JP2017212806A - Power conversion circuit - Google Patents

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健一 ▲高▼木
健一 ▲高▼木
Kenichi Takagi
俊太郎 井上
Shuntaro Inoue
俊太郎 井上
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power conversion circuit which has a plurality of input/output ports and which can transmit power between the ports; and which can inhibit unnecessary power transmission by comparatively simple control.SOLUTION: A power conversion circuit comprises a plurality of substrates 20 on which formed are half-bridge circuits 26, and the ungapped cores 22 around each of which a first winding wire connected with the half-bridge circuit 26 on at least one end winds and gapped cores 24 around each of which a second winding wire connected with the half-bridge circuit 26 on at least one end winds, in which the ungapped cores and the gapped cores lie on either sides so as to sandwich the half-bridge circuits 26, and the substrates are stacked in such a manner that the ungapped cores and the gapped cores lie alternately on the right and left. The neighboring two half-bridge circuits in the stacking direction compose an isolated DC/DC converter or a non-isolated DC/DC converter.SELECTED DRAWING: Figure 7

Description

本発明は電力変換回路に関する。   The present invention relates to a power conversion circuit.

従来から、磁気結合リアクトルを利用した電力変換回路が提案されている。   Conventionally, a power conversion circuit using a magnetically coupled reactor has been proposed.

特許文献1には、両側フルブリッジ回路の正負極間と、トランス両側巻線のセンタータップに直流ポートが存在し、1つの回路に合計4つの直流ポートを生成でき、かつ左右のポート間で絶縁された電力伝送が可能なマルチポート回路構成が記載されている。1次側変換回路と2次側変換回路はトランスで磁気結合され、1次側変換回路内の2つの入出力ポートはリアクトルで電気的に接続され、2次側変換回路内の2つの入出力ポートもリアクトルで電気的に接続される。1次側変換回路内及び2次側変換回路内の2つの入出力ポート間の非絶縁電力伝送は、それぞれブリッジ回路を構成する半導体スイッチのオン時間(時比率:デューティ)により制御され、1次側変換回路と2次側変換回路の間の絶縁電力伝送は、両変換回路間の位相差により制御される。   In Patent Document 1, there are DC ports between the positive and negative sides of the full bridge circuit on both sides and the center tap of the windings on both sides of the transformer. A total of four DC ports can be generated in one circuit, and insulation is provided between the left and right ports. A multi-port circuit configuration capable of performing transmitted power is described. The primary side conversion circuit and the secondary side conversion circuit are magnetically coupled by a transformer, and two input / output ports in the primary side conversion circuit are electrically connected by a reactor, and two input / outputs in the secondary side conversion circuit are connected. Ports are also electrically connected by a reactor. Non-insulated power transmission between the two input / output ports in the primary side conversion circuit and the secondary side conversion circuit is controlled by the on-time (duty ratio) of the semiconductor switch constituting the bridge circuit. Insulated power transmission between the side conversion circuit and the secondary side conversion circuit is controlled by the phase difference between the two conversion circuits.

特開2011−193713号公報JP 2011-193713 A

ところで、近年において、ハイブリッド自動車やプラグインハイブリッド自動車等では、燃費改善を目的とした入出力の多様化や、電源モジュール化及び共通化による冗長性向上とコスト削減が求められている。具体的には、12V系補機に加えて電流ストレスが相対的に小さい48V系補機や、太陽光、熱電変換などの各種発電デバイスの搭載による燃費改善、自動運転等を考慮した冗長性向上と部品共有化、定格電圧・電力の異なる車種間での部品共有化等であり、多様な入出力を有する電源システムを、任意にかつ冗長性良く形成することのできる回路構成が求められている。   By the way, in recent years, hybrid vehicles, plug-in hybrid vehicles, and the like have been required to diversify input / output for the purpose of improving fuel efficiency, and to improve redundancy and reduce costs by using power modules and sharing them. Specifically, in addition to 12V auxiliary equipment, 48V auxiliary equipment with relatively low current stress, and various power generation devices such as sunlight and thermoelectric conversion improve fuel efficiency and improve redundancy considering automatic driving. There is a need for a circuit configuration that can form a power supply system with various inputs and outputs arbitrarily and with high redundancy. .

従来のマルチポート回路において、3つ以上のフルブリッジ回路で1つのトランスコアを共通し、相互に励磁しあう構成とすることで、4ポート以上の多入出力電源システムを構成することができる。但し、1つのフルブリッジ回路で励磁された磁束が、トランスコアを共有するその他複数のフルブリッジ回路の巻線に起電圧を生成するので、どれか1つのフルブリッジ回路間の位相差をずらすと、その他複数のフルブリッジ回路間で同時に電力が伝送されてしまう問題がある。   In a conventional multiport circuit, a multi-input / output power supply system with four or more ports can be configured by using a configuration in which one or more transformer cores are shared by three or more full bridge circuits and are mutually excited. However, since the magnetic flux excited by one full bridge circuit generates an electromotive voltage in the windings of other multiple full bridge circuits sharing the transformer core, the phase difference between any one of the full bridge circuits is shifted. In addition, there is a problem that power is simultaneously transmitted between a plurality of full bridge circuits.

図17は、回路1〜回路4の合計4つのフルブリッジ回路が、トランスコアを共有して相互に励磁しあう回路構成を示す。図において、破線Aは4つの回路でトランスコアを共有していることを示す。   FIG. 17 shows a circuit configuration in which a total of four full bridge circuits of circuits 1 to 4 share a transformer core and are mutually excited. In the figure, a broken line A indicates that a transformer core is shared by four circuits.

また、図18は、図17の回路構成における回路1〜回路4のトランス巻線両端電圧を示す。図18(a)は回路1のトランス巻線両端電圧、図18(b)は回路2のトランス巻線両端電圧、図18(c)は回路3のトランス巻線両端電圧、図18(d)は回路4のトランス巻線両端電圧を示す。各回路間の位相差を制御することでトランス両端子間に電位差を生成し電力を伝送する。例えば、回路2の位相を回路1に対して進めると、回路1と回路2との間で電力を伝送することができるが、同時に、回路2と回路3、回路2と回路4との間にも位相差が生じてしまうため、回路2から回路1,3,4に向けて同時に電力が伝送されてしまう。   FIG. 18 shows the voltage across the transformer windings of circuits 1 to 4 in the circuit configuration of FIG. 18 (a) is the voltage across the transformer winding of circuit 1, FIG. 18 (b) is the voltage across the transformer winding of circuit 2, FIG. 18 (c) is the voltage across the transformer winding of circuit 3, and FIG. Indicates the voltage across the transformer winding of circuit 4. By controlling the phase difference between the circuits, a potential difference is generated between both terminals of the transformer to transmit power. For example, when the phase of the circuit 2 is advanced with respect to the circuit 1, power can be transmitted between the circuit 1 and the circuit 2, but at the same time, between the circuit 2 and the circuit 3 and between the circuit 2 and the circuit 4. In this case, a phase difference is generated, so that power is simultaneously transmitted from the circuit 2 toward the circuits 1, 3, and 4.

このような同時電力伝送を抑制するためには、合計n個のフルブリッジ回路間の位相差(n−1)個を同時に変調させる必要があるが、制御が複雑になるとともに、不要な電力伝送が生じると効率が低下してしまう。   In order to suppress such simultaneous power transmission, it is necessary to simultaneously modulate a total of n phase differences (n−1) between the full bridge circuits, but the control becomes complicated and unnecessary power transmission is required. If this occurs, the efficiency will decrease.

本発明の目的は、複数の入出力ポートを有し、ポート間で電力伝送が可能であるとともに、比較的簡易な制御で不要な電力伝送を抑制し得る電力変換回路を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a power conversion circuit that has a plurality of input / output ports, can transmit power between ports, and can suppress unnecessary power transmission with relatively simple control.

本発明は、ハーフブリッジ回路と、ハーフブリッジ回路を挟むように左右にそれぞれ形成される、ハーフブリッジ回路に少なくとも一端が接続された第1の巻線が巻回されたギャップ無しコア、及びハーフブリッジ回路に少なくとも一端が接続された第2の巻線が巻回されたギャップ有りコアとを有する基板が左右互い違いとなるように複数個積層され、積層方向に隣接する2つのハーフブリッジ回路間で絶縁型DC/DCコンバータあるいは非絶縁型DC/DCコンバータを構成する電力変換回路である。   The present invention relates to a half-bridge circuit, a gapless core formed around the half-bridge circuit on the left and right sides and wound with a first winding having at least one end connected to the half-bridge circuit, and a half-bridge A plurality of substrates having a gaped core around which a second winding having at least one end connected to the circuit is wound are stacked so as to be alternately left and right, and insulated between two half-bridge circuits adjacent in the stacking direction. This is a power conversion circuit constituting a type DC / DC converter or a non-insulated DC / DC converter.

本発明の1つの実施形態では、積層方向に隣接する第1の巻線及び第2の巻線の両端がそれぞれのハーフブリッジ回路に接続され、第1の巻線及び第2の巻線が隣接する2つのハーフブリッジ回路を磁気結合するトランスとして動作し、隣接する2つのハーフブリッジ回路間で絶縁型DC/DCコンバータを構成する。   In one embodiment of the present invention, both ends of the first winding and the second winding adjacent in the stacking direction are connected to the respective half-bridge circuits, and the first winding and the second winding are adjacent. The two half bridge circuits operate as a transformer that magnetically couples, and an isolated DC / DC converter is configured between two adjacent half bridge circuits.

本発明の他の実施形態では、ハーフブリッジ回路は、端子間に接続された第1のコンデンサと、第1のコンデンサに並列接続される、互いに直列された2つの半導体スイッチと、2つの半導体スイッチに並列接続される、互いに直列された第2及び第3のコンデンサと、を備え、第1の巻線の一端は、積層方向に隣接する第1及び第2のハーフブリッジ回路のうちの第1のハーフブリッジ回路の2つの半導体スイッチの中点に接続され、他端は第1のハーフブリッジ回路の第2及び第3のコンデンサの中点に接続され、第2の巻線の一端は第2のハーフブリッジ回路の2つの半導体スイッチの中点に接続され、他端は第2のハーフブリッジ回路の第2及び第3のコンデンサの中点に接続される。   In another embodiment of the present invention, the half-bridge circuit includes a first capacitor connected between terminals, two semiconductor switches connected in parallel to each other, and two semiconductor switches connected in parallel to the first capacitor. And a second capacitor and a third capacitor connected in series with each other, and one end of the first winding is the first of the first and second half-bridge circuits adjacent in the stacking direction. Are connected to the midpoint of the two semiconductor switches of the half-bridge circuit, the other end is connected to the midpoint of the second and third capacitors of the first half-bridge circuit, and one end of the second winding is the second Are connected to the midpoint of the two semiconductor switches of the half-bridge circuit, and the other end is connected to the midpoint of the second and third capacitors of the second half-bridge circuit.

本発明のさらに他の実施形態では、積層方向に隣接する2つのハーフブリッジ回路間の位相差を制御する制御回路を備える。   Still another embodiment of the present invention includes a control circuit that controls a phase difference between two half-bridge circuits adjacent in the stacking direction.

本発明のさらに他の実施形態では、積層方向に隣接する第1の巻線及び第2の巻線の他端はそれぞれのハーフブリッジ回路に接続されず、第1の巻線の他端及び第2の巻線の他端は第1の層間接続線で互いに接続され、かつ、隣接する2つのハーフブリッジ回路の負極母線は第2の層間接続線で互いに接続され、第1の巻線及び第2の巻線が隣接する2つのハーフブリッジ回路を接続するリアクトルとして動作し、隣接する2つのハーフブリッジ回路間で非絶縁型DC/DCコンバータを構成する。   In still another embodiment of the present invention, the other ends of the first winding and the second winding adjacent in the stacking direction are not connected to the respective half-bridge circuits, and the other end of the first winding and the second winding are not connected. The other ends of the two windings are connected to each other by a first interlayer connection line, and the negative buses of two adjacent half-bridge circuits are connected to each other by a second interlayer connection line. The two windings operate as a reactor that connects two adjacent half-bridge circuits, and a non-insulated DC / DC converter is configured between the two adjacent half-bridge circuits.

本発明のさらに他の実施形態では、ハーフブリッジ回路は、端子間に接続された第1のコンデンサと、第1のコンデンサに並列接続される、互いに直列された2つの半導体スイッチと、2つの半導体スイッチに並列接続される、互いに直列された第2及び第3のコンデンサとを備え、第1の巻線の一端は、積層方向に隣接する第1及び第2のハーフブリッジ回路のうちの第1のハーフブリッジ回路の2つの半導体スイッチの中点に接続され、第2の巻線の一端は第2のハーフブリッジ回路の2つの半導体スイッチの中点に接続され、第1の巻線及び第2の巻線の他端は層間接続線で互いに接続される。   In yet another embodiment of the present invention, the half-bridge circuit includes a first capacitor connected between the terminals, two semiconductor switches connected in parallel to each other, and two semiconductors connected in parallel to the first capacitor. A second capacitor and a third capacitor connected in series to each other and connected in parallel to each other; one end of the first winding is a first of the first and second half-bridge circuits adjacent in the stacking direction; Are connected to the midpoint of the two semiconductor switches of the half-bridge circuit, and one end of the second winding is connected to the midpoint of the two semiconductor switches of the second half-bridge circuit. The other ends of the windings are connected to each other with an interlayer connection line.

本発明のさらに他の実施形態では、ハーフブリッジ回路は、端子間に接続された第1のコンデンサと、第1のコンデンサに並列接続される、互いに直列された2つの半導体スイッチと、2つの半導体スイッチに並列接続される、互いに直列された第2及び第3のコンデンサとを備え、複数個積層される各基板は、第1の巻線及び第2の巻線の一端がハーフブリッジ回路の2つの半導体スイッチの中点に接続され、第1の巻線及び第2の巻線の他端が第2及び第3のコンデンサの中点に接続される第1の回路構成と、第1の巻線及び第2の巻線の一端がハーフブリッジ回路の2つの半導体スイッチの中点に接続され、第1の巻線及び第2の巻線の他端のいずれか一方が第2及び第3のコンデンサの中点に接続され、いずれか他方がハーフブリッジ回路に接続されない第2の回路構成と、第1の巻線及び第2の巻線の一端がハーフブリッジ回路の2つの半導体スイッチの中点に接続され、第1の巻線及び第2の巻線の他端が第2及び第3のコンデンサの中点に接続されない第3の回路構成のいずれかである。   In yet another embodiment of the present invention, the half-bridge circuit includes a first capacitor connected between the terminals, two semiconductor switches connected in parallel to each other, and two semiconductors connected in parallel to the first capacitor. A plurality of stacked substrates each having a second capacitor and a third capacitor connected in series to each other and connected in parallel to the switch, the first winding and one end of the second winding are two of the half bridge circuit. A first circuit configuration in which the other end of the first winding and the second winding is connected to the middle point of the second and third capacitors; One end of the line and the second winding is connected to the midpoint of the two semiconductor switches of the half bridge circuit, and one of the other ends of the first winding and the second winding is the second and third It is connected to the middle point of the capacitor and either half is half-bridged. The second circuit configuration not connected to the circuit, and the first winding and one end of the second winding are connected to the midpoint of the two semiconductor switches of the half-bridge circuit, and the first winding and the second winding One of the third circuit configurations in which the other end of the line is not connected to the midpoint of the second and third capacitors.

本発明によれば、特定の基板を複数個積層することにより、積層方向に隣接する2つのハーフブリッジ回路間で絶縁型DC/DCコンバータあるいは非絶縁型DC/DCコンバータを構成することができる。積層する基板の個数を増加することで、任意の入出力ポートを追加することが可能であり、要求されるポート数や定格電圧・電力が異なる電源システムに対して、軽微な変更でシステムを構成することができる。また、本発明によれば、基本回路を共通化しているので、部品コストが削減される。   According to the present invention, an insulating DC / DC converter or a non-insulating DC / DC converter can be configured between two half-bridge circuits adjacent in the stacking direction by stacking a plurality of specific substrates. Arbitrary I / O ports can be added by increasing the number of boards to be stacked, and the system can be configured with minor changes to power systems that require different numbers of ports, rated voltage, and power. can do. In addition, according to the present invention, since the basic circuit is shared, the component cost is reduced.

実施形態の基本回路構成図である。It is a basic circuit block diagram of an embodiment. 実施形態の電力変換回路の構成図である。It is a block diagram of the power converter circuit of embodiment. 実施形態の位相差制御説明図である。It is phase difference control explanatory drawing of embodiment. 実施形態の基本回路のレイアウト図(平面図)である。It is a layout figure (plan view) of a basic circuit of an embodiment. 実施形態の基本回路のレイアウト図(断面図)である。It is a layout figure (sectional view) of the basic circuit of an embodiment. 実施形態の基本回路のレイアウト図(斜視図)である。It is a layout figure (perspective view) of the basic circuit of an embodiment. 実施形態の積層構造の断面図である。It is sectional drawing of the laminated structure of embodiment. 実施形態の積層構造の分解斜視図である。It is a disassembled perspective view of the laminated structure of embodiment. 実施形態の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of an embodiment. 他の実施形態の基本回路のレイアウト図(平面図)である。It is a layout diagram (plan view) of a basic circuit of another embodiment. 他の実施形態の積層構造の断面図である。It is sectional drawing of the laminated structure of other embodiment. 他の実施形態の等価回路図である。It is the equivalent circuit schematic of other embodiment. シミュレーション回路図である。It is a simulation circuit diagram. シミュレーション位相差制御説明図である。It is simulation phase difference control explanatory drawing. シミュレーション結果説明図(その1)である。It is simulation result explanatory drawing (the 1). シミュレーション結果説明図(その2)である。It is simulation result explanatory drawing (the 2). 従来回路の構成図である。It is a block diagram of a conventional circuit. 従来回路の位相差説明図である。It is phase difference explanatory drawing of a conventional circuit.

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。本実施形態の電力変換回路は、例えばハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両に搭載され得るが、これに限定されない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Although the power converter circuit of this embodiment can be mounted in electric vehicles, such as a hybrid vehicle and an electric vehicle, for example, it is not limited to this.

まず、本実施形態の基本原理について説明する。   First, the basic principle of this embodiment will be described.

複数のフルブリッジ回路が、トランスコアを共有して相互に励磁しあう回路構成では、多入出力電源システムを構成することができるものの、1つのフルブリッジ回路で励磁された磁束が、トランスコアを共有するその他複数のフルブリッジ回路の巻線に起電圧を生成するので、どれか1つのフルブリッジ回路間の位相差をずらすと、その他複数のフルブリッジ回路間で同時に電力が伝送されてしまう。   In a circuit configuration in which a plurality of full bridge circuits share a transformer core and mutually excite each other, a multi-input / output power supply system can be configured, but the magnetic flux excited by one full bridge circuit Since an electromotive voltage is generated in the windings of a plurality of other full bridge circuits that are shared, if the phase difference between any one of the full bridge circuits is shifted, power is simultaneously transmitted between the other plurality of full bridge circuits.

そこで、本実施形態では、トランスコアを共有して相互に励磁し合う回路構成ではなく、1つの基板にハーフブリッジ回路を備える基本の回路構成を形成し、この基板を複数個積層し、積層方向に隣接する2つのハーフブリッジ回路間で電力伝送を行うようにしたものである。   Therefore, in this embodiment, a basic circuit configuration including a half-bridge circuit is formed on one substrate, not a circuit configuration in which a transformer core is shared and mutually excited, and a plurality of the substrates are stacked and stacked in the stacking direction. Power transmission is performed between two half-bridge circuits adjacent to each other.

基本の回路構成にはコア及びコアに巻回される巻線が形成され、当該巻線とハーフブリッジ回路との接続方法によって、当該巻線はトランス巻線あるいはリアクトル巻線として機能する。積層方向に隣接する2つの巻線がトランス巻線として機能すると、隣接する2つのハーフブリッジ回路はトランス巻線で磁気結合され、非絶縁型DC/DCコンバータとして機能する。隣接する2つのハーフブリッジ回路間の位相差を制御することで、隣接する2つのハーフブリッジ回路間で電力伝送される。このとき、隣接する2つのハーフブリッジ回路のそれぞれのデューティは同一である。他方、積層方向に隣接する2つの巻線がリアクトル巻線として機能すると、隣接する2つのハーフブリッジ回路はリアクトル巻線で電気的に接続され、絶縁型DC/DCコンバータとして機能する。隣接する2つのハーフブリッジ回路間のデューティを制御することで、隣接する2つのハーフブリッジ回路間で電力伝送される。   In the basic circuit configuration, a core and a winding wound around the core are formed, and the winding functions as a transformer winding or a reactor winding depending on a connection method between the winding and the half-bridge circuit. When two windings adjacent in the stacking direction function as a transformer winding, the two adjacent half-bridge circuits are magnetically coupled by the transformer winding and function as a non-insulated DC / DC converter. By controlling the phase difference between two adjacent half-bridge circuits, power is transmitted between the two adjacent half-bridge circuits. At this time, each of the two adjacent half-bridge circuits has the same duty. On the other hand, when two windings adjacent in the stacking direction function as a reactor winding, the two adjacent half-bridge circuits are electrically connected by the reactor winding and function as an insulated DC / DC converter. By controlling the duty between two adjacent half-bridge circuits, power is transmitted between the two adjacent half-bridge circuits.

基本の回路構成を有する基板を任意の数だけ積層することで、隣接する2つのハーフブリッジ回路を任意の数だけ形成することができ、冗長性良く多入出力電源システムが得られる。そして、隣接する2つのハーフブリッジ回路間において磁気/電気結合しているので、どれか1つのハーフブリッジ回路間の位相差をずらせても、その他のハーフブリッジ回路間での電力伝送に影響を与えない。すなわち、隣接する各ハーフブリッジ回路間での電力伝送は、互いに独立した位相差で制御できる。   By stacking an arbitrary number of substrates having a basic circuit configuration, an arbitrary number of two adjacent half-bridge circuits can be formed, and a multi-input / output power supply system with high redundancy can be obtained. In addition, since magnetic / electrical coupling is performed between two adjacent half-bridge circuits, even if the phase difference between any one of the half-bridge circuits is shifted, power transmission between the other half-bridge circuits is affected. Absent. That is, power transmission between adjacent half-bridge circuits can be controlled with mutually independent phase differences.

隣接する2つのハーフブリッジ回路間をトランスで磁気結合して絶縁型DC/DCコンバータを構成する場合、トランスの漏れインダクタンスを所望の値に調整する必要がある。本実施形態では、基本の回路構成として、ハーフブリッジ回路を挟むように2つのコアを形成し、一方はギャップ無しのコアとし、他方はギャップ有りのコアとする。すなわち、基本の回路構成を、
ギャップ無しのコア/ハーフブリッジ回路/ギャップ有りのコア
とし、ギャップ無しのコア及びギャップ有りのコアにそれぞれ巻線を巻回する。これらの基板を複数個積層する際に左右互い違いに積層する。例えば、3個積層された基板を第1、第2、第3基板とすると、第1の基板のギャップ無しのコアと第2の基板のギャップ有りコアとが隣接対向し、第2の基板のギャップ有りのコアと第3の基板のギャップ無しのコアとが隣接対向する。第1の基板のギャップ無しのコアと第2の基板のギャップ有りのコアと第3の基板のギャップ無しのコアはそれぞれ当接して磁気回路が形成され、かつ、第2の基板のコアはギャップ有りのコアであるため、このギャップ長を調整することでトランスの漏れインダクタンスが調整される。
When an insulated DC / DC converter is configured by magnetically coupling two adjacent half-bridge circuits with a transformer, it is necessary to adjust the leakage inductance of the transformer to a desired value. In this embodiment, as a basic circuit configuration, two cores are formed so as to sandwich a half-bridge circuit, and one is a core without a gap and the other is a core with a gap. In other words, the basic circuit configuration
A core without a gap / half-bridge circuit / a core with a gap is formed, and windings are wound around the core without a gap and the core with a gap, respectively. When a plurality of these substrates are stacked, they are stacked alternately on the left and right. For example, if three stacked substrates are first, second, and third substrates, the core without gap of the first substrate and the core with gap of the second substrate are adjacent to each other, and the second substrate A core with a gap and a core without a gap of the third substrate are adjacent to each other. The core without gap of the first substrate, the core with gap of the second substrate and the core without gap of the third substrate are in contact with each other to form a magnetic circuit, and the core of the second substrate is gap Since the core is provided, the leakage inductance of the transformer is adjusted by adjusting the gap length.

以下、本実施形態について具体的に説明する。   Hereinafter, this embodiment will be specifically described.

図1は、本実施形態において用いられる3種類の基本回路の回路構成を示す。図1(A)は基本回路Aの回路構成、図1(B)は基本回路Bの回路構成、図1(C)は基本回路Cの回路構成である。   FIG. 1 shows circuit configurations of three types of basic circuits used in this embodiment. 1A is a circuit configuration of the basic circuit A, FIG. 1B is a circuit configuration of the basic circuit B, and FIG.

基本回路A(10A)は、ハーフブリッジ回路であり、2つの半導体スイッチS1,S2と、3つのコンデンサC1,C2,C3と、2つのトランス片側巻線Tr1,Tr2を有して構成される。正極母線と負極母線の間に2つの半導体スイッチS1,S2が互いに直列に接続される。半導体スイッチS1,S2にはそれぞれダイオードが並列接続される。また、正極母線と負極母線の間にはコンデンサC1、及び互いに直列接続されたコンデンサC2,C3が接続され、2つの半導体スイッチS1,S2の中点と、2つのコンデンサC2,C3の中点との間に2つのトランス片側巻線Tr1,Tr2が接続される。半導体スイッチS1,S2は、例えばMOSトランジスタであるが、これに限定されない。   The basic circuit A (10A) is a half-bridge circuit and includes two semiconductor switches S1 and S2, three capacitors C1, C2, and C3, and two transformer one-side windings Tr1 and Tr2. Two semiconductor switches S1 and S2 are connected in series between the positive bus and the negative bus. A diode is connected in parallel to each of the semiconductor switches S1 and S2. Further, a capacitor C1 and capacitors C2, C3 connected in series with each other are connected between the positive electrode bus and the negative electrode bus, and the midpoint between the two semiconductor switches S1, S2 and the midpoint between the two capacitors C2, C3, Two transformer one-side windings Tr1 and Tr2 are connected between the two. The semiconductor switches S1 and S2 are, for example, MOS transistors, but are not limited thereto.

基本回路B(10B)も、ハーフブリッジ回路であり、2つの半導体スイッチS1,S2と、3つのコンデンサC1,C2,C3と、1つのトランス片側巻線Tr1、1つのリアクトル巻線Re1を有して構成される。正極母線と負極母線の間に2つの半導体スイッチS1,S2が互いに直列に接続される。半導体スイッチS1,S2にはそれぞれダイオードが並列接続される。また、正極母線と負極母線の間にはコンデンサC1、及び互いに直列接続されたコンデンサC2,C3が接続され、2つの半導体スイッチS1,S2の中点と、2つのコンデンサC2,C3の中点との間に1つのトランス片側巻線Tr1が接続され、2つの半導体スイッチS1,S2の中点にリアクトル巻線Re1の一端が接続される。基本回路Aとの相違点は、リアクトル巻線Re1である。   The basic circuit B (10B) is also a half-bridge circuit, and includes two semiconductor switches S1, S2, three capacitors C1, C2, C3, one transformer one-side winding Tr1, and one reactor winding Re1. Configured. Two semiconductor switches S1 and S2 are connected in series between the positive bus and the negative bus. A diode is connected in parallel to each of the semiconductor switches S1 and S2. Further, a capacitor C1 and capacitors C2, C3 connected in series with each other are connected between the positive electrode bus and the negative electrode bus, and the midpoint between the two semiconductor switches S1, S2 and the midpoint between the two capacitors C2, C3, One transformer single-sided winding Tr1 is connected between them, and one end of the reactor winding Re1 is connected to the midpoint between the two semiconductor switches S1 and S2. The difference from the basic circuit A is the reactor winding Re1.

基本回路C(10C)も、ハーフブリッジ回路であり、2つの半導体スイッチS1,S2と、3つのコンデンサC1,C2,C3と、2つのリアクトル巻線Re1,Re2を有して構成される。正極母線と負極母線の間に2つの半導体スイッチS1,S2が互いに直列に接続される。半導体スイッチS1,S2にはそれぞれダイオードが並列接続される。また、正極母線と負極母線の間にはコンデンサC1、及び互いに直列接続されたコンデンサC2,C3が接続され、2つの半導体スイッチS1,S2の中点にリアクトル巻線Re1,Re2の一端が接続される。基本回路Bとの相違点は、リアクトル巻線Re2である。   The basic circuit C (10C) is also a half-bridge circuit, and includes two semiconductor switches S1, S2, three capacitors C1, C2, C3, and two reactor windings Re1, Re2. Two semiconductor switches S1 and S2 are connected in series between the positive bus and the negative bus. A diode is connected in parallel to each of the semiconductor switches S1 and S2. A capacitor C1 and capacitors C2 and C3 connected in series with each other are connected between the positive electrode bus and the negative electrode bus, and one ends of the reactor windings Re1 and Re2 are connected to the midpoints of the two semiconductor switches S1 and S2. The The difference from the basic circuit B is the reactor winding Re2.

本実施形態では、これら3種類の基本回路を、互いに磁気的/電気的に接続することで、任意の直流ポート数を有する多入出力の電力変換回路(電源システム)を構成する。   In this embodiment, these three types of basic circuits are magnetically / electrically connected to each other to constitute a multi-input / output power conversion circuit (power supply system) having an arbitrary number of DC ports.

基本回路A、基本回路B、基本回路Cの組合せは任意であり、基本回路Aのみの組合せ、基本回路Bのみの組合せ、基本回路Cのみの組合せ、基本回路Aと基本回路Bの組合せ、基本回路Aと基本回路Cの組合せ、基本回路Bと基本回路Cの組合せ、基本回路Aと基本回路Bと基本回路Cの組合せ等である。   The combination of the basic circuit A, the basic circuit B, and the basic circuit C is arbitrary, the combination of only the basic circuit A, the combination of only the basic circuit B, the combination of only the basic circuit C, the combination of the basic circuit A and the basic circuit B, the basic These are combinations of circuit A and basic circuit C, combinations of basic circuit B and basic circuit C, combinations of basic circuit A, basic circuit B, and basic circuit C, and the like.

図2は、基本回路A、基本回路B、基本回路Cの組合せの一例を示す。基本回路A〜基本回路Cを全て用いる組合せである。   FIG. 2 shows an example of a combination of the basic circuit A, the basic circuit B, and the basic circuit C. A combination using all of the basic circuits A to C.

回路10は、2つの半導体スイッチS1,S2と3つのコンデンサC1,C2,C3を有するハーフブリッジ回路であり、2つの半導体スイッチS1,S2の中点と2つのコンデンサC2,C3の中点との間にトランス片側巻線Trが接続される。回路10は、基本回路Aのうちの一方のトランス片側巻線が省略された回路であり、基本回路Aと同視できる。   The circuit 10 is a half-bridge circuit having two semiconductor switches S1, S2 and three capacitors C1, C2, C3. The circuit 10 has a midpoint between the two semiconductor switches S1, S2 and a midpoint between the two capacitors C2, C3. A transformer one-side winding Tr is connected between them. The circuit 10 is a circuit in which one transformer one-side winding of the basic circuit A is omitted, and can be regarded as the basic circuit A.

回路10に隣接して基本回路Aとしての回路10Aが回路10に接続される。回路10Aの2つのトランス片側巻線Tr1,Tr2は、回路10のトランス片側巻線Trと磁気結合する。後述の回路11についても同様である。   A circuit 10 </ b> A as a basic circuit A is connected to the circuit 10 adjacent to the circuit 10. The two transformer one-side windings Tr1 and Tr2 of the circuit 10A are magnetically coupled to the transformer one-side winding Tr of the circuit 10. The same applies to the circuit 11 described later.

また、回路10Aに隣接して基本回路Bとしての回路10Bが回路10Aに接続される。回路10Bのトランス片側巻線Tr1は、回路10Aのトランス片側巻線Tr1,Tr2と磁気結合する。   Further, a circuit 10B as a basic circuit B is connected to the circuit 10A adjacent to the circuit 10A. The transformer one-side winding Tr1 of the circuit 10B is magnetically coupled to the transformer one-side windings Tr1 and Tr2 of the circuit 10A.

また、回路10Bに隣接して基本回路Cとしての回路10Cが回路10Bに接続される。回路10Cのリアクトル巻線Re1は、回路10Bのリアクトル巻線Re1として共有される。回路10Bと回路10Cは電気的に接続される。   Further, a circuit 10C as a basic circuit C is connected to the circuit 10B adjacent to the circuit 10B. The reactor winding Re1 of the circuit 10C is shared as the reactor winding Re1 of the circuit 10B. The circuit 10B and the circuit 10C are electrically connected.

回路10,10A,10B,10Cのそれぞれのポートには、負荷や電源が接続される。各回路のポート電圧をそれぞれV1,V2,V3,V4とすると、回路10と回路10A間の位相差を制御することで回路10と回路10A間で電力が伝送される。また、回路10Aと回路10B間の位相差を制御することで回路10Aと回路10B間で電力が伝送される。また、回路10Bと回路10C間の位相差を制御することで回路10Bと回路10C間で電力が伝送される。具体的には、回路10の位相を回路10Aに対して進み位相とすることで回路10から回路10Aに電力が伝送され、逆に、回路10Aの位相を回路10に対して進み位相とすることで回路10Aから回路10に電力が伝送される。   A load or a power source is connected to each port of the circuits 10, 10A, 10B, and 10C. Assuming that the port voltages of the circuits are V1, V2, V3, and V4, respectively, power is transmitted between the circuit 10 and the circuit 10A by controlling the phase difference between the circuit 10 and the circuit 10A. Moreover, electric power is transmitted between the circuit 10A and the circuit 10B by controlling the phase difference between the circuit 10A and the circuit 10B. Further, power is transmitted between the circuit 10B and the circuit 10C by controlling the phase difference between the circuit 10B and the circuit 10C. Specifically, power is transmitted from the circuit 10 to the circuit 10A by setting the phase of the circuit 10 to the leading phase with respect to the circuit 10A, and conversely, the phase of the circuit 10A is set to the leading phase with respect to the circuit 10. Thus, power is transmitted from the circuit 10A to the circuit 10.

同様にして、任意の数だけ直流ポートを追加することができる。図では、回路10Cに隣接して基本回路Bとしての回路10Bが回路10Cに接続、さらにこの回路10Bに隣接して回路10と同様の回路構成の回路11が回路10Bに接続される。回路10Bのリアクトル巻線Re1は回路10Cのリアクトル巻線Re2として共有され電気的に接続される。また、回路10Bのトランス片側巻線Tr1は、回路11のトランス片側巻線Trと磁気結合する。回路10B,回路11のポート電圧をそれぞれVn−1、Vnとすると、回路10Bと回路11間の位相差を制御することで回路10Bと回路11間で電力が伝送される。   Similarly, any number of direct current ports can be added. In the figure, a circuit 10B as a basic circuit B is connected to the circuit 10C adjacent to the circuit 10C, and a circuit 11 having the same circuit configuration as that of the circuit 10 is connected to the circuit 10B adjacent to the circuit 10B. The reactor winding Re1 of the circuit 10B is shared and electrically connected as the reactor winding Re2 of the circuit 10C. The transformer one-side winding Tr1 of the circuit 10B is magnetically coupled to the transformer one-side winding Tr of the circuit 11. When the port voltages of the circuit 10B and the circuit 11 are Vn−1 and Vn, respectively, power is transmitted between the circuit 10B and the circuit 11 by controlling the phase difference between the circuit 10B and the circuit 11.

図2の回路では、回路10と回路10A、回路10Aと回路10B、回路10Bと回路11のように隣接する回路が磁気的に接続されているので、隣接する回路間の電力を互いに独立した位相差で制御することができる。   In the circuit of FIG. 2, since adjacent circuits such as the circuit 10 and the circuit 10A, the circuit 10A and the circuit 10B, and the circuit 10B and the circuit 11 are magnetically connected, the power between the adjacent circuits is independent from each other. It can be controlled by phase difference.

図3は、電力伝送を制御するための位相差算出ロジックを示す。図2の回路において各回路間で電力伝送を制御する制御回路のロジックである。制御回路は、CPU、ROM、RAM、及び入出力インタフェースを備えるマイコンで構成し得る。制御回路は、各回路におけるハーフブリッジ回路の2つの半導体スイッチのスイッチング制御を行うべく、各回路間の位相差指令を算出する。位相差は、磁気結合された2つのハーフブリッジ回路のスイッチング周期の位相差であり、トランス巻線の両端電圧波形の位相差である(図18参照)。回路10と回路10A間の電力伝送のための位相差指令値φ1,2は、回路10Aの電圧指令値V2と電圧V2との偏差から、比例ゲイン及び積分ゲインを用いたPI(比例積分)制御により算出される。回路10Aと回路10B間の電力伝送のための位相差指令値φ2,3は、回路10Bの電圧指令値V3と電圧V3との偏差から、比例ゲイン及び積分ゲインを用いたPI制御により算出される。同様に、回路10Bと回路11間の電力伝送のための位相差指令値φn−1,nは、回路11の電圧指令値Vnと電圧Vnとの偏差から、比例ゲイン及び積分ゲインを用いたPI制御により算出される。ここで、アスタリスク(*)は、指令値であることを示す。 FIG. 3 shows phase difference calculation logic for controlling power transmission. It is the logic of the control circuit which controls electric power transmission between each circuit in the circuit of FIG. The control circuit can be composed of a CPU, ROM, RAM, and a microcomputer having an input / output interface. The control circuit calculates a phase difference command between the circuits in order to perform switching control of the two semiconductor switches of the half bridge circuit in each circuit. The phase difference is a phase difference between switching periods of two magnetically coupled half-bridge circuits, and is a phase difference between voltage waveforms at both ends of the transformer winding (see FIG. 18). The phase difference command values φ1, 2 * for power transmission between the circuit 10 and the circuit 10A are obtained from the deviation between the voltage command value V2 * and the voltage V2 of the circuit 10A by PI (proportional integration) using a proportional gain and an integral gain. ) Calculated by control. Phase difference command value for the power transmission between circuit 10A and the circuit 10B φ2,3 * from the deviation between the voltage command value V3 * and the voltage V3 of the circuit 10B, calculates the PI control using the proportional gain and the integral gain Is done. Similarly, the phase difference command value φn−1, n * for power transmission between the circuit 10B and the circuit 11 uses a proportional gain and an integral gain from the deviation between the voltage command value Vn * of the circuit 11 and the voltage Vn. It is calculated by the PI control. Here, an asterisk (*) indicates a command value.

なお、制御回路は、複数のCPUで構成されて各CPUが分担処理してもよく、あるいは制御回路の機能の一部を専用のハードウェアで実現してもよい。   The control circuit may be constituted by a plurality of CPUs and each CPU may perform shared processing, or a part of the functions of the control circuit may be realized by dedicated hardware.

次に、基本回路A〜基本回路Cを組み合わせる具体的な構成について説明する。図2を例にとると、回路10と回路10Aはトランス片側巻線Tr,Tr1,Tr2により磁気的に接続されて電力伝送するので、絶縁型DC/DCコンバータが形成されている。回路10Aと回路10Bについても同様である。他方、回路10Bと回路10Cはリアクトル巻線Re1により電気的に接続されて電力伝送するので、非絶縁型DC/DCコンバータが形成されている。従って、基本回路A〜基本回路Cを組み合わせて任意の直流ポート数を有する多入出力の電力変換回路(電源システム)を構成するためには、これら絶縁型DC/DCコンバータと非絶縁型DC/DCコンバータを簡易かつ効率的に形成する必要がある。   Next, a specific configuration in which the basic circuit A to the basic circuit C are combined will be described. Taking FIG. 2 as an example, the circuit 10 and the circuit 10A are magnetically connected by the transformer one-side windings Tr, Tr1, Tr2, and transmit power, so that an insulated DC / DC converter is formed. The same applies to the circuit 10A and the circuit 10B. On the other hand, since the circuit 10B and the circuit 10C are electrically connected by the reactor winding Re1 and transmit power, a non-insulated DC / DC converter is formed. Therefore, in order to construct a multi-input / output power conversion circuit (power supply system) having an arbitrary number of DC ports by combining the basic circuit A to the basic circuit C, these isolated DC / DC converter and non-isolated DC / DC It is necessary to form a DC converter simply and efficiently.

図4〜図6は、本実施形態で用いられる基本回路のレイアウトを示す。図4は平面図、図5は断面図、図6は斜視図である。   4 to 6 show layouts of basic circuits used in the present embodiment. 4 is a plan view, FIG. 5 is a cross-sectional view, and FIG. 6 is a perspective view.

矩形状の基板20の一面側(これを表面側とする)に、ギャップ無しコア22及びギャップ有りコア24が形成され、ギャップ無しコア22とギャップ有りコア24の間にハーフブリッジ回路26が形成される。ハーフブリッジ回路26は、既述したように、2つの半導体スイッチS1,S2及び3つのコンデンサC1,C2,C3を備える。また、基板20の他面側(これを裏面側とする)に、ギャップ無しコア22及びギャップ有りコア24の脚部がそれぞれ形成される。基板20の裏面側であってギャップ無しコア22の脚部には巻線28が巻回され、ギャップ有りコア24の脚部には巻線30が巻回される。巻線28の一端は、2つの半導体スイッチS1,S2の中点に接続され、他端はコンデンサC2,C3の中点に接続される。また、巻線30の一端も、2つの半導体スイッチS1,S2の中点に接続され、他端はコンデンサC2,C3の中点に接続される。従って、図4〜図6に示された基本回路のレイアウトは、巻線28,30がトランス片側巻線Tr1,Tr2として機能すると、図1の基本回路Aを実現し得る。   A gapless core 22 and a gapd core 24 are formed on one side of the rectangular substrate 20 (this is the front side), and a half bridge circuit 26 is formed between the gapless core 22 and the gapd core 24. The As described above, the half-bridge circuit 26 includes two semiconductor switches S1, S2 and three capacitors C1, C2, C3. In addition, the leg portions of the core 22 with no gap and the core 24 with gap are formed on the other surface side of the substrate 20 (this is the back surface side). A winding 28 is wound around the leg of the core 22 without gap on the back side of the substrate 20, and a winding 30 is wound around the leg of the core 24 with gap. One end of the winding 28 is connected to the midpoint of the two semiconductor switches S1, S2, and the other end is connected to the midpoint of the capacitors C2, C3. One end of the winding 30 is also connected to the midpoint of the two semiconductor switches S1, S2, and the other end is connected to the midpoint of the capacitors C2, C3. Therefore, the layout of the basic circuit shown in FIGS. 4 to 6 can realize the basic circuit A of FIG. 1 when the windings 28 and 30 function as the transformer single-side windings Tr1 and Tr2.

他方、巻線28とハーフブリッジ回路26との接点32を切り離すことで、巻線28はリアクトル巻線Re1として機能し得る。このとき、図4〜図6に示された基本回路のレイアウトは、図1の基本回路Bを実現し得る。   On the other hand, by separating the contact 32 between the winding 28 and the half-bridge circuit 26, the winding 28 can function as the reactor winding Re1. At this time, the layout of the basic circuit shown in FIGS. 4 to 6 can realize the basic circuit B of FIG.

また、巻線28とハーフブリッジ回路26との接点32及び巻線30とハーフブリッジ回路26との接点34を切り離すことで、巻線28及び巻線30はリアクトル巻線Re1,Re2として機能し得る。このとき、図4〜図6に示された基本回路のレイアウトは、図1の基本回路Cを実現し得る。   Further, by separating the contact 32 between the winding 28 and the half-bridge circuit 26 and the contact 34 between the winding 30 and the half-bridge circuit 26, the winding 28 and the winding 30 can function as the reactor windings Re1 and Re2. . At this time, the layout of the basic circuit shown in FIGS. 4 to 6 can realize the basic circuit C of FIG.

図7及び図8は、基本回路のレイアウトを複数層積層した構成例を示す。図7は断面図、図8は分解斜視図である。   7 and 8 show configuration examples in which a plurality of basic circuit layouts are stacked. 7 is a sectional view, and FIG. 8 is an exploded perspective view.

1層目に基本回路のレイアウトを配置し、2層目は1層目の裏面側と2層目の表面側が対向するように、かつ、1層目のギャップ無しコア22と2層目のギャップ有りコア24が対向し、1層目のギャップ有りコア24と2層目のギャップ有りコア24が対向するように積層する。つまり、1層目と2層目は、基板20の長手方向を左右方向とした場合に、左右が逆になるように積層する。従って、1層目のギャップ無しコア22の裏面側の脚部は2層目のギャップ有りコア24の表面に当接し、1層目のギャップ有りコア24の裏面側の脚部は2層目のギャップ無しコア22の表面に当接する。また、3層目は、1層目と同じ向きに積層する。すなわち、3層目は2層目の裏面側と3層目の表面側が対向するように、かつ、2層目のギャップ無しコア22と3層目のギャップ有りコア24が対向し、2層目のギャップ有りコア24と3層目のギャップ有りコア24が対向するように積層する。つまり、2層目と3層目は、左右が逆になるように積層する。2層目のギャップ無しコア22の裏面側の脚部は3層目のギャップ有りコア24の表面に当接し、2層目のギャップ有りコア24の裏面側の脚部は3層目のギャップ無しコア22の表面に当接する。4層目は2層目と同じ向きに積層する。以下、同様にして、n−1層とn層を左右が逆になるように積層する。   The basic circuit layout is arranged in the first layer, the second layer is such that the back side of the first layer and the front side of the second layer are opposed to each other, and the no-gap core 22 in the first layer and the gap in the second layer The stacked cores 24 are laminated so that the cores with the gaps 24 face each other and the cores with gaps in the first layer and the cores with gaps in the second layer face each other. That is, the first layer and the second layer are laminated so that the left and right are reversed when the longitudinal direction of the substrate 20 is the left and right direction. Accordingly, the leg on the back side of the first gapless core 22 is in contact with the surface of the second layer with gap 24 and the leg on the back side of the first layer with gap 24 is in the second layer. It abuts against the surface of the core 22 without a gap. The third layer is laminated in the same direction as the first layer. That is, in the third layer, the back surface side of the second layer and the front surface side of the third layer face each other, and the core 22 with no gap in the second layer and the core 24 with gap in the third layer face each other. The gap-provided core 24 and the third-layer gap-provided core 24 are laminated so as to face each other. That is, the second and third layers are laminated so that the left and right sides are reversed. The leg on the back side of the second gapless core 22 is in contact with the surface of the core 24 with the gap of the third layer, and the leg on the back side of the core 24 with the gap of the second layer has no gap on the third layer. It contacts the surface of the core 22. The fourth layer is laminated in the same direction as the second layer. In the same manner, the n-1 layer and the n layer are laminated so that the left and right sides are reversed.

4層目のギャップ無しコア22と5層目のギャップ有りコア24の部分40に着目すると、4層目のギャップ無しコア22の脚部に巻回された巻線28はトランス片側巻線Tr1として機能し、この4層目のギャップ無しコア22に対向して当接された5層目のギャップ有りコア24の脚部に巻回された巻線30もトランス片側巻線Tr2として機能するから、これらは図2における回路10と回路10Aとの磁気結合回路、あるいは回路10A同士の磁気結合回路として機能する。   When attention is paid to the portion 40 of the fourth-layer gapless core 22 and the fifth-layer gapless core 24, the winding 28 wound around the leg portion of the fourth-layer gapless core 22 is a transformer one-side winding Tr1. Since the winding 30 wound around the leg portion of the fifth layer gapd core 24 that is opposed to the fourth layer gapless core 22 also functions as the transformer one-side winding Tr2. These function as a magnetic coupling circuit between the circuit 10 and the circuit 10A in FIG. 2 or as a magnetic coupling circuit between the circuits 10A.

図9は、4層目と5層目の部分40(図7を参照)の等価回路を示す。4層目のハーフブリッジ回路26に巻線28からなるトランス片側巻線Tr1が接続され、5層目のハーフブリッジ回路26に巻線30からなるトランス片側巻線Tr2が接続され、これらがトランスを形成して4層目と5層目の間で絶縁型DC/DCコンバータが形成される。すなわち、4層目のギャップ無しコア22と5層目のギャップ有りコア24と6層目のギャップ無しコア22が互いに当接しこれらのコア同士で磁気回路が形成され、4層目の巻線28と5層目の巻線30がトランスを構成する。5層目のギャップ有りコア24のギャップ長を調整することで、トランスの漏れインダクタンス量を調整することができる。   FIG. 9 shows an equivalent circuit of the fourth and fifth layer portions 40 (see FIG. 7). The transformer half-side winding Tr1 consisting of the winding 28 is connected to the fourth-layer half-bridge circuit 26, and the transformer half-side winding Tr2 consisting of the winding 30 is connected to the fifth-layer half-bridge circuit 26. An insulated DC / DC converter is formed between the fourth and fifth layers. That is, the fourth-layer gapless core 22, the fifth-layer gapless core 24, and the sixth-layer gapless core 22 come into contact with each other to form a magnetic circuit, and the fourth-layer winding 28. The fifth layer of winding 30 constitutes a transformer. By adjusting the gap length of the fifth layer gapd core 24, the amount of leakage inductance of the transformer can be adjusted.

図10及び図11は、基本回路のレイアウトを複数層積層した他の構成例を示す。図10は平面図、図11は断面図である。   10 and 11 show another configuration example in which a plurality of basic circuit layouts are stacked. 10 is a plan view, and FIG. 11 is a cross-sectional view.

図10は、2層目及び3層目の基本回路のレイアウト図である。2層目において、巻線28とハーフブリッジ回路26との接点32において巻線28を切り離す。また、3層目において、巻線30とハーフブリッジ回路26との接点34において巻線30を切り離す。そして、2層目の巻線28と3層目の巻線30を層間接続線36で接続するとともに、2層目の負極と3層目の負極を層間接続線38で接続する。   FIG. 10 is a layout diagram of the basic circuits of the second and third layers. In the second layer, the winding 28 is disconnected at the contact 32 between the winding 28 and the half-bridge circuit 26. In the third layer, the winding 30 is cut off at the contact 34 between the winding 30 and the half-bridge circuit 26. Then, the second layer winding 28 and the third layer winding 30 are connected by an interlayer connection line 36, and the second layer negative electrode and the third layer negative electrode are connected by an interlayer connection line 38.

図11において、2層目のギャップ無しコア22の裏面側の脚部と、3層目のギャップ有りコア24の表面が当接する。但し、2層目のギャップ無しコア22の裏面側の脚部の一方にリアクトル用ギャップ42を形成し、3層目のギャップ有りコア24との間にスペース(ギャップ)を形成する。2層目のギャップ無しコア22の脚部に巻回された巻線28の一端と、3層目のギャップ有りコア24の脚部に巻回された巻線30の一端は、層間接続線36で接続される。2層目の巻線28の他端は2層目のハーフブリッジ回路26の半導体スイッチS1,S2の中点に接続され、3層目の巻線30の他端は3層目のハーフブリッジ回路26の半導体スイッチS1,S2の中点に接続される。   In FIG. 11, the leg part on the back surface side of the second gapless core 22 and the surface of the third layer gapd core 24 abut. However, a reactor gap 42 is formed on one of the legs on the back side of the second-layer gapless core 22, and a space (gap) is formed between the third-layer gap-provided core 24. One end of the winding 28 wound around the leg portion of the second gapless core 22 and one end of the winding 30 wound around the leg portion of the third layer gapd core 24 are connected to the interlayer connection line 36. Connected with. The other end of the second layer winding 28 is connected to the midpoint of the semiconductor switches S1 and S2 of the second layer half bridge circuit 26, and the other end of the third layer winding 30 is the third layer half bridge circuit. It is connected to the midpoint of 26 semiconductor switches S1, S2.

図12は、図11における2層目と3層目の部分50の等価回路を示す。2層目のハーフブリッジ回路26に巻線28からなるリアクトル巻線Re1が接続され、3層目のハーフブリッジ回路26に巻線30からなるリアクトル巻線Re1が接続され、2層目の負極母線と3層目の負極母線は層間接続線38で接続される。これらにより2層目と3層目の間で非絶縁型DC/DCコンバータが形成される。   FIG. 12 shows an equivalent circuit of the second and third layer portions 50 in FIG. Reactor winding Re1 consisting of winding 28 is connected to second-layer half-bridge circuit 26, and reactor winding Re1 consisting of winding 30 is connected to third-layer half-bridge circuit 26, and second-layer negative electrode bus And the negative electrode bus of the third layer are connected by an interlayer connection line 38. As a result, a non-insulated DC / DC converter is formed between the second layer and the third layer.

以上のようにして、基本回路のレイアウトを複数層積層することで、上下に隣接する層間において図9に示すような絶縁型DC/DCコンバータ、及び図12に示すような非絶縁型DC/DCコンバータが実現する。図9は、回路10Aと回路10Bの間等の磁気的接続に相当し、図12は、回路10Bと回路10Cの間等の電気的接続に相当する。従って、基本回路のレイアウトを複数層積層し、適宜、層間接続線で接続することで、図2に示す回路構成が実現する。   As described above, by laminating a plurality of layers of the basic circuit layout, an insulation type DC / DC converter as shown in FIG. 9 and a non-insulation type DC / DC as shown in FIG. A converter is realized. 9 corresponds to a magnetic connection such as between the circuit 10A and the circuit 10B, and FIG. 12 corresponds to an electrical connection such as between the circuit 10B and the circuit 10C. Therefore, the circuit configuration shown in FIG. 2 is realized by laminating a plurality of layers of the basic circuit layout and appropriately connecting them with interlayer connection lines.

次に、本実施形態のコンピュータシミュレーション結果を示す。図13は、シミュレーションに用いた回路構成を示す。回路10に回路10Aが磁気的に接続され、回路10Aに第2の回路10Aが磁気的に接続され、第2の回路10Aに回路11が磁気的に接続される絶縁型DC/DCコンバータの例である。回路10Aは基本回路Aの構成であり、回路10,11も既述したように基本回路Aと同視できる構成であるから、図13は基本回路Aを4つ磁気的に接続した例である。回路10の端子間電圧をV1in、回路10Aの端子間電圧をV2out、第2の回路10Aの端子間電圧をV3out、回路11の端子間電圧をV4outとし、回路10に電源を接続し、回路10A、第2の回路10A、回路11から負荷を引くシミュレーションを実施した。   Next, the computer simulation result of this embodiment is shown. FIG. 13 shows a circuit configuration used for the simulation. An example of an isolated DC / DC converter in which the circuit 10A is magnetically connected to the circuit 10, the second circuit 10A is magnetically connected to the circuit 10A, and the circuit 11 is magnetically connected to the second circuit 10A. It is. Since the circuit 10A has the configuration of the basic circuit A, and the circuits 10 and 11 can be equated with the basic circuit A as described above, FIG. 13 shows an example in which four basic circuits A are magnetically connected. The inter-terminal voltage of the circuit 10 is V1in, the inter-terminal voltage of the circuit 10A is V2out, the inter-terminal voltage of the second circuit 10A is V3out, the inter-terminal voltage of the circuit 11 is V4out, the power supply is connected to the circuit 10 and the circuit 10A A simulation of pulling a load from the second circuit 10A and the circuit 11 was performed.

図14は、回路10と回路10A間の位相差φ1,2、回路10Aと第2の回路10A間の位相差φ2,3、第2の回路10Aと回路11間の位相差φ3,4の算出ロジックを示す。位相差φ1,2は、回路10Aの電圧指令値V2と電圧V2(V2out)の差分をPI制御して算出される。他の位相差についても同様である。 Figure 14 is a phase difference between the circuit 10 and the circuit 10A Fai1,2 *, the phase difference between the circuit 10A and the second circuit 10A Fai2,3 *, the phase difference between the second circuit 10A and the circuit 11 Fai3,4 The calculation logic of * is shown. The phase difference φ1, 2 * is calculated by PI control of the difference between the voltage command value V2 and the voltage V2 (V2out) of the circuit 10A. The same applies to other phase differences.

図15は、シミュレーションの結果を示す。回路10A、第2の回路10A、回路11の負荷をそれぞれP2,P3,P4とし、それぞれの回路の負荷、出力電圧、位相差指令の時間変化を示す。負荷P2は、期間Iで増大し、期間II、IIIで一定となる。負荷P3は、期間I,IIでゼロ、期間IIIで増大し、期間IV,Vで一定となる。負荷P4は、期間I〜IVでゼロ、期間Vで増大し、期間VIで一定となる。出力電圧は、回路10A、第2の回路10B、回路11のポート出力電圧である。位相差指令は、回路10と回路10Aの間の位相差指令φ1,2、回路10Aと第2の回路10Aの間の位相差指令φ2,3、第2の回路10Aと回路11の間の位相差指令φ3,4である。 FIG. 15 shows the result of the simulation. The loads of the circuit 10A, the second circuit 10A, and the circuit 11 are P2, P3, and P4, respectively, and the time changes of the load, output voltage, and phase difference command of each circuit are shown. The load P2 increases in the period I and becomes constant in the periods II and III. The load P3 is zero in the periods I and II, increases in the period III, and becomes constant in the periods IV and V. The load P4 is zero in the periods I to IV, increases in the period V, and becomes constant in the period VI. The output voltage is a port output voltage of the circuit 10A, the second circuit 10B, and the circuit 11. Phase difference command the phase difference command Fai1,2 * between circuit 10 and circuit 10A, the circuit 10A and the phase difference command Fai2,3 * between the second circuit 10A, during the second circuit 10A and the circuit 11 Phase difference command φ3, 4 * .

また、図16は、図15のあるタイミング(20.00msec)近傍での回路10、回路10A、第2の回路10A、回路11のトランス両端電圧及びトランス電流の時間変化を示す。回路10のトランス両端電圧及びトランス電流をV1及びi1、回路10Aのトランス両端電圧及びトランス電流をV2及びi2、第2の回路10Aのトランス両端電圧及びトランス電流をV3及びi3、回路11のトランス両端電圧及びトランス電流をV4及びi4とする。回路10のトランス両端電圧V1に対し、V2,V3,V4がこの順に大きな遅れ量を持って位相差が存在する。これは、このタイミングにおける図15の位相差指令の大小関係からも明らかである。   FIG. 16 shows temporal changes of the voltage across the transformer and the transformer current of the circuit 10, the circuit 10A, the second circuit 10A, and the circuit 11 near the certain timing (20.00 msec) in FIG. The voltage across the transformer and the transformer current of the circuit 10 are V1 and i1, the voltage across the transformer of the circuit 10A and the transformer current are V2 and i2, the voltage across the transformer and the transformer current of the second circuit 10A are V3 and i3, and the transformer across the circuit 11 Let the voltage and transformer current be V4 and i4. There is a phase difference between V2, V3, and V4 with a large delay amount in this order with respect to the voltage V1 across the transformer of the circuit 10. This is also apparent from the magnitude relationship of the phase difference commands in FIG. 15 at this timing.

期間Iでは、回路10Aの負荷P2が増加し、回路10Aの出力電圧V2outを一定に保つように位相差φ1,2が増加する。 In the period I, the load P2 of the circuit 10A increases, and the phase difference φ1, 2 * increases so as to keep the output voltage V2out of the circuit 10A constant.

期間IIでは、回路10Aの負荷P2は一定であり、位相差φ1,2も一定である。 In the period II, the load P2 of the circuit 10A is constant, and the phase differences φ1, 2 * are also constant.

期間IIIでは、第2の回路10Aの負荷P3が増加し、第2の回路10Aの出力電圧V3outを一定に保つように位相差φ2,3が増加する。また、負荷P3は、回路10Aを介して回路10から第2の回路10Aに供給されるため、位相差φ1,2も合わせて増加する。 In the period III, the load P3 of the second circuit 10A increases, and the phase difference φ2, 3 * increases so as to keep the output voltage V3out of the second circuit 10A constant. Since the load P3 is supplied from the circuit 10 to the second circuit 10A via the circuit 10A, the phase difference φ1, 2 * also increases.

期間Vでは、回路11の負荷P4が増加し、回路11の出力電圧Vout4を一定に保つように位相差φ3,4が増加する。また、負荷P4は、回路10A、第2の回路10Aを介して回路10から回路11に供給されるため、位相差φ1,2及び位相差φ2,3も合わせて増加する。結局、位相差φ1,2、φ2,3、φ3,4が増加する。 In the period V, the load P4 of the circuit 11 increases, and the phase difference φ3, 4 * increases so as to keep the output voltage Vout4 of the circuit 11 constant. Since the load P4 is supplied from the circuit 10 to the circuit 11 via the circuit 10A and the second circuit 10A, the phase differences φ1, 2 * and the phase differences φ2, 3 * also increase. After all, the phase difference φ1,2 *, φ2,3 *, φ3,4 * is increased.

各期間における負荷変動(P2,P3,P4の増大)において、各回路の出力電圧V2out、V3out、V4outは一定に保たれており、簡易な位相差制御だけで電力伝送を行うことができ、かつ、位相差φ1,2*を増加させると第2の回路10Aあるいは回路11に不要な電力が伝送されてしまうことはなく、不要な電力伝送を抑制できる。   In the load fluctuation (increase in P2, P3, P4) in each period, the output voltages V2out, V3out, V4out of each circuit are kept constant, power can be transmitted only by simple phase difference control, and When the phase difference φ1, 2 * is increased, unnecessary power is not transmitted to the second circuit 10A or the circuit 11, and unnecessary power transmission can be suppressed.

10A,10B,10C 基本回路、20 基板、22 ギャップ無しコア、24 ギャップ有りコア、26 ハーフブリッジ回路、28 巻線(ギャップ無しコア側)、30 巻線(ギャップ有りコア側)、32,34 接点、36,38 層間接続線、40,50 積層構造の部分。   10A, 10B, 10C Basic circuit, 20 substrates, 22 no gap core, 24 gap core, 26 half bridge circuit, 28 windings (no gap core side), 30 windings (gap core side), 32, 34 contacts , 36, 38 Interlayer connection lines, 40, 50 Layered structure.

Claims (7)

ハーフブリッジ回路と、
ハーフブリッジ回路を挟むように左右にそれぞれ形成される、ハーフブリッジ回路に少なくとも一端が接続された第1の巻線が巻回されたギャップ無しコア、及びハーフブリッジ回路に少なくとも一端が接続された第2の巻線が巻回されたギャップ有りコアと、
を有する基板が左右互い違いとなるように複数個積層され、積層方向に隣接する2つのハーフブリッジ回路間で絶縁型DC/DCコンバータあるいは非絶縁型DC/DCコンバータを構成する電力変換回路。
Half-bridge circuit,
A gapless core formed by winding a first winding having at least one end connected to the half bridge circuit, and a first bridge having at least one end connected to the half bridge circuit. A core with a gap in which two windings are wound;
A power conversion circuit in which a plurality of substrates are stacked so that left and right are alternately arranged, and an insulated DC / DC converter or a non-insulated DC / DC converter is configured between two half-bridge circuits adjacent in the stacking direction.
請求項1に記載の電力変換回路において、
積層方向に隣接する第1の巻線及び第2の巻線の両端がそれぞれのハーフブリッジ回路に接続され、第1の巻線及び第2の巻線が隣接する2つのハーフブリッジ回路を磁気結合するトランスとして動作し、隣接する2つのハーフブリッジ回路間で絶縁型DC/DCコンバータを構成する電力変換回路。
The power conversion circuit according to claim 1,
Both ends of the first winding and the second winding adjacent to each other in the stacking direction are connected to the respective half bridge circuits, and the two half bridge circuits adjacent to the first winding and the second winding are magnetically coupled. A power conversion circuit that operates as a transformer that forms an isolated DC / DC converter between two adjacent half-bridge circuits.
請求項2に記載の電力変換回路において、
ハーフブリッジ回路は、
端子間に接続された第1のコンデンサと、
第1のコンデンサに並列接続される、互いに直列された2つの半導体スイッチと、
2つの半導体スイッチに並列接続される、互いに直列された第2及び第3のコンデンサと、
を備え、
第1の巻線の一端は、積層方向に隣接する第1及び第2のハーフブリッジ回路のうちの第1のハーフブリッジ回路の2つの半導体スイッチの中点に接続され、他端は第1のハーフブリッジ回路の第2及び第3のコンデンサの中点に接続され、第2の巻線の一端は第2のハーフブリッジ回路の2つの半導体スイッチの中点に接続され、他端は第2のハーフブリッジ回路の第2及び第3のコンデンサの中点に接続される電力変換回路。
The power conversion circuit according to claim 2,
Half-bridge circuit
A first capacitor connected between the terminals;
Two semiconductor switches in series with each other connected in parallel to the first capacitor;
A second and a third capacitor in series with each other, connected in parallel to the two semiconductor switches;
With
One end of the first winding is connected to the midpoint of two semiconductor switches of the first half-bridge circuit of the first and second half-bridge circuits adjacent in the stacking direction, and the other end is the first One end of the second winding is connected to the middle point of the two semiconductor switches of the second half bridge circuit, and the other end is connected to the second point. A power conversion circuit connected to the midpoint of the second and third capacitors of the half-bridge circuit.
請求項2,3のいずれかに記載の電力変換回路において、
積層方向に隣接する2つのハーフブリッジ回路間の位相差を制御する制御回路
を備える電力変換回路。
In the power converter circuit according to any one of claims 2 and 3,
A power conversion circuit comprising a control circuit that controls a phase difference between two half-bridge circuits adjacent in the stacking direction.
請求項1に記載の電力変換回路において、
積層方向に隣接する第1の巻線及び第2の巻線の他端はそれぞれのハーフブリッジ回路に接続されず、第1の巻線の他端及び第2の巻線の他端は第1の層間接続線で互いに接続され、かつ、隣接する2つのハーフブリッジ回路の負極母線は第2の層間接続線で互いに接続され、第1の巻線及び第2の巻線が隣接する2つのハーフブリッジ回路を接続するリアクトルとして動作し、隣接する2つのハーフブリッジ回路間で非絶縁型DC/DCコンバータを構成する電力変換回路。
The power conversion circuit according to claim 1,
The other ends of the first winding and the second winding adjacent to each other in the stacking direction are not connected to the respective half-bridge circuits, and the other end of the first winding and the other end of the second winding are the first. Are connected to each other by two interlayer connection lines, and the negative buses of two adjacent half-bridge circuits are connected to each other by a second interlayer connection line, and the first and second windings are adjacent to each other. A power conversion circuit that operates as a reactor for connecting a bridge circuit and constitutes a non-insulated DC / DC converter between two adjacent half-bridge circuits.
請求項5に記載の電力変換回路において、
ハーフブリッジ回路は、
端子間に接続された第1のコンデンサと、
第1のコンデンサに並列接続される、互いに直列された2つの半導体スイッチと、
2つの半導体スイッチに並列接続される、互いに直列された第2及び第3のコンデンサと、
を備え、
第1の巻線の一端は、積層方向に隣接する第1及び第2のハーフブリッジ回路のうちの第1のハーフブリッジ回路の2つの半導体スイッチの中点に接続され、第2の巻線の一端は第2のハーフブリッジ回路の2つの半導体スイッチの中点に接続され、第1の巻線及び第2の巻線の他端は層間接続線で互いに接続される電力変換回路。
The power conversion circuit according to claim 5,
Half-bridge circuit
A first capacitor connected between the terminals;
Two semiconductor switches in series with each other connected in parallel to the first capacitor;
A second and a third capacitor in series with each other, connected in parallel to the two semiconductor switches;
With
One end of the first winding is connected to the midpoint of two semiconductor switches of the first half-bridge circuit of the first and second half-bridge circuits adjacent in the stacking direction. One end is connected to the middle point of two semiconductor switches of the second half-bridge circuit, and the other end of the first winding and the second winding is connected to each other by an interlayer connection line.
請求項1に記載の電力変換回路において、
ハーフブリッジ回路は、
端子間に接続された第1のコンデンサと、
第1のコンデンサに並列接続される、互いに直列された2つの半導体スイッチと、
2つの半導体スイッチに並列接続される、互いに直列された第2及び第3のコンデンサと、
を備え、
複数個積層される各基板は、
第1の巻線及び第2の巻線の一端がハーフブリッジ回路の2つの半導体スイッチの中点に接続され、第1の巻線及び第2の巻線の他端が第2及び第3のコンデンサの中点に接続される第1の回路構成と、
第1の巻線及び第2の巻線の一端がハーフブリッジ回路の2つの半導体スイッチの中点に接続され、第1の巻線及び第2の巻線の他端のいずれか一方が第2及び第3のコンデンサの中点に接続され、いずれか他方がハーフブリッジ回路に接続されない第2の回路構成と、
第1の巻線及び第2の巻線の一端がハーフブリッジ回路の2つの半導体スイッチの中点に接続され、第1の巻線及び第2の巻線の他端が第2及び第3のコンデンサの中点に接続されない第3の回路構成
のいずれかである電力変換回路。
The power conversion circuit according to claim 1,
Half-bridge circuit
A first capacitor connected between the terminals;
Two semiconductor switches in series with each other connected in parallel to the first capacitor;
A second and a third capacitor in series with each other, connected in parallel to the two semiconductor switches;
With
Each substrate that is stacked more than one
One end of the first winding and the second winding is connected to the midpoint of the two semiconductor switches of the half bridge circuit, and the other end of the first winding and the second winding is the second and third. A first circuit configuration connected to the midpoint of the capacitor;
One end of the first winding and the second winding is connected to the midpoint of the two semiconductor switches of the half-bridge circuit, and one of the other ends of the first winding and the second winding is the second. And a second circuit configuration that is connected to the midpoint of the third capacitor and one of the other is not connected to the half-bridge circuit;
One end of the first winding and the second winding is connected to the midpoint of the two semiconductor switches of the half bridge circuit, and the other end of the first winding and the second winding is the second and third. A power conversion circuit which is one of the third circuit configurations not connected to the middle point of the capacitor.
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