JP2022042414A - DC-DC converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はDC-DCコンバータに関する。 The present invention relates to a DC-DC converter.
絶縁型DC-DCコンバータとして、DAB(Dual Active Bridge)方式のDC-DCコンバータが知られている。DAB方式のDC-DCコンバータは、トランスの1次巻線に接続されている1次側ブリッジ回路における1次側スイッチング素子のオンオフの切り替えと、トランスの2次巻線に接続されている2次側ブリッジ回路における2次側スイッチング素子のオンオフの切り替えとの位相差により、トランスの1次側から2次側に電力を伝送できる。 As an isolated DC-DC converter, a DAB (Dual Active Bridge) type DC-DC converter is known. The DAB DC-DC converter switches the primary side switching element on and off in the primary side bridge circuit connected to the primary winding of the transformer, and the secondary winding connected to the secondary winding of the transformer. Power can be transmitted from the primary side to the secondary side of the transformer due to the phase difference between the on / off switching of the secondary side switching element in the side bridge circuit.
特許文献1の従来技術のDC-DCコンバータは、回路を流れる電流の瞬時値を監視し、監視の結果に基づいて各スイッチング素子のオンオフのタイミングを制御する。また、本従来技術では、ブリッジ間の位相差およびレグ間の位相差を同時に制御することにより、電力伝送を制御している。そのため電力伝送の制御の処理が複雑であった。
The conventional DC-DC converter of
本発明の一態様は、各スイッチング素子のスイッチング制御を複雑なものとせずに、高効率で動作できるDC-DCコンバータを実現することを目的とする。 One aspect of the present invention is to realize a DC-DC converter that can operate with high efficiency without complicating the switching control of each switching element.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係るDC-DCコンバータは、複数の1次側スイッチング素子と、各前記1次側スイッチング素子にそれぞれ並列に接続される複数のコンデンサ素子と、を有する1次側ブリッジ回路と、複数の2次側スイッチング素子を有する2次側ブリッジ回路と、トランスを有し、前記1次側ブリッジ回路と2次側ブリッジ回路との間に接続される変換部と、前記1次側スイッチング素子及び前記2次側スイッチング素子のスイッチングを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記1次側ブリッジ回路のレグ間の位相差を0とし、前記2次側ブリッジ回路のレグ間の位相差を一定値とし、1次側から2次側へ、または2次側から1次側へと輸送する電力に応じて、前記1次側ブリッジ回路と前記2次側ブリッジ回路との間の位相差を制御することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the DC-DC converter according to one aspect of the present invention includes a plurality of primary side switching elements and a plurality of capacitor elements connected in parallel to each of the primary side switching elements. , A secondary side bridge circuit having a plurality of secondary side switching elements, and a transformer, connected between the primary side bridge circuit and the secondary side bridge circuit. A conversion unit and a control unit that controls switching between the primary side switching element and the secondary side switching element are provided, and the control unit sets the phase difference between the legs of the primary side bridge circuit to 0. With the phase difference between the legs of the secondary side bridge circuit as a constant value, with the primary side bridge circuit according to the power transported from the primary side to the secondary side or from the secondary side to the primary side. It is characterized in that the phase difference with the secondary side bridge circuit is controlled.
本発明の一態様によれば、各スイッチング素子のスイッチング制御を複雑なものとせずに、高効率で動作できるDC-DCコンバータを実現できる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to realize a DC-DC converter that can operate with high efficiency without complicating the switching control of each switching element.
〔実施形態1〕
以下、実施形態1のDC-DCコンバータについて説明する。説明の便宜上、実施形態1にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、以降の各実施形態では、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。また、簡潔化のため、公知技術と同様の事項については、説明を適宜省略する。
[Embodiment 1]
Hereinafter, the DC-DC converter of the first embodiment will be described. For convenience of explanation, the members having the same functions as those described in the first embodiment are designated by the same reference numerals in the following embodiments, and the description thereof will not be repeated. Further, for the sake of brevity, the description of the same matters as those of the publicly known technology will be omitted as appropriate.
(DC-DCコンバータの全体構成)
図1は、DC-DCコンバータ1の回路図である。DC-DCコンバータ1は、1次側ブリッジ回路10と、2次側ブリッジ回路20と、変換部30と、制御部40とを備えている。DC-DCコンバータ1の入力端子対でもある、1次側ブリッジ回路10の入力端子対の間には、直流電源E10が接続される。またDC-DCコンバータ1の出力端子対でもある、2次側ブリッジ回路10の出力端子対の間には、直流電源E20が接続される。直流電源E10及び直流電源E20の少なくともいずれかは、2次電池であり得る。
(Overall configuration of DC-DC converter)
FIG. 1 is a circuit diagram of a DC-
ここで、「入力」、「出力」とは、直流電源E10の側から直流電源E20の側へ、すなわち、1次側から2次側へと電力が伝送されることを想定した表現である。しかし、これは便宜上の表現であって、以下でも同様である。実施形態1のDC-DCコンバータ1は、双方向DC-DCコンバータであり、2次側から1次側への電力の伝送も可能である。
Here, the "input" and "output" are expressions assuming that electric power is transmitted from the DC power supply E10 side to the DC power supply E20 side, that is, from the primary side to the secondary side. However, this is an expression for convenience, and the same applies to the following. The DC-
(変換部の構成)
1次側ブリッジ回路10は、変換部30の1次側に接続されている。すなわち1次側ブリッジ回路10の出力端子は変換部30の入力端子に接続される。2次側ブリッジ回路20は、変換部30の2次側に接続されている。すなわち変換部30の出力端子(変換部の2次側の端子)は2次側ブリッジ回路20の入力端子に接続される。
(Structure of conversion part)
The primary
変換部30は、トランスTrと、リアクトルL11と、リアクトルL12とを備える。図1の回路図におけるリアクトルL11とリアクトルL12とは、変換部30におけるインダクタンス成分を等価的に表している。リアクトルL11およびリアクトルL12で表されるインダクタンス成分は、トランスTrの漏れインダクタンスを含む。
The
また、リアクトルL11およびリアクトルL12で表されるインダクタンス成分は、トランスTrの1次巻線または2次巻線の少なくともいずれかに接続された現実の回路素子としてのリアクトルによるインダクタンス成分を含んでいてもよい。図1の回路図では、リアクトルL11、トランスTrの1次巻線およびリアクトルL12がこの順に直列で接続されているように表した。 Further, the inductance component represented by the reactor L11 and the reactor L12 may include an inductance component due to the reactor as an actual circuit element connected to at least one of the primary winding or the secondary winding of the transformer Tr. good. In the circuit diagram of FIG. 1, the reactor L11, the primary winding of the transformer Tr, and the reactor L12 are shown as being connected in series in this order.
(1次側ブリッジ回路の構成)
1次側ブリッジ回路10は、コンデンサC10と、1次側スイッチング素子S1~S4と、スナバコンデンサC1~C4(コンデンサ素子)と、を備える。1次側スイッチング素子S1~S4は、還流ダイオードD1~D4をそれぞれ備えている。1次側スイッチング素子S1~S4には、スナバコンデンサC1~C4が並列にそれぞれ接続されている。すなわち、1次側スイッチング素子S1~S4のドレインとソースとに、スナバコンデンサC1~C4の両端子がそれぞれ接続されている。
(Configuration of primary bridge circuit)
The primary
1次側ブリッジ回路10の入力端子間には、コンデンサC10と、1次側第1レグと、1次側第2レグとが並列に接続されている。1次側第1レグとして、高電位側の入力端子から順に、1次側スイッチング素子S1、1次側スイッチング素子S2が直列接続されている。また、1次側第2レグとして、高電位側の入力端子から順に、1次側スイッチング素子S3、1次側スイッチング素子S4が直列接続されている。
A capacitor C10, a first leg on the primary side, and a second leg on the primary side are connected in parallel between the input terminals of the primary
1次側第1レグの中間点、つまり1次側スイッチング素子S1と1次側スイッチング素子S2との接続点が、1次側ブリッジ回路10の一方の出力端子となる。1次側第2レグの中間点、つまり1次側スイッチング素子S3と1次側スイッチング素子S4との接続点が、1次側ブリッジ回路10のもう一方の出力端子となる。すなわち、変換部30のリアクトルL11は、1次側スイッチング素子S1と1次側スイッチング素子S2との接続点に接続されており、リアクトルL12は1次側スイッチング素子S3と1次側スイッチング素子S4との接続点に接続されている。
The intermediate point of the first leg on the primary side, that is, the connection point between the primary side switching element S1 and the primary side switching element S2 is one output terminal of the primary
(2次側ブリッジ回路の構成)
2次側ブリッジ回路20は、コンデンサC20と、2次側スイッチング素子S5~S8と、スナバコンデンサC5~C8(コンデンサ素子)と、を備える。2次側スイッチング素子S5~S8は、還流ダイオードD5~D8をそれぞれ備えている。2次側スイッチング素子S5~S8には、スナバコンデンサC5~C8が並列にそれぞれ接続されている。すなわち、2次側スイッチング素子S5~S8のドレインとソースとに、スナバコンデンサC5~C8の両端子がそれぞれ接続されている。
(Configuration of secondary bridge circuit)
The secondary
2次側ブリッジ回路20の出力端子間には、コンデンサC20と、2次側第1レグと、2次側第2レグとが並列に接続されている。2次側第1レグとして、高電位側の入力端子から順に、2次側スイッチング素子S5、2次側スイッチング素子S6が直列接続されている。また、2次側第2レグとして、高電位側の入力端子から順に、2次側スイッチング素子S7、2次側スイッチング素子S8が直列接続されている。
A capacitor C20, a first leg on the secondary side, and a second leg on the secondary side are connected in parallel between the output terminals of the secondary
2次側第1レグの中間点、つまり2次側スイッチング素子S5と2次側スイッチング素子S6との接続点が、2次側ブリッジ回路20の一方の入力端子となる。2次側第2レグの中間点、つまり2次側スイッチング素子S7と2次側スイッチング素子S8との接続点が、2次側ブリッジ回路20のもう一方の入力端子となる。すなわち、変換部30のトランスTrの2次巻線は、2次側スイッチング素子S5と2次側スイッチング素子S6との接続点、及び2次側スイッチング素子S7と2次側スイッチング素子S8との接続点に接続されている。
The intermediate point of the first leg on the secondary side, that is, the connection point between the secondary side switching element S5 and the secondary side switching element S6 is one input terminal of the secondary
(制御部)
制御部40は、1次側ブリッジ回路10への入力電圧である1次側電圧V1、及び1次側ブリッジ回路10への入力電流である1次側電流I1を参照して、1次側スイッチング素子S1~S4及び2次側スイッチング素子S5~S8のスイッチングを制御する。
(Control unit)
The
あるいは、制御部40は、2次側ブリッジ回路20の出力電圧である2次側電圧V2及び2次側ブリッジ回路20の出力電流である2次側電流I2を参照して、1次側スイッチング素子S1~S4及び2次側スイッチング素子S5~S8のスイッチングを制御する。
Alternatively, the
ここで、1次側電圧V1、1次側電流I1、2次側電圧V2、2次側電流I2のそれぞれは、時間平均値を表す。 Here, each of the primary side voltage V1, the primary side current I1, the secondary side voltage V2, and the secondary side current I2 represents a time average value.
(DC-DCコンバータの動作:基本動作)
図2~5に基づき、実施形態1に係るDC-DCコンバータ1の動作を説明する。図2は、1次側ブリッジ回路10と2次側ブリッジ回路20との間において電力伝送が行われていない場合を示すタイミングチャートである。図3は、1次側ブリッジ回路および2次側ブリッジ回路間において第1モードで電力伝送を行う場合を示すタイミングチャートである。図4は、1次側ブリッジ回路から2次側ブリッジ回路へ第2モードで電力伝送を行う場合を示すタイミングチャートである。図5は、1次側ブリッジ回路へ第3モードで電力伝送を行う場合を示すタイミングチャートである。
(DC-DC converter operation: basic operation)
The operation of the DC-
一般的に知られているように、各レグにおいて2つのスイッチング素子が同時に導通すると流れる貫通電流を防ぐために、オンオフの切替えの際には、これら2つのスイッチング素子を双方ともオフとするゲート信号を発するデッドタイムを設ける必要がある。しかし、以下の説明及び図2~5では、説明を分かりやすくするためにデッドタイムを無視している。しかしながら、実際にはデッドタイムが適宜設けられている。 As is generally known, in order to prevent a through current that flows when two switching elements are simultaneously conducted in each leg, a gate signal that turns off both of these two switching elements is used when switching on and off. It is necessary to set a dead time to emit. However, in the following description and FIGS. 2 to 5, the dead time is ignored for the sake of clarity. However, in reality, a dead time is appropriately provided.
まずは、図2を参照し、本実施形態のDC-DCコンバータ1の動作を説明する。1次側ブリッジ回路10における1次側スイッチング素子S1~S4のデューティは、デッドタイムを無視して50%の固定値である。また、1次側スイッチング素子S1とS4のスイッチングタイミングは一致し、1次側スイッチング素子S2とS3のスイッチングタイミングは一致する。すなわち、1次側ブリッジ回路10のレグ間位相差は0である。
First, the operation of the DC-
また、2次側ブリッジ回路20における2次側スイッチング素子S5~S8のデューティは、デッドタイムを無視して50%の固定値である。また、2次側スイッチング素子S5とS8のスイッチングタイミングには、レグ間位相差φLを設け、2次側スイッチング素子S6とS7のスイッチングタイミングにも、レグ間位相差φLを設ける。ここでは、2次側スイッチング素子S5よりも2次側スイッチング素子S8のスイッチングタイミングが遅れているものとする。
Further, the duty of the secondary side switching elements S5 to S8 in the secondary
さらに、2次側ブリッジ回路20と、1次側ブリッジ回路10との、ブリッジ間位相差φBを設ける。ここでは2次側スイッチング素子S5が、1次側スイッチング素子S1よりもスイッチングタイミングが遅れている場合、ブリッジ間位相差φBは正とし、進んでいる場合、ブリッジ間位相差φBは負とする。図2は、φB=-φL/2の場合である。
Further, a phase difference φ B between the bridges between the secondary
ここで、図2に示される変換部1次側電圧vtr1は、1次側スイッチング素子S4のドレインに対する、1次側スイッチング素子S1のソースの電位であり、1次側ブリッジ回路10の出力電圧である。変換部2次側電圧vtr2は、2次側スイッチング素子S8のドレインに対する、2次側スイッチング素子S5のソースの電位であり、2次側ブリッジ回路20の入力電圧である。変換部1次側電流itr1は、トランスTrの1次巻線を流れる電流である。変換部2次側電流itr2は、トランスTrの2次側巻線を流れる電流である。
Here, the conversion unit primary voltage v tr1 shown in FIG. 2 is the potential of the source of the primary switching element S1 with respect to the drain of the primary switching element S4, and is the output voltage of the
変換部1次側電圧vtr1は、上述の1次側スイッチング素子S1~S4のオンオフ動作によって、+V1と-V1とが交互に現れる電圧波形が生成される。対して、変換部2次側電圧vtr2は、上述の2次側スイッチング素子S5~S8の動作によって、+V2、0、-V2が順次現れる交流波形が生成される。 The conversion unit primary voltage v tr1 generates a voltage waveform in which + V1 and −V1 appear alternately by the on / off operation of the primary switching elements S1 to S4 described above. On the other hand, the conversion unit secondary side voltage v tr2 generates an AC waveform in which + V2, 0, and −V2 appear in sequence by the operation of the above-mentioned secondary side switching elements S5 to S8.
変換部2次側電圧vtr2が0になるのは、2次側第1レグに対して2次側第2レグのスイッチングが遅れている期間中である。このとき、2次側スイッチング素子S6と2次側スイッチング素子S8とが同時にオンしている。そのため、変換部30の出力端子対間は、2次側スイッチング素子S6と2次側スイッチング素子S8を通じて短絡している。あるいはこのとき、2次側スイッチング素子S5と2次側スイッチング素子S7とが同時にオンしている。
The conversion unit secondary side voltage v tr2 becomes 0 during the period in which the switching of the secondary side second leg is delayed with respect to the secondary side first leg. At this time, the secondary side switching element S6 and the secondary side switching element S8 are turned on at the same time. Therefore, the output terminal pair of the
変換部2次側電圧vtr2に生成された交流波形のうち、電圧が0ではない区間をブリッジ間電圧のパルス幅τとする。図2より明らかなように、レグ間位相差φLおよび、ブリッジ間電圧のパルス幅τには、次の関係式がある。 Of the AC waveform generated in the conversion unit secondary voltage v tr2 , the section where the voltage is not 0 is defined as the pulse width τ of the interbridge voltage. As is clear from FIG. 2, the inter-leg phase difference φ L and the inter-bridge voltage pulse width τ have the following relational expressions.
パルス幅τの期間中、変換部1次側電圧vtr1として直流電源E10の電圧(+V1)が、変換部2次側電圧vtr2として直流電源E20の電圧(+V2)が、変換部30に印加されこれらの電圧がバランスしている。次に2次側第1レグにおいてスイッチングし、変換部2次側電圧vtr2が0である期間に移行すると、変換部1次側電流itr1及び変換部2次側電流itr2が正方向に徐々に増加し、リアクトルL11及びリアクトルL12にエネルギーが蓄積される。 During the period of the pulse width τ, the voltage (+ V1) of the DC power supply E10 is applied to the conversion unit primary side voltage v tr1 and the voltage (+ V2) of the DC power supply E20 is applied to the conversion unit secondary side voltage v tr2 . And these voltages are balanced. Next, when switching is performed in the first leg of the secondary side and the period shifts to the period in which the conversion unit secondary side voltage v tr2 is 0, the conversion unit primary side current itr1 and the conversion unit secondary side current itr2 are in the positive direction. It gradually increases and energy is stored in the reactor L11 and the reactor L12.
変換部2次側電圧vtr2が0である期間に移行してから、ブリッジ間位相差φBだけ経過した時点で、変換部1次側電圧vtr1が-V1に反転する。変換部1次側電流itr1及び変換部2次側電流itr2は、この時をピークとして、その後、大きさが徐々に減少する。すると、リアクトルL11及びリアクトルL12に蓄積されたエネルギーが減少する。変換部2次側電圧vtr2が0である期間に移行してから、レグ間位相差φLだけ経過した時点で、変換部1次側電圧vtr1として-V1が、変換部2次側電圧vtr2として-V2が、変換部30に印加されこれらの電圧がバランスする。
The conversion unit primary side voltage v tr1 is inverted to −V1 when the phase difference between the bridges φB has elapsed after the transition to the period in which the conversion unit secondary side voltage v tr2 is 0. The magnitude of the conversion unit primary side current itr1 and the conversion unit secondary side current itr2 peaks at this time and then gradually decreases. Then, the energy stored in the reactor L11 and the reactor L12 is reduced. After shifting to the period when the conversion unit secondary voltage v tr2 is 0, when the phase difference between legs φ L has elapsed, -V1 is used as the conversion unit primary voltage v tr1 and the conversion unit secondary voltage. -V2 is applied to the
ブリッジ間位相差φBが、レグ間位相差φLのちょうど半分であれば、変換部1次側電流itr1の大きさが増加する期間と減少する期間が等しくなる。この場合、パルス幅τの期間中、変換部1次側電流itr1及び変換部2次側電流itr2は0である。また、ブリッジ間電圧のパルス幅τの区間では、変換部2次側電圧vtr2が0であるため、常に電力伝送は0である。従って、1次側ブリッジ回路10と、2次側ブリッジ回路20との間の電力伝送は行われない。
If the inter-bridge phase difference φ B is exactly half of the inter-leg phase difference φ L , the period in which the magnitude of the conversion unit primary side current itr1 increases and the period in which it decreases are equal. In this case, during the period of the pulse width τ, the conversion unit primary side current itr1 and the conversion unit secondary side current itr2 are 0. Further, in the section of the pulse width τ of the bridge-to-bridge voltage, since the conversion unit secondary voltage v tr2 is 0, the power transmission is always 0. Therefore, power transmission between the primary
1次側スイッチング素子S1~S4がスイッチングしたタイミングでピークとなる、変換部1次側電流itr1の大きさの最大値は、次式のインダクタ電流最大値iLpeakとなる。 The maximum value of the magnitude of the conversion unit primary side current itr1 that peaks at the timing when the primary side switching elements S1 to S4 are switched is the inductor current maximum value iLpeak of the following equation.
ここで、1次側ブリッジ回路10において1次側スイッチング素子S1~S4がターンオフする際にゼロボルトスイッチング(Zero Voltage Switching:ZVS)を実現するためには、スイッチング時に変換部30の1次側(リアクトルL11及びリアクトルL12)に電流が十分に流れている必要がある。このようなZVS可能最小電流Imin_ZVSは次式で表される。
Here, in order to realize zero voltage switching (ZVS) when the primary side switching elements S1 to S4 turn off in the primary
従って、インダクタ電流最大値iLpeakがZVS可能最小電流Imin_ZVSよりも大きい、次式が成立する条件で、1次側ブリッジ回路10でのゼロボルトスイッチング(ZVS)が実現される。
Therefore, zero volt switching (ZVS) in the primary
ただし、ZVS可能最小電流Imin_ZVSよりも、インダクタ電流最大値iLpeakが必要以上に大きい場合、スナバコンデンサの充放電に伴う電流ロスが発生する。従って不等式を満たす範囲で、極力、インダクタ電流最大値iLpeakは小さい値となるように、レグ間位相差φLを決定するとよい。 However, if the inductor current maximum value iLpeak is larger than necessary for the ZVS possible minimum current Imin_ZVS , a current loss due to charging and discharging of the snubber capacitor occurs. Therefore, it is advisable to determine the inter-leg phase difference φ L so that the maximum inductor current value i Lpeak is as small as possible within the range that satisfies the inequality.
(DC-DCコンバータの動作:第1モード)
次式を満たす場合、1次側と2次側との間において比較的少ない電力伝送が行うことができる第1モードとして動作する。第1モードでは、上記のようにレグ間位相差φLを定めていることによって、1次側ブリッジ回路10において、ゼロボルトスイッチング(ZVS)が可能である。
(Operation of DC-DC converter: 1st mode)
When the following equation is satisfied, it operates as a first mode in which relatively little power transmission can be performed between the primary side and the secondary side. In the first mode, zero volt switching (ZVS) is possible in the primary
図2の場合(φB=-φL/2)から、上式の範囲内で2次側の位相を進めた場合(φBを小さくした場合)が図3である。この場合、1次側スイッチング素子S1~S4のスイッチングは、変換部2次側電圧vtr2が0であるレグ間位相差φLの区間で行われる。1次側スイッチング素子S1~S4のスイッチングが行われるタイミングでのリアクトルL11及びリアクトルL12を流れる電流は、上記のインダクタ電流最大値iLpeakである。 FIG. 3 shows a case where the phase on the secondary side is advanced within the range of the above equation (when φ B is reduced) from the case of FIG. 2 (φ B = −φ L / 2). In this case, the switching of the primary side switching elements S1 to S4 is performed in the section of the leg-to-leg phase difference φ L where the conversion unit secondary side voltage v tr2 is 0. The current flowing through the reactor L11 and the reactor L12 at the timing when the primary side switching elements S1 to S4 are switched is the above-mentioned maximum inductor current value i Lpeak .
また、レグ間位相差φLの区間では、変換部2次側電圧vtr2が0であるが、ブリッジ間電圧のパルス幅τの区間では、変換部2次側電流itr2が0でないことから、1次側ブリッジ回路10および2次側ブリッジ回路20の間において、電力伝送が発生する。すなわち、レグ間位相差φLを固定し、ブリッジ間位相差φBのみを可変させることで、電力伝送することができる。
Further, in the section of the phase difference between legs φ L , the conversion unit secondary side voltage v tr2 is 0, but in the section of the pulse width τ of the bridge-to-bridge voltage, the conversion unit secondary side current itr2 is not 0. Power transmission occurs between the primary
第1モードでの伝送電力POUTは、次式で表せる。第1モードにおいて制御部40は、伝送電力POUTに応じ、次式に従って、ブリッジ間位相差φBを決定し、各スイッチング素子のスイッチングを実行する。
The transmission power P OUT in the first mode can be expressed by the following equation. In the first mode, the
また、ブリッジ間位相差φBの値により、1次側ブリッジ回路10および2次側ブリッジ回路20の電力伝送の授受はかわり、φB>-φL/2では、1次側ブリッジ回路10から2次側ブリッジ回路20へ電力伝送でき、φB<-φL/2では、2次側ブリッジ回路20から1次側ブリッジ回路10へ電力伝送できる。すなわち、ブリッジ間位相差によって、電力伝送の方向を選択することができる。
Further, depending on the value of the phase difference φ B between the bridges, the transfer of power transmission between the primary
(DC-DCコンバータの動作:第2モード)
図4に示されるように、第1モードの範囲から、更にブリッジ間位相差φBを大きくした(正方向に進めた)場合、すなわち次式の範囲では、1次側から2次側に、第1モードの場合よりも大きい電力を伝送する第2モードとして動作する。
(Operation of DC-DC converter: 2nd mode)
As shown in FIG. 4, when the phase difference between bridges φ B is further increased (advanced in the positive direction) from the range of the first mode, that is, in the range of the following equation, from the primary side to the secondary side. It operates as a second mode in which a larger amount of power is transmitted than in the case of the first mode.
この場合、1次側スイッチング素子S1~S4のスイッチングは、変換部2次側電圧vtr2が0であるレグ間位相差φLの区間ではなく、ブリッジ間電圧のパルス幅τの区間で行われる。パルス幅τの区間における変換部1次側電流itr1は、インダクタ電流最大値iLpeakよりも大きい。そのため1次側ブリッジ回路においてゼロボルトスイッチング(ZVS)が実現している。 In this case, the switching of the primary side switching elements S1 to S4 is performed not in the section of the leg-to-leg phase difference φL where the conversion unit secondary side voltage v tr2 is 0, but in the section of the pulse width τ of the bridge-to-bridge voltage. .. The conversion unit primary side current itr1 in the interval of the pulse width τ is larger than the inductor current maximum value iLpeak . Therefore, zero volt switching (ZVS) is realized in the primary side bridge circuit.
また、ブリッジ間電圧のパルス幅τの区間および、ブリッジ間位相差φBの区間において、変換部2次側電圧vtr2および変換部2次側電流itr2が発生していることから、第2モードでは、電力伝送が行われる。第2モードでの電力伝送量は、次式で表せる。第2モードにおいて制御部40は、電力伝送量に応じ、次式に従って、ブリッジ間位相差φBを決定し、各スイッチング素子のスイッチングを実行する。
Further, since the conversion unit secondary side voltage v tr2 and the conversion unit secondary side current itr2 are generated in the section of the pulse width τ of the inter-bridge voltage and the section of the inter - bridge phase difference φB, the second In the mode, power transfer is performed. The amount of power transmission in the second mode can be expressed by the following equation. In the second mode, the
(DC-DCコンバータの動作:第3モード)
図5に示されるように、第1モードの範囲から、更にブリッジ間位相差φBを小さくした(負方向に進めた)場合、すなわち次式の範囲では、2次側から1次側に、第1モードの場合よりも大きい電力を伝送する第3モードとして動作する。
(Operation of DC-DC converter: 3rd mode)
As shown in FIG. 5, when the phase difference between bridges φ B is further reduced (advanced in the negative direction) from the range of the first mode, that is, in the range of the following equation, from the secondary side to the primary side, It operates as a third mode in which a larger amount of power is transmitted than in the case of the first mode.
第3モードにおいても第2モードと同様に、1次側ブリッジ回路においてゼロボルトスイッチング(ZVS)が実現している。第3モードでの電力伝送量は、次式で表せる。第3モードにおいて制御部40は、電力伝送量に応じ、次式に従って、ブリッジ間位相差φBを決定し、各スイッチング素子のスイッチングを実行する。
In the third mode as well as in the second mode, zero volt switching (ZVS) is realized in the primary side bridge circuit. The amount of power transmission in the third mode can be expressed by the following equation. In the third mode, the
(出力特性)
図6は、ブリッジ間位相差φBとDC-DCコンバータ1の出力特性を表すグラフである。図6の横軸は、ブリッジ間位相差φBである。図6の第1縦軸は、1次側から2次側に伝送される場合を正とした、1次側と2次側との間の伝送電力である。第2縦軸は、変換部30の一次側に流れる電流であるインダクタ電流(時間平均値)を示す。図6において、伝送電力は実線で表し、インダクタ電流は一点鎖線で表す。
(Output characteristics)
FIG. 6 is a graph showing the phase difference between bridges φB and the output characteristics of the DC - DC converter 1. The horizontal axis of FIG. 6 is the phase difference φ B between bridges. The first vertical axis of FIG. 6 is the transmission power between the primary side and the secondary side, where the case of transmission from the primary side to the secondary side is positive. The second vertical axis shows the inductor current (time average value) which is the current flowing on the primary side of the
図6に示すように、実施形態1に係るDC-DCコンバータ1では動作モードが切り替わる時に、伝送電力およびインダクタ電流最大値の連続性が失われない滑らかな変化をする出力制御が可能である。そのため、動作モードが切り替わるような出力の領域においても、制御性が良好な制御が可能である。
As shown in FIG. 6, in the DC-
(作用効果)
実施形態1に係るDC-DCコンバータ1では、出力制御において、ブリッジ間位相差φBとレグ間位相差φLの双方を制御するのではなく、ブリッジ間位相差φBのみを制御する。また、出力電圧あるいは出力電流の瞬時値に基づいてスイッチングのタイミングを定めることも要しない。そのため、制御部の演算の負荷が少なく簡易な制御が可能である。また、第1モード、第2モードおよび第3モードでの動作モード変更に際し、シームレスな伝送電力およびインダクタ電流の調整が可能である。
(Action effect)
In the DC-
またスイッチング素子にスナバコンデンサを配したDC-DCコンバータにおいて、低電力伝送時には、通常変換部に流れる電流が小さく、スイッチング素子のターンオン時のゼロボルトスイッチング(ZVS)を実現することは困難である。しかし、実施形態1に係るDC-DCコンバータ1では、低電力伝送時(第1モード)において、1次側スイッチング素子のターンオン時にスナバコンデンサの電荷を引き抜くのに十分なインダクタ電流が確保されている。よって、低電力伝送時である動作モード1の範囲においても、電力伝送のロスが少ない制御ができる。
Further, in a DC-DC converter in which a snubber capacitor is arranged in a switching element, the current normally flowing in the conversion unit is small at the time of low power transmission, and it is difficult to realize zero volt switching (ZVS) at the time of turning on the switching element. However, in the DC-
〔変形例1〕
実施形態1では、1次側ブリッジ回路10のレグ間位相差を0とし、2次側ブリッジ回路のレグ間位相差φLを固定させ、1次側ブリッジ回路をゼロボルトスイッチング(ZVS)させることを主眼とした動作を記述したが、1次側ブリッジ回路10と2次側ブリッジ回路20との動作を入れ替えた動作をさせてもよい。実施形態1のDC-DCコンバータ1は双方向DC-DCコンバータであり、1次側、2次側との名称は便宜的なものであるからである。
[Modification 1]
In the first embodiment, the phase difference between the legs of the primary
すなわち、2次側ブリッジ回路20のレグ間位相差を0とし、1次側ブリッジ回路10のレグ間位相差φLを固定させてもよい。この場合では、動作モード1の区間においては、2次側ブリッジ回路20がゼロボルトスイッチング(ZVS)できることとなる。また、φB<φL/2では、2次側ブリッジ回路20から1次側ブリッジ回路10へ電力伝送でき、φB>φL/2では、1次側ブリッジ回路10から2次側ブリッジ回路20へ電力伝送できるようになる。
That is, the phase difference between the legs of the secondary
〔変形例2〕
1次側電圧V1および2次側電圧V2の比が、トランスTrの1次巻線および2次巻線の巻数比nと異なる場合には、変換部30の1次側と2次側とがバランスする条件が実施形態1とは異なってくる。この場合、1次側と2次側との間で電力伝送が行われなくなる条件がシフトするものの、実施形態1と同様にして、制御を行えばよい。
[Modification 2]
When the ratio of the primary side voltage V1 and the secondary side voltage V2 is different from the turns ratio n of the primary winding and the secondary winding of the transformer Tr, the primary side and the secondary side of the
〔変形例3〕
1次側ブリッジ回路、2次側ブリッジ回路および変換部が、図1に示すような単相の回路ではなく、3相の回路であってもよい。
[Modification 3]
The primary side bridge circuit, the secondary side bridge circuit, and the conversion unit may be a three-phase circuit instead of the single-phase circuit as shown in FIG.
〔実施形態2〕
本発明の実施形態2について、図7に基づいて以下に説明する。図7は、実施形態2に係る、DCーDCコンバータ2の回路図である。実施形態2に係るDC-DCコンバータ2は、1次側ブリッジ回路11と、2次側ブリッジ回路20と、変換部30と、制御部41とを備える。
[Embodiment 2]
1次側ブリッジ回路11は、DC-DCコンバータ1における1次側ブリッジ回路10の1次側スイッチング素子S1および1次側スイッチング素子S2の代わりに、コンデンサCpおよびコンデンサCnを備えたハーフブリッジ回路である。また、制御部41は、フルブリッジ回路ではなく、ハーフブリッジ回路を制御する制御部41である。このように、1次側ブリッジ回路または2次側ブリッジ回路の一方をハーフブリッジ回路としても、本発明の適用は可能である。その場合、フルブリッジ回路とした側において、レグ間位相差φLを設けるようにすればよい。
The primary side bridge circuit 11 is a half bridge circuit provided with a capacitor Cp and a capacitor Cn instead of the primary side switching element S1 and the primary side switching element S2 of the primary
制御部41は、1次側スイッチング素子S3または1次側スイッチング素子S4をスイッチングすることで、変換部1次側電流iHBを流し、変換部2次側電流itr2を生じさせる。この時の変換部1次側電圧をvHBとすると、vHBはV1の半分の値を示す。
By switching the primary side switching element S3 or the primary side switching element S4, the
本実施形態では、フルブリッジ回路を用いた実施形態1に対し、ハーフブリッジ回路を利用することで、1次側ブリッジ回路11の制御が更に容易になる利点がある。 In the present embodiment, there is an advantage that the control of the primary side bridge circuit 11 becomes easier by using the half bridge circuit as compared with the first embodiment using the full bridge circuit.
〔実施形態3〕
本発明の実施形態3について、図8に基づいて以下に説明する。実施形態3では、制御部の内部構成がより具体化して示される。図8は、実施形態3における制御部50の構成を示すブロック図である。
[Embodiment 3]
制御部50は、電力演算部51と、偏差演算部52と、位相演算部53と、スイッチングパルス生成部54と、を備える。
The
電力演算部51は、2次側電圧V2および2次側電流I2を基に、出力電力P2を演算する。電力演算部51は、出力電力P2を偏差演算部52に出力する。
The
偏差演算部52は、出力電力P2および目標出力電力Pout
*から、偏差ΔPoutを演算する。偏差演算部52は、偏差ΔPoutを位相演算部53に出力する。
The
位相演算部53は、入力された偏差ΔPoutを基にレグ間位相差φLおよびブリッジ間位相差φBを、実施形態1に記載した伝送電力POUTとブリッジ間位相差φBの関係式に基づいて導出する。演算に当たって、1次側電圧V1と、2次側電圧V2と、1次側基準での等価回路でのインダクタンスLと、トランスに印加される電流の周波数fと、およびスナバコンデンサC1~C8のそれぞれのキャパシタンスCsnubと、をも用いる。演算されたレグ間位相差φLおよびブリッジ間位相差φBは、スイッチングパルス生成部に出力される。
The
スイッチングパルス生成部54は、演算されたレグ間位相差φLおよびブリッジ間位相差φBを用いて、各スイッチング素子S1~S8のオンオフを制御する信号を発生する。
The switching
制御部50は、現在の出力している2次側ブリッジ回路の電力を基に、所定の目標出力電力Pout
*になるようにフィードバックする機能がある。フィードバックする項目は電力に限らず、電圧および電流であっても構わない。
The
〔まとめ〕
本発明の態様1に係るDC-DCコンバータは、複数の1次側スイッチング素子と、各前記1次側スイッチング素子にそれぞれ並列に接続される複数のコンデンサ素子と、を有する1次側ブリッジ回路と、複数の2次側スイッチング素子を有する2次側ブリッジ回路と、トランスを有し、前記1次側ブリッジ回路と2次側ブリッジ回路との間に接続される変換部と、前記1次側スイッチング素子及び前記2次側スイッチング素子のスイッチングを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記1次側ブリッジ回路のレグ間の位相差を0とし、前記2次側ブリッジ回路のレグ間の位相差(レグ間位相差φL)を一定値とし、1次側から2次側へ、または2次側から1次側へと輸送する電力に応じて、前記1次側ブリッジ回路と前記2次側ブリッジ回路との間の位相差(ブリッジ間位相差φB)を制御することを特徴とする。
〔summary〕
The DC-DC converter according to the first aspect of the present invention is a primary side bridge circuit having a plurality of primary side switching elements and a plurality of capacitor elements connected in parallel to each of the primary side switching elements. , A secondary side bridge circuit having a plurality of secondary side switching elements, a conversion unit having a transformer and connected between the primary side bridge circuit and the secondary side bridge circuit, and the primary side switching. A control unit that controls switching between the element and the secondary side switching element is provided, and the control unit sets the phase difference between the legs of the primary side bridge circuit to 0 and sets the phase difference between the legs of the secondary side bridge circuit to 0. The primary side bridge circuit and the said It is characterized in that the phase difference between the secondary side bridge circuit and the bridge circuit (phase difference between bridges φ B ) is controlled.
本発明の態様2に係るDC-DCコンバータは、態様1において、さらに、前記制御部は、前記電力が所定値以下の場合には、前記変換部の2次側の端子間が、前記2次側スイッチング素子を介して短絡する期間中に、前記1次側スイッチング素子がオンまたはオフへ転じるように制御する第1モードを実行することを特徴とする。 In the DC-DC converter according to the second aspect of the present invention, in the first aspect, when the power of the control unit is equal to or less than a predetermined value, the secondary side terminals of the conversion unit are connected to each other. It is characterized by executing a first mode for controlling the primary side switching element to turn on or off during a short circuit period via the side switching element.
本発明の態様3に係るDC-DCコンバータは、態様2において、さらに、前記制御部は、前記電力が前記所定値を超える場合には、前記変換部の2次側の端子間が、前記2次側スイッチング素子を介して短絡する期間外に、前記1次側スイッチング素子がオンまたはオフへ転じるように制御する第2モードを実行することを特徴とする。 In the DC-DC converter according to the third aspect of the present invention, in the second aspect, when the electric power exceeds the predetermined value, the control unit has the second terminal between the terminals on the secondary side of the conversion unit. It is characterized in that a second mode for controlling the primary side switching element to turn on or off is executed outside the period of short-circuiting via the secondary side switching element.
本発明の態様4に係るDC-DCコンバータは、態様2または3において、さらに、前記一定値は、前記第1モード実行時において、前記1次側スイッチング素子をオンまたはオフへ転じるタイミングに、前記1次側ブリッジ回路から前記変換部へと流れる電流(インダクタ電流最大値iLpeak)が、前記1次側スイッチング素子のゼロボルトスイッチングを可能とする値となるように定められることを特徴とする。 In the DC-DC converter according to the fourth aspect of the present invention, in the second or third aspect, the constant value is set at the timing when the primary side switching element is turned on or off at the time of executing the first mode. The current flowing from the primary side bridge circuit to the conversion unit (inductor current maximum value iLpeak ) is defined to be a value that enables zero volt switching of the primary side switching element.
本発明の態様5に係るDC-DCコンバータは、態様1から4の何れかにおいて、さらに、前記1次側ブリッジ回路はフルブリッジであるか、または、ハーフブリッジであることを特徴とする。
The DC-DC converter according to the fifth aspect of the present invention is characterized in that, in any one of
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
[Additional notes]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the claims, and the embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in the different embodiments. Is also included in the technical scope of the present invention.
1、2 DC-DCコンバータ
10、11 1次側ブリッジ回路
20 2次側ブリッジ回路
30 変換部
40、41、50 制御部
C1~C8 スナバコンデンサ(コンデンサ素子)
S1~S4 1次側スイッチング素子
S5~S8 2次側スイッチング素子
Tr トランス
1, 2 DC-
S1 to S4 Primary side switching element S5 to S8 Secondary side switching element Tr Transformer
Claims (6)
複数の2次側スイッチング素子を有する2次側ブリッジ回路と、
トランスを有し、前記1次側ブリッジ回路と2次側ブリッジ回路との間に接続される変換部と、
前記1次側スイッチング素子及び前記2次側スイッチング素子のスイッチングを制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記1次側ブリッジ回路のレグ間の位相差を0とし、
前記2次側ブリッジ回路のレグ間の位相差を一定値とし、
1次側から2次側へ、または2次側から1次側へと輸送する電力に応じて、前記1次側ブリッジ回路と前記2次側ブリッジ回路との間の位相差を制御することを特徴とする、DC-DCコンバータ。 A primary side bridge circuit having a plurality of primary side switching elements and a plurality of capacitor elements connected in parallel to each of the primary side switching elements.
A secondary bridge circuit with multiple secondary switching elements,
A conversion unit having a transformer and connected between the primary side bridge circuit and the secondary side bridge circuit,
A control unit for controlling switching between the primary side switching element and the secondary side switching element is provided.
The control unit
The phase difference between the legs of the primary bridge circuit is set to 0.
The phase difference between the legs of the secondary bridge circuit is set to a constant value.
Controlling the phase difference between the primary side bridge circuit and the secondary side bridge circuit according to the power transported from the primary side to the secondary side or from the secondary side to the primary side. A featured DC-DC converter.
前記電力が所定値以下の場合には、
前記変換部の2次側の端子間が、前記2次側スイッチング素子を介して短絡する期間中に、前記1次側スイッチング素子がオンまたはオフへ転じるように制御する第1モードを実行することを特徴とする、請求項1に記載のDC-DCコンバータ。 The control unit
When the power is less than or equal to a predetermined value,
Executing the first mode for controlling the primary side switching element to turn on or off during the period in which the terminals on the secondary side of the conversion unit are short-circuited via the secondary side switching element. The DC-DC converter according to claim 1.
前記電力が前記所定値を超える場合には、
前記変換部の2次側の端子間が、前記2次側スイッチング素子を介して短絡する期間外に、前記1次側スイッチング素子がオンまたはオフへ転じるように制御する第2モードを実行することを特徴とする、請求項2に記載のDC-DCコンバータ。 The control unit
When the electric power exceeds the predetermined value,
A second mode for controlling the primary side switching element to turn on or off is executed outside the period in which the terminals on the secondary side of the conversion unit are short-circuited via the secondary side switching element. 2. The DC-DC converter according to claim 2.
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