JP2017005861A - 共振型双方向ｄｃ／ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】双方向に対して倍電流整流と全波整流の動作切替が可能で、ソフトスイッチングを実現する大容量の共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。【解決手段】ダイオードとコンデンサとを並列に接続した複数のスイッチ素子で構成され電力変換を行う第１乃至第４変換回路１〜４、一次巻線Ｐ１とトランスＴ２の二次巻線Ｓ２に直列に接続された二次巻線Ｓ１を備えるトランスＴ１、第１電圧又は第２電圧に応じて、トランスＴ２の二次巻線とトランスＴ１の二次巻線とが直列に接続される直列モード又は並列に接続される並列モードになるように第３変換回路及び第４変換回路の複数のスイッチ素子をオンオフさせる制御回路１０とを備え、第１変換回路及び第２変換回路は、並列に接続され且つ第１電圧が供給され、第３変換回路及び第４変換回路は、複数のスイッチ素子の一部を共有して並列に接続され、平滑リアクトルを介して第２電圧が供給される。【選択図】図１

Description

本発明は、ゼロ電圧及びゼロ電流スイッチングを行うことによりスイッチング損失を低減させる共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに関する。

従来、この種の共振型ＤＣ／ＤＣコンバータとして、特許文献１，２に記載されたものが知られている。特許文献１には、二つのトランスの二次側電圧を直列及び並列に接続するモードを有し、その比を制御することにより出力電圧制御を行う直流電源装置が記載されている。

この共振型ＤＣ／ＤＣコンバータによれば、広範囲の出力電圧の調整に対して、トランスの利用効率を高め、出力電圧のリップル分の発生要因を低減し、トランスや平滑フィルタの小型化、スイッチ素子の定電力出力時の損失を低減することができる。

また、特許文献２は、ハーフブリッジ回路からなる第１回路とフルブリッジ回路から成る第２回路を備え、第２回路から第１回路への電力変換を行う場合に、第２回路を、負荷電圧が高いときは倍電圧整流回路として動作させ、負荷電圧が低いときは全波整流回路として動作させる双方向コンバータが記載されている。

特開２００３−１６９４７３号公報 特開２０１３−２３００６７号公報

しかしながら、特許文献１の共振型ＤＣ／ＤＣコンバータでは、双方向変換することはできず、ソフトスイッチングを行うこともできなかった。

また、特許文献２では、第１回路から第２回路への電力変換では、倍電圧整流のみを行う。倍電圧整流にコンデンサを使用するが、このコンデンサには大電流が流れるので、特殊なコンデンサを使用しなければならなかった。

また、電圧型コンバータと電流型コンバータを組み合わせた双方向コンバータは降圧変換と昇圧変換はできるが、昇降圧変換はできない。

本発明の課題は、双方向に対して倍電流整流と全波整流の動作切替が可能であり、昇降圧変換でき、ソフトスイッチングを実現する大容量の共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、第１電圧を第２電圧に変換及び第２電圧を第１電圧に変換する共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであって、ダイオードとコンデンサとを並列に接続した複数のスイッチ素子で構成され電力変換を行う第１変換回路及び第２変換回路と、前記第１変換回路に接続される一次巻線と二次巻線を備える第１トランスと、前記第２変換回路に接続される一次巻線と、前記第１トランスの二次巻線に直列に接続された二次巻線を備える第２トランスと、前記第１トランスの二次巻線に接続され、ダイオードとコンデンサとを並列に接続した複数のスイッチ素子で構成され電力変換を行う第３変換回路と、前記第２トランスの二次巻線に接続され、ダイオードとコンデンサとを並列に接続した複数のスイッチ素子で構成され電力変換を行う第４変換回路と、第１電圧又は第２電圧に応じて、前記第１トランスの二次巻線と前記第２トランスの二次巻線とが直列に接続される直列モード又は並列に接続される並列モードになるように前記第３変換回路及び前記第４変換回路の前記複数のスイッチ素子をオンオフさせる制御回路とを備え、前記第１変換回路及び前記第２変換回路は、並列に接続され且つ前記第１電圧が供給され、前記第３変換回路及び前記第４変換回路は、前記複数のスイッチ素子の一部を共有して並列に接続され、平滑リアクトルを介して前記第２電圧が供給されることを特徴とする。

本発明によれば、制御回路が第１電圧又は第２電圧に応じて、第１トランスの二次巻線と第２トランスの二次巻線とが直列に接続される直列モード又は並列に接続される並列モードとなるように第３変換回路及び第４変換回路の複数のスイッチ素子をオンオフさせるので、ワイド入力対し、双方向に電圧変換を行うとともにソフトスイッチングを実現できる共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを提供することができる。また、直列接続に切り替えることで、昇降圧変換ができるようになる。

本発明の実施例１に係る共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの降圧動作時の二次側並列モードと二次側直列モードの各スイッチのゲート駆動信号の波形図である。 本発明の実施例１に係る共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの降圧時の二次側並列モードでの動作遷移図である。 本発明の実施例１に係る共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの降圧時の二次側並列モードでの動作遷移図である。 本発明の実施例１に係る共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの降圧時の二次側直列モードでの動作遷移図である。 本発明の実施例１に係る共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの降圧時の二次側直列モードでの動作遷移図である。 本発明の実施例１に係る共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧時の二次側並列モードでの動作遷移図である。 本発明の実施例１に係る共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧時の二次側並列モードでの動作遷移図である。 本発明の実施例１に係る共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧時の二次側直列モードでの動作遷移図である。 本発明の実施例１に係る共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧時の二次側直列モードでの動作遷移図である。 本発明の実施例２に係る共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す図である。 本発明の実施例２に係る共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの電流型コンバータ側のトランス並列接続時のリアクトル電流、トランス励磁電流、ゲート駆動信号の各波形を示す図である。 本発明の実施例２に係る共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの降圧−昇圧切替制御時のリアクトル電流、トランス励磁電流、ゲート駆動信号のシミュレーション波形を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータについて、図面を参照しながら詳細に説明する。

実施例１の共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、降圧変換及び昇圧変換の双方向の電圧変換を行うことができ、ワイド入力に対応し、ソフトスイッチングを実現する大容量の絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータである。また、双方向に対して倍電流整流と全波整流の動作切替が可能であり、変換回路のスイッチ素子は、ゼロボルトスイッチング（ＺＶＳ）動作する。

ＤＣ／ＤＣコンバータを大容量化する場合、回路を複数直並列に接続して、容量を増加させる。この点に着目して、トランスを直並列に接続し、各スイッチ素子のスイッチングパターンにより、昇降圧動作を行う。

２つのトランスＴ１，Ｔ２を、電圧型コンバータ側（平滑リアクトルがない）を並列接続とし、電流型コンバータ側（平滑リアクトルあり）を直列接続とし、直列接続側のトランス接続点を電流型コンバータの１アーム（スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２）に接続する。

図１は、本発明の実施例１に係る共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す図である。共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、直流電源Ｖ２、直流電源Ｖ１、第１変換回路１、第２変換回路２、平滑リアクトルＬ２、トランスＴ１（第２トランス）、トランスＴ２（第１トランス）、共振トランスＴ３、第１共振スイッチＱ１６、第２共振スイッチＱ１５、共振リアクトルＬ１、ダイオードＤ１７を有している。

共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、直流電源Ｖ２の電圧（第１電圧）を直流電源Ｖ１の電圧（第２電圧）に降圧変換及び直流電源Ｖ１の第２電圧を直流電源Ｖの電圧に昇圧変換する。

第１変換回路１は、ダイオードＤ１とコンデンサＣ１とを並列に接続したスイッチ素子Ｑ１とダイオードＤ２とコンデンサＣ２とを並列に接続したスイッチ素子Ｑ２との直列回路と、ダイオードＤ３とコンデンサＣ３とを並列に接続したスイッチ素子Ｑ３とダイオードＤ４とコンデンサＣ４とを並列に接続したスイッチ素子Ｑ４との直列回路とが並列に接続され且つブリッジ構成され電力変換を行う。第１変換回路１の出力両端は直流電源Ｖ２の両端に接続されている。

第２変換回路２は、ダイオードＤ５とコンデンサＣ５とを並列に接続したスイッチ素子Ｑ５とダイオードＤ６とコンデンサＣ６とを並列に接続したスイッチ素子Ｑ６との直列回路と、ダイオードＤ７とコンデンサＣ７とを並列に接続したスイッチ素子Ｑ７とダイオードＤ８とコンデンサＣ８とを並列に接続したスイッチ素子Ｑ８との直列回路とが並列に接続され且つブリッジ構成され電力変換を行う。第２変換回路２の出力両端は直流電源Ｖ２の両端に接続されている。第１変換回路１及び第２変換回路２は、並列に接続され、且つ直流電源Ｖ２の電圧が供給される。

トランスＴ１は、一次巻線Ｐ１と一次巻線Ｐ１に電磁結合する二次巻線Ｓ１とを有し、一次巻線Ｐ１と二次巻線Ｓ１との巻数比は、１：１である。トランスＴ１は、一次巻線Ｐ１の一端はスイッチ素子Ｑ５とスイッチ素子Ｑ６との接続点に接続され、一次巻線Ｐ１の他端はスイッチ素子Ｑ７とスイッチ素子Ｑ８との接続点に接続されている。二次巻線Ｓ１の一端はスイッチ素子Ｑ９とスイッチ素子Ｑ１０との接続点に接続され、二次巻線Ｓ１の他端はスイッチ素子Ｑ１１とスイッチ素子Ｑ１２との接続点に接続されている。

トランスＴ２は、一次巻線Ｐ２と一次巻線Ｐ２に電磁結合する二次巻線Ｓ２とを有し、一次巻線Ｐ２と二次巻線Ｓ２との巻数比は、１：１である。トランスＴ２は、二次巻線Ｓ２がトランスＴ１の二次巻線Ｓ１に直列に接続されている。一次巻線Ｐ２の一端はスイッチ素子Ｑ１とスイッチ素子Ｑ２との接続点に接続され、一次巻線Ｐ２の他端はスイッチ素子Ｑ３とスイッチ素子Ｑ４との接続点に接続されている。二次巻線Ｓ２の一端はスイッチ素子Ｑ１１とスイッチ素子Ｑ１２との接続点に接続され、二次巻線Ｓ２の他端はスイッチ素子Ｑ１３とスイッチ素子Ｑ１４との接続点に接続されている。

第３変換回路３は、トランスＴ２の二次巻線Ｓ２に接続され、ダイオードＤ１１とコンデンサＣ１１とを並列に接続したスイッチ素子Ｑ１１とダイオードＤ１２とコンデンサＣ１２とを並列に接続したスイッチ素子Ｑ１２との直列回路と、ダイオードＤ１３とコンデンサＣ１３とを並列に接続したスイッチ素子Ｑ１３とダイオードＤ１４とコンデンサＣ１４とを並列に接続したスイッチ素子Ｑ１４との直列回路とが並列に接続され且つブリッジ構成され電力変換を行う。第３変換回路３の出力両端は、平滑リアクトルＬ２と直流電源Ｖ１との直列回路の両端に接続されている。

第４変換回路４は、トランスＴ１の二次巻線Ｓ２に接続され、ダイオードＤ９１とコンデンサＣ９とを並列に接続したスイッチ素子Ｑ９とダイオードＤ１０とコンデンサＣ１０とを並列に接続したスイッチ素子Ｑ１０との直列回路と、ダイオードＤ１１とコンデンサＣ１１とを並列に接続したスイッチ素子Ｑ１１とダイオードＤ１２とコンデンサＣ１２とを並列に接続したスイッチ素子Ｑ１２との直列回路とが並列に接続され且つブリッジ構成され電力変換を行う。第４変換回路４の出力両端は、平滑リアクトルＬ２と直流電源Ｖ１との直列回路の両端に接続されている。

なお、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ１４、第１共振スイッチＱ１６、第２共振スイッチＱ１５は、ＭＯＳＦＥＴからなる。ダイオードＤ１〜Ｄ１６は、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ１６の寄生ダイオードであってもよい。コンデンサＣ１〜Ｃ１４は、スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ１４の寄生容量であってもよい。

平滑リアクトルＬ２の一端は、スイッチ素子Ｑ９，Ｑ１１，Ｑ１３のドレインに接続され、平滑リアクトルＬ２の他端は、直流電源Ｖ１の正極に接続されている。第３変換回路３及び第４変換回路４は、複数のスイッチ素子Ｑ９〜Ｑ１４の一部のスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２を共有して並列に接続され、平滑リアクトルＬ２を介して直流電源Ｖ１の電圧が供給される。

共振トランスＴ３は、ダイオードＤ１７（第５ダイオード）を介して第１変換回路１及び第２変換回路２に並列に接続される第１巻線Ｔａ３と、第１共振スイッチＱ１６を介して第１変換回路１及び第２変換回路２に並列に接続される第２巻線Ｔ３ｂと、第２共振スイッチＱ１５と共振リアクトルＬ１とを介して第３変換回路３及び第４変換回路４に並列に接続される第３巻線Ｔ３ｃとを備える。第１巻線Ｔ３ａと第２巻線Ｔ３ｂと第３巻線Ｔ３ｃは、互いに電磁結合し、第１巻線Ｔ３ａと第２巻線Ｔ３ｂと第３巻線Ｔ３ｃとの巻数比は、１：１：２である。

共振トランスＴ３の第１巻線Ｔ３ａとダイオードＤ１７との直列回路は、直流電源Ｖ２の両端に接続されている。共振トランスＴ３の第１巻線Ｔ３ｂと第１共振スイッチＱ１６との直列回路は、直流電源Ｖ２の両端に接続されている。共振トランスＴ３の第３巻線Ｔ３ｃと第２共振スイッチＱ１５と共振リアクトルＬ１との直列回路は、平滑リアクトルＬ２を介して直流電源Ｖ１の両端に接続されている。共振トランスＴ３は、共振に必要な電圧を各巻線Ｔ３ａ，Ｔ３ｂ，Ｔ３ｃに誘起する。

制御回路１０は、図２に示すような各スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ１６のゲート駆動信号によりスイッチ素子Ｑ１〜Ｑ１６をオン／オフさせる。

制御回路１０は、直流電源Ｖ１の電圧又は直流電源Ｖ２の電圧に応じて、トランスＴ１の二次巻線Ｓ１とトランスＴ２の二次巻線Ｓ２とが直列に接続される直列モード又は並列に接続される並列モードになるように第３変換回路３及び第４変換回路４の複数のスイッチ素子Ｑ９〜Ｑ１４をオンオフさせる。

制御回路１０は、直流電源Ｖ２の電圧を直流電源Ｖ１の電圧に変換するとき、第１変換回路１又は第２変換回路２のスイッチ素子がオンオフするときには、第１共振スイッチＱ１６を所定時間オンさせ、直流電源Ｖ１の電圧を直流電源Ｖ２の電圧に変換するとき、第３変換回路３又は第４変換回路４のスイッチ素子がオンオフするときには、第２共振スイッチＱ１５を所定時間オンさせる。

図２は、本発明の実施例１に係る共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの降圧動作時の二次側並列モード（図２（ａ））と二次側直列モード（図２（ｂ））の各スイッチのゲート駆動信号の波形図である。

次にこのように構成された実施例１の動作を図面を参照しながら詳細に説明する。まず、降圧動作時で且つ二次側並列モードでの動作を図２（ａ）、図３、図４を参照しながら説明する。

ここで、二次側並列モードとは、スイッチ素子Ｑ９，Ｑ１２，Ｑ１３をオンすることで、トランスＴ１の二次巻線Ｓ１とトランスＴ２の二次巻線Ｓ２とが並列に接続されるモードである。

まず、図３（ａ）に示す還流モード（図２（ａ）の時刻ｔ１）では、スイッチ素子Ｑ９〜Ｑ１４がオンする。すると、Ｖ１→Ｑ１０→Ｑ９（Ｑ１２→Ｑ１１、Ｑ１４→Ｑ１３）→Ｌ２→Ｖ１の経路で電流が流れる。なお、スイッチ素子Ｑ９〜Ｑ１４をオンさせる代わりに、スイッチ素子Ｑ９〜Ｑ１４をオフさせてもよい。

次に、図３（ｂ）に示す還流モード（図２（ａ）の時刻ｔ２）では、スイッチ素子Ｑ９，Ｑ１２，Ｑ１３がオンし、スイッチ素子Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１４がオフする。この場合、スイッチ素子Ｑ６，Ｑ７，Ｑ１，Ｑ４がＺＶＳ動作の対象となる。

次に、図３（ｃ）に示す還流モード（図２（ａ）の時刻ｔ３）では、スイッチ素子Ｑ９，Ｑ１２，Ｑ１３がオンし、スイッチ素子Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１４がオフし、第１共振スイッチＱ１６がオンする。すると、直流電源Ｖ２の電圧が共振トランスＴ３の巻線Ｔ３ａ，Ｔ３ｂ，Ｔ３ｃに印加される。このため、共振トランスＴ３に電圧が誘起され、誘起された電圧によりスイッチ素子Ｑ９〜Ｑ１４の電流が共振リアクトルＬ１に転流される。

次に、図４（ａ）に示す共振モード（図２（ａ）の時刻ｔ３）では、スイッチ素子Ｑ９，Ｑ１２，Ｑ１３がオンし、スイッチ素子Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１４がオフし、第１共振スイッチＱ１６がオンしている状態で、共振リアクトルＬ１と各スイッチ素子Ｑ１４，Ｑ１０，Ｑ１１に並列に接続された各スナバコンデンサＣ１４，Ｃ１０，Ｃ１１及び第１変換回路１、第２変換回路２の各スイッチ素子に並列に接続されたコンデンサで共振動作が開始される。このため、共振リアクトルＬ１には正弦波状の共振電流が流れる。

第１変換回路１、第２変換回路２においては、Ｌ１→Ｔ３ｃ→Ｑ９→Ｓ１→Ｑ１２→Ｑ１５→Ｌ１の経路、Ｌ１→Ｔ３ｃ→Ｑ１３→Ｓ２→Ｑ１２→Ｑ１５→Ｌ１の経路で電流が流れる。

このため、Ｐ１→Ｃ７→Ｃ５→Ｐ１の経路と、Ｐ１→Ｃ８→Ｃ６→Ｐ１の経路とに電流が流れる。このとき、コンデンサＣ６，Ｃ７は、放電され、コンデンサＣ５，Ｃ８は充電される。また、Ｐ２→Ｃ１→Ｃ３→Ｐ２の経路と、Ｐ２→Ｃ２→Ｃ４→Ｐ２の経路とに電流が流れる。このとき、コンデンサＣ１，Ｃ４は、放電され、コンデンサＣ２，Ｃ３は充電される。

次に、図４（ｂ）に示す共振モード（図２（ａ）の時刻ｔ３）では、スイッチ素子Ｑ９，Ｑ１２，Ｑ１３がオンし、スイッチ素子Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１４がオフし、第１共振スイッチＱ１６がオンしている状態で、コンデンサＣ１０，Ｃ１１，Ｃ１４の電圧が電圧Ｖ２になると、共振リアクトルＬ１には共振前のＶ２／２から−Ｖ２／２の電圧が印加される。

このため、共振電流は減少する。このとき、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４，Ｑ６，Ｑ７をオンさせると、ＺＶＳを実現することができる。

次に、図４（ｃ）に示す電力供給モード（図２（ａ）の時刻ｔ４）では、スイッチ素子Ｑ９，Ｑ１２，Ｑ１３がオンし、スイッチ素子Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１４がオフし、第１共振スイッチＱ１６がオフし、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４，Ｑ６，Ｑ７がオンする。即ち、第１共振スイッチＱ１６をオフさせ、電力供給モードに遷移させる。このとき、Ｖ２→Ｑ７→Ｐ１→Ｑ６→Ｖ２の経路で電流が流れる。また、Ｖ２→Ｑ１→Ｐ２→Ｑ４→Ｖ２の経路で電流が流れる。また、Ｓ１→Ｑ９→Ｌ２→Ｖ１→Ｑ１２→Ｓ１の経路、Ｓ２→Ｑ１３→Ｌ２→Ｖ１→Ｑ１２→Ｓ２の経路で電流が流れて、高圧から低圧に降圧変換される。

次に、図４（ｄ）に示す還流モード（図２（ａ）の時刻ｔ５）では、スイッチ素子Ｑ９〜Ｑ１４がオンし、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４，Ｑ６，Ｑ７がオフする。スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４，Ｑ６，Ｑ７がオフ時にはＺＶＳターンオフする。また、トランスＴ１の励磁電流は二次側を還流する。

次に、降圧動作時で且つ二次側直列モードでの動作を図２（ｂ）、図５、図６を参照しながら説明する。

ここで、二次側直列モードとは、スイッチ素子Ｑ９，Ｑ１４をオンすることで、トランスＴ１の二次巻線Ｓ１とトランスＴ２の二次巻線Ｓ２とが直列に接続されるモードである。スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２を常時オフさせることで、スイッチ素子Ｑ９，Ｑ１０，Ｑ１３，Ｑ１４がブリッジ構成となる。この場合、トランスＴ１とトランスＴ２が直列となるため、２倍の電圧が得られる。即ち、電圧の関係がＶ２＜Ｖ１の時に直列動作とすることで電力を伝送する。

まず、図５（ａ）に示す還流モードでは、スイッチ素子Ｑ９〜Ｑ１４がオンする。すると、Ｖ１→Ｑ１０→Ｑ９（Ｑ１２→Ｑ１１、Ｑ１４→Ｑ１３）→Ｌ２→Ｖ１の経路で電流が流れる。なお、スイッチ素子Ｑ９〜Ｑ１４をオンさせる代わりに、スイッチ素子Ｑ９〜Ｑ１４をオフさせてもよい。

次に、図５（ｂ）に示す還流モードでは、スイッチ素子Ｑ９，Ｑ１４がオンし、スイッチ素子Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３がオフする。この場合、スイッチ素子Ｑ６，Ｑ７，Ｑ２，Ｑ３がＺＶＳ動作の対象となる。

次に、図５（ｃ）に示す還流モードでは、スイッチ素子Ｑ９，Ｑ１４がオンし、スイッチ素子Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３がオフし、第１共振スイッチＱ１６がオンする。すると、直流電源Ｖ２の電圧が共振トランスＴ３の巻線Ｔ３ａ，Ｔ３ｂ，Ｔ３ｃに印加される。このため、共振トランスＴ３に電圧が誘起され、誘起された電圧によりスイッチ素子Ｑ９〜Ｑ１４の電流が共振リアクトルＬ１に転流される。

次に、図６（ａ）に示す共振モードでは、スイッチ素子Ｑ９，Ｑ１４がオンし、スイッチ素子Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３がオフし、第１共振スイッチＱ１６がオンしている状態で、共振リアクトルＬ１と各スイッチ素子Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３に並列に接続された各スナバコンデンサＣ１０，Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３及び第１変換回路１、第２変換回路２の各スイッチ素子に並列に接続されたコンデンサで共振動作が開始される。このため、共振リアクトルＬ１には正弦波状の共振電流が流れる。

第１変換回路１、第２変換回路２においては、Ｌ１→Ｔ３ｃ→Ｑ９→Ｓ１→Ｓ２→Ｑ１４→Ｑ１５→Ｌ１の経路で電流が流れる。このため、Ｐ１→Ｃ７→Ｃ５→Ｐ１の経路と、Ｐ１→Ｃ８→Ｃ６→Ｐ１の経路とに電流が流れる。このとき、コンデンサＣ６，Ｃ７は、放電され、コンデンサＣ５，Ｃ８は充電される。また、Ｐ２→Ｃ３→Ｃ１→Ｐ２の経路と、Ｐ２→Ｃ４→Ｃ２→Ｐ２の経路とに電流が流れる。このとき、コンデンサＣ１，Ｃ４は、充電され、コンデンサＣ２，Ｃ３は放電される。

次に、図６（ｂ）に示す共振モードでは、スイッチ素子Ｑ９，Ｑ１４がオンし、スイッチ素子Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３がオフし、第１共振スイッチＱ１６がオンしている状態で、この場合、コンデンサＣ１０，（Ｃ１１＋Ｃ１２），Ｃ１３の電圧は、トランスＴ１，Ｔ２の二次側が直列であるため、２×Ｖ２の電圧となる。このため、共振リアクトルＬ１は共振前のＶ２／２から−３Ｖ２／２の電圧が印加されることなる。このため、共振電流は減少する。このとき、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ３，Ｑ６，Ｑ７をオンさせると、ＺＶＳを実現することができる。

次に、図６（ｃ）に示す電力供給モードでは、スイッチ素子Ｑ９，Ｑ１４がオンし、スイッチ素子Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３がオフし、第１共振スイッチＱ１６がオフし、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ３，Ｑ６，Ｑ７がオンする。即ち、第１共振スイッチＱ１６をオフさせ、電力供給モードに遷移させる。このとき、Ｖ２→Ｑ７→Ｐ１→Ｑ６→Ｖ２の経路で電流が流れる。また、Ｖ２→Ｑ３→Ｐ２→Ｑ２→Ｖ２の経路で電流が流れる。また、Ｓ２→Ｓ１→Ｑ９→Ｌ２→Ｖ１→Ｑ１４→Ｓ２の経路で電流が流れて、直列接続時は、低圧から高圧に降圧動作のスイッチングで電力が伝達される。即ち、直列接続に切り替えることで、昇降圧変換ができるようになる。

次に、図６（ｄ）に示す還流モードでは、スイッチ素子Ｑ９〜Ｑ１４がオンし、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ３，Ｑ６，Ｑ７がオフする。スイッチ素子Ｑ２，Ｑ３，Ｑ６，Ｑ７がオフ時にはＺＶＳターンオフする。また、トランスＴ１の励磁電流は二次側を還流する。

次に、昇圧時で且つ二次側並列モードでの動作を、図７、図８を参照しながら説明する。

まず、図７（ａ）に示す伝達モードでは、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４，Ｑ６，Ｑ７，Ｑ９，Ｑ１２，Ｑ１３がオンする。これにより、トランスＴ１，Ｔ２の二次側が並列モードとなる。このとき、Ｖ１→Ｌ２→Ｑ９→Ｓ１→Ｑ１２→Ｖ１の経路で電流が流れる。また、Ｖ１→Ｌ２→Ｑ１３→Ｓ２→Ｑ１２→Ｖ１の経路で電流が流れる。すると、Ｐ１→Ｑ７→Ｖ２→Ｑ６→Ｐ１の経路で電流が流れる。また、Ｐ２→Ｑ１→Ｖ２→Ｑ４→Ｐ２の経路で電流が流れる。即ち、直流電源Ｖ１の電圧が直流電源Ｖ２に伝達される。

次に、図７（ｂ）に示す引き込みモードでは、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４，Ｑ６，Ｑ７がオンし、Ｑ９，Ｑ１２，Ｑ１３がオンし、第２共振スイッチＱ１５がオンする。すると、平滑リアクトルＬ２に流れる電流が共振リアクトルＬ１と共振トランスＴ３ｃと第２共振スイッチＱ１５とからなる共振回路に引き込まれる。

次に、図７（ｃ）に示す共振モードでは、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４，Ｑ６，Ｑ７，Ｑ９，Ｑ１２，Ｑ１３がオンし、第２共振スイッチＱ１５がオンする。平滑リアクトルＬ２に流れる電流が共振リアクトルＬ１に全て流れる。このため、Ｖ１→Ｌ２→Ｔ３ｃ→Ｌ１→Ｑ１５→Ｖ１の経路で電流が流れる。

次に、図８（ａ）に示す共振モードでは、第２共振スイッチＱ１５がオンしている状態で、共振リアクトルＬ１とスイッチ素子Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１４のコンデンサＣ１０，Ｃ１１，Ｃ１４とにより共振する。この共振により、スイッチ素子Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１４の電荷が引き抜かれるため、スイッチ素子Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１４の寄生ダイオードに電流が流れる。この時に、スイッチ素子Ｑ９〜Ｑ１４をオンすると、スイッチ素子Ｑ９〜Ｑ１４のＺＶＳを実現できる。共振リアクトルＬ１に印加される電圧は、Ｖ２／２−０＝Ｖ２／２となり、共振リアクトルＬ１の電流は徐々に減少する。

次に、図８（ｂ）に示すエネルギー蓄積モードでは、スイッチ素子Ｑ９〜Ｑ１４がオンし、第２共振スイッチＱ１５がオフする。このとき、直流電源Ｖ２から平滑リアクトルＬ２にエネルギーを蓄積できる。

次に、図８（ｃ）に示すエネルギー放出モードでは、スイッチ素子Ｑ９，Ｑ１２，Ｑ１３がオフし、スイッチ素子Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１４，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ５，Ｑ８がオンし、第２共振スイッチＱ１５がオフする。このとき、平滑リアクトルＬ２のエネルギーが放出され、Ｖ１→Ｌ２→Ｑ１１→Ｓ１→Ｑ１０→Ｖ１の経路で電流が流れる。Ｖ１→Ｌ２→Ｑ１１→Ｓ２→Ｑ１４→Ｖ１の経路で電流が流れる。このため、平滑リアクトルＬ２のエネルギーが放出される。

また、Ｓ１→Ｑ５→Ｖ２→Ｑ８→Ｓ１の経路、Ｓ２→Ｑ３→Ｖ２→Ｑ２→Ｓ２の経路で電流が流れて、低圧から高圧に昇圧変換される。

次に、昇圧時で且つ二次側直列モードでの動作を図９、図１０を参照しながら説明する。

まず、図９（ａ）に示す伝達モードでは、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ３，Ｑ６，Ｑ７，Ｑ９，Ｑ１４がオンする。これにより、トランスＴ１，Ｔ２の二次側が直列モードとなる。このとき、Ｖ１→Ｌ２→Ｑ９→Ｓ１→Ｓ２→Ｑ１４→Ｖ１の経路で電流が流れる。すると、Ｐ１→Ｑ７→Ｖ２→Ｑ６→Ｐ１の経路で電流が流れる。また、Ｐ２→Ｑ３→Ｖ２→Ｑ２→Ｐ２の経路で電流が流れる。即ち、直流電源Ｖ１の電圧が直流電源Ｖ２に伝達される。

次に、図９（ｂ）に示す引き込みモードでは、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ３，Ｑ６，Ｑ７，Ｑ９，Ｑ１４がオンし、第２共振スイッチＱ１５がオンする。すると、平滑リアクトルＬ２に流れる電流が共振リアクトルＬ１と共振トランスＴ３ｃと第２共振スイッチＱ１５とからなる共振回路に引き込まれる。

次に、図９（ｃ）に示す共振モードでは、スイッチ素子Ｑ２，Ｑ３，Ｑ６，Ｑ７がオフし、Ｑ９，Ｑ１４がオンし、第２共振スイッチＱ１５がオンする。平滑リアクトルＬ２に流れる電流が共振リアクトルＬ１に全て流れる。このため、Ｖ１→Ｌ２→Ｔ３ｃ→Ｌ１→Ｑ１５→Ｖ１の経路で電流が流れる。

次に、図１０（ａ）に示す共振モードでは、第２共振スイッチＱ１５がオンしている状態で、共振リアクトルＬ１とスイッチ素子Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３のコンデンサＣ１０，Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３とにより共振する。この共振により、スイッチ素子Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３の電荷が引き抜かれるため、スイッチ素子Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３の寄生ダイオードに電流が流れる。この時に、スイッチ素子Ｑ９，Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３をオンすると、スイッチ素子Ｑ９〜Ｑ１４のＺＶＳを実現できる。共振前に共振リアクトルＬ１に印加される電圧は、２Ｖ２−Ｖ２／２＝３／２×Ｖ２となる。共振後に共振リアクトルＬ１に印加される電圧は、０−Ｖ２／２＝−Ｖ２／２となる。共振リアクトルＬ１の電流は徐々に減少する。

次に、図１０（ｂ）に示すエネルギー蓄積モードでは、スイッチ素子Ｑ９〜Ｑ１４がオンし、第２共振スイッチＱ１５がオフする。このとき、直流電源Ｖ１から平滑リアクトルＬ２にエネルギーを蓄積できる。

次に、図１０（ｃ）に示すエネルギー放出モードでは、スイッチ素子Ｑ９，Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１４がオフし、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ８，Ｑ１０，Ｑ１３がオンし、第２共振スイッチＱ１５がオフする。Ｖ１→Ｌ２→Ｑ１３→Ｓ２→Ｓ１→Ｑ１０→Ｖ１の経路で電流が流れる。このため、平滑リアクトルＬ２のエネルギーが放出される。

また、Ｓ１→Ｑ５→Ｖ２→Ｑ８→Ｓ１の経路、Ｓ２→Ｑ１→Ｖ２→Ｑ４→Ｓ２の経路で電流が流れて、直列モードの時は、高圧から低圧へ変換される。即ち、直列接続に切り替えることで、昇降圧変換ができるようになる。

このように、実施例１の共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータによれば、制御回路１０が第１電圧又は第２電圧に応じて、トランスＴ１の二次巻線Ｓ１とトランスＴ２の二次巻線Ｓ２とが直列に接続される直列モード又は並列に接続される並列モードとなるように第３変換回路３及び第４変換回路４の複数のスイッチ素子をオンオフさせるので、双方向に対して倍電流整流と全波整流の動作切替が可能となり、大容量の共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを提供することができる。このため、直流電圧Ｖ１＞直流電圧Ｖ２でも、双方向に電圧を変換することができる。

また、制御回路１０は、第１電圧を第２電圧に変換するとき、第１変換回路１又は第２変換回路２のスイッチ素子がオンオフするときには、第１共振スイッチＱ１６を所定時間オンさせ、第２電圧を第１電圧に変換するとき、第３変換回路３又は第４変換回路４のスイッチ素子がオンオフするときには、第２共振スイッチＱ１５を所定時間オンさせるので、共振トランスＴ３に電圧を誘起することができる。

また、降圧時及び昇圧時の並列モード及び直列モードにおいて、共振スイッチをオンさせて、共振トランスＴ３に誘起された電圧に基づき共振リアクトルＬ１とコンデンサとにより共振動作させて、スイッチ素子をオンさせることでゼロボルトスイッチングさせることができる。

図１１は、本発明の実施例２に係る共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す図である。図１１に示す実施例２に係る共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは、昇降圧切替制御に関するもので、図１に示す実施例１に係る共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに対して、制御回路１１のみが異なる。

昇降圧動作を切替えるためには、スイッチング素子Ｑ９〜Ｑ１４のゲート駆動信号のスイッチングパターンを昇降圧動作時に切り替える必要がある。

しかし、スイッチングパターンを切り替え時には、トランスＴ１，Ｔ２の偏磁現象が発生する可能性がある。このため、制御回路１１は、偏磁現象が発生しないためのパルスパターンを生成して各スイッチング素子Ｑ９〜Ｑ１４のゲートにスイッチングパターンを出力する。

図１２は、本発明の実施例２に係る共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの電流型コンバータ側のトランス並列接続時のリアクトル電流、トランス励磁電流、ゲート駆動信号の各波形を示す図である。図１２は、電流側コンバータから電圧型コンバータにエネルギーが伝達される時のシミュレーション波形を示している。スイッチ素子Ｑ９〜Ｑ１４が全てオンしている時にリアクトルＬ１の電流が増加し、各アームの１つをオフすることにより、エネルギーが放出され、リアクトルＬ１の電流が減少している。図１２に示すｉｍ１，ｉｍ２は、２つのトランスＴ１，Ｔ２の励磁電流である。

スイッチ素子Ｑ９〜Ｑ１４のゲート駆動信号（制御信号）がオフ時には励磁電流が正から負、又は負から正へ遷移する。このため、制御回路１１は、ゲート駆動信号のオフデューティの１／２幅（５０％）時に、即ち、励磁電流がゼロになった時に、直列モードと並列モードとの切り替えを行う。これにより、励磁電流は、リセット状態となり、偏磁が発生しなくなる。

図１３は、本発明の実施例２に係る共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの降圧−昇圧切り替え制御時のリアクトル電流、トランス励磁電流、ゲート駆動信号のシミュレーション波形を示す図である。時刻ｔ０から時刻ｔ１前では、並列モードで時であり、時刻ｔ１に並列モードから直列モードに切り替えている。このため、直列モードでは、スイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２のゲート駆動信号はオフとなる。また、直列モードでは、励磁電流は同じ波形となる。

１ 第１変換回路
２ 第２変換回路
３ 第３変換回路
４ 第４変換回路
１０，１１ 制御回路
Ｖ２ 直流電源
Ｖ１ 直流電源
Ｌ１ 共振リアクトル
Ｌ２ 平滑リアクトル
Ｑ１〜Ｑ１４ スイッチ素子
Ｑ１６ 第１共振スイッチ
Ｑ１５ 第２共振スイッチ
Ｔ１，Ｔ２ トランス
Ｔ３ 共振トランス
Ｐ１，Ｐ２ 一次巻線
Ｓ１，Ｓ２ 二次巻線
Ｄ１〜Ｄ１７ ダイオード
Ｃ１〜Ｃ１４ コンデンサ

Claims (8)

1. 第１電圧を第２電圧に変換及び第２電圧を第１電圧に変換する共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであって、
   ダイオードとコンデンサとを並列に接続した複数のスイッチ素子で構成され電力変換を行う第１変換回路及び第２変換回路と、
   前記第１変換回路に接続される一次巻線と二次巻線を備える第１トランスと、
   前記第２変換回路に接続される一次巻線と、前記第１トランスの二次巻線に直列に接続された二次巻線を備える第２トランスと、
   前記第１トランスの二次巻線に接続され、ダイオードとコンデンサとを並列に接続した複数のスイッチ素子で構成され電力変換を行う第３変換回路と、
   前記第２トランスの二次巻線に接続され、ダイオードとコンデンサとを並列に接続した複数のスイッチ素子で構成され電力変換を行う第４変換回路と、
   第１電圧又は第２電圧に応じて、前記第１トランスの二次巻線と前記第２トランスの二次巻線とが直列に接続される直列モード又は並列に接続される並列モードになるように前記第３変換回路及び前記第４変換回路の前記複数のスイッチ素子をオンオフさせる制御回路とを備え、
   前記第１変換回路及び前記第２変換回路は、並列に接続され且つ前記第１電圧が供給され、前記第３変換回路及び前記第４変換回路は、前記複数のスイッチ素子の一部を共有して並列に接続され、平滑リアクトルを介して前記第２電圧が供給されることを特徴とする共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。
2. 第５ダイオードを介して前記第１変換回路及び前記第２変換回路に並列に接続される第１巻線と、第１共振スイッチを介して前記第１変換回路及び前記第２変換回路に並列に接続される第２巻線と、第２共振スイッチと共振リアクトルとを介して前記第３変換回路及び前記第４変換回路に並列に接続される第３巻線とを備える共振トランスを備え、
   前記制御回路は、前記第１電圧を前記第２電圧に変換するとき、前記第１変換回路又は前記第２変換回路のスイッチ素子がオンオフするときには、前記第１共振スイッチを所定時間オンさせ、前記第２電圧を前記第１電圧に変換するとき、前記第３変換回路又は前記第４変換回路のスイッチ素子がオンオフするときには、前記第２共振スイッチを所定時間オンさせることを特徴とする請求項１記載の共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。
3. 前記第１変換回路乃至第４変換回路の各々は、スイッチ素子を直列に接続した一方の直列回路とスイッチ素子を直列に接続した他方の直列回路とを並列に接続し、
   前記第１変換回路は、一方の直列回路のスイッチ素子の接続点と他方の直列回路のスイッチ素子の接続点に前記第１トランスの一次巻線が接続され、両方の直列回路の両端に前記第１電圧が供給され、
   前記第２変換回路は、一方の直列回路のスイッチ素子の接続点と他方の直列回路のスイッチ素子の接続点に前記第２トランスの一次巻線が接続され、両方の直列回路の両端に前記第１電圧が供給され、
   前記第３変換回路は、一方の直列回路のスイッチ素子の接続点と他方の直列回路のスイッチ素子の接続点に前記第１トランスの二次巻線が接続され、両方の直列回路の両端に前記第２電圧が供給され、
   前記第４変換回路は、一方の直列回路のスイッチ素子の接続点と他方の直列回路のスイッチ素子の接続点に前記第２トランスの二次巻線が接続され、両方の直列回路の両端に前記第２電圧が供給されることを特徴とする請求項１又は２記載の共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。
4. 前記制御回路は、降圧動作時で且つ前記並列モード時には、前記第１共振スイッチをオンさせて、前記共振トランスに誘起された電圧に基づき前記共振リアクトルと前記コンデンサとにより共振動作させて、前記第１変換回路及び前記第２変換回路の対角をなす前記スイッチ素子をゼロボルトスイッチングさせることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。
5. 前記制御回路は、降圧動作時で且つ前記直列モード時には、前記第１共振スイッチをオンさせて、前記共振トランスに誘起された電圧に基づき前記共振リアクトルと前記コンデンサとにより共振動作させ、前記第１変換回路及び前記第２変換回路の対角をなす前記スイッチ素子をゼロボルトスイッチングさせることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。
6. 前記制御回路は、昇圧動作時で且つ前記並列モード時には、前記第２共振スイッチをオンさせて、前記共振トランスに誘起された電圧に基づき前記共振リアクトルと前記コンデンサとにより共振動作させて、前記第３変換回路及び前記第４変換回路の前記スイッチ素子の全てをゼロボルトスイッチングさせることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。
7. 前記制御回路は、昇圧作時で且つ前記直列モード時には、前記第２共振スイッチをオンさせて、前記共振トランスに誘起された電圧に基づき前記共振リアクトルと前記コンデンサとにより共振動作させ、前記第３変換回路及び前記第４変換回路の前記スイッチ素子の全てをゼロボルトスイッチングさせることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。
8. 前記制御回路は、前記第３変換回路及び前記第４変換回路のスイッチ素子を制御信号のオフデューティの５０％時に、前記直列モードと前記並列モードとの切り替えを行うことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の共振型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ。

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