循 環 電 流 の影 響 に よっ て負 荷電 流 の 大 き さに応 じた 共 振 電 流 が 必 要 で あ っ た が、 提 案 方 式 で は単 独 環流 期 間 を設 けた こ と に よ っ て、:負荷 電 流 の 大 き さ に依 存 す る こ とな く、ZVSを 実 現 で き て い る こ とが確 認 で き る。 最後 に位 相 シ フ トPWM制 御DC・DCコ ンバ ー タ と2次 側 PWM制 御DC・DCコ ンバ ー タの 電 力 変 換 効 率 の比 較 を行 つ た。 図4.3に 負 荷 を変 動 させ た 際 の 電 力 変 換 効 率 を示 す。 入 力 電 圧Eは200Vと して、出 力 電圧Eoは100Vに 制 御 した。 図4.1 高 周 波 イ ンバ ー タ 出 力電 圧 電 流波 形 (a) 位 相 シ フ トPWM制 御DC-DCコ ン バ ー タ (b) 2次 側PWM制 御DC-DCコ ン バ ー タ 図4.2 補 助 イ ン ダ ク タ電 流 波 形 (a) 位 相 シ フ トPWM制 御DC・DCコ ン バ ー タ (b) 2次 側PWM制 御DC・DCコ ン バ ー タ

-136-この 図 か ら、提 案 方式 で は 従 来 方 式 と比 べ て、 最 低 で も5% 以 上 の 効 率 改 善 が な され て い る こ とが 理 解 で き る。 ま た、 従 来 方 式 の 場 合、 重 負 荷 時 に は あ る程 度 高 い 効 率 を保 っ て い る が、 軽 負 荷 時 に は著 しい変 換 効 率 の 低 下 が 見 られ る。 そ れ に 対 して 提 案 方 式 で は、 軽 負 荷 か ら重 負 荷 に 渡 る様 々 な負 荷 に 対 して、 安 定 した 高い 変 換 効 率 を維 持 で き て い る こ とが 確認 で き る。 以 上 の考 察 か ら、提 案 した2次 側PWM制 御DC-DCコ ン バ ー タ は、 従 来 の位 相 シ フ トPWM制 御DC・DCコ ンバ ー タ と比 較 して、 電 力 変換 効 率 の 高 効 率 化 に非 常 に 有 効 な 回 路 構 成及 び 制御 方 式 で あ る こ とが 確 認 され た。 5、 ま とめ 本 報 告 書 は従 来 制御 方 式 の問 題 点 を解 決 す る一 手 段 と して、 二 次側 位 相 シ フ トPWM制 御 を提 案 し、 そ れ を用 い た高 周 波 ACリ ン クDC-DCコ ンバ ー タ の動 作 原 理 と特 徴 を述 べ た。ま た、 そ の 試 作 回 路 の動 作 につ い て述 べ、 そ の 効 率 を 向上 で き る点 に つ い て 考 察 した。 図4.3 電 力 変 換 効 率 の 比 較 図6.1 2次 側PWM制 御DC-DCコ ンバ ー タの 出力 電 圧 制 御 特性 参 考 文献 [1] 高 田剛、 道 平 雅 一、 津 吉 彰、 尼 子 邦 之:「 高 周 波ACリ ン クDC-DCコ ンバ ー タ の 特 性 解 析 」、平13電 気 関係 学 会 関 西 支 部 連 合 大 会 講 演 論 文集、G5-18、2001. [2] 松 下悟 史、 赤 松 慶 治、 道 平雅 一、 津 吉 彰、 尼 子 邦 之:「 高 周 波ACリ ン クDC-DCコ ン バ ー タ の 制御 特 性 」、平12電 気 学 会 全 国 大 会 講 演 論 文集、No.4-029、2000. 【質 疑応 答 】 質 問者: シ ャー プ(株)西 村 和仁 氏 1、 質 問 内 容 (1) 補 助 イ ン ダ ク タに 流 れ る電 流 の 改 善 は どの程 度 か。 (2) 入 力 電 圧、 出 力 電 圧 は い く らか。 (3) どの よ うな用 途 のDC-DCコ ンバ ー タ か。 2、 回答 (1) 2[A]か ら0.5[A]で す。 (2) 200W100Vで す。 (3) 太 陽光 発 電 だ け で な く、熱 電 発 電 な どを含 め た 異種 電源 の 連 携 を制 御 す る こ とな どを考 え てい ま す の で、5kw程 度 の 中容 量 を 目標 に して い ま す。 質 問者: 松 下 電 器 大 森 秀 樹 氏 1、 質 問 内容 (1) 電 力 制 御 特 性 を 明 らか に して下 さい。 2、 回答 (1) 図6.1に2次 側PWMDC-DCコ ンバ ー タ の 出 力 電圧 制御 特 性 を 示 します。 横 軸 は位 相 差 角 α(deg)で、 縦 軸 は 出力 電 圧

Eoを 直 流 電 源 電 圧Eで 正 規化 した値Eoで 示 して い ます。