JP2016025831A - Auxiliary circuit of dc-dc converter, and bidirectional step-up/down dc-dc converter arranged by use thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、入力直流電圧を所望の直流電圧に変換し出力するＤＣ−ＤＣコンバータ（直流−直流電力変換器）の高効率化を図る補助回路及びその補助回路を用いた双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータに関するものである。 The present invention relates to an auxiliary circuit for improving the efficiency of a DC-DC converter (DC-DC power converter) that converts an input DC voltage into a desired DC voltage and outputs it, and a bidirectional buck-boost DC- using the auxiliary circuit. The present invention relates to a DC converter.
電気自動車やハイブリッド車の電源システムには、高圧ＤＣバスラインとバッテリなどの低電圧蓄電装置との間で高効率な双方向ＤＣ−ＤＣ電力変換器が欠かせず、その高性能化を狙い、近年、ソフトスイッチング技術を積極的に導入した回路方式の研究開発が多数行われている。 High-efficiency bidirectional DC-DC power converters are indispensable between high-voltage DC bus lines and low-voltage power storage devices such as batteries in power systems for electric vehicles and hybrid vehicles. In recent years, many researches and developments on circuit systems in which soft switching technology has been actively introduced have been conducted.
例えば、図２４に示すような駆動系統とバッテリ間において、エネルギー残量（ＳＯＣ；State of Charge）に応じて変動するバッテリ電圧に大きく左右されない電力伝送機能が、車載電源システムの設計仕様やエネルギー利用率改善の観点から求められている。このため、２直流電源間で両電力フローにおいて昇圧／降圧あるいは昇降圧動作が可能な多機能形の高効率双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの実現が期待されている。 For example, the power transmission function that is not greatly influenced by the battery voltage that varies depending on the remaining energy (SOC) between the drive system and the battery as shown in FIG. It is required from the viewpoint of rate improvement. For this reason, it is expected to realize a multifunctional high-efficiency bidirectional DC-DC converter capable of performing step-up / step-down or step-up / step-down operation in both power flows between two DC power sources.
特許文献１に開示されたＤＣ−ＤＣコンバータに設けられている補助回路は、昇降圧可能なソフトスイッチング動作を行うためのものであるが、ゼロ電圧ソフトスイッチング（Zero Voltage Soft-Switching, ＺＶＳ）の回路である。特許文献１のＤＣ−ＤＣコンバータの場合、主スイッチ毎に補助回路１８（図２５を参照）が必要になるという問題がある。 The auxiliary circuit provided in the DC-DC converter disclosed in Patent Document 1 is for performing a soft switching operation capable of step-up / step-down. However, zero voltage soft switching (ZVS) Circuit. In the case of the DC-DC converter of Patent Document 1, there is a problem that an auxiliary circuit 18 (see FIG. 25) is required for each main switch.
また、特許文献２に開示されたＤＣ−ＤＣコンバータに設けられる補助回路１７（図２６を参照）は、基本的にインバータのハーフブリッジ（ハイサイドとローサイドの１組に接続された逆導形パワー半導体スイッチによるトーテムポール構造）のソフトスイッチングを実現する技術であり、補助共振転流ポール（ARCP：Auxiliary Resonant Commutated Pole）をベースとしたものである。すなわち、補助回路のリアクトルに蓄積された電磁エネルギーを利用し、上下のスイッチが切り替わる短い過渡期間に、それぞれのスイッチに並列接続したコンデンサを充放電させて、その共振電流状の充放電電流のためコンデンサが緩やかに充放電される動作を行う結果、スイッチング（オン／オフ）前後でスイッチの端子電圧が緩やかに増減するＺＶＳ（Zero Voltage Soft-Switching）の回路である。 Further, the auxiliary circuit 17 (see FIG. 26) provided in the DC-DC converter disclosed in Patent Document 2 basically includes a half bridge of an inverter (reverse conductive power connected to one set of a high side and a low side. This is a technology that realizes soft switching of a totem pole structure using a semiconductor switch, and is based on an auxiliary resonant commutated pole (ARCP). That is, by using the electromagnetic energy accumulated in the reactor of the auxiliary circuit, the capacitor connected in parallel with each switch is charged and discharged during the short transition period when the upper and lower switches are switched. This is a ZVS (Zero Voltage Soft-Switching) circuit in which the terminal voltage of the switch gradually increases and decreases before and after switching (on / off) as a result of the operation of slowly charging and discharging the capacitor.
特許文献２に開示されたＤＣ−ＤＣコンバータの場合、入出力平滑フィルタのリプルが必然的に上昇することがあると考えられる。すわわち、フィルタキャパシタの容量が相対的に上がるか、あるいは発熱が上昇する。その要因としては、補助回路の発生するＺＶＳ用の共振電流が不必要にも電源側へ返るような無駄な動作モードを伴うためと考える。
また、特許文献２の図７，図８に示されたＤＣ−ＤＣコンバータは、双方向に昇圧および降圧動作が可能な回路であるが、２つの主スイッチを同時に動作できないため、同一のパワーフローの中で電圧の上げ下げ（昇降圧）が実現できず、昇降圧動作の実現が困難であると考える。
In the case of the DC-DC converter disclosed in Patent Document 2, it is considered that the ripple of the input / output smoothing filter may inevitably increase. In other words, the capacity of the filter capacitor is relatively increased or the heat generation is increased. The reason for this is considered to be a useless operation mode in which the ZVS resonance current generated by the auxiliary circuit is unnecessarily returned to the power supply side.
The DC-DC converters shown in FIGS. 7 and 8 of Patent Document 2 are circuits that can perform step-up and step-down operations in both directions. However, since the two main switches cannot be operated simultaneously, the same power flow is used. It is considered that it is difficult to realize the step-up / step-down operation because the voltage cannot be raised / lowered (step-up / step-down).
本発明者らは、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などのバイポーラパワーデバイスに適するソフトスイッチング手法であるＺＣＳ（Zero Current Soft-Switching）を実現できる補助回路で、共振キャパシタに予め蓄えられた静電エネルギーに基づく大半部分の共振電流を補助回路で閉じ込め、一部の共振電流が主スイッチのみに現れる転流プロセスを実現できる回路について研究を行った。 The present inventors are an auxiliary circuit capable of realizing ZCS (Zero Current Soft-Switching), which is a soft switching technique suitable for a bipolar power device such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), and electrostatic energy stored in a resonance capacitor in advance. The circuit that can realize the commutation process in which most of the resonance current based on the above is confined by the auxiliary circuit and some resonance current appears only in the main switch was studied.
本発明は、比較的簡素な補助回路の付加により広範囲にＺＣＳ動作が可能な昇圧形、降圧形、昇圧形／降圧形のＤＣ−ＤＣコンバータ、並びに、２直流電源間で両電力フローにおいて昇圧／降圧あるいは昇降圧動作が可能な多機能形の高効率双方向のＤＣ−ＤＣコンバータを提供することを目的とする。 The present invention provides a step-up, step-down, step-up / step-down DC-DC converter capable of ZCS operation in a wide range by adding a relatively simple auxiliary circuit, and a step-up / step-down in both power flows between two DC power supplies. It is an object of the present invention to provide a multifunctional high-efficiency bidirectional DC-DC converter capable of step-down or step-up / step-down operation.
上記課題を達成すべく、本発明のＤＣ−ＤＣコンバータの補助回路は、直列共振型スイッチトキャパシタとＺＣＳ促進用インダクタとから構成される。
そして、ＤＣ−ＤＣコンバータが昇圧タイプの場合、昇圧用スイッチング素子の正極側に直列にＺＣＳ促進用インダクタが直列接続され、かつ、直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタが接続される。
ここで、直列共振型スイッチトキャパシタは、共振用のインダクタとキャパシタとを直列接続して直列共振回路を構成し、ソフトスイッチングにより高効率な補助スイッチ回路を実現するものである。
また、ＺＣＳ促進用インダクタは、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などのバイポーラトランジスタおよび還流ダイオードに対して、それらのオン／オフ遷移時に電流が傾斜を持って上昇および下降するソフトスイッチングであるＺＣＳ（Zero Current Soft-Switching）を行わせるためのインダクタである。
In order to achieve the above object, the auxiliary circuit of the DC-DC converter of the present invention includes a series resonant switched capacitor and a ZCS promoting inductor.
When the DC-DC converter is a step-up type, a ZCS promoting inductor is connected in series to the positive side of the step-up switching element, and a series resonant switched capacitor is connected in parallel to both ends of the series connection structure. .
Here, the series resonance type switched capacitor constitutes a series resonance circuit by connecting a resonance inductor and a capacitor in series, and realizes a highly efficient auxiliary switch circuit by soft switching.
The ZCS promoting inductor is a ZCS (Zero) which is a soft switching in which a current rises and falls with a slope at the time of ON / OFF transition of a bipolar transistor such as an IGBT (insulated gate bipolar transistor) and a free wheel diode. This is an inductor for performing Current Soft-Switching.
また、ＤＣ−ＤＣコンバータが降圧タイプの場合、還流ダイオードの正極側に直列にＺＣＳ促進用インダクタが直列接続され、かつ、直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタが接続される、 When the DC-DC converter is a step-down type, an inductor for ZCS promotion is connected in series with the positive electrode side of the freewheeling diode, and a series resonant switched capacitor is connected in parallel with both ends of the series connection structure.
また、ＤＣ−ＤＣコンバータが昇降圧タイプの場合、昇圧用スイッチング素子とそれに逆並列接続されるダイオードから成るスイッチの正極側に直列にＺＣＳ促進用インダクタが直列接続され、かつ、直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタが接続される。 Further, when the DC-DC converter is a step-up / step-down type, a ZCS promoting inductor is connected in series to the positive side of a switch composed of a step-up switching element and a diode connected in reverse parallel thereto, and both ends of the series connection structure A series resonance type switched capacitor is connected in parallel with each other.
ここで、直列共振型スイッチトキャパシタは、正極から順に共振インダクタ、共振キャパシタ、およびスイッチング素子が直列に接続され、かつ、スイッチング素子に並列にダイオードが接続されるのが好ましい。 Here, in the series resonance type switched capacitor, it is preferable that a resonance inductor, a resonance capacitor, and a switching element are connected in series from the positive electrode, and a diode is connected in parallel to the switching element.
上述のＤＣ−ＤＣコンバータの補助回路を備えたＤＣ−ＤＣコンバータは、広範囲にＺＣＳ動作が可能な昇圧形、降圧形、昇圧形／降圧形のＤＣ−ＤＣコンバータとなり得る。 The DC-DC converter provided with the auxiliary circuit of the above-described DC-DC converter can be a step-up, step-down, step-up / step-down DC-DC converter capable of ZCS operation over a wide range.
本発明の第１の観点の双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、入力直流電圧を所望の直流電圧に変換し出力するＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、ツインハーフブリッジ構造（１ａ）と、双方のハーフブリッジ構造のローサイドにそれぞれ補助回路（１ｂ）を備える。 A bidirectional buck-boost DC-DC converter according to a first aspect of the present invention is a DC-DC converter that converts an input DC voltage into a desired DC voltage and outputs the same, and includes a twin half-bridge structure (1a) and both half-bridges. Auxiliary circuits (1b) are provided on the low side of the structure.
（１ａ）ツインハーフブリッジ構造
ツインハーフブリッジ構造は、直列接続された第１スイッチング素子と第２スイッチング素子と、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、同様に、直列接続された第３スイッチング素子と第４スイッチング素子と、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の第１接続中点と、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子の第２接続中点とを接続する平滑インダクタとから構成される。
(1a) Twin half bridge structure The twin half bridge structure includes a first switching element and a second switching element connected in series, and anti-parallel diodes connected in parallel to the first switching element and the second switching element, respectively. The third switching element and the fourth switching element connected in series, the anti-parallel diode connected in parallel to the third switching element and the fourth switching element, respectively, and the first connection of the first switching element and the second switching element And a smoothing inductor connecting the third switching element and the second connection midpoint of the fourth switching element.
（１ｂ）補助回路
補助回路は、ローサイドの第２スイッチング素子と第１接続中点との間に直列接続されたＺＣＳ促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタと、同様に、ローサイドの第４スイッチング素子と第２接続中点との間に直列接続されたＺＣＳ促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタとから構成される。
(1b) Auxiliary circuit The auxiliary circuit includes a ZCS promoting inductor connected in series between the low-side second switching element and the first connection midpoint, and a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure. And a ZCS promoting inductor connected in series between the low-side fourth switching element and the second connection midpoint, and a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure. The
本発明の第２の観点の双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、入力直流電圧を所望の直流電圧に変換し出力するＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、ツインハーフブリッジ構造（２ａ）と、双方のハーフブリッジ構造のハイサイドにそれぞれ補助回路（２ｂ）を備える。 A bidirectional buck-boost DC-DC converter according to a second aspect of the present invention is a DC-DC converter that converts an input DC voltage into a desired DC voltage and outputs the same, and includes a twin half-bridge structure (2a) and both half-bridges. An auxiliary circuit (2b) is provided on each of the high side of the structure.
（２ａ）ツインハーフブリッジ構造
ツインハーフブリッジ構造は、直列接続された第１スイッチング素子と第２スイッチング素子と、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、同様に、直列接続された第３スイッチング素子と第４スイッチング素子と、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の第１接続中点と、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子の第２接続中点とを接続する平滑インダクタとから構成される。
(2a) Twin half bridge structure The twin half bridge structure includes a first switching element and a second switching element connected in series, and anti-parallel diodes connected in parallel to the first switching element and the second switching element, respectively. The third switching element and the fourth switching element connected in series, the anti-parallel diode connected in parallel to the third switching element and the fourth switching element, respectively, and the first connection of the first switching element and the second switching element And a smoothing inductor connecting the third switching element and the second connection midpoint of the fourth switching element.
（２ｂ）補助回路
補助回路は、ハイサイドの第１スイッチング素子に直列接続されたＺＣＳ促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタと、同様に、ハイサイドの第３スイッチング素子に直列接続されたＺＣＳ促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタとから構成される。
(2b) Auxiliary circuit The auxiliary circuit includes a ZCS promoting inductor connected in series to the first switching element on the high side, a series resonant switched capacitor connected in parallel to both ends of the series connection structure, The inductor includes a ZCS promoting inductor connected in series to the third switching element, and a series resonant switched capacitor connected in parallel to both ends of the series connection structure.
本発明の第３の観点の双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、入力直流電圧を所望の直流電圧に変換し出力するＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、ツインブリッジ構造（３ａ）と、双方のブリッジ構造のローサイドにそれぞれ補助回路（３ｂ）を備える。 A bidirectional buck-boost DC-DC converter according to a third aspect of the present invention is a DC-DC converter that converts an input DC voltage into a desired DC voltage and outputs it, and has a twin bridge structure (3a) and both bridge structures. An auxiliary circuit (3b) is provided on each low side.
（３ａ）ツインハーフブリッジ構造
ツインハーフブリッジ構造は、直列接続された第１スイッチング素子と第２スイッチング素子と、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、同様に、直列接続された第３スイッチング素子と第４スイッチング素子と、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の第１接続中点から分岐して接続される第１平滑インダクタと、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子の第２接続中点から分岐して接続される第２平滑インダクタと、直列接続された第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の両端と、直列接続された第３スイッチング素子と第４スイッチング素子の両端と、が接続され、それぞれの両端に並列接続される直流リンクキャパシタとから構成される。
(3a) Twin half bridge structure The twin half bridge structure includes a first switching element and a second switching element connected in series, and anti-parallel diodes connected in parallel to the first switching element and the second switching element, respectively. The third switching element and the fourth switching element connected in series, the anti-parallel diode connected in parallel to the third switching element and the fourth switching element, respectively, and the first connection of the first switching element and the second switching element A first smoothing inductor that is branched and connected from a point; a second smoothing inductor that is branched and connected from a second connection middle point of the third switching element and the fourth switching element; and a first switching element that is connected in series And both ends of the second switching element, a third switching element connected in series, Both ends of the fourth switching element are connected to each other, and a DC link capacitor is connected to both ends in parallel.
（３ｂ）補助回路
補助回路は、ローサイドの第２スイッチング素子と第１接続中点との間に直列接続されたＺＣＳ促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタと、同様に、ローサイドの第４スイッチング素子と第２接続中点との間に直列接続されたＺＣＳ促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタとから構成される。
(3b) Auxiliary circuit The auxiliary circuit includes a ZCS promoting inductor connected in series between the second switching element on the low side and the first connection midpoint, and a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure. And a ZCS promoting inductor connected in series between the low-side fourth switching element and the second connection midpoint, and a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure. The
本発明の第４の観点の双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、入力直流電圧を所望の直流電圧に変換し出力するＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、ツインブリッジ構造（４ａ）と、双方のブリッジ構造のハイサイドにそれぞれ補助回路（４ｂ）を備える。 A bidirectional buck-boost DC-DC converter according to a fourth aspect of the present invention is a DC-DC converter that converts an input DC voltage into a desired DC voltage and outputs it, and has a twin bridge structure (4a) and both bridge structures. An auxiliary circuit (4b) is provided on each high side.
（４ａ）ツインハーフブリッジ構造
ツインハーフブリッジ構造は、直列接続された第１スイッチング素子と第２スイッチング素子と、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、同様に、直列接続された第３スイッチング素子と第４スイッチング素子と、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の第１接続中点から分岐して接続される第１平滑インダクタと、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子の第２接続中点から分岐して接続される第２平滑インダクタと、直列接続された第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の両端と、直列接続された第３スイッチング素子と第４スイッチング素子の両端と、が接続され、それぞれの両端に並列接続される直流リンクキャパシタとから構成される。
(4a) Twin half bridge structure The twin half bridge structure includes a first switching element and a second switching element connected in series, and anti-parallel diodes connected in parallel to the first switching element and the second switching element, respectively. The third switching element and the fourth switching element connected in series, the anti-parallel diode connected in parallel to the third switching element and the fourth switching element, respectively, and the first connection of the first switching element and the second switching element A first smoothing inductor that is branched and connected from a point; a second smoothing inductor that is branched and connected from a second connection middle point of the third switching element and the fourth switching element; and a first switching element that is connected in series And both ends of the second switching element, a third switching element connected in series, Both ends of the fourth switching element are connected to each other, and a DC link capacitor is connected to both ends in parallel.
（４ｂ）補助回路
補助回路は、ハイサイドの第１スイッチング素子と第１接続中点との間に直列接続されたＺＣＳ促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタと、同様に、ハイサイドの第３スイッチング素子と第２接続中点との間に直列接続されたＺＣＳ促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタとから構成される。
(4b) Auxiliary circuit The auxiliary circuit includes a ZCS promoting inductor connected in series between the first switching element on the high side and the first connection midpoint, and a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure. And, similarly, a ZCS promoting inductor connected in series between the third switching element on the high side and the second connection midpoint, and a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure Composed.
上述の第１〜第４の観点の双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、直列共振型スイッチトキャパシタは、正極から順に共振インダクタ、共振キャパシタ、およびスイッチング素子が直列に接続され、かつ、スイッチング素子に並列にダイオードが接続されるのが好ましい。 In the bidirectional buck-boost DC-DC converter according to the first to fourth aspects described above, the series resonant switched capacitor includes a resonant inductor, a resonant capacitor, and a switching element connected in series from the positive electrode, and the switching element A diode is preferably connected in parallel.
本発明のＤＣ−ＤＣコンバータの補助回路によれば、既存の昇圧形、降圧形または昇圧形／降圧形のＤＣ−ＤＣコンバータに対して、比較的簡素な回路の付加により広範囲のスイッチング素子に対してＺＣＳ動作を可能にするといった効果がある。
また本発明の双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータによれば、２直流電源間で両電力フローにおいて昇圧／降圧あるいは昇降圧動作が可能な多機能形の高効率双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを実現できるといった効果がある。
According to the auxiliary circuit of the DC-DC converter of the present invention, a comparatively simple circuit is added to a wide range of switching elements with respect to the existing step-up type, step-down type or step-up / step-down type DC-DC converter. This has the effect of enabling ZCS operation.
Further, according to the bidirectional buck-boost DC-DC converter of the present invention, it is possible to realize a multi-function high-efficiency bidirectional DC-DC converter capable of performing step-up / step-down or step-up / step-down operation in both power flows between two DC power sources. There is an effect.
以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。 Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The scope of the present invention is not limited to the following examples and illustrated examples, and many changes and modifications can be made.
図１は、昇圧形ＤＣ−ＤＣコンバータに補助回路を付加した回路ブロック図を示している。
図１に示すように、昇圧形ＤＣ−ＤＣコンバータに付加した補助回路１は、直列共振型スイッチトキャパシタ２とＺＣＳ促進用インダクタ３とから成り、昇圧用スイッチング素子の正極側に直列にＺＣＳ促進用インダクタ３が直列接続され、かつ、昇圧用スイッチング素子とＺＣＳ促進用インダクタ３から成る直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタ２が接続される。
FIG. 1 shows a circuit block diagram in which an auxiliary circuit is added to a step-up DC-DC converter.
As shown in FIG. 1, the auxiliary circuit 1 added to the step-up DC-DC converter includes a series resonance type switched capacitor 2 and a ZCS promoting inductor 3, and is used to promote ZCS in series with the positive side of the step-up switching element. An inductor 3 is connected in series, and a series resonance type switched capacitor 2 is connected in parallel to both ends of a series connection structure including a boosting switching element and a ZCS promoting inductor 3.
図２は、降圧形ＤＣ−ＤＣコンバータに補助回路を付加した回路ブロック図を示している。
図２に示すように、降圧形ＤＣ−ＤＣコンバータに付加した補助回路１は、直列共振型スイッチトキャパシタ２とＺＣＳ促進用インダクタ３とから成り、還流ダイオードの正極側に直列にＺＣＳ促進用インダクタ３が直列接続され、かつ、還流ダイオードとＺＣＳ促進用インダクタ３から成る直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタ２が接続される。
FIG. 2 shows a circuit block diagram in which an auxiliary circuit is added to the step-down DC-DC converter.
As shown in FIG. 2, the auxiliary circuit 1 added to the step-down DC-DC converter includes a series resonant switched capacitor 2 and a ZCS promoting inductor 3, and the ZCS promoting inductor 3 is connected in series with the positive electrode side of the freewheeling diode. Are connected in series, and a series resonant switched capacitor 2 is connected in parallel to both ends of a series connection structure including a freewheeling diode and a ZCS promoting inductor 3.
図３は、昇圧形／降圧形ＤＣ−ＤＣコンバータに補助回路を付加した回路ブロック図を示している。
図３に示すように、昇圧形／降圧形ＤＣ−ＤＣコンバータに付加した補助回路１は、直列共振型スイッチトキャパシタ２とＺＣＳ促進用インダクタ３とから成り、昇圧用スイッチング素子とそれに逆並列接続されるダイオードから成るスイッチの正極側に直列にＺＣＳ促進用インダクタ３が直列接続され、かつ、昇圧用スイッチング素子とＺＣＳ促進用インダクタ３から成る直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタ２が接続される。
なお、図１〜３に示す直列共振型スイッチトキャパシタの一実施形態としては、正極から順に共振インダクタ、共振キャパシタ、およびスイッチング素子が直列に接続され、かつ、スイッチング素子に並列にダイオードが接続される構造である。
FIG. 3 shows a circuit block diagram in which an auxiliary circuit is added to the step-up / step-down DC-DC converter.
As shown in FIG. 3, the auxiliary circuit 1 added to the step-up / step-down DC-DC converter includes a series resonance type switched capacitor 2 and a ZCS promoting inductor 3, and is connected to the step-up switching element and anti-parallel. A ZCS promoting inductor 3 is connected in series to the positive electrode side of the switch composed of a diode, and a series resonant switched capacitor 2 is connected in parallel to both ends of the series connection structure comprising the boosting switching element and the ZCS promoting inductor 3. Connected.
As an embodiment of the series resonant switched capacitor shown in FIGS. 1 to 3, a resonant inductor, a resonant capacitor, and a switching element are connected in series from the positive electrode, and a diode is connected in parallel to the switching element. It is a structure.
図４は、双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、２つの半導体スイッチによるハーフブリッジ構造を、インダクタを介して接続された構造（ここでは、Ｌリンク型のツインハーフブリッジ構造という）の一実施形態の回路ブロック図を示している。
図４に示す双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、直列接続された主スイッチ１と主スイッチ２の接続中点と、直列接続された主スイッチ３と主スイッチ４の接続中点とが、平滑インダクタを介して接続されたＬリンク型のツインハーフブリッジ構造である。
Ｌリンク型の場合、平滑インダクタを介して左右対称構造であり、それを電流源としてそれぞれのハーフブリッジ（レッグ）は独立に昇圧または降圧することが可能であり、双方向に電力伝送可能となる。
主スイッチ１〜４は、半導体スイッチとそれに並列接続された逆並列ダイオードから成る。
双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータにおける補助回路１は、直列共振型スイッチトキャパシタ２とＺＣＳ促進用インダクタ３から成り、それぞれのハーフブリッジ構造のローサイドにそれぞれ設けられる。ハーフブリッジ構造のローサイドに設けられる一方の補助回路１は、主スイッチ２と接続中点との間にＺＣＳ促進用インダクタ３が直列接続され、かつ、主スイッチ２とＺＣＳ促進用インダクタ３から成る直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタ２が接続される。ハーフブリッジ構造のローサイドに設けられる他方の補助回路１は、主スイッチ４と接続中点との間にＺＣＳ促進用インダクタ３が直列接続され、かつ、主スイッチ４とＺＣＳ促進用インダクタ３から成る直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタ２が接続される。
FIG. 4 shows an embodiment of a structure in which a half-bridge structure using two semiconductor switches is connected via an inductor (herein referred to as an L-link twin half-bridge structure) in a bidirectional buck-boost DC-DC converter. The circuit block diagram of is shown.
In the bidirectional buck-boost DC-DC converter shown in FIG. 4, the connection midpoint between the main switch 1 and the main switch 2 connected in series and the connection midpoint between the main switch 3 and the main switch 4 connected in series are smooth. It is an L link type twin half bridge structure connected via an inductor.
In the case of the L-link type, it has a symmetrical structure via a smoothing inductor, and each half bridge (leg) can be boosted or lowered independently by using it as a current source, and power can be transmitted in both directions. .
The main switches 1 to 4 include a semiconductor switch and an antiparallel diode connected in parallel thereto.
The auxiliary circuit 1 in the bidirectional buck-boost DC-DC converter includes a series resonance type switched capacitor 2 and a ZCS promoting inductor 3 and is provided on the low side of each half bridge structure. One auxiliary circuit 1 provided on the low side of the half-bridge structure has a ZCS promoting inductor 3 connected in series between the main switch 2 and the midpoint of connection, and a series composed of the main switch 2 and the ZCS promoting inductor 3. A series resonant switched capacitor 2 is connected in parallel to both ends of the connection structure. In the other auxiliary circuit 1 provided on the low side of the half-bridge structure, the ZCS promoting inductor 3 is connected in series between the main switch 4 and the connection midpoint, and the series consisting of the main switch 4 and the ZCS promoting inductor 3 is connected. A series resonant switched capacitor 2 is connected in parallel to both ends of the connection structure.
図５は、双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、２つの半導体スイッチによるハーフブリッジ構造を、インダクタを介して接続された構造（Ｌリンク型のツインハーフブリッジ構造）の他の実施形態の回路ブロック図を示している。
図５に示す双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、図４と同様に、直列接続された主スイッチ１と主スイッチ２の接続中点と、直列接続された主スイッチ３と主スイッチ４の接続中点とが、平滑インダクタを介して接続されたＬリンク型のツインハーフブリッジ構造である。
主スイッチ１〜４は、半導体スイッチとそれに並列接続された逆並列ダイオードから成る。
双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータにおける補助回路１は、直列共振型スイッチトキャパシタ２とＺＣＳ促進用インダクタ３から成り、図４と異なり、それぞれのハーフブリッジ構造のハイサイドにそれぞれ設けられる。ハーフブリッジ構造のローサイドに設けられる一方の補助回路１は、主スイッチ１の正極側にＺＣＳ促進用インダクタ３が直列接続され、かつ、主スイッチ１とＺＣＳ促進用インダクタ３から成る直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタ２が接続される。ハーフブリッジ構造のローサイドに設けられる他方の補助回路１は、主スイッチ３の正極側にＺＣＳ促進用インダクタ３が直列接続され、かつ、主スイッチ３とＺＣＳ促進用インダクタ３から成る直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタ２が接続される。
なお、ハーフブリッジ構造のハイサイドに補助回路を設ける場合、それぞれのハーフブリッジ構造のＺＣＳ促進インダクタ３は、それぞれ主スイッチ１の上および主スイッチ３の上に配置する方が実用用好ましい。その理由としては、上記の配置にすることで、各ハーフブリッジ構造において、主スイッチ１および２を一体化したモジュール、また主スイッチ３と４を一体化したモジュールが使用できるため、回路パッケージングの容易化など利点があるからである。
FIG. 5 is a circuit block of another embodiment of a structure in which a half bridge structure by two semiconductor switches is connected via an inductor (L link type twin half bridge structure) in a bidirectional buck-boost DC-DC converter. The figure is shown.
The bidirectional buck-boost DC-DC converter shown in FIG. 5 is similar to FIG. 4 in that the connection point between the main switch 1 and the main switch 2 connected in series, and the connection between the main switch 3 and the main switch 4 connected in series. The middle point is an L link type twin half bridge structure connected via a smoothing inductor.
The main switches 1 to 4 include a semiconductor switch and an antiparallel diode connected in parallel thereto.
The auxiliary circuit 1 in the bidirectional buck-boost DC-DC converter includes a series resonance type switched capacitor 2 and an inductor 3 for promoting ZCS, and is provided on the high side of each half-bridge structure, unlike FIG. One auxiliary circuit 1 provided on the low side of the half-bridge structure has a ZCS promoting inductor 3 connected in series on the positive side of the main switch 1, and both ends of the series connection structure comprising the main switch 1 and the ZCS promoting inductor 3. A series resonance type switched capacitor 2 is connected in parallel with each other. The other auxiliary circuit 1 provided on the low side of the half-bridge structure has a ZCS promoting inductor 3 connected in series on the positive side of the main switch 3, and both ends of the series connection structure comprising the main switch 3 and the ZCS promoting inductor 3. A series resonance type switched capacitor 2 is connected in parallel with each other.
When an auxiliary circuit is provided on the high side of the half-bridge structure, it is preferable for practical use that the ZCS promoting inductors 3 of the half-bridge structure are disposed on the main switch 1 and the main switch 3, respectively. The reason for this is that with the above arrangement, in each half-bridge structure, a module in which main switches 1 and 2 are integrated or a module in which main switches 3 and 4 are integrated can be used. This is because there are advantages such as simplification.
図６は、双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、２つの半導体スイッチによるハーフブリッジ構造を、直流リンクキャパシタを介して接続された構造（ここでは、Ｃリンク型のツインハーフブリッジ構造という）の一実施形態の回路ブロック図を示している。
図６に示す双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、直列接続された主スイッチ１と主スイッチ２の接続中点と、直列接続された主スイッチ３と主スイッチ４の接続中点とが、それぞれ平滑インダクタを介して直流電力源（Ｖ１，Ｖ２）と接続され、直列接続された主スイッチ１と主スイッチ２の両端と、直列接続された主スイッチ３と主スイッチ４の両端とが接続され、それぞれの両端に並列に直流リンクキャパシタが接続されたＣリンク型のツインハーフブリッジ構造である。
Ｃリンク型の場合、直流リンクキャパシタを介して左右対称構造であり、それを電圧源としてそれぞれのハーフブリッジ（レッグ）は独立に昇圧または降圧することが可能であり、双方向に電力伝送可能となる。直流リンクキャパシタに適切な変換器（ＤＣ−ＤＣコンバータ、ＤＣ−ＡＣインバータ）を介して別電源と結合が可能である。すなわち、直流電力源（Ｖ１，Ｖ２）と共に、３ポートの複合電源システムに応用できる。さらに、各ポート間それぞれ独立して、すなわち、相互に非干渉に、双方向に電力伝送ができることから、多機能形の電源システムを実現することが可能である。
主スイッチ１〜４は、半導体スイッチとそれに並列接続された逆並列ダイオードから成る。
双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータにおける補助回路１は、直列共振型スイッチトキャパシタ２とＺＣＳ促進用インダクタ３から成り、それぞれのハーフブリッジ構造のローサイドにそれぞれ設けられる。ハーフブリッジ構造のローサイドに設けられる一方の補助回路１は、主スイッチ２と接続中点との間にＺＣＳ促進用インダクタ３が直列接続され、かつ、主スイッチ２とＺＣＳ促進用インダクタ３から成る直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタ２が接続される。ハーフブリッジ構造のローサイドに設けられる他方の補助回路１は、主スイッチ４と接続中点との間にＺＣＳ促進用インダクタ３が直列接続され、かつ、主スイッチ４とＺＣＳ促進用インダクタ３から成る直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタ２が接続される。
FIG. 6 shows a structure in which a half-bridge structure using two semiconductor switches is connected via a DC link capacitor (herein referred to as a C-link type twin half-bridge structure) in a bidirectional buck-boost DC-DC converter. The circuit block diagram of embodiment is shown.
The bidirectional buck-boost DC-DC converter shown in FIG. 6 has a connection midpoint between the main switch 1 and the main switch 2 connected in series and a connection midpoint between the main switch 3 and the main switch 4 connected in series. Connected to the DC power source (V 1 , V 2 ) via the smoothing inductor, the main switch 1 and the main switch 2 connected in series, and the main switch 3 and the main switch 4 connected in series are connected. A C link type twin half bridge structure in which a DC link capacitor is connected in parallel at both ends.
In the case of the C link type, a symmetric structure is provided via a DC link capacitor, and each half bridge (leg) can be boosted or lowered independently by using it as a voltage source, and power can be transmitted in both directions. Become. It can be combined with another power source via a converter (DC-DC converter, DC-AC inverter) suitable for the DC link capacitor. That is, it can be applied to a three-port composite power supply system together with the DC power sources (V 1 and V 2 ). Furthermore, since power can be transmitted bi-directionally between the ports independently, that is, without mutual interference, it is possible to realize a multi-function power supply system.
The main switches 1 to 4 include a semiconductor switch and an antiparallel diode connected in parallel thereto.
The auxiliary circuit 1 in the bidirectional buck-boost DC-DC converter includes a series resonance type switched capacitor 2 and a ZCS promoting inductor 3 and is provided on the low side of each half bridge structure. One auxiliary circuit 1 provided on the low side of the half-bridge structure has a ZCS promoting inductor 3 connected in series between the main switch 2 and the midpoint of connection, and a series composed of the main switch 2 and the ZCS promoting inductor 3. A series resonant switched capacitor 2 is connected in parallel to both ends of the connection structure. In the other auxiliary circuit 1 provided on the low side of the half-bridge structure, the ZCS promoting inductor 3 is connected in series between the main switch 4 and the connection midpoint, and the series consisting of the main switch 4 and the ZCS promoting inductor 3 is connected. A series resonant switched capacitor 2 is connected in parallel to both ends of the connection structure.
図７は、双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、２つの半導体スイッチによるハーフブリッジ構造を、直流リンクキャパシタを介して接続された構造（Ｃリンク型のツインハーフブリッジ構造）の他の実施形態の回路ブロック図を示している。
図７に示す双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータは、直列接続された主スイッチ１と主スイッチ２の接続中点と、直列接続された主スイッチ３と主スイッチ４の接続中点とが、それぞれ平滑インダクタを介して直流電力源（Ｖ１，Ｖ２）と接続され、直列接続された主スイッチ１と主スイッチ２の両端と、直列接続された主スイッチ３と主スイッチ４の両端とが接続され、それぞれの両端に並列に直流リンクキャパシタが接続されたＣリンク型のツインハーフブリッジ構造である。
主スイッチ１〜４は、半導体スイッチとそれに並列接続された逆並列ダイオードから成る。
双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータにおける補助回路１は、直列共振型スイッチトキャパシタ２とＺＣＳ促進用インダクタ３から成り、それぞれのハーフブリッジ構造のハイサイドにそれぞれ設けられる。ハーフブリッジ構造のローサイドに設けられる一方の補助回路１は、主スイッチ１にＺＣＳ促進用インダクタ３が直列接続され、かつ、主スイッチ１とＺＣＳ促進用インダクタ３から成る直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタ２が接続される。ハーフブリッジ構造のローサイドに設けられる他方の補助回路１は、主スイッチ３にＺＣＳ促進用インダクタ３が直列接続され、かつ、主スイッチ３とＺＣＳ促進用インダクタ３から成る直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタ２が接続される。
FIG. 7 shows another embodiment of a structure in which a half bridge structure by two semiconductor switches is connected via a DC link capacitor (C link type twin half bridge structure) in a bidirectional buck-boost DC-DC converter. A circuit block diagram is shown.
The bidirectional buck-boost DC-DC converter shown in FIG. 7 has a connection midpoint between the main switch 1 and the main switch 2 connected in series, and a connection midpoint between the main switch 3 and the main switch 4 connected in series, respectively. Connected to the DC power source (V 1 , V 2 ) via the smoothing inductor, the main switch 1 and the main switch 2 connected in series, and the main switch 3 and the main switch 4 connected in series are connected. A C link type twin half bridge structure in which a DC link capacitor is connected in parallel at both ends.
The main switches 1 to 4 include a semiconductor switch and an antiparallel diode connected in parallel thereto.
The auxiliary circuit 1 in the bidirectional buck-boost DC-DC converter includes a series resonance type switched capacitor 2 and a ZCS promoting inductor 3 and is provided on the high side of each half-bridge structure. One auxiliary circuit 1 provided on the low side of the half-bridge structure includes a main switch 1 and a ZCS promoting inductor 3 connected in series, and in parallel with both ends of a series connection structure including the main switch 1 and the ZCS promoting inductor 3. A series resonance type switched capacitor 2 is connected. In the other auxiliary circuit 1 provided on the low side of the half-bridge structure, the ZCS promoting inductor 3 is connected in series to the main switch 3, and in parallel with both ends of the series connection structure including the main switch 3 and the ZCS promoting inductor 3. A series resonance type switched capacitor 2 is connected.
本発明の昇圧形／降圧形ＤＣ−ＤＣコンバータの一実施形態について説明する。
昇圧形／降圧形ＤＣ−ＤＣコンバータの回路構成を図８に示す。
図８に示す回路において、直流電圧源Ｖ１から直流電圧源Ｖ２への電力フローを昇圧動作、その逆を降圧動作と定義する。昇圧動作では主スイッチとなるＱ１、降圧動作では主スイッチとなるＱ２に対し、両動作ともに補助スイッチとなるＱ３を設ける。これに加えて、Ｑ１及びＱ２のターンオン電流の緩やかにするＺＣＳ促進インダクタとしてＬsをＱ１と直列に挿入し、さらにＱ１およびＱ２のゼロ電流・ゼロ電圧ソフトスイッチング（Zero Current and Zero Voltage Soft-Switching, ＺＣＺＶＳ）ターンオフとＱ３のＺＣＳターンオンおよびＺＣＺＶＳターンオフを得るため、Ｑ３と直列に共振キャパシタＣｒおよび共振インダクタＬｒを直列に設ける構造を有する。
そして、昇圧動作ではＱ２のスイッチ部が常時オフしてその逆並列ダイオードＤ２を還流ダイオードとして用い、一方、降圧動作ではＱ１のスイッチ部が常時オフしてその逆並列ダイオードＤ１を還流ダイオードとする。
An embodiment of the step-up / step-down DC-DC converter of the present invention will be described.
The circuit configuration of the step-up / step-down DC-DC converter is shown in FIG.
In the circuit shown in FIG. 8, the step-up operation of the power flow from the DC voltage source V 1 to the direct voltage source V 2, it defines the reverse step-down operation. Q 1 serving as a main switch in the boost operation, with respect to Q 2 to which the main switch is in the step-down operation, provided Q 3 serving as an auxiliary switch in both operations both. In addition, the L s is inserted into Q 1, series as ZCS promotion inductor to slow the turn-on current of Q 1 and Q 2, further zero current and zero voltage soft switching of Q 1 and Q 2 (Zero Current and Zero Voltage Soft-Switching, to obtain a ZCS turn-on and ZCZVS off of ZCZVS) off and Q 3, has a structure in which the Q 3 in series with the resonant capacitor C r and the resonant inductor L r in series.
Then, using a switch of the step-up operation Q 2 is the anti-parallel diode D 2 is turned off at all times as a freewheeling diode, while refluxing the anti-parallel diode D 1 switch portion of Q 1 is turned off at all times in the step-down operation A diode.
実施例１の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの電力および電圧制御の手法として固定周波数ＰＷＭ制御を用い、高周波スイッチング１周期Ｔに対する主スイッチＱ１，Ｑ２のオン期間Ｔｏｎ１，Ｔｏｎ２を調整し、それぞれデューティ比ｄ（＝Ｔｏｎ１／Ｔ）およびｄ´（＝Ｔｏｎ２／Ｔ）の制御により実現する。
また、補助スイッチＱ３のオン期間については、直列共振型スイッチトキャパシタの共振周波数および平滑インダクタＬｄの最大電流等から固定値として設定可能である。
The fixed frequency PWM control is used as the power and voltage control method of the bidirectional DC-DC converter of the first embodiment, and the ON periods T on1 and T on2 of the main switches Q 1 and Q 2 with respect to one high-frequency switching period T are adjusted. This is realized by controlling the duty ratio d (= T on1 / T) and d ′ (= T on 2 / T), respectively.
Also, the ON period of the auxiliary switch Q 3, can be set as a fixed value from the maximum current of the resonant frequency and the smoothing inductor L d of the series resonant switched capacitor.
昇圧形／降圧形ＤＣ−ＤＣコンバータの理論動作波形とモード遷移図を、電力フロー毎に図９〜図１２に示す。昇圧動作フローでは、図９と図１０に示すように、高周波１周期間は後述する７つのサブモード（Ｍｏｄｅ１〜Ｍｏｄｅ７）から構成される。一方、降圧動作フローでは、図１１と図１２に示すように、高周波１周期間は後述する９つのサブモード（Ｍｏｄｅ１〜Ｍｏｄｅ９）から構成される。 The theoretical operation waveforms and mode transition diagrams of the step-up / step-down DC-DC converter are shown in FIGS. 9 to 12 for each power flow. In the step-up operation flow, as shown in FIGS. 9 and 10, one high-frequency period is composed of seven sub modes (Mode 1 to Mode 7) to be described later. On the other hand, in the step-down operation flow, as shown in FIG. 11 and FIG. 12, nine sub-modes (Mode 1 to Mode 9) to be described later are configured for one period of the high frequency.
（昇圧動作フロー）
[Ｍｏｄｅ１：Ｑ１ ＺＣＳターンオンモード] （ｔ０≦ｔ＜ｔ１）
主スイッチＱ１をターンオンすると、Ｌｄに流れる電流ＩＬｄは、Ｄ２からＳ１へ転流し始める。このときＬsの作用により、Ｑ１の電流ｉＱ１はゼロ電流の状態から緩やかに上昇し、Ｑ１のＺＣＳターンオン動作が可能となる。同時に、Ｄ２の電流は徐々に減少し、自然にゼロまで下降するとＺＣＳターンオフとなる。この区間はＳ１への転流が完了するまで継続する。
(Boost operation flow)
[Mode 1: Q 1 ZCS turn-on mode] (t 0 ≦ t <t 1 )
When turning on the main switch Q 1, the current I Ld flowing to L d starts commutate from D 2 to S 1. At this time, due to the action of L s , the current i Q1 of Q 1 gradually rises from the zero current state, and the ZCS turn-on operation of Q 1 becomes possible. At the same time, the current D 2 decreases gradually and ZCS turned off when lowered to zero naturally. This section will continue until the completion of the commutation to the S 1.
[Ｍｏｄｅ２：Ｌｄ エネルギー蓄積モード] （ｔ１≦ｔ＜ｔ２）
時刻ｔ１にて、Ｓ１への転流が完了すると、電流ＩＬｄはＶ１−Ｌｄ−Ｌs−Ｓ１の経路を流れ、Ｌｄに磁気エネルギーを蓄積する定常状態となる。この期間は補助スイッチＱ３をターンオンするまで続く。
[Mode 2: L d energy storage mode] (t 1 ≦ t <t 2 )
When commutation to S 1 is completed at time t 1 , the current I Ld flows through the path V 1 -L d -L s -S 1 and enters a steady state in which magnetic energy is accumulated in L d . This period continues until you turn on the auxiliary switch Q 3.
[Ｍｏｄｅ３：Ｑ３ ＺＣＳターンオンモード] （ｔ２≦ｔ＜ｔ３）
時刻ｔ２にて、Ｑ３をターンオンするとＬｒとＣｒの部分共振を得る。これによりＱ３の電流ｉＱ３はゼロ電流の状態から緩やかに上昇し、Ｑ３のＺＣＳターンオン動作を達成する。
[Mode 3 : Q 3 ZCS turn-on mode] (t 2 ≦ t <t 3 )
At time t 2, the obtaining partial resonance of L r and C r When turning on the Q 3. Thus the current i Q3 of Q 3 are gradually increased from the state of zero current, to achieve ZCS turn-on operation of the Q 3.
[Ｍｏｄｅ４：部分共振モード] （ｔ３≦ｔ＜ｔ４）
時刻ｔ３にて、Ｑ１を流れる電流ｉＱ１ がＩＬｄ以下となると、Ｑ３を流れる電流ｉＱ３ がＳ３からＤ３へ転流し部分共振を継続する。
[Mode 4: Partial resonance mode] (t 3 ≦ t <t 4 )
When the current i Q1 flowing through Q 1 becomes equal to or less than I Ld at time t 3 , the current i Q3 flowing through Q 3 is commutated from S 3 to D 3 and continues the partial resonance.
[Ｍｏｄｅ５：Ｑ１，Ｑ３ ＺＣＺＶＳターンオフモード] （ｔ４≦ｔ＜ｔ５）
Ｍｏｄｅ４より継続する共振により、時刻ｔ４にてＱ１を流れる電流ｉＱ１がＳ１からＤ１へ転流するとＱ１，Ｑ３共に電流は逆並列ダイオードを流れる。この間にＳ１，Ｓ３のゲート信号を取り除くと、それらのＺＣＺＶＳターンオフ動作を実現する。
[Mode 5: Q 1 , Q 3 ZCZVS turn-off mode] (t 4 ≦ t <t 5 )
When current i Q1 flowing through Q 1 commutates from S 1 to D 1 at time t 4 due to resonance that continues from Mode 4 , both Q 1 and Q 3 current flow through antiparallel diodes. If the gate signals of S 1 and S 3 are removed during this period, their ZCZVS turn-off operation is realized.
[Ｍｏｄｅ６：電力供給モード] （ｔ５≦ｔ＜ｔ６）
時刻ｔ５にて、ｉＱ１が自然にゼロに近づくと同時にＤ２が順バイアスとなり導通し、Ｄ３からＤ２へ転流を開始する。このときＤ２はＺＣＳターンオン動作を実現する。
[Mode 6: power supply mode] (t 5 ≦ t <t 6 )
At time t 5 , i Q1 naturally approaches zero, and at the same time D 2 becomes forward biased and conducts, and commutation from D 3 to D 2 starts. In this case D 2 realizes a ZCS turn-on operation.
[Ｍｏｄｅ７：Ｌｄ エネルギー放出モード] （ｔ６≦ｔ＜ｔ７）
時刻ｔ６にて、Ｄ３からＤ２への転流が完了し、ＩＬｄはＶ１−Ｌｄ−Ｄ２−Ｖ２の経路を巡る定常状態となる。時刻ｔ７にて、再びＭｏｄｅ１に戻る。
[Mode 7: L d energy release mode] (t 6 ≦ t <t 7 )
At time t 6, the commutation of the D 2 is completed from D 3, I Ld becomes steady state over a route V 1 -L d -D 2 -V 2 . At time t 7, returns to Mode1.
（降圧動作フロー）
[Ｍｏｄｅ１：Ｑ２ ＺＣＳターンオンモード] （ｔ０≦ｔ＜ｔ１）
時刻ｔ０にて、主スイッチＱ２をターンオンすると、ＬS，Ｌｒ，Ｃｒの部分共振を得る。これによりＱ３の電流ｉＱ３はゼロから緩やかに上昇し、Ｑ３のＺＣＳターンオンを達成する。これと同時に、Ｄ１に流れる電流は次第に減少し自然にゼロに達するＺＣＳターンオフを開始する。
(Step-down operation flow)
[Mode 1: Q 2 ZCS turn-on mode] (t 0 ≦ t <t 1 )
At time t 0, when turning on the main switch Q 2, to obtain L S, L r, a partial resonance of C r. Thus the current i Q3 of Q 3 are gradually increased from zero, to achieve ZCS turn-on of Q 3. At the same time, the current flowing through the D 1 starts ZCS turn-off gradually reduced reaches zero naturally.
[Ｍｏｄｅ２：部分共振モード] （ｔ１≦ｔ＜ｔ２）
時刻ｔ１にて、Ｄ１からＳ３への転流が完了した後、前モードからのＬｒ，Ｃｒによる部分共振が継続する。共振キャパシタＣｒが充電され、その端子電圧が上昇してＶ２と等しくなり、Ｑ３の電流ｉＱ３がゼロとなるまでこの期間は継続する。
[Mode 2: Partial resonance mode] (t 1 ≦ t <t 2 )
After commutation from D 1 to S 3 is completed at time t 1 , partial resonance by L r and C r from the previous mode continues. This period continues until the resonant capacitor C r is charged and its terminal voltage rises to equal V 2 and the current i Q3 in Q 3 is zero.
[Ｍｏｄｅ３：Ｌｄ エネルギー蓄積モード] （ｔ２≦ｔ＜ｔ３）
時刻ｔ２にて、ｉＱ３がゼロになると電源であるＶ２から負荷であるＶ１へＩＬｄが流れる電力供給の定常状態となる。
[Mode3: L d energy storage mode] (t 2 ≦ t <t 3)
At time t 2, the a steady state of the power supply through which I Ld i Q3 is to V 1 is the load from V 2 is the power supply becomes zero.
[Ｍｏｄｅ４：Ｑ３ ＺＣＳターンオンモード] （ｔ３≦ｔ＜ｔ４）
時刻ｔ３にて、補助スイッチＱ３をターンオンすると、再びＬｒ，Ｃｒの部分共振を得る。これによりＱ３の電流ｉＱ３はゼロから緩やかに上昇して、Ｑ３のＺＣＳターンオンを達成する。
[Mode 4: Q 3 ZCS turn-on mode] (t 3 ≦ t <t 4 )
At time t 3, obtained when turning on the auxiliary switch Q 3, again L r, a partial resonance of C r. Thus the current i Q3 of Q 3 are gently rises from zero, to achieve ZCS turn-on of Q 3.
[Ｍｏｄｅ５：Ｑ２ ＺＣＺＶＳターンオフモード] （ｔ４≦ｔ＜ｔ５）
時刻ｔ４にて、ｉＱ２がゼロになると、Ｓ２から逆並列ダイオードのＤ２へ転流する。この間にＳ２のゲート信号を取り除いて、Ｑ２のＺＣＺＶＳターンオフを実現する。
[Mode 5: Q 2 ZCZVS turn-off mode] (t 4 ≦ t <t 5 )
At time t 4, when i Q2 becomes zero, the commutation to the D 2 of the anti-parallel diode from S 2. Removing the gate signal S 2 during this time, to realize ZCZVS turn off of Q 2.
[Ｍｏｄｅ６：Ｃｒ エネルギー放出モード] （ｔ５≦ｔ＜ｔ６）
時刻ｔ５にて、ｉＱ２が自然にゼロとなると時に、Ｌｄの電流ＩＬｄはＳ３を介した還流モードとなり、Ｃｒの蓄積エネルギーは放電を開始する。
[Mode 6: C r energy release mode] (t 5 ≦ t <t 6)
At time t 5, at the i Q2 becomes zero naturally, the current I Ld of L d becomes reflux mode via the S 3, the stored energy of the C r starts discharging.
[Ｍｏｄｅ７：Ｌs−Ｌｒ−Ｃｒ 部分共振モード] （ｔ６≦ｔ＜ｔ７）
時刻ｔ６にて、ｖＣｒがゼロまで低下すると同時にＱ１の逆並列ダイオードＤ１が順バイアスとなり、Ｌs，Ｌｒ，Ｃｒの部分共振を得る。このとき、Ｄ１の電流ｉＤ１が緩やかに上昇するため、Ｄ１はＺＣＳターンオンを達成する。さらに、この区間ではセル内部に発生する共振電流により、ｉＱ３が次第に減少し始める。
[Mode 7: L s −L r —C r partial resonance mode] (t 6 ≦ t <t 7 )
At time t 6, v Cr antiparallel diode D 1 of the same time Q 1 drops to zero is forward biased, obtaining L s, L r, a partial resonance of C r. At this time, since the D 1 of the current i D1 is gradually increased, D 1 achieves ZCS turn. Further, in this section, i Q3 gradually starts to decrease due to the resonance current generated in the cell.
[Ｍｏｄｅ８：Ｑ３ ＺＣＺＶＳターンオフモード] （ｔ７≦ｔ＜ｔ８）
時刻ｔ７にて、ｉＱ３がゼロクロスしてＳ３から逆並列ダイオードＤ３への転流を開始する。この間にＳ３のゲート信号を取り除くとＱ３のＺＣＺＶＳターンオフを実現する。
[Mode 8: Q 3 ZCZVS turn-off mode] (t 7 ≦ t <t 8 )
At time t 7, i Q3 is zero cross to start the commutation from S 3 to the anti-parallel diode D 3. Realizing ZCZVS turn off of Q 3 upon removal of the gate signal S 3 during this time.
[Ｍｏｄｅ９：Ｌｄ エネルギー放出モード] （ｔ８≦ｔ＜ｔ９）
時刻ｔ８にて、共振状のｉＱ３が再びゼロになると、Ｓ３はすでにオフ状態であり、Ｑ３は再導通せず、Ｌｄでの蓄積されたエネルギーにともに、負荷電流、すなわちＩＬｄは、Ｌｄ−Ｖ１−Ｄ１−Ｌsの経路を還流する定常状態となる。
[Mode 9: L d energy release mode] (t 8 ≦ t <t 9 )
At time t 8, the resonance-like i Q3 becomes zero again, S 3 is already turned off, Q 3 is not re-conduct, both the energy stored in L d, the load current, i.e. I Ld becomes a steady state in which the route of L d -V 1 -D 1 -L s is refluxed.
昇圧形／降圧形ＤＣ−ＤＣコンバータの特性を、シミュレーション解析により評価する。回路パラメータおよび動作条件を下記表１に示す。 The characteristics of the step-up / step-down DC-DC converter are evaluated by simulation analysis. The circuit parameters and operating conditions are shown in Table 1 below.
昇圧動作、降圧動作共に出力３ｋＷにおける各アクティブスイッチのスイッチング動作波形を、それぞれ図１３と図１４に示す。これより、重負荷時において上述の動作原理と同様に主スイッチおよび補助スイッチのＺＣＳターンオン、ＺＣＺＶＳターンオフを達成することがわかる。軽負荷時においては、共振電流ピーク値と定常電流の差が重負荷時に比べ顕著となり、直列共振型スイッチトキャパシタの導通損失の影響が問題となる一方で、各スイッチのＺＣＺＶＳターンオフは次第に実現しやすくなる。 The switching operation waveforms of the active switches at the output of 3 kW for both step-up operation and step-down operation are shown in FIGS. 13 and 14, respectively. From this, it can be understood that the ZCS turn-on and ZCZVS turn-off of the main switch and the auxiliary switch are achieved in the heavy load in the same manner as the above-described operation principle. At light loads, the difference between the resonant current peak value and the steady-state current becomes more significant than at heavy loads, and the effect of conduction loss of the series resonant switched capacitor becomes a problem, while ZCZVS turn-off of each switch is gradually realized. Become.
次に、電力フロー毎に主スイッチオン時比率ｄおよびｄ´に対するオープンループ制御下での出力電圧特性および出力電力特性を、それぞれ図１５と図１６に示す。これらの結果から、昇圧動作、降圧動作共にｄおよびｄ´の調整により出力電圧を広範囲に調整可能であり、また出力電力を広範囲に制御できることが確認できる。 Next, FIG. 15 and FIG. 16 show output voltage characteristics and output power characteristics under the open loop control with respect to the main switch-on ratios d and d ′ for each power flow. From these results, it can be confirmed that both the step-up operation and the step-down operation can adjust the output voltage over a wide range by adjusting d and d ', and can control the output power over a wide range.
本発明の双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータの一実施形態について説明する。
双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ（Ｌリンク型）の回路構成を図１７に示す。
主スイッチ（Ｑ１／Ｑ２）とそれらのＺＣＳ転流を実現する補助スイッチＱ３、さらにＺＣＳ促進インダクタＬS１、共振インダクタＬｒ１および共振キャパシタＣｒ１からなる補助スイッチングセルを含むハーブブリッジＨＢ１と、同じく主スイッチ（Ｑ４／Ｑ５）とそれらのＺＣＳ転流を実現する補助スイッチＱ６、さらにＺＣＳ促進インダクタＬs２、共振インダクタＬｒ２および共振キャパシタＣｒ２からなる補助スイッチングセルを含むハーブブリッジＨＢ２とが、平滑インダクタＬｄを介して接続されることにより形成される。
An embodiment of the bidirectional buck-boost DC-DC converter of the present invention will be described.
FIG. 17 shows a circuit configuration of a bidirectional buck-boost DC-DC converter (L link type).
The main switch (Q 1 / Q 2) and the auxiliary switch Q 3 to realize their ZCS commutation, further ZCS promotion inductor L S1, a half-bridge HB1 comprising auxiliary switching cell comprising resonant inductor L r1 and a resonant capacitor C r1 A herb bridge including a main switch (Q 4 / Q 5 ) and an auxiliary switch Q 6 for realizing ZCS commutation thereof, and an auxiliary switching cell further comprising a ZCS promoting inductor L s2 , a resonant inductor L r2 and a resonant capacitor C r2 and HB2 are formed by being connected via a smoothing inductor L d.
これより、ＨＢ１とＨＢ２の単独運転による昇圧／降圧動作と、ＨＢ１とＨＢ２の併用運転による昇降圧動作とがそれぞれ可能となる。一例として、直流電圧源Ｖ１から直流電圧源Ｖ２への昇降圧動作を説明すると、Ｑ１をハイサイド側の主スイッチ、Ｑ５をローサイド側の主スイッチとし、Ｑ２とＱ４のスイッチ部を常時オフ状態として逆並列ダイオード（Ｄ２，Ｄ４）を還流ダイオードとして利用する。その上で、補助スイッチ（Ｑ３，Ｑ６）を主スイッチ（Ｑ１，Ｑ５）の補助スイッチとしてそれぞれ動作させることにより、Ｑ１／Ｑ５は元よりＱ３／Ｑ６のＺＣＳ、さらには逆並列ダイオード（Ｄ２，Ｄ４）のＺＣＳ転流を得る。その結果、スイッチング損失を低減すると同時に還流ダイオードの逆回復電流を効果的に抑制する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが、極めて簡素な回路構造により実現できる。 Thus, the step-up / step-down operation by the independent operation of HB1 and HB2 and the step-up / step-down operation by the combined operation of HB1 and HB2 are possible. As an example, a step-up / step-down operation from the DC voltage source V 1 to the DC voltage source V 2 will be described. Q 1 is a high-side main switch, Q 5 is a low-side main switch, and Q 2 and Q 4 switches The anti-parallel diodes (D 2 , D 4 ) are used as freewheeling diodes with the part always off. Then, by operating the auxiliary switches (Q 3 , Q 6 ) as auxiliary switches of the main switches (Q 1 , Q 5 ), Q 1 / Q 5 is originally ZCS of Q 3 / Q 6 , Obtains ZCS commutation of anti-parallel diodes (D 2 , D 4 ). As a result, a bidirectional DC-DC converter that reduces switching loss and effectively suppresses reverse recovery current of the freewheeling diode can be realized with an extremely simple circuit structure.
また、一例として、直流電圧源Ｖ２から直流電圧源Ｖ１への昇降圧動作を説明すると、Ｑ４をハイサイド側の主スイッチ、Ｑ２をローサイド側の主スイッチとし、Ｑ１とＱ５のスイッチ部を常時オフ状態として逆並列ダイオード（Ｄ１，Ｄ５）を還流ダイオードとして利用する。その上で、補助スイッチ（Ｑ３，Ｑ６）を主スイッチ（Ｑ２，Ｑ４）の補助スイッチとしてそれぞれ動作させることにより、Ｑ２／Ｑ４は元よりＱ３／Ｑ６のＺＣＳ、さらには逆並列ダイオード（Ｄ１，Ｄ５）のＺＣＳ転流を得る。 As an example, a step-up / step-down operation from the DC voltage source V 2 to the DC voltage source V 1 will be described. Q 4 is a high-side main switch, Q 2 is a low-side main switch, and Q 1 and Q 5 And the antiparallel diodes (D 1 , D 5 ) are used as freewheeling diodes. Then, by operating the auxiliary switches (Q 3 , Q 6 ) as auxiliary switches of the main switches (Q 2 , Q 4 ), Q 2 / Q 4 is originally ZCS of Q 3 / Q 6 , Obtains ZCS commutation of anti-parallel diodes (D 1 , D 5 ).
双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータについて、直流電圧源Ｖ１からＶ２への電力変換の際における主スイッチ（Ｑ１，Ｑ２，Ｑ４，Ｑ５）および補助スイッチ（Ｑ３，Ｑ６）の状態について表２に示す。
また、直流電圧源Ｖ２からＶ１への電力変換の際における主スイッチ（Ｑ１，Ｑ２，Ｑ４，Ｑ５）および補助スイッチ（Ｑ３，Ｑ６）の状態について表３に示す。
表２および表３は、それぞれ昇圧、降圧、昇降圧の３種類の電力変換について纏めている。
なお、表中において、ＯＮは“常時スイッチオン”、ＯＦＦは“常時スイッチオフ”、ＳＷは“スイッチング（ＯＮ／ＯＦＦ）”を意味する。
For the bidirectional buck-boost DC-DC converter, main switches (Q 1 , Q 2 , Q 4 , Q 5 ) and auxiliary switches (Q 3 , Q 6 ) at the time of power conversion from the DC voltage source V 1 to V 2 The state is shown in Table 2.
Table 3 shows the states of the main switches (Q 1 , Q 2 , Q 4 , Q 5 ) and the auxiliary switches (Q 3 , Q 6 ) during power conversion from the DC voltage source V 2 to V 1 .
Tables 2 and 3 summarize the three types of power conversion, step-up, step-down, and step-up / step-down, respectively.
In the table, ON means “always switched on”, OFF means “always switched off”, and SW means “switching (ON / OFF)”.
双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータの電力制御および電圧制御の手法となる固定周波数ＰＷＭ制御では、高周波スイッチング１周期Ｔに対する主スイッチ（Ｑ１，Ｑ５）のオン期間ＴＯＮを調整し、デューティ比ｄ（＝ＴＯＮ／Ｔ）の調整により行う。なお、補助スイッチのオン期間については、直列共振型スイッチトキャパシタセルの内部の共振インダクタおよび共振キャパシタによる共振周波数および平滑インダクタＬｄの最大電流等から設計可能であり、全負荷領域で固定として設定できる。 Bidirectional buck-boost DC-DC converter of the power control and the method of voltage control fixed frequency PWM control adjusts the on-period T ON of the main switch for the high-frequency switching one period T (Q 1, Q 5) , the duty ratio This is done by adjusting d (= T ON / T). Note that the ON period of the auxiliary switch, can be designed from the maximum current of the resonant frequency and the smoothing inductor L d by internal resonant inductor and resonant capacitor of the series resonant switched capacitor cell can be set as fixed for all load range .
双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータの１周期定常動作における理論動作波形とモード遷移図をそれぞれ図１８と図１９に示す。昇降圧動作は後述する１６のサブモード（Ｍｏｄｅ１〜Ｍｏｄｅ１６）から構成される。直流電圧源Ｖ１からＶ２への電力変換フローについて以下説明する。なお、直流電圧源Ｖ２からＶ１への電力変換フローについての説明は省略する。 FIG. 18 and FIG. 19 show theoretical operation waveforms and mode transition diagrams in the one-cycle steady operation of the bidirectional buck-boost DC-DC converter, respectively. The step-up / down operation is composed of 16 sub-modes (Mode 1 to Mode 16) which will be described later. Will be described below power conversion flows from the DC voltage source V 1 to V 2. Incidentally, description of the power conversion flows to V 1 from the DC voltage source V 2 is omitted.
[Ｍｏｄｅ１：Ｑ１，Ｑ５ ＺＣＳターンオンモード] （ｔ０≦ｔ＜ｔ１）
時刻ｔ０にて、Ｑ１，Ｑ５を同時にターンオンすると、ＨＢ１ではＬS１，Ｌｒ1，Ｃｒ１の部分共振を得る。これよりＱ１の電流ｉＱ１はゼロから緩やかに上昇しＱ１のＺＣＳターンオンを達成する。これと同時に、Ｄ２に流れる電流は次第に減少する。
一方、ＨＢ２ではＤ４からＳ５へ転流となるが、Ｌｒ２の作用によりＱ５の電流ｉＱ５はゼロ電流の状態から緩やかに上昇してＱ５のＺＣＳターンオン動作となる。同時に、Ｄ４の電流は徐々に減少し、自然にゼロまで下降するとＺＣＳターンオフとなる。この区間はＳ５への転流完了まで継続する。
[Mode 1: Q 1 , Q 5 ZCS turn-on mode] (t 0 ≦ t <t 1 )
When Q 1 and Q 5 are simultaneously turned on at time t 0 , partial resonances of L S1 , L r1 and C r1 are obtained in HB1. Than this for Q 1 current i Q1 achieves moderately elevated ZCS turn for Q 1 from zero. At the same time, the current flowing through the D 2 decreases gradually.
On the other hand, the commutation to S 5 from D 4 In HB2, current i Q5 of Q 5 by the action of L r2 becomes ZCS turn-on operation of Q 5 rises gently from the state of zero current. At the same time, the current of the D 4 decreases gradually and ZCS turned off when lowered to zero naturally. This section continues until the commutation completion of the S 5.
[Ｍｏｄｅ２：Ｑ２ ＺＣＳターンオフモード] （ｔ１≦ｔ＜ｔ２）
時刻ｔ１にて、Ｄ４からＳ５への転流が完了した後、ＨＢ１では前モードより続く部分共振により、Ｄ２導通電流が自然にゼロに至りＺＣＳターンオフとなる。この間、電源電流は、Ｖ１−Ｓ１−ＬS２−Ｓ５の経路を流れて、Ｌｄに磁気エネルギーを蓄積する定常状態となる。
[Mode 2: Q 2 ZCS turn-off mode] (t 1 ≦ t <t 2 )
After commutation from D 4 to S 5 is completed at time t 1 , in HB 1, the D 2 conduction current naturally reaches zero due to the partial resonance that continues from the previous mode, and the ZCS turn-off occurs. During this time, the power supply current flows through the path of V 1 -S 1 -L S2 -S 5 and enters a steady state in which magnetic energy is accumulated in L d .
[Ｍｏｄｅ３：部分共振モード] （ｔ２≦ｔ＜ｔ３）
時刻ｔ２にて、Ｄ２からＳ１への転流が完了した後、前モードからのＬｒ１，Ｃｒ１による部分共振は維持する。これより、共振キャパシタＣｒ１は充電を続け、その端子電圧が次第に上昇してＶ２と等しくなると、Ｑ３の電流ｉＱ３はゼロとなる。
[Mode 3: Partial resonance mode] (t 2 ≦ t <t 3 )
After the commutation from D 2 to S 1 is completed at time t 2 , the partial resonance due to L r1 and C r1 from the previous mode is maintained. Accordingly, the resonance capacitor C r1 continues to be charged, and when the terminal voltage thereof gradually increases and becomes equal to V 2 , the current i Q3 of Q 3 becomes zero.
[Ｍｏｄｅ４：Ｌｄ エネルギー蓄積モード] （ｔ３≦ｔ＜ｔ４）
時刻ｔ３にて、ｉＱ２がゼロになると、電源電流は、Ｖ１−Ｓ１−Ｌd−ＬS２−Ｓ５と流れて電力供給の定常状態となる。
[Mode4: L d energy storage mode] (t 3 ≦ t <t 4)
At time t 3, when i Q2 becomes zero, the supply current, the steady state of the power supply flows as V 1 -S 1 -L d -L S2 -S 5.
[Ｍｏｄｅ５：Ｑ６ ＺＣＳターンオンモード] （ｔ４≦ｔ＜ｔ５）
時刻ｔ４にて、ＨＢ２の補助スイッチＱ６をターンオンすると、ＬS２，Ｌｒ２，Ｃｒ２の部分共振を得る。これによりＱ６の電流ｉＱ６はゼロから緩やかに上昇して、Ｑ６のＺＣＳターンオンを達成する。
[Mode 5: Q 6 ZCS turn-on mode] (t 4 ≦ t <t 5 )
At time t 4, when turning on the auxiliary switch Q 6 of HB2, obtaining a partial resonance of L S2, L r2, C r2 . Thus the current i Q6 of Q 6 is gently increased from zero to achieve ZCS turn-on of Q 6.
[Ｍｏｄｅ６：Ｓ６−Ｄ６ 転流モード] （ｔ５≦ｔ＜ｔ６）
時刻ｔ５にて、ｉＱ６がスイッチ部Ｓ６から逆並列ダイオードＤ６へ転流しながら部分共振が継続される。
[Mode 6: S 6 -D 6 commutation mode] (t 5 ≦ t <t 6 )
At time t 5, i Q6 is commutated with partial resonance is continued from the switch unit S 6 to the anti-parallel diode D 6.
[Ｍｏｄｅ７：Ｓ５−Ｄ５ 転流モード] （ｔ６≦ｔ＜ｔ７）
時刻ｔ６にて、ｉＱ６に続き、Ｑ５の電流ｉＱ５も同様にＳ５からＤ５へ転流が完了しながら、部分共振を継続する。
[Mode7: S 5 -D 5 commutation mode] (t 6 ≦ t <t 7)
At time t 6, followed by i Q6, while the commutation from the current i Q5 likewise S 5 of Q 5 to D 5 is completed, to continue the partial resonance.
[Ｍｏｄｅ８：Ｑ３ ＺＣＳターンオンモード] （ｔ７≦ｔ＜ｔ８）
時刻ｔ７にて、ＨＢ１の補助スイッチＱ３をターンオンすると、Ｌｒ１，Ｃｒ１の部分共振を得る。Ｑ３の電流ｉＱ３はゼロから緩やかに上昇して、Ｑ３のＺＣＳターンオンを達成する。同時に、Ｓ１に流れる電流は次第に減少する。
[Mode 8: Q 3 ZCS turn-on mode] (t 7 ≦ t <t 8 )
At time t 7, when turning on the auxiliary switch Q 3 of HB1, obtaining a partial resonance of L r1, C r1. Current i Q3 of Q 3 are increased gradually from zero to achieve ZCS turn-on of Q 3. At the same time, the current flowing through the S 1 gradually decreases.
[Ｍｏｄｅ９：Ｑ１，Ｑ５ ＺＣＺＶＳターンオフモード] （ｔ８≦ｔ＜ｔ９）
時刻ｔ８にて、Ｑ２の電流ｉＱ２がゼロクロスして、Ｓ２からＤ２への転流を開始する。これにより、Ｍｏｄｅ７から続くＤ５への転流と合わせてＳ１，Ｓ５の導通電流がゼロとなり、この間にＳ１，Ｓ５のゲート信号を同時に取り除くとＱ１，Ｑ５のＺＣＺＶＳターンオフを実現する。
[Mode 9: Q 1 , Q 5 ZCZVS turn-off mode] (t 8 ≦ t <t 9 )
At time t 8, the current i Q2 of Q 2 is the zero-crossing, to start the commutation from S 2 to D 2. Thus, a conducting current is zero S 1, S 5 together with commutation to D 5 continuing from Mode7, the ZCZVS turn off of S 1, S gate signal 5 at the same time removing the Q 1, Q 5 during which Realize.
[Ｍｏｄｅ１０：Ｑ６ ＺＣＺＶＳターンオフモード] （ｔ９≦ｔ＜ｔ１０）
時刻ｔ９にて、共振状のｉＱ１が再びゼロになると、Ｓ１はすでにオフ状態でありＱ１は再導通せず、Ｌｄの平滑作用によりｉＱ３は定電流となる。さらに、ＬS２，Ｌｒ２，Ｃｒ２の部分共振は継続し、この期間にＳ６のゲート信号を取り除くと、Ｑ６のＺＣＺＶＳターンオフを達成する。
[Mode 10: Q 6 ZCZVS turn-off mode] (t 9 ≦ t <t 10 )
At time t 9, when the resonance-like i Q1 becomes zero again, S 1 is already turned off Q 1 is not re-conduct, i Q3 by the smoothing action of L d is a constant current. Furthermore, partial resonance of L S2, L r2, C r2 continues, upon removal of the gate signal S 6 during this period, to achieve ZCZVS turn off of Q 6.
[Ｍｏｄｅ１１：Ｌｄ エネルギー放出モード] （ｔ１０≦ｔ＜ｔ１１）
時刻ｔ１０にて、ｉＱ５が緩やかにゼロになるとＳ５の再導通はなく、Ｌｄ−Ｌｒ２−Ｃｒ２−Ｄ５−Ｓ３−Ｃｒ１−Ｌｒ１の経路を還流する定常状態となる。
[Mode 11: L d energy release mode] (t 10 ≦ t <t 11 )
At time t 10, no re-conduction S 5 when i Q5 is slowly zero, the steady state reflux path L d -L r2 -C r2 -D 5 -S 3 -C r1 -L r1 Become.
[Ｍｏｄｅ１２：Ｄ４ ＺＣＳターンオンモード] （ｔ１１≦ｔ＜ｔ１２）
時刻ｔ１１にて、ｖＤ４がゼロまで低下すると同時に、Ｑ４の逆並列ダイオードＤ４が順バイアスとなり、Ｌｒ２，Ｃｒ２の部分共振を得る。このとき、Ｄ４の電流ｉＤ４が緩やかに上昇するため、Ｄ４はＺＣＳターンオンを達成する。また、ｉＱ６は緩やかにゼロに向かう。
[Mode 12: D 4 ZCS turn-on mode] (t 11 ≦ t <t 12 )
At time t 11, and at the same time v D4 drops to zero, the inverse parallel diode D 4 of Q 4 is forward biased to obtain a partial resonance of L r2, C r2. At this time, since the current i D4 of D 4 is gradually increased, D 4 achieves ZCS turn. Also, iQ6 gradually goes to zero.
[Ｍｏｄｅ１３：Ｌｄ エネルギー放出モード] （ｔ１２≦ｔ＜ｔ１３）
時刻ｔ１２にて、ｉＱ６がゼロに達すると、Ｓ６のゲート信号が既に取り除かれており、Ｑ６は導通しない。これより、電流はＬｄ−Ｄ４−Ｖ２−Ｓ３−Ｃｒ１−Ｌｒ１の経路を還流する定常状態となる。
[Mode 13: L d energy release mode] (t 12 ≦ t <t 13 )
At time t 12, the i Q6 reaches zero, the gate signal S 6 has already been removed, Q 6 does not conduct. Thus, the current is in a steady state that circulates through the path of L d -D 4 -V 2 -S 3 -C r1 -L r1 .
[Ｍｏｄｅ１４：Ｄ２ ＺＣＳターンオンモード] （ｔ１３≦ｔ＜ｔ１４）
時刻ｔ１３にて、ｖＣｒ１がゼロまで低下すると同時に、Ｑ２の逆並列ダイオードＤ２が順バイアスとなり、ＬS１，Ｌｒ１，Ｃｒ１の部分共振を得る。この際に、Ｄ２の電流ｉＤ２は共振状に上昇するため、Ｄ２はＺＣＳターンオンを達成する。また、同時にｉＱ３は共振状にゼロに向かう。
[Mode 14: D 2 ZCS turn-on mode] (t 13 ≦ t <t 14 )
At time t 13, and at the same time v Cr1 drops to zero, the inverse parallel diode D 2 Q 2 'is forward biased, obtaining a partial resonance of L S1, L r1, C r1 . At this time, the current i D2 of the D 2 in order to increase the resonance shape, D 2 achieves ZCS turn. At the same time, i Q3 resonates toward zero.
[Ｍｏｄｅ１５：Ｑ３ ＺＣＺＶＳターンオフモード] （ｔ１４≦ｔ＜ｔ１５）
時刻ｔ１４にて、ｉＱ３が自然にゼロクロスするとＳ３から逆並列ダイオードＤ３へ転流し、前モードからの部分共振を継続する。この期間にＳ３のゲート信号を取り除くことでＱ３のＺＣＺＶＳターンオフを実現する。
[Mode 15: Q 3 ZCZVS turn-off mode] (t 14 ≦ t <t 15 )
At time t 14, the i Q3 crosses zero naturally commutated from S 3 to the anti-parallel diode D 3, continues to partial resonance from the previous mode. Realizing ZCZVS turn-off of the Q 3 by removing the gate signal S 3 during this period.
[Ｍｏｄｅ１６：Ｌｄ エネルギー放出モード] （ｔ１５≦ｔ＜ｔ１６）
時刻ｔ１５にて、ｉＱ３がゼロに達すると、Ｍｏｄｅ１５にてＳ３のゲート信号をオフとしているため、Ｑ６の再導通はなく、平滑インダクタの電流は、Ｌｄ−Ｄ４−Ｖ２−Ｄ２−ＬS１の経路を循環する定常状態となり、時刻ｔ１６にて再びＭｏｄｅ１へと戻る。
[Mode 16: L d energy release mode] (t 15 ≦ t <t 16 )
At time t 15, the i Q3 reaches zero, because it turns off the gate signal S 3 at Mode15, re conduction Q 6 are not, the current of the smoothing inductor, L d -D 4 -V 2 becomes steady state circulating path -D 2 -L S1, it goes back to the Mode1 at time t 16.
双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータの特性を、シミュレーション解析により評価した。前提として、Ｖ１からＶ２への電力フローと設定した。回路パラメータおよび動作条件を下記表４に示す。 The characteristics of the bidirectional buck-boost DC-DC converter were evaluated by simulation analysis. As a premise, the power flow from V 1 to V 2 was set. The circuit parameters and operating conditions are shown in Table 4 below.
まず、重負荷時の主スイッチおよび補助スイッチのスイッチング動作波形と、軽負荷時のスイッチング動作波形を、それぞれ図２０、図２１に示す。スイッチング動作波形から、定格出力（重負荷時）において、上述の動作原理と同様に主スイッチおよび補助スイッチのＺＣＳターンオン，ＺＣＺＶＳターンオフが達成できていることがわかる。また、軽負荷時においては、共振電流ピーク値と定常電流の差が重負荷時に比べ顕著となり、直列共振型スイッチとキャパシタ内部の導通損失の影響が問題となる一方で、各スイッチのＺＣＺＶＳターンオフは次第に実現しやすくなる。 First, the switching operation waveforms of the main switch and the auxiliary switch at the time of heavy load and the switching operation waveform at the time of light load are shown in FIGS. 20 and 21, respectively. From the switching operation waveform, it can be seen that the ZCS turn-on and ZCZVS turn-off of the main switch and the auxiliary switch can be achieved at the rated output (at the time of heavy load) similarly to the above-described operation principle. Also, at light load, the difference between the peak value of resonance current and steady current becomes more significant than at heavy load, and the effect of conduction loss inside the series resonance type switch and capacitor becomes a problem, while the ZCZVS turn-off of each switch is It becomes easier to realize.
次に、電力フロー毎に主スイッチオン時比率ｄに対するオープンループ条件での入出力電圧変換特性を表すグラフを図２２に、および出力電力特性を表すグラフを図２３に示す。この結果からｄの調整により連続して昇降圧条件での出力電圧調整が実現しており、また，負荷電力制御が可能であることがわかる。 Next, FIG. 22 shows a graph showing the input / output voltage conversion characteristics under the open loop condition with respect to the main switch-on time ratio d for each power flow, and FIG. 23 shows a graph showing the output power characteristics. From this result, it is understood that the output voltage adjustment under the step-up / step-down condition is realized continuously by adjusting d, and the load power control is possible.
本発明は、電気自動車やハイブリッド車の電源システムに搭載される双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに有用である。 The present invention is useful for a bidirectional DC-DC converter mounted on a power supply system of an electric vehicle or a hybrid vehicle.
１ 補助回路
２ 直列共振型スイッチトキャパシタ
２ａ 共振インダクタ
２ｂ 共振キャパシタ
２ｃ スイッチング素子
２ｄ ダイオード
３ ＺＣＳ促進用インダクタ
1 Auxiliary Circuit 2 Series Resonant Switched Capacitor 2a Resonant Inductor 2b Resonant Capacitor 2c Switching Element 2d Diode 3 ZCS Promoting Inductor
Claims (10)
前記補助回路は、
直列共振型スイッチトキャパシタとＺＣＳ促進用インダクタとから成り、
ＤＣ−ＤＣコンバータが昇圧タイプの場合、
昇圧用スイッチング素子の正極側に直列に前記ＺＣＳ促進用インダクタが直列接続され、かつ、直列接続構造の両端に並列に前記直列共振型スイッチトキャパシタが接続される、
ことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータの補助回路。 An auxiliary circuit of a DC-DC converter that converts an input DC voltage into a desired DC voltage and outputs the converted DC voltage,
The auxiliary circuit is
It consists of a series resonant switched capacitor and an inductor for ZCS promotion,
When the DC-DC converter is a boost type,
The ZCS promoting inductor is connected in series to the positive side of the boost switching element, and the series resonant switched capacitor is connected in parallel to both ends of the series connection structure.
An auxiliary circuit of a DC-DC converter characterized by the above.
前記補助回路は、
直列共振型スイッチトキャパシタとＺＣＳ促進用インダクタとから成り、
ＤＣ−ＤＣコンバータが降圧タイプの場合、
還流ダイオードの正極側に直列に前記ＺＣＳ促進用インダクタが直列接続され、かつ、直列接続構造の両端に並列に前記直列共振型スイッチトキャパシタが接続される、
ことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータの補助回路。 An auxiliary circuit of a DC-DC converter that converts an input DC voltage into a desired DC voltage and outputs the converted DC voltage,
The auxiliary circuit is
It consists of a series resonant switched capacitor and an inductor for ZCS promotion,
When the DC-DC converter is a step-down type,
The ZCS promoting inductor is connected in series to the positive electrode side of the freewheeling diode, and the series resonant switched capacitor is connected in parallel to both ends of the series connection structure.
An auxiliary circuit of a DC-DC converter characterized by the above.
前記補助回路は、
直列共振型スイッチトキャパシタとＺＣＳ促進用インダクタとから成り、
ＤＣ−ＤＣコンバータが昇降圧タイプの場合、
昇圧用スイッチング素子とそれに逆並列接続されるダイオードから成るスイッチの正極側に直列に前記ＺＣＳ促進用インダクタが直列接続され、かつ、直列接続構造の両端に並列に前記直列共振型スイッチトキャパシタが接続される、
ことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータの補助回路。 An auxiliary circuit of a DC-DC converter that converts an input DC voltage into a desired DC voltage and outputs the converted DC voltage,
The auxiliary circuit is
It consists of a series resonant switched capacitor and an inductor for ZCS promotion,
When the DC-DC converter is a buck-boost type,
The ZCS promoting inductor is connected in series to the positive side of a switch composed of a step-up switching element and a diode connected in reverse parallel thereto, and the series resonant switched capacitor is connected in parallel to both ends of the series connection structure. The
An auxiliary circuit of a DC-DC converter characterized by the above.
直列接続された第１スイッチング素子と第２スイッチング素子と、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、
同様に、直列接続された第３スイッチング素子と第４スイッチング素子と、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、
第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の第１接続中点と、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子の第２接続中点とを接続する平滑インダクタと、から成るツインハーフブリッジ構造であり、
ローサイドの第２スイッチング素子と第１接続中点との間に直列接続されたＺＣＳ促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタと、
同様に、ローサイドの第４スイッチング素子と第２接続中点との間に直列接続されたＺＣＳ促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタと、を備えることを特徴とする双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ。 In a DC-DC converter that converts an input DC voltage to a desired DC voltage and outputs it,
A first switching element and a second switching element connected in series; an anti-parallel diode connected in parallel to each of the first switching element and the second switching element;
Similarly, a third switching element and a fourth switching element connected in series, and antiparallel diodes connected in parallel to the third switching element and the fourth switching element,
A twin half bridge structure comprising a smoothing inductor connecting a first connection midpoint of the first switching element and the second switching element and a third connection element and a second connection midpoint of the fourth switching element;
A ZCS promoting inductor connected in series between the low-side second switching element and the first connection midpoint; a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure;
Similarly, including a ZCS promoting inductor connected in series between the low-side fourth switching element and the second connection midpoint, and a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure. Bidirectional buck-boost DC-DC converter characterized by the above.
直列接続された第１スイッチング素子と第２スイッチング素子と、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、
同様に、直列接続された第３スイッチング素子と第４スイッチング素子と、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、
第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の第１接続中点と、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子の第２接続中点とを接続する平滑インダクタとから成るツインハーフブリッジ構造であり、
ハイサイドの第１スイッチング素子に直列接続されたＺＣＳ促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタと、
同様に、ハイサイドの第３スイッチング素子に直列接続されたＺＣＳ促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタと、を備えることを特徴とする双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ。 In a DC-DC converter that converts an input DC voltage to a desired DC voltage and outputs it,
A first switching element and a second switching element connected in series; an anti-parallel diode connected in parallel to each of the first switching element and the second switching element;
Similarly, a third switching element and a fourth switching element connected in series, and antiparallel diodes connected in parallel to the third switching element and the fourth switching element,
A twin half bridge structure comprising a smoothing inductor connecting a first connection midpoint of the first switching element and the second switching element and a third connection element and a second connection midpoint of the fourth switching element;
A ZCS promoting inductor connected in series to the first switching element on the high side; a series resonant switched capacitor connected in parallel to both ends of the series connection structure;
Similarly, a bidirectional buck-boost DC comprising: a ZCS promoting inductor connected in series to a third switching element on the high side; and a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure. DC converter.
直列接続された第１スイッチング素子と第２スイッチング素子と、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、
同様に、直列接続された第３スイッチング素子と第４スイッチング素子と、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、
第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の第１接続中点から分岐して接続される第１平滑インダクタと、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子の第２接続中点から分岐して接続される第２平滑インダクタと、
直列接続された第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の両端と、直列接続された第３スイッチング素子と第４スイッチング素子の両端と、が接続され、それぞれの両端に並列接続される直流リンクキャパシタとから成るツインハーフブリッジ構造であり、
ローサイドの第２スイッチング素子と第１接続中点との間に直列接続されたＺＣＳ促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタと、
同様に、ローサイドの第４スイッチング素子と第２接続中点との間に直列接続されたＺＣＳ促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタと、を備えることを特徴とする双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ。 In a DC-DC converter that converts an input DC voltage to a desired DC voltage and outputs it,
A first switching element and a second switching element connected in series; an anti-parallel diode connected in parallel to each of the first switching element and the second switching element;
Similarly, a third switching element and a fourth switching element connected in series, and antiparallel diodes connected in parallel to the third switching element and the fourth switching element,
A first smoothing inductor that is branched and connected from the first connection midpoint of the first switching element and the second switching element, and is branched and connected from a second connection midpoint of the third switching element and the fourth switching element. A second smoothing inductor;
DC link capacitors connected to both ends of the first switching element and the second switching element connected in series, and to both ends of the third switching element and the fourth switching element connected in series, and connected in parallel to the both ends It is a twin half bridge structure consisting of
A ZCS promoting inductor connected in series between the low-side second switching element and the first connection midpoint; a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure;
Similarly, including a ZCS promoting inductor connected in series between the low-side fourth switching element and the second connection midpoint, and a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure. Bidirectional buck-boost DC-DC converter characterized by the above.
直列接続された第１スイッチング素子と第２スイッチング素子と、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、
同様に、直列接続された第３スイッチング素子と第４スイッチング素子と、第３スイッチング素子及び第４スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、
第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の第１接続中点から分岐して接続される第１平滑インダクタと、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子の第２接続中点から分岐して接続される第２平滑インダクタと、
直列接続された第１スイッチング素子と第２スイッチング素子の両端と、直列接続された第３スイッチング素子と第４スイッチング素子の両端と、が接続され、それぞれの両端に並列接続される直流リンクキャパシタとから成るツインハーフブリッジ構造であり、
ハイサイドの第１スイッチング素子と第１接続中点との間に直列接続されたＺＣＳ促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタと、
同様に、ハイサイドの第３スイッチング素子と第２接続中点との間に直列接続されたＺＣＳ促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタと、を備えることを特徴とする双方向昇降圧ＤＣ−ＤＣコンバータ。 In a DC-DC converter that converts an input DC voltage to a desired DC voltage and outputs it,
A first switching element and a second switching element connected in series; an anti-parallel diode connected in parallel to each of the first switching element and the second switching element;
Similarly, a third switching element and a fourth switching element connected in series, and antiparallel diodes connected in parallel to the third switching element and the fourth switching element,
A first smoothing inductor that is branched and connected from the first connection midpoint of the first switching element and the second switching element, and is branched and connected from a second connection midpoint of the third switching element and the fourth switching element. A second smoothing inductor;
DC link capacitors connected to both ends of the first switching element and the second switching element connected in series, and to both ends of the third switching element and the fourth switching element connected in series, and connected in parallel to the both ends It is a twin half bridge structure consisting of
A ZCS promoting inductor connected in series between the first switching element on the high side and the first connection midpoint; a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure;
Similarly, a ZCS promoting inductor connected in series between the third switching element on the high side and the second connection midpoint, and a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure A bidirectional buck-boost DC-DC converter characterized by
10. The series resonant switched capacitor includes a resonant inductor, a resonant capacitor, and a switching element connected in series in order from the positive electrode, and a diode connected in parallel to the switching element. Any bidirectional buck-boost DC-DC converter.
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