JP2022042414A - DC-DC converter - Google Patents

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JP2022042414A JP2020147835A JP2020147835A JP2022042414A JP 2022042414 A JP2022042414 A JP 2022042414A JP 2020147835 A JP2020147835 A JP 2020147835A JP 2020147835 A JP2020147835 A JP 2020147835A JP 2022042414 A JP2022042414 A JP 2022042414A
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健介 清水
Kensuke Shimizu
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Abstract

To achieve a high-efficiency operation without complicating switching control.SOLUTION: A controller (40) of a DC-DC converter (1) sets a phase difference between legs of a primary side bridge circuit (10) to zero and sets a phase difference between legs of a secondary side bridge circuit (20) to a constant value. The controller (40) controls a phase difference between the primary side bridge circuit (10) and the secondary side bridge circuit (20) depending on a power to be transported from the primary side to the secondary side or vice versa.SELECTED DRAWING: Figure 1

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.

特開2016-152687号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-152687

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 Patent Document 1 monitors the instantaneous value of the current flowing through the circuit, and controls the on / off timing of each switching element based on the monitoring result. Further, in the present conventional technique, power transmission is controlled by simultaneously controlling the phase difference between bridges and the phase difference between legs. Therefore, the process of controlling power transmission is complicated.

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に係るDC-DCコンバータの回路図である。It is a circuit diagram of the DC-DC converter which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態1に係るDC-DCコンバータの、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。6 is a timing chart showing a case where power transmission is not performed between the primary side bridge circuit and the secondary side bridge circuit of the DC-DC converter according to the first embodiment. 実施形態1に係るDC-DCコンバータの、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。It is a timing chart which shows the case where the power transmission is performed in the 1st mode between the primary side bridge circuit and the secondary side bridge circuit of the DC-DC converter which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態1に係るDC-DCコンバータの、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。6 is a timing chart showing a case where power is transmitted from the primary side bridge circuit to the secondary side bridge circuit in the second mode of the DC-DC converter according to the first embodiment. 実施形態1に係るDC-DCコンバータの、2次側ブリッジ回路から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。It is a timing chart which shows the case where the power is transmitted from the secondary side bridge circuit to the primary side bridge circuit in the 3rd mode of the DC-DC converter which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態1に係るDC-DCコンバータの、ブリッジ間位相差φとDC-DCコンバータの出力特性を表すグラフである。It is a graph which shows the phase difference φ B between bridges, and the output characteristic of a DC-DC converter of the DC-DC converter which concerns on Embodiment 1. FIG. 実施形態2に係るDCーDCコンバータの回路図である。It is a circuit diagram of the DC-DC converter which concerns on Embodiment 2. FIG. 実施形態3における制御部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the control part in Embodiment 3. FIG.

〔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-DC converter 1. The DC-DC converter 1 includes a primary side bridge circuit 10, a secondary side bridge circuit 20, a conversion unit 30, and a control unit 40. A DC power supply E10 is connected between the input terminal pairs of the primary bridge circuit 10, which is also the input terminal pair of the DC-DC converter 1. A DC power supply E20 is connected between the output terminal pairs of the secondary bridge circuit 10, which is also the output terminal pair of the DC-DC converter 1. At least one of the DC power source E10 and the DC power source E20 may be a secondary battery.

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-DC converter 1 of the first embodiment is a bidirectional DC-DC converter, and can also transmit electric power from the secondary side to the primary side.

(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 side bridge circuit 10 is connected to the primary side of the conversion unit 30. That is, the output terminal of the primary bridge circuit 10 is connected to the input terminal of the conversion unit 30. The secondary side bridge circuit 20 is connected to the secondary side of the conversion unit 30. That is, the output terminal of the conversion unit 30 (the terminal on the secondary side of the conversion unit) is connected to the input terminal of the secondary bridge circuit 20.

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 conversion unit 30 includes a transformer Tr, a reactor L11, and a reactor L12. The reactor L11 and the reactor L12 in the circuit diagram of FIG. 1 equivalently represent the inductance components in the conversion unit 30. The inductance component represented by the reactor L11 and the reactor L12 includes the leakage inductance of the transformer Tr.

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 side bridge circuit 10 includes capacitors C10, primary side switching elements S1 to S4, and snubber capacitors C1 to C4 (capacitor elements). The primary side switching elements S1 to S4 include return diodes D1 to D4, respectively. Snubber capacitors C1 to C4 are connected in parallel to the primary switching elements S1 to S4, respectively. That is, both terminals of the snubber capacitors C1 to C4 are connected to the drain and the source of the primary switching elements S1 to S4, respectively.

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 side bridge circuit 10. As the primary side first leg, the primary side switching element S1 and the primary side switching element S2 are connected in series in order from the input terminal on the high potential side. Further, as the second leg on the primary side, the primary side switching element S3 and the primary side switching element S4 are connected in series in order from the input terminal on the high potential side.

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 side bridge circuit 10. The intermediate point of the second leg on the primary side, that is, the connection point between the primary side switching element S3 and the primary side switching element S4 is the other output terminal of the primary side bridge circuit 10. That is, the reactor L11 of the conversion unit 30 is connected to the connection point between the primary side switching element S1 and the primary side switching element S2, and the reactor L12 is connected to the primary side switching element S3 and the primary side switching element S4. It is connected to the connection point of.

(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 side bridge circuit 20 includes capacitors C20, secondary side switching elements S5 to S8, and snubber capacitors C5 to C8 (capacitor elements). The secondary side switching elements S5 to S8 include return diodes D5 to D8, respectively. Snubber capacitors C5 to C8 are connected in parallel to the secondary switching elements S5 to S8, respectively. That is, both terminals of the snubber capacitors C5 to C8 are connected to the drain and the source of the secondary switching elements S5 to S8, respectively.

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 side bridge circuit 20. As the first leg on the secondary side, the secondary side switching element S5 and the secondary side switching element S6 are connected in series in order from the input terminal on the high potential side. Further, as the secondary side second leg, the secondary side switching element S7 and the secondary side switching element S8 are connected in series in order from the input terminal on the high potential side.

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 side bridge circuit 20. The intermediate point of the secondary side second leg, that is, the connection point between the secondary side switching element S7 and the secondary side switching element S8 becomes the other input terminal of the secondary side bridge circuit 20. That is, the secondary winding of the transformer Tr of the conversion unit 30 is the connection point between the secondary side switching element S5 and the secondary side switching element S6, and the connection between the secondary side switching element S7 and the secondary side switching element S8. Connected to a point.

(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 control unit 40 refers to the primary side voltage V1 which is the input voltage to the primary side bridge circuit 10 and the primary side current I1 which is the input current to the primary side bridge circuit 10 for primary side switching. It controls the switching of the elements S1 to S4 and the secondary side switching elements S5 to S8.

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 control unit 40 refers to the secondary side voltage V2 which is the output voltage of the secondary side bridge circuit 20 and the secondary side current I2 which is the output current of the secondary side bridge circuit 20 and refers to the primary side switching element. It controls the switching of S1 to S4 and the secondary side switching elements S5 to S8.

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-DC converter 1 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 5. FIG. 2 is a timing chart showing a case where power transmission is not performed between the primary side bridge circuit 10 and the secondary side bridge circuit 20. FIG. 3 is a timing chart showing a case where power is transmitted in the first mode between the primary side bridge circuit and the secondary side bridge circuit. FIG. 4 is a timing chart showing a case where power is transmitted from the primary side bridge circuit to the secondary side bridge circuit in the second mode. FIG. 5 is a timing chart showing a case where power is transmitted to the primary bridge circuit in the third mode.

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-DC converter 1 of the present embodiment will be described with reference to FIG. The duty of the primary side switching elements S1 to S4 in the primary side bridge circuit 10 is a fixed value of 50% ignoring the dead time. Further, the switching timings of the primary side switching elements S1 and S4 match, and the switching timings of the primary side switching elements S2 and S3 match. That is, the phase difference between the legs of the primary side bridge circuit 10 is 0.

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φ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φ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 side bridge circuit 20 is a fixed value of 50% ignoring the dead time. Further, a phase difference φ L between legs is provided at the switching timing of the secondary side switching elements S5 and S8, and a phase difference φ L between legs is also provided at the switching timing of the secondary side switching elements S6 and S7. Here, it is assumed that the switching timing of the secondary side switching element S8 is delayed from that of the secondary side switching element S5.

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φ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φは正とし、進んでいる場合、ブリッジ間位相差φは負とする。図2は、φ=-φ/2の場合である。 Further, a phase difference φ B between the bridges between the secondary side bridge circuit 20 and the primary side bridge circuit 10 is provided. Here, when the switching timing of the secondary side switching element S5 is delayed from that of the primary side switching element S1, the inter-bridge phase difference φ B is positive, and when it is advanced, the inter-bridge phase difference φ B is negative. do. FIG. 2 shows the case of φ B = −φ L / 2.

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 primary bridge circuit 10. Is. The conversion unit secondary side voltage v tr2 is the potential of the source of the secondary side switching element S5 with respect to the drain of the secondary side switching element S8, and is the input voltage of the secondary side bridge circuit 20. The conversion unit primary side current itr1 is a current flowing through the primary winding of the transformer Tr. The conversion unit secondary side current itr2 is a current flowing through the secondary side winding of the transformer Tr.

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 conversion unit 30 is short-circuited through the secondary side switching element S6 and the secondary side switching element S8. Alternatively, at this time, the secondary side switching element S5 and the secondary side switching element S7 are turned on at the same time.

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φ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.

Figure 2022042414000002
Figure 2022042414000002

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φ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φ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 conversion unit 30 as v tr2 , and these voltages are balanced.

ブリッジ間位相差φが、レグ間位相差φ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 side bridge circuit 10 and the secondary side bridge circuit 20 is not performed.

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.

Figure 2022042414000003
Figure 2022042414000003

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 side bridge circuit 10, the primary side (reactor) of the conversion unit 30 at the time of switching is realized. It is necessary that sufficient current is flowing through L11 and the reactor L12). Such a ZVS minimum possible current I min_ZVS is expressed by the following equation.

Figure 2022042414000004
Figure 2022042414000004

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 side bridge circuit 10 is realized under the condition that the maximum inductor current value i Lpeak is larger than the minimum ZVS possible current Imin_ZVS and the following equation is satisfied.

Figure 2022042414000005
Figure 2022042414000005

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φ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φ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 side bridge circuit 10 by defining the phase difference φ L between the legs as described above.

Figure 2022042414000006
Figure 2022042414000006

図2の場合(φ=-φ/2)から、上式の範囲内で2次側の位相を進めた場合(φ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φ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φ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φを固定し、ブリッジ間位相差φ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 side bridge circuit 10 and the secondary side bridge circuit 20. That is, power can be transmitted by fixing the phase difference φ L between the legs and changing only the phase difference φ B between the bridges.

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φ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 control unit 40 determines the inter - bridge phase difference φB according to the transmission power P OUT according to the following equation, and executes switching of each switching element.

Figure 2022042414000007
Figure 2022042414000007

また、ブリッジ間位相差φ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、φ>-φ/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、φ<-φ/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 side bridge circuit 10 and the secondary side bridge circuit 20 changes, and in φ B > −φ L / 2, from the primary side bridge circuit 10. Power can be transmitted to the secondary side bridge circuit 20, and if φ B <−φ L / 2, power can be transmitted from the secondary side bridge circuit 20 to the primary side bridge circuit 10. That is, the direction of power transmission can be selected by the phase difference between the bridges.

(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φ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.

Figure 2022042414000008
Figure 2022042414000008

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φ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φ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φ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 control unit 40 determines the inter - bridge phase difference φB according to the following equation according to the amount of power transmission, and executes switching of each switching element.

Figure 2022042414000009
Figure 2022042414000009

(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φ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.

Figure 2022042414000010
Figure 2022042414000010

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φ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 control unit 40 determines the inter - bridge phase difference φB according to the following equation according to the amount of power transmission, and executes switching of each switching element.

Figure 2022042414000011
Figure 2022042414000011

(出力特性)
図6は、ブリッジ間位相差φ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φ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 conversion unit 30. In FIG. 6, the transmission power is represented by a solid line, and the inductor current is represented by a alternate long and short dash line.

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-DC converter 1 according to the first embodiment, when the operation mode is switched, it is possible to perform output control that makes a smooth change without losing the continuity of the transmission power and the maximum value of the inductor current. Therefore, control with good controllability is possible even in the output region where the operation mode is switched.

(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φとレグ間位相差φの双方を制御するのではなく、ブリッジ間位相差φ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-DC converter 1 according to the first embodiment, in the output control, not both the inter-bridge phase difference φ B and the inter-leg phase difference φ L are controlled, but only the inter-bridge phase difference φ B is controlled. Further, it is not necessary to determine the switching timing based on the instantaneous value of the output voltage or the output current. Therefore, the calculation load of the control unit is small and simple control is possible. In addition, seamless transmission power and inductor current can be adjusted when changing the operation mode in the first mode, the second mode, and the third mode.

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-DC converter 1 according to the first embodiment, a sufficient inductor current is secured to extract the charge of the snubber capacitor when the primary side switching element is turned on in the low power transmission (first mode). .. Therefore, even in the range of the operation mode 1 at the time of low power transmission, it is possible to perform control with little loss of power transmission.

〔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φ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 side bridge circuit 10 is set to 0, the phase difference φ L between the legs of the secondary side bridge circuit is fixed, and the primary side bridge circuit is zero-volt switched (ZVS). Although the main operation is described, the operation of the primary side bridge circuit 10 and the secondary side bridge circuit 20 may be interchanged. This is because the DC-DC converter 1 of the first embodiment is a bidirectional DC-DC converter, and the names of the primary side and the secondary side are for convenience.

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φ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、φ<φ/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、φ>φ/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 side bridge circuit 20 may be set to 0, and the phase difference φ L between the legs of the primary side bridge circuit 10 may be fixed. In this case, in the section of the operation mode 1, the secondary side bridge circuit 20 can perform zero volt switching (ZVS). Further, when φ BL / 2, power can be transmitted from the secondary side bridge circuit 20 to the primary side bridge circuit 10, and when φ B > φ L / 2, power can be transmitted from the primary side bridge circuit 10 to the secondary side bridge circuit. Power can be transmitted to 20.

〔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 conversion unit 30 are The balancing condition is different from that of the first embodiment. In this case, although the condition that power transmission is not performed shifts between the primary side and the secondary side, control may be performed in the same manner as in the first embodiment.

〔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]
Embodiment 2 of the present invention will be described below with reference to FIG. 7. FIG. 7 is a circuit diagram of the DC-DC converter 2 according to the second embodiment. The DC-DC converter 2 according to the second embodiment includes a primary side bridge circuit 11, a secondary side bridge circuit 20, a conversion unit 30, and a control unit 41.

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φ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 side bridge circuit 10 in the DC-DC converter 1. be. Further, the control unit 41 is not a full bridge circuit but a control unit 41 that controls a half bridge circuit. As described above, the present invention can be applied even if one of the primary side bridge circuit and the secondary side bridge circuit is used as a half bridge circuit. In that case, the phase difference between the legs φ L may be provided on the side of the full bridge circuit.

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 control unit 41 causes the conversion unit primary side current i HB to flow, and the conversion unit secondary side current i tr2 is generated. Assuming that the voltage on the primary side of the conversion unit at this time is v HB , v HB shows a value that is half that of V1.

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]
Embodiment 3 of the present invention will be described below with reference to FIG. In the third embodiment, the internal configuration of the control unit is shown more concretely. FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the control unit 50 in the third embodiment.

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 control unit 50 includes a power calculation unit 51, a deviation calculation unit 52, a phase calculation unit 53, and a switching pulse generation unit 54.

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 power calculation unit 51 calculates the output power P2 based on the secondary side voltage V2 and the secondary side current I2. The power calculation unit 51 outputs the output power P2 to the deviation calculation unit 52.

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 deviation calculation unit 52 calculates the deviation ΔP out from the output power P2 and the target output power P out * . The deviation calculation unit 52 outputs the deviation ΔP out to the phase calculation unit 53.

位相演算部53は、入力された偏差ΔPoutを基にレグ間位相差φおよびブリッジ間位相差φ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φ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φおよびブリッジ間位相差φは、スイッチングパルス生成部に出力される。 The phase calculation unit 53 determines the inter-leg phase difference φ L and the inter-bridge phase difference φ B based on the input deviation ΔP out , and the relational expression between the transmission power P OUT and the inter-bridge phase difference φ B described in the first embodiment. Derived based on. In the calculation, the primary side voltage V1, the secondary side voltage V2, the inductance L in the equivalent circuit based on the primary side, the frequency f of the current applied to the transformer, and the snubber capacitors C1 to C8, respectively. Capacitance C snub and is also used. The calculated inter-leg phase difference φ L and inter-bridge phase difference φ B are output to the switching pulse generation unit.

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φおよびブリッジ間位相差φ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 pulse generation unit 54 uses the calculated inter-leg phase difference φ L and inter-bridge phase difference φ B to generate a signal for controlling the on / off of each of the switching elements S1 to S8.

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 control unit 50 has a function of feeding back to a predetermined target output power P out * based on the power of the secondary bridge circuit currently being output. The items to be fed back are not limited to electric power, but may be voltage and current.

〔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φ)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φ)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 aspects 1 to 4, the primary side bridge circuit is a full bridge or a half bridge.

〔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-DC converter 10, 11 Primary side bridge circuit 20 Secondary side bridge circuit 30 Conversion unit 40, 41, 50 Control unit C1 to C8 Snubber capacitor (capacitor element)
S1 to S4 Primary side switching element S5 to S8 Secondary side switching element Tr Transformer

Claims (6)

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、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、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、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.
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、請求項2または3に記載のDC-DCコンバータ。 The constant value means that the current flowing from the primary side bridge circuit to the conversion unit at the timing when the primary side switching element is turned on or off during the execution of the first mode is the primary side switching element. The DC-DC converter according to claim 2 or 3, wherein the DC-DC converter is defined to have a value that enables zero-volt switching. 前記1次側ブリッジ回路はフルブリッジであることを特徴とする、請求項1から4のいずれか1項に記載のDC-DCコンバータ。 The DC-DC converter according to any one of claims 1 to 4, wherein the primary bridge circuit is a full bridge. 前記1次側ブリッジ回路はハーフブリッジであることを特徴とする、請求項1から4のいずれか1項に記載のDC-DCコンバータ。 The DC-DC converter according to any one of claims 1 to 4, wherein the primary bridge circuit is a half bridge.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7315886B1 (en) * 2023-04-20 2023-07-27 日新電機株式会社 DC-DC converter

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