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デュアル アクティブ ブリッジ コンバーター DC/DC コンバーター

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この例では、単相デュアル アクティブ ブリッジ (DAB) DC/DC コンバーターの動作を説明します。

説明

単相デュアル アクティブ ブリッジ (DAB) コンバーターは、効率の高い絶縁された双方向 DC/DC コンバーターです。主な機能は次のとおりです。

  • 動作の絶縁

  • パワー密度 (高周波数動作によって絶縁変圧器のサイズを縮小)

  • 双方向電力潮流

  • 効率性 (ゼロ電圧スイッチング)

充電ステーションや電気自動車牽引などのさまざまな用途で使用されます。Vehicle-to-Grid (V2G) システムでもこのタイプのコンバーターを使用します。10 kW DAB モデルは、結合インダクターと高周波数変圧器でリンクされた 2 つの MOSFET フルブリッジで構成されます。高電圧ブリッジが 800V DC 電源に接続され、低電圧ブリッジが 450V DC 電源に接続されます。いずれのブリッジも、パルス発生器と電流制御器で制御されます。

DAB の演算

DAB の電力潮流は、両方のブリッジのデューティ比を 50% に保ちながら、一方のブリッジのパルスを他方のブリッジに対して位相シフトすることで得られます。同一のパルスが対角スイッチに送信されることに注意してください。この例では、スイッチング周波数が 100 kHz、むだ時間が 150 ns に設定されます。2 つのブリッジ間における理論上の出力電力の伝送は次で与えられます。

$$P = \frac{V_{HV} \: N \: V_{LV} \: \phi \: (\pi - |\phi|)}{ 2 \: \pi^2 \: F_{SW} \: L}$$

ここで、

  • $V_{HV}$ は高電圧ブリッジの DC リンク電圧 (ボルト)

  • $N$ は 1 次変圧器と 2 次変圧器の電圧比

  • $V_{LV}$ は低電圧ブリッジの DC リンク電圧 (ボルト)

  • $\phi$ はブリッジの 2 つの矩形波間における位相シフト (ラジアン)

  • $F_{SW}$ は PWM スイッチング周波数 (ヘルツ)

  • $L$ は 2 つのブリッジ間の合計インダクタンス (結合インダクター + 1 次側から見た変圧器の合計漏れリアクタンス) (ヘンリー)

ブリッジの 2 つの矩形波の角度を変更することで 2 つのブリッジ間の電力伝送を制御できることがわかります。正の角度 $\phi$ の場合、電力は高電圧ブリッジから低電圧ブリッジに伝送されます。負の角度 $\phi$ の場合、電力潮流は逆になります。以下の図は、角度 $\phi$ が +22 度に設定されているときの 4 つのスイッチング状態におけるブリッジの電圧と結果として得られた結合インダクターの電流を示しています。

シミュレーション

このモデルでは、次の 2 つのシミュレーションを実行できます。

  1. まず、Control Mode ブロックの値を 0 に設定して、電流制御モードを有効にします。シミュレーションを実行し、Scope phi_P2_kW で DAB 電流制御器のダイナミクスを観察します。0.01 秒 (スルー レート 3000 A/s) で、指令電流が 22 A から -22 A に変化します。新しい指令値に従うために、制御器の出力は 22.9 度から -22.5 度に変化します。

  2. 次に、Control Mode ブロックの値を 1 に設定して、パルス発生器入力 (phi_deg) の直接制御で角度 $\phi$ を -100 度から 100 度に増大できるようにします。Additional Scopes サブシステムで、Scope_P2_Ptheo_kW を開いてシミュレーションを実行します。角度 $\phi$ が -100 度から 100 度に増大したときの、計算された理論値と DC Source 2 に実際に供給された電力の比較が表示されます。角度 $\phi$ の範囲が -15 度から +5 度の場合、実際の電力伝送は理論値と一致しません。この主な原因は 150 ns のむだ時間です。以下の図は、シミュレーション結果に加えて、むだ時間なしで実行した別のシミュレーションで得られた電力伝送を示す 3 番目の曲線 (青い曲線) を示しています。この青い曲線と理論値の曲線はほぼ同じです。

参考文献

  1. Texas Instruments TIDA-010054 Bi-directional, Dual Active Bridge Reference Design for Level 3 Electric Vehicle Charging Stations. June 2019. https://www.ti.com/tool/TIDA-010054

  2. Rawad Zgheib, Innocent Kamwa, Kamal Al-Haddad, "Comparison between Isolated and Non-Isolated DC/DC Converters for Bidirectional EV Chargers ", IEEE 2017. https://ieeexplore.ieee.org/document/7913285