絶縁デュアルアクティブブリッジ DC の電流ストレスの最小化

Scientific Reports volume 12、記事番号: 16980 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この論文では、絶縁型デュアル アクティブ ブリッジ (DAB) 直流-直流 (DC-DC) コンバーターのための新しい位相シフト変調について説明します。 提案された技術は、コンバータの最大電流ストレスを最小限に抑えることを目的としており、これにより効率が直接向上し、デバイスの損失が削減されます。 この変調技術は、2 つの位相シフト角または 2 つの自由度だけを介してコンバータの電力を制御します。 1 つの位相シフトは最初のブリッジのレッグ間で使用され、もう 1 つの位相シフトは 2 番目のブリッジのレッグ間で使用されます。 従来の単相シフト (SPS) 技術には自由度が 1 つしかありませんが、高電流ストレスと逆循環電力の流れに関して多くの欠点があり、コンバータの効率が低下します。 一方、位相シフト角の数を増やすとシステムのパフォーマンスは向上しますが、制御の複雑さも増加します。 したがって、提案された変調技術と従来の SPS の間の比較分析が行われました。 新しい方法は、実装の簡素化とともに電流ストレスの軽減という点で優れたパフォーマンスを示しました。

双方向絶縁型 DC-DC コンバータは現在、太陽光発電システム 1、エネルギー貯蔵装置 2、3、4、電気自動車 4、5、6 など、多くの高出力デバイスの主要コンポーネントです。 これらのアプリケーションでは、電力密度を高めるために高効率を備えた軽量かつ小型の電力コンバータが必要です。 さらに、安全上の理由からガルバニック絶縁が必要です。 線間周波数変圧器を高周波変圧器に置き換えることで、最近の電力変換器はデバイスのサイズ、重量、コストの点で劇的な進歩を遂げました7。 すべての DC-DC コンバータの中で、デュアル アクティブ ブリッジ (DAB) タイプは多くの利点により優れています。2 つのブリッジの電圧間の位相シフト角を変更するだけで双方向の電力の流れを提供します。 対称レイアウトにより、動的モデリングが簡素化されます。 ゼロ電圧スイッチングは、トランスの漏れインダクタンスの利点に加えて、追加の回路や特別な制御技術を必要とせずに、あらゆるパワーデバイスで可能です8、9。 DAB コンバータの電力は、マルチポート構成とモジュール式トポロジを構築することで増加でき、中電圧電力変換システムの中間ステージとして使用できます10。

このコンバータタイプには多くの制御手法があります。 それらは位相シフト制御に基づいています。 単相シフト (SPS) 制御は、その単純さから最も広く使用されている方法です 11,12。 各ブリッジの交差接続されたスイッチ ペアのオンを制御することにより、両方のブリッジで 2 つの方形電圧が生成されます。 これら 2 つの電圧間で調整する必要がある位相シフト角は 1 つだけです。 電力の大きさと方向はこの角度によって制御できます。 ただし、電力コンバータに高電流ストレスがかかると、電力の逆循環が発生します。 したがって、パワーデバイスと磁気コンポーネントの損失が大きくなり、コンバータの効率が低下します8。 この技術のパフォーマンスを向上させるために多くの試みが行われてきました。 参考文献13では、コンバータのダイナミクスに従ってオンラインで位相角値を計算することにより、可変デューティ比が提案されています。 一部の研究では、ソフトスイッチング範囲の拡大 14 やコンバータの無効電力の削減 15 に焦点を当てています。 拡張位相シフト (EPS) 制御技術は、より優れた性能を達成するために参考文献 16 で開発されました。 2 つの自由度 (つまり、内側と外側の位相角) を使用します。 一方の位相シフト (内部位相角) はプライマリ ブリッジの対角スイッチのシフトを制御し、もう一方は SPS 技術と同様に機能します。つまり、プライマリ ブリッジとセカンダリ ブリッジのクロス スイッチ間の位相シフトを制御します。 EPS 制御技術により、逆電力が大幅に減少し、DAB コンバータの電流ストレスが最小限に抑えられるとともに、送信電力調整範囲が拡大されました。 それにもかかわらず、電力方向の流れを交換するには、この方法では 2 つのブリッジの動作状態を交換する必要があります。 無効電力を排除し、コンバータの効率を向上させるために、デュアル位相シフト (DPS) 制御技術が導入されました17。 この方法は EPS と同様に 2 つの自由度を使用しますが、主ブリッジだけでなく両方のブリッジで外側位相シフトに加えて内側位相シフト角度も利用されるため、若干異なります。 参考文献 18 では、3 つの自由度が使用される 3 相位相シフト制御 (TPS) を介して DAB 効率を向上させるための拡張研究も行われました。 他の研究では、結合された調整可能な位相シフト 19 と、統合された位相シフト制御技術 18 が提案されています。 ただし、これらの方法はコンバータのパフォーマンスを向上させますが、制御と数学的分析も複雑になります。