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高周波出力マトリックスコンバータを用いた絶縁型AC-DC変換器に関する研究
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| Title: | 高周波出力マトリックスコンバータを用いた絶縁型AC-DC変換器に関する研究 |
| Other Titles: | A Study on Isolated AC-DC Converters Using High-Frequency Output Matrix Converters |
| Authors: | 小高, 渉 Browse this author |
| Keywords: | パワーエレクトロニクス | | 電力変換器 | | 絶縁型 AC-DC 変換器 | | マトリックスコンバータ | | ソフトスイッチング | | パワーデカップリング | | Power Electronics | | Power Converter | | Isolated AC-DC Converter | | Matrix Converter | | Soft Switching | | Power Decoulping |
| Issue Date: | 24-Mar-2022 |
| Publisher: | Hokkaido University |
| Abstract: | バッテリー充電器やコンピュータの電源，太陽光発電システムなど，様々な電気機器において系統交流電力と DC 電力を絶縁して接続するために，絶縁型 AC-DC 変換器が広く用いられている。一般的に用いられる絶縁型 AC-DC 変換器は PFC（Power Factor Collection）回路と絶縁型 DC-DC 変換器を接続した 2 段構成である。PFC 回路は系統交流を高電源力率に制御する回路であり，絶縁型 DC-DC変換器は系統交流電力と DC 電力を絶縁するとともに，出力 DC 電力の制御を行う。このような絶縁型AC-DC 変換器は 2 段の電力変換器それぞれで損失が発生するため，効率が低い。また，PFC 回路と絶縁型 DC-DC 変換器の間の DC リンクには，大容量の電解コンデンサが必要である。この電解コンデンサは大型で寿命が短いため，大容量の電解コンデンサを使用しない絶縁型 AC-DC 変換器が求められている。大容量の電解コンデンサを使用しない絶縁型 AC-DC 変換器として，マトリクスコンバータ（MC :Matrix Converter）を用いた絶縁型 AC-DC 変換器が注目されている。MC は AC-AC 直接変換器であり，PFC 回路と絶縁型 DC-DC 変換器の双方の機能を 1 つの変換器で実現する。よって MC を用いた絶縁型 AC-DC 変換器は，従来の絶縁型 AC-DC 変換器と比較して，変換段数が少なく高効率となる。さらに，DC リンクがないため，大容量の電解コンデンサを必要とせず，小型・長寿命な絶縁型 AC-DC変換器を実現可能である。しかし，これまで提案されている MC 制御法の多くは MC 出力周波数が低く，絶縁変圧器が大型となるばかりでなく，スイッチング損失が大きい問題がある。本研究は，高効率・高入出力力率・小型・長寿命な三相・単相入力絶縁型 AC-DC 変換器に用いる MCの制御法を開発することを目的とする。開発する MC 制御法は，スイッチング周波数と同じ MC 出力周波数，全てのスイッチングが低損失のスイッチング，高入出力力率，三相電源と単相電源の二電源に対応可能である特長を持つ。
本論文では，はじめに高周波出力 MC の制御法を検討する。絶縁型 AC-DC 変換器に用いられる絶縁変圧器の体積は印加される電圧の周波数に反比例する。よってスイッチング周波数と同じ MC 出力周波数となる 6 つの MC のスイッチングパターンを検討する。検討したスイッチングパターンを用いた場合に，固定 MC 出力周波数として，任意の電源力率の正弦波 MC 入力電流と出力 DC 電圧を実現する MC のパワー半導体スイッチの ON 時間比率得るための数理モデル（制御方程式）を構築する。提案する制御方程式は，MC 出力電流を制御周期内で一定と近似することで，単純な線形方程式として表される。スイッチング周波数と同じ MC 出力周波数となる MC のスイッチングパターンと線形な制御方程式による MC 制御法の有効性・妥当性をシミュレーションにより確認する。次に MC のスイッチング損失を抑制するために，スイッチング損失を理論上ゼロとする LC 共振回路を用いたソフトスイッチング技術を，MC を用いた絶縁型 AC-DC 変換器に適用する。MC のパワー半導体スイッチにスナバコンデンサを追加して，MC の転流原理とスナバコンデンサの充放電の関係を検討することで，スイッチング周波数と同じ MC 出力周波数とするスイッチングパターンに対して，MCの全てのスイッチングをソフトスイッチングとする MC 出力電圧・電流条件を明らかにする。絶縁変圧器後段を線形負荷に近似して，MC 出力電流が LC 共振回路により正弦波状の波形となることを考慮した固定 MC 出力周波数の制御方程式を用いることで，ソフトスイッチングを達成するとともに，任意の電源力率の正弦波 MC 入力電流と出力 DC 電圧を実現する。提案する制御方程式を用いた場合のスイッチング周波数と同じ MC 出力周波数とする 6 つのスイッチングパターンを比較して，最大の出力DC 電圧・低 MC 出力電圧ひずみとするスイッチングパターンを検討する。提案する固定 MC 出力周波数の制御法の有効性・妥当性をシミュレーションにより確認する。ソフトスイッチングのためには，MC 出力力率を減少させる必要があり，固定 MC 出力周波数制御法では，MC 入力電圧の位相によっては過剰に MC 出力力率を低下させる。そこで LC 共振回路の特性を利用して MC 出力周波数を可変させることで，MC 出力力率を制御して，ソフトスイッチングを達成した上で，MC 出力力率を最大化させる。提案する可変 MC 出力周波数制御法により，MC 出力力率最大のソフトスイッチングと，任意の電源力率の正弦波 MC 入力電流，指令値に追従する出力 DC 電圧を実現する。さらに，出力 DC 電圧フィードバックと，ダイオード整流器の非線形特性を考慮した解析法を MC 制御法に適用する。提案する MC 制御法を用いることで，高効率・高入出力力率・小型・長寿命な三相入力絶縁型 AC-DC 変換器とすることが可能となる。試作機を用いた実験により，開発した三相入力の MC 制御法の電源力率・出力 DC 電圧と MC の効率を評価することで，開発した MC 制御法の妥当性・有用性を確認する。
また三相入力絶縁型 AC-DC 変換器に対して，同じ回路構成を用いて単相電源で動作可能な MC 制御法を開発する。単相電源に接続する場合，電源電力が電源周波数の 2 倍の周波数で脈動するため，この脈動を抑制する MC 入力フィルタを用いたアクティブパワーデカップリング技術を MC 制御法に適用する。アクティブパワーデカップリングを実現するとともに，MC 出力力率最大のソフトスイッチング，任意の電源力率の正弦波 MC 入力電流，指令値に追従する出力 DC 電圧を実現する MC 制御法を検討する。三相電源駆動と単相電源駆動を両立する MC 入力フィルタのパラメータの条件を明らかにする。この制御法を用いることにより，基本的に三相電源で動作する絶縁型 AC-DC 変換器を，三相電源がない場合にも，単相電源で駆動させることが可能となる。シミュレーションや試作機を用いた実験により，開発した単相入力の MC 制御法の電源力率・出力 DC 電圧と MC の効率を評価することで，パワーデカップリング制御を追加した MC 制御法の妥当性・有用性を確認する。 | | Isolated AC-DC converters are widely used in various electrical applications, such as switching-mode power supplies, battery chargers, and solar photovoltaic systems (PVs) to isolate an AC grid and a DC load. A conventional isolated AC-DC converter consists of a power factor correction(PFC) circuit and an isolated DC-DC converter. The PFC controls the grid current to maintain unity power factor, while the isolated DC-DC converter adjusts the output DC power with isolation between the AC grid and the DC load. This converter has three-stage power conversion (AC–DC-high-frequency (HF) AC–DC), and a large-capacity electrolytic capacitor, which is large and has a short lifespan, is used in the DC link between the PFC and DC-DC converter. Therefore, the conventional isolated AC-DC converter has low efficiency, large size, and a short lifespan.Isolated AC-DC converters using matrix converters (MCs) are more compact, have a longer lifespan, and are more efficient than the conventional isolated AC-DC converters. The MC directly converts a grid voltage into an AC voltage in the primary of an isolation transformer and simulta-neously controls the AC grid current with unity power factor and the output DC power. Therefore this converter requires no electrolytic capacitors for the DC link and has two-stage power conversion (AC–HFAC–DC), resulting in the compact size, long lifespan, and high efficiency. However,most of the MC control methods converts a grid voltage into a low MC output frequency. The volume of isolation transformer in the isolated AC-DC converter is inversely proportional to the MC output frequency. Thus, the isolated AC-DC converters with these MC methods require large isolation transformers and generate large switching losses.This study proposes a novel MC control for an isolated AC-DC converter fed by a single- or three- phases supply. The MC modulates a grid voltage into an AC voltage with high-frequency equal to a switching frequency of the MC to minimize the isolation transformer and generates a sinusoidal grid current with unity power factor. A variable MC output frequency control with an LC resonant circuit realizes soft switching, which is loss-free switching, and maximizes the MC output power factor. Additionally, the proposed converter can be fed by not only a three-phase supply but also a single-phase supply without any additional components. The proposed method has been evaluated through simulations and experiments with laboratory prototypes.Chapter 1 presents the backgrounds and aims of this study, and then, chapter 2 introduces the MC principles and a survey of the most popular control, modulation strategies, and circuit configurations studied for MCs.Chapter 3 presents six MC switching patterns which achieves a high MC output frequency equivalent to the switching frequency to reduce the volume of the isolation transformer in the isolated AC-DC converter, which is inversely proportional to the MC output frequency. A simple linear mathematical model (control equations) of the proposed three-phase input/HF single-phase output MC is also developed to obtain the ON time ratios of the MC power semiconductor switches which realize the sinusoidal MC input current with unity power factor and arbitrary output DC voltage. The simulation results shows the effectiveness and validity of the MC control method based on the proposed switching pattern and the control equations.Chapter 4 introduces a fixed MC output frequency control using an LC resonant circuit between the MC and isolation transformer. The MC output current is lagging to the MC output voltage to achieve soft switching when the MC output frequency is higher than the LC resonant frequency, like a conventional series resonant DC-DC converter. This chapter clarify the soft switching conditions for the switching pattern proposed in chapter 3. First Harmonic Approximation (FHA) analysis, which approximates the secondary circuit of the isolation transformer as a linear element and assumes sinusoidal MC output current, simplifies the MC control for the isolated AC-DC converter with the LC resonant circuit. It is noted that the control equations derived by the FHA analysis are non-linear. The effectiveness and validity of the proposed fixed MC output frequency control is confirmed by simulation.Chapter 5 proposes a variable MC output frequency control using the LC resonant circuit to achieve soft switching with the maximum MC output power factor. The MC adjusts the phase of the MC output current to maximize the MC output power factor by the variable MC output frequency considering the characteristics of the LC resonant circuit. The output DC voltage feedback controller and the analysis procedure using a circuit simulator to calculate the ON time ratios of the MC switches and MC output frequency considering non-linearity of the diode rectifier are also discussed. The proposed method is evaluated experimentally with the laboratory prototypes.
Chapter 6 presents an isolated AC-DC converter using the MC fed by the single-phase. A single-phase supply inherently has a power ripple at twice the grid frequency, resulting in low-frequency output DC voltage ripples. The proposed MC control performs the active power decoupling using input filters, which diverts the power ripple at twice the grid frequency to the MC input filter capacitors, to suppress this power ripple. Therefore, this isolated AC-DC converter can use only film capacitors. The proposed isolated AC-DC converter can also be fed by a three-phase supply without any additional components. This converter has been evaluated through simulations and experiments with laboratory prototypes.Finally, chapter 7 concludes this study and discusses future works. |
| Conffering University: | 北海道大学 |
| Degree Report Number: | 甲第15082号 |
| Degree Level: | 博士 |
| Degree Discipline: | 工学 |
| Examination Committee Members: | (主査) 教授 小笠原 悟司, 教授 五十嵐 一, 教授 北 裕幸 |
| Degree Affiliation: | 情報科学院(情報科学専攻) |
| Type: | theses (doctoral) |
| URI: | http://hdl.handle.net/2115/85461 |
| Appears in Collections: | 課程博士 (Doctorate by way of Advanced Course) > 情報科学院(Graduate School of Information Science and Technology)
学位論文 (Theses) > 博士 （工学）
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