JP2014200173A

JP2014200173A - DC-DC converter

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Publication number: JP2014200173A
Application number: JP2014153427A
Authority: JP
Inventors: 智行畠山; Tomoyuki Hatakeyama; 尊衛嶋田; Takae Shimada
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2014-07-29
Filing date: 2014-07-29
Publication date: 2014-10-23
Anticipated expiration: 2030-06-25
Also published as: JP5962717B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a vehicle where a highly-efficient DC-DC converter and highly-efficient power supply to a load are enabled, regardless of the amount of power to be supplied to the load.SOLUTION: When the amount of power to be supplied to a load R1 is not less than a prescribed value, controlling means 5 performs a first mode where switching elements S1 to S4 are driven, and when the amount of the power to be supplied to the load R1 is not more than the prescribed value, the controlling means 5 performs a second mode where the switching elements S3 and S4 are stopped in an OFF state, and only the switching elements S1 and S2 are driven.

Description

本発明は、絶縁機能を有するＤＣ−ＤＣコンバータに関する。 The present invention relates to a DC-DC converter having an insulating function.

従来知られているＤＣ−ＤＣコンバータは、スイッチング回路によって直流電力を交流電力に変換し、変圧器を用いてこれを変圧し、整流回路によってこれを直流電力に変換して出力する装置である。扱う電力が大きい場合には、フルブリッジ回路が用いられることが一般的である。このフルブリッジ回路では、二対の直列接続されたスイッチング素子の上アーム側のスイッチング素子と下アーム側のスイッチング素子が交互に駆動する。つまり、上アーム側のスイッチング素子と下アーム側のスイッチング素子とが、相互に逆のオン・オフ駆動を行う。しかし、スイッチング素子のターンオン・ターンオフ時にハードスイッチングとなって大きなスイッチング損失が発生し、効率が悪かった。 A conventionally known DC-DC converter is a device that converts DC power into AC power using a switching circuit, transforms it using a transformer, converts it into DC power using a rectifier circuit, and outputs it. When the power to be handled is large, a full bridge circuit is generally used. In this full bridge circuit, two pairs of series-connected switching elements on the upper arm side and switching elements on the lower arm side are driven alternately. That is, the switching device on the upper arm side and the switching device on the lower arm side perform reverse on / off driving. However, when the switching element is turned on / off, it becomes hard switching, resulting in a large switching loss and poor efficiency.

そこで、スイッチング損失を低減し効率の改善を図ったＤＣ−ＤＣコンバータが特許文献１に開示されている。このＤＣ−ＤＣコンバータは、フルブリッジ回路を構成する一方の直列接続されたスイッチング素子のオン・オフ駆動と、他方の直列接続されたスイッチング素子のオン・オフ駆動との位相をずらして行う。これによりゼロ電圧スイッチングが可能となり、スイッチング損失の低減を図ることができるというものである。この制御方式をフェーズシフト方式という。 Therefore, Patent Document 1 discloses a DC-DC converter that reduces switching loss and improves efficiency. This DC-DC converter performs a phase shift between the on / off drive of one of the serially connected switching elements constituting the full bridge circuit and the on / off drive of the other serially connected switching element. As a result, zero voltage switching becomes possible, and switching loss can be reduced. This control method is called a phase shift method.

また、特許文献２には共振型の回路において、負荷が軽くなった時にフルブリッジ回路の１組のスイッチの片方を継続オン、片方を継続オフすることによって、効率向上と出力リプルの低減を図ることが開示されている。 Further, in Patent Document 2, in a resonance type circuit, when a load is lightened, one of a pair of switches of a full bridge circuit is continuously turned on and one of them is continuously turned off, thereby improving efficiency and reducing output ripple. It is disclosed.

特開２００３−４７２４５号公報JP 2003-47245 A 特開２００３−３２４９５６号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-324956

フェーズシフト方式のフルブリッジ回路は負荷への電力供給量が多い時にはゼロ電圧スイッチングが可能であるが、負荷への電力供給量が少ない時には、回路を流れる電流が少なく、スイッチング素子の寄生容量の充放電に要する時間が長くなる。この充放電が不十分なままスイッチング素子がターンオンすると、ハードスイッチングとなり、スイッチング損失が増大して効率が低下する問題があった。 The phase shift type full bridge circuit can perform zero voltage switching when the power supply to the load is large, but when the power supply to the load is small, the current flowing through the circuit is small and the parasitic capacitance of the switching element is charged. The time required for discharge becomes longer. When the switching element is turned on with insufficient charging / discharging, hard switching occurs, causing a problem that switching loss increases and efficiency decreases.

また、フェーズシフト方式のフルブリッジ回路ではスイッチング素子の寄生容量の充放電を利用しているのに対し、共振型の回路は周波数制御であり、動作原理がそもそも異なるため、解決すべき課題が共通であっても、共振型の回路に適用できる技術をフェーズシフト方式の回路に適用することはできない。 In addition, phase shift type full-bridge circuits use charging / discharging of the parasitic capacitance of switching elements, whereas resonant circuits are frequency controlled and the operating principle is different in the first place. Even so, a technique that can be applied to a resonant circuit cannot be applied to a phase shift circuit.

本発明の目的は、負荷への電力供給量に関わらず高効率なＤＣ−ＤＣコンバータを提供することである。 An object of the present invention is to provide a high-efficiency DC-DC converter regardless of the amount of power supplied to a load.

また、本発明の目的は、負荷への電力供給量に関わらず、負荷への高効率な電力供給を可能とする車両を提供することである。 Moreover, the objective of this invention is providing the vehicle which enables the highly efficient electric power supply to load irrespective of the electric power supply amount to load.

上記目的を達成するために本発明にかかるＤＣ−ＤＣコンバータは、第１，第２のスイッチング素子を直列接続した第１のスイッチングレッグと、第３，第４のスイッチング素子を直列接続して前記第１のスイッチングレッグに並列接続された第２のスイッチングレッグとで構成し、前記第１のスイッチングレッグの両端間及び前記第２のスイッチングレッグの両端間を直流端子間とし、前記第１，第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第３，第４のスイッチング素子の直列接続点との間を交流端子間としたフルブリッジ回路と、平滑リアクトルを有する整流回路と、直流電源に並列接続され、かつ前記フルブリッジ回路の直流端子間に接続された第１の平滑コンデンサと、負荷に並列接続され、かつ前記整流回路の直流端子間に接続された第２の平滑コンデンサと、前記フルブリッジ回路の交流端子間に接続された１次巻線と、前記整流回路の交流端子間に接続された２次巻線と、前記１次巻線と前記２次巻線とを磁気結合するトランスと、前記フルブリッジ回路を制御する制御手段とを備え、前記第１，第２，第３，第４のスイッチング素子はそれぞれ、スイッチと前記スイッチに並列に接続された逆並列ダイオードと前記スイッチ及び前記逆並列ダイオードに並列に接続されたコンデンサと、から構成され、前記フルブリッジ回路の交流端子間と前記１次巻線との間に直列に挿入されたリアクトル成分を有したＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、前記負荷への電力供給量が所定値以上時には、前記制御手段は前記第１，第２，第３，第４のスイッチング素子を駆動させる第１のモードを実行し、前記負荷への電力供給量が前記所定値以下の時には、前記制御手段は前記第１のスイッチングレッグ又は第２のスイッチングレッグを構成する一方側のスイッチングレッグの１組のスイッチング素子をオフ状態で停止させ、前記第１のスイッチングレッグ又は第２のスイッチングレッグを構成する他方側のスイッチングレッグの１組のスイッチング素子を駆動させる第２のモードを実行することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a DC-DC converter according to the present invention includes a first switching leg in which first and second switching elements are connected in series, and a third and fourth switching elements connected in series. A second switching leg connected in parallel to the first switching leg, and the first switching leg between the both ends of the first switching leg and the second switching leg is between the DC terminals, 2 is connected in parallel to a DC power source, a full bridge circuit having an AC terminal between a series connection point of two switching elements and a series connection point of the third and fourth switching elements, a rectifier circuit having a smoothing reactor, and the like. And a first smoothing capacitor connected between the DC terminals of the full-bridge circuit and a load connected in parallel to the DC terminal of the rectifier circuit. The second smoothing capacitor, a primary winding connected between the AC terminals of the full bridge circuit, a secondary winding connected between the AC terminals of the rectifier circuit, and the primary winding, A transformer that magnetically couples the secondary winding; and a control unit that controls the full bridge circuit, wherein the first, second, third, and fourth switching elements are in parallel with the switch and the switch, respectively. And a capacitor connected in parallel to the switch and the anti-parallel diode, and inserted in series between the AC terminals of the full bridge circuit and the primary winding. In the DC-DC converter having a reactor component, the control means drives the first, second, third, and fourth switching elements when the amount of power supplied to the load is a predetermined value or more. When the mode 1 is executed and the amount of power supplied to the load is less than or equal to the predetermined value, the control means sets one set of switching legs on one side constituting the first switching leg or the second switching leg. The switching element is stopped in an OFF state, and a second mode is executed in which a pair of switching elements of the other switching leg constituting the first switching leg or the second switching leg is driven. .

また本発明に掛かる車両は、本発明のＤＣ−ＤＣコンバータを搭載したことを特徴とする。 A vehicle according to the present invention includes the DC-DC converter according to the present invention.

本発明によれば、負荷への電力供給量に関わらず高効率なＤＣ−ＤＣコンバータを提供することができる。 According to the present invention, a highly efficient DC-DC converter can be provided regardless of the amount of power supplied to the load.

また、本発明によれば、負荷への電力供給量に関わらず、負荷への高効率な電力供給を可能とする車両を提供することができる。 In addition, according to the present invention, it is possible to provide a vehicle that enables highly efficient power supply to the load regardless of the amount of power supply to the load.

本発明の実施例１によるＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成図。The circuit block diagram of the DC-DC converter by Example 1 of this invention. 実施例１の動作モードの切り替えを説明する図。FIG. 3 is a diagram for explaining operation mode switching according to the first embodiment. 実施例１の所定値Ｐｔｈの決定方法を説明する図。FIG. 6 is a diagram for explaining a method for determining a predetermined value Pth in the first embodiment. 実施例１の２つの所定値Ｐｔｈ１，２による動作モードの切り替えを説明する図。FIG. 6 is a diagram for explaining operation mode switching according to two predetermined values Pth1 and Pth2 in the first embodiment. 実施例１の軽負荷モードＭ２における動作を説明する電圧・電流波形図。FIG. 6 is a voltage / current waveform diagram illustrating the operation in the light load mode M2 of the first embodiment. 図５に示す期間（ａ）における軽負荷モードＭ２における動作（モードａ）を説明する回路図。FIG. 6 is a circuit diagram for explaining the operation (mode a) in the light load mode M2 during the period (a) shown in FIG. 5; 図５に示す期間（ｂ）における軽負荷モードＭ２における動作（モードｂ）を説明する回路図。FIG. 6 is a circuit diagram for explaining an operation (mode b) in the light load mode M2 in the period (b) shown in FIG. 5. 図５に示す期間（ｃ）における軽負荷モードＭ２における動作（モードｃ）を説明する回路図。FIG. 6 is a circuit diagram for explaining the operation (mode c) in the light load mode M2 during the period (c) shown in FIG. 5. 図５に示す期間（ｄ）における軽負荷モードＭ２における動作（モードｄ）を説明する回路図。FIG. 6 is a circuit diagram for explaining an operation (mode d) in the light load mode M2 in the period (d) shown in FIG. 5. 図５に示す期間（ｅ）における軽負荷モードＭ２における動作（モードｅ）を説明する回路図。FIG. 6 is a circuit diagram for explaining an operation (mode e) in the light load mode M2 during the period (e) shown in FIG. 5. 図５に示す期間（ｆ）における軽負荷モードＭ２における動作（モードｆ）を説明する回路図。FIG. 6 is a circuit diagram illustrating an operation (mode f) in the light load mode M2 during the period (f) shown in FIG. 5. 図５に示す期間（ｇ）における軽負荷モードＭ２における動作（モードｇ）を説明する回路図。FIG. 6 is a circuit diagram for explaining an operation (mode g) in the light load mode M2 during the period (g) shown in FIG. 5. 図５に示す期間（ｈ）における軽負荷モードＭ２における動作（モードｈ）を説明する回路図。FIG. 6 is a circuit diagram illustrating an operation (mode h) in the light load mode M2 during the period (h) shown in FIG. 5. 実施例１の軽負荷モードＭ２における別の動作を説明する電圧波形図。FIG. 6 is a voltage waveform diagram illustrating another operation in the light load mode M2 according to the first embodiment. 本発明の実施例２によるＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成図。The circuit block diagram of the DC-DC converter by Example 2 of this invention. 本発明の実施例３によるＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成図。The circuit block diagram of the DC-DC converter by Example 3 of this invention. 従来の電気自動車の電源システムの概要構成図。The schematic block diagram of the power supply system of the conventional electric vehicle. 本発明の実施例４による電気自動車の電源システムの概要構成図。The schematic block diagram of the power supply system of the electric vehicle by Example 4 of this invention.

本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明において、オン状態のスイッチング素子の電圧またはそのスイッチング素子と並列に接続された逆並列ダイオードの順方向降下電圧と同等程度かそれ以下の電圧をゼロ電圧と呼称し、スイッチング素子に印加された電圧がゼロ電圧の状態でこのスイッチング素子のオンとオフを切り替えてスイッチング損失を低減することをゼロ電圧スイッチング又はソフトスイッチングと呼称する。 Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the following description, a voltage equivalent to or lower than the voltage of the switching element in the on state or the forward voltage drop of the antiparallel diode connected in parallel with the switching element is referred to as zero voltage, Switching the switching element on and off to reduce the switching loss when the applied voltage is zero is referred to as zero voltage switching or soft switching.

図１は、本発明の実施例１によるＤＣ−ＤＣコンバータ１の回路構成図である。このＤＣ−ＤＣコンバータ１は、直流電源Ｖ１の電圧を変圧して電力を負荷Ｒ１に供給する。なお、直流電源Ｖ１は力率改善回路などの他のコンバータの出力と置き換えても良い。 FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a DC-DC converter 1 according to a first embodiment of the present invention. The DC-DC converter 1 transforms the voltage of the DC power supply V1 and supplies power to the load R1. The DC power supply V1 may be replaced with the output of another converter such as a power factor correction circuit.

図１において、フルブリッジ回路２の直流端子Ａ−Ａ′間には、直流電源Ｖ１と平滑コンデンサＣ１が接続されている。整流回路７の直流端子Ｂ−Ｂ′間には平滑コンデンサＣ２と負荷Ｒ１が接続されている。フルブリッジ回路２の交流端子Ｃ−Ｃ′間には１次巻線Ｎ１が接続され、整流回路７の交流端子Ｄ−Ｄ′間には２次巻線Ｎ２が接続される。この１次巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２とはトランス６によって磁気結合されている。フルブリッジ回路２は、第１，第２のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を直列接続した第１のスイッチングレッグ３と、第３，第４のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４を直列接続した第２のスイッチングレッグ４とで構成される。 In FIG. 1, a DC power source V <b> 1 and a smoothing capacitor C <b> 1 are connected between DC terminals AA ′ of the full bridge circuit 2. A smoothing capacitor C2 and a load R1 are connected between the DC terminals BB 'of the rectifier circuit 7. A primary winding N1 is connected between the AC terminals CC 'of the full bridge circuit 2, and a secondary winding N2 is connected between the AC terminals DD' of the rectifier circuit 7. The primary winding N1 and the secondary winding N2 are magnetically coupled by a transformer 6. The full bridge circuit 2 includes a first switching leg 3 in which first and second switching elements S1 and S2 are connected in series, and a second switching leg 4 in which third and fourth switching elements S3 and S4 are connected in series. It consists of.

スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４には、それぞれ逆並列ダイオードＤＳ１〜ＤＳ４が接続されている。ここで、これらのスイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを用いた場合には、逆並列ダイオードとしてＭＯＳＦＥＴのボディダイオードを利用することができる。またスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４は寄生容量ＣＳ１〜ＣＳ４を有している。このとき、コンデンサとしてスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４に並列にスナバコンデンサを接続してもよい。図１では一例としてスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２はＭＯＳＦＥＴ、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４はＩＧＢＴとしている。フルブリッジ回路２の交流端子間と１次巻線Ｎ１との間にリアクトルＬｒが直列に挿入される。ここで、リアクトルＬｒにはトランス６の漏れインダクタンスを利用してもよい。 Antiparallel diodes DS1 to DS4 are connected to the switching elements S1 to S4, respectively. Here, when MOSFETs are used as these switching elements, MOSFET body diodes can be used as antiparallel diodes. The switching elements S1 to S4 have parasitic capacitances CS1 to CS4. At this time, you may connect a snubber capacitor in parallel with switching element S1-S4 as a capacitor | condenser. In FIG. 1, for example, the switching elements S1 and S2 are MOSFETs, and the switching elements S3 and S4 are IGBTs. A reactor Lr is inserted in series between the AC terminals of the full bridge circuit 2 and the primary winding N1. Here, the leakage inductance of the transformer 6 may be used for the reactor Lr.

整流回路７は２つの平滑リアクトルＬ１，Ｌ２と、２つのダイオードＤ１，Ｄ２で構成されている。２次巻線Ｎ２の一端に平滑リアクトルＬ１の一端とダイオードＤ２のカソードが接続され、２次巻線Ｎ２の他端に平滑リアクトルＬ２の一端とダイオードＤ１のカソードが接続されている。平滑リアクトルＬ１，Ｌ２の他端は平滑コンデンサＣ２の一端に、ダイオードＤ１，Ｄ２のアノードは平滑コンデンサＣ２の他端に接続される。ここで、ダイオードＤ１，Ｄ２のかわりにスイッチング素子を用いることもできる。この場合、同期整流方式を採用することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ１の効率をさらに高めることができる。 The rectifier circuit 7 includes two smoothing reactors L1 and L2 and two diodes D1 and D2. One end of the smoothing reactor L1 and the cathode of the diode D2 are connected to one end of the secondary winding N2, and one end of the smoothing reactor L2 and the cathode of the diode D1 are connected to the other end of the secondary winding N2. The other ends of the smoothing reactors L1 and L2 are connected to one end of the smoothing capacitor C2, and the anodes of the diodes D1 and D2 are connected to the other end of the smoothing capacitor C2. Here, a switching element can be used instead of the diodes D1 and D2. In this case, the efficiency of the DC-DC converter 1 can be further increased by adopting the synchronous rectification method.

本発明のＤＣ−ＤＣコンバータ１は、負荷Ｒ１への電力供給量に応じて、スイッチング素子の動作モードを切り替えることが特徴である。図２を用いて、動作モードの切り替えについて説明する。 The DC-DC converter 1 of the present invention is characterized in that the operation mode of the switching element is switched in accordance with the amount of power supplied to the load R1. The operation mode switching will be described with reference to FIG.

図２は動作モードの切り替えを説明する図である。出力電力Ｐｏｕｔは電流センサ８で検出した出力電流と、電圧センサ９で検出した出力電圧との積である。Ｐｔｈは動作モードを切り替えるために設けた所定値である。出力電力Ｐｏｕｔが所定値Ｐｔｈ以上の場合は、制御手段５は第１のモードである重負荷モードＭ１としてスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を駆動する。この際フェーズシフト方式によってスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を駆動すると、ゼロ電圧スイッチングが可能である。出力電力Ｐｏｕｔが所定値Ｐｔｈ以下になると、第２のモードである軽負荷モードＭ２へ移行する。制御手段５はスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４をオフ状態で停止させ、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のみ駆動する。制御手段５はスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の駆動周波数を制御することで、出力電力を制御する。なお同図において、グラフの下段にスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を駆動する駆動信号を記載しているが、Ｈｉｇｈ側がＯＮ信号、Ｌｏｗ側がＯＦＦ信号を表している。 FIG. 2 is a diagram illustrating switching of operation modes. The output power Pout is the product of the output current detected by the current sensor 8 and the output voltage detected by the voltage sensor 9. Pth is a predetermined value provided for switching the operation mode. When the output power Pout is greater than or equal to the predetermined value Pth, the control means 5 drives the switching elements S1 to S4 as the heavy load mode M1 that is the first mode. At this time, if the switching elements S1 to S4 are driven by the phase shift method, zero voltage switching is possible. When the output power Pout becomes equal to or less than the predetermined value Pth, the process shifts to the light load mode M2 that is the second mode. The control means 5 stops the switching elements S3 and S4 in the off state, and drives only the switching elements S1 and S2. The control means 5 controls the output power by controlling the driving frequency of the switching elements S1, S2. In the figure, the drive signals for driving the switching elements S1 to S4 are shown in the lower part of the graph. The High side represents the ON signal and the Low side represents the OFF signal.

図３は、所定値Ｐｔｈの決定方法を説明する図である。点線で示したＰｌｏｓｓ−Ｐｏｕｔ直線は、重負荷モードＭ１で動作させたときの各出力電力Ｐｏｕｔにおける損失を、実線で示したＰｌｏｓｓ−Ｐｏｕｔ直線は、軽負荷モードＭ２で動作させたときの各出力電力Ｐｏｕｔにおける損失を示すものである。このように、出力電力Ｐｏｕｔの大きさにより、損失Ｐｌｏｓｓが小さい動作モードＭ１，Ｍ２を選択するように、所定値Ｐｔｈを決めればよい。理論的には点線と実線の交点をＰｔｈとすることで最も効率が良くなることになる。もちろん、所定値Ｐｔｈは任意に設定できるようにしてもよい。 FIG. 3 is a diagram illustrating a method for determining the predetermined value Pth. The Ploss-Pout straight line indicated by a dotted line indicates a loss in each output power Pout when operated in the heavy load mode M1, and the Ploss-Pout straight line indicated by a solid line indicates each output when operated in the light load mode M2. The loss in the electric power Pout is shown. As described above, the predetermined value Pth may be determined so as to select the operation modes M1 and M2 with small loss Ploss depending on the magnitude of the output power Pout. Theoretically, the highest efficiency is obtained by setting the intersection of the dotted line and the solid line to Pth. Of course, the predetermined value Pth may be arbitrarily set.

ここで、出力電力Ｐｏｕｔが所定値Ｐｔｈと同程度の大きさのときに、重負荷モードＭ１と軽負荷モードＭ２との間で頻繁に切り替わる場合がある。このような場合には、図４に示すように重負荷モードＭ１から軽負荷モードＭ２へ切り替える所定値Ｐｔｈ１と、軽負荷モードＭ２から重負荷モードＭ１へ切り替える所定値Ｐｔｈ２とをそれぞれ定めることにより解決できる場合がある。所定値Ｐｔｈ１とＰｔｈ２の差は本技術を適用する製品によって効率と切り替え頻度の兼ね合いから選択決定するのがよい。 Here, when the output power Pout is about the same value as the predetermined value Pth, there are cases in which switching is frequently performed between the heavy load mode M1 and the light load mode M2. In such a case, as shown in FIG. 4, a predetermined value Pth1 for switching from the heavy load mode M1 to the light load mode M2 and a predetermined value Pth2 for switching from the light load mode M2 to the heavy load mode M1 are respectively determined. There are cases where it is possible. The difference between the predetermined values Pth1 and Pth2 is preferably selected and determined from the balance between efficiency and switching frequency depending on the product to which the present technology is applied.

次に、図５から図１３を用いてＤＣ−ＤＣコンバータ１の軽負荷モードＭ２における回路動作を説明する。重負荷モードＭ１の回路動作は、従来のフェーズシフト方式を適用できるので省略する。図５はＤＣ−ＤＣコンバータ１の軽負荷モードＭ２における動作を説明する電圧・電流波形図である。まず図５における電圧波形を説明する。Ｓ１駆動信号〜Ｓ４駆動信号はそれぞれ制御手段５がスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４へ出力する駆動信号波形を表している。同図においてもスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４は、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４へ出力する駆動信号波形がＨｉｇｈとなったときにＯＮされ、ＬｏｗとなったときにＯＦＦされるものである。Ｔ１電圧は１次巻線Ｎ１の一端側のノードＴ１の電圧の電圧波形を、Ｔ２電圧は１次巻線Ｎ１の他端側のノードＴ２の電圧の電圧波形を表し、Ｔ１−Ｔ２間電圧はＴ１電圧からＴ２電圧を差し引いた電圧波形を表す。次に図５における電流波形を説明する。
Ｓ１電流，Ｓ２電流はそれぞれスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のドレイン−ソース間電流を表す。ＣＳ１電流〜ＣＳ４電流はそれぞれ寄生容量ＣＳ１〜ＣＳ４を流れる電流波形を表す。ＣＳ１電流〜ＣＳ４電流は、それぞれ寄生容量ＣＳ１〜ＣＳ４において、スイッチング素子のドレインに接続されている寄生容量の一端から、スイッチング素子のソースに接続されている寄生容量の他端へと流れる方向を正とし、正電流を充電電流、負電流を放電電流と呼称する。ＤＳ１電流〜ＤＳ４電流はそれぞれ逆並列ダイオードＤＳ１〜ＤＳ４を流れる電流波形を表す。ＤＳ１電流〜ＤＳ４電流は、それぞれ逆並列ダイオードＤＳ１〜ＤＳ４において、アノードからカソードへ流れる方向を正としている。なお、図５において各点線で区切った期間（ａ）〜（ｈ）は以下で説明する（モードａ）〜（モードｈ）とそれぞれ対応している。軽負荷モードＭ２では（モードａ）〜（モードｈ）全てのモードにわたって、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の駆動信号はオフとなっている。 Next, the circuit operation in the light load mode M2 of the DC-DC converter 1 will be described with reference to FIGS. The circuit operation in the heavy load mode M1 is omitted because a conventional phase shift method can be applied. FIG. 5 is a voltage / current waveform diagram for explaining the operation of the DC-DC converter 1 in the light load mode M2. First, voltage waveforms in FIG. 5 will be described. The S1 drive signal to S4 drive signal represent drive signal waveforms output from the control means 5 to the switching elements S1 to S4, respectively. Also in the figure, the switching elements S1 to S4 are turned on when the drive signal waveform output to the switching elements S1 to S4 is High, and are turned off when the driving signal waveform is Low. The T1 voltage represents the voltage waveform of the voltage at the node T1 on one end side of the primary winding N1, the T2 voltage represents the voltage waveform of the voltage at the node T2 on the other end side of the primary winding N1, and the voltage between T1 and T2 is The voltage waveform which subtracted T2 voltage from T1 voltage is represented. Next, the current waveform in FIG. 5 will be described.
S1 current and S2 current represent drain-source currents of the switching elements S1 and S2, respectively. CS1 current to CS4 current represent current waveforms flowing through the parasitic capacitors CS1 to CS4, respectively. In the parasitic capacitors CS1 to CS4, each of the CS1 current to CS4 current has a positive flow direction from one end of the parasitic capacitance connected to the drain of the switching element to the other end of the parasitic capacitance connected to the source of the switching element. The positive current is called the charging current, and the negative current is called the discharging current. DS1 current to DS4 current represent current waveforms flowing in the antiparallel diodes DS1 to DS4, respectively. In the antiparallel diodes DS1 to DS4, the DS1 current to DS4 current flow in the positive direction from the anode to the cathode, respectively. Note that the periods (a) to (h) separated by dotted lines in FIG. 5 correspond to (mode a) to (mode h) described below, respectively. In the light load mode M2, the drive signals of the switching elements S3 and S4 are off over all modes (mode a) to (mode h).

（モードａ）
図６は図５に示す期間（ａ）における軽負荷モードＭ２における動作（モードａ）を説明する回路図である。スイッチング素子Ｓ１をターンオンする。スイッチング素子Ｓ１の両端電圧は逆並列ダイオードＤＳ１が導通していたことによりゼロ電圧となっており、スイッチング素子Ｓ１はゼロ電圧スイッチングとなる。その後リアクトルＬｒを流れる電流がゼロに達すると、逆並列ダイオードＤＳ４に逆回復するまでの電流である逆回復電流が流れ、リアクトルＬｒを流れる電流は、正の方向に増大していく。その後、逆並列ダイオードＤＳ４が逆回復すると、スイッチング素子Ｓ１を通る電流は寄生容量ＣＳ４の充電電流と寄生容量ＣＳ３の放電電流となる。 (Mode a)
FIG. 6 is a circuit diagram for explaining the operation (mode a) in the light load mode M2 in the period (a) shown in FIG. The switching element S1 is turned on. The voltage across the switching element S1 is zero because the antiparallel diode DS1 is conducting, and the switching element S1 is zero voltage switching. Thereafter, when the current flowing through the reactor Lr reaches zero, a reverse recovery current that is a current until reverse recovery occurs in the antiparallel diode DS4 flows, and the current flowing through the reactor Lr increases in the positive direction. Thereafter, when the antiparallel diode DS4 reversely recovers, the current passing through the switching element S1 becomes a charging current for the parasitic capacitance CS4 and a discharging current for the parasitic capacitance CS3.

（モードｂ）
図７は図５に示す期間（ｂ）における軽負荷モードＭ２における動作（モードｂ）を説明する回路図である。寄生容量ＣＳ３の放電によって、逆並列ダイオードＤＳ３の両端電圧は減少し、ゼロ電圧を交差すると逆並列ダイオードＤＳ３は導通する。逆並列ダイオードＤＳ３が導通すると、寄生容量ＣＳ３の放電電流と、寄生容量ＣＳ４の充電電流は流れなくなる。逆並列ダイオードＤＳ３を流れた電流はスイッチング素子Ｓ１とリアクトルＬｒ、１次巻線Ｎ１を通って逆並列ダイオードＤＳ３へと戻る。この経路を流れる電流は徐々に増加していく。 (Mode b)
FIG. 7 is a circuit diagram for explaining the operation (mode b) in the light load mode M2 in the period (b) shown in FIG. Due to the discharge of the parasitic capacitance CS3, the voltage across the antiparallel diode DS3 decreases, and when the zero voltage is crossed, the antiparallel diode DS3 becomes conductive. When the antiparallel diode DS3 is turned on, the discharge current of the parasitic capacitor CS3 and the charge current of the parasitic capacitor CS4 do not flow. The current flowing through the antiparallel diode DS3 returns to the antiparallel diode DS3 through the switching element S1, the reactor Lr, and the primary winding N1. The current flowing through this path gradually increases.

（モードｃ）
図８は図５に示す期間（ｃ）における軽負荷モードＭ２における動作（モードｃ）を説明する回路図である。スイッチング素子Ｓ１をターンオフする。逆並列ダイオードＤＳ３を流れる電流は寄生容量ＣＳ１への充電電流と、寄生容量ＣＳ２の放電電流となる。寄生容量ＣＳ２の放電により、ノードＴ１の電圧は減少するが、ノードＴ２の電圧は逆並列ダイオードＤＳ３が導通しているため直流電圧Ｖ１よりも高い電圧を維持する。これによってノードＴ１−ノードＴ２間の電圧は負の方向へ拡大していく。 (Mode c)
FIG. 8 is a circuit diagram for explaining the operation (mode c) in the light load mode M2 in the period (c) shown in FIG. The switching element S1 is turned off. The current flowing through the antiparallel diode DS3 becomes a charging current for the parasitic capacitance CS1 and a discharging current for the parasitic capacitance CS2. Although the voltage at the node T1 decreases due to the discharge of the parasitic capacitor CS2, the voltage at the node T2 is maintained at a voltage higher than the DC voltage V1 because the antiparallel diode DS3 is conductive. As a result, the voltage between the node T1 and the node T2 expands in the negative direction.

（モードｄ）
図９は図５に示す期間（ｄ）における軽負荷モードＭ２における動作（モードｄ）を説明する回路図である。寄生容量ＣＳ２の放電によって、逆並列ダイオードＤＳ２の両端電圧は減少し、ゼロ電圧を交差すると逆並列ダイオードＤＳ２は導通する。逆並列ダイオードＤＳ２が導通すると、寄生容量ＣＳ２の放電電流と、寄生容量ＣＳ１の充電電流は流れなくなる。逆並列ダイオードＤＳ２を流れた電流はリアクトルＬｒ，１次巻線Ｎ１を通り、逆並列ダイオードＤＳ３を通って逆並列ダイオードＤＳ２へと戻る。この経路を流れる電流は徐々に減少していく。 (Mode d)
FIG. 9 is a circuit diagram for explaining the operation (mode d) in the light load mode M2 in the period (d) shown in FIG. The voltage across the antiparallel diode DS2 decreases due to the discharge of the parasitic capacitor CS2, and when the zero voltage is crossed, the antiparallel diode DS2 becomes conductive. When the antiparallel diode DS2 is turned on, the discharge current of the parasitic capacitance CS2 and the charging current of the parasitic capacitance CS1 do not flow. The current flowing through the antiparallel diode DS2 passes through the reactor Lr and the primary winding N1, returns to the antiparallel diode DS2 through the antiparallel diode DS3. The current flowing through this path gradually decreases.

（モードｅ）
図１０は図５に示す期間（ｅ）における軽負荷モードＭ２における動作（モードｅ）を説明する回路図である。スイッチング素子Ｓ２をターンオンする。スイッチング素子Ｓ２の両端電圧は逆並列ダイオードＤＳ２が導通していたことによりゼロ電圧となっており、スイッチング素子Ｓ２はゼロ電圧スイッチングとなる。その後リアクトルＬｒを流れる電流がゼロに達すると、逆並列ダイオードＤＳ３に逆回復するまでの電流である逆回復電流が流れ、リアクトルＬｒを流れる電流は、負の方向に増大していく。その後、逆並列ダイオードＤＳ３が逆回復すると、スイッチング素子Ｓ２を通る電流は寄生容量ＣＳ３の充電電流と寄生容量ＣＳ４の放電電流となる。ノードＴ２の電圧は寄生容量ＣＳ４の放電により減少するが、ノードＴ１の電圧はスイッチング素子Ｓ２が導通していることによりゼロ電圧を維持している。これによってノードＴ１−ノードＴ２間の電圧はゼロに近づいていく。 (Mode e)
FIG. 10 is a circuit diagram for explaining the operation (mode e) in the light load mode M2 during the period (e) shown in FIG. The switching element S2 is turned on. The voltage across the switching element S2 is zero because the antiparallel diode DS2 is conductive, and the switching element S2 is zero voltage switching. Thereafter, when the current flowing through the reactor Lr reaches zero, a reverse recovery current that is a current until reverse recovery occurs in the antiparallel diode DS3 flows, and the current flowing through the reactor Lr increases in the negative direction. Thereafter, when the antiparallel diode DS3 reversely recovers, the current passing through the switching element S2 becomes the charging current of the parasitic capacitance CS3 and the discharging current of the parasitic capacitance CS4. Although the voltage at the node T2 decreases due to the discharge of the parasitic capacitor CS4, the voltage at the node T1 is maintained at zero voltage because the switching element S2 is conductive. As a result, the voltage between the node T1 and the node T2 approaches zero.

（モードｆ）
図１１は図５に示す期間（ｆ）における軽負荷モードＭ２における動作（モードｆ）を説明する回路図である。寄生容量ＣＳ４の放電によって、逆並列ダイオードＤＳ４の両端電圧は減少し、ゼロ電圧を交差すると逆並列ダイオードＤＳ４は導通する。逆並列ダイオードＤＳ４が導通すると、寄生容量ＣＳ４の放電電流と、寄生容量ＣＳ３の充電電流は流れなくなる。逆並列ダイオードＤＳ４を流れた電流は１次巻線Ｎ１，リアクトルＬｒを通り、スイッチング素子Ｓ２を通って逆並列ダイオードＤＳ４へと戻る。この経路を流れる電流は徐々に増加していく。 (Mode f)
FIG. 11 is a circuit diagram for explaining the operation (mode f) in the light load mode M2 during the period (f) shown in FIG. Due to the discharge of the parasitic capacitance CS4, the voltage across the antiparallel diode DS4 decreases, and when the zero voltage is crossed, the antiparallel diode DS4 becomes conductive. When the antiparallel diode DS4 is turned on, the discharge current of the parasitic capacitor CS4 and the charge current of the parasitic capacitor CS3 do not flow. The current flowing through the antiparallel diode DS4 passes through the primary winding N1 and the reactor Lr, returns to the antiparallel diode DS4 through the switching element S2. The current flowing through this path gradually increases.

（モードｇ）
図１２は図５に示す期間（ｇ）における軽負荷モードＭ２における動作（モードｇ）を説明する回路図である。スイッチング素子Ｓ２をターンオフする。スイッチング素子Ｓ２を流れていた電流は、寄生容量ＣＳ１の放電電流と寄生容量ＣＳ２の充電電流となる。ノードＴ１の電圧は寄生容量ＣＳ２の充電により上昇するが、ノードＴ２の電圧は逆並列ダイオードＤ４が導通していることによりゼロ電圧を維持している。これによってノードＴ１−ノードＴ２間の電圧は正方向へ上昇する。 (Mode g)
FIG. 12 is a circuit diagram for explaining the operation (mode g) in the light load mode M2 during the period (g) shown in FIG. The switching element S2 is turned off. The current flowing through the switching element S2 becomes a discharge current of the parasitic capacitor CS1 and a charge current of the parasitic capacitor CS2. The voltage at the node T1 rises due to the charging of the parasitic capacitor CS2, but the voltage at the node T2 is maintained at zero because the antiparallel diode D4 is conductive. As a result, the voltage between node T1 and node T2 rises in the positive direction.

（モードｈ）
図１３は図５に示す期間（ｈ）における軽負荷モードＭ２における動作（モードｈ）を説明する回路図である。寄生容量ＣＳ１の放電によって、逆並列ダイオードＤＳ１の両端電圧は減少し、ゼロ電圧を交差すると逆並列ダイオードＤＳ１は導通する。逆並列ダイオードＤＳ１が導通すると、寄生容量ＣＳ１の放電電流と、寄生容量ＣＳ２の充電電流は流れなくなる。逆並列ダイオードＤＳ１を流れた電流は逆並列ダイオードＤＳ４と１次巻線Ｎ１、リアクトルＬｒを通り、逆並列ダイオードＤＳ１へと戻る。この経路を流れる電流は徐々に減少していく。 (Mode h)
FIG. 13 is a circuit diagram for explaining the operation (mode h) in the light load mode M2 during the period (h) shown in FIG. The voltage across the antiparallel diode DS1 decreases due to the discharge of the parasitic capacitor CS1, and when the zero voltage is crossed, the antiparallel diode DS1 becomes conductive. When the antiparallel diode DS1 is turned on, the discharge current of the parasitic capacitor CS1 and the charge current of the parasitic capacitor CS2 do not flow. The current flowing through the antiparallel diode DS1 passes through the antiparallel diode DS4, the primary winding N1, and the reactor Lr, and returns to the antiparallel diode DS1. The current flowing through this path gradually decreases.

以後、（モードａ）に戻り、前述した（モードａ）〜（モードｈ）の動作を繰り返すこととなる。 Thereafter, returning to (mode a), the operations of (mode a) to (mode h) described above are repeated.

なお、（モードａ）〜（モードｈ）において平滑リアクトルＬ１，Ｌ２を流れる電流が逆流しているモードがあるが、リアクトルの値を大きくすること、巻線Ｎ１，Ｎ２の巻数比を変更することなどによって回避することもできる。 In (mode a) to (mode h), there is a mode in which the current flowing through the smoothing reactors L1 and L2 is flowing backward. However, increasing the value of the reactor and changing the turns ratio of the windings N1 and N2 It can also be avoided.

スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の駆動周波数を制御することによって、出力電力を制御できるのは、ノードＴ１−ノードＴ２間に電圧を生じている時間を変化させていることによる。つまり駆動周波数を上げると、１周期あたりのノードＴ１−ノードＴ２間電圧の実効値が増大し、出力電力を上げることができる。逆に駆動周波数を下げれば出力電力も下がる。駆動周波数を上げずに出力電力を増加するためには、寄生容量の大きいスイッチング素子をスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４に採用すればトランス両端に電圧が生じる時間を延ばせるのでよい。また、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４に並列にスナバコンデンサを接続してもよい。これは（モードａ），（モードｅ）においてスナバコンデンサの充放電時間が追加されるため、ノードＴ１−ノードＴ２間に電圧が現れている時間が延びることによる。駆動周波数を上げずに出力電力を上げる別の方法として、逆回復特性の遅いダイオードを逆並列ダイオードＤＳ３，ＤＳ４に採用することもできる。（モードｄ），（モードｈ）において、ノードＴ１−ノードＴ２間の電圧は逆並列ダイオードＤＳ３，ＤＳ４の逆回復が終了するまで維持される。そのため出力電力を上げることができる。 The reason why the output power can be controlled by controlling the driving frequency of the switching elements S1 and S2 is that the time during which the voltage is generated between the node T1 and the node T2 is changed. That is, when the drive frequency is increased, the effective value of the voltage between the node T1 and the node T2 per cycle increases, and the output power can be increased. Conversely, if the drive frequency is lowered, the output power is also lowered. In order to increase the output power without increasing the drive frequency, if a switching element having a large parasitic capacitance is employed for the switching elements S3 and S4, the time during which the voltage is generated at both ends of the transformer may be extended. A snubber capacitor may be connected in parallel to the switching elements S3 and S4. This is because the charging / discharging time of the snubber capacitor is added in (mode a) and (mode e), so that the time during which the voltage appears between the node T1 and the node T2 is extended. As another method for increasing the output power without increasing the drive frequency, a diode having a slow reverse recovery characteristic can be employed for the antiparallel diodes DS3 and DS4. In (mode d) and (mode h), the voltage between the node T1 and the node T2 is maintained until the reverse recovery of the antiparallel diodes DS3 and DS4 is completed. Therefore, the output power can be increased.

スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２として、スイッチング特性の速いスイッチング素子を用いることで、効率が上がることがある。一般的にＭＯＳＦＥＴはスイッチング特性が速く、スイッチング損失が小さい。またＩＧＢＴは、オン抵抗が小さく、導通損失が小さい。例えば、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２としてＭＯＳＦＥＴ、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４にＩＧＢＴを用いる。これにより重負荷モードＭ１での導通損失を抑制しつつ、軽負荷モードＭ２でのスイッチング損失も低減することができる。 Efficiency may be improved by using switching elements having fast switching characteristics as the switching elements S1 and S2. In general, MOSFETs have fast switching characteristics and small switching losses. An IGBT has a low on-resistance and a low conduction loss. For example, MOSFETs are used as the switching elements S1 and S2, and IGBTs are used as the switching elements S3 and S4. Thereby, the switching loss in the light load mode M2 can be reduced while suppressing the conduction loss in the heavy load mode M1.

逆にスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２にＩＧＢＴ、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４にＭＯＳＦＥＴを用いると出力電力を上げることができる。一般的にＭＯＳＦＥＴのボディダイオードは逆回復特性が遅い。逆並列ダイオードＤＳ３，ＤＳ４にＭＯＳＦＥＴのボディダイオードを利用すれば、（モードｅ），（モードａ）において、ノードＴ１−ノードＴ２間の電圧は逆並列ダイオードＤＳ３，ＤＳ４の逆回復が終了するまで維持される。そのため出力電力を上げることができる。なお、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２にＭＯＳＦＥＴ、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４にＩＧＢＴを用いた場合においても、図１４に示すようにスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２をオフ状態で停止させ、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４のみ駆動させれば、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２にＩＧＢＴ、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４にＭＯＳＦＥＴを用いる構成のＤＣ−ＤＣコンバータと同様の効果が得られることは明白である。また逆に、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２にＩＧＢＴ、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４にＭＯＳＦＥＴを用いた場合においても、図１４に示すようにスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２をオフ状態で停止させ、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４のみ駆動させれば、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２にＭＯＳＦＥＴ、スイッチング素子Ｓ３、Ｓ４にＩＧＢＴを用いる構成のＤＣ−ＤＣコンバータと同様の効果が得られることは明白である。 Conversely, using IGBTs for the switching elements S1, S2 and MOSFETs for the switching elements S3, S4 can increase the output power. In general, MOSFET body diodes have slow reverse recovery characteristics. If a MOSFET body diode is used for the antiparallel diodes DS3 and DS4, the voltage between the node T1 and the node T2 is maintained in (mode e) and (mode a) until the reverse recovery of the antiparallel diodes DS3 and DS4 is completed. Is done. Therefore, the output power can be increased. Even when MOSFETs are used for the switching elements S1 and S2 and IGBTs are used for the switching elements S3 and S4, as shown in FIG. 14, the switching elements S1 and S2 are stopped in the OFF state, and only the switching elements S3 and S4 are driven. Then, it is obvious that the same effect as that of the DC-DC converter having the configuration in which the switching elements S1 and S2 are IGBTs and the switching elements S3 and S4 are MOSFETs can be obtained. Conversely, when IGBTs are used for the switching elements S1 and S2 and MOSFETs are used for the switching elements S3 and S4, the switching elements S1 and S2 are stopped in the off state as shown in FIG. When driven, it is obvious that the same effect as that of a DC-DC converter having a configuration using MOSFETs for the switching elements S1 and S2 and IGBTs for the switching elements S3 and S4 can be obtained.

上述したとおり、本発明のＤＣ−ＤＣコンバータ１は軽負荷時においてもゼロ電圧スイッチングを実現しやすくなることが特徴である。しかし負荷への電力供給量がほぼゼロに等しいとみなせるような時には、寄生容量ＣＳ１〜ＣＳ４の充放電に必要な電流を確保することができず、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２はハードスイッチングとなる場合がある。しかし、この時スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の駆動周波数は重負荷モードＭ１時の駆動周波数に比べて低い。そのため、負荷への電力供給量がほぼゼロに等しいとみなせるような時でも、軽負荷モードＭ２は重負荷モードＭ１よりも効率が高く、本発明は有効と言える。 As described above, the DC-DC converter 1 of the present invention is characterized in that zero voltage switching can be easily realized even at a light load. However, when it can be considered that the amount of power supplied to the load is substantially equal to zero, the current required for charging and discharging the parasitic capacitors CS1 to CS4 cannot be secured, and the switching elements S1 and S2 may be hard-switched. is there. However, at this time, the driving frequency of the switching elements S1 and S2 is lower than the driving frequency in the heavy load mode M1. Therefore, even when it can be considered that the amount of power supplied to the load is substantially equal to zero, the light load mode M2 is more efficient than the heavy load mode M1, and the present invention can be said to be effective.

また、前述の特許文献２では、フェーズシフト方式とは動作原理が異なる共振型の回路である。そのため、共振型の回路では共振を安定動作させるため周波数範囲を制限しなければならず、入力電圧範囲，出力電圧の可変範囲に制限が多いのに加えて、共振型の回路は周波数制御であり、出力を絞るためには共振周波数から離す必要があるが、リプルの増大や素子を駆動するための電力も必要となるため、高効率化が難しい。 Further, in Patent Document 2 described above, a resonance type circuit having an operation principle different from that of the phase shift method is used. Therefore, in the resonant circuit, the frequency range must be limited in order to stably operate the resonance. In addition to the many restrictions on the input voltage range and the variable range of the output voltage, the resonant circuit has frequency control. In order to reduce the output, it is necessary to move away from the resonance frequency. However, since it is necessary to increase the ripple and to drive the element, it is difficult to increase the efficiency.

これに対しフェーズシフト方式の回路では、スイッチング素子のオン−オフに加えて、それらスイッチング素子に並列に接続されたダイオードの導通や寄生容量への充放電を利用して動作を行うものである。そして効率を改善するためには、スイッチング素子がオン−オフする際にゼロ電圧スイッチング或いはそれにいかに近いスイッチングを実現するかが重要である。そのため、寄生容量への充放電を制御することが重要である。 On the other hand, in the phase shift circuit, in addition to turning on / off the switching elements, the operation is performed by utilizing conduction of diodes connected in parallel to the switching elements and charging / discharging of the parasitic capacitance. In order to improve efficiency, it is important to realize zero voltage switching or how close to it when the switching element is turned on and off. Therefore, it is important to control charging / discharging to the parasitic capacitance.

従来、負荷が軽くなった軽負荷時においては、十分な電流が回路内に流れないため、スイッチの出力容量が十分に充放電されずハードスイッチングになることで効率の悪化を招いていた。しかし、本実施例では、軽負荷モードにおいてフルブリッジ回路の、直列接続した１組のスイッチング素子で構成された一方のスイッチングレッグの動作を停止させることでこの点を解消している。このような状態で回路に流れる電流の状態を確認したところ、理由はまだ不明であるが、従来制御と比べて、軽負荷時にスイッチの出力容量を充放電するための電流が増えているのが確認された。これにより、負荷が軽くなった軽負荷時においても、スイッチの出力容量の充放電が促され、ソフトスイッチングが可能となっている。 Conventionally, when the load is light and the load is light, a sufficient current does not flow in the circuit. Therefore, the output capacity of the switch is not fully charged and discharged, resulting in hard switching, leading to deterioration in efficiency. However, in the present embodiment, this point is solved by stopping the operation of one switching leg constituted by a set of switching elements connected in series in the full bridge circuit in the light load mode. The state of the current flowing through the circuit in such a state was confirmed, but the reason is still unclear, but the current for charging / discharging the output capacity of the switch at light load is increased compared to the conventional control. confirmed. As a result, even when the load is lighter, charging and discharging of the output capacity of the switch is promoted, and soft switching is possible.

即ち本実施例によれば、スイッチは従来の制御方法と比べて、より低い電圧でターンオンすることが可能となり、スイッチング損失は減少する。また、本実施例によれば従来の制御方法に比べ、周波数が低いためより出力を絞りやすく、また、一方のスイッチングレッグを構成する直列接続した１組のスイッチング素子の動作を停止させるので、これらのスイッチでの駆動損失も抑えられるため、より効率の向上を図ることができる。 That is, according to the present embodiment, the switch can be turned on at a lower voltage than the conventional control method, and the switching loss is reduced. In addition, according to this embodiment, compared with the conventional control method, since the frequency is low, it is easier to narrow the output, and the operation of a set of switching elements connected in series constituting one switching leg is stopped. Since the drive loss at the switch can be suppressed, the efficiency can be further improved.

図１５は本発明の実施例２によるＤＣ−ＤＣコンバータ１０１の回路構成図である。図１と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。整流回路７は平滑リアクトルＬ１１と、２つのダイオードＤ１，Ｄ２から構成される。平滑リアクトルＬ１１の一端はダイオードＤ１，Ｄ２のカソードと接続され、平滑リアクトルＬ１１の他端は平滑コンデンサＣ２の一端に接続される。２つの２次巻線Ｎ２１，Ｎ２２は一端が互いに接続されており、その接続点は平滑コンデンサＣ２の他端に接続される。２次巻線Ｎ２１，Ｎ２２の他端はそれぞれＮ２１がダイオードＤ１のアノードに、Ｎ２２がダイオードＤ２のアノードに接続される。これにより実施例１に比べて平滑リアクトルを削減することができるため部品点数を削減することができ、コストをさげることができる。またダイオードＤ１，Ｄ２のかわりにスイッチング素子を使用し、同期整流方式を用いることでさらなる高効率化を図ることができる。 FIG. 15 is a circuit configuration diagram of the DC-DC converter 101 according to the second embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. The rectifier circuit 7 includes a smoothing reactor L11 and two diodes D1 and D2. One end of the smoothing reactor L11 is connected to the cathodes of the diodes D1 and D2, and the other end of the smoothing reactor L11 is connected to one end of the smoothing capacitor C2. One ends of the two secondary windings N21 and N22 are connected to each other, and the connection point is connected to the other end of the smoothing capacitor C2. At the other ends of the secondary windings N21 and N22, N21 is connected to the anode of the diode D1, and N22 is connected to the anode of the diode D2. Thereby, since a smoothing reactor can be reduced compared with Example 1, a number of parts can be reduced and cost can be reduced. Further, by using a switching element instead of the diodes D1 and D2 and using a synchronous rectification method, further increase in efficiency can be achieved.

図１６は本発明の実施例３によるＤＣ−ＤＣコンバータ１０２の回路構成図である。図１と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。整流回路７は平滑リアクトルＬ１２と、ダイオードＤ１，Ｄ２を直列接続したダイオードレッグ１０と、ダイオードＤ３，Ｄ４を直列接続し、かつダイオードレッグ１０に並列に接続されたダイオードレッグ１１で構成される。平滑リアクトルＬ１２の一端はダイオードレッグ１０の一端と接続され、平滑リアクトルＬ１２の他端は平滑コンデンサＣ２の一端と、ダイオードレッグ１０の他端は平滑コンデンサＣ２の他端と接続される。ダイオードＤ１，Ｄ２の接続点と、ダイオードＤ３，Ｄ４の接続点は２次巻線Ｎ２の両端に接続されている。これにより逆耐電圧の小さいダイオードを使用することができる。このような構成は出力電圧が大きい時に使用すると好適である。またダイオードＤ１〜Ｄ４のかわりにスイッチング素子を使用し、同期整流方式を用いることでさらなる高効率化を図ることができる。 FIG. 16 is a circuit configuration diagram of the DC-DC converter 102 according to the third embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. The rectifier circuit 7 includes a smoothing reactor L12, a diode leg 10 in which diodes D1 and D2 are connected in series, and a diode leg 11 in which diodes D3 and D4 are connected in series and connected in parallel to the diode leg 10. One end of the smoothing reactor L12 is connected to one end of the diode leg 10, the other end of the smoothing reactor L12 is connected to one end of the smoothing capacitor C2, and the other end of the diode leg 10 is connected to the other end of the smoothing capacitor C2. A connection point between the diodes D1 and D2 and a connection point between the diodes D3 and D4 are connected to both ends of the secondary winding N2. As a result, a diode having a low reverse withstand voltage can be used. Such a configuration is preferably used when the output voltage is large. Further, by using a switching element instead of the diodes D1 to D4 and using a synchronous rectification method, further increase in efficiency can be achieved.

図１７は従来の電気自動車３１の電源システムの概要構成図である。充電器３２は交流電源５１からの交流電力をＡＣ−ＤＣコンバータ５２によって直流電力に変換し、ＤＣ−ＤＣコンバータ５３は直流電力をバッテリ４１の充電に必要な電圧に変圧して電力を供給する。一方ＤＣ−ＤＣコンバータ５５はバッテリ４１の電圧よりも低い電圧であるバッテリ４２の電圧を変圧して負荷５６へ電力を供給している。負荷５６への電力供給量が多い場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ５４によってバッテリ４１の電力をＤＣ−ＤＣコンバータ５５とバッテリ４２に供給する。しかし交流電源５１からバッテリ４１を充電している場合など負荷５６への電力供給量が少ない場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ５４の電力変換効率が低下する問題があった。そのため充電器３２はＤＣ−ＤＣコンバータ５７を有し、ＡＣ−ＤＣコンバータ５２からの電力をＤＣ−ＤＣコンバータ５４を介さずにＤＣ−ＤＣコンバータ５７からＤＣ−ＤＣコンバータ５５とバッテリ４２へ電力を供給していた。 FIG. 17 is a schematic configuration diagram of a power supply system of a conventional electric vehicle 31. The charger 32 converts AC power from the AC power source 51 into DC power by the AC-DC converter 52, and the DC-DC converter 53 transforms the DC power into a voltage necessary for charging the battery 41 and supplies the power. On the other hand, the DC-DC converter 55 transforms the voltage of the battery 42, which is lower than the voltage of the battery 41, and supplies power to the load 56. When the amount of power supplied to the load 56 is large, the DC-DC converter 54 supplies the power of the battery 41 to the DC-DC converter 55 and the battery 42. However, when the amount of power supplied to the load 56 is small, such as when the battery 41 is charged from the AC power supply 51, there is a problem that the power conversion efficiency of the DC-DC converter 54 decreases. Therefore, the charger 32 has a DC-DC converter 57, and supplies power from the AC-DC converter 52 to the DC-DC converter 55 and the battery 42 without passing through the DC-DC converter 54. Was.

図１８は本発明の実施例４によるＤＣ−ＤＣコンバータ１を採用した電気自動車１３１の電源システムの概要構成図である。図１７と同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。図１７におけるＤＣ−ＤＣコンバータ５４にかわり、前述の実施例１で説明したＤＣ−ＤＣコンバータ１を採用することで、負荷５６への電力供給量が少ない場合においても、ＤＣ−ＤＣコンバータ１は高効率に電力を供給することができる。これにより、充電器１３２は図１７におけるＤＣ−ＤＣコンバータ５７が不要となり、部品点数の削減が可能となり、大きくコストダウンを図りながら、高効率で電力供給を行うことができる。 FIG. 18 is a schematic configuration diagram of a power supply system of an electric vehicle 131 employing the DC-DC converter 1 according to the fourth embodiment of the present invention. The same parts as those in FIG. 17 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. By adopting the DC-DC converter 1 described in the first embodiment instead of the DC-DC converter 54 in FIG. 17, the DC-DC converter 1 is high even when the amount of power supplied to the load 56 is small. Power can be supplied efficiently. Accordingly, the charger 132 does not require the DC-DC converter 57 in FIG. 17, and the number of parts can be reduced, and power can be supplied with high efficiency while greatly reducing the cost.

自動車１３１において、交流電源５１から充電器１３２によってバッテリ４１を充電しているときは、ＤＣ−ＤＣコンバータ１のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の駆動周波数は重負荷モードＭ１時の駆動周波数に比べて低くなる場合が多い。即ち、夜間など車自体は使用していない時間にバッテリ４１を充電している状態である。このようなときは、必要最低限の非常に小さな負荷５６となっている。そのため、負荷への電力供給量がほぼゼロに等しいとみなせるような時でも、軽負荷モードＭ２は重負荷モードＭ１よりも効率が高く、本実施例で説明したＤＣ−ＤＣコンバータを電気自動車に利用することは非常に有効と言える。なお、本実施例では実施例１で説明したＤＣ−ＤＣコンバータを自動車１３１に適用した例を説明したが、実施例２や実施例３で説明したＤＣ−ＤＣコンバータを自動車１３１に適用しても同様に有効である。 In the automobile 131, when the battery 41 is charged by the charger 132 from the AC power supply 51, the driving frequency of the switching elements S1, S2 of the DC-DC converter 1 is lower than the driving frequency in the heavy load mode M1. There are many cases. That is, the battery 41 is being charged when the car itself is not in use, such as at night. In such a case, the load 56 is the minimum necessary and very small. Therefore, even when the amount of power supplied to the load can be considered to be almost equal to zero, the light load mode M2 is more efficient than the heavy load mode M1, and the DC-DC converter described in this embodiment is used for an electric vehicle. It can be said that it is very effective. In the present embodiment, the example in which the DC-DC converter described in the first embodiment is applied to the automobile 131 has been described. However, the DC-DC converter described in the second or third embodiment may be applied to the automobile 131. It is equally effective.

１，５３〜５５，５７，１０１，１０２ＤＣ−ＤＣコンバータ
２フルブリッジ回路
３，４スイッチングレッグ
５制御手段
６トランス
７整流回路
８電流センサ
９電圧センサ
１０，１１ダイオードレッグ
３１電気自動車
３２充電器
４１，４２バッテリ
５１交流電源
５２ＡＣ−ＤＣコンバータ
５６，Ｒ１負荷
１３１電気自動車
１３２充電器
Ｖ１直流電源
Ｃ１，Ｃ２平滑コンデンサ
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ１１，Ｌ１２平滑リアクトル
Ｌｒリアクトル
Ｎ１，Ｎ２巻線
Ｓ１〜Ｓ４スイッチング素子
ＤＳ１〜ＤＳ４逆並列ダイオード
ＣＳ１〜ＣＳ４寄生容量
Ｍ１重負荷モード
Ｍ２軽負荷モード
Ｐｏｕｔ出力電力
Ｐｔｈ，Ｐｔｈ１，Ｐｔｈ２所定値
Ｄ１〜Ｄ４ダイオード
Ｔ１，Ｔ２ノード 1, 53 to 55, 57, 101, 102 DC-DC converter 2 Full bridge circuit 3, 4 Switching leg 5 Control means 6 Transformer 7 Rectifier circuit 8 Current sensor 9 Voltage sensor 10, 11 Diode leg 31 Electric vehicle 32 Charger 41 , 42 Battery 51 AC power source 52 AC-DC converter 56, R1 Load 131 Electric vehicle 132 Charger V1 DC power source C1, C2 Smoothing capacitors L1, L2, L11, L12 Smoothing reactor Lr Reactor N1, N2 Winding S1-S4 Switching element DS1 to DS4 Antiparallel diodes CS1 to CS4 Parasitic capacitance M1 Heavy load mode M2 Light load mode Pout Output power Pth, Pth1, Pth2 Predetermined values D1 to D4 Diodes T1, T2 Node

Claims

A first switching leg in which the first and second switching elements are connected in series, and a second switching leg in which the third and fourth switching elements are connected in series and connected in parallel to the first switching leg. The first and second switching legs and the second switching leg are connected between the DC terminals, and the series connection point of the first and second switching elements and the third and fourth switching elements are configured. A full bridge circuit having an AC terminal between the series connection points of the elements, a rectifier circuit having a smoothing reactor, and a first power source connected in parallel to the DC power source and connected between the DC terminals of the full bridge circuit; Between the smoothing capacitor, the second smoothing capacitor connected in parallel to the load and connected between the DC terminals of the rectifier circuit, and the AC terminal of the full bridge circuit A primary winding connected, a secondary winding connected between AC terminals of the rectifier circuit, a transformer for magnetically coupling the primary winding and the secondary winding, and the full bridge circuit Control means for controlling,
Each of the first, second, third, and fourth switching elements includes a switch, an antiparallel diode connected in parallel to the switch, and a capacitor connected in parallel to the switch and the antiparallel diode. And
In the DC-DC converter having a reactor component inserted in series between the AC terminals of the full bridge circuit and the primary winding,
When the amount of power supplied to the load is greater than or equal to a predetermined value, the control means executes a first mode for driving the first, second, third, and fourth switching elements, and supplies the power to the load. Is less than or equal to the predetermined value, the control means stops a pair of switching elements of one of the switching legs constituting the first switching leg or the second switching leg in an off state, and the first switching leg The DC-DC converter characterized by performing the 2nd mode which drives 1 set of switching elements of the switching leg of the other side which comprises a leg or a 2nd switching leg.

2. The control unit according to claim 1, wherein the control unit drives the first, second, third, and fourth switching elements in a phase shift manner when the first mode is executed, and drives when the second mode is executed. A DC-DC converter characterized in that one set of switching elements of the switching leg is driven by a frequency control method.

2. The capacitor according to claim 1, wherein the capacitor included in the one set of switching elements of the switching leg that is driven when the second mode is executed is the one set of the switching legs that are stopped when the second mode is executed. A DC-DC converter characterized by having a capacity larger than that of the capacitor of the switching element.

2. The DC-DC converter according to claim 1, wherein a snubber capacitor is connected in parallel to each of the pair of switching elements of the switching leg which is stopped when the second mode is executed. 3.

2. The anti-parallel diode included in one set of switching elements of the switching leg that is stopped when the second mode is executed is the one of the switching legs that are driven when the second mode is executed. A DC-DC converter characterized by having a reverse recovery characteristic slower than that of the antiparallel diode included in the pair of switching elements.

2. The switching element of the switching leg on the driving side when the second mode is executed is more than the switching element of the switching leg on the side stopped when the second mode is executed. A DC-DC converter characterized by fast switching characteristics.

2. The switching element of the switching leg on the driving side when the second mode is executed is a MOSFET, and the switching element of the switching leg that is stopped when the second mode is executed is defined in claim 1. A DC-DC converter characterized by being an IGBT.

2. The switching element of the switching leg on the driving side when the second mode is executed is an IGBT, and the switching element of the switching leg that is stopped when the second mode is executed is 2. A DC-DC converter characterized by being a MOSFET.

The predetermined value has a first predetermined value and a second predetermined value larger than the first predetermined value, and the control means is configured such that the amount of power supplied to the load is the first predetermined value. When the power supply amount to the load is equal to or greater than the second predetermined value, the first mode is switched to the first mode. DCDC converter.

2. The rectifier circuit according to claim 1, wherein the rectifier circuit includes a connection body between one end of the first smoothing reactor and one end of the second smoothing reactor, and a connection body between one end of the first diode and one end of the second diode. The other end of the first smoothing reactor is connected to the other end of the first diode, the other end of the second smoothing reactor is connected to the other end of the second diode, and the first diode Between the other end of the diode and the other end of the second diode is an AC terminal, and between the connection point of the first and second smoothing reactors and the connection point of the first and second diodes. A DC-DC converter characterized by being between DC terminals.

2. The rectifier circuit according to claim 1, wherein the rectifier circuit includes a connection body between one end of the first smoothing reactor and one end of the second smoothing reactor, one end of the first rectifier circuit side switching element, and a second rectifier circuit side switching element. Connected to the other end of the first rectifier circuit side switching element, the other end of the first smoothing reactor is connected to the other end of the second rectifier circuit side switching element. The other end of the second smoothing reactor is connected, and between the other end of the first rectifier circuit side switching element and the other end of the second rectifier circuit side switching element is an AC terminal, A DC-DC converter characterized in that a point between a connection point of the second smoothing reactor and a connection point of the first and second rectifier circuit side switching elements is between DC terminals.

2. The secondary winding according to claim 1, wherein the secondary winding includes a connection body between one end of the first secondary winding and one end of the second secondary winding, and the rectifier circuit includes a smoothing reactor, A second diode, one end of the first diode connected to the other end of the first secondary winding, and one end of the second diode connected to the other end of the second secondary winding. The other end of the first diode and the other end of the second diode are connected to one end of the smoothing reactor, the connection point of the first and second secondary windings, and the smoothing A DC-DC converter characterized in that a gap between the other end of the reactor is between the DC terminals and a gap between one end of the first diode and one end of the second diode is between the AC terminals.

2. The secondary winding according to claim 1, wherein the secondary winding includes a connection body between one end of the first secondary winding and one end of the second secondary winding, and the rectifier circuit includes a smoothing reactor, A second rectifier circuit side switching element, one end of the first rectifier circuit side switching element is connected to the other end of the first secondary winding, and the other end of the second secondary winding. One end of the second rectifier circuit side switching element is connected to the other end, and the other end of the first rectifier circuit side switching element and the other end of the second rectifier circuit side switching element are connected to one end of the smoothing reactor. The connection point between the first and second secondary windings and the other end of the smoothing reactor is between the DC terminals, and one end of the first rectifier circuit side switching element and the second rectifier circuit side DC-D characterized in that between one end of the switching element is an AC terminal Converter.

2. The rectifier circuit according to claim 1, wherein the rectifier circuit includes a smoothing reactor, a first diode leg in which a first diode and a second diode are connected in series, a third diode and a fourth diode, and the first diode. A second diode leg connected in parallel to the leg, one end of the smoothing reactor connected to one end of the first diode leg, the other end of the smoothing reactor and the other end of the first diode leg Between the DC terminals and between the series connection point of the first and second diodes and the series connection point of the third and fourth diodes between the AC terminals. DC converter.

2. The rectifier circuit according to claim 1, wherein the rectifier circuit includes a smoothing reactor, a first rectifier circuit side switching leg in which first and second rectifier circuit side switching elements are connected in series, and third and fourth rectifier circuit side switching elements. And a second rectifier circuit side switching leg connected in parallel to the first rectifier circuit side switching leg, and one end of the smoothing reactor at one end of the first rectifier circuit side switching leg. And connecting the other end of the smoothing reactor and the other end of the first rectifier circuit side switching leg between the DC terminals, the series connection point of the first and second rectifier circuit side switching elements and the A DC-DC converter characterized in that between the third and fourth rectifier circuit side switching elements in series connection points is between AC terminals.

A vehicle comprising the DC-DC converter according to claim 1.

17. The vehicle according to claim 16, wherein the DC-DC converter operates in the first mode while the vehicle is running, and operates in the second mode while the vehicle is being charged. .