JP2024063642A - DC-DC Converter - Google Patents
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Abstract
【課題】DC-DCコンバータにおけるスイッチング損失を低減する。
【解決手段】第1レグ(11)と第2レグ(12)とを有した1次側ブリッジ回路(10)と、第3レグ(21)と第4レグ(22)とを有した2次側ブリッジ回路(20)と、を備え、互いに位相差を有する第1仮想レグ(Q1)および第2仮想レグ(Q2)ならびに第3仮想レグ(Q3)および第4仮想レグ(Q4)を含み、各レグを制御する各仮想レグを切り替えたDC-DCコンバータ(1)は、1次側ブリッジ回路に印加される電圧である電圧に対する、2次側ブリッジ回路に印加される電圧の1次側換算電圧、の電圧差に応じて、1次側ブリッジ回路と2次側ブリッジ回路との位相差を決定し、輸送する電力に応じて、第1仮想レグと第2仮想レグの位相差と、第3仮想レグと第4仮想レグの位相差とを決定する。
【選択図】図15
The present invention provides a method for reducing switching losses in a DC-DC converter.
[Solution] A DC-DC converter (1) comprising a primary side bridge circuit (10) having a first leg (11) and a second leg (12), and a secondary side bridge circuit (20) having a third leg (21) and a fourth leg (22), and including a first virtual leg (Q1) and a second virtual leg (Q2), as well as a third virtual leg (Q3) and a fourth virtual leg (Q4) having a phase difference from each other, and switching between each virtual leg for controlling each leg, determines the phase difference between the primary side bridge circuit and the secondary side bridge circuit in accordance with the voltage difference between a voltage applied to the primary side bridge circuit and a primary side converted voltage of a voltage applied to the secondary side bridge circuit, and determines the phase difference between the first virtual leg and the second virtual leg and the phase difference between the third virtual leg and the fourth virtual leg in accordance with the power to be transported.
[Selection] Figure 15
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.
特許文献1には、デュアルアクティブブリッジ方式のDC-DCコンバータにおいて、ブリッジ間の位相差、レグ間の位相差、およびデューティ比を制御して、双方向に電力伝送および昇圧・降圧する方法が開示されている。
しかしながら、上述のような従来技術は、特定のレグにおいて熱損失が発生する。そのために、特定のレグのみに熱損失が偏ることになり、当該レグを集中的に放熱する必要が生じ、熱設計が容易ではない。 However, in the conventional technology described above, heat loss occurs in a specific leg. This means that heat loss is concentrated in only that specific leg, making it necessary to dissipate heat in a concentrated manner in that leg, which makes thermal design difficult.
本発明の一態様は、DC-DCコンバータにおいて発生する熱損失をブリッジ内で平準化し、DC-DCコンバータの放熱を容易にすることを目的とする。 One aspect of the present invention aims to equalize the heat loss generated in a DC-DC converter within the bridge, making it easier to dissipate heat from the DC-DC converter.
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、を備えたDC-DCコンバータであって、前記制御部は、前記第1レグを第1仮想レグ、前記第2レグを第2仮想レグ、前記第3レグを第3仮想レグ、前記第4レグを第4仮想レグと見なす第1動作と、前記第2レグを前記第1仮想レグ、前記第1レグを前記第2仮想レグ、前記第4レグを前記第3仮想レグ、前記第3レグを前記第4仮想レグと見なす第2動作とを、交互に実行するとともに、前記DC-DCコンバータの外部から前記1次側ブリッジ回路に印加される電圧である第1電圧に対する、前記DC-DCコンバータの外部から前記2次側ブリッジ回路に印加される電圧の1次側換算電圧である第2電圧の電圧差に応じて、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ブリッジ間位相差を決定し、1次側から2次側または2次側から1次側に輸送する電力に応じて、前記第1仮想レグと前記第2仮想レグとの間の第1レグ間位相差、および前記第3仮想レグと前記第4仮想レグとの間の第2レグ間位相差を制御する。 In order to solve the above problem, a DC-DC converter according to one aspect of the present invention is a DC-DC converter including a primary bridge circuit including a plurality of primary switching elements and having a first leg and a second leg, a secondary bridge circuit including a plurality of secondary switching elements and having a third leg and a fourth leg, a conversion unit having a transformer and connected between the primary bridge circuit and the secondary bridge circuit, and a control unit that controls switching of the primary switching elements and the secondary switching elements, wherein the control unit performs a first operation in which the first leg is regarded as a first virtual leg, the second leg is regarded as a second virtual leg, the third leg is regarded as a third virtual leg, and the fourth leg is regarded as a fourth virtual leg, and a second operation in which the second leg is regarded as a first virtual leg. , and a second operation in which the first leg is regarded as the second virtual leg, the fourth leg as the third virtual leg, and the third leg as the fourth virtual leg are alternately executed, and a bridge phase difference between the primary bridge circuit and the secondary bridge circuit is determined according to a voltage difference between a first voltage, which is a voltage applied to the primary bridge circuit from outside the DC-DC converter, and a second voltage, which is a primary-converted voltage of a voltage applied to the secondary bridge circuit from outside the DC-DC converter, and a first leg phase difference between the first virtual leg and the second virtual leg and a second leg phase difference between the third virtual leg and the fourth virtual leg are controlled according to power transported from the primary side to the secondary side or from the secondary side to the primary side.
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、を備えたDC-DCコンバータであって、前記制御部は、前記第1レグを第1仮想レグ、前記第2レグを第2仮想レグ、前記第3レグを第3仮想レグ、前記第4レグを第4仮想レグと見なす第1動作と、前記第2レグを前記第1仮想レグ、前記第1レグを前記第2仮想レグ、前記第4レグを前記第3仮想レグ、前記第3レグを前記第4仮想レグと見なす第2動作とを、交互に実行するとともに、前記第1仮想レグと前記第2仮想レグとの間に第1レグ間位相差を設け、前記第3仮想レグと前記第4仮想レグとの間に第2レグ間位相差を設け、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ブリッジ間位相差を設けるようにして、各前記1次側スイッチング素子および各前記2次側スイッチング素子のスイッチングを制御することを特徴とする。 In order to solve the above problem, a DC-DC converter according to one aspect of the present invention is a DC-DC converter including a primary bridge circuit including a plurality of primary switching elements and having a first leg and a second leg, a secondary bridge circuit including a plurality of secondary switching elements and having a third leg and a fourth leg, a conversion unit having a transformer and connected between the primary bridge circuit and the secondary bridge circuit, and a control unit that controls switching of the primary switching elements and the secondary switching elements, wherein the control unit refers to the first leg as a first virtual leg, the second leg as a second virtual leg, and the third leg as a third virtual leg. The present invention is characterized in that a first operation in which the second leg is regarded as the first virtual leg, the fourth leg as the fourth virtual leg, and a second operation in which the second leg is regarded as the first virtual leg, the first leg as the second virtual leg, the fourth leg as the third virtual leg, and the third leg as the fourth virtual leg are alternately performed, and a first inter-leg phase difference is provided between the first virtual leg and the second virtual leg, a second inter-leg phase difference is provided between the third virtual leg and the fourth virtual leg, and a bridge phase difference is provided between the primary bridge circuit and the secondary bridge circuit, thereby controlling switching of each of the primary side switching elements and each of the secondary side switching elements.
本発明の一態様によれば、DC-DCコンバータにおける熱損失をブリッジ内で平準化することができる。 According to one aspect of the present invention, heat loss in a DC-DC converter can be averaged within the bridge.
〔参考動作例〕
実施形態1の説明に先立ち、まず、図1~10を用いて本発明の参考動作例について詳細に説明する。図1は、参考動作例に係るDC-DCコンバータ1の回路図およびブロック図である。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。
[Reference operation example]
Prior to describing the first embodiment, a reference operation example of the present invention will be described in detail with reference to Figures 1 to 10. Figure 1 is a circuit diagram and a block diagram of a DC-
(DC-DCコンバータ1の構成)
1次側ブリッジ回路10は、入力端子で直流電源に接続されている。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、つまりDC-DCコンバータ1の外部から1次側ブリッジ回路10に印加される電圧は1次側電圧E1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、つまりDC-DCコンバータ1の外部から2次側ブリッジ回路20に印加される電圧は2次側電圧E2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E1、1次側電流I1、2次側電圧E2、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。
(Configuration of DC-DC Converter 1)
The
ここで、「入力」、「出力」とは、1次側ブリッジ回路10から2次側ブリッジ回路20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。また、本明細書においては、1次側から2次側への電力Poutの伝送を力行(Pout>0)と呼称し、2次側から1次側への電力Poutの伝送を回生(Pout<0)と呼称する。
The terms "input" and "output" are used here assuming that power is transmitted from the
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回路である。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構成される。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構成される。
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回路である。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構成される。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構成される。
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) can each be configured with a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) or other FETs (Field Effect Transistors). Alternatively, the switching elements S1 to S8 may be configured with an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or other transistors.
変換部30は、巻線比nのトランスTrと、リアクトルLとを備え、1次側ブリッジ回路10と2次側ブリッジ回路20との間に接続される。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Lとして等価的に表されている。ここで、リアクトルL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次巻線の一端に接続されているように表されている。また、トランスTrの1次巻線の他端は、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ように表されている。
The
ここでは、リアクトルLをトランスTrの1次巻線に接続するように記載したが、これに限定されない。また、リアクトルLはトランスLに含まれないインダクタンスを含めて表すために記載してあり、つまり、現実のリアクトル素子は回路上に存在しなくても構わない。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。
Here, the reactor L is described as being connected to the primary winding of the transformer Tr, but this is not limiting. The reactor L is described to include inductance that is not included in the transformer L, meaning that an actual reactor element does not have to exist on the circuit. When a reactor element as an actual element is provided in the
リアクトルLは、トランスTrの漏れインダクタンスを含んでもよい。図1の回路図においては、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ように表されている。 The reactor L may include the leakage inductance of the transformer Tr. In the circuit diagram of FIG. 1, the secondary winding of the transformer Tr is shown as being connected to the connection point between the secondary switching element S5 and the secondary switching element S6 and the connection point between the secondary switching element S7 and the secondary switching element S8.
変換部30の1次側の電圧、すなわち、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との接続点から、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との接続点までの電圧を、1次側交流電圧Vac1とする。また、変換部30の1次側の電流、すなわち、変換部30と1次側ブリッジ回路10との間に流れる電流を、1次側交流電流Iac1とする。
The voltage on the primary side of the
変換部30の2次側の電圧、すなわち、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との接続点から、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との接続点までの電圧を、2次側交流電圧Vac2とする。また、変換部30の2次側の電流、すなわち、変換部30と2次側ブリッジ回路20との間に流れる電流を、2次側交流電流Iac2とする。
The voltage on the secondary side of the
ここで、1次側電圧E1を第1電圧(=E1)とも呼称し、2次側電圧E2に巻線比nを乗じた電圧を第2電圧(=nE2)とも呼称する。つまり、第2電圧は2次側電圧E2の1次側換算電圧である。 Here, the primary voltage E1 is also called the first voltage (= E1), and the voltage obtained by multiplying the secondary voltage E2 by the winding ratio n is also called the second voltage (= nE2). In other words, the second voltage is the primary conversion voltage of the secondary voltage E2.
(比較例:従来技術によるDC-DCコンバータ)
特許文献1に係る発明では、上述した各制御パラメータを同時に制御することで、電力の伝送および昇圧・降圧を行っている。また、その際における各スイッチング素子は、スイッチング時に電圧または電流を0にすることで、損失を低減している。しかしながら、こうして損失が低減されるスイッチング素子は、制御モードに依存して変化するために、全スイッチング素子に対して同レベルの熱対策を行う必要がある。
(Comparative Example: DC-DC Converter According to Prior Art)
In the invention of
さらに、1次側電圧と2次側電圧とが電圧平衡している状態または、2次側電圧が1次側電圧よりも大きい状態(昇圧動作:特許文献1の図12、図16)では、大きな出力を得ることができるが、損失も大きい欠点がある。電圧平衡時において、特許文献1では1つのレグにおいてZCSによるスイッチング損失の低減が実現されている。また、1次側電圧よりも2次側電圧が小さい状態(降圧動作:特許文献1の図6、図15)では、電圧差が小さいと出力を大きくすることができない欠点もある。特許文献1における降圧動作は、インダクタに両側の電源の電位差が印加されエネルギが蓄積されることを利用するためである。
Furthermore, when the primary and secondary voltages are in voltage balance or when the secondary voltage is greater than the primary voltage (boost operation: Figs. 12 and 16 of Patent Document 1), a large output can be obtained, but there is a drawback in that losses are also large. When the voltage is in balance,
(巻線比nの設定)
トランスTrの巻線比nは、1次巻線の巻き数n1と2次巻線の巻き数n2とでもって、次のように表せる。
The turns ratio n of the transformer Tr can be expressed as follows using the number of turns n1 of the primary winding and the number of turns n2 of the secondary winding:
制御部40は、2次側電圧E2、および2次側電流I2を適宜参照して、スイッチング素子S1~S8のスイッチングを制御する。
The
参考動作例のDC-DCコンバータ1が適用される1次側電圧E1の範囲のうちの最大値E1maxと2次側電圧E2の範囲のうちの最小値E2minによって、次の関係を満たすようにして、トランスTrの巻線比nが設定される。
ただし、巻線比nは1より大きい場合に、参考動作例のDC-DCコンバータ1が適用されるものとする。
However, when the turns ratio n is greater than 1, the DC-
なお、上述の通りDC-DCコンバータ1は双方向デュアルアクティブブリッジ方式のDC-DCコンバータであるため、1次側及び2次側との呼称は便宜的なものである。2次側電圧E2の最大値E2maxと1次側電圧E1の最小値E1minとの大小関係がE2max>E1minを満たす場合には、2次側ブリッジ回路を1次側ブリッジ回路と読み替え、1次側ブリッジ回路を2次側ブリッジ回路と読み替えて、参考動作例のDC-DCコンバータ1を適用すればよい。
As mentioned above, the DC-
(ブロック図)
制御部40は、図1に示すブロック図に従って各スイッチング素子S1~S8を制御する。ブロック図では、各スイッチング素子同士の位相差を決定している。図1に示すブロック図は、大きくわけてブロック図41、ブロック図42およびブロック図43にわかれる。なお、各スイッチング素子S1~S8のデューティ比は例えば0.5として固定である。そのため、デューティ比を制御する必要がないため、制御が容易である。
(Block Diagram)
The
(第1レグ間位相差φL1および第2レグ間位相差φL2の決定)
次に各ブロック図の詳細を説明していく。まず、ブロック図41およびブロック図42に関して説明する。
(Determination of Phase Difference φL1 Between First Legs and Phase Difference φL2 Between Second Legs)
Next, each block diagram will be described in detail. First, block diagram 41 and block diagram 42 will be described.
ブロック図41は、制御部40が、DC-DCコンバータ1の電力Poutに応じて1次側ブリッジ回路10におけるレグ間の位相差(第1レグ間位相差φL1)を決定することを表している。第1レグ間位相差φL1は、第1レグ11と第2レグ12との位相差であり、この値の正負は制御モードに応じて変化する。
Block diagram 41 shows that the
制御部40は、DC-DCコンバータ1の電力Poutを、2次側電圧E2および2次側電流I2から求め、当該電力Poutと目標電力Pref_nとの偏差をPI制御によってフィードバックする。制御部40は、PI制御によって求めた制御量の絶対値が飽和しない適正値となるように制限するリミッタを通して、第1レグ間位相差φL1を決定する。
The
ブロック図42は、制御部40が、第1レグ間位相差φL1ならびに1次側電圧E1および2次側電圧E2に応じて、2次側ブリッジ回路20におけるレグ間の位相差(第2レグ間位相差φL2)を決定することを表している。第2レグ間位相差φL2は、第3レグ21と第4レグ22との位相差であり、この値の正負は制御モードに応じて変化する。
Block diagram 42 shows that the
制御部40は、第1レグ間位相差φL1に対して、第1電圧に対する第2電圧の比(=E1/nE2)を乗じて、第2レグ間位相差φL2とする。
The
したがって、1次側ブリッジ回路10から2次側ブリッジ回路20へと、または2次側ブリッジ回路20から1次側ブリッジ回路10へと、輸送する電力に応じて、第1レグ11と第2レグ12の位相差である第1レグ間位相差φL1を決定するとともに、第3レグ21と第4レグ22の位相差である第2レグ間位相差φL2を決定し、制御する。
Therefore, depending on the power being transported from the primary
なお、参考動作例では、第1レグ間位相差φL1および第2レグ間位相差φL2をフィードバック制御で決定したが、これに限定されない。つまり、制御部40は、第1レグ11と第2レグ12の位相差である第1レグ間位相差φL1に、第1電圧に対する第2電圧の比を乗じて、第3レグ21と第4レグ22の位相差である第2レグ間位相差φL2を決定すればよい。
In the reference operation example, the phase difference between the first legs φL1 and the phase difference between the second legs φL2 are determined by feedback control, but this is not limiting. In other words, the
(ブリッジ間位相差φB)
ブロック図43は、制御部40が、1次側電圧E1および2次側電圧E2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との間の位相差(ブリッジ間位相差φB)を決定することを表している。ブリッジ間位相差φBは、1次側ブリッジ回路10が2次側ブリッジ回路20に対して進んでいる場合に正値となる。
(Phase difference between bridges φB)
The block diagram 43 shows that the
制御部40は、次式によって変数aを決定する。
ここで、Diffは基準電圧であり、ユーザがDC-DCコンバータ1の特性に応じて設定する定数である。基準電圧Diffの値によって、変数aが決定し、ブリッジ間位相差φBが決定する。そのために、基準電圧Diffの値によって、DC-DCコンバータ1の応答性や制御性が決定される。変数aは、第1電圧および第2電圧の電圧差に応じて決定される値であり、基準電圧から、第1電圧に対する第2電圧の電圧差を引いた値を基準電圧で除した値である。
The
Here, Diff is a reference voltage, and is a constant set by the user in accordance with the characteristics of the DC-
その後、制御部40は、変数aが0以下ではないかを確認し、0以下の場合に変数aを0とするリミット処理を行う。つまり、変数aが0以下の場合に、ブリッジ間位相差を0とする。また、変数aが1を超す場合は、変数aを1とするリミット処理を行う。さらに、制御部40は、DC-DCコンバータ1固有の定数であるブリッジ間位相差最大値φB_maxを変数aに乗じることで、ブリッジ間位相差φBを決定する。
Then, the
つまり、ブリッジ間位相差φBは、第1電圧に対する第2電圧の電圧差に応じて決定される、1次側ブリッジ回路10と2次側ブリッジ回路20との位相差である。出力電力にブリッジ間位相差φBは依存しない。なお、変数aが1の場合では、第1電圧と第2電圧とは等しい。
In other words, the bridge phase difference φB is the phase difference between the
(制御モード)
参考動作例に係るDC-DCコンバータ1は3種類の制御モードで動作する。3種類の制御モードは、定格電圧動作、昇圧動作、および降圧動作である。このうち、昇圧動作および降圧動作は、1次側電圧E1と2次側電圧E2との関係が、トランスTrの巻線比nから定まるバランスした状況から大きく離れた場合での動作モードである。この場合に、昇圧動作の電力は力行となり、降圧動作の電力は回生となるように、DC-DCコンバータ1の参考動作例に係る動作は制限される。
(Control Mode)
The DC-
対して、定格電圧動作はトランスTrの巻線比nに適合した1次側電圧E1と2次側電圧E2との関係における動作モードであり、その電力は力行および回生どちらもが可能である。定格電圧動作は、1次側電圧E1と2次側電圧E2とが電圧平衡している状態である。 In contrast, rated voltage operation is an operating mode in which the relationship between the primary voltage E1 and secondary voltage E2 is compatible with the winding ratio n of the transformer Tr, and the power can be used for both power generation and regeneration. Rated voltage operation is a state in which the primary voltage E1 and secondary voltage E2 are in voltage balance.
(定格電圧動作)
定格電圧動作は、変数aが正の値の場合である。つまり、第1電圧(=E1)に対する第2電圧(=nE2)の電圧差が基準電圧Diff未満の場合である。定格電圧動作では、第1レグ間位相差φL1は第2レグ12が第1レグ11に対して進んでいる場合が正であり、第2レグ間位相差φL2は第4レグ22が第3レグ21に対して進んでいる場合が正である。また、定格電圧動作は、低出力領域と高出力領域とに大別される。
(rated voltage operation)
The rated voltage operation is when the variable a is a positive value. In other words, it is when the voltage difference between the second voltage (=nE2) and the first voltage (=E1) is less than the reference voltage Diff. In the rated voltage operation, the phase difference φL1 between the first legs is positive when the
図2は、変数aについて、a=1の場合(第1電圧(=E1)および第2電圧(=nE2)が等しい場合)における低出力領域の定格電圧動作(力行)での動作例を示すタイミングチャートである。図3は、変数aについて、1>a>0における低出力領域の定格電圧動作(力行)での動作例を示すタイミングチャートである。図2および3に示すように、低出力領域の定格電圧動作では、第2レグ12および第3レグ21がスイッチングする際に、第2レグ12および第3レグ21の電流が0になっている。そのため、第2レグ12および第3レグ21のスイッチングに伴う電力損失はなく、ZCS(Zero Current Switching:ゼロ電流スイッチング)可能である。
Figure 2 is a timing chart showing an example of operation in rated voltage operation (powering) in the low power region when the variable a is equal to 1 (when the first voltage (=E1) and the second voltage (=nE2) are equal). Figure 3 is a timing chart showing an example of operation in rated voltage operation (powering) in the low power region when the variable a is equal to 1>a>0. As shown in Figures 2 and 3, in rated voltage operation in the low power region, the currents in the
低出力領域は、第1電圧(E1)および第2電圧(nE2)の電圧差が基準電圧Diff未満の場合であり(変数a>0)、ブリッジ間位相差φB>第1レグ間位相差φL1または、ブリッジ間位相差φB>第2レグ間位相差φL2が成立する場合である。 The low output region is when the voltage difference between the first voltage (E1) and the second voltage (nE2) is less than the reference voltage Diff (variable a>0) and either the bridge-to-bridge phase difference φB>the first leg phase difference φL1 or the bridge-to-bridge phase difference φB>the second leg phase difference φL2 holds.
低出力領域での出力電力は、次式で表せる。
上式より、1次側交流電圧Vac1および2次側交流電圧Vac2のパルス幅のみが電力Poutに影響する。
The output power in the low output region can be expressed by the following equation:
From the above equation, only the pulse widths of the primary AC voltage Vac1 and the secondary AC voltage Vac2 affect the power Pout.
図4は、変数aについて、a=1の場合における高出力領域の定格電圧動作(力行)での動作例を示すタイミングチャートである。図5は、変数aについて、1>a>0における高出力領域の定格電圧動作(力行)での動作例を示すタイミングチャートである。図4および図5に示すように、高出力領域の定格電圧動作では、第2レグ12および第3レグ21がZCS可能である。
Figure 4 is a timing chart showing an example of operation in rated voltage operation (powering) in the high power region when the variable a is 1. Figure 5 is a timing chart showing an example of operation in rated voltage operation (powering) in the high power region when the variable a is 1>a>0. As shown in Figures 4 and 5, in rated voltage operation in the high power region, the
なお、図4および図5では、各レグから代表として奇数番目のスイッチング素子(アッパーアーム)のみの状態を記載したが、偶数番目のスイッチング素子(ロワーアーム)の状態は、同一レグ内の奇数番目のスイッチング素子の状態に対し位相が180°ずれたものである。なお、この関係性は他の図面においても同様である。 Note that in Figures 4 and 5, the state of only the odd-numbered switching elements (upper arms) from each leg is shown as a representative, but the state of the even-numbered switching elements (lower arms) is 180° out of phase with the state of the odd-numbered switching elements in the same leg. This relationship is the same in the other drawings.
高出力領域は、第1電圧(=E1)および第2電圧(=nE2)の電圧差が基準電圧Diff未満の場合であり(変数a>0)、ブリッジ間位相差φB<第1レグ間位相差φL1または、ブリッジ間位相差φB<第2レグ間位相差φL2が成立する場合である。 The high output region is when the voltage difference between the first voltage (=E1) and the second voltage (=nE2) is less than the reference voltage Diff (variable a>0) and the phase difference between the bridges φB < the phase difference between the first legs φL1 or the phase difference between the bridges φB < the phase difference between the second legs φL2.
高出力領域での出力電力は、次式で表せる。
なお、図6は、第1レグ間位相差φL1と電力Poutとの関係を示すグラフである。図6に示すように、定格電圧動作の場合、低出力領域と高出力領域とは連続しており、シームレスなモード切換が可能である。 Figure 6 is a graph showing the relationship between the phase difference φL1 between the first legs and the power Pout. As shown in Figure 6, in the case of rated voltage operation, the low output region and the high output region are continuous, allowing seamless mode switching.
低出力領域および高出力領域いずれの場合であっても、上述の手順により、ブリッジ間位相差φB、第1レグ間位相差φL1、および第2レグ間位相差φL2が決定される。そのため、ブリッジ間位相差φB、第1レグ間位相差φL1、および第2レグ間位相差φL2の変化はそれぞれが連続的であり、不連続に値が変動することはない。その結果として、電力の変化も連続となっている。 In both the low-power and high-power regions, the bridge-to-bridge phase difference φB, the first-leg phase difference φL1, and the second-leg phase difference φL2 are determined by the above-described procedure. Therefore, the bridge-to-bridge phase difference φB, the first-leg phase difference φL1, and the second-leg phase difference φL2 each change continuously, and the values do not fluctuate discontinuously. As a result, the power also changes continuously.
また、上述した定格電圧動作の事例は、力行(Pout>0)のものに関してだが、回生(Pout<0)であっても同様の傾向が得られる。図7は、変数aについて、a=1における低出力領域の定格電圧動作(回生)での動作例を示すタイミングチャートである。図8は、変数aについて、a=1における高出力領域の定格電圧動作(回生)での動作例を示すタイミングチャートである。なお、回生では、第1レグ間位相差φL1および第2レグ間位相差φL2は負数となる。 The above-mentioned examples of rated voltage operation are for powering (Pout>0), but similar trends are obtained for regeneration (Pout<0). Figure 7 is a timing chart showing an example of operation in rated voltage operation (regeneration) in the low output region when the variable a is 1. Figure 8 is a timing chart showing an example of operation in rated voltage operation (regeneration) in the high output region when the variable a is 1. Note that in regeneration, the phase difference φL1 between the first legs and the phase difference φL2 between the second legs are negative.
図7および8に示すように、力行だけではなく回生でも、第2レグ12および第3レグ21はZCSが可能である。つまり、定格電圧動作(電圧平衡時)では、2つのレグにおいてZCSによるスイッチング損失の低減が実現されるため、特許文献1の手法よりも高いスイッチング損失の低減効果が得られる。
As shown in Figures 7 and 8, ZCS is possible in the
(昇圧動作)
昇圧動作は、変数aについて、aが負の値の場合である。つまり、第1電圧(E1)および第2電圧(nE2)の電圧差が基準電圧Diff以上の場合である。昇圧動作では、第1レグ間位相差φL1は第2レグ12が第1レグ11に対して進んでいる場合が正であり、第2レグ間位相差φL2は第4レグ22が第3レグ21に対して進んでいる場合が正である。
(Boost operation)
The boost operation is performed when the variable a is a negative value. In other words, the voltage difference between the first voltage (E1) and the second voltage (nE2) is equal to or greater than the reference voltage Diff. In the boost operation, the phase difference φL1 between the first legs is positive when the
図9は、昇圧動作での動作例を示すタイミングチャートである。昇圧動作では、変数aがリミット処理により0となるため、ブリッジ間位相差φBも0となる。そのため、昇圧動作では、第1レグ間位相差φL1および第2レグ間位相差φL2によって、電力、電圧および電流を制御する。 Figure 9 is a timing chart showing an example of boost operation. In boost operation, the variable a becomes 0 due to limit processing, so the bridge-to-bridge phase difference φB also becomes 0. Therefore, in boost operation, the power, voltage, and current are controlled by the first leg phase difference φL1 and the second leg phase difference φL2.
なお、昇圧動作においても、第1レグ間位相差φL1をまず求め、その値を用いて第2レグ間位相差φL2を求める処理の流れを行う。これは、変換部30のトランスTrに印加される交流電圧の時間積を等しくする意味をもつ。1次側および2次側の交流電圧の時間積が等しいことによって、無効電流を回路内に流さない効果が得られる。
Incidentally, even in boost operation, the phase difference φL1 between the first legs is first calculated, and this value is used to calculate the phase difference φL2 between the second legs. This has the effect of equalizing the time products of the AC voltages applied to the transformer Tr of the
図9に示すように、昇圧動作では、第1レグ11、第2レグ12、および第3レグ21において、それぞれのレグのスイッチング素子がスイッチングする際の電流が0であるため、ZCS可能である。つまり、昇圧動作では、第4レグ22のみでスイッチング損失が発生するだけである。そのため、低損失で電力を力行することができ、冷却機構の縮小が可能である。
As shown in FIG. 9, in boost operation, the current when the switching elements of the
なお、この際の出力電力Poutは、次式で表せる。
式(5)および式(6)を比較すると、式(6)は、式(5)においてブリッジ間位相差φBを0とした数式であることがわかる。そのため、定格電圧動作と昇圧動作とを遷移する際に、各位相差を不連続に変動させる必要がなく、シームレスな制御が実現できる。
In this case, the output power Pout can be expressed by the following equation.
Comparing equation (5) and equation (6), it can be seen that equation (6) is an equation in which the inter-bridge phase difference φB in equation (5) is set to 0. Therefore, when transitioning between rated voltage operation and boost operation, it is not necessary to vary each phase difference discontinuously, and seamless control can be realized.
(降圧動作)
降圧動作は、変数aについて、aが負の値の場合である。つまり、第1電圧(=E1)に対する第2電圧(=nE2)の電圧差が基準電圧Diff以上の場合である。降圧動作では、第1レグ間位相差φL1は第1レグ11が第2レグ12に対して進んでいる場合が正であり、第2レグ間位相差φL2は第3レグ21が第4レグ22に対して進んでいる場合が正である。
(Step-down operation)
The step-down operation is performed when the variable a is a negative value. In other words, the voltage difference between the first voltage (=E1) and the second voltage (=nE2) is equal to or greater than the reference voltage Diff. In the step-down operation, the phase difference φL1 between the first legs is positive when the
図10は、降圧動作での動作例を示すタイミングチャートである。降圧動作では、変数aがリミット処理により0となるため、ブリッジ間位相差φBも0となる。そのため、降圧動作では、第1レグ間位相差φL1および第2レグ間位相差φL2によって、電力、電圧および電流を制御する。 Figure 10 is a timing chart showing an example of step-down operation. In step-down operation, the variable a becomes 0 due to limit processing, and the bridge-to-bridge phase difference φB also becomes 0. Therefore, in step-down operation, the power, voltage, and current are controlled by the first leg phase difference φL1 and the second leg phase difference φL2.
なお、降圧動作においても、昇圧動作と同様に、無効電流を回路内に流さないようにしている。 In addition, in the step-down operation, as in the step-up operation, no reactive current is allowed to flow within the circuit.
図10に示すように、降圧動作では、第1レグ11、第2レグ12、および第3レグ21において、それぞれのレグのスイッチング素子がスイッチングする際の電流が0であるため、ZCS可能である。つまり、降圧動作では、第4レグ22のみでスイッチング損失が発生するだけである。そのため、低損失で電力を回生することができ、冷却機構の縮小が可能である。
As shown in FIG. 10, in the step-down operation, the current when the switching elements of the
なお、この際の出力電力Poutは、式(6)と同一である。そのため、定格電圧動作と降圧動作とを遷移する際に、各位相差を不連続に変動させる必要がなく、シームレスな制御が実現できる。 The output power Pout in this case is the same as that in equation (6). Therefore, when transitioning between rated voltage operation and step-down operation, there is no need to vary each phase difference discontinuously, and seamless control can be achieved.
(小括)
定格電圧動作、昇圧動作、および降圧動作の制御モードをシームレスに変更することができる。この際、スイッチング素子S1~S8の一部に関してだけZCSができないことによる大きな熱損失が発生するために、当該一部のスイッチング素子のみ冷却を強化すればよい。そのため、一部のスイッチング素子S1~S8のみに対して、十分な放熱を行えばよくなり、熱設計が容易になり、コストを低減することができる。また、各制御パラメータが連続しているために、トランスが偏磁することがない。
(Brief Summary)
The control mode of rated voltage operation, step-up operation, and step-down operation can be changed seamlessly. At this time, since a large heat loss occurs due to ZCS not being possible only for some of the switching elements S1 to S8, it is only necessary to strengthen the cooling of only those switching elements. Therefore, it is only necessary to perform sufficient heat dissipation for only some of the switching elements S1 to S8, which makes the thermal design easier and reduces costs. In addition, since each control parameter is continuous, there is no bias magnetization of the transformer.
また、昇圧動作および降圧動作において動作の種類によらず、第1電圧に対する第2電圧の電圧差が小さい場合であっても、大きな出力を取り出すことができる。さらに、特許文献1における制御手法よりも損失を低減することができる。
In addition, regardless of the type of operation in the step-up operation or step-down operation, even if the voltage difference between the first voltage and the second voltage is small, a large output can be obtained. Furthermore, losses can be reduced more than in the control method described in
〔実施形態1〕
次に、実施形態1に係るDC-DCコンバータ1における熱損失を平準化した動作に関して説明する。実施形態1に係るDC-DCコンバータ1は、参考動作例に係るDC-DCコンバータ1と同様の回路を有する。
[Embodiment 1]
Next, a description will be given of the operation of leveling out heat loss in the DC-
まず、実施形態1の概要を説明する。参考動作例では、定格電圧動作では、第2レグ12および第3レグ21においてZCSが可能であった。すなわち、定格電圧動作では第1レグ11および第4レグ22において熱損失が発生する。
First, an overview of the first embodiment will be described. In the reference operation example, ZCS was possible in the
これに対し、実施形態1では、熱損失が発生するレグを平準化(均一化)するように動作する。そのために、参考動作例における各レグの動作をスイッチングの周期毎に第1レグ11と第2レグ12間および第3レグ21と第4レグ22間で入れ替えることで、各レグの発熱を平準化し、熱損失を平準化する。熱損失が平準化することによって、DC-DCコンバータ1を均一に放熱すればよいため、熱設計が容易になる。
In contrast, in the first embodiment, the operation is performed to level (uniform) the legs in which heat loss occurs. To achieve this, the operation of each leg in the reference operation example is switched between the
具体的には、実施形態1では、第1仮想レグQ1、第2仮想レグQ2、第3仮想レグQ3、および第4仮想レグQ4を定義し、制御部が第1仮想レグQ1、第2仮想レグQ2、第3仮想レグQ3、第4仮想レグQ4を、それぞれ参考動作例における第1レグ11、第2レグ12、第3レグ21、および第4レグ22と同様に制御するものとする。その上で、更に、第1レグ11を第1仮想レグQ1、第2レグ12を第2仮想レグQ2、第3レグ21を第3仮想レグQ3、および第4レグ22を第4仮想レグQ4と見なす第1動作と、第2レグ12を第1仮想レグQ1、第1レグ11を第2仮想レグQ2、第4レグ22を第3仮想レグQ3、および第3レグ21を第4仮想レグQ4と見なす第2動作と、をスイッチング周期毎に交互に実行するように各スイッチング素子を制御する。
Specifically, in
(定格電圧動作におけるタイミングチャートの変化)
図11は、参考動作例での変数aについて、1>a>0における低出力領域の定格電圧動作(力行)での動作例を示す別のタイミングチャートである。図12は、実施形態1での変数aについて、1>a>0における低出力領域の定格電圧動作(力行)での動作例を示すタイミングチャートである。図13は、参考動作例での変数aについて、1>a>0における高出力領域の定格電圧動作(力行)での動作例を示す別のタイミングチャートである。図14は、実施形態1での変数aについて、1>a>0における高出力領域の定格電圧動作(力行)での動作例を示すタイミングチャートである。図11は図3に対応し、図13は図5に対応し、それぞれのタイミングチャートは、タイミングチャートに示す範囲を増やしている。
(Changes in timing chart during rated voltage operation)
FIG. 11 is another timing chart showing an example of operation in rated voltage operation (power running) in the low output region when 1>a>0 for the variable a in the reference operation example. FIG. 12 is a timing chart showing an example of operation in rated voltage operation (power running) in the low output region when 1>a>0 for the variable a in the first embodiment. FIG. 13 is another timing chart showing an example of operation in rated voltage operation (power running) in the high output region when 1>a>0 for the variable a in the reference operation example. FIG. 14 is a timing chart showing an example of operation in rated voltage operation (power running) in the high output region when 1>a>0 for the variable a in the first embodiment. FIG. 11 corresponds to FIG. 3, and FIG. 13 corresponds to FIG. 5, and the range shown in each timing chart is increased.
図11では、1次側スイッチング素子S3が、1次側スイッチング素子S1に対して常に進んでいることがわかる。また、2次側スイッチング素子S7が、2次側スイッチング素子S5に対して常に進んでいることがわかる。対して、図12では、1次側スイッチング素子S3が、1次側スイッチング素子S1に対して、進んでいる場合と遅れている場合とがスイッチング周期毎に交互になっていることがわかる。また、2次側スイッチング素子S7が、2次側スイッチング素子S5に対して、進んでいる場合と遅れている場合とがスイッチング周期毎に交互になっていることがわかる。 In FIG. 11, it can be seen that the primary side switching element S3 is always leading with respect to the primary side switching element S1. It can also be seen that the secondary side switching element S7 is always leading with respect to the secondary side switching element S5. In contrast, in FIG. 12, it can be seen that the primary side switching element S3 alternates between leading and lagging with respect to the primary side switching element S1 every switching period. It can also be seen that the secondary side switching element S7 alternates between leading and lagging with respect to the secondary side switching element S5 every switching period.
また、図13では、1次側スイッチング素子S3が、1次側スイッチング素子S1に対して常に進んでいることがわかる。また、2次側スイッチング素子S7が、2次側スイッチング素子S5に対して常に進んでいることがわかる。対して、図14では、1次側スイッチング素子S3が、1次側スイッチング素子S1に対して、進んでいる場合と遅れている場合とがスイッチング周期毎に交互になっていることがわかる。また、2次側スイッチング素子S7が、2次側スイッチング素子S5に対して、進んでいる場合と遅れている場合とがスイッチング周期毎に交互になっていることがわかる。 Also, in FIG. 13, it can be seen that the primary side switching element S3 is always leading with respect to the primary side switching element S1. Also, it can be seen that the secondary side switching element S7 is always leading with respect to the secondary side switching element S5. In contrast, in FIG. 14, it can be seen that the primary side switching element S3 alternates between leading and lagging with respect to the primary side switching element S1 every switching period. Also, it can be seen that the secondary side switching element S7 alternates between leading and lagging with respect to the secondary side switching element S5 every switching period.
つまり、実施形態1では、参考動作例における第1レグ11の動作を、本実施形態では第1レグ11が実行する場合と第2レグ12が実行する場合とがある。同様に、実施形態1では、参考動作例における第3レグ21の動作を、本実施形態では第3レグ21が実行する場合と第4レグ22が実行する場合とがある。参考動作例における第1レグ11~第4レグ22の動作をそれぞれ実施形態1では第1仮想レグQ1~第4仮想レグQ4とし、第1仮想レグQ1~第4仮想レグQ4が制御するレグを第1レグ11~第4レグ22の中において適宜切り替えるようにして制御する。
In other words, in the first embodiment, the operation of the
その結果、定格電圧動作においては、第2仮想レグQ2および第3仮想レグQ3においてZCSが可能となっている。つまり、第1動作においては、第2レグ12および第3レグ21においてZCSが可能であり、第2動作においては、第1レグ11および第4レグ22においてZCSが可能である。ZCSできるレグがスイッチング周期毎に変化することによって、熱損失が平準化されることになる。そのため、各スイッチング素子でZCSが実現できないことによって発生する熱も平準化されることになり、DC-DCコンバータ1を均一に放熱すればよいことになる。
As a result, in rated voltage operation, ZCS is possible in the second virtual leg Q2 and the third virtual leg Q3. That is, in the first operation, ZCS is possible in the
図11および図12ならびに図13および図14を比較すると、参考動作例(図11および図13)では、1次側交流電圧Vac1、2次側交流電圧Vac2、1次側交流電流Iac1、および2次側交流電流Iac2がそれぞれ半周期毎に正負が反転するような振動波形になっている。 Comparing Figures 11 and 12 with Figures 13 and 14, in the reference operation example (Figures 11 and 13), the primary AC voltage Vac1, the secondary AC voltage Vac2, the primary AC current Iac1, and the secondary AC current Iac2 each have an oscillatory waveform in which the positive and negative polarities are reversed every half cycle.
対して、実施形態1(図12および図14)では、1次側交流電圧Vac1、2次側交流電圧Vac2、1次側交流電流Iac1および2次側交流電流Iac2がそれぞれ1周期毎に正負が反転するような振動波形になっている。ただし、当該振動波形は、半周期毎に正負が反転しない範囲で振動しており、その結果、1周期において、正負が反転しない範囲において2度の振動を成している。 In contrast, in the first embodiment (FIGS. 12 and 14), the primary AC voltage Vac1, the secondary AC voltage Vac2, the primary AC current Iac1, and the secondary AC current Iac2 each have an oscillating waveform in which the positive and negative are reversed every cycle. However, the oscillating waveform oscillates within a range in which the positive and negative are not reversed every half cycle, and as a result, in one cycle, the waveform oscillates twice within a range in which the positive and negative are not reversed.
なお、第1動作および第2動作を切り替えた場合であっても、出力電力Poutは変化しない。つまり、2次側電圧E2および2次側電流I2は実施形態1と参考動作例では変わらない。 Note that even when switching between the first operation and the second operation, the output power Pout does not change. In other words, the secondary voltage E2 and the secondary current I2 do not change between the first embodiment and the reference operation example.
(ブロック図)
図15は、実施形態1に係るDC-DCコンバータ1の回路図およびブロック図である。実施形態1に係る図15は、参考動作例に係る図1と異なり、ブロック図44、ブロック図45、ブロック図46の処理が追加されている。
(Block Diagram)
Fig. 15 is a circuit diagram and a block diagram of the DC-
ブロック図44は、デューティ比が0.5における第1仮想レグQ1~第4仮想レグQ4を決定するロジックである。ブロック図44では、第1レグ間位相差φL1、第2レグ間位相差φL2、およびブリッジ間位相差φBによって、第1仮想レグQ1~第4仮想レグQ4を生成する。 Block diagram 44 shows the logic for determining the first virtual leg Q1 to the fourth virtual leg Q4 when the duty ratio is 0.5. In block diagram 44, the first virtual leg Q1 to the fourth virtual leg Q4 are generated by the phase difference φL1 between the first legs, the phase difference φL2 between the second legs, and the phase difference φB between the bridges.
(切替信号SEL)
ブロック図45は、切替信号SELを作る処理である。切替信号SELは、第1動作と第2動作とを切り替える処理を行う。切替信号SELは1周期毎にスイッチングする信号である。
(Switching signal SEL)
A block diagram 45 shows a process for generating a switching signal SEL. The switching signal SEL switches between a first operation and a second operation. The switching signal SEL is a signal that switches every cycle.
ブロック図46では、切替信号SELおよび第1仮想レグQ1~第4仮想レグQ4によって、実際に第1レグ11~第4レグ22を制御する処理を行っており、論理回路によって各スイッチング素子S1~S8の制御信号が決定される。
In block diagram 46, the switching signal SEL and the first virtual leg Q1 to the fourth virtual leg Q4 are used to actually control the
図16は、第1仮想レグQ1、第2仮想レグQ2、および切替信号SELによって、第1レグ11および第2レグ12を制御するタイミングチャートの一例である。
Figure 16 is an example of a timing chart for controlling the
また、第3仮想レグQ3、第4仮想レグQ4、および切替信号SELによって、第3レグ21および第4レグ22を制御するタイミングチャートは、図16において、第1仮想レグQ1を第3仮想レグQ3に、第2仮想レグQ2を第4仮想レグQ4に、制御信号S1を制御信号S5に、制御信号S3を制御信号S7に読み替えたものである。なお、制御信号S2、S4、S6、S8に関しては、それぞれ制御信号S1、S3、S5、S7の逆論理である。
The timing chart for controlling the
(小括)
したがって、DC-DCコンバータ1において電力を伝送する際に、ZCSを行うスイッチング素子を定期的に入れ替えることで平準化し、DC-DCコンバータ1の出力を維持したまま、ZCSが実現されないスイッチング素子S1~S8における大きな発熱を平準化することができる。そのため、DC-DCコンバータ1を構成するスイッチング素子S1~S8の放熱効率が改善する。
(Brief Summary)
Therefore, when transmitting power in the DC-
〔変形例〕
(昇圧動作・降圧動作)
実施形態1では、定格電圧動作に関してのみ記載したが、これに限定されない。すなわち、参考動作例に示した昇圧動作および降圧動作を実施形態1に示した制御方法で実現してもよい。
[Modifications]
(Boost operation/Step-down operation)
In the first embodiment, only the rated voltage operation has been described, but the present invention is not limited to this. That is, the voltage step-up operation and the voltage step-down operation shown in the reference operation example may be realized by the control method shown in the first embodiment.
すなわち、昇圧動作および降圧動作において、第4レグ22のみでZCSが実現されないことによる発熱を、第3レグ21および第4レグ22に平準化することによって、両者それぞれの発熱量を低減することができる。その結果、DC-DCコンバータ1全体で考えた場合における熱設計が容易になる。
In other words, in the step-up and step-down operations, the heat generated by the
(切替信号SELについて)
実施形態1では、切替信号SELは1周期毎に切り替えるものとしたが、これに限定されない。例えば整数周期毎に切り替えてもよい。また、各スイッチング素子の温度を計測し、温度が低いスイッチング素子で発熱が生じるように、切替信号SELを制御してもよい。
(Regarding the switching signal SEL)
In the first embodiment, the switching signal SEL is switched every one period, but this is not limiting. For example, the switching signal SEL may be switched every integer period. In addition, the temperature of each switching element may be measured, and the switching signal SEL may be controlled so that a switching element with a low temperature generates heat.
〔まとめ〕
上記の課題を解決するために、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、を備えたDC-DCコンバータであって、前記制御部は、前記第1レグを第1仮想レグ、前記第2レグを第2仮想レグ、前記第3レグを第3仮想レグ、前記第4レグを第4仮想レグと見なす第1動作と、前記第2レグを前記第1仮想レグ、前記第1レグを前記第2仮想レグ、前記第4レグを前記第3仮想レグ、前記第3レグを前記第4仮想レグと見なす第2動作とを、交互に実行するとともに、前記DC-DCコンバータの外部から前記1次側ブリッジ回路に印加される電圧である第1電圧に対する、前記DC-DCコンバータの外部から前記2次側ブリッジ回路に印加される電圧の1次側換算電圧である第2電圧の電圧差に応じて、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ブリッジ間位相差を決定し、1次側から2次側または2次側から1次側に輸送する電力に応じて、前記第1仮想レグと前記第2仮想レグとの間の第1レグ間位相差、および前記第3仮想レグと前記第4仮想レグとの間の第2レグ間位相差を制御する。
〔summary〕
In order to solve the above problems, a DC-DC converter according to a first aspect of the present invention is a DC-DC converter including: a primary bridge circuit including a plurality of primary switching elements and having a first leg and a second leg; a secondary bridge circuit including a plurality of secondary switching elements and having a third leg and a fourth leg; a conversion unit having a transformer and connected between the primary bridge circuit and the secondary bridge circuit; and a control unit that controls switching of the primary switching elements and the secondary switching elements, wherein the control unit performs a first operation of regarding the first leg as a first virtual leg, the second leg as a second virtual leg, the third leg as a third virtual leg, and the fourth leg as a fourth virtual leg, a second operation in which the first leg is regarded as the second virtual leg, the fourth leg as the third virtual leg, and the third leg as the fourth virtual leg are alternately executed, and a bridge-to-bridge phase difference between the primary-side bridge circuit and the secondary-side bridge circuit is determined in accordance with a voltage difference between a first voltage which is a voltage applied to the primary-side bridge circuit from outside the DC-DC converter and a second voltage which is a primary-side converted voltage of a voltage applied to the secondary-side bridge circuit from outside the DC-DC converter, and a first leg phase difference between the first virtual leg and the second virtual leg and a second leg phase difference between the third virtual leg and the fourth virtual leg are controlled in accordance with power transported from the primary side to the secondary side or from the secondary side to the primary side.
上記の構成によれば、ZCSを実現することができず、スイッチング損失が発生するレグを各ブリッジ回路内で平準化することができる。そのために、DC-DCコンバータ全体においてスイッチング素子における発熱を分散することができ、熱設計が容易になる。 The above configuration makes it possible to equalize the legs in which ZCS cannot be achieved and switching losses occur within each bridge circuit. This allows the heat generated in the switching elements to be distributed throughout the DC-DC converter, making thermal design easier.
本発明の態様2に係るDC-DCコンバータは、上記態様1において、前記制御部は、基準電圧から前記電圧差を引いた値を前記基準電圧で除した変数を求め、前記変数に応じて、前記第1レグ間位相差と、前記第2レグ間位相差とを決定してもよい。
In the DC-DC converter according to
上記の構成によれば、定格電圧動作において、定格電圧動作、昇圧動作、および降圧動作をそれぞれ適切に選択して制御することができる。 With the above configuration, in rated voltage operation, rated voltage operation, boost operation, and buck operation can each be appropriately selected and controlled.
本発明の態様3に係るDC-DCコンバータは、上記態様2において、前記制御部は、前記変数が0以下の場合に、前記ブリッジ間位相差を0としてもよい。
In the DC-DC converter according to
上記の構成によれば、定格電圧動作から、昇圧動作または降圧動作に遷移する、またはその逆の際に、各制御パラメータである位相差がシームレスに連続した制御を実現することができる。そのため、各制御パラメータが連続しているために、トランスが偏磁することがない。 The above configuration allows for seamless and continuous control of the phase difference, which is a control parameter, when transitioning from rated voltage operation to step-up operation or step-down operation, or vice versa. Therefore, because each control parameter is continuous, the transformer does not become biased.
本発明の態様4に係るDC-DCコンバータは、上記態様2において、前記制御部は、前記変数が正の場合に、前記変数に、所定の位相差最大値を乗じて、前記ブリッジ間位相差を決定してもよい。
In the DC-DC converter according to
上記の構成によれば、ブリッジ間位相差をDC-DCコンバータで制御可能な範囲に収めることができ、安定した制御を実現することができる。 The above configuration allows the phase difference between the bridges to be kept within the range that can be controlled by the DC-DC converter, achieving stable control.
本発明の態様5に係るDC-DCコンバータは、上記態様1から4のいずれかにおいて、前記制御部は、前記第1レグ間位相差に、前記第1電圧に対する前記第2電圧の比を乗じて、前記第2レグ間位相差を決定してもよい。
In a DC-DC converter according to
上記の構成によれば、定格電圧動作、昇圧動作、および降圧動作において、出力電力に対して、各制御パラメータである位相差がシームレスに連続した制御を実現することができる。そのため、各制御パラメータが連続しているために、トランスが偏磁することがない。 The above configuration allows for seamless and continuous control of the phase difference, which is a control parameter, for output power during rated voltage operation, step-up operation, and step-down operation. As a result, the control parameters are continuous, and the transformer does not become biased.
上記の課題を解決するために、本発明の態様6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、を備えたDC-DCコンバータであって、前記制御部は、前記第1レグを第1仮想レグ、前記第2レグを第2仮想レグ、前記第3レグを第3仮想レグ、前記第4レグを第4仮想レグと見なす第1動作と、前記第2レグを前記第1仮想レグ、前記第1レグを前記第2仮想レグ、前記第4レグを前記第3仮想レグ、前記第3レグを前記第4仮想レグと見なす第2動作とを、交互に実行するとともに、前記第1仮想レグと前記第2仮想レグとの間に第1レグ間位相差を設け、前記第3仮想レグと前記第4仮想レグとの間に第2レグ間位相差を設け、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ブリッジ間位相差を設けるようにして、各前記1次側スイッチング素子および各前記2次側スイッチング素子のスイッチングを制御することを特徴とする。
In order to solve the above problems, the DC-DC converter according to
上記の構成によれば、各レグの役割をブリッジ内で平準化することができる。そのため、熱損失を平準化することができる。 The above configuration allows the roles of each leg to be equalized within the bridge, which in turn allows for equalized heat loss.
本発明の態様7に係るDC-DCコンバータは、上記態様1から5のいずれかにおいて、前記トランスの巻線比は、前記1次側ブリッジ回路の電圧の範囲のうちの最大値と、前記2次側ブリッジ回路の電圧の範囲のうちの最小値との比としてもよい。
The DC-DC converter according to
本発明の態様8に係るDC-DCコンバータは、上記態様1から5のいずれかにおいて、前記第1電圧の範囲のうちの最大値と、前記第2電圧の範囲のうちの最小値と、が等しくてもよい。
The DC-DC converter according to aspect 8 of the present invention is any one of
上記の構成によれば、第1電圧と第2電圧とが異なる場合であっても、ブリッジ間位相差をシームレスに連続させた制御が実現できる。 The above configuration allows seamless and continuous control of the inter-bridge phase difference even when the first voltage and the second voltage are different.
本発明の態様9に係るDC-DCコンバータは、上記態様1から8のいずれかにおいて、前記第1仮想レグ、前記第2仮想レグ、前記第3仮想レグ、および前記第4仮想レグのデューティ比は0.5でもよい。
The DC-DC converter according to
上記の構成によれば、デューティ比を制御する必要がないため、DC-DCコンバータの制御が容易である。 With the above configuration, there is no need to control the duty ratio, making it easy to control the DC-DC converter.
本発明の態様10に係るDC-DCコンバータは、上記態様1から9のいずれかにおいて、前記第1動作と前記第2動作とを1周期毎に切り替えてもよい。
The DC-DC converter according to
上記の構成によれば、ZCSするレグを1周期毎で切り替えることができる。 With the above configuration, the leg to be ZCSed can be switched every cycle.
本発明の態様11に係るDC-DCコンバータは、上記態様1から9のいずれかにおいて、前記第1動作と前記第2動作とをN周期(Nは2以上の自然数)毎に切り替えてもよい。
The DC-DC converter according to
上記の構成によれば、ZCSするレグを周期のN倍の期間で切り替えることができる。 With the above configuration, the leg to be ZCSed can be switched at a period N times the cycle.
〔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 are possible within the scope of the claims. Embodiments obtained by appropriately combining the technical means disclosed in different embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
1 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
S1~4 1次側スイッチング素子
S5~8 2次側スイッチング素子
REFERENCE SIGNS
Claims (11)
複数の2次側スイッチング素子を含み、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、を備えたDC-DCコンバータであって、
前記制御部は、
前記第1レグを第1仮想レグ、前記第2レグを第2仮想レグ、前記第3レグを第3仮想レグ、前記第4レグを第4仮想レグと見なす第1動作と、
前記第2レグを前記第1仮想レグ、前記第1レグを前記第2仮想レグ、前記第4レグを前記第3仮想レグ、前記第3レグを前記第4仮想レグと見なす第2動作とを、交互に実行するとともに、
前記DC-DCコンバータの外部から前記1次側ブリッジ回路に印加される電圧である第1電圧に対する、前記DC-DCコンバータの外部から前記2次側ブリッジ回路に印加される電圧の1次側換算電圧である第2電圧の電圧差に応じて、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ブリッジ間位相差を決定し、1次側から2次側または2次側から1次側に輸送する電力に応じて、前記第1仮想レグと前記第2仮想レグとの間の第1レグ間位相差、および前記第3仮想レグと前記第4仮想レグとの間の第2レグ間位相差を制御する、DC-DCコンバータ。 a primary bridge circuit including a plurality of primary switching elements and having a first leg and a second leg;
a secondary bridge circuit including a plurality of secondary switching elements and having a third leg and a fourth leg;
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 is
a first operation of regarding the first leg as a first virtual leg, the second leg as a second virtual leg, the third leg as a third virtual leg, and the fourth leg as a fourth virtual leg;
a second operation of regarding the second leg as the first virtual leg, the first leg as the second virtual leg, the fourth leg as the third virtual leg, and the third leg as the fourth virtual leg, alternately; and
a first virtual leg and a second virtual leg, and a second virtual leg, respectively, in response to a voltage difference between a first voltage, which is a voltage applied to the primary bridge circuit from outside the DC-DC converter, and a second voltage, which is a primary-side converted voltage of a voltage applied to the secondary bridge circuit from outside the DC-DC converter; and a first virtual leg and a second virtual leg and a second virtual leg and a fourth virtual leg, respectively, in response to power transported from the primary side to the secondary side or from the secondary side to the primary side.
前記変数に応じて、前記第1レグ間位相差と、前記第2レグ間位相差とを決定する、請求項1に記載のDC-DCコンバータ。 the control unit determines a variable by dividing a value obtained by subtracting the voltage difference from a reference voltage by the reference voltage;
2. The DC-DC converter according to claim 1, wherein the first inter-leg phase difference and the second inter-leg phase difference are determined in response to the variable.
複数の2次側スイッチング素子を含み、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、を備えたDC-DCコンバータであって、
前記制御部は、
前記第1レグを第1仮想レグ、前記第2レグを第2仮想レグ、前記第3レグを第3仮想レグ、前記第4レグを第4仮想レグと見なす第1動作と、
前記第2レグを前記第1仮想レグ、前記第1レグを前記第2仮想レグ、前記第4レグを前記第3仮想レグ、前記第3レグを前記第4仮想レグと見なす第2動作とを、交互に実行するとともに、
前記第1仮想レグと前記第2仮想レグとの間に第1レグ間位相差を設け、
前記第3仮想レグと前記第4仮想レグとの間に第2レグ間位相差を設け、
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ブリッジ間位相差を設けるようにして、各前記1次側スイッチング素子および各前記2次側スイッチング素子のスイッチングを制御することを特徴とする、DC-DCコンバータ。 a primary bridge circuit including a plurality of primary switching elements and having a first leg and a second leg;
a secondary bridge circuit including a plurality of secondary switching elements and having a third leg and a fourth leg;
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 is
a first operation of regarding the first leg as a first virtual leg, the second leg as a second virtual leg, the third leg as a third virtual leg, and the fourth leg as a fourth virtual leg;
a second operation of regarding the second leg as the first virtual leg, the first leg as the second virtual leg, the fourth leg as the third virtual leg, and the third leg as the fourth virtual leg, alternately executing the second operation of regarding the second leg as the first virtual leg, the first leg as the second virtual leg, the fourth leg as the third virtual leg, and the third leg as the fourth virtual leg;
providing a first inter-leg phase difference between the first virtual leg and the second virtual leg;
a second inter-leg phase difference is provided between the third virtual leg and the fourth virtual leg;
a bridge-to-bridge phase difference is provided between the primary bridge circuit and the secondary bridge circuit, and switching of each of the primary side switching elements and each of the secondary side switching elements is controlled.
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