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直列補償方式による非絶縁型双方向DC/DCコンバータにおける半導体損失の解析

机译：非隔离双向DC / DC变换器中半导体损耗的串联补偿分析

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近年，分散型電源やDCマイクログリッドをはじめとする，直流給電システムに対する注目が高まっている。また，直流給電システムを対象としたパワーフロー制御に関する検討もなされている。これらの直流給電システムで利用される再生可能エネルギーを用いた発電システムは，気象条件により発電量が変動するため電力供給の安定化が必要である。さらに，軽負荷時や夜間の余剰電力を蓄電し，昼間のピーク時に放電するなどの負荷電力平準化が必要となる。このため，直流給電システムでは生にIGBTを用いた非絶縁双方向DC/DCコンバータを介してバッテリが直流系統に接続される。バッテリの出力電圧は負荷や充電状態に応じて変動する。例えば，直流給電システムに広く用いられているVRLAバッテリの場合，1セルあたり公称電圧2Vに対し放電時には約1.7Vまで低下し，満充電時には約2.25Vまで上昇する。このため，公称電圧が直流系統電圧に近いバッテリを用いる場合，昇降圧機能を持った双方向DC/DCコンバータが必要となる。非絶緑双方向DC/DCコンバータは，バッテリ向けに限らず自動車用途や電力貯蔵システム用途などで利用されており，小型化および髙効率化が求められている。従来より非絶縁双方向DC/DCコンバータを髙効率化する多くの研究がされている。ソフトスイッチングにより高効率化を図る場合，軽負荷領域ではZVS達成条件が制限される。また，これらのようなZVS方式はIGBTには適さない。非絶縁双方向DC/DCコンバータの損失および容量低減を目的として，主回路の一部に低耐圧スイッチを利用可能な回路方式が提案されている。これらは，部分昇圧方式や直列補償型等の呼称があるが，本稿では直列補償方式によるDC/DCコンバータとする。直列補償方式によるDC/DCコンバータは，交流電力系統における電源に対し，直列に電力変換器を接続して電庄変動を補償する手法を応用したものであり，幅広い範囲で髙効率化を実現でき変換器容量を低減できることに特徴がある。直列補償方式によるDC/DCコンバータは，電力変換器を高周波トランスを利用し構成する方式と髙周波トランスを利用せずに構成する方式に分類できる。高周波トランスを利用した方式の中でも昇降圧が可能な方式は，高周波トランスの2次側に8個のスイツチが必要となるため，導通損失の増加に伴い効率の低下が懸念される。一方，高周波トランスを利用せずに昇降圧が可能な方式は，導通素子数が高周波トランスを用いる場合よりも少ないため高効率化が期待できる。しかし，本方式は主回路中に計8個のスイッチで構成され，更なる低コスト化のための素子数の削減と効率の改善が必要である。
机译：近年来，人们对DC电源系统（例如分布式电源和DC微电网）的关注日益增加。另外，还对直流电源系统的潮流控制进行了研究。在这些直流电源系统中使用可再生能源的发电系统需要稳定电源，因为发电量会根据天气情况而波动。此外，有必要通过在轻载或夜间存储剩余功率并在白天高峰时段将其放电来均衡负载功率。因此，在直流电源系统中，电池通过使用IGBT的非隔离双向DC / DC转换器连接到DC系统。电池的输出电压根据负载和充电状态而波动。例如，在VRLA电池广泛用于DC电源系统的情况下，每个电池的标称电压在放电时下降到约1.7V，在充满电时上升到约2.25V。因此，当使用标称电压接近直流系统电压的电池时，需要具有降压-升压功能的双向DC / DC转换器。非绿色双向DC / DC转换器不仅用于电池，而且还用于汽车和电力存储系统，因此需要小型化和高效率。为了提高非绝缘双向DC / DC转换器的效率，已经进行了许多研究。当通过软开关提高效率时，ZVS实现条件在轻负载区域受到限制。此外，诸如此类的ZVS方法不适用于IGBT。为了减少非隔离双向DC / DC转换器的损耗和容量，已经提出了一种可以使用低耐压开关作为主电路的一部分的电路方法。这些称为部分升压型或串联补偿型，但在本文中，它们是基于串联补偿方法的DC / DC转换器。基于串联补偿法的DC / DC转换器应用了一种通过将功率转换器串联到交流电源系统中的电源来补偿电力波动的方法，并且可以在宽范围内实现高效率。特点是可以减少转换器的容量。基于串联补偿方法的DC / DC转换器可以分为使用高频变压器配置功率转换器的方法和不使用高频变压器配置功率转换器的方法。在使用高频变压器的方法中，允许降压-升压的方法需要在高频变压器的次级侧上有八个开关，因此担心效率会随着传导损耗的增加而降低。另一方面，由于导电元件的数量小于使用高频变压器时的导电元件的数量，因此期望在不使用高频变压器的情况下实现降压-升压的方法将提高效率。但是，该方法由主电路中的总共八个开关组成，并且有必要减少元件数量并提高效率以进一步降低成本。

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