JP2019146469A - Both-directional dc/dc converter - Google Patents

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Abstract

To provide a both-directional DC/DC converter with an ARCP circuit having a further improved conversion efficiency.SOLUTION: The present invention includes: a first smoothing capacitor C1; a second smoothing capacitor C2; a high-side main switching element Q; a low-side main switching element Q; an output reactor Lout; and an ARCP circuit 10 having a commutation control circuit 11 and a rectification circuit 12. The present invention further includes: a resonance reactor Lr; a high-side commutation switching element Q; a low-side commutation switching element Q; a high-side transformer T1 including a high-side primary coil Nand a high-side secondary coil N; and a low-side transformer T2 including a low-side primary coil Nand a low-side secondary coil N. The high-side transformer T1 and the low-side transformer T2 are arranged separately without a magnetic coupling.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、蓄電システムなどに用いられるARCP(Auxiliary Resonant Commutated Pole:補助共振転流ポール)回路を備えた双方向DC/DCコンバータに関する。   The present invention relates to a bidirectional DC / DC converter provided with an ARCP (Auxiliary Resonant Commutated Pole) circuit used in a power storage system or the like.

夜間に価格の安い電力をバッテリに蓄電しておき、昼間にバッテリからの放電で機器を運転する蓄電システムは、系統電源に接続される双方向インバータ、双方向DC/DCコンバータ、バッテリなどを備えて構成される。図11は蓄電システムにおける従来の双方向DC/DCコンバータの構成を示す回路図である。   A power storage system that stores low-price electric power in a battery at night and operates equipment by discharging from the battery during the day includes a bidirectional inverter connected to the system power supply, a bidirectional DC / DC converter, a battery, and the like. Configured. FIG. 11 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional bidirectional DC / DC converter in a power storage system.

図11において、C1は第1の平滑コンデンサ、C2は第2の平滑コンデンサ、Qm1はハイサイドのメインスイッチング素子、Qm2はローサイドのメインスイッチング素子、Dm1,Dm2は逆並列接続のダイオード(寄生ダイオード)、Cr1,Cr2は共振用のコンデンサ(寄生コンデンサ)、Loutは出力用のリアクトル、10はARCP回路、11は転流制御回路、12は整流回路、Lrは共振用のリアクトル、Qt1,Qt2は転流用スイッチング素子、T0は充放電兼用トランス、NL1,NH1は一次巻線、NHL2は二次巻線、DH1,DH2,DL1,DL2は整流ダイオード、DG1,DG2は逆流防止用のダイオードである。 In FIG. 11, C1 is a first smoothing capacitor, C2 is a second smoothing capacitor, Qm1 is a high-side main switching element, Qm2 is a low-side main switching element, and Dm1 and Dm2 are diodes connected in antiparallel. (Parasitic diode), C r1 , C r2 are capacitors for resonance (parasitic capacitors), Lout is an output reactor, 10 is an ARCP circuit, 11 is a commutation control circuit, 12 is a rectifier circuit, Lr is a reactor for resonance , Q t1 and Q t2 are commutation switching elements, T0 is a charge / discharge transformer, N L1 and N H1 are primary windings, N HL2 is a secondary winding, and D H1 , D H2 , D L1 and D L2 are rectified. Diodes D G1 and D G2 are diodes for preventing backflow.

次に、上記のように構成された従来の双方向DC/DCコンバータの動作を説明する。〔A〕放電モードと〔B〕充電モードに分けてそれぞれ説明する。   Next, the operation of the conventional bidirectional DC / DC converter configured as described above will be described. [A] The discharge mode and [B] the charge mode will be described separately.

〔A〕放電モード
〔A1〕出力用のリアクトルLoutの放電(図12(a)参照)
ハイサイドおよびローサイドのメインスイッチング素子Qm1,Qm2、ハイサイドおよびローサイドの転流用スイッチング素子Qt1,Qt2のいずれもがオフ状態にあって、出力用のリアクトルLoutがエネルギーを放出し、第2の平滑コンデンサC2に並列接続されたバッテリB→出力用のリアクトルLout→ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1の逆並列接続の寄生ダイオードDm1→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→バッテリBの経路で電流が流れる。ここで、第1の平滑コンデンサC1間の印加電圧、すなわち、端子Tp1と端子Tn1間の電圧は当該端子間に接続された双方向インバータに出力され、双方向インバータを介して端子Tp1から端子Tn1に向けて電流が流れる。これは、転流動作以前の定常状態である。転流前にあっては、転流制御回路11には電流は流れず、整流回路12にも電流は流れない。
[A] Discharge mode [A1] Discharge of reactor Lout for output (see FIG. 12A)
Both the high-side and low-side main switching elements Q m1 and Q m2 and the high-side and low-side commutation switching elements Q t1 and Q t2 are in the off state, and the output reactor Lout releases energy. parasitic diode D parallel-connected battery B → reverse parallel connection of the main switching element Q m1 of the reactor Lout → the high side for the output 2 of the smoothing capacitor C2 m1 → first smoothing capacitor C1 (bi-directional inverter) → battery A current flows through the path B. Here, the voltage applied between the first smoothing capacitor C1, i.e., the voltage between the terminals T p1 and the terminal T n1 is output to bi-directional inverter connected between the terminals, the terminal T p1 via the bi-directional inverter Current flows from the terminal to the terminal T n1 . This is a steady state before the commutation operation. Before the commutation, no current flows through the commutation control circuit 11 and no current flows through the rectifier circuit 12.

〔A2〕転流開始(図12(b)参照)
転流制御回路11におけるローサイドの転流用スイッチング素子Qt2がターンオンされる。すると、上記〔A1〕でハイサイドのメインスイッチング素子Qm1の逆並列接続の寄生ダイオードDm1を流れていた電流が徐々にローサイドの転流用スイッチング素子Qt2の側に転流し、バッテリB→出力用のリアクトルLout→共振用のリアクトルLr→ローサイドの一次巻線NL1→逆流防止用のダイオードDG2→ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2→バッテリBの経路で電流が流れる。
[A2] Commutation start (see FIG. 12B)
The low-side commutation switching element Q t2 in the commutation control circuit 11 is turned on. Then, the current flowing through the anti-parallel parasitic diode D m1 of the high-side main switching element Q m1 in the above [A1] gradually commutates to the low-side commutation switching element Q t2 side, and the battery B → output Current flows in the path of the reactor Lout for resonance, the reactor Lr for resonance, the primary winding N L1 for low side, the diode D G2 for preventing reverse current, the switching element Q t2 for low side commutation, and the battery B.

ローサイドの一次巻線NL1から二次巻線NHL2に誘起された電力により、整流回路12において、二次巻線NHL2→整流ダイオードDH1→ハイサイドラインL1→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→整流ダイオードDL1→二次巻線NHL2の経路と、二次巻線NHL2→整流ダイオードDH2→ハイサイドラインL1→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→整流ダイオードDL2→二次巻線NHL2の経路とに電流が流れ、バッテリBの放電によって第1の平滑コンデンサC1に対する充電が行われる。 In the rectifier circuit 12, the secondary winding N HL2 → the rectifier diode D H1 → the high side line L1 → the first smoothing capacitor C1 (by the electric power induced from the low side primary winding N L1 to the secondary winding N HL2 Bidirectional inverter) → Rectifier diode D L1 → Secondary winding N HL2 path and secondary winding N HL2 → Rectifier diode D H2 → High side line L1 → First smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) → Rectification A current flows through the path of the diode D L2 → secondary winding N HL2 , and the battery B discharges to charge the first smoothing capacitor C1.

ローサイドの一次巻線NL1に電流が流れることにより、磁気結合を介して二次巻線NHL2に電流が誘起され、さらにこの二次巻線NHL2に流れる電流が磁気結合による電磁誘導によってハイサイドの一次巻線NH1に上向きの逆起電力E(太い上向き矢印参照)を発生させる。それに起因して転流制御回路11に逆流が生じることを回避するために、転流制御回路11のハイサイド部分に逆流防止用のダイオードDG1を挿入している。 A current flows through the low-side of the primary winding N L1, induced current in the secondary winding N HL2 via magnetic coupling, further high current flowing through the secondary winding N HL2 is by electromagnetic induction by the magnetic coupling An upward counter electromotive force E (see a thick upward arrow) is generated in the primary winding N H1 of the side. In order to avoid the occurrence of backflow in the commutation control circuit 11 due to this, a backflow prevention diode D G1 is inserted in the high side portion of the commutation control circuit 11.

整流回路12において導通状態となっている整流ダイオードはDH1,DH2,DL1,DL2の4つすべてである。 All four rectifier diodes D H1 , D H2 , D L1 , and D L2 are conductive in the rectifier circuit 12.

〔A3〕LC共振(図13(a)参照)
上記〔A2〕の状態で共振用のリアクトルLrを流れる電流が出力用のリアクトルLoutを流れる電流を超えると、共振用のコンデンサCr1,Cr2が充放電を開始する。すなわち、共振用のコンデンサCr1→共振用のリアクトルLr→ローサイドの一次巻線NL1→逆流防止用のダイオードDG2→ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2→ローサイドラインL2→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→ハイサイドラインL1→共振用のコンデンサCr1の経路と、共振用のコンデンサCr2→共振用のリアクトルLr→一次巻線NL1→逆流防止用のダイオードDG2→ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2→ローサイドラインL2→共振用のコンデンサCr2の経路で電流が流れ、共振動作が開始される。
[A3] LC resonance (see FIG. 13A)
When the current flowing through the resonance reactor Lr exceeds the current flowing through the output reactor Lout in the state [A2], the resonance capacitors C r1 and C r2 start charging and discharging. That is, resonance capacitor C r1 → resonance reactor Lr → low side primary winding N L1 → backflow prevention diode D G2 → low side commutation switching element Q t2 → low side line L2 → first smoothing capacitor C1 (Bidirectional inverter) → high side line L1 → resonance capacitor C r1 path and resonance capacitor C r2 → resonance reactor Lr → primary winding N L1 → backflow prevention diode D G2 → low side A current flows through the path of the commutation switching element Q t2 → the low side line L2 → the resonance capacitor C r2 and the resonance operation is started.

この場合も、図12(b)の場合と同様にハイサイドの一次巻線NH1に上向きの逆起電力Eを発生させる。 Also in this case, an upward counter electromotive force E is generated in the high-side primary winding NH1 as in the case of FIG.

整流回路12での電流の流れは上記〔A2〕と同様のものとなる(図12(b)参照)。この場合も、整流回路12において導通状態となっている整流ダイオードはDH1,DH2,DL1,DL2の4つすべてである。 The current flow in the rectifier circuit 12 is the same as [A2] (see FIG. 12B). Also in this case, all four rectifier diodes D H1 , D H2 , D L1 , and D L2 are conductive in the rectifier circuit 12.

〔A4〕定常状態への遷移(図13(b)参照)
そして、共振用のコンデンサCr2の両端電圧つまりローサイドのメインスイッチング素子Qm2の印加電圧が0レベルになった時点でそのメインスイッチング素子Qm2がターンオンする。このメインスイッチング素子Qm2のターンオンは、高周波共振現象によるソフトスイッチング(ゼロ電圧スイッチング(ZVS))を利用するものであり、スイッチングロスが軽減されている。
[A4] Transition to steady state (see FIG. 13B)
Then, when the voltage across the resonance capacitor Cr2 , that is, the voltage applied to the low-side main switching element Qm2 becomes 0 level, the main switching element Qm2 is turned on. The turn-on of the main switching element Q m2 uses soft switching (zero voltage switching (ZVS)) due to a high frequency resonance phenomenon, and switching loss is reduced.

ローサイドのメインスイッチング素子Qm2がターンオンした時点から共振用のリアクトルLrに流れる電流が徐々に減少し、それまでバッテリB→出力用のリアクトルLout→共振用のリアクトルLr→ローサイドの一次巻線NL1→逆流防止用のダイオードDG2→ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2→バッテリBの経路で流れていた電流が、バッテリB→出力用のリアクトルLout→ローサイドのメインスイッチング素子Qm2→バッテリBの経路の流れへと遷移する。 From the time when the low-side main switching element Q m2 is turned on, the current flowing through the resonance reactor Lr gradually decreases. Until then, the battery B → the output reactor Lout → the resonance reactor Lr → the low-side primary winding N L1 → Back-flow prevention diode D G2 → Low-side commutation switching element Q t2 → Current flowing through the path of battery B → Battery B → Output reactor Lout → Low-side main switching element Q m2 → Battery B path Transition to the flow.

この場合も、上記同様にハイサイドの一次巻線NH1に上向きの逆起電力Eを発生させる。 Also in this case, an upward counter electromotive force E is generated in the high-side primary winding N H1 in the same manner as described above.

整流回路12での電流の流れは上記〔A2〕,〔A3〕と同様のものとなる(図12(b)、図13(a)参照)。この場合も、整流回路12において導通状態となっている整流ダイオードはDH1,DH2,DL1,DL2の4つすべてである。 The current flow in the rectifier circuit 12 is the same as [A2] and [A3] described above (see FIGS. 12B and 13A). Also in this case, all four rectifier diodes D H1 , D H2 , D L1 , and D L2 are conductive in the rectifier circuit 12.

〔A5〕定常状態(図14(a)参照)
共振用のリアクトルLrの電流が無くなり、ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2がターンオフする。この転流用スイッチング素子Qt2のターンオフはソフトスイッチング(ゼロ電流スイッチング(ZCS))を利用するものであり、スイッチングロスが軽減されている。この定常状態では、電流は、バッテリB→出力用のリアクトルLout→ローサイドのメインスイッチング素子Qm2→バッテリBの経路のみを流れることになる。したがって、出力用のリアクトルLoutがエネルギーを蓄積する。
[A5] Steady state (see FIG. 14A)
The current in the resonance reactor Lr disappears, and the low-side commutation switching element Q t2 is turned off. The turn-off of the commutation switching element Q t2 uses soft switching (zero current switching (ZCS)), and switching loss is reduced. In this steady state, the current flows only through the path of battery B → output reactor Lout → low-side main switching element Q m2 → battery B. Therefore, the reactor Lout for output accumulates energy.

ローサイドの一次巻線NL1には電流が流れないので、整流回路12では電流が停止する。 Since no current flows through the low-side primary winding N L1 , the current stops in the rectifier circuit 12.

〔A6〕転流開始(図14(b)参照)
ローサイドのメインスイッチング素子Qm2がターンオフされる。その瞬間から電流が共振用のコンデンサCr2へ転流し、共振用のコンデンサCr2へ充電が行われる。メインスイッチング素子Qm2の両端電圧がゆっくり上昇するのに対し、電流は素早く共振用のコンデンサCr2へ転移するため、スイッチングロスはほとんど生じない。
[A6] Commutation start (see FIG. 14B)
The low-side main switching element Q m2 is turned off. Its instantaneous current from the commutated to the capacitor C r2 for resonance, charging is performed to the capacitor C r2 for resonance. While the voltage across the main switching element Q m2 rises slowly, the current is quickly transferred to the resonance capacitor C r2 , so that almost no switching loss occurs.

ARCP回路10を装備させた理由は次のとおりである。   The reason why the ARCP circuit 10 is installed is as follows.

放電モードの場合に図12(a)の状態と図14(a)の状態を突き合わせることで大局的に昇圧チョッパの構成を見ると、第2の平滑コンデンサC2の両端子間に出力用のリアクトルLoutとメインスイッチング素子Qm2との直列回路が接続され、さらにメインスイッチング素子Qm2の両端子間にダイオードDm1(ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1の逆並列接続の寄生ダイオード)と第1の平滑コンデンサC1との直列回路が接続されていて、これは昇圧チョッパの機能を有している。 When the configuration of the step-up chopper is viewed globally by comparing the state of FIG. 12A and the state of FIG. 14A in the discharge mode, an output voltage is applied between both terminals of the second smoothing capacitor C2. A series circuit of the reactor Lout and the main switching element Q m2 is connected, and a diode D m1 (a parasitic diode connected in reverse parallel to the main switching element Q m1 on the high side) is connected between both terminals of the main switching element Q m2 . A series circuit with a smoothing capacitor C1 is connected, and this has the function of a step-up chopper.

ローサイドのメインスイッチング素子Qm2のスイッチングによって昇圧チョッパの機能を発揮させるのであるが、そのメインスイッチング素子Qm2をターンオンさせるに際して、その前段階で、ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2をオンにすることでローサイドのメインスイッチング素子Qm2をソフトスイッチング方式でターンオンさせることができ、変換効率を向上させることができる。 The function of the step-up chopper is exhibited by switching of the low-side main switching element Q m2 , and when the main switching element Q m2 is turned on, the low-side commutation switching element Q t2 is turned on in the previous stage. Thus, the low-side main switching element Q m2 can be turned on by the soft switching method, and the conversion efficiency can be improved.

〔B〕充電モード
〔B1〕出力用のリアクトルLoutの蓄電(図15(a)参照)
ハイサイドおよびローサイドのメインスイッチング素子Qm1,Qm2、ハイサイドおよびローサイドの転流用スイッチング素子Qt1,Qt2のいずれもがオフ状態にあって、出力用のリアクトルLoutがエネルギーを蓄積し、バッテリB→ローサイドのメインスイッチング素子Qm2の逆並列接続の寄生ダイオードDm2→出力用のリアクトルLout→バッテリBの経路で電流が流れ、バッテリBに対し充電が行われる。これは、転流動作以前の定常状態である。転流前にあっては、転流制御回路11には電流は流れず、整流回路12にも電流は流れない。
[B] Charging mode [B1] Storage of output reactor Lout (see FIG. 15A)
Both the high-side and low-side main switching elements Q m1 and Q m2 and the high-side and low-side commutation switching elements Q t1 and Q t2 are in the off state, and the output reactor Lout stores energy, and the battery A current flows in the path of B → low-side main switching element Q m2 in antiparallel connection Dm2 → output reactor Lout → battery B, and the battery B is charged. This is a steady state before the commutation operation. Before the commutation, no current flows through the commutation control circuit 11 and no current flows through the rectifier circuit 12.

〔B2〕転流開始(図15(b)参照)
転流制御回路11におけるハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1がターンオンする。すると、上記〔B1〕でローサイドのメインスイッチング素子Qm2の逆並列接続の寄生ダイオードDm2→出力用のリアクトルLout→バッテリBの経路を流れていた電流が徐々に転流し、第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1→ハイサイドの一次巻線NH1→共振用のリアクトルLr→出力用のリアクトルLout→バッテリB→第1の平滑コンデンサC1の経路での電流に遷移する。すなわち、双方向インバータから端子Tp1と端子Tn1間に出力された電圧が第1の平滑コンデンサC1間に印加され、バッテリBを充電しつつ双方向DC/DCコンバータを介して端子Tp1から端子Tn1に向けて電流が流れる。ハイサイドの一次巻線NH1から二次巻線NHL2に誘起された電力により、整流回路12において、二次巻線NHL2→整流ダイオードDH1→第1の平滑コンデンサC1→整流ダイオードDL1→二次巻線NHL2の経路と、二次巻線NHL2→整流ダイオードDH2→第1の平滑コンデンサC1→整流ダイオードDL2→二次巻線NHL2の経路とに電流が流れ、バッテリBへの充電とともに第1の平滑コンデンサC1に対する充放電が行われる。
[B2] Commutation start (see FIG. 15B)
The high-side commutation switching element Q t1 in the commutation control circuit 11 is turned on. Then, in [B1], the parasitic diode D m2 connected in reverse parallel to the low-side main switching element Q m2 → the output reactor Lout → the current flowing through the path of the battery B is gradually commutated, and the first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) → high-side commutation switching element Q t1 → high-side primary winding N H1 → resonance reactor Lr → output reactor Lout → battery B → first smoothing capacitor C1 Transition to the current. That is, the voltage output between the terminal T p1 and the terminal T n1 from the bidirectional inverter is applied between the first smoothing capacitor C1 and charged from the terminal T p1 via the bidirectional DC / DC converter while charging the battery B. A current flows toward the terminal T n1 . In the rectifier circuit 12, the secondary winding N HL2 → the rectifier diode D H1 → the first smoothing capacitor C 1 → the rectifier diode D L1 in the rectifier circuit 12 by the power induced from the high side primary winding N H1 to the secondary winding N HL2. → a path of the secondary winding N HL2, current flows in the path of the secondary winding N HL2 → rectifier diode D H2 → first smoothing capacitor C1 → the rectifier diode D L2 → secondary winding N HL2, battery The charging and discharging of the first smoothing capacitor C1 is performed along with the charging of B.

ハイサイドの一次巻線NH1に電流が流れることにより、磁気結合を介して二次巻線NHL2に電流が誘起され、さらにこの二次巻線NHL2に流れる電流が磁気結合による電磁誘導によってローサイドの一次巻線NL1に上向きの逆起電力Eを発生させる。それに起因して転流制御回路11に逆流が生じることを回避するために、転流制御回路11のローサイド部分に逆流防止用のダイオードDG2を挿入している。 A current flows through the high side of the primary winding N H1, induced current in the secondary winding N HL2 via magnetic coupling, further current flowing through the secondary winding N HL2 is by electromagnetic induction by the magnetic coupling An upward counter electromotive force E is generated in the low-side primary winding N L1 . In order to avoid backflow from occurring in the commutation control circuit 11 due to this, a backflow prevention diode D G2 is inserted in the low side portion of the commutation control circuit 11.

整流回路12において導通状態となっている整流ダイオードはDH1,DH2,DL1,DL2の4つすべてである。 All four rectifier diodes D H1 , D H2 , D L1 , and D L2 are conductive in the rectifier circuit 12.

〔B3〕LC共振(図16(a)参照)
上記〔B2〕の状態で共振用のリアクトルLrを流れる電流が出力用のリアクトルLoutを流れる電流を超えると、共振用のコンデンサCr1,Cr2が充放電を開始する。すなわち、共振用のコンデンサCr1→ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1→ハイサイドの一次巻線NH1→共振用のリアクトルLr→共振用のコンデンサCr1の経路と、共振用のコンデンサCr2→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1→ハイサイドの一次巻線NH1→共振用のリアクトルLr→共振用のコンデンサCr2の経路で電流が流れ、共振動作が開始される。
[B3] LC resonance (see FIG. 16A)
When the current flowing through the resonance reactor Lr exceeds the current flowing through the output reactor Lout in the state [B2], the resonance capacitors C r1 and C r2 start charging and discharging. That is, the resonance capacitor C r1 → the high-side commutation switching element Q t1 → the high-side primary winding NH 1 → the resonance reactor Lr → the path of the resonance capacitor C r1 and the resonance capacitor C r2 → First smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) → High-side commutation switching element Q t1 → High-side primary winding N H1 → Resonance reactor Lr → Resonance capacitor C r2 The resonance operation is started.

この場合も、図15(b)の場合と同様にローサイドの一次巻線NL1に上向きの逆起電力Eを発生させる。 Also in this case, an upward counter electromotive force E is generated in the low-side primary winding N L1 as in the case of FIG.

整流回路12での電流の流れは上記〔B2〕と同様のものとなる(図15(b)参照)。この場合も、整流回路12において導通状態となっている整流ダイオードはDH1,DH2,DL1,DL2の4つすべてである。 The current flow in the rectifier circuit 12 is the same as [B2] (see FIG. 15B). Also in this case, all four rectifier diodes D H1 , D H2 , D L1 , and D L2 are conductive in the rectifier circuit 12.

〔B4〕定常状態への遷移(図16(b)参照)
そして、共振用のコンデンサCr1の両端電圧つまりハイサイドのメインスイッチング素子Qm1の印加電圧が0レベルになった時点でそのメインスイッチング素子Qm1がターンオンする。このメインスイッチング素子Qm1のターンオンは、高周波共振現象によるソフトスイッチング(ゼロ電圧スイッチング(ZVS))を利用するものであり、スイッチングロスが軽減されている。
[B4] Transition to steady state (see FIG. 16B)
When the voltage across the resonance capacitor C r1 , that is, the voltage applied to the high-side main switching element Q m1 becomes 0 level, the main switching element Q m1 is turned on. The turn-on of the main switching element Q m1 uses soft switching (zero voltage switching (ZVS)) due to a high frequency resonance phenomenon, and switching loss is reduced.

ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1がターンオンした時点から共振用のリアクトルLrに流れる電流が徐々に減少し、それまで第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1→ハイサイドの一次巻線NH1→共振用のリアクトルLr→出力用のリアクトルLout→バッテリB→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)の経路で流れていた電流が、第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1→出力用のリアクトルLout→バッテリB→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)の経路の流れへと遷移する。 From the time when the high-side main switching element Q m1 is turned on, the current flowing through the resonance reactor Lr gradually decreases until the first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) → the high-side commutation switching element Q t1. → High-side primary winding N H1 → Resonance reactor Lr → Output reactor Lout → Battery B → The current flowing in the path of the first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) is the first smoothing capacitor A transition is made from the flow of C1 (bidirectional inverter) → high-side main switching element Q m1 → output reactor Lout → battery B → first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter).

この場合も、上記同様にローサイドの一次巻線NL1に上向きの逆起電力Eを発生させる。 Also in this case, an upward counter electromotive force E is generated in the low-side primary winding N L1 in the same manner as described above.

整流回路12での電流の流れは上記〔B2〕,〔B3〕と同様のものとなる(図15(b)、図16(a)参照)。この場合も、整流回路12において導通状態となっている整流ダイオードはDH1,DH2,DL1,DL2の4つすべてである。 The current flow in the rectifier circuit 12 is the same as [B2] and [B3] described above (see FIGS. 15B and 16A). Also in this case, all four rectifier diodes D H1 , D H2 , D L1 , and D L2 are conductive in the rectifier circuit 12.

〔B5〕定常状態(図17(a)参照)
共振用のリアクトルLrの電流が無くなり、ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1がターンオフする。この転流用スイッチング素子Qt1のターンオフはソフトスイッチング(ゼロ電流スイッチング(ZCS))を利用するものであり、スイッチングロスが軽減されている。この定常状態では、電流は、第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1→出力用のリアクトルLout→バッテリB→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)の経路のみを流れることになる。したがって、出力用のリアクトルLoutがエネルギーを放出する。
[B5] Steady state (see FIG. 17A)
The current in the resonance reactor Lr disappears, and the high-side commutation switching element Q t1 is turned off. The turn-off of the commutation switching element Q t1 uses soft switching (zero current switching (ZCS)), and switching loss is reduced. In this steady state, the current is as follows: first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) → high-side main switching element Q m1 → output reactor Lout → battery B → first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) It will flow only on the route. Therefore, the output reactor Lout releases energy.

ハイサイドの一次巻線NH1には電流が流れないので、整流回路12では電流が停止する。 Since no current flows through the high-side primary winding N H1 , the current stops in the rectifier circuit 12.

〔B6〕転流開始(図17(b)参照)
ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1がターンオフされる。その瞬間から電流が共振用のコンデンサCr1へ転流し、共振用のコンデンサCr1へ充電が行われる。メインスイッチング素子Qm1の両端電圧がゆっくり上昇するのに対し、電流は素早く共振用のコンデンサCr1へ転移するため、スイッチングロスはほとんど生じない。この状態では、電流は、第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→共振用のコンデンサCr1→出力用のリアクトルLout→バッテリB→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)の経路のみを流れることになる。
[B6] Commutation start (see FIG. 17B)
The high-side main switching element Q m1 is turned off. Its instantaneous current from the commutated to the capacitor C r1 for resonance, charging is performed to the capacitor C r1 for resonance. While the voltage across the main switching element Q m1 rises slowly, the current quickly transfers to the resonance capacitor C r1 , so that almost no switching loss occurs. In this state, the current flows only through the path of the first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) → resonance capacitor C r1 → output reactor Lout → battery B → first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter). Will flow.

上記の〔B1〕〜〔B6〕のように推移する動作において、転流制御回路11から整流回路12への磁気結合による電磁誘導の状態は次のようになっている。   In the transition operation as in [B1] to [B6] above, the state of electromagnetic induction by magnetic coupling from the commutation control circuit 11 to the rectifier circuit 12 is as follows.

充電モードの場合に図15(a)の状態と図17(a)の状態を突き合わせることで大局的に降圧チョッパの構成を見ると、第1の平滑コンデンサC1の両端子間にメインスイッチング素子Qm1とダイオードDm2(ローサイドのメインスイッチング素子Qm2の逆並列接続の寄生ダイオード)との直列回路が接続され、さらにダイオードDm2の両端子間に出力用のリアクトルLoutと第2の平滑コンデンサC2との直列回路が接続されていて、これは降圧チョッパの機能を有している。 When the configuration of the step-down chopper is viewed globally by matching the state of FIG. 15A and the state of FIG. 17A in the charging mode, the main switching element is connected between both terminals of the first smoothing capacitor C1. A series circuit of Q m1 and a diode D m2 (an antiparallel connection parasitic diode of the low-side main switching element Q m2 ) is connected, and an output reactor Lout and a second smoothing capacitor are connected between both terminals of the diode D m2. A series circuit with C2 is connected, which has the function of a step-down chopper.

ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1のスイッチングによって降圧チョッパの機能を発揮させるのであるが、そのメインスイッチング素子Qm1をターンオンさせるに際して、その前段階で、ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1をオンにすることでハイサイドのメインスイッチング素子Qm1をソフトスイッチング方式でターンオンさせることができ、変換効率を向上させることができる。 The function of the step-down chopper is exhibited by switching of the high-side main switching element Q m1 , but when the main switching element Q m1 is turned on, the high-side commutation switching element Q t1 is turned on in the previous stage. As a result, the high-side main switching element Q m1 can be turned on by the soft switching method, and the conversion efficiency can be improved.

“高効率・双方向絶縁型DCDCコンバータ”、[online]、2014年、ポニー電機株式会社、[平成30年1月11日検索]、インターネット<URL:http://pony-e.jp/High_efficiency_bi-directional_insulated_DCDCconverter.pdf>“High-efficiency, bi-directional insulated DC-DC converter”, [online], 2014, Pony Electric Co., Ltd. [searched on January 11, 2018], Internet <URL: http: //pony-e.jp/High_efficiency_bi -directional_insulated_DCDCconverter.pdf>

上記の従来例にあっては、ARCP回路10における転流制御回路11と整流回路12とを磁気結合するトランスを充放電兼用のトランスとしている。すなわち、トランスの一次巻線を、ハイサイドの一次巻線NH1とローサイドの一次巻線NL1とを直結したセンタータップ方式の巻線としている。二次巻線NHL2はセンタータップ方式の一対の一次巻線NH1,NL1に共通の巻線となっている。鉄心がハイサイドの一次巻線NH1、ローサイドの一次巻線NL1および二次巻線NHL2の3つの巻線で共有されているため、上記したように、放電モードにおいては、ローサイドの一次巻線NL1に電流が流れることに起因してハイサイドの一次巻線NH1に上向きの逆起電力Eが発生し、また、充電モードにおいては、ハイサイドの一次巻線NH1に電流が流れることに起因してローサイドの一次巻線NL1に上向きの逆起電力Eが発生することになる。そこで、転流制御回路11に逆流が生じることを回避するために、逆流防止用のダイオードDG1,DG2を挿入している。 In the above conventional example, the transformer that magnetically couples the commutation control circuit 11 and the rectifier circuit 12 in the ARCP circuit 10 is used as a charge / discharge transformer. That is, the primary winding of the transformer is a center tap type winding in which the high-side primary winding N H1 and the low-side primary winding N L1 are directly connected. The secondary winding N HL2 is a common winding for the pair of primary windings N H1 and N L1 of the center tap type. Since the iron core is shared by the three windings of the high side primary winding N H1, the low side primary winding N L1 and the secondary winding N HL2 , as described above, in the discharge mode, the low side primary winding An upward counter electromotive force E is generated in the high-side primary winding N H1 due to the current flowing in the winding N L1 , and in the charging mode, current is supplied to the high-side primary winding N H1. Due to the flow, an upward counter electromotive force E is generated in the low-side primary winding N L1 . Therefore, in order to avoid the occurrence of backflow in the commutation control circuit 11, diodes D G1 and D G2 for backflow prevention are inserted.

しかし、これら2つの逆流防止用のダイオードDG1,DG2に電流が流れる期間は全期間の約半分ほどもあり(図12(b)、図13(a),(b)、図15(b)、図16(a),(b)参照),大きな損失を招いていた。 However, the period during which current flows through these two backflow prevention diodes D G1 and D G2 is about half of the total period (FIGS. 12B, 13A, 13B, and 15B). 16) (see FIGS. 16A and 16B), a large loss was incurred.

近時の蓄電システムにあっては、コスト低減のために蓄電池の直列数を減らす傾向にある。しかし、蓄電池の直列数を減らすと電池電圧も低下するため、双方向DC/DCコンバータにおける昇降圧チョッパの昇降圧比を増加させなければならず、それが原因で変換効率の悪化を招いていた。   In recent power storage systems, the number of storage batteries in series tends to be reduced for cost reduction. However, since the battery voltage decreases when the number of storage batteries in series is reduced, the step-up / step-down ratio of the step-up / step-down chopper in the bidirectional DC / DC converter must be increased, which causes deterioration in conversion efficiency.

上記したARCP回路を備えた双方向DC/DCコンバータは、ARCP回路を備えないものに比べて変換効率が優れているものの、上記した逆流防止に起因する損失のため、近時の昇降圧チョッパの昇降圧比の増加に伴う変換効率の悪化を補う観点からは、さらなる改良の余地が残されていた。   Although the bidirectional DC / DC converter having the above-mentioned ARCP circuit is superior in conversion efficiency compared to the one not having the ARCP circuit, due to the loss caused by the above-described backflow prevention, From the viewpoint of compensating for the deterioration of the conversion efficiency accompanying the increase in the step-up / step-down ratio, there remains room for further improvement.

本発明はこのような事情に鑑みて創作したものであり、双方向DC/DCコンバータに関して、変換効率のさらなる改善を図ることを目的としている。   The present invention was created in view of such circumstances, and an object of the present invention is to further improve the conversion efficiency of a bidirectional DC / DC converter.

本発明は、次の手段を講じることにより上記の課題を解決する。   The present invention solves the above problems by taking the following measures.

本発明による双方向DC/DCコンバータは、
一方端側のハイサイド入出力端子とローサイド入出力端子との間に接続された第1の平滑コンデンサと、
他方端側のハイサイド入出力端子とローサイド入出力端子との間に接続された第2の平滑コンデンサと、
前記一方端側のハイサイド入出力端子と前記他方端側のハイサイド入出力端子とを接続するハイサイドラインに挿入されたハイサイドのメインスイッチング素子と出力用のリアクトルとの直列回路と、
前記一方端側のローサイド入出力端子と前記他方端側のローサイド入出力端子とを接続するローサイドラインと、前記ハイサイドのメインスイッチング素子と前記出力用のリアクトルを接続する第1の接続ノードとの間に挿入されたローサイドのメインスイッチング素子と、
前記ハイサイドラインと前記ローサイドラインとの間に接続されたARCP回路とを備え、
前記ARCP回路は転流制御回路と整流回路からなり、
前記転流制御回路は、
前記第1の接続ノードに一端が接続された共振用のリアクトルと、前記共振用のリアクトルの他端に接続されたトランスと、前記トランスの一次巻線と前記ハイサイドラインとの間に接続されたハイサイドの転流用スイッチング素子と、前記トランスの一次巻線と前記ローサイドラインとの間に接続されたローサイドの転流用スイッチング素子とを有し、
前記整流回路は、前記トランスの二次巻線に誘起される電力を受電可能な状態で前記ハイサイドラインと前記ローサイドラインとの間に接続され、前記第1の平滑コンデンサに対して前記ハイサイドライン側から前記ローサイドライン側に向けた一方向にのみ電流を供給するように構成され、
前記トランスは、
前記ハイサイドの転流用スイッチング素子に一次巻線が接続されたハイサイドのトランスと、前記ローサイドの転流用スイッチング素子に一次巻線が接続されたローサイドのトランスとを有し、前記ハイサイドのトランスと前記ローサイドのトランスとが実質的に磁気結合することなく互いに分離配置されていることを特徴とする。
The bidirectional DC / DC converter according to the present invention includes:
A first smoothing capacitor connected between a high-side input / output terminal on one end side and a low-side input / output terminal;
A second smoothing capacitor connected between the high-side input / output terminal on the other end side and the low-side input / output terminal;
A series circuit of a high-side main switching element and an output reactor inserted in a high-side line connecting the one-side high-side input / output terminal and the other-side high-side input / output terminal;
A low-side line connecting the low-side input / output terminal on the one end side and the low-side input / output terminal on the other end side, and a first connection node connecting the high-side main switching element and the output reactor. A low-side main switching element inserted between,
An ARCP circuit connected between the high side line and the low side line;
The ARCP circuit comprises a commutation control circuit and a rectifier circuit,
The commutation control circuit includes:
A resonance reactor having one end connected to the first connection node, a transformer connected to the other end of the resonance reactor, and a primary winding of the transformer and the high side line. A high-side commutation switching element, and a low-side commutation switching element connected between the primary winding of the transformer and the low-side line,
The rectifier circuit is connected between the high side line and the low side line in a state capable of receiving power induced in the secondary winding of the transformer, and is connected to the high side with respect to the first smoothing capacitor. It is configured to supply current only in one direction from the line side toward the low side line side,
The transformer is
A high-side transformer having a primary winding connected to the high-side commutation switching element; and a low-side transformer having a primary winding connected to the low-side commutation switching element. And the low-side transformer are separated from each other without being substantially magnetically coupled.

上記した従来例との比較において本発明の特徴を記述すると、転流制御回路と整流回路との磁気結合のための構成要素について、従来、充放電兼用トランスとしていたところ、本発明では、放電用トランスと充電用トランスとに分離した構成とすることを特徴としている。   When the features of the present invention are described in comparison with the above-described conventional example, the component for magnetic coupling between the commutation control circuit and the rectifier circuit has been conventionally used as a charge / discharge transformer. It is characterized by having a structure separated into a transformer and a charging transformer.

このように転流制御回路と整流回路との磁気結合のためのトランスについて、従来の充放電兼用トランスに代えて、放電用トランスと充電用トランスとに分離してあるので、ARCP回路でソフトスイッチングの共振動作をさせるに際し、ローサイドの一次巻線に対する励磁がハイサイドの一次巻線に逆起電力を発生させることがなく、またハイサイドの一次巻線に対する励磁がローサイドの一次巻線に逆起電力を発生させることもない。その結果、ARCP回路のハイサイド部分にもローサイド部分にも従来例のように逆流防止用のダイオードを挿入する必要がなくなり、その逆流防止用のダイオードで消費される電力を節約することが可能となる。   As described above, the transformer for magnetic coupling between the commutation control circuit and the rectifier circuit is separated into the discharge transformer and the charge transformer instead of the conventional charge / discharge transformer. When the resonant operation is performed, the excitation for the low-side primary winding does not generate back electromotive force in the high-side primary winding, and the excitation for the high-side primary winding does not occur in the low-side primary winding. It does not generate power. As a result, it is not necessary to insert a backflow preventing diode in the high side portion and the low side portion of the ARCP circuit as in the conventional example, and the power consumed by the backflow preventing diode can be saved. Become.

また、整流回路において第1の平滑コンデンサへ充電を行わせるために備える整流ダイオードの回路構成を簡素化して、その整流ダイオードでの損失を低減することが可能となる。   In addition, it is possible to simplify the circuit configuration of the rectifier diode provided for charging the first smoothing capacitor in the rectifier circuit, and to reduce the loss in the rectifier diode.

上記構成の本発明の双方向DC/DCコンバータには、次のような好ましい態様がある。すなわち、
前記ハイサイドおよびローサイドの二次巻線はいずれもセンタータップ方式の巻線に構成され、
前記ハイサイドのセンタータップ方式の二次巻線は、その一端および他端がそれぞれ整流ダイオードを介して前記ハイサイドラインに接続され、そのセンタータップが前記ローサイドラインに直接に接続され、
前記ローサイドのセンタータップ方式の二次巻線は、その一端および他端がそれぞれ整流ダイオードを介して前記ローサイドラインに接続され、そのセンタータップが前記ハイサイドラインに直接に接続されている、という態様がある。このように構成すれば、放電モードと充電モードの両モードですべての整流ダイオードを導通させる必要がなく、各モード専用の整流ダイオードの状態で配線すればよいので、整流ダイオードでの損失を低減する構成が簡単になる。
The bidirectional DC / DC converter of the present invention having the above configuration has the following preferred modes. That is,
The high side and low side secondary windings are both configured as center tap type windings,
The high-side center tap type secondary winding has one end and the other end connected to the high-side line via rectifier diodes, and the center tap is directly connected to the low-side line,
The low-side center tap type secondary winding has one end and the other end connected to the low-side line via rectifier diodes, and the center tap is directly connected to the high-side line. There is. With this configuration, it is not necessary to conduct all the rectifier diodes in both the discharge mode and the charge mode, and it is only necessary to wire in the state of the rectifier diode dedicated to each mode, thereby reducing the loss in the rectifier diode. Configuration is simplified.

また、本発明による別の双方向DC/DCコンバータは、
一方端側のハイサイド入出力端子とローサイド入出力端子との間に接続された第1の平滑コンデンサと、
他方端側のハイサイド入出力端子とローサイド入出力端子との間に接続された第2の平滑コンデンサと、
前記一方端側のハイサイド入出力端子と前記他方端側のハイサイド入出力端子とを接続するハイサイドラインに挿入されたハイサイドのメインスイッチング素子と出力用のリアクトルとの直列回路と、
前記一方端側のローサイド入出力端子と前記他方端側のローサイド入出力端子とを接続するローサイドラインと、前記ハイサイドのメインスイッチング素子と前記出力用のリアクトルを接続する第1の接続ノードとの間に挿入されたローサイドのメインスイッチング素子と、
前記ハイサイドラインと前記ローサイドラインとの間に接続されたARCP回路とを備え、
前記ARCP回路は転流制御回路と整流回路からなり、
前記転流制御回路は、
前記第1の接続ノードに一端が接続された共振用のリアクトルと、前記共振用のリアクトルの他端に接続されたトランスと、前記トランスの一次巻線と前記ハイサイドラインとの間に接続されたハイサイドの転流用スイッチング素子と、前記トランスの一次巻線と前記ローサイドラインとの間に接続されたローサイドの転流用スイッチング素子とを有し、
前記整流回路は、前記トランスの二次巻線に誘起される電力を受電可能な状態で前記ハイサイドラインと前記ローサイドラインとの間に接続され、前記第1の平滑コンデンサに対して前記ハイサイドライン側から前記ローサイドライン側に向けた一方向にのみ電流を供給するように構成され、
前記トランスは、
前記一次巻線がセンタータップを境にハイサイド一次巻線部分とローサイド一次巻線部分とからなり、前記センタータップが前記共振用のリアクトルに接続され、前記ハイサイド一次巻線部分が前記ハイサイドの転流用スイッチング素子と接続され、前記ローサイド一次巻線部分が前記ローサイドの転流用スイッチング素子に接続されているとともに、前記ハイサイド一次巻線部分と前記ローサイド一次巻線部分とは互いに逆方向に巻かれていることを特徴とする。
Another bidirectional DC / DC converter according to the present invention is:
A first smoothing capacitor connected between a high-side input / output terminal on one end side and a low-side input / output terminal;
A second smoothing capacitor connected between the high-side input / output terminal on the other end side and the low-side input / output terminal;
A series circuit of a high-side main switching element and an output reactor inserted in a high-side line connecting the one-side high-side input / output terminal and the other-side high-side input / output terminal;
A low-side line connecting the low-side input / output terminal on the one end side and the low-side input / output terminal on the other end side, and a first connection node connecting the high-side main switching element and the output reactor. A low-side main switching element inserted between,
An ARCP circuit connected between the high side line and the low side line;
The ARCP circuit comprises a commutation control circuit and a rectifier circuit,
The commutation control circuit includes:
A resonance reactor having one end connected to the first connection node, a transformer connected to the other end of the resonance reactor, and a primary winding of the transformer and the high side line. A high-side commutation switching element, and a low-side commutation switching element connected between the primary winding of the transformer and the low-side line,
The rectifier circuit is connected between the high side line and the low side line in a state capable of receiving power induced in the secondary winding of the transformer, and is connected to the high side with respect to the first smoothing capacitor. It is configured to supply current only in one direction from the line side toward the low side line side,
The transformer is
The primary winding includes a high side primary winding portion and a low side primary winding portion with a center tap as a boundary, the center tap is connected to the resonance reactor, and the high side primary winding portion is the high side And the low-side primary winding portion is connected to the low-side commutation switching element, and the high-side primary winding portion and the low-side primary winding portion are opposite to each other. It is characterized by being wound.

転流制御回路と整流回路との磁気結合のための構成要素であるトランスについて、センタータップ方式の一次巻線を有するタイプのトランスであっても、その一次巻線におけるハイサイド一次巻線部分とローサイド一次巻線部分との巻き方向を互いに逆にすることで、動作上、使用していない側の巻線に発生する電圧によって電流が流れるルートが存在しない。具体的には、ARCP回路でソフトスイッチングの共振動作をさせるに際し、ローサイドの転流用スイッチング素子を導通させた際にハイサイド一次巻線部分に電圧が発生しても当該発生した電圧により電流が流れるルートが存在しない。また、ハイサイドの転流用スイッチング素子を導通させた際にローサイド一次巻線部分に電圧が発生しても当該発生した電圧により電流が流れるルートが存在しない。その結果、ARCP回路のハイサイド部分にもローサイド部分にも従来例のように逆流防止用のダイオードを挿入する必要がなくなり、その逆流防止用のダイオードで消費される電力を節約することが可能となる。   About the transformer which is a component for magnetic coupling of the commutation control circuit and the rectifier circuit, even if it is a type of transformer having a center tap type primary winding, the high side primary winding portion in the primary winding and By reversing the winding direction with the low-side primary winding portion, there is no route through which current flows due to the voltage generated in the winding on the unused side. Specifically, when the soft switching resonance operation is performed in the ARCP circuit, even when a voltage is generated in the high-side primary winding portion when the low-side commutation switching element is turned on, a current flows due to the generated voltage. There is no root. Further, even when a voltage is generated in the low-side primary winding portion when the high-side commutation switching element is turned on, there is no route through which current flows due to the generated voltage. As a result, it is not necessary to insert a backflow preventing diode in the high side portion and the low side portion of the ARCP circuit as in the conventional example, and the power consumed by the backflow preventing diode can be saved. Become.

また、整流回路において第1の平滑コンデンサへ充電を行わせるために備える整流ダイオードの回路構成を簡素化して、その整流ダイオードでの損失を低減することが可能となる。   In addition, it is possible to simplify the circuit configuration of the rectifier diode provided for charging the first smoothing capacitor in the rectifier circuit, and to reduce the loss in the rectifier diode.

上記の磁気結合を相殺する方式の本発明の双方向DC/DCコンバータには、次のような好ましい態様がある。すなわち、前記二次巻線はセンタータップ方式の巻線に構成され、このセンタータップ方式の二次巻線はその一端および他端がそれぞれ整流ダイオードを介して前記ハイサイドラインに接続されている、という態様がある。このように構成すれば、第1の平滑コンデンサに対してハイサイドライン側からローサイドライン側に向けた一方向にのみ電流を供給する整流回路について、その回路構成を簡素化することが可能となる。   The bidirectional DC / DC converter of the present invention that cancels the magnetic coupling has the following preferred modes. That is, the secondary winding is configured as a center tap type winding, and one end and the other end of the center tap type secondary winding are respectively connected to the high side line via a rectifier diode. There is a mode. If comprised in this way, it will become possible to simplify the circuit structure about the rectifier circuit which supplies an electric current only to one direction toward the low side line side from the high side line side with respect to the 1st smoothing capacitor. .

本発明によれば、ARCP回路でソフトスイッチングの共振動作において、ローサイドの一次巻線とハイサイドの一次巻線との励磁の相互干渉をなくして、あるいはハイサイド一次巻線部分とローサイド一次巻線部分どうし間の二次巻線を介しての磁気結合を実質的に相殺することにより逆起電力の発生を防止するので、従来必要とした逆流防止用のダイオードを省略でき、電力消費の節約を図ることができる。また、第1の平滑コンデンサを充電するための整流ダイオードの回路構成を簡素化して、ダイオード損失を低減することができる。   According to the present invention, in the resonant operation of soft switching in the ARCP circuit, mutual interference of excitation between the low-side primary winding and the high-side primary winding is eliminated, or the high-side primary winding portion and the low-side primary winding are eliminated. Since the back electromotive force is prevented by substantially canceling the magnetic coupling through the secondary winding between the parts, the conventionally required reverse current prevention diode can be omitted, saving power consumption. Can be planned. In addition, the circuit configuration of the rectifier diode for charging the first smoothing capacitor can be simplified, and the diode loss can be reduced.

本発明の実施例における双方向DC/DCコンバータの構成を示す回路図The circuit diagram which shows the structure of the bidirectional | two-way DC / DC converter in the Example of this invention. 実施例の双方向DC/DCコンバータの動作説明図(その1)Operational explanatory diagram of bidirectional DC / DC converter of embodiment (part 1) 実施例の双方向DC/DCコンバータの動作説明図(その2)Operational explanatory diagram of the bidirectional DC / DC converter of the embodiment (part 2) 実施例の双方向DC/DCコンバータの動作説明図(その3)Operational explanatory diagram of the bidirectional DC / DC converter of the embodiment (part 3) 実施例の双方向DC/DCコンバータの動作説明図(その4)Operational explanatory diagram of the bidirectional DC / DC converter of the embodiment (No. 4) 実施例の双方向DC/DCコンバータの動作説明図(その5)Operational explanatory diagram of bidirectional DC / DC converter of embodiment (part 5) 実施例の双方向DC/DCコンバータの動作説明図(その6)Operational explanatory diagram of the bidirectional DC / DC converter of the embodiment (No. 6) 本発明の別の実施例における双方向DC/DCコンバータの構成を示す回路図The circuit diagram which shows the structure of the bidirectional | two-way DC / DC converter in another Example of this invention. 本発明のさらに別の実施例における双方向DC/DCコンバータの構成を示す回路図The circuit diagram which shows the structure of the bidirectional | two-way DC / DC converter in another Example of this invention. 本発明のさらに別の実施例における双方向DC/DCコンバータの構成を示す回路図The circuit diagram which shows the structure of the bidirectional | two-way DC / DC converter in another Example of this invention. 従来の双方向DC/DCコンバータの構成を示す回路図Circuit diagram showing the configuration of a conventional bidirectional DC / DC converter 従来の双方向DC/DCコンバータの動作説明図(その1)Operational explanatory diagram of a conventional bidirectional DC / DC converter (part 1) 従来の双方向DC/DCコンバータの動作説明図(その2)Operation explanatory diagram of a conventional bidirectional DC / DC converter (part 2) 従来の双方向DC/DCコンバータの動作説明図(その3)Operational explanatory diagram of a conventional bidirectional DC / DC converter (part 3) 従来の双方向DC/DCコンバータの動作説明図(その4)Operational explanatory diagram of a conventional bidirectional DC / DC converter (Part 4) 従来の双方向DC/DCコンバータの動作説明図(その5)Operational explanatory diagram of a conventional bidirectional DC / DC converter (part 5) 従来の双方向DC/DCコンバータの動作説明図(その6)Operational explanatory diagram of a conventional bidirectional DC / DC converter (Part 6)

以下、上記構成の本発明の双方向DC/DCコンバータにつき、その実施の形態を具体的な実施例のレベルで詳しく説明する。   Hereinafter, the embodiment of the bidirectional DC / DC converter of the present invention having the above configuration will be described in detail at the level of specific examples.

〔実施例〕
図1は本発明の実施例における双方向DC/DCコンバータの構成を示す回路図である。図1において、Tp1はインバータ側(本発明の「一方端側」)のハイサイド入出力端子、Tn1はインバータ側のローサイド入出力端子、Tp2はバッテリ側(本発明の「他方端側」)のハイサイド入出力端子、Tn2はバッテリ側のローサイド入出力端子、L1はハイサイド入出力端子Tp1とハイサイド入出力端子Tp2とを接続するハイサイドライン、L2はローサイド入出力端子Tn1とローサイド入出力端子Tn2とを接続するローサイドライン、C1はインバータ側のハイサイド入出力端子Tp1とローサイド入出力端子Tn1との間に接続された第1の平滑コンデンサ、C2はバッテリ側のハイサイド入出力端子Tp2とローサイド入出力端子Tn2との間に接続された第2の平滑コンデンサ、Qm1はハイサイドのメインスイッチング素子(NMOSトランジスタ)、Qm2はローサイドのメインスイッチング素子(NMOSトランジスタ)、Dm1はハイサイドのメインスイッチング素子Qm1の両端子間(ドレイン・ソース間)の逆並列接続のダイオード(寄生ダイオード)、Cr1は同じ両端子間の共振用のコンデンサ、Dm2はローサイドのメインスイッチング素子Qm2の両端子間(ドレイン・ソース間)の逆並列接続のダイオード(寄生ダイオード)、Cr2は同じ両端子間の共振用のコンデンサ、Loutは出力用のリアクトルである。
〔Example〕
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a bidirectional DC / DC converter in an embodiment of the present invention. In FIG. 1, T p1 is a high-side input / output terminal on the inverter side (“one end side” of the present invention), T n1 is a low-side input / output terminal on the inverter side, and T p2 is a battery side (“other end side of the present invention”). )) High-side input / output terminal, T n2 is a battery-side low-side input / output terminal, L1 is a high-side line connecting the high-side input / output terminal T p1 and the high-side input / output terminal T p2, and L2 is a low-side input / output A low-side line connecting the terminal T n1 and the low-side input / output terminal T n2 , C1 is a first smoothing capacitor connected between the high-side input / output terminal T p1 and the low-side input / output terminal T n1 on the inverter side, C2 second smoothing capacitor is connected between the high side input terminal T p2 and low side output terminal T n2 of the battery side, Q m1 is the high-side main switching element (NMOS Transistor), Q m @ 2 is low-side main switching element (NMOS transistor), D m1 is between both terminals of the high-side main switching element Q m1 (reverse parallel connection of a diode between the drain and source) (parasitic diode), C r1 Is a capacitor for resonance between the same terminals, D m2 is a diode (parasitic diode) connected in reverse parallel between both terminals (between drain and source) of the main switching element Q m2 on the low side, and Cr 2 is between the same terminals A resonance capacitor, Lout, is an output reactor.

ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1と出力用のリアクトルLoutとの直列回路がハイサイドラインL1に挿入されている。ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1はそのドレインがインバータ側のハイサイド入出力端子Tp1に接続され、そのソースが出力用のリアクトルLoutの一端に接続され、出力用のリアクトルLoutの他端がバッテリ側のハイサイド入出力端子Tp2に接続されている。ローサイドのメインスイッチング素子Qm2は、そのドレインがハイサイドのメインスイッチング素子Qm1と出力用のリアクトルLoutとの接続点である第1の接続ノードN1に接続され、そのソースがローサイドラインL2に接続されている。 A series circuit of the high-side main switching element Q m1 and the output reactor Lout is inserted into the high-side line L1. The high-side main switching element Q m1 has a drain connected to the inverter-side high-side input / output terminal T p1 , a source connected to one end of the output reactor Lout, and the other end of the output reactor Lout connected to the battery. Side high-side input / output terminal Tp2 . The low-side main switching element Q m2 has a drain connected to the first connection node N1 that is a connection point between the high-side main switching element Q m1 and the output reactor Lout, and a source connected to the low-side line L2. Has been.

10はハイサイドラインL1とローサイドラインL2との間に接続されたARCP(補助共振転流ポール)回路であり、転流制御回路11と整流回路12を備えている。   Reference numeral 10 denotes an ARCP (auxiliary resonant commutation pole) circuit connected between the high side line L1 and the low side line L2, and includes a commutation control circuit 11 and a rectifier circuit 12.

転流制御回路11の構成要素として、Lrは共振用のリアクトル、Qt1はハイサイドの転流用スイッチング素子(NMOSトランジスタ)、Qt2はローサイドの転流用スイッチング素子(NMOSトランジスタ)である。共振用のリアクトルLrの一端は第1の接続ノードN1に接続され、共振用のリアクトルLrの他端はトランス(後述する第2の接続ノードN2)に接続されている。整流回路12の構成要素として、DH1,DH2,DL1,DL2は整流ダイオードである。ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1は、トランスの一次巻線とハイサイドラインL1との間に接続され、ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2は、トランスの一次巻線とローサイドラインL2との間に接続されている。トランスは、転流制御回路11と整流回路12を磁気結合するハイサイドのトランスT1と、同じく転流制御回路11と整流回路12を磁気結合するローサイドのトランスT2とを有し、ハイサイドのトランスT1はハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1に接続されたハイサイドの一次巻線NH1とセンタータップ構成のハイサイドの二次巻線NH2を有し、ローサイドのトランスT2はローサイドの転流用スイッチング素子Qt2に接続されたローサイドの一次巻線NL1とセンタータップ構成のローサイドの二次巻線NL2を有している。 As constituent elements of the commutation control circuit 11, Lr is a resonance reactor, Qt1 is a high-side commutation switching element (NMOS transistor), and Qt2 is a low-side commutation switching element (NMOS transistor). One end of the resonance reactor Lr is connected to the first connection node N1, and the other end of the resonance reactor Lr is connected to a transformer (second connection node N2 described later). As components of the rectifier circuit 12, D H1 , D H2 , D L1 , and D L2 are rectifier diodes. The high-side commutation switching element Q t1 is connected between the primary winding of the transformer and the high-side line L1, and the low-side commutation switching element Q t2 is between the primary winding of the transformer and the low-side line L2. It is connected to the. The transformer includes a high-side transformer T1 that magnetically couples the commutation control circuit 11 and the rectifier circuit 12, and a low-side transformer T2 that similarly magnetically couples the commutation control circuit 11 and the rectifier circuit 12. T1 has a secondary winding N H2 of the high-side of the connected high-side primary winding N H1 and the center tap configuration commutation switching element Q t1 of the high-side, transformer T2 of the low-side low-side commutation A low-side primary winding N L1 connected to the switching element Q t2 and a low-side secondary winding N L2 having a center tap configuration are included.

ハイサイドラインL1とローサイドラインL2との間で、ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1とハイサイドのトランスT1の一次巻線NH1とローサイドの一次巻線NL1とローサイドの転流用スイッチング素子Qt2との直列回路が接続されている。ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1のドレインはハイサイドラインL1に接続され、ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2のソースがローサイドラインL2に接続されている。 Between the high side line L1 and the low-side line L2, commutating the high side switching element Q t1 and the primary winding of the high side of the transformer T1 N H1 and the low side of the primary winding N L1 and low-commutation switching element Q A series circuit with t2 is connected. The drain of the high-side commutation switching element Q t1 is connected to the high-side line L1, and the source of the low-side commutation switching element Q t2 is connected to the low-side line L2.

ARCP回路10における転流制御回路11の共振用のリアクトルLrとハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1の直列回路は、第1の接続ノードN1とハイサイドラインL1との間に接続されている。共振用のリアクトルLrは、ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1、ローサイドのメインスイッチング素子Qm2および出力用のリアクトルLoutを共通に接続する第1の接続ノードN1と、ハイサイドの一次巻線NH1とローサイドの一次巻線NL1とを接続する第2の接続ノードN2との間に接続されている。 The series circuit of the resonance reactor Lr of the commutation control circuit 11 and the high-side commutation switching element Q t1 in the ARCP circuit 10 is connected between the first connection node N1 and the high-side line L1. The resonance reactor Lr includes a first connection node N1 that commonly connects the high-side main switching element Q m1 , the low-side main switching element Q m2 and the output reactor Lout, and the high-side primary winding N H1. And a second connection node N2 connecting the low-side primary winding N L1 .

ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1のソースと第2の接続ノードN2との間にハイサイドの一次巻線NH1が接続され、ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2のドレインと第2の接続ノードN2との間にローサイドの一次巻線NL1が接続されている。すなわち、ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1とローサイドの転流用スイッチング素子Qt2との間に挿入されるトランスの一次巻線として、第2の接続ノードN2を間に挟む状態で、ハイサイドの一次巻線NH1とローサイドの一次巻線NL1とが分離された状態に配置されている。これら一次巻線NH1,NL1は、ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1とローサイドの転流用スイッチング素子Qt2とを直列に繋ぐラインに挿入されている。このように、ハイサイドラインL1と第2の接続ノードN2との間にハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1とハイサイドの一次巻線NH1との直列回路が接続されるとともに、ローサイドラインL2と第2の接続ノードN2との間にローサイドの転流用スイッチング素子Qt2とローサイドの一次巻線NL1との直列回路が接続されている。 The high-side primary winding NH1 is connected between the source of the high-side commutation switching element Qt1 and the second connection node N2, and the drain of the low-side commutation switching element Qt2 and the second connection node A low-side primary winding N L1 is connected to N2. That is, as the primary winding of the transformer inserted between the high-side commutation switching element Q t1 and the low-side commutation switching element Q t2 , the second connection node N2 is sandwiched therebetween, The primary winding N H1 and the low-side primary winding N L1 are arranged in a separated state. The primary windings N H1 and N L1 are inserted in a line connecting the high-side commutation switching element Q t1 and the low-side commutation switching element Q t2 in series. In this manner, a series circuit of the high-side commutation switching element Q t1 and the high-side primary winding N H1 is connected between the high-side line L1 and the second connection node N2, and the low-side line L2 And a second connection node N2, a series circuit of a low-side commutation switching element Q t2 and a low-side primary winding N L1 is connected.

整流回路12において、カソードがハイサイドラインL1に接続された整流ダイオードDH1と整流ダイオードDH2は、それぞれのアノードがハイサイドの二次巻線NH2の一端と他端に接続され、その二次巻線NH2のセンタータップがローサイドラインL2に接続されている。また、アノードがローサイドラインL2に接続された整流ダイオードDL1と整流ダイオードDL2は、それぞれのカソードがローサイドの二次巻線NL2の一端と他端に接続され、その二次巻線NL2のセンタータップがハイサイドラインL1に接続されている。整流回路12は、ハイサイドおよびローサイドのトランスT1,T2の二次巻線NH2,NL2に誘起される電力を受電可能な状態でハイサイドラインL1とローサイドラインL2との間に接続されている。整流回路12における整流ダイオードDH1,DH2,DL1,DL2のいずれも、第1の平滑コンデンサC1に対してハイサイドラインL1側からローサイドラインL2側に向けた一方向にのみ電流を供給する。 In the rectifier circuit 12, the rectifier diode D H1 and the rectifier diode D H2 whose cathodes are connected to the high side line L1 have their anodes connected to one end and the other end of the high side secondary winding N H2. the center tap of the primary winding N H2 is connected to the low side line L2. Further, the rectifier diode D L1 and the rectifying diode D L2 whose anode is connected to the low side line L2, each cathode connected to one end and the other end of the low-side of the secondary winding N L2, the secondary winding N L2 The center tap is connected to the high side line L1. The rectifier circuit 12 is connected between the high side line L1 and the low side line L2 in a state where it can receive power induced in the secondary windings N H2 and N L2 of the high side and low side transformers T1 and T2. Yes. All of the rectifier diodes D H1 , D H2 , D L1 , and D L2 in the rectifier circuit 12 supply current to the first smoothing capacitor C1 only in one direction from the high side line L1 side to the low side line L2 side. To do.

ハイサイドの一次巻線NH1は、ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1と、第2の接続ノードN2とハイサイドラインL1との間に挿入されている。また、ローサイドの一次巻線NL1は、ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2と、第2の接続ノードN2との間に挿入されている。ハイサイドの二次巻線NH2は、ハイサイドの一次巻線NH1に磁気結合した状態で整流回路12に接続されている。また、ローサイドの二次巻線NL2は、ローサイドの一次巻線NL1に磁気結合した状態で整流回路12に接続されている。 The high-side primary winding NH1 is inserted between the high-side commutation switching element Qt1 , the second connection node N2, and the high-side line L1. The low-side primary winding N L1 is inserted between the low-side commutation switching element Q t2 and the second connection node N2. The high-side secondary winding N H2 is connected to the rectifier circuit 12 in a magnetically coupled state to the high-side primary winding N H1 . The low-side secondary winding N L2 is connected to the rectifier circuit 12 in a state of being magnetically coupled to the low-side primary winding N L1 .

次に、上記のように構成された実施例の双方向DC/DCコンバータの動作を説明する。   Next, the operation of the bidirectional DC / DC converter of the embodiment configured as described above will be described.

(A)放電モード
(A1)出力用のリアクトルLoutの放電(図2(a)参照)
ハイサイドおよびローサイドのメインスイッチング素子Qm1,Qm2、ハイサイドおよびローサイドの転流用スイッチング素子Qt1,Qt2のいずれもがオフ状態にあって、出力用のリアクトルLoutがエネルギーを放出し、第2の平滑コンデンサC2に並列接続されたバッテリB→出力用のリアクトルLout→ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1の逆並列接続の寄生ダイオードDm1→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→バッテリBの経路で電流が流れる。ここで、第1の平滑コンデンサC1間の印加電圧、すなわち、端子Tp1と端子Tn1間の電圧は当該端子間に接続された双方向インバータに出力され、双方向インバータを介して端子Tp1から端子Tn1に向けて電流が流れる。これは、転流動作以前の定常状態である。転流前にあっては、転流制御回路11には電流は流れず、整流回路12にも電流は流れない。
(A) Discharge mode (A1) Discharge of the output reactor Lout (see FIG. 2A)
Both the high-side and low-side main switching elements Q m1 and Q m2 and the high-side and low-side commutation switching elements Q t1 and Q t2 are in the off state, and the output reactor Lout releases energy. parasitic diode D parallel-connected battery B → reverse parallel connection of the main switching element Q m1 of the reactor Lout → the high side for the output 2 of the smoothing capacitor C2 m1 → first smoothing capacitor C1 (bi-directional inverter) → battery A current flows through the path B. Here, the voltage applied between the first smoothing capacitor C1, i.e., the voltage between the terminals T p1 and the terminal T n1 is output to bi-directional inverter connected between the terminals, the terminal T p1 via the bi-directional inverter Current flows from the terminal to the terminal T n1 . This is a steady state before the commutation operation. Before the commutation, no current flows through the commutation control circuit 11 and no current flows through the rectifier circuit 12.

(A2)転流開始(図2(b)参照)
転流制御回路11におけるローサイドの転流用スイッチング素子Qt2がターンオンされる。すると、上記(A1)でハイサイドのメインスイッチング素子Qm1の逆並列接続の寄生ダイオードDm1を流れていた電流が徐々にローサイドの転流用スイッチング素子Qt2の側に転流し、バッテリB→出力用のリアクトルLout→共振用のリアクトルLr→ローサイドの一次巻線NL1→ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2→バッテリBの経路で電流が流れる。
(A2) Commutation start (see FIG. 2B)
The low-side commutation switching element Q t2 in the commutation control circuit 11 is turned on. Then, in (A1), the current flowing through the antiparallel-connected parasitic diode D m1 of the high-side main switching element Q m1 is gradually commutated to the low-side commutation switching element Q t2 , and the battery B → output Current flows in the path of the reactor Lout for the resonance, the reactor Lr for the resonance, the primary winding N L1 for the low side, the switching element Q t2 for the low side commutation, and the battery B.

ローサイドの一次巻線NL1からローサイドの二次巻線NL2に誘起された電力により、整流回路12において、二次巻線NL2の上半分→センタータップ→ハイサイドラインL1→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→整流ダイオードDL1→二次巻線NL2の上半分の経路と、二次巻線NL2の下半分→センタータップ→ハイサイドラインL1→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→整流ダイオードDL2→二次巻線NL2の下半分の経路とに電流が流れ、バッテリBの放電によって第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)に対する充電が行われる。この場合、整流回路12において導通状態となっている整流ダイオードはDL1,DL2の2つのみであり、DH1,DH2の2つには電流が流れない In the rectifier circuit 12, the upper half of the secondary winding N L2 → the center tap → the high side line L1 → the first smoothing in the rectifier circuit 12 by the power induced from the low side primary winding N L1 to the low side secondary winding N L2 capacitor C1 (bi-directional inverter) → rectifier diode D L1 → the path of the upper half of the secondary winding N L2, the lower half of the secondary winding N L2 → the center tap → the high side line L1 → the first smoothing capacitor C1 (Bidirectional inverter) → Rectifier diode D L2 → Current flows through the lower half path of the secondary winding N L2 , and the battery B discharges to charge the first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter). In this case, there are only two rectifier diodes D L1 and D L2 in the conductive state in the rectifier circuit 12, and no current flows through the two D H1 and D H2 .

(A3)LC共振(図3(a)参照)
上記(A2)の状態で共振用のリアクトルLrを流れる電流が出力用のリアクトルLoutを流れる電流を超えると、共振用のコンデンサCr1,Cr2が充放電を開始する。すなわち、共振用のコンデンサCr1→共振用のリアクトルLr→ローサイドの一次巻線NL1→ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2→ローサイドラインL2→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→ハイサイドラインL1→共振用のコンデンサCr1の経路と、共振用のコンデンサCr2→共振用のリアクトルLr→一次巻線NL1→ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2→ローサイドラインL2→共振用のコンデンサCr2の経路で電流が流れ、共振動作が開始される。
(A3) LC resonance (see FIG. 3A)
When the current flowing through the resonance reactor Lr exceeds the current flowing through the output reactor Lout in the state (A2), the resonance capacitors C r1 and C r2 start charging and discharging. That is, resonance capacitor C r1 → resonance reactor Lr → low side primary winding N L1 → low side commutation switching element Q t2 → low side line L2 → first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) → high side Line L1 → Resonance capacitor C r1 and resonance capacitor C r2 → Resonance reactor Lr → Primary winding N L1 → Low side commutation switching element Q t2 → Low side line L2 → Resonance capacitor C A current flows through the path r2 , and resonance operation is started.

なお、整流回路12での電流の流れは上記(A2)と同様のものとなる(図2(b)参照)。この場合も、整流回路12において導通状態となっている整流ダイオードはDL1,DL2の2つのみであり、DH1,DH2の2つには電流が流れない。 The current flow in the rectifier circuit 12 is the same as (A2) (see FIG. 2B). Also in this case, there are only two rectifier diodes D L1 and D L2 in the conductive state in the rectifier circuit 12, and no current flows through the two D H1 and D H2 .

(A4)定常状態への遷移(図3(b)参照)
そして、共振用のコンデンサCr2の両端電圧つまりローサイドのメインスイッチング素子Qm2の印加電圧が0レベルになった時点でそのメインスイッチング素子Qm2がターンオンする。このメインスイッチング素子Qm2のターンオンは、高周波共振現象によるソフトスイッチング(ゼロ電圧スイッチング(ZVS))を利用するものであり、スイッチングロスが軽減されている。
(A4) Transition to steady state (see FIG. 3B)
Then, when the voltage across the resonance capacitor Cr2 , that is, the voltage applied to the low-side main switching element Qm2 becomes 0 level, the main switching element Qm2 is turned on. The turn-on of the main switching element Q m2 uses soft switching (zero voltage switching (ZVS)) due to a high frequency resonance phenomenon, and switching loss is reduced.

ローサイドのメインスイッチング素子Qm2がターンオンした時点から共振用のリアクトルLrに流れる電流が徐々に減少し、それまでバッテリB→出力用のリアクトルLout→共振用のリアクトルLr→ローサイドの一次巻線NL1→ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2→バッテリBの経路で流れていた電流が、バッテリB→出力用のリアクトルLout→ローサイドのメインスイッチング素子Qm2→バッテリBの経路の流れへと遷移する。 From the time when the low-side main switching element Q m2 is turned on, the current flowing through the resonance reactor Lr gradually decreases. Until then, the battery B → the output reactor Lout → the resonance reactor Lr → the low-side primary winding N L1 → Low-side commutation switching element Q t2 → Current flowing in the path of battery B transitions from battery B → output reactor Lout → low-side main switching element Q m2 → flow of battery B path.

なお、整流回路12での電流の流れは上記(A2),(A3)と同様のものとなる(図2(b)、図3(a)参照)。この場合も、整流回路12において導通状態となっている整流ダイオードはDL1,DL2の2つのみであり、DH1,DH2の2つには電流が流れない。 The current flow in the rectifier circuit 12 is the same as (A2) and (A3) described above (see FIGS. 2B and 3A). Also in this case, there are only two rectifier diodes D L1 and D L2 in the conductive state in the rectifier circuit 12, and no current flows through the two D H1 and D H2 .

(A5)定常状態(図4(a)参照)
共振用のリアクトルLrの電流が無くなり、ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2がターンオフする。この転流用スイッチング素子Qt2のターンオフはソフトスイッチング(ゼロ電流スイッチング(ZCS))を利用するものであり、スイッチングロスが軽減されている。この定常状態では、電流は、バッテリB→出力用のリアクトルLout→ローサイドのメインスイッチング素子Qm2→バッテリBの経路のみを流れることになる。したがって、出力用のリアクトルLoutがエネルギーを蓄積する。
(A5) Steady state (see FIG. 4A)
The current in the resonance reactor Lr disappears, and the low-side commutation switching element Q t2 is turned off. The turn-off of the commutation switching element Q t2 uses soft switching (zero current switching (ZCS)), and switching loss is reduced. In this steady state, the current flows only through the path of battery B → output reactor Lout → low-side main switching element Q m2 → battery B. Therefore, the reactor Lout for output accumulates energy.

ローサイドの一次巻線NL1には電流が流れないので、整流回路12では電流は流れない。 Since no current flows through the low-side primary winding N L1 , no current flows through the rectifier circuit 12.

(A6)転流開始(図4(b)参照)
ローサイドのメインスイッチング素子Qm2がターンオフされる。その瞬間から電流が共振用のコンデンサCr2へ転流し、共振用のコンデンサCr2へ充電が行われる。メインスイッチング素子Qm2の両端電圧がゆっくり上昇するのに対し、電流は素早く共振用のコンデンサCr2へ転移するため、スイッチングロスはほとんど生じない。
(A6) Commutation start (see FIG. 4B)
The low-side main switching element Q m2 is turned off. Its instantaneous current from the commutated to the capacitor C r2 for resonance, charging is performed to the capacitor C r2 for resonance. While the voltage across the main switching element Q m2 rises slowly, the current is quickly transferred to the resonance capacitor C r2 , so that almost no switching loss occurs.

上記の(A1)〜(A6)のように推移する動作において、転流制御回路11から整流回路12への磁気結合による電磁誘導の状態は次のようになっている。   In the transition operation as described in (A1) to (A6) above, the state of electromagnetic induction by magnetic coupling from the commutation control circuit 11 to the rectifier circuit 12 is as follows.

上記において、ARCP回路10における転流制御回路11と整流回路12との間を磁気結合するトランスとして、ハイサイドの充電用トランスT1とローサイドの放電用トランスT2とに画然と分離し、相互に一方の動作が他方に影響を与えることがないようにしている。   In the above, as a transformer for magnetically coupling between the commutation control circuit 11 and the rectifier circuit 12 in the ARCP circuit 10, the high-side charging transformer T1 and the low-side discharging transformer T2 are clearly separated from each other. One operation does not affect the other.

放電モードにおいて、ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2をオンにすることでローサイドの放電用トランスT2の一次巻線NL1に電流を流すとき、磁気結合によって整流回路12でセンタータップ方式の二次巻線NL2に電流が誘起されるが、ハイサイドのトランスT1とローサイドの放電用トランスT2とが実質的に磁気結合することなく互いに分離配置されていることから、この二次巻線NL2に流れる電流が従来例のようにハイサイドの一次巻線NH1に上向きの逆起電力Eを発生させるということは起こらない。すなわち、転流制御回路11に逆流が生じることはないので、転流制御回路11のハイサイド部分に従来例のような逆流防止用のダイオードDG1を挿入する必要がない。 In the discharge mode, when a current is passed through the primary winding N L1 of the low-side discharge transformer T2 by turning on the low-side commutation switching element Q t2 , the center tap type secondary winding is performed by the rectifier circuit 12 by magnetic coupling. While current is induced in the lines N L2, since the use of the high side of the transformer T1 and the low discharge transformer T2 are arranged separately from each other without substantially magnetically coupled to the secondary winding N L2 It does not occur that the flowing current generates an upward counter electromotive force E in the high-side primary winding NH1 as in the conventional example. That is, since the reverse flow to the commutation control circuit 11 does not occur, there is no need to insert a diode D G1 for backflow prevention as in the prior art high-side portion of the commutation control circuit 11.

(B)充電モード
(B1)出力用のリアクトルLoutの蓄電(図5(a)参照)
ハイサイドおよびローサイドのメインスイッチング素子Qm1,Qm2、ハイサイドおよびローサイドの転流用スイッチング素子Qt1,Qt2のいずれもがオフ状態にあって、出力用のリアクトルLoutがエネルギーを蓄積し、バッテリB→ローサイドのメインスイッチング素子Qm2の逆並列接続の寄生ダイオードDm2→出力用のリアクトルLout→バッテリBの経路で電流が流れ、バッテリBに対し充電が行われる。これは、転流動作以前の定常状態である。転流前にあっては、転流制御回路11には電流は流れず、整流回路12にも電流は流れない。
(B) Charging mode
(B1) Accumulation of output reactor Lout (see FIG. 5A)
Both the high-side and low-side main switching elements Q m1 and Q m2 and the high-side and low-side commutation switching elements Q t1 and Q t2 are in the off state, and the output reactor Lout stores energy, and the battery A current flows in the path of B → low-side main switching element Q m2 in antiparallel connection Dm2 → output reactor Lout → battery B, and the battery B is charged. This is a steady state before the commutation operation. Before the commutation, no current flows through the commutation control circuit 11 and no current flows through the rectifier circuit 12.

(B2)転流開始(図5(b)参照)
転流制御回路11におけるハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1がターンオンされる。すると、上記(B1)でローサイドのメインスイッチング素子Qm2の逆並列接続の寄生ダイオードDm2→出力用のリアクトルLout→バッテリBの経路を流れていた電流が徐々に転流し、第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1→ハイサイドの一次巻線NH1→共振用のリアクトルLr→出力用のリアクトルLout→バッテリB→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)の経路での電流に遷移する。すなわち、双方向インバータから端子Tp1と端子Tn1間に出力された電圧が第1の平滑コンデンサC1間に印加され、バッテリBを充電しつつ双方向DC/DCコンバータを介して端子Tp1から端子Tn1に向けて電流が流れる。
(B2) Commutation start (see FIG. 5B)
The high-side commutation switching element Q t1 in the commutation control circuit 11 is turned on. Then, in (B1), the parasitic diode D m2 connected in reverse parallel to the main switching element Q m2 on the low side → the output reactor Lout → the current flowing through the path of the battery B is gradually commutated, and the first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) → high-side commutation switching element Q t1 → high-side primary winding NH1 → resonance reactor Lr → output reactor Lout → battery B → first smoothing capacitor C1 (bidirectional) Transition to current in the inverter) path. That is, the voltage output between the terminal T p1 and the terminal T n1 from the bidirectional inverter is applied between the first smoothing capacitor C1 and charged from the terminal T p1 via the bidirectional DC / DC converter while charging the battery B. A current flows toward the terminal T n1 .

ハイサイドの一次巻線NH1からハイサイドの二次巻線NH2に誘起された電力により、整流回路12において、二次巻線NH2の上半分→整流ダイオードDH1→第1の平滑コンデンサC1→センタータップ→二次巻線NH2の上半分の経路と、二次巻線NH2の下半分→整流ダイオードDH2→第1の平滑コンデンサC1→センタータップ→二次巻線NH2の下半分の経路とに電流が流れ、バッテリBへの充電とともに第1の平滑コンデンサC1に対する充放電が行われる。この場合、整流回路12において導通状態となっている整流ダイオードはDH1,DH2の2つのみであり、DL1,DL2の2つには電流が流れない。 In the rectifier circuit 12, the upper half of the secondary winding N H2 → the rectifier diode D H1 → the first smoothing capacitor in the rectifier circuit 12 by the power induced from the high side primary winding N H1 to the high side secondary winding N H2 C1 → center tap → secondary winding NH2 upper half path and secondary winding NH2 lower half → rectifier diode DH2 → first smoothing capacitor C1 → center tap → secondary winding NH2 A current flows through the lower half path, and charging and discharging of the first smoothing capacitor C1 are performed along with charging of the battery B. In this case, there are only two rectifier diodes D H1 and D H2 in the conductive state in the rectifier circuit 12, and no current flows through the two D L1 and D L2 .

(B3)LC共振(図6(a)参照)
上記(B2)の状態で共振用のリアクトルLrを流れる電流が出力用のリアクトルLoutを流れる電流を超えると、共振用のコンデンサCr1,Cr2が充放電を開始する。すなわち、共振用のコンデンサCr1→ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1→ハイサイドの一次巻線NH1→共振用のリアクトルLr→共振用のコンデンサCr1の経路と、共振用のコンデンサCr2→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1→ハイサイドの一次巻線NH1→共振用のリアクトルLr→共振用のコンデンサCr2の経路で電流が流れ、共振動作が開始される。
(B3) LC resonance (see FIG. 6A)
When the current flowing through the resonance reactor Lr exceeds the current flowing through the output reactor Lout in the state (B2), the resonance capacitors C r1 and C r2 start charging and discharging. That is, the resonance capacitor C r1 → the high-side commutation switching element Q t1 → the high-side primary winding NH 1 → the resonance reactor Lr → the path of the resonance capacitor C r1 and the resonance capacitor C r2 → First smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) → High-side commutation switching element Q t1 → High-side primary winding N H1 → Resonance reactor Lr → Resonance capacitor C r2 The resonance operation is started.

なお、整流回路12での電流の流れは上記(B2)と同様のものとなる(図5(b)参照)。この場合も、整流回路12において導通状態となっている整流ダイオードはDH1,DH2の2つのみであり、DL1,DL2の2つには電流が流れない。 The current flow in the rectifier circuit 12 is the same as (B2) above (see FIG. 5B). Also in this case, there are only two rectifier diodes D H1 and D H2 in the conductive state in the rectifier circuit 12, and no current flows through the two D L1 and D L2 .

(B4)定常状態への遷移(図6(b)参照)
そして、共振用のコンデンサCr1の両端電圧つまりハイサイドのメインスイッチング素子Qm1の印加電圧が0レベルになった時点でそのメインスイッチング素子Qm1がターンオンする。このメインスイッチング素子Qm1のターンオンは、高周波共振現象によるソフトスイッチング(ゼロ電圧スイッチング(ZVS))を利用するものであり、スイッチングロスが軽減されている。
(B4) Transition to steady state (see FIG. 6B)
When the voltage across the resonance capacitor C r1 , that is, the voltage applied to the high-side main switching element Q m1 becomes 0 level, the main switching element Q m1 is turned on. The turn-on of the main switching element Q m1 uses soft switching (zero voltage switching (ZVS)) due to a high frequency resonance phenomenon, and switching loss is reduced.

ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1がターンオンした時点から共振用のリアクトルLrに流れる電流が徐々に減少し、それまで第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1→ハイサイドの一次巻線NH1→共振用のリアクトルLr→出力用のリアクトルLout→バッテリB→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)の経路で流れていた電流が、第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1→出力用のリアクトルLout→バッテリB→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)の経路の流れへと遷移する。 From the time when the high-side main switching element Q m1 is turned on, the current flowing through the resonance reactor Lr gradually decreases until the first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) → the high-side commutation switching element Q t1. → High-side primary winding N H1 → Resonance reactor Lr → Output reactor Lout → Battery B → The current flowing in the path of the first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) is the first smoothing capacitor A transition is made from the flow of C1 (bidirectional inverter) → high-side main switching element Q m1 → output reactor Lout → battery B → first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter).

なお、整流回路12での電流の流れは上記(B2),(B3)と同様のものとなる(図5(b)、図6(a)参照)。この場合も、整流回路12において導通状態となっている整流ダイオードはDH1,DH2の2つのみであり、DL1,DL2の2つには電流が流れない。 The current flow in the rectifier circuit 12 is the same as (B2) and (B3) described above (see FIGS. 5B and 6A). Also in this case, there are only two rectifier diodes D H1 and D H2 in the conductive state in the rectifier circuit 12, and no current flows through the two D L1 and D L2 .

(B5)定常状態(図7(a)参照)
共振用のリアクトルLrの電流が無くなり、ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1がターンオフする。この転流用スイッチング素子Qt1のターンオフはソフトスイッチング(ゼロ電流スイッチング(ZCS))を利用するものであり、スイッチングロスが軽減されている。この定常状態では、電流は、第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1→出力用のリアクトルLout→バッテリB→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)の経路のみを流れることになる。したがって、出力用のリアクトルLoutがエネルギーを放出する。
(B5) Steady state (see FIG. 7A)
The current in the resonance reactor Lr disappears, and the high-side commutation switching element Q t1 is turned off. The turn-off of the commutation switching element Q t1 uses soft switching (zero current switching (ZCS)), and switching loss is reduced. In this steady state, the current is as follows: first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) → high-side main switching element Q m1 → output reactor Lout → battery B → first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) It will flow only on the route. Therefore, the output reactor Lout releases energy.

ハイサイドの一次巻線NH1には電流が流れないので、整流回路12では電流は流れない。 Since no current flows through the high-side primary winding NH1 , no current flows through the rectifier circuit 12.

(B6)転流開始(図7(b)参照)
ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1がターンオフされる。その瞬間から電流が共振用のコンデンサCr1へ転流し、共振用のコンデンサCr1へ充電が行われる。メインスイッチング素子Qm1の両端電圧がゆっくり上昇するのに対し、電流は素早く共振用のコンデンサCr1へ転移するため、スイッチングロスはほとんど生じない。この状態では、電流は、第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)→共振用のコンデンサCr1→出力用のリアクトルLout→バッテリB→第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)の経路のみを流れることになる。
(B6) Commutation start (see FIG. 7B)
The high-side main switching element Q m1 is turned off. Its instantaneous current from the commutated to the capacitor C r1 for resonance, charging is performed to the capacitor C r1 for resonance. While the voltage across the main switching element Q m1 rises slowly, the current quickly transfers to the resonance capacitor C r1 , so that almost no switching loss occurs. In this state, the current flows only through the path of the first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) → resonance capacitor C r1 → output reactor Lout → battery B → first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter). Will flow.

上記の(B1)〜(B6)のように推移する動作において、転流制御回路11から整流回路12への磁気結合による電磁誘導の状態は次のようになっている。   In the transition operation as described in (B1) to (B6) above, the state of electromagnetic induction by magnetic coupling from the commutation control circuit 11 to the rectifier circuit 12 is as follows.

充電モードにおいて、ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1をオンにすることでハイサイドの充電用トランスT1の一次巻線NH1に電流を流すとき、磁気結合によって整流回路12でセンタータップ方式の二次巻線NH2に電流が誘起されるが、ハイサイドの充電用トランスT1とローサイドのトランスT2とが実質的に磁気結合することなく互いに分離配置されていることから、この二次巻線NH2に流れる電流が従来例のようにローサイドの一次巻線NL1に上向きの逆起電力Eを発生させるということは起こらない。すなわち、転流制御回路11に逆流が生じることはないので、転流制御回路11のローサイド部分に従来例のような逆流防止用のダイオードDG2を挿入する必要がない。 In charge mode, when current flows in the primary winding N H1 of the high-side charging transformer T1 in turning on the commutation switching element Q t1 of the high side, the center tap type by the rectifying circuit 12 by the magnetic coupling two A current is induced in the secondary winding N H2 , but since the high-side charging transformer T1 and the low-side transformer T2 are separated from each other without substantially magnetic coupling, the secondary winding N It does not occur that the current flowing through H2 generates an upward counter electromotive force E in the low-side primary winding N L1 unlike the conventional example. That is, since the reverse flow to the commutation control circuit 11 does not occur, there is no need to insert a diode D G2 for backflow prevention as in the prior art low-side portion of the commutation control circuit 11.

さらに、整流回路12におけるダイオード損失も低減することができる。放電モードにあっては、ローサイドの二次巻線NL2に誘起された電流が第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)へ流入するときに通るダイオードの個数は、整流ダイオードDL1,DL2の2つである(図2(b)、図3(a),(b)参照)。また、充電モードにあっては、ハイサイドの二次巻線NH2に誘起された電流が第1の平滑コンデンサC1(双方向インバータ)へ流入するときに通るダイオードの個数は、整流ダイオードDH1,DH2の2つである(図5(b)、図6(a),(b)参照)。 Furthermore, the diode loss in the rectifier circuit 12 can also be reduced. In the discharge mode, the number of diodes that pass when the current induced in the low-side secondary winding N L2 flows into the first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) is determined by the rectifier diodes D L1 and D L2. (See FIG. 2B, FIG. 3A, and FIG. 3B). In the charging mode, the number of diodes that pass when the current induced in the high-side secondary winding N H2 flows into the first smoothing capacitor C1 (bidirectional inverter) is the rectifier diode D H1. , D H2 (see FIGS. 5B, 6A, and 6B).

従来例の場合には、放電モードでも充電モードでも、誘起された電流が通るダイオードの個数は整流ダイオードDH1,DH2,DL1,DL2の4つすべてである。したがって、本発明実施例の場合には、整流回路12におけるダイオード損失を半減することができる。 In the case of the conventional example, the number of diodes through which the induced current passes is all four of the rectifier diodes D H1 , D H2 , D L1 , and D L2 in both the discharge mode and the charge mode. Therefore, in the embodiment of the present invention, the diode loss in the rectifier circuit 12 can be halved.

なお、ARCP回路10における整流回路12の構成について、本発明の別の実施例として図8の回路図のように構成してもよい。   The configuration of the rectifier circuit 12 in the ARCP circuit 10 may be configured as shown in the circuit diagram of FIG. 8 as another embodiment of the present invention.

図8において、D1,D2はそれぞれ、カソードコモン型の1パッケージ2素子入りの整流ダイオードである。すなわち、2素子入りの第1の整流ダイオードD1は、1つのパッケージに2つのダイオード素子d11,d12が内蔵され、それぞれのカソードどうしがパッケージ内で接続されている。同様に、第2の整流ダイオードD2も、1つのパッケージに2つのダイオード素子d21,d22が内蔵され、それぞれのカソードどうしがパッケージ内で接続されている。 In FIG. 8, D1 and D2 are cathode common type rectifier diodes each including two elements in one package. That is, in the first rectifier diode D1 containing two elements, two diode elements d 11 and d 12 are built in one package, and the respective cathodes are connected in the package. Similarly, in the second rectifier diode D2, two diode elements d 21 and d 22 are built in one package, and the respective cathodes are connected in the package.

第1の整流ダイオードD1は第1のトランスT1の二次巻線NH2と第2のトランスT2の二次巻線NL2の両方に関連付けられており、第2の整流ダイオードD2も第1のトランスT1の二次巻線NH2と第2のトランスT2の二次巻線NL2の両方に関連付けられている。 The first rectifier diode D1 is associated with both the secondary winding N H2 of the first transformer T1 and the secondary winding N L2 of the second transformer T2, and the second rectifier diode D2 is also the first rectifier diode D2. Associated with both the secondary winding N H2 of the transformer T1 and the secondary winding N L2 of the second transformer T2.

すなわち、第1の整流ダイオードD1における一方のダイオード素子d11は、そのアノードが第1のトランスT1の二次巻線NH2の一端(上側端部)に接続され、他方のダイオード素子d12は、そのアノードが第2のトランスT2の二次巻線NL2の他端(下側端部)に接続されている。また、第2の整流ダイオードD2における一方のダイオード素子d21は、そのアノードが第1のトランスT1の二次巻線NH2の他端(下側端部)に接続され、他方のダイオード素子d22は、そのアノードが第2のトランスT2の二次巻線NL2の一端(上側端部)に接続されている。 That is, one of the diode element d 11 of the first rectifier diode D1 has its anode connected to one end of the secondary winding N H2 of the first transformer T1 (upper end), the other diode element d 12 is The anode is connected to the other end (lower end) of the secondary winding N L2 of the second transformer T2. Also, one of the diode elements d 21 of the second rectifier diode D2 has its anode connected to the other end of the secondary winding N H2 of the first transformer T1 (lower end), the other diode elements d The anode 22 is connected to one end (upper end) of the secondary winding N L2 of the second transformer T2.

図2(b)、図3(a),(b)に相当する動作タイミングではローサイドの二次巻線NL2が励磁されるが、第1の平滑コンデンサC1に対する充電に関与するダイオード素子は、第1の整流ダイオードD1のダイオード素子d12と第2の整流ダイオードD2のダイオード素子d22とであって、充電に関与するダイオード素子が第1の整流ダイオードD1と第2の整流ダイオードD2とに分かれているため、通電に伴う発熱が分散化される。 At the operation timing corresponding to FIGS. 2B, 3A, and 3B, the low-side secondary winding N L2 is excited, but the diode element involved in charging the first smoothing capacitor C1 is: and a diode element d 12 of the first rectifier diode D1 met diode d 22 of the second rectifier diode D2, the diode elements involved in charging the first rectifier diode D1 and a second rectifier diode D2 Since it is divided, the heat generated by energization is dispersed.

また、図5(b)、図6(a),(b)に相当する動作タイミングではハイサイドの二次巻線NH2が励磁されるが、第1の平滑コンデンサC1に対する充電に関与するダイオード素子は、第1の整流ダイオードD1のダイオード素子d11と第2の整流ダイオードD2のダイオード素子d21とであって、この場合も、充電に関与するダイオード素子が第1の整流ダイオードD1と第2の整流ダイオードD2とに分かれているため、通電に伴う発熱が分散化される。 Further, the high-side secondary winding NH2 is excited at the operation timing corresponding to FIGS. 5B, 6A, and 6B, but the diode involved in charging the first smoothing capacitor C1. element is a diode element d 11 of the first rectifier diode D1 and meet our second diode element d 21 of the rectifier diode D2, also in this case, diode elements involved in charging the first rectifier diode D1 first Since it is divided into two rectifier diodes D2, heat generated by energization is dispersed.

図9はさらに別の実施例における双方向DC/DCコンバータの構成を示す。この実施例では、2つの整流ダイオードD1,D2はそれぞれ、アノードコモン型の1パッケージ2素子入りに構成されている。   FIG. 9 shows the configuration of a bidirectional DC / DC converter in still another embodiment. In this embodiment, each of the two rectifier diodes D1 and D2 is configured to include two elements of an anode common type package.

図2(b)、図3(a),(b)に相当する動作タイミングではローサイドの二次巻線NL2が励磁されるが、第1の平滑コンデンサC1に対する充電に関与するダイオード素子は、第1の整流ダイオードD1のダイオード素子d11と第2の整流ダイオードD2のダイオード素子d21とであって、充電に関与するダイオード素子が第1の整流ダイオードD1と第2の整流ダイオードD2とに分かれているため、通電に伴う発熱が分散化される。 At the operation timing corresponding to FIGS. 2B, 3A, and 3B, the low-side secondary winding N L2 is excited, but the diode element involved in charging the first smoothing capacitor C1 is: and a diode element d 11 of the first rectifier diode D1 met diode element d 21 of the second rectifier diode D2, the diode elements involved in charging the first rectifier diode D1 and a second rectifier diode D2 Since it is divided, the heat generated by energization is dispersed.

また、図5(b)、図6(a),(b)に相当する動作タイミングではハイサイドの二次巻線NH2が励磁されるが、第1の平滑コンデンサC1に対する充電に関与するダイオード素子は、第1の整流ダイオードD1のダイオード素子d12と第2の整流ダイオードD2のダイオード素子d22とであって、この場合も、充電に関与するダイオード素子が第1の整流ダイオードD1と第2の整流ダイオードD2とに分かれているため、通電に伴う発熱が分散化される。 Further, the high-side secondary winding NH2 is excited at the operation timing corresponding to FIGS. 5B, 6A, and 6B, but the diode involved in charging the first smoothing capacitor C1. element is a diode element d 12 of the first rectifier diode D1 met diode d 22 of the second rectifier diode D2, also in this case, diode elements involved in charging the first rectifier diode D1 first Since it is divided into two rectifier diodes D2, heat generated by energization is dispersed.

さらに、熱分散の別の対策として、図1、図8、図9に符号20で示す熱伝導部材をもって第1のトランスT1と第2のトランスT2との間を機械的に接続するという実施例も好ましい。例えば、第1のトランスT1と第2のトランスT2とを横に2個並べて配置し、互いのトランスのコアどうしを熱伝導シートで接続してもよい。この対策による利点は次のとおりである。   Further, as another countermeasure against heat dispersion, an embodiment in which the first transformer T1 and the second transformer T2 are mechanically connected with a heat conducting member denoted by reference numeral 20 in FIGS. Is also preferable. For example, the first transformer T1 and the second transformer T2 may be arranged side by side, and the cores of the transformers may be connected to each other with a heat conductive sheet. The advantages of this measure are as follows.

上記した本発明実施例においては、第2のトランスT2が動作しているときには第1のトランスT1は不動作であり、逆に、第1のトランスT1が動作しているときには第2のトランスT2は不動作である。つまり、両トランスT1,T2は、一方が動作中は他方は不動作となる。動作中のトランスは発熱するが、不動作のトランスは発熱しない。したがって、動作中のトランスで発生する熱を熱伝導部材20を介して温度の低い他方の不動作のトランスへと逃がすことができ、動作中のトランスの過熱を防止することができる。つまり、一方のトランスの発熱に対して、他方のトランスをヒートシンクとして有効に利用することが可能となる。なお、熱伝導部材20としては、シート状のものが好ましいが、その他の形態であってもよい。   In the above-described embodiment of the present invention, when the second transformer T2 is operating, the first transformer T1 is not operating. Conversely, when the first transformer T1 is operating, the second transformer T2 is not operating. Is inoperative. That is, when one of the transformers T1 and T2 is operating, the other is not operating. An operating transformer generates heat, but a non-operating transformer does not generate heat. Therefore, heat generated in the operating transformer can be released to the other non-operating transformer having a low temperature through the heat conducting member 20, and overheating of the operating transformer can be prevented. In other words, it is possible to effectively use the other transformer as a heat sink against the heat generated by one transformer. In addition, although the sheet-like thing is preferable as the heat conductive member 20, another form may be sufficient.

図10はさらに別の実施例における双方向DC/DCコンバータの構成を示す。図10において、図1で用いたのと同一符号は同一の構成要素を指すものとし、詳しい説明は省略する。   FIG. 10 shows the configuration of a bidirectional DC / DC converter in still another embodiment. 10, the same reference numerals as those used in FIG. 1 indicate the same components, and detailed descriptions thereof are omitted.

この実施例では、トランスとして、図1の実施例の場合のハイサイドとローサイドとに分離した2つのトランスT1,T2に代えて、一次巻線がセンタータップを境にハイサイド側部分とローサイド側部分とからなるトランスT0′を用いている。換言すれば、ハイサイド一次巻線部分NH1′とローサイド一次巻線部分NL1′とがセンタータップで繋がっている充放電兼用トランスT0′を用いている。この充放電兼用トランスT0′においては、その二次巻線としては、ハイサイド二次巻線部分NH2′とローサイド二次巻線部分NL2′とがセンタータップで繋がったものを用いている。 In this embodiment, as the transformer, instead of the two transformers T1 and T2 separated into the high side and the low side in the embodiment of FIG. 1, the primary winding has a center tap as a boundary and the high side portion and the low side side A transformer T0 'consisting of a part is used. In other words, the charge / discharge transformer T0 ′ in which the high-side primary winding portion N H1 ′ and the low-side primary winding portion N L1 ′ are connected by a center tap is used. In this charge / discharge transformer T0 ', as the secondary winding, a high-side secondary winding portion N H2 ' and a low-side secondary winding portion N L2 'are connected by a center tap. .

ハイサイド一次巻線部分NH1′とローサイド一次巻線部分NL1′とを繋ぐセンタータップは共振用のリアクトルLrの一端に接続され、ハイサイド一次巻線部分NH1′はハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1と接続され、ローサイド一次巻線部分NL1′はローサイドの転流用スイッチング素子Qt2と接続されている。 The center tap that connects the high-side primary winding portion N H1 ′ and the low-side primary winding portion N L1 ′ is connected to one end of the resonance reactor Lr, and the high-side primary winding portion N H1 ′ is for high-side commutation. The low-side primary winding portion N L1 ′ is connected to the switching element Q t1 and the low-side commutation switching element Q t2 .

また、ハイサイド二次巻線部分NH2′とローサイド二次巻線部分NL2′とを繋ぐセンタータップはローサイドラインL2に接続され、ハイサイド二次巻線部分NH2′は整流回路12における整流ダイオードDH1を介してハイサイドラインL1に接続され、ローサイド二次巻線部分NL2′は整流ダイオードDL1を介してハイサイドラインL1に接続されている。 The center tap connecting the high-side secondary winding portion N H2 ′ and the low-side secondary winding portion N L2 ′ is connected to the low-side line L2, and the high-side secondary winding portion N H2 ′ is connected to the rectifier circuit 12. The rectifier diode D H1 is connected to the high side line L1, and the low side secondary winding portion N L2 ′ is connected to the high side line L1 via the rectifier diode D L1 .

そして、ハイサイド一次巻線部分NH1′とローサイド一次巻線部分NL1′とは互いに逆方向に巻かれている。この一次巻線についての逆極性は、巻線部分の脇に記載した巻線の“巻き始め”を示す黒丸の記号「●」の位置によって示されている。ハイサイド一次巻線部分NH1′に対してはその下端に記号「●」が付記されているのに対して、ローサイド一次巻線部分NL1′に対してはその上端に記号「●」が付記されていて、互いに逆極性であることが分かる。 The high side primary winding portion N H1 ′ and the low side primary winding portion N L1 ′ are wound in opposite directions. The reverse polarity of the primary winding is indicated by the position of the black circle symbol “●” indicating the “winding start” of the winding described beside the winding portion. The symbol “●” is added to the lower end of the high-side primary winding portion N H1 ′, whereas the symbol “●” is added to the upper end of the low-side primary winding portion N L1 ′. It is noted that the polarities are opposite to each other.

バッテリ放電時にローサイドの転流用スイッチング素子Qt2がオン(導通)し、その他のスイッチング素子がオフ(非導通)であると、ローサイド一次巻線部分NL1′に電圧(センタータップ側が高電位)が発生すると同時にハイサイド一次巻線部分NH1′に逆向きの電圧(センタータップ側が高電位)が発生する。ここで、ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1がオフなので、ハイサイド一次巻線部分NH1′に発生した電圧によって電流が流れるルートが存在しない(ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1がオフなので、ハイサイド一次巻線部分NH1′→共振用のリアクトルLr→ハイサイドのメインスイッチング素子Qm1→ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1のルートでは電流が流れない)。電位レベルでみると、ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1のドレイン(ハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1のハイサイドラインL1側の端子)側がプラス電位(高電位)となるため、図11に示す従来の双方向DC−DCコンバータのようにハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1のラインに対して逆流防止用のダイオードDG1を挿入する必要がない。 When the low-side commutation switching element Q t2 is turned on (conductive) and the other switching elements are turned off (non-conductive) when the battery is discharged, a voltage (center tap side has a high potential) is applied to the low-side primary winding portion N L1 ′. Simultaneously, a reverse voltage (high potential on the center tap side) is generated in the high side primary winding portion N H1 '. Here, since the high-side commutation switching element Q t1 is off, there is no route through which current flows due to the voltage generated in the high-side primary winding portion N H1 ′ (since the high-side commutation switching element Q t1 is off). The current does not flow in the route of the high-side primary winding portion N H1 ′ → resonance reactor Lr → high-side main switching element Q m1 → high-side commutation switching element Q t1 ). Looking at a potential level, since the (high side line L1 side of the terminal of the high side of the commutation switching element Q t1) side drain of the high side of the commutation switching element Q t1 becomes positive potential (high potential), Figure 11 Unlike the conventional bidirectional DC-DC converter shown in the figure , it is not necessary to insert the back-flow prevention diode D G1 into the line of the high-side commutation switching element Q t1 .

また、バッテリ充電時にハイサイドの転流用スイッチング素子Qt1がオン(導通)し、その他のスイッチング素子がオフ(非導通)であると、ハイサイド一次巻線部分NH1′に電圧(センタータップ側が高電位)が発生すると同時にローサイド一次巻線部分NL1′に逆向きの電圧(センタータップ側が高電位)が発生する。ここで、ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2がオフなので、ローサイド一次巻線部分NL1′に発生した電圧によって電流が流れるルートが存在しない。電位レベルでみると、ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2のドレイン(ローサイドの転流用スイッチング素子Qt2のローサイド一次巻線部分NL1′側の端子)側がプラス電位となるため、図11に示す従来の双方向DC−DCコンバータのようにローサイドの転流用スイッチング素子Qt2のラインに対して逆流防止用のダイオードDG2を挿入する必要がない。 Further, when the high-side commutation switching element Q t1 is turned on (conductive) and the other switching elements are turned off (non-conductive) when the battery is charged, the voltage (center tap side is connected to the high-side primary winding portion N H1 ′). At the same time, a reverse voltage (high potential on the center tap side) is generated in the low-side primary winding portion N L1 ′. Here, since the low-side commutation switching element Q t2 is OFF, there is no route through which current flows due to the voltage generated in the low-side primary winding portion N L1 ′. Looking at a potential level, since the (low-side primary winding portion N L1 'side of the terminal of the low side commutation switching element Q t2) side drain of the low side of the commutation switching element Q t2 is positive potential, conventionally shown in FIG. 11 Unlike the bidirectional DC-DC converter, it is not necessary to insert the back-flow preventing diode DG2 into the line of the low-side commutation switching element Qt2 .

本発明は、ARCP回路を備えた双方向DC/DCコンバータに関して、変換効率の向上を図る技術として有用である。   The present invention is useful as a technique for improving the conversion efficiency of a bidirectional DC / DC converter including an ARCP circuit.

10 ARCP回路
11 転流制御回路
12 整流回路
B バッテリ
C1 第1の平滑コンデンサ
C2 第2の平滑コンデンサ
L1 ハイサイドライン
L2 ローサイドライン
Lout 出力用のリアクトル
Lr 共振用のリアクトル
N1 第1の接続ノード
N2 第2の接続ノード
H1 ハイサイドの一次巻線
L1 ローサイドの一次巻線
H2 ハイサイドの二次巻線
L2 ローサイドの二次巻線
H1′ハイサイド一次巻線部分
L1′ローサイド一次巻線部分
m1 ハイサイドのメインスイッチング素子
m2 ローサイドのメインスイッチング素子
t1 ハイサイドの転流用スイッチング素子
t2 ローサイドの転流用スイッチング素子
p1 インバータ側のハイサイド入出力端子
n1 インバータ側のローサイド入出力端子
p2 バッテリ側のハイサイド入出力端子
n2 バッテリ側のローサイド入出力端子
T1 ハイサイドのトランス
T2 ローサイドのトランス
H1,DH2,DL1,DL2 整流ダイオード
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ARCP circuit 11 Commutation control circuit 12 Rectifier circuit B Battery C1 1st smoothing capacitor C2 2nd smoothing capacitor L1 High side line L2 Low side line Lout Output reactor Lr Resonant reactor N1 1st connection node N2 1st 2 connection nodes N H1 high side primary winding N L1 low side primary winding N H2 high side secondary winding N L2 low side secondary winding N H1 'high side primary winding part N L1 ' low side primary Winding part Q m1 High-side main switching element Q m2 Low-side main switching element Q t1 High-side commutation switching element Q t2 Low-side commutation switching element T p1 Inverter-side high-side input / output terminal T n1 Inverter-side the low-side input-output terminal T p2 the battery side of the high-side input and output terminals T n2 trans D of the battery side of the low-side output terminal T1 the high side of the transformer T2 low H1, D H2, D L1, D L2 rectifier diode

Claims (5)

一方端側のハイサイド入出力端子とローサイド入出力端子との間に接続された第1の平滑コンデンサと、
他方端側のハイサイド入出力端子とローサイド入出力端子との間に接続された第2の平滑コンデンサと、
前記一方端側のハイサイド入出力端子と前記他方端側のハイサイド入出力端子とを接続するハイサイドラインに挿入されたハイサイドのメインスイッチング素子と出力用のリアクトルとの直列回路と、
前記一方端側のローサイド入出力端子と前記他方端側のローサイド入出力端子とを接続するローサイドラインと、前記ハイサイドのメインスイッチング素子と前記出力用のリアクトルを接続する第1の接続ノードとの間に挿入されたローサイドのメインスイッチング素子と、
前記ハイサイドラインと前記ローサイドラインとの間に接続されたARCP回路とを備え、
前記ARCP回路は転流制御回路と整流回路からなり、
前記転流制御回路は、
前記第1の接続ノードに一端が接続された共振用のリアクトルと、前記共振用のリアクトルの他端に接続されたトランスと、前記トランスの一次巻線と前記ハイサイドラインとの間に接続されたハイサイドの転流用スイッチング素子と、前記トランスの一次巻線と前記ローサイドラインとの間に接続されたローサイドの転流用スイッチング素子とを有し、
前記整流回路は、前記トランスの二次巻線に誘起される電力を受電可能な状態で前記ハイサイドラインと前記ローサイドラインとの間に接続され、前記第1の平滑コンデンサに対して前記ハイサイドライン側から前記ローサイドライン側に向けた一方向にのみ電流を供給するように構成され、
前記トランスは、
前記ハイサイドの転流用スイッチング素子に一次巻線が接続されたハイサイドのトランスと、前記ローサイドの転流用スイッチング素子に一次巻線が接続されたローサイドのトランスとを有し、前記ハイサイドのトランスと前記ローサイドのトランスとが実質的に磁気結合することなく互いに分離配置されていることを特徴とする双方向DC/DCコンバータ。
A first smoothing capacitor connected between a high-side input / output terminal on one end side and a low-side input / output terminal;
A second smoothing capacitor connected between the high-side input / output terminal on the other end side and the low-side input / output terminal;
A series circuit of a high-side main switching element and an output reactor inserted in a high-side line connecting the one-side high-side input / output terminal and the other-side high-side input / output terminal;
A low-side line connecting the low-side input / output terminal on the one end side and the low-side input / output terminal on the other end side, and a first connection node connecting the high-side main switching element and the output reactor. A low-side main switching element inserted between,
An ARCP circuit connected between the high side line and the low side line;
The ARCP circuit comprises a commutation control circuit and a rectifier circuit,
The commutation control circuit includes:
A resonance reactor having one end connected to the first connection node, a transformer connected to the other end of the resonance reactor, and a primary winding of the transformer and the high side line. A high-side commutation switching element, and a low-side commutation switching element connected between the primary winding of the transformer and the low-side line,
The rectifier circuit is connected between the high side line and the low side line in a state capable of receiving power induced in the secondary winding of the transformer, and is connected to the high side with respect to the first smoothing capacitor. It is configured to supply current only in one direction from the line side toward the low side line side,
The transformer is
A high-side transformer having a primary winding connected to the high-side commutation switching element; and a low-side transformer having a primary winding connected to the low-side commutation switching element. The bidirectional DC / DC converter is characterized in that the low-side transformer and the low-side transformer are separated from each other without substantially magnetic coupling.
前記ハイサイドの一次巻線と前記ローサイドの一次巻線とを接続する第2の接続ノードが前記共振用のリアクトルの他端に接続され、
前記ハイサイドラインと前記第2の接続ノードとの間に前記ハイサイドの転流用スイッチング素子と前記ハイサイドの一次巻線との直列回路が接続されるとともに、前記ハイサイドの一次巻線にハイサイドの二次巻線が磁気結合した状態で前記整流回路に接続されている一方、
前記ローサイドラインと前記第2の接続ノードとの間に前記ローサイドの転流用スイッチング素子と前記ローサイドの一次巻線との直列回路が接続されるとともに、前記ローサイドの一次巻線にローサイドの二次巻線が磁気結合した状態で前記整流回路に接続されている請求項1に記載の双方向DC/DCコンバータ。
A second connection node connecting the high-side primary winding and the low-side primary winding is connected to the other end of the resonance reactor;
A series circuit of the high-side commutation switching element and the high-side primary winding is connected between the high-side line and the second connection node, and a high-side primary winding is connected to the high-side primary winding. While the side secondary winding is magnetically coupled to the rectifier circuit,
A series circuit of the low-side commutation switching element and the low-side primary winding is connected between the low-side line and the second connection node, and a low-side secondary winding is connected to the low-side primary winding. The bidirectional DC / DC converter according to claim 1, wherein the line is magnetically coupled to the rectifier circuit.
前記ハイサイドおよびローサイドの二次巻線はいずれもセンタータップ方式の巻線に構成され、
前記ハイサイドのセンタータップ方式の二次巻線は、その一端および他端がそれぞれ整流ダイオードを介して前記ハイサイドラインに接続され、そのセンタータップが前記ローサイドラインに直接に接続され、
前記ローサイドのセンタータップ方式の二次巻線は、その一端および他端がそれぞれ整流ダイオードを介して前記ローサイドラインに接続され、そのセンタータップが前記ハイサイドラインに直接に接続されている請求項2に記載の双方向DC/DCコンバータ。
The high side and low side secondary windings are both configured as center tap type windings,
The high-side center tap type secondary winding has one end and the other end connected to the high-side line via rectifier diodes, and the center tap is directly connected to the low-side line,
The low-side center tap type secondary winding has one end and the other end connected to the low-side line via rectifier diodes, and the center tap is directly connected to the high-side line. The bidirectional DC / DC converter described in 1.
一方端側のハイサイド入出力端子とローサイド入出力端子との間に接続された第1の平滑コンデンサと、
他方端側のハイサイド入出力端子とローサイド入出力端子との間に接続された第2の平滑コンデンサと、
前記一方端側のハイサイド入出力端子と前記他方端側のハイサイド入出力端子とを接続するハイサイドラインに挿入されたハイサイドのメインスイッチング素子と出力用のリアクトルとの直列回路と、
前記一方端側のローサイド入出力端子と前記他方端側のローサイド入出力端子とを接続するローサイドラインと、前記ハイサイドのメインスイッチング素子と前記出力用のリアクトルを接続する第1の接続ノードとの間に挿入されたローサイドのメインスイッチング素子と、
前記ハイサイドラインと前記ローサイドラインとの間に接続されたARCP回路とを備え、
前記ARCP回路は転流制御回路と整流回路からなり、
前記転流制御回路は、
前記第1の接続ノードに一端が接続された共振用のリアクトルと、前記共振用のリアクトルの他端に接続されたトランスと、前記トランスの一次巻線と前記ハイサイドラインとの間に接続されたハイサイドの転流用スイッチング素子と、前記トランスの一次巻線と前記ローサイドラインとの間に接続されたローサイドの転流用スイッチング素子とを有し、
前記整流回路は、前記トランスの二次巻線に誘起される電力を受電可能な状態で前記ハイサイドラインと前記ローサイドラインとの間に接続され、前記第1の平滑コンデンサに対して前記ハイサイドライン側から前記ローサイドライン側に向けた一方向にのみ電流を供給するように構成され、
前記トランスは、
前記一次巻線がセンタータップを境にハイサイド一次巻線部分とローサイド一次巻線部分とからなり、前記センタータップが前記共振用のリアクトルに接続され、前記ハイサイド一次巻線部分が前記ハイサイドの転流用スイッチング素子と接続され、前記ローサイド一次巻線部分が前記ローサイドの転流用スイッチング素子に接続されているとともに、前記ハイサイド一次巻線部分と前記ローサイド一次巻線部分とは互いに逆方向に巻かれていることを特徴とする双方向DC/DCコンバータ。
A first smoothing capacitor connected between a high-side input / output terminal on one end side and a low-side input / output terminal;
A second smoothing capacitor connected between the high-side input / output terminal on the other end side and the low-side input / output terminal;
A series circuit of a high-side main switching element and an output reactor inserted in a high-side line connecting the one-side high-side input / output terminal and the other-side high-side input / output terminal;
A low-side line connecting the low-side input / output terminal on the one end side and the low-side input / output terminal on the other end side, and a first connection node connecting the high-side main switching element and the output reactor. A low-side main switching element inserted between,
An ARCP circuit connected between the high side line and the low side line;
The ARCP circuit comprises a commutation control circuit and a rectifier circuit,
The commutation control circuit includes:
A resonance reactor having one end connected to the first connection node, a transformer connected to the other end of the resonance reactor, and a primary winding of the transformer and the high side line. A high-side commutation switching element, and a low-side commutation switching element connected between the primary winding of the transformer and the low-side line,
The rectifier circuit is connected between the high side line and the low side line in a state capable of receiving power induced in the secondary winding of the transformer, and is connected to the high side with respect to the first smoothing capacitor. It is configured to supply current only in one direction from the line side toward the low side line side,
The transformer is
The primary winding includes a high side primary winding portion and a low side primary winding portion with a center tap as a boundary, the center tap is connected to the resonance reactor, and the high side primary winding portion is the high side And the low-side primary winding portion is connected to the low-side commutation switching element, and the high-side primary winding portion and the low-side primary winding portion are opposite to each other. A bidirectional DC / DC converter characterized by being wound.
前記二次巻線はセンタータップ方式の巻線に構成され、このセンタータップ方式の二次巻線はその一端および他端がそれぞれ整流ダイオードを介して前記ハイサイドラインに接続されている請求項4に記載の双方向DC/DCコンバータ。   The secondary winding is configured as a center tap type winding, and one end and the other end of the secondary winding of the center tap type are respectively connected to the high side line via a rectifier diode. The bidirectional DC / DC converter described in 1.
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