JP2018137894A - 双方向絶縁型ｄｃ／ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】従来と同じハードウェア構成でありながら、順方向動作および逆方向動作が自動的に切り替わることがない双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを提供する。
【解決手段】本発明に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、１次巻線および２次巻線を有する絶縁トランスと、１次巻線に接続された１次側フルブリッジ回路と、２次巻線に接続された２次側フルブリッジ回路と、１次側フルブリッジ回路および２次側フルブリッジ回路を制御する制御部とを備える。制御部は、（１）順方向動作において、２次側フルブリッジ回路を流れる電流の経路に少なくとも１つの順方向ダイオードが含まれるように当該２次側フルブリッジ回路を制御し、（２）逆方向動作において、１次側フルブリッジ回路を流れる電流の経路に少なくとも１つの順方向ダイオードが含まれるように当該１次側フルブリッジ回路を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、１次側から２次側に電力を伝達する順方向動作と、２次側から１次側に電力を伝達する逆方向動作とを行う双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータに関する。

近年、太陽光発電システム、家庭用蓄電システム、およびバッテリを搭載した電動車等の分野において、双方向に動作可能な様々なタイプのＤＣ／ＤＣコンバータが使用されている。特に、位相シフト制御が行われる双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、効率が良く、しかも幅広い電圧に対応できるため、好んで使用されている。

これに関し、特許文献１には、位相シフト制御される電圧型のフルブリッジ回路からなる１次側回路と、電流型の同期整流回路からなる２次側回路とを備えた絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータが開示されている。また、特許文献２には、電圧型のフルブリッジ回路からなる１次側回路と、同期整流制御される電流型のフルブリッジ回路からなる２次側回路とを備えた絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが開示されている。さらに、これらを組み合わせてなる双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータも従来から種々検討されている。

図１３に、従来の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの一例として、制御部１０３によって位相シフト制御される１次側回路１０１、制御部１０３によって同期整流制御される２次側回路１０２、および絶縁トランスＴＲ等を備えた双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００を示す。同図に示すように、１次側回路１０１は、第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のフルブリッジ回路からなり、第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のそれぞれは、逆並列接続されたダイオード（第１〜第４ダイオードＤ１〜Ｄ４）を有する。同様に、２次側回路１０２は、第５〜第８スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８のフルブリッジ回路からなり、第５〜第８スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８のそれぞれは、逆並列接続されたダイオード（第５〜第８ダイオードＤ５〜Ｄ８）を有する。第１〜第８ダイオードＤ１〜Ｄ８は、第１〜第８スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ８に内蔵された寄生ダイオード、または第１〜第８スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ８に外付けされたダイオードである。

順方向動作において、制御部１０３は、例えば、図１４に示すタイミングチャートにしたがって第１〜第８スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ８を制御し、状態１〜状態４を作り出す。順方向動作では、第１スイッチ素子Ｑ１および第４スイッチ素子Ｑ４の両方がオン状態とされた状態１、および第２スイッチ素子Ｑ２および第３スイッチ素子Ｑ３の両方がオン状態とされた状態３において、１次側から２次側に電力が伝達される。なお、図１４中のΔＴは、位相シフト量である。制御部１０３は、外部からもたらされるフィードバック情報（主に、入出力端Ｔ２，Ｔ２’の電圧。以下、「２次側電圧」という）に基づいて位相シフト量ΔＴを決定する。具体的には、制御部１０３は、２次側電圧が目標電圧値をどの程度下回っているのかに応じて位相シフト量ΔＴを決定する。２次側電圧が目標電圧値を大きく下回っている場合、位相シフト量ΔＴは相対的に大きくなる。一方、２次側電圧が目標電圧値に接近している場合、位相シフト量ΔＴは相対的に小さくなる。ただし、位相シフト量ΔＴは、予め定められた最小位相シフト量ΔＴｍｉｎよりも小さくなることはない。

図１６および図１７に、順方向動作の各状態における電流経路を示す。

また、逆方向動作において、制御部１０３は、例えば、図１５に示すタイミングチャートにしたがって第１〜第８スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ８を制御し、状態１〜状態４を作り出す。逆方向動作では、第１スイッチ素子Ｑ１および第３スイッチ素子Ｑ３の両方がオン状態とされた状態２、および第２スイッチ素子Ｑ２および第４スイッチ素子Ｑ４の両方がオン状態とされた状態４において、チョークコイルＬ２に電力が蓄積される。そして、第１スイッチ素子Ｑ１および第４スイッチ素子Ｑ４の両方がオン状態とされた状態１、および第２スイッチ素子Ｑ２および第３スイッチ素子Ｑ３の両方がオン状態とされた状態３において、チョークコイルＬ２に蓄積された電力が１次側に伝達される。なお、逆方向動作における位相シフト量ΔＴは、ΔＴｍｉｎに等しい。

図１８および図１９に、逆方向動作の各状態における電流経路を示す。

順方向動作および逆方向動作は、自動的に切り替わる。すなわち、順方向動作において、制御部１０３が位相シフト量ΔＴをΔＴｍｉｎまで小さくしても２次側電圧が目標電圧値を超えている場合は、逆方向動作に自動的に切り替わり、２次側から１次側への電力の伝達が始まる。また、逆方向動作中に２次側電圧が目標電圧値を下回ると、順方向動作に自動的に切り替わり、１次側から２次側への電力の伝達が始まる。このようにして、２次側電圧は目標電圧値に維持される。

なお、図１４および図１５では、簡単のためにデッドタイムの図示が省略されている。

特許第４０１３９９５号公報 特開２００２−１６５４４８号公報

ところで、例えば、電動車の車載バッテリを充放電させるＶ２Ｈ（Vehicle to Home）システムは、意図しない充放電を行ってはならないとされている。すなわち、Ｖ２Ｈシステムには、ユーザの指令により開始された車載バッテリの充電中に当該充電を勝手に中止して放電を開始させないことと、ユーザの指令により開始された車載バッテリの放電中に当該放電を勝手に中止して充電を開始させないことが求められている。しかしながら、上記の通り、従来の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００は、順方向動作および逆方向動作が自動的に切り替わるように構成されている。したがって、この双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００でＶ２Ｈシステムを構成すると、順方向動作による充電と逆方向動作による放電が勝手に切り替わってしまうおそれがある。

これを防ぐための手法としては、片方向にしか動作し得ないように双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００のハードウェア構成を大幅に変更することが考えられるが、これには多大な労力がかかる。また、この手法だと、他の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータとの部品の共通化が図れなくなり、製造コストが増大するおそれもある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、従来と同じハードウェア構成でありながら、順方向動作および逆方向動作が自動的に切り替わることがない双方向絶縁型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、本発明に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、１次側から２次側に電力を伝達する順方向動作と、２次側から１次側に電力を伝達する逆方向動作とを行う双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータであって、１次巻線および２次巻線を有する絶縁トランスと、１次巻線に接続された１次側フルブリッジ回路と、２次巻線に接続された２次側フルブリッジ回路と、２次側フルブリッジ回路と２次側の入出力端との間に設けられたＬＣ回路と、１次側フルブリッジ回路および２次側フルブリッジ回路を制御する制御部とを備え、制御部は、（１）順方向動作において、２次側フルブリッジ回路を流れる電流の経路に少なくとも１つの順方向ダイオードが含まれるように当該２次側フルブリッジ回路を制御し、（２）逆方向動作において、１次側フルブリッジ回路を流れる電流の経路に少なくとも１つの順方向ダイオードが含まれるように当該１次側フルブリッジ回路を制御することを特徴とする。

この構成では、順方向動作において、２次側フルブリッジ回路を流れる電流の経路に少なくとも１つの順方向ダイオード（順方向にバイアスがかけられるダイオード）が含まれる。したがって、この構成によれば、当該経路を逆向きに電流が流れようとしたときに、順方向ダイオードが逆方向ダイオードとなって当該電流の流れを阻止するので、順方向動作から逆方向動作への自動的な切り替わりを防ぐことができる。

さらに、この構成では、逆方向動作において、１次側フルブリッジ回路を流れる電流の経路に少なくとも１つの順方向ダイオードが含まれる。したがって、この構成によれば、当該経路を逆向きに電流が流れようとしたときに、順方向ダイオードが逆方向ダイオードとなって当該電流の流れを阻止するので、逆方向動作から順方向動作への自動的な切り替わりを防ぐことができる。

上記双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、例えば、１次側フルブリッジ回路が第１レグおよび第２レグを有し、２次側フルブリッジ回路が第３レグおよび第４レグを有し、第１レグ、第２レグ、第３レグおよび第４レグを構成するスイッチ素子が逆並列接続されたダイオードを有する構成をとることができる。

この場合、逆並列接続されたダイオードは、スイッチ素子に内蔵されたダイオードであってもよいし、スイッチ素子に外付けされたダイオードであってもよい。後者は、前者よりもオン抵抗が小さいので、損失の点で有利である。

また、この場合、制御部は、（１）順方向動作において、第３レグおよび第４レグを構成するスイッチ素子のいずれかをオフさせることにより、当該オフさせられたスイッチ素子に逆並列接続されたダイオードを電流の経路に含めてもよいし、（２）逆方向動作において、第１レグおよび第２レグを構成するスイッチ素子のいずれかをオフさせることにより、オフさせられたスイッチ素子に逆並列接続されたダイオードを電流の経路に含めてもよい。

本発明によれば、従来と同じハードウェア構成でありながら、順方向動作および逆方向動作が自動的に切り替わることがない双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを提供することができる。

本発明の第１実施例に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。 第１実施例に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータに含まれるスイッチ素子の順方向動作における動作タイミングを示すタイミングチャートである。 第１実施例に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータに含まれるスイッチ素子の逆方向動作における動作タイミングを示すタイミングチャートである。 順方向動作の（Ａ）状態１および（Ｂ）状態２における、第１実施例に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの電流経路を示す図である。 順方向動作の（Ａ）状態３および（Ｂ）状態４における、第１実施例に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの電流経路を示す図である。 逆方向動作の（Ａ）状態１および（Ｂ）状態２における、第１実施例に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの電流経路を示す図である。 逆方向動作の（Ａ）状態３および（Ｂ）状態４における、第１実施例に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの電流経路を示す図である。 本発明の第２実施例に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。 順方向動作の（Ａ）状態１および（Ｂ）状態２における、第２実施例に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの電流経路を示す図である。 順方向動作の（Ａ）状態３および（Ｂ）状態４における、第２実施例に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの電流経路を示す図である。 逆方向動作の（Ａ）状態１および（Ｂ）状態２における、第２実施例に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの電流経路を示す図である。 逆方向動作の（Ａ）状態３および（Ｂ）状態４における、第２実施例に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの電流経路を示す図である。 従来の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。 従来の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータに含まれるスイッチ素子の順方向動作における動作タイミングを示すタイミングチャートである。 従来の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータに含まれるスイッチ素子の逆方向動作における動作タイミングを示すタイミングチャートである。 順方向動作の（Ａ）状態１および（Ｂ）状態２における、従来の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの電流経路を示す図である。 順方向動作の（Ａ）状態３および（Ｂ）状態４における、従来の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの電流経路を示す図である。 逆方向動作の（Ａ）状態１および（Ｂ）状態２における、従来の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの電流経路を示す図である。 逆方向動作の（Ａ）状態３および（Ｂ）状態４における、従来の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの電流経路を示す図である。

以下、添付図面を参照しつつ、本発明に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの実施例について説明する。

［第１実施例］
図１に、本発明の第１実施例に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０Ａを示す。双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０Ａは、１次巻線ＴＲ１および２次巻線ＴＲ２を有する絶縁トランスＴＲを備え、１次側（１次巻線ＴＲ１側）から２次側（２次巻線ＴＲ２側）に電力を伝達する順方向動作と、２次側から１次側に電力を伝達する逆方向動作とを行う。順方向動作により、１次側の入出力端Ｔ１，Ｔ１’から供給された電力が、２次側の入出力端Ｔ２，Ｔ２’に接続された負荷回路等に出力される。例えば、入出力端Ｔ２，Ｔ２’に蓄電池が接続されている場合、当該蓄電池は順方向動作により充電される。一方、逆方向動作により、２次側の入出力端Ｔ２，Ｔ２’から供給された電力が、１次側の入出力端Ｔ１，Ｔ１’に接続された負荷回路等に供給される。例えば、入出力端Ｔ１，Ｔ１’に直流電源が接続されている場合、入出力端Ｔ２，Ｔ２’から供給された電力は、逆方向動作により当該直流電源に回生される。

双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０Ａは、１次側フルブリッジ回路１１と、２次側フルブリッジ回路１２と、制御部１３と、上記絶縁トランスＴＲと、コイルＬ１と、コンデンサＣ９と、チョークコイルＬ２およびコンデンサＣ１０からなるＬＣ回路とを備えている。

１次側フルブリッジ回路１１は、第１スイッチ素子Ｑ１と、第２スイッチ素子Ｑ２と、第３スイッチ素子Ｑ３と、第４スイッチ素子Ｑ４とを含んでいる。第１スイッチ素子Ｑ１は第１レグの上アームを構成し、第２スイッチ素子Ｑ２は第１レグの下アームを構成する。第３スイッチ素子Ｑ３は第２レグの上アームを構成し、第４スイッチ素子Ｑ４は第２レグの下アームを構成する。第１スイッチ素子Ｑ１および第２スイッチ素子Ｑ２の接続点は、コイルＬ１を介して１次巻線ＴＲ１の一端に接続され、第３スイッチ素子Ｑ３および第４スイッチ素子Ｑ４の接続点は、１次巻線ＴＲ１の他端に接続されている。コイルＬ１は、後述する第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４と合わせてゼロボルトスイッチング（Zero Voltage Switching，ＺＶＳ）を実現するための共振コイルとして機能する。コイルＬ１は、絶縁トランスＴＲの漏れインダクタンスであってもよいし、これとは別のコイルであってもよい。また、コイルＬ１は、上記漏れインダクタンスと別のコイルとを合成したものであってもよい。

第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４は、制御部１３の制御下でスイッチング（ターンオン／ターンオフ）する。第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、シリコン製のパワーＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、シリコンカーバイド製のパワーＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体素子を用いることができる。

第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のそれぞれには、第１〜第４ダイオードＤ１〜Ｄ４が逆並列接続されている。本実施例では、第１〜第４ダイオードＤ１〜Ｄ４は、第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のそれぞれに寄生する（内蔵された）寄生ダイオードである。

第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のそれぞれには、さらに、第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４が並列接続されている。第１〜第４コンデンサＣ１〜Ｃ４は、第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のそれぞれに寄生する（内蔵された）寄生容量であってもよいし、外付けのコンデンサ素子であってもよい。

上アームを構成する第１スイッチ素子Ｑ１および第３スイッチ素子Ｑ３は、高電位側の入出力端Ｔ１に接続され、下アームを構成する第２スイッチ素子Ｑ２および第４スイッチ素子Ｑ４は、低電位側の入出力端Ｔ１’に接続されている。また、コンデンサＣ９は、入出力端Ｔ１，Ｔ１’の間に接続されている。

２次側フルブリッジ回路１２は、第５スイッチ素子Ｑ５と、第６スイッチ素子Ｑ６と、第７スイッチ素子Ｑ７と、第８スイッチ素子Ｑ８とを含んでいる。第５スイッチ素子Ｑ５は第３レグの上アームを構成し、第６スイッチ素子Ｑ６は第３レグの下アームを構成する。第７スイッチ素子Ｑ７は第４レグの上アームを構成し、第８スイッチ素子Ｑ８は第４レグの下アームを構成する。第５スイッチ素子Ｑ５および第６スイッチ素子Ｑ６の接続点は、２次巻線ＴＲ２の一端に接続され、第７スイッチ素子Ｑ７および第８スイッチ素子Ｑ８の接続点は、２次巻線ＴＲ２の他端に接続されている。

第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４と同様、第５〜第８スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８は、制御部１３の制御下でスイッチングする。第５〜第８スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８としては、ＩＧＢＴ、シリコン製のパワーＭＯＳＦＥＴ、シリコンカーバイド製のパワーＭＯＳＦＥＴ等のパワー半導体素子を用いることができる。

第５〜第８スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８のそれぞれには、第５〜第８ダイオードＤ５〜Ｄ８が逆並列接続されている。本実施例では、第５〜第８ダイオードＤ５〜Ｄ８は、第５〜第８スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８のそれぞれに寄生する（内蔵された）寄生ダイオードである。

第５〜第８スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８のそれぞれには、さらに、第５〜第８コンデンサＣ５〜Ｃ８が並列接続されている。第５〜第８コンデンサＣ５〜Ｃ８は、第５〜第８スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８のそれぞれに寄生する（内蔵された）寄生容量であってもよいし、外付けのコンデンサ素子であってもよい。

チョークコイルＬ２およびコンデンサＣ１０からなるＬＣ回路は、２次側フルブリッジ回路１２と２次側の入出力端Ｔ２，Ｔ２’との間に接続されている。より詳しくは、コンデンサＣ１０は、高電位側の入出力端Ｔ２に一端が接続され、低電位側の入出力端Ｔ２’並びに下アームを構成する第６スイッチ素子Ｑ６および第８スイッチ素子Ｑ８に他端が接続されている。また、チョークコイルＬ２は、上アームを構成する第５スイッチ素子Ｑ５および第７スイッチ素子Ｑ７に一端が接続され、高電位側の入出力端Ｔ２に他端が接続されている。

制御部１３は、マイコンやＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等の制御用ＩＣによって構成されている。制御部１３は、通常、２次側の入出力端Ｔ２，Ｔ２’の電圧（２次側電圧）等のフィードバック情報に基づき、１次側フルブリッジ回路１１および２次側フルブリッジ回路１２を制御する。

続いて、図２を参照しながら、制御部１３による、順方向動作における第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４の制御の一例について説明する。この制御により、順方向動作中の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０Ａは、状態１〜状態４のいずれかの状態をとる。

制御部１３は、第１スイッチ素子Ｑ１および第２スイッチ素子Ｑ２を逆位相でスイッチングさせる。図示を省略しているが、制御部１３は、第２スイッチ素子Ｑ２のオフ時間が第１スイッチ素子Ｑ１のオン時間よりも若干長くなるように両者を制御することにより、第１スイッチ素子Ｑ１および第２スイッチ素子Ｑ２の両方がオフ状態になる期間を設けることができる。このような期間をデッドタイムという。

同様に、制御部１３は、第３スイッチ素子Ｑ３および第４スイッチ素子Ｑ４を逆位相でスイッチングさせる。制御部１３は、第３スイッチ素子Ｑ３および第４スイッチ素子Ｑ４についても、デッドタイムを設けることができる。

また、制御部１３は、第１スイッチ素子Ｑ１および第２スイッチ素子Ｑ２の位相に対して、第３スイッチ素子Ｑ３および第４スイッチ素子Ｑ４の位相をシフトさせる。制御部１３は、外部からもたらされるフィードバック情報に基づいて位相シフト量ΔＴを決定する。具体的には、制御部１０３は、２次側電圧が目標電圧値をどの程度下回っているのかに応じて位相シフト量ΔＴを決定する。２次側電圧が目標電圧値を大きく下回っている場合、制御部１３は、位相シフト量ΔＴを相対的に大きくする。一方、２次側電圧が目標電圧値に接近している場合、制御部１３は、位相シフト量ΔＴを相対的に小さくする。ただし、制御部１３は、位相シフト量ΔＴを予め定められた最小位相シフト量ΔＴｍｉｎよりも小さくすることはない。

次に、制御部１３による、順方向動作における第５〜第８スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８の制御の一例について説明する。

制御部１３は、第５〜第８スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８をオフ状態とし続ける。特に、制御部１３は、１次側から２次側への電力の伝達がなされる状態１において、従来の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００ではオン状態とされる第５スイッチ素子Ｑ５および第８スイッチ素子Ｑ８をオフ状態とする（図２および図１４参照）。また、制御部１３は、同じく１次側から２次側への電力の伝達がなされる状態３において、従来の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００ではオン状態とされる第６スイッチ素子Ｑ６および第７スイッチ素子Ｑ７をオフ状態とする（図２および図１４参照）。

続いて、図３を参照しながら、制御部１３による、逆方向動作における第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４の制御の一例について説明する。この制御により、逆方向動作中の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０Ａは、状態１〜状態４のいずれかの状態をとる。

制御部１３は、第１スイッチ素子Ｑ１および第２スイッチ素子Ｑ２を逆位相でスイッチングさせる。図示を省略しているが、制御部１３は、第２スイッチ素子Ｑ２のオフ時間が第１スイッチ素子Ｑ１のオン時間よりも若干長くなるように両者を制御することにより、デッドタイムを設けることができる。

一方、制御部１３は、第３スイッチ素子Ｑ３および第４スイッチ素子Ｑ４をオフ状態とし続ける。特に、制御部１３は、２次側から１次側への電力の伝達がなされる状態１において、従来の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００ではオン状態とされる第４スイッチ素子Ｑ４をオフ状態とする（図３および図１５参照）。また、制御部１３は、同じく２次側から１次側への電力の伝達がなされる状態３において、従来の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００ではオン状態とされる第３スイッチ素子Ｑ３をオフ状態とする（図３および図１５参照）。

次に、制御部１３による、逆方向動作における第５〜第８スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８の制御の一例について説明する。

制御部１３は、第５スイッチ素子Ｑ５および第６スイッチ素子Ｑ６を逆位相でスイッチングさせる。ただし、制御部１３は、第１スイッチ素子Ｑ１および第２スイッチ素子Ｑ２の位相に対して、第５スイッチ素子Ｑ５および第６スイッチ素子Ｑ６の位相を最小位相シフト量ΔＴｍｉｎだけシフトさせる。制御部１３は、第５スイッチ素子Ｑ５および第６スイッチ素子Ｑ６についても、デッドタイムを設けることができる。

同様に、制御部１３は、第７スイッチ素子Ｑ７および第８スイッチ素子Ｑ８を逆位相でスイッチングさせる。ただし、制御部１３は、第７スイッチ素子Ｑ７を第６スイッチ素子Ｑ６と同相でスイッチングさせ、第８スイッチ素子Ｑ８を第５スイッチ素子Ｑ５と同相でスイッチングさせる。制御部１３は、第７スイッチ素子Ｑ７および第８スイッチ素子Ｑ８についても、デッドタイムを設けることができる。

図４に、順方向動作の状態１および状態２における双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０Ａの電流経路を示す。上記の通り、状態１において、第５スイッチ素子Ｑ５および第８スイッチ素子Ｑ８はオフ状態とされる。このため、状態１における２次側の電流経路は、「入出力端Ｔ２’→第８ダイオードＤ８→２次巻線ＴＲ２→第５ダイオードＤ５→チョークコイルＬ２→入出力端Ｔ２」となる。

すなわち、２次側の電流経路には、順方向ダイオードとして機能する第５ダイオードＤ５および第８ダイオードＤ８が含まれる。このため、２次側電圧の上昇により双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０Ａの動作が順方向動作から逆方向動作に切り替わろうとしても、第５ダイオードＤ５および第８ダイオードＤ８が逆方向ダイオードとして機能して入出力端Ｔ２から入出力端Ｔ２’に向かう逆向きの電流を阻止するので、実際には逆方向動作への切り替わりは起こらない。

これに対し、従来の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００では、順方向動作の状態１における２次側の電流経路が「入出力端Ｔ２’→第８スイッチ素子Ｑ８→２次巻線ＴＲ２→第５スイッチ素子Ｑ５→チョークコイルＬ２→入出力端Ｔ２」（図１６（Ａ）参照）となり、電流経路に順方向ダイオードが含まれないので、逆方向動作への切り替わりが容易に起こり得る。

図５に、順方向動作の状態３および状態４における双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０Ａの電流経路を示す。上記の通り、状態３において、第６スイッチ素子Ｑ６および第７スイッチ素子Ｑ７はオフ状態とされる。このため、状態３における２次側の電流経路は、「入出力端Ｔ２’→第６ダイオードＤ６→２次巻線ＴＲ２→第７ダイオードＤ７→チョークコイルＬ２→入出力端Ｔ２」となる。

すなわち、２次側の電流経路には、順方向ダイオードとして機能する第６ダイオードＤ６および第７ダイオードＤ７が含まれる。このため、２次側電圧の上昇により双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０Ａの動作が順方向動作から逆方向動作に切り替わろうとしても、第６ダイオードＤ６および第７ダイオードＤ７が逆方向ダイオードとして機能して入出力端Ｔ２から入出力端Ｔ２’に向かう逆向きの電流を阻止するので、実際には逆方向動作への切り替わりは起こらない。

これに対し、従来の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００では、順方向動作の状態３における２次側の電流経路が「入出力端Ｔ２’→第６スイッチ素子Ｑ６→２次巻線ＴＲ２→第７スイッチ素子Ｑ７→チョークコイルＬ２→入出力端Ｔ２」（図１７（Ａ）参照）となり、電流経路に順方向ダイオードが含まれないので、逆方向動作への切り替わりが容易に起こり得る。

図６に、逆方向動作の状態１および状態２における双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０Ａの電流経路を示す。上記の通り、状態１において、第４スイッチ素子Ｑ４はオフ状態とされる。このため、状態１における１次側の電流経路は、「入出力端Ｔ１’→第４ダイオードＤ４→１次巻線ＴＲ１→コイルＬ１→第１スイッチ素子Ｑ１→入出力端Ｔ１」となる。

すなわち、１次側の電流経路には、順方向ダイオードとして機能する第４ダイオードＤ４が含まれる。このため、２次側電圧の低下により双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０Ａの動作が逆方向動作から順方向動作に切り替わろうとしても、第４ダイオードＤ４が逆方向ダイオードとして機能して入出力端Ｔ１から入出力端Ｔ１’に向かう逆向きの電流を阻止するので、実際には順方向動作への切り替わりは起こらない。

これに対し、従来の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００では、逆方向動作の状態１における１次側の電流経路が「入出力端Ｔ１’→第４スイッチ素子Ｑ４→１次巻線ＴＲ１→コイルＬ１→第１スイッチ素子Ｑ１→入出力端Ｔ１」（図１８（Ａ）参照）となり、電流経路に順方向ダイオードが含まれないので、順方向動作への切り替わりが容易に起こり得る。

図７に、逆方向動作の状態３および状態４における双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０Ａの電流経路を示す。上記の通り、状態３において、第３スイッチ素子Ｑ３はオフ状態とされる。このため、状態３における１次側の電流経路は、「入出力端Ｔ１’→第２スイッチ素子Ｑ２→コイルＬ１→１次巻線ＴＲ１→第３ダイオードＤ３→入出力端Ｔ１」となる。

すなわち、１次側の電流経路には、順方向ダイオードとして機能する第３ダイオードＤ３が含まれる。このため、２次側電圧の低下により双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０Ａの動作が逆方向動作から順方向動作に切り替わろうとしても、第３ダイオードＤ３が逆方向ダイオードとして機能して入出力端Ｔ１から入出力端Ｔ１’に向かう逆向きの電流を阻止するので、実際には順方向動作への切り替わりは起こらない。

これに対し、従来の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００では、逆方向動作の状態３における１次側の電流経路が「入出力端Ｔ１’→第２スイッチ素子Ｑ２→コイルＬ１→１次巻線ＴＲ１→第３スイッチ素子Ｑ３→入出力端Ｔ１」（図１９（Ａ）参照）となり、電流経路に順方向ダイオードが含まれないので、順方向動作への切り替わりが容易に起こり得る。

［第２実施例］
図８に、本発明の第２実施例に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０Ｂを示す。双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０Ｂは、１次側フルブリッジ回路１１と、２次側フルブリッジ回路１２と、制御部１３と、絶縁トランスＴＲと、コイルＬ１と、コンデンサＣ９と、チョークコイルＬ２およびコンデンサＣ１０からなるＬＣ回路とを備えている。これらは、第１実施例と同じ構成を有している。

双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０Ｂは、第９〜第１２ダイオードＤ９〜Ｄ１２からなるダイオードブリッジ回路１４をさらに備えている。ダイオードブリッジ回路１４は、２次側フルブリッジ回路１２に対して並列に設けられている。より詳しくは、第９ダイオードＤ９は第５スイッチ素子Ｑ５および第５ダイオードＤ５に並列に接続され、第１０ダイオードＤ１０は第６スイッチ素子Ｑ６および第６ダイオードＤ６に並列に接続され、第１１ダイオードＤ１１は第７スイッチ素子Ｑ７および第７ダイオードＤ７に並列に接続され、第１２ダイオードＤ１２は第８スイッチ素子Ｑ８および第８ダイオードＤ８に並列に接続されている。

上記の通り、第５〜第８ダイオードＤ５〜Ｄ８は、第５〜第８スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８の寄生ダイオードである。これに対し、第９〜第１２ダイオードＤ９〜Ｄ１２は、寄生ダイオードよりも小さなオン抵抗を有する外付けのダイオードである。また、第９〜第１２ダイオードＤ９〜Ｄ１２は、第５〜第８ダイオードＤ５〜Ｄ８に対して並列に接続されている。したがって、本実施例では、第１実施例において第５〜第８ダイオードＤ５〜Ｄ８を流れていた電流が、第５〜第８ダイオードＤ５〜Ｄ８ではなく第９〜第１２ダイオードＤ９〜Ｄ１２を流れることになる。

例えば、第１実施例の順方向動作の状態１（図４（Ａ）参照）では、第８ダイオードＤ８および第５ダイオードＤ５に電流が流れるが、本実施例の順方向動作の状態１（図９（Ａ）参照）では、第１２ダイオードＤ１２および第９ダイオードＤ９に電流が流れる。また、第１実施例の順方向動作の状態３（図５（Ａ）参照）では、第６ダイオードＤ６および第７ダイオードＤ７に電流が流れるが、本実施例の順方向動作の状態３（図１０（Ａ）参照）では、第１０ダイオードＤ１０および第１１ダイオードＤ１１に電流が流れる。

したがって、本実施例に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０Ｂによれば、２次側のダイオードにおける損失を低減することができる。

また、本実施例に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０Ｂによれば、寄生ダイオードを有さないＩＧＢＴで第５〜第８スイッチ素子Ｑ５〜Ｑ８を構成することができる。

なお、本実施例の逆方向動作における２次側の電流経路は、第１実施例と同じである（図６、図７、図１１および図１２参照）。

［変形例］
以上、本発明に係る双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの実施例について説明してきたが、本発明の構成は実施例の構成に限定されるものではなく、種々の変形例が存在することは言うまでもない。

例えば、各実施例では、順方向動作の状態１において、第５スイッチ素子Ｑ５および第８スイッチ素子Ｑ８の両方をオフ状態としたが、オフ状態とするのは、第５スイッチ素子Ｑ５のみであってもよいし、第８スイッチ素子Ｑ８のみであってもよい。オフ状態とするスイッチ素子の数を減らすことにより、損失を改善することができる。一方、逆方向動作への切り替わりを確実に防ぐという観点からは、両方のスイッチ素子をオフ状態とすることが好ましい。

順方向動作の状態３についても同様である。

また、上記各実施例では、逆方向動作の状態１において、第４スイッチ素子Ｑ４をオフ状態としたが、オフ状態とするのは、第１スイッチ素子Ｑ１および第４スイッチ素子Ｑ４の両方であってもよいし、第１スイッチ素子Ｑ１のみであってもよい。オフ状態とするスイッチ素子の数を増やすことにより、順方向動作への切り替わりをより確実に防ぐことができる。一方、損失の観点からは、いずれか一方のみをオフ状態とすることが好ましい。

逆方向動作の状態３についても同様である。

また、順方向動作の状態２および状態４の制御（図２参照）、並びに逆方向動作の状態２および状態４の制御（図３参照）は、従来の制御（図１４、図１５参照）と同一であってもよい。

また、各実施例では、入出力端Ｔ２，Ｔ２’の電圧（２次側電圧）と目標電圧値との関係に基づいて位相シフト量ΔＴを制御するが、入出力端Ｔ２，Ｔ２’に接続された負荷回路等の負荷電流をフィードバック情報とし、負荷電流と目標電流値との関係に基づいて位相シフト量ΔＴを制御してもよい。

１０Ａ 双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ（第１実施例）
１０Ｂ 双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ（第２実施例）
１１ １次側フルブリッジ回路
１２ ２次側フルブリッジ回路
１３ 制御部
１４ ダイオードブリッジ回路
Ｃ１〜Ｃ１０ コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ１２ ダイオード
Ｑ１〜Ｑ８ スイッチ素子
Ｌ１ コイル
Ｌ２ チョークコイル
ＴＲ 絶縁トランス
ＴＲ１ １次巻線
ＴＲ２ ２次巻線
Ｔ１，Ｔ１’ 入出力端（１次側）
Ｔ２，Ｔ２’ 入出力端（２次側）

Claims (5)

1. １次側から２次側に電力を伝達する順方向動作と、前記２次側から前記１次側に電力を伝達する逆方向動作とを行う双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータであって、
   １次巻線および２次巻線を有する絶縁トランスと、
   前記１次巻線に接続された１次側フルブリッジ回路と、
   前記２次巻線に接続された２次側フルブリッジ回路と、
   前記２次側フルブリッジ回路と前記２次側の入出力端との間に設けられたＬＣ回路と、
   前記１次側フルブリッジ回路および前記２次側フルブリッジ回路を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、（１）前記順方向動作において、前記２次側フルブリッジ回路を流れる電流の経路に少なくとも１つの順方向ダイオードが含まれるように当該２次側フルブリッジ回路を制御し、（２）前記逆方向動作において、前記１次側フルブリッジ回路を流れる電流の経路に少なくとも１つの順方向ダイオードが含まれるように当該１次側フルブリッジ回路を制御する
   ことを特徴とする双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
2. 前記１次側フルブリッジ回路は、第１レグおよび第２レグを有し、
   前記２次側フルブリッジ回路は、第３レグおよび第４レグを有し、
   前記第１レグ、第２レグ、第３レグおよび第４レグを構成するスイッチ素子は、逆並列接続されたダイオードを有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
3. 前記逆並列接続されたダイオードは、前記スイッチ素子に内蔵されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
4. 前記逆並列接続されたダイオードは、前記スイッチ素子に外付けされている
   ことを特徴とする請求項２に記載の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
5. 前記制御部は、（１）前記順方向動作において、前記第３レグおよび第４レグを構成する前記スイッチ素子のいずれかをオフさせることにより、当該オフさせられた前記スイッチ素子に逆並列接続された前記ダイオードを前記電流の経路に含め、（２）前記逆方向動作において、前記第１レグおよび第２レグを構成する前記スイッチ素子のいずれかをオフさせることにより、当該オフさせられた前記スイッチ素子に逆並列接続された前記ダイオードを前記電流の経路に含める
   ことを特徴とする請求項２に記載の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ。

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