JP2023034862A - 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 DC-DC converters.
一般的に、デュアルアクティブブリッジ方式のDC-DCコンバータでは、1次側と2次側を絶縁するために、両者の間にトランスが設けられる。当該トランスの1次側と2次側との巻き線比に応じて、1次側の電圧を昇圧または降圧して、2次側に出力できる。 Generally, in a dual active bridge type DC-DC converter, a transformer is provided between the primary side and the secondary side in order to insulate them. Depending on the winding ratio between the primary side and the secondary side of the transformer, the voltage on the primary side can be stepped up or stepped down and output to the secondary side.
特許文献1には、入力側から出力側に電力を出力するときに、出力する電力を調整するために、出力電力に応じて第1制御と第2制御とを切り換える方法が開示されている。第1制御では、出力電力の増加に伴い、デューティを増加させる。デューティが50%になった以降は、第2制御として、出力電力の増加に伴い、入力側のブリッジ回路と出力側のブリッジ回路のブリッジ間位相差を増加させる。
制御方法を切り換える場合、制御方法の切り換えに伴って、出力側への出力電力は単調に変化せず、出力電力が増加から減少に転じることがある。すなわち、出力電力の変化をグラフにプロットすると、極大値または極小値などの極がある曲線になってしまう。そのため、出力電力から一意にパラメータが定まらず、制御が容易ではない。 When the control method is switched, the output power to the output side does not monotonically change, and the output power may change from increasing to decreasing along with the switching of the control method. That is, plotting the change in output power on a graph results in a curve with extremes such as maxima or minima. Therefore, a parameter cannot be determined uniquely from the output power, and control is not easy.
そこで、本発明の一態様は、制御方法を切り換えた場合であっても、出力側への出力電力変化を単調変化にできるDC-DCコンバータを実現し、制御を容易にすることを目的とする。 Accordingly, it is an object of one aspect of the present invention to realize a DC-DC converter that can monotonically change the output power to the output side even when the control method is switched, thereby facilitating control. .
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還流ダイオードおよびコンデンサと、を含み、第1レグと第2レグと、を有した1次側ブリッジ回路と、複数の2次側スイッチング素子と、各前記2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還流ダイオードおよびコンデンサと、を含み、第3レグと第4レグと、を有した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前記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および前記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2次側スイッチング素子を全てオフとし、第1レグと第2レグとのレグ間位相差を出力に応じてπから0の範囲で調整する第1制御と、第1レグと第2レグとのレグ間位相差を0とし、第3レグと第4レグとのレグ間位相差を0とするとともに、1次側ブリッジ回路と2次側ブリッジ回路とのブリッジ間位相差を出力に応じて調整する第2制御と、を前記第1制御による出力と前記第2制御による出力とが等しい状態で、前記第1制御と前記第2制御とを切り換えて実行する。 In order to solve the above problems, a DC-DC converter according to an aspect of the present invention includes a plurality of primary side switching elements, a plurality of free wheel diodes connected in parallel to each of the primary side switching elements, and a primary bridge circuit having a first leg and a second leg; a plurality of secondary switching elements; and a plurality of secondary switching elements connected in parallel to each of the secondary switching elements. a secondary bridge circuit having a third leg and a fourth leg, including a freewheeling diode and a capacitor; and a transformer, between the primary bridge circuit and the secondary bridge circuit. and a control unit configured to control switching of the primary side switching elements and the secondary side switching elements, wherein the control unit turns off all of the secondary side switching elements and switches off the first switching element. A first control that adjusts the inter-leg phase difference between the leg and the second leg in the range of π to 0 according to the output, and a third leg that sets the inter-leg phase difference between the first leg and the second leg to 0. A second control for setting the inter-leg phase difference with the fourth leg to 0 and adjusting the inter-bridge phase difference between the primary side bridge circuit and the secondary side bridge circuit according to the output, according to the first control The first control and the second control are switched and executed in a state where the output and the output by the second control are equal.
本発明の一態様によれば、パラメータ変化に伴う出力電力の変化が単調変化となり、制御が容易である。 According to one aspect of the present invention, the change in output power that accompanies parameter changes is monotonous, and control is easy.
〔実施形態1〕
以下に、図1~10を用いて本発明について、詳細に説明する。
[Embodiment 1]
The present invention will be described in detail below with reference to FIGS. 1 to 10. FIG.
(DC-DCコンバータ1の構成)
図1は、実施形態1に係るDC-DCコンバータ1を示す回路図である。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、を備える。
(Configuration of DC-DC converter 1)
FIG. 1 is a circuit diagram showing a DC-
1次側ブリッジ回路10は、入力端子で直流電源E1に接続されている。2次側ブリッジ回路20は、出力端子で直流電源E2に接続されている。1次側ブリッジ回路10の入力端子間の電圧は1次側電圧V1であり、1次側ブリッジ回路10の入力端子を流れる電流は1次側電流I1である。2次側ブリッジ回路20の出力端子間の電圧は2次側電圧V2であり、2次側ブリッジ回路20の出力端子を流れる電流は2次側電流I2である。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、制御部40が取得する時間平均値であり、後述する制御に用いる。
The primary
ここで、「入力」、「出力」とは、直流電源E1の側から直流電源E2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、双方向なデュアルアクティブブリッジ方式の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, "input" and "output" are expressions assuming that power is transmitted from the DC power supply E1 side to the DC power supply E2 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-
1次側ブリッジ回路10は、4つの1次側スイッチング素子S1~S4が設けられたフルブリッジ回路に、コンデンサ素子C1が並列に接続されている。1次側ブリッジ回路10は、第1レグ11と、第2レグ12と、コンデンサ素子C1とにより構成されている。第1レグ11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とが直列に接続されている。第2レグ12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とが直列に接続されている。
In the primary
2次側ブリッジ回路20は、4つの2次側スイッチング素子S5~S8が設けられたフルブリッジ回路に、コンデンサ素子C2が並列に接続されている。2次側ブリッジ回路20は、第3レグ21と、第4レグ22と、コンデンサ素子C2とにより構成されている。第3レグ21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とが直列に接続されている。第4レグ22は、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とが直列に接続されている。
In the
1次側スイッチング素子S1~S4および2次側スイッチング素子S5~S8(以降、まとめてスイッチング素子S1~S8と称する)は、それぞれ、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)またはその他のFET(Field Effect Transistor)で構成できる。あるいは、スイッチング素子S1~S8は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、その他のトランジスタで構成されてもよい。 The primary side switching elements S1 to S4 and the secondary side switching elements S5 to S8 (hereinafter collectively referred to as switching elements S1 to S8) are MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) or other FETs (Field Effect Transistors). Transistor). Alternatively, the switching elements S1 to S8 may be composed of IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) or other transistors.
スイッチング素子S1~S8には、還流ダイオードD1~D8がそれぞれ並列に接続されている。また、スイッチング素子S1~S8には、スナバコンデンサCsnub1~Csnub8がそれぞれ並列に接続されている。 Freewheeling diodes D1 to D8 are connected in parallel to the switching elements S1 to S8, respectively. Snubber capacitors Csnub1 to Csnub8 are connected in parallel to the switching elements S1 to S8, respectively.
変換部30は、巻き線比nのトランスTrを少なくとも備える。図1の回路図においては、変換部30のインダクタンス成分が、1次側に設けられたリアクトルL1と、リアクトルL2として等価的に表されている。図1の等価回路においてリアクトルL1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との接続点と、トランスTrの1次巻線の1次側端子に接続されている。リアクトルL2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との接続点と、トランスTrの1次巻線の2次側端子に接続されている。
The
リアクトルL1およびリアクトルL2で表せ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。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との接続点および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。変換部30に現実の素子としてのリアクトル素子が設けられる場合には、リアクトル素子は、トランスTrの1次側に配置されても、2次側に配置されても、あるいは両方に配置されてもよい。
The inductance component represented by reactor L1 and reactor L2 includes leakage inductance of transformer Tr. A secondary winding of the transformer Tr is connected to a connection point between the secondary switching element S5 and the secondary switching element S6 and a connection point between the secondary switching element S7 and the secondary switching element S8. When the
制御部40は、1次側電圧V1、1次側電流I1、2次側電圧V2、および2次側電流I2を参照して、スイッチング素子S1~S8のスイッチングを制御する。
The
(シミュレーション条件)
以降、シミュレーションにより、各制御方法での1次側ブリッジ回路10から2次側ブリッジ回路20への出力電力を算出する。このとき、次の条件で算出した。
参考動作例として、DC-DCコンバータ1での特許文献1に基づく制御を実行した場合の動作が示される。
(Simulation conditions)
After that, the output power from the primary
As a reference operation example, an operation when control based on
図9は、参考動作例に係るDC-DCコンバータ1のパラメータと出力電力の関係を表す図である。図9では、横軸を基準となる出力電力に対する出力電力の比率(以降、P.Uと称す)とし、第1縦軸をデューティとし、第2縦軸をブリッジ間位相差とする。基準となる出力電力に関しては後述する。
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between parameters and output power of the DC-
第1制御では、各スイッチング素子S1~S8のデューティを0%から50%まで増加させていくことで、出力電力を増加させる。このとき、1次側ブリッジ回路10と2次側ブリッジ回路20とのブリッジ間位相差は0である。
In the first control, the output power is increased by increasing the duty of each switching element S1 to S8 from 0% to 50%. At this time, the inter-bridge phase difference between the
次に、参考動作例では、デューティが50%になると、第2制御に移行する。第2制御では、デューティを50%で一定にした状態で、ブリッジ間位相差を0からπ/2まで増加させる。これにより、出力電力が単調に増加する傾向が得られる。 Next, in the reference operation example, when the duty reaches 50%, the control shifts to the second control. In the second control, the inter-bridge phase difference is increased from 0 to π/2 while the duty is kept constant at 50%. This results in a monotonically increasing trend in the output power.
図10は、参考動作例に係るDC-DCコンバータ1における第1制御から第2制御に移行させる場合における出力電力の変化を表す図である。図10では、横軸をシミュレーションにおける時間経過を表すプロット数とし、縦軸を基準となる出力電力に対する出力電力の比率を示す。
FIG. 10 is a diagram showing changes in output power when the DC-
図10において、プロット数1~10の間は、第1制御を行っている区間であり、デューティを0.05~0.48の間で0.05刻み(プロット数9から10にかけては0.48刻み)で増加させる。また、プロット数11~20の間は、第2制御を行っている区間であり、ブリッジ間位相差φを0°~90°まで9°刻みで増加させる。
In FIG. 10, between
図10に示すように、第1制御においては、50%未満のデューティにおいて、デューティの増加に応じて単調増加から単調減少に転じる変曲点があることがわかる。また、第2制御においては、ブリッジ間位相差の増加に応じて単調増加をすることがわかる。すなわち、第1制御での単調減少から第2制御での単調増加に移行する変曲点が、第1制御と第2制御との移行時点にもある。 As shown in FIG. 10, in the first control, at a duty of less than 50%, there is an inflection point at which a monotonous increase turns to a monotonous decrease as the duty increases. Also, it can be seen that in the second control, it monotonically increases according to the increase in the inter-bridge phase difference. That is, the inflection point at which monotonous decrease in the first control transitions to monotonous increase in the second control is also present at the point of transition between the first control and the second control.
第1制御および第2制御では、1次側電圧V1および2次側電圧V2が変動し、1次側電圧V1および2次側電圧V2の比が巻き線比nから逸脱すると、第1制御から第2制御へと移行する段階で出力電力に落ち込みが生じてしまう。第1制御と第2制御の連動制御で落ち込みを緩和できる可能性があるが、電圧変動のパターンは膨大な数があり、デューティとブリッジ間位相差とによる制御の条件設定は非常に困難である。 In the first control and the second control, when the primary side voltage V1 and the secondary side voltage V2 fluctuate and the ratio of the primary side voltage V1 and the secondary side voltage V2 deviates from the winding ratio n, the first control A drop occurs in the output power at the stage of shifting to the second control. Interlocking control of the first control and the second control may alleviate the drop, but there are a huge number of voltage fluctuation patterns, and it is very difficult to set the control conditions based on the duty and the phase difference between the bridges. .
(整流器モード)
次に、実施形態1に係るDC-DCコンバータ1の動作に関して説明する。実施形態1では、出力電力が0の状態から整流器モード(第1制御モード)によって出力を高めていく。
(rectifier mode)
Next, the operation of the DC-
整流器モードでは、2次側ブリッジ回路20の2次側スイッチング素子S5~S8を常時オフにする。すなわち、2次側ブリッジ回路20は還流ダイオードD5~D8によるフルダイオードブリッジ回路が形成される。
In the rectifier mode, the secondary side switching elements S5 to S8 of the secondary
整流器モードでは、1次側スイッチング素子S1~S4を半周期毎にスイッチングするとともに、第1レグ11と第2レグ12とのレグ間位相差φLをπから0の範囲で調整することで、出力電力を調整することができる。
In the rectifier mode, the primary side switching elements S1 to S4 are switched every half cycle, and the inter-leg phase difference φL between the
図2は、実施形態1に係るDC-DCコンバータ1のパラメータと出力電力との関係を表す図である。図2では、横軸を基準となる出力電力に対する出力電力の比率とし、第1縦軸をデューティとし、第2縦軸をブリッジ間位相差とする。図2に示すように、レグ間位相差φLがπに近いほどP.Uは小さく、レグ間位相差φLが0に近いほどP.Uは大きくなる傾向がある。また、出力電力は単調に変化する。
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between parameters and output power of the DC-
図3は、実施形態1に係る整流器モードにおけるレグ間位相差φLが0の場合での、タイミングチャートである。図3に示すように、レグ間位相差φLが0の場合では、1次側変換部電圧Vtr1と2次側変換部電圧Vtr2とには、位相差が生じる。この位相差は、整流器モードにおいて発生する1次側ブリッジ回路の還流と2次側ブリッジ回路の還流ダイオードD5~D8における導通区間の関係によって生じる。つまり、1次スイッチング素子S1~S4のオフ区間と、2次側の還流ダイオードD5~D8の導通区間とのタイミングが異なるために、位相差を含む波形になる。またこの位相差は制御部40で計算して、後述するブリッジ間位相差φBと等しくなるようにする。
FIG. 3 is a timing chart when the inter-leg phase difference φL is 0 in the rectifier mode according to the first embodiment. As shown in FIG. 3, when the inter-leg phase difference φL is 0, a phase difference occurs between the primary side converter voltage Vtr1 and the secondary side converter voltage Vtr2. This phase difference is caused by the relationship between the freewheeling of the primary side bridge circuit and the conducting sections of the freewheeling diodes D5-D8 of the secondary side bridge circuit that occur in the rectifier mode. In other words, the waveform includes a phase difference due to the difference in timing between the off period of the primary switching elements S1 to S4 and the conduction period of the freewheeling diodes D5 to D8 on the secondary side. Further, this phase difference is calculated by the
(位相シフトモード)
整流器モードによって、レグ間位相差φLが0になった以降、さらに出力電力を増加させるために、位相シフトモード(第2制御モード)で制御を行う。
(Phase shift mode)
After the inter-leg phase difference φL becomes 0 in the rectifier mode, control is performed in the phase shift mode (second control mode) in order to further increase the output power.
位相シフトモードでは、1次側スイッチング素子S1~S4および2次側スイッチング素子S5~S8をそれぞれ半周期毎にスイッチング(デューティ50%)する。また、位相シフトモードでは、出力電力に応じて、1次側ブリッジ回路10と2次側ブリッジ回路20との間にブリッジ間位相差φBを設ける。このとき、第1レグ11と第2レグ12とのレグ間位相差φLは0であり、第3レグ21と第4レグ22とのレグ間位相差も0である。
In the phase shift mode, the primary side switching elements S1 to S4 and the secondary side switching elements S5 to S8 are switched every half cycle (50% duty). In the phase shift mode, an inter-bridge phase difference φB is provided between the primary
図4は、実施形態1に係る位相シフトモードにおけるタイミングチャートである。特に、図4は、位相シフトモードへとモード移行を終えた直後の状態でもある。 FIG. 4 is a timing chart in phase shift mode according to the first embodiment. In particular, FIG. 4 is also the state immediately after completing the mode transition to the phase shift mode.
図2に示すように、ブリッジ間位相差φBがπに近いほどP.Uは大きく、ブリッジ間位相差φBが0に近いほどP.Uは小さくなる傾向がある。また、出力電力は単調に変化する。 As shown in FIG. 2, the closer the inter-bridge phase difference .phi.B is to .pi. U is large, and the closer the bridge-to-bridge phase difference φB is to 0, the more P.U. U tends to be small. Also, the output power changes monotonically.
ここで、図9および図10において、前述した基準となる出力電力に対する出力電力の比率であるP.Uは、ブリッジ間位相差φBがπ/2のときに1となる。すなわち、このときの出力電力に対する比率がP.Uである。 Here, in FIGS. 9 and 10, P.P., which is the ratio of the output power to the reference output power, is described above. U becomes 1 when the inter-bridge phase difference φB is π/2. That is, the ratio to the output power at this time is P. is U.
(モード移行)
制御部40は、整流器モードによってレグ間位相差φLが0になった以降、更に出力電力を増加させるためには、整流器モードから位相シフトモードにモードを移行させる。
(mode transition)
After the inter-leg phase difference φL becomes 0 in the rectifier mode, the
図5は、実施形態1に係るモード移行時におけるデューティを増加させている間のタイミングチャートである。 FIG. 5 is a timing chart while increasing the duty at the time of mode transition according to the first embodiment.
まず、1次側ブリッジ回路10と2次側ブリッジ回路20との間にブリッジ間位相差φBを設ける。φBは、次式で示す関係式によって導出する。
次に、図4に示すように、当該モード移行においては、2次側スイッチング素子S5~S8のデューティを0%から50%に増加させる。この間、1次側スイッチング素子S1~S4は、半周期でスイッチング(デューティ50%)するとともに、第1レグ11と第2レグ12とのレグ間位相差φLは0であり、第3レグ21と第4レグ22とのレグ間位相差も0である。2次側スイッチング素子S5~S8が半周期でスイッチング(デューティ50%)するようになることで、整流器モードから位相シフトモードへのモード移行が完了する。
Next, as shown in FIG. 4, in the mode transition, the duty of the secondary side switching elements S5 to S8 is increased from 0% to 50%. During this time, the primary-side switching elements S1 to S4 are switched in a half cycle (50% duty), and the inter-leg phase difference φL between the
図3~図5に示すように、整流器モードから位相シフトモードへと、モード移行時においては、2次側変換部電圧Vtr2およびインダクタ電流iLが変化していないため、デューティは変化(0%から50%へ)しているが、出力電力は増加しない。 As shown in FIGS. 3 to 5, during mode transition from the rectifier mode to the phase shift mode, the secondary conversion voltage Vtr2 and the inductor current iL do not change, so the duty changes (from 0% to 50%), but the output power does not increase.
この現象は、レグ間位相差φLが0において位相シフトモードへとモード移行させるときには、2次側スイッチング素子S5~S8には電流が流れず、還流ダイオードD5~D8にしか電流が流れない状態となっている。そのため、モード移行においては、デューティを増加(変化)させた場合であっても、出力電力は増加しない。モード移行が終わり、位相シフトモードに切り替わり、ブリッジ間位相差φBを増加させることで、初めて2次側スイッチング素子S5~S8に電流が流れて出力電力が増加し始める。 This phenomenon is caused by the fact that when the mode is shifted to the phase shift mode when the phase difference φL between the legs is 0, no current flows through the secondary switching elements S5 to S8, and only the freewheeling diodes D5 to D8. It's becoming Therefore, in the mode transition, even if the duty is increased (changed), the output power does not increase. When the mode transition is completed, the mode is switched to the phase shift mode, and the inter-bridge phase difference φB is increased, current flows through the secondary side switching elements S5 to S8 for the first time, and the output power begins to increase.
(整流器モードと位相シフトモードの関係)
図6は、実施形態1に係るDC-DCコンバータ1において整流器モードから位相シフトモードに移行させて、出力電力を変化させた結果を表す図である。図6では、横軸をシミュレーションにおける時間経過を表すプロット数とし、縦軸を基準となる出力電力に対する出力電力の比率を示す。
(Relationship between rectifier mode and phase shift mode)
FIG. 6 is a diagram showing the results of changing the output power by shifting from the rectifier mode to the phase shift mode in the DC-
図6において、プロット数1~10の間は、整流器モードを行っている区間であり、レグ間位相差φLを0°~90°まで9°刻みで増加させる。また、プロット数11~20の間は、位相シフトモードを行っている区間であり、ブリッジ間位相差φを0°~90°まで9°刻みで増加させる。
In FIG. 6,
図6に示すように、整流器モードから位相差シフトモードへと移行させ、レグ間位相差φLまたはブリッジ間位相差φBを操作することにより、出力電力は単調増加することがわかる。そのため、所望のP.Uに対し、一意にレグ間位相差φLおよびブリッジ間位相差φBの組み合わせが定まるため、制御が容易である。また、整流器モード、位相シフトモード、およびモード移行時において、フィードバック制御によって、レグ間位相差φLまたはブリッジ間位相差φBを制御することにより、出力電力を制御できる。 As shown in FIG. 6, by shifting from the rectifier mode to the phase difference shift mode and manipulating the leg-to-leg phase difference φL or the bridge-to-bridge phase difference φB, the output power monotonically increases. Therefore, the desired P.I. Since the combination of the phase difference φL between legs and the phase difference φB between bridges is uniquely determined for U, control is easy. Further, in the rectifier mode, phase shift mode, and mode transition, the output power can be controlled by controlling the phase difference φL between legs or the phase difference φB between bridges by feedback control.
(小括)
したがって、出力電力を大きくするために、整流器モードから位相シフトモードへと移行する過程において、出力電力の特性に落ち込みがなく、出力電力は単調に増加する。そのため、目標電力に対して出力電力を制御することで、パラメータにあたるレグ間位相差φLまたはブリッジ間位相差φBが一意に定まり、制御が容易である。
(Brief Summary)
Therefore, in the process of shifting from the rectifier mode to the phase shift mode in order to increase the output power, the output power characteristics do not drop and the output power increases monotonously. Therefore, by controlling the output power with respect to the target power, the leg-to-leg phase difference φL or the bridge-to-bridge phase difference φB, which is a parameter, is uniquely determined, which facilitates control.
また、整流器モードにおいても、整流器モードと位相シフトモードを連続に変化させるために、出力電力に応じたブリッジ間位相差φBを、整流器モードにおいても計算しておく。そのため、整流器モードにおいても、レグ間位相差φLに加えて、ブリッジ間位相差φBを計算するだけでよいので、参考例よりも設計が用意である利点もある。 Also in the rectifier mode, the inter-bridge phase difference φB corresponding to the output power is calculated also in the rectifier mode in order to continuously change the rectifier mode and the phase shift mode. Therefore, even in the rectifier mode, it is sufficient to calculate the inter-bridge phase difference φB in addition to the leg-to-leg phase difference φL, so there is an advantage that the design is easier than the reference example.
(整流器モードにおける制御ブロック図)
図7は、実施形態1に係るDC-DCコンバータ1における整流器モードでの制御部40のブロック図である。図7に示すように、2次側電圧V2および2次側電流I2から出力電力Poutを算出する。当該出力電力Poutと、目標電力Pout*とから電力偏差ΔPoutを導出する。
(Control block diagram in rectifier mode)
FIG. 7 is a block diagram of the
電力偏差ΔPoutと、1次側電圧V1と、2次側電圧V2と、巻き線比nと、スイッチング周波数fswと、インダクタLとにより、位相偏差演算部にて、位相差領域の偏差φeに変換する。当該偏差φeをPI演算にて増幅したものと、πとの偏差から、レグ間位相差φLが生成される。 Power deviation ΔPout, primary side voltage V1, secondary side voltage V2, winding ratio n, switching frequency fsw, and inductor L are converted into deviation φe in the phase difference region by the phase deviation calculator. do. The inter-leg phase difference φL is generated from the difference between the deviation φe amplified by the PI calculation and π.
このレグ間位相差φLが0<φL<πの範囲にある場合、フラグaに0をセットする。整流器モードにおいては、この条件を満たすようになる。 If the inter-leg phase difference φL is in the range of 0<φL<π, 0 is set to the flag a. In rectifier mode, this condition is satisfied.
PWM(Pulse Width Modulation)信号を1次側スイッチング素子S1~S4に出力することで、1次側スイッチング素子S1~S4をスイッチングする。第1レグ11の1次側スイッチング素子S1とS2とは、互いに逆位相である。また、第2レグ12の1次側スイッチング素子S3とS4とは、第1レグに対しレグ間位相差φLだけ位相が遅れている。また、2次側スイッチング素子S5~S8は、常時オフである。
By outputting a PWM (Pulse Width Modulation) signal to the primary side switching elements S1 to S4, the primary side switching elements S1 to S4 are switched. The primary side switching elements S1 and S2 of the
また、出力電力Poutに加え、1次側電圧V1と、2次側電圧V2と、巻き線比nと、スイッチング周波数fswと、インダクタLとからブリッジ間位相差φBを導出する。 In addition to the output power Pout, the bridge-to-bridge phase difference φB is derived from the primary side voltage V1, the secondary side voltage V2, the winding ratio n, the switching frequency fsw, and the inductor L.
(位相シフトモードにおける制御ブロック図)
図8は、実施形態1に係るDC-DCコンバータ1における位相シフトモードでの制御部40のブロック図である。図8に示すように、整流器モードと同様の手順によりレグ間位相差φLを導出する。ここで、位相シフトモードでは、レグ間位相差φLが負の値になっている。そのため、フラグaに1をセットしたうえで、レグ間位相差を0とする。
(Control block diagram in phase shift mode)
FIG. 8 is a block diagram of the
PWM信号を1次側スイッチング素子S1~S4に出力し、1次側スイッチング素子S1~S4をスイッチングする。ここで、1次側スイッチング素子S2とS3とは、1次側スイッチング素子S1とS4とは逆位相である。 A PWM signal is output to the primary side switching elements S1 to S4 to switch the primary side switching elements S1 to S4. Here, the primary side switching elements S2 and S3 are in opposite phase to the primary side switching elements S1 and S4.
ランプ関数にフラグaが代入され、フラグaに1がセットされていた場合、ランプ関数は立ち上がり始める。ランプ関数と三角波とを比較した信号によってデューティが定まる。当該信号に対しブリッジ間位相差φB分位相を遅らせた信号を作り、2次側スイッチング素子S5~S8に出力し、2次側スイッチング素子S5~S8をスイッチングする。 When flag a is assigned to the ramp function and flag a is set to 1, the ramp function begins to rise. A signal obtained by comparing the ramp function and the triangular wave determines the duty. A signal whose phase is delayed by the bridge-to-bridge phase difference φB is generated with respect to the signal, and is output to the secondary side switching elements S5 to S8 to switch the secondary side switching elements S5 to S8.
また、位相シフトモードの制御中に、レグ間位相差φLが正の値になった場合、フラグaに0がセットされ、ランプ関数が立下り始める。その結果、デューティが小さくなり、位相シフトモードから整流器モードに移行する。 Further, when the inter-leg phase difference φL becomes a positive value during the phase shift mode control, the flag a is set to 0, and the ramp function starts falling. As a result, the duty is reduced and the phase shift mode is switched to the rectifier mode.
〔変形例〕
実施形態1では、整流器モードとして、レグ間位相差を制御したが、これに限定されない。整流器モードとしての最大出力時に1次側スイッチング素子S1~S4のデューティが50%になるものであればどのような制御でもよい。例えば、出力電力に応じて、デューティまたはレグ間位相差φLを制御する場合などが挙げられる。
[Modification]
Although the inter-leg phase difference is controlled in the rectifier mode in
〔ソフトウェアによる実現例〕
DC-DCコンバータ1(以下、「装置」と呼ぶ)の機能は、当該装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、当該装置の各制御ブロック(特に制御部40に含まれる各部)としてコンピュータを機能させるためのプログラムにより実現することができる。
[Example of realization by software]
The function of the DC-DC converter 1 (hereinafter referred to as "device") is a program for causing a computer to function as the device, and the computer as each control block of the device (especially each part included in the control unit 40) It can be realized by a program for functioning.
この場合、上記装置は、上記プログラムを実行するためのハードウェアとして、少なくとも1つの制御装置(例えばプロセッサ)と少なくとも1つの記憶装置(例えばメモリ)を有するコンピュータを備えている。この制御装置と記憶装置により上記プログラムを実行することにより、上記各実施形態で説明した各機能が実現される。 In this case, the apparatus comprises a computer having at least one control device (eg processor) and at least one storage device (eg memory) as hardware for executing the program. Each function described in each of the above embodiments is realized by executing the above program using the control device and the storage device.
上記プログラムは、一時的ではなく、コンピュータ読み取り可能な、1または複数の記録媒体に記録されていてもよい。この記録媒体は、上記装置が備えていてもよいし、備えていなくてもよい。後者の場合、上記プログラムは、有線または無線の任意の伝送媒体を介して上記装置に供給されてもよい。 The program may be recorded on one or more computer-readable recording media, not temporary. The recording medium may or may not be included in the device. In the latter case, the program may be supplied to the device via any transmission medium, wired or wireless.
また、上記各制御ブロックの機能の一部または全部は、論理回路により実現することも可能である。例えば、上記各制御ブロックとして機能する論理回路が形成された集積回路も本発明の範疇に含まれる。この他にも、例えば量子コンピュータにより上記各制御ブロックの機能を実現することも可能である。 Also, part or all of the functions of the above control blocks can be realized by logic circuits. For example, integrated circuits in which logic circuits functioning as the control blocks described above are formed are also included in the scope of the present invention. In addition, it is also possible to implement the functions of the control blocks described above by, for example, a quantum computer.
〔まとめ〕
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還流ダイオードおよびコンデンサと、を含み、第1レグと第2レグと、を有した1次側ブリッジ回路と、複数の2次側スイッチング素子と、各前記2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還流ダイオードおよびコンデンサと、を含み、第3レグと第4レグと、を有した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前記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および前記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2次側スイッチング素子を全てオフとし、第1レグと第2レグとのレグ間位相差を出力に応じてπから0の範囲で調整する第1制御モードと、第1レグと第2レグとのレグ間位相差を0とし、第3レグと第4レグとのレグ間位相差を0とするとともに、1次側ブリッジ回路と2次側ブリッジ回路とのブリッジ間位相差を出力に応じて調整する第2制御モードと、を前記第1制御モードによる出力と前記第2制御モードによる出力とが等しい状態で切り換えて実行する。
〔summary〕
In order to solve the above problems, a DC-DC converter according to an aspect of the present invention includes a plurality of primary side switching elements, a plurality of free wheel diodes connected in parallel to each of the primary side switching elements, and a primary bridge circuit having a first leg and a second leg; a plurality of secondary switching elements; and a plurality of secondary switching elements connected in parallel to each of the secondary switching elements. a secondary bridge circuit having a third leg and a fourth leg, including a freewheeling diode and a capacitor; and a transformer, between the primary bridge circuit and the secondary bridge circuit. and a control unit configured to control switching of the primary side switching elements and the secondary side switching elements, wherein the control unit turns off all of the secondary side switching elements and switches off the first switching element. A first control mode in which the inter-leg phase difference between the leg and the second leg is adjusted in the range from π to 0 according to the output, and a inter-leg phase difference between the first leg and the second leg is set to 0 and the third leg and a second control mode in which the inter-leg phase difference between the and the fourth leg is set to 0, and the inter-bridge phase difference between the primary side bridge circuit and the secondary side bridge circuit is adjusted according to the output of the first The output by the control mode and the output by the second control mode are switched and executed in the same state.
上記の構成では、第1制御モードから第2制御モードへと出力電力を単調変化させることができる。そのため、出力電力の制御が容易である。 With the above configuration, the output power can be monotonously changed from the first control mode to the second control mode. Therefore, it is easy to control the output power.
前記制御部は、前記第1制御モードによる出力と、から前記第2制御モードによる出力とが等しい前記状態においてに切り替える際に、前記2次側スイッチング素子のデューティを0から前記第2制御モードにおける値まで徐々に変化させてもよい。 The control unit changes the duty of the secondary side switching element from 0 to values may be gradually changed.
上記の構成によれば、第1制御モードから第2制御モードへと出力電力を変化させずに接続することができる。そのため、第1制御モードと第2制御モードとで、出力電力を単調変化させることができる。 According to the above configuration, it is possible to switch from the first control mode to the second control mode without changing the output power. Therefore, the output power can be monotonously changed between the first control mode and the second control mode.
前記制御部は、前記第1制御モードにおいて、前記1次側スイッチング素子についてそれぞれが半周期毎にスイッチングを行うように制御してもよい。 In the first control mode, the control section may control the primary side switching elements so that they perform switching every half cycle.
上記の構成によれば、第1制御モードにおいて、1次側スイッチング素子の制御が容易である。 According to the above configuration, it is easy to control the primary side switching element in the first control mode.
前記制御部は、前記第2制御モードにおいて、前記1次側スイッチング素子および前記2次側スイッチング素子についてそれぞれが半周期毎にスイッチングを行うように制御してもよい。 In the second control mode, the control section may control the primary side switching element and the secondary side switching element so that they each perform switching every half cycle.
上記の構成によれば、第2制御モードにおいて、1次側スイッチング素子および2次側スイッチング素子の制御が容易である。 According to the above configuration, it is easy to control the primary side switching element and the secondary side switching element in the second control mode.
〔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, but can be modified in various ways within the scope of the claims, and can be obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. is also included in the technical scope of the present invention.
1、100 DC-DCコンバータ
10 1次側ブリッジ回路
11 第1レグ
12 第2レグ
20 2次側ブリッジ回路
21 第3レグ
22 第4レグ
30 変換部
40 制御部
Csnub1~Csnub8 スナバコンデンサ(コンデンサ)
D1~D8 還流ダイオード
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, 100 DC-
D1~D8 Freewheeling diode S1~S4 Primary side switching element S5~S8 Secondary side switching element Tr Transformer
Claims (4)
複数の2次側スイッチング素子と、各前記2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還流ダイオードおよびコンデンサと、を含み、第3レグと第4レグと、を有した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前記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および前記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2次側スイッチング素子を全てオフとし、第1レグと第2レグとのレグ間位相差を出力に応じてπから0の範囲で調整する第1制御モードと、第1レグと第2レグとのレグ間位相差を0とし、第3レグと第4レグとのレグ間位相差を0とするとともに、1次側ブリッジ回路と2次側ブリッジ回路とのブリッジ間位相差を出力に応じて調整する第2制御モードと、を前記第1制御モードによる出力と前記第2制御モードによる出力とが等しい状態で切り換えて実行することを特徴とする、DC-DCコンバータ。 A primary side bridge having a first leg and a second leg, including a plurality of primary side switching elements, and a plurality of freewheeling diodes and capacitors connected in parallel to each of the primary side switching elements. a circuit;
A secondary side bridge including a plurality of secondary side switching elements, and a plurality of freewheeling diodes and capacitors connected in parallel to each of the secondary side switching elements, and having a third leg and a fourth leg. a circuit;
a conversion unit having a transformer and connected between the primary bridge circuit and the secondary bridge circuit;
a control unit that controls switching of the primary side switching element and the secondary side switching element,
The control unit turns off all the secondary side switching elements, and adjusts an inter-leg phase difference between the first leg and the second leg in a range from π to 0 according to the output; The inter-leg phase difference between the leg and the second leg is set to 0, the inter-leg phase difference between the third leg and the fourth leg is set to 0, and the inter-bridge position between the primary side bridge circuit and the secondary side bridge circuit is set to 0. A DC-DC converter characterized in that a second control mode for adjusting a phase difference according to an output is switched and executed in a state in which the output in the first control mode and the output in the second control mode are equal.
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