JP6274580B2 - Insulated Cuk converter, power transmission control device - Google Patents

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本発明は、DC/DCコンバータの一種であるCukコンバータに関し、特に、一次側と二次側がトランスで絶縁された絶縁型Cukコンバータに関する。   The present invention relates to a Cuk converter that is a type of DC / DC converter, and more particularly to an insulating Cuk converter in which a primary side and a secondary side are insulated by a transformer.

Cukコンバータは、Slobodan M. Cuk氏の発明によるDC/DCコンバータであって(米国特許第4184197号)、従来のDC/DCコンバータの回路にインダクタを1つ追加し、2つのインダクタによって入力側と出力側の電流変動を抑制するものである。   The Cuk converter is a DC / DC converter invented by Mr. Slobodan M. Cuk (US Pat. No. 4,184,197). One inductor is added to the circuit of the conventional DC / DC converter, and two inductors are connected to the input side. It suppresses current fluctuation on the output side.

Cukコンバータには、入力側と出力側とをトランスで絶縁したものがある。これは、一般に絶縁型Cukコンバータと呼ばれている。絶縁型Cukコンバータにおいては、トランスの一次側に、第1インダクタ、第1コンデンサ、スイッチング素子などが設けられ、トランスの二次側に、第2インダクタ、第2コンデンサ、整流素子などが設けられる。特許文献1および特許文献2には、このような絶縁型Cukコンバータの回路例が示されている。   Some Cuk converters have an input side and an output side insulated by a transformer. This is generally called an insulated Cuk converter. In the insulated Cuk converter, a first inductor, a first capacitor, a switching element, and the like are provided on the primary side of the transformer, and a second inductor, a second capacitor, a rectifying element, and the like are provided on the secondary side of the transformer. Patent Document 1 and Patent Document 2 show circuit examples of such an insulating Cuk converter.

特許文献1のCukコンバータは、低圧側と高圧側との間で双方向の電圧変換が可能な、絶縁型双方向コンバータである。このCukコンバータでは、蓄電部の放電運転時には、低圧側に入力された直流電圧を昇圧して高圧側に出力し、蓄電部の充電運転時には、高圧側に入力された直流電圧を降圧して低圧側に出力する。   The Cuk converter of Patent Document 1 is an insulating bidirectional converter capable of bidirectional voltage conversion between a low voltage side and a high voltage side. In this Cuk converter, during the discharge operation of the power storage unit, the DC voltage input to the low voltage side is boosted and output to the high voltage side, and during the charge operation of the power storage unit, the DC voltage input to the high voltage side is stepped down to a low voltage. Output to the side.

特許文献2のCukコンバータも、絶縁型双方向コンバータである。このCukコンバータでは、トランスの一次側と二次側の各スイッチング素子を同期整流によりスイッチング動作させ、充放電切替時に充放電電流と充放電電圧とをリニアに制御することで、昇圧機能と降圧機能を連続的に切替可能としている。   The Cuk converter of Patent Document 2 is also an insulating bidirectional converter. In this Cuk converter, the switching elements on the primary side and the secondary side of the transformer are switched by synchronous rectification, and the charge / discharge current and charge / discharge voltage are controlled linearly at the time of charge / discharge switching. Can be switched continuously.

トランスを用いた絶縁型Cukコンバータにおいては、スイッチング素子のオン・オフ動作において、当該素子がターンオフしたときにトランスの一次巻線の漏れインダクタンスにより発生する高電圧に起因して、スイッチング素子の両端に大きなサージ電圧が印加される。このため、スイッチング素子がサージによって破壊されることがある。そこで、サージから保護するために、高耐圧のスイッチング素子が用いられるが、これはコストアップの要因となる。   In an insulated Cuk converter using a transformer, in the ON / OFF operation of the switching element, due to the high voltage generated by the leakage inductance of the primary winding of the transformer when the element is turned off, A large surge voltage is applied. For this reason, a switching element may be destroyed by a surge. Therefore, a high-breakdown-voltage switching element is used to protect against surge, but this causes a cost increase.

特開2007−288941号公報JP 2007-288941 A 特開2013−74779号公報JP 2013-74779 A

本発明の課題は、スイッチング素子のターンオフ時に発生するサージを抑制できる絶縁型Cukコンバータを提供することにある。   An object of the present invention is to provide an insulating Cuk converter that can suppress a surge that occurs when a switching element is turned off.

第1の発明に係る絶縁型Cukコンバータは、一次巻線および二次巻線を有するトランスと、このトランスの一次側に設けられた入力端子と、トランスの二次側に設けられた出力端子と、入力端子に一端が接続された第1インダクタと、第1インダクタの他端と一次巻線の一端との間に接続された第1コンデンサと、第1インダクタと第1コンデンサとの接続点に一方の電極が接続され、一次巻線の他端に他方の電極が接続された第1スイッチング素子と、出力端子に一端が接続された第2インダクタと、第2インダクタの他端と二次巻線の一端との間に接続された第2コンデンサと、第2インダクタと第2コンデンサとの接続点に一方の電極が接続され、二次巻線の他端に他方の電極が接続されたダイオードとを備えた絶縁型Cukコンバータであって、第1インダクタの一端と第1スイッチング素子の一方の電極との間に、第1スイッチング素子のターンオフ時に発生するサージを抑制するサージ抑制回路を設けたものである。   An insulated Cuk converter according to a first aspect of the present invention includes a transformer having a primary winding and a secondary winding, an input terminal provided on the primary side of the transformer, and an output terminal provided on the secondary side of the transformer. A first inductor having one end connected to the input terminal, a first capacitor connected between the other end of the first inductor and one end of the primary winding, and a connection point between the first inductor and the first capacitor. A first switching element having one electrode connected and the other electrode connected to the other end of the primary winding; a second inductor having one end connected to the output terminal; the other end of the second inductor and the secondary winding A diode having one electrode connected to a connection point between the second capacitor connected to one end of the wire and the second inductor and the second capacitor, and the other electrode connected to the other end of the secondary winding; Insulated Cuk combiner with A motor, between one of the electrodes of one end and the first switching element of the first inductor, is provided with a surge suppression circuit for suppressing a surge generated at turn-off of the first switching element.

このような構成によると、第1スイッチング素子がターンオフした時に、トランスの一次巻線の漏れインダクタンスに蓄積されたエネルギーに起因して発生する高電圧は、サージ抑制回路で吸収される。このため、第1スイッチング素子のターンオフ時のサージ電圧が抑制され、第1スイッチング素子がサージによって破壊されるのを未然に防止することができる。したがって第1スイッチング素子として、高耐圧の素子を用いる必要がなく、コストを低減することができる。   According to such a configuration, when the first switching element is turned off, the high voltage generated due to the energy accumulated in the leakage inductance of the primary winding of the transformer is absorbed by the surge suppression circuit. For this reason, the surge voltage at the time of turn-off of the first switching element is suppressed, and the first switching element can be prevented from being destroyed by the surge. Therefore, it is not necessary to use a high breakdown voltage element as the first switching element, and the cost can be reduced.

第1の発明に係る絶縁型Cukコンバータにおいて、サージ抑制回路は、第3スイッチング素子を含んでいてもよい。この構成では、トランスの一次側から二次側に電力を伝送する場合は、第1スイッチング素子がスイッチング動作を行い、第1スイッチング素子がオンの間は、第3スイッチング素子はオフ状態にあり、第1スイッチング素子がオフすると、第3スイッチング素子が時間的に遅れてオンし、第1スイッチング素子がオンする前に、第3スイッチング素子がオフする。   In the insulated Cuk converter according to the first invention, the surge suppression circuit may include a third switching element. In this configuration, when transmitting power from the primary side to the secondary side of the transformer, the first switching element performs a switching operation, and the third switching element is in an off state while the first switching element is on, When the first switching element is turned off, the third switching element is turned on with a time delay, and the third switching element is turned off before the first switching element is turned on.

第2の発明に係る絶縁型Cukコンバータは、第1の発明に係る絶縁型Cukコンバータにおけるダイオードに代えて、整流機能を有する第2スイッチング素子を用いたものである。第2スイッチング素子の一方の電極は、第2インダクタと第2コンデンサとの接続点に接続され、他方の電極は、二次巻線の他端に接続される。   The insulated Cuk converter according to the second invention uses a second switching element having a rectifying function instead of the diode in the insulated Cuk converter according to the first invention. One electrode of the second switching element is connected to a connection point between the second inductor and the second capacitor, and the other electrode is connected to the other end of the secondary winding.

第2の発明に係る絶縁型Cukコンバータにおいて、サージ抑制回路は、第3スイッチング素子を含んでいてもよい。この構成では、トランスの一次側から二次側に電力を伝送する場合は、第1スイッチング素子と第2スイッチング素子とが、同期してスイッチング動作を行う。また、第1スイッチング素子がオンの間は、第3スイッチング素子はオフ状態にあり、第1スイッチング素子がオフすると、第3スイッチング素子が時間的に遅れてオンし、第1スイッチング素子がオンする前に、第3スイッチング素子がオフする。   In the insulated Cuk converter according to the second invention, the surge suppression circuit may include a third switching element. In this configuration, when power is transmitted from the primary side to the secondary side of the transformer, the first switching element and the second switching element perform a switching operation in synchronization. Further, while the first switching element is on, the third switching element is in an off state. When the first switching element is turned off, the third switching element is turned on with a time delay, and the first switching element is turned on. Before, the third switching element is turned off.

第1および第2の発明において、サージ抑制回路は、第3スイッチング素子と直列に接続された第3コンデンサをさらに含み、第3スイッチング素子、第3コンデンサ、および第1インダクタによって、閉ループ回路が形成されるようにしてもよい。   In the first and second inventions, the surge suppression circuit further includes a third capacitor connected in series with the third switching element, and a closed loop circuit is formed by the third switching element, the third capacitor, and the first inductor. You may be made to do.

第3の発明に係る絶縁型Cukコンバータは、一次側の第1スイッチング素子に対して第1サージ抑制回路を設けるとともに、二次側の第2スイッチング素子に対して第2サージ抑制回路を設けたものである。   An insulated Cuk converter according to a third aspect of the invention is provided with a first surge suppression circuit for the first switching element on the primary side and a second surge suppression circuit for the second switching element on the secondary side. Is.

第3の発明に係る絶縁型Cukコンバータにおいて、第1サージ抑制回路は、第3スイッチング素子を含み、第2サージ抑制回路は、第4スイッチング素子を含んでいてもよい。この構成では、トランスの一次側から二次側に電力を伝送する場合は、第2スイッチング素子は常時オフ状態にあって、第1スイッチング素子がスイッチング動作を行う。第1スイッチング素子がオンの間は、第3スイッチング素子はオフ状態にあり、第1スイッチング素子がオフすると、第3スイッチング素子が時間的に遅れてオンし、第1スイッチング素子がオンする前に、第3スイッチング素子がオフする。また、トランスの二次側から一次側に電力を伝送する場合は、第1スイッチング素子は常時オフ状態にあって、第2スイッチング素子がスイッチング動作を行う。第2スイッチング素子がオンの間は、第4スイッチング素子はオフ状態にあり、第2スイッチング素子がオフすると、第4スイッチング素子が時間的に遅れてオンし、第2スイッチング素子がオンする前に、第4スイッチング素子がオフする。   In the insulated Cuk converter according to the third invention, the first surge suppression circuit may include a third switching element, and the second surge suppression circuit may include a fourth switching element. In this configuration, when power is transmitted from the primary side to the secondary side of the transformer, the second switching element is always in an off state, and the first switching element performs a switching operation. While the first switching element is on, the third switching element is in an off state. When the first switching element is turned off, the third switching element is turned on with a time delay, and before the first switching element is turned on. The third switching element is turned off. Further, when power is transmitted from the secondary side to the primary side of the transformer, the first switching element is always in an off state, and the second switching element performs a switching operation. While the second switching element is on, the fourth switching element is in an off state. When the second switching element is turned off, the fourth switching element is turned on with a time delay, and before the second switching element is turned on. The fourth switching element is turned off.

第3の発明に係る絶縁型Cukコンバータにおいて、第1サージ抑制回路は、第3スイッチング素子と直列に接続された第3コンデンサをさらに含み、第2サージ抑制回路は、第4スイッチング素子と直列に接続された第4コンデンサをさらに含んでいてもよい。この構成では、第3スイッチング素子、第3コンデンサ、および第1インダクタによって、第1閉ループ回路が形成され、第4スイッチング素子、第4コンデンサ、および第2インダクタによって、第2閉ループ回路が形成される。   In the insulated Cuk converter according to the third invention, the first surge suppression circuit further includes a third capacitor connected in series with the third switching element, and the second surge suppression circuit is in series with the fourth switching element. A fourth capacitor connected may be further included. In this configuration, the third switching element, the third capacitor, and the first inductor form a first closed loop circuit, and the fourth switching element, the fourth capacitor, and the second inductor form a second closed loop circuit. .

本発明に係る電力伝送制御装置は、上述した絶縁型Cukコンバータと、この絶縁型Cukコンバータの動作を制御する制御部とを備えている。   The power transmission control device according to the present invention includes the above-described insulated Cuk converter and a control unit that controls the operation of the insulated Cuk converter.

本発明によれば、スイッチング素子のオフ時に発生するサージを抑制できる絶縁型Cukコンバータを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the insulation type Cuk converter which can suppress the surge which generate | occur | produces at the time of OFF of a switching element can be provided.

第1実施形態に係る絶縁型Cukコンバータの回路図である。It is a circuit diagram of the insulation type Cuk converter concerning a 1st embodiment. 第2実施形態に係る絶縁型Cukコンバータの回路図である。It is a circuit diagram of the insulation type Cuk converter concerning a 2nd embodiment. 第3実施形態に係る絶縁型Cukコンバータの回路図である。It is a circuit diagram of the insulation type Cuk converter concerning a 3rd embodiment. 第1実施形態の電流経路を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the electric current path of 1st Embodiment. 比較例の電流経路を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the electric current path of the comparative example. サージ抑制効果を説明するための波形図である。It is a wave form diagram for demonstrating a surge suppression effect. 第2実施形態のQ1オン後の電流経路を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the electric current path after Q1 ON of 2nd Embodiment. 第2実施形態のQ1オフ時の電流経路を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the electric current path at the time of Q1 OFF of 2nd Embodiment. 第2実施形態のQ3オン時の電流経路を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the electric current path at the time of Q3 ON of 2nd Embodiment. 第2実施形態のQ2オン時の電流経路を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the electric current path at the time of Q2 ON of 2nd Embodiment. 第2実施形態のQ2オン後の電流経路を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the electric current path after Q2 ON of 2nd Embodiment. 第2実施形態のQ3オフ時の電流経路を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the electric current path at the time of Q3 OFF of 2nd Embodiment. 第2実施形態のQ2オフ時の電流経路を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the electric current path at the time of Q2 OFF of 2nd Embodiment. 第2実施形態のQ1オン時の電流経路を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the electric current path at the time of Q1 ON of 2nd Embodiment. 第2実施形態の動作を示したタイムチャートである。It is a time chart which showed operation of a 2nd embodiment. 第1実施形態の変形例を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the modification of 1st Embodiment. 第2実施形態の変形例を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the modification of 2nd Embodiment. 第3実施形態の変形例を示した回路図である。It is the circuit diagram which showed the modification of 3rd Embodiment.

本発明に係る絶縁型Cukコンバータ(以下、単に「Cukコンバータ」という。)の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。各図において、同一の部分または対応する部分には、同一の符号を付してある。   An embodiment of an insulated Cuk converter (hereinafter simply referred to as “Cuk converter”) according to the present invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same reference numerals are given to the same or corresponding parts.

最初に、図1を参照して、第1実施形態に係るCukコンバータの構成を説明する。図1において、Cukコンバータ100は、一次側電源1と二次側電源2との間に配置される。一次側電源1は、直流バッテリから構成されている。二次側電源2は、コンデンサまたは充電可能なバッテリ(二次電池)から構成されている。二次側電源2に代えて、負荷を接続してもよい。Cukコンバータ100には、一次側電源1が接続される入力端子T1、T2と、二次側電源2が接続される出力端子T3、T4とが設けられている。Cukコンバータ100の動作は、制御部3により制御される。制御部3は、CPUや、PWM(パルス幅変調)信号生成回路などを備えている。Cukコンバータ100と制御部3は、同じ回路基板に搭載されており、これらによって電力伝送制御装置10が構成される。この電力伝送制御装置10は、たとえば車両に搭載されている。   First, the configuration of the Cuk converter according to the first embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 1, a Cuk converter 100 is disposed between a primary side power source 1 and a secondary side power source 2. The primary power source 1 is composed of a direct current battery. The secondary power source 2 is composed of a capacitor or a rechargeable battery (secondary battery). A load may be connected instead of the secondary power source 2. The Cuk converter 100 is provided with input terminals T1 and T2 to which the primary power source 1 is connected and output terminals T3 and T4 to which the secondary power source 2 is connected. The operation of the Cuk converter 100 is controlled by the control unit 3. The control unit 3 includes a CPU, a PWM (pulse width modulation) signal generation circuit, and the like. The Cuk converter 100 and the control unit 3 are mounted on the same circuit board, and the power transmission control device 10 is configured by these components. The power transmission control device 10 is mounted on a vehicle, for example.

Cukコンバータ100は、一次巻線W1および二次巻線W2を有するトランスTRを備えている。各巻線W1、W2は、破線Kで示した部分で接続されているが、この部分は隔離されていてもよい(図2と図3においても同様)。トランスTRの一次側には、入力端子T1、T2、インダクタL1(第1インダクタ)、コンデンサC1(第1コンデンサ)、スイッチング素子Q1(第1スイッチング素子)、サージ抑制回路X、およびコンデンサC5が設けられている。   The Cuk converter 100 includes a transformer TR having a primary winding W1 and a secondary winding W2. Each of the windings W1 and W2 is connected at a portion indicated by a broken line K, but this portion may be isolated (the same applies to FIGS. 2 and 3). On the primary side of the transformer TR, input terminals T1 and T2, an inductor L1 (first inductor), a capacitor C1 (first capacitor), a switching element Q1 (first switching element), a surge suppression circuit X, and a capacitor C5 are provided. It has been.

インダクタL1の一端は入力端子T1に接続されている。インダクタL1の他端と一次巻線W1の一端との間には、コンデンサC1がインダクタL1と直列に接続されている。スイッチング素子Q1は、FET(電界効果トランジスタ)からなり、ドレインdとソースs間に接続されたダイオードD1を有している。スイッチング素子Q1の一方の電極であるドレインdは、インダクタL1とコンデンサC1との接続点に接続され、他方の電極であるソースsは、一次巻線W1の他端に接続されている。スイッチング素子Q1のゲートgは、制御部3に接続されている。   One end of the inductor L1 is connected to the input terminal T1. A capacitor C1 is connected in series with the inductor L1 between the other end of the inductor L1 and one end of the primary winding W1. The switching element Q1 is made of an FET (field effect transistor) and has a diode D1 connected between the drain d and the source s. The drain d which is one electrode of the switching element Q1 is connected to a connection point between the inductor L1 and the capacitor C1, and the source s which is the other electrode is connected to the other end of the primary winding W1. The gate g of the switching element Q1 is connected to the control unit 3.

サージ抑制回路Xは、インダクタL1の一端と、スイッチング素子Q1のドレインdとの間に接続されている。このサージ抑制回路Xは、スイッチング素子Q1のターンオフ時に発生するサージを抑制するためのアクティブクランプ回路であり、スイッチング素子Q3(第3スイッチング素子)と、当該素子と直列に接続されたコンデンサC3(第3コンデンサ)とから構成されている。   The surge suppression circuit X is connected between one end of the inductor L1 and the drain d of the switching element Q1. The surge suppression circuit X is an active clamp circuit for suppressing a surge generated when the switching element Q1 is turned off, and includes a switching element Q3 (third switching element) and a capacitor C3 (first switch) connected in series with the element. 3 capacitors).

スイッチング素子Q3は、スイッチング素子Q1と同様にFETからなり、ドレインdとソースs間に接続されたダイオードD3を有している。スイッチング素子Q3のドレインdはコンデンサC3に接続され、ソースsはスイッチング素子Q1のドレインdに接続され、ゲートgは制御部3に接続されている。スイッチング素子Q3、コンデンサC3、およびインダクタL1によって、閉ループ回路が形成される。   The switching element Q3 is formed of an FET as in the switching element Q1, and includes a diode D3 connected between the drain d and the source s. The drain d of the switching element Q3 is connected to the capacitor C3, the source s is connected to the drain d of the switching element Q1, and the gate g is connected to the control unit 3. Switching element Q3, capacitor C3, and inductor L1 form a closed loop circuit.

コンデンサC5は、入力電圧のノイズを除去するためのコンデンサであって、入力端子T1、T2間に設けられている。   The capacitor C5 is a capacitor for removing noise of the input voltage, and is provided between the input terminals T1 and T2.

トランスTRの二次側には、出力端子T3、T4、インダクタL2(第2インダクタ)、コンデンサC2(第2コンデンサ)、ダイオードD5、およびコンデンサC6が設けられている。   On the secondary side of the transformer TR, output terminals T3 and T4, an inductor L2 (second inductor), a capacitor C2 (second capacitor), a diode D5, and a capacitor C6 are provided.

インダクタL2の一端は出力端子T3に接続されている。インダクタL2の他端と二次巻線W2の一端との間には、コンデンサC2がインダクタL2と直列に接続されている。ダイオードD5の一方の電極であるカソードは、インダクタL2とコンデンサC2との接続点に接続され、他方の電極であるアノードは、二次巻線W2の他端に接続されている。コンデンサC6は、出力電圧のノイズを除去するためのコンデンサであって、出力端子T3、T4間に設けられている。   One end of the inductor L2 is connected to the output terminal T3. A capacitor C2 is connected in series with the inductor L2 between the other end of the inductor L2 and one end of the secondary winding W2. The cathode that is one electrode of the diode D5 is connected to the connection point between the inductor L2 and the capacitor C2, and the anode that is the other electrode is connected to the other end of the secondary winding W2. The capacitor C6 is a capacitor for removing noise from the output voltage, and is provided between the output terminals T3 and T4.

図2は、第2実施形態に係るCukコンバータ200を示している。このCukコンバータ200においては、図1のダイオードD5に代えて、スイッチング素子Q2(第2スイッチング素子)が設けられている。   FIG. 2 shows a Cuk converter 200 according to the second embodiment. In the Cuk converter 200, a switching element Q2 (second switching element) is provided instead of the diode D5 of FIG.

スイッチング素子Q2は、スイッチング素子Q1と同様にFETからなり、ドレインdとソースs間に接続されたダイオードD2を有している。スイッチング素子Q2の一方の電極であるドレインdは、インダクタL2とコンデンサC2との接続点に接続され、他方の電極であるソースsは、二次巻線W2の他端に接続されている。スイッチング素子Q2のゲートgは、制御部3に接続されている。Cukコンバータ200と制御部3によって、電力伝送制御装置20が構成される。その他の構成については、図1と同じであるので、説明は省略する。   The switching element Q2 is formed of an FET as in the switching element Q1, and includes a diode D2 connected between the drain d and the source s. The drain d, which is one electrode of the switching element Q2, is connected to the connection point between the inductor L2 and the capacitor C2, and the source s, which is the other electrode, is connected to the other end of the secondary winding W2. The gate g of the switching element Q2 is connected to the control unit 3. The Cuk converter 200 and the control unit 3 constitute the power transmission control device 20. Other configurations are the same as those in FIG.

図3は、第3実施形態に係るCukコンバータ300を示している。このCukコンバータ300においては、図2の構成にサージ抑制回路Yが追加されている。サージ抑制回路Yは、インダクタL2の一端と、スイッチング素子Q2のドレインdとの間に接続されている。このサージ抑制回路Yは、スイッチング素子Q2のターンオフ時に発生するサージを抑制するためのアクティブクランプ回路であり、スイッチング素子Q4(第4スイッチング素子)と、当該素子と直列に接続されたコンデンサC4(第4コンデンサ)とから構成されている。   FIG. 3 shows a Cuk converter 300 according to the third embodiment. In the Cuk converter 300, a surge suppression circuit Y is added to the configuration of FIG. The surge suppression circuit Y is connected between one end of the inductor L2 and the drain d of the switching element Q2. The surge suppression circuit Y is an active clamp circuit for suppressing a surge generated when the switching element Q2 is turned off, and includes a switching element Q4 (fourth switching element) and a capacitor C4 (first element) connected in series with the element. 4 capacitors).

スイッチング素子Q4は、スイッチング素子Q2と同様にFETからなり、ドレインdとソースs間に接続されたダイオードD4を有している。スイッチング素子Q4のドレインdはコンデンサC4に接続され、ソースsはスイッチング素子Q2のドレインdに接続され、ゲートgは制御部3に接続されている。スイッチング素子Q4、コンデンサC4、およびインダクタL2によって、閉ループ回路が形成される。Cukコンバータ300と制御部3によって、電力伝送制御装置30が構成される。その他の構成については、図2と同じであるので、説明は省略する。   The switching element Q4 is made of an FET as with the switching element Q2, and has a diode D4 connected between the drain d and the source s. The drain d of the switching element Q4 is connected to the capacitor C4, the source s is connected to the drain d of the switching element Q2, and the gate g is connected to the control unit 3. Switching element Q4, capacitor C4, and inductor L2 form a closed loop circuit. The power transmission control device 30 is configured by the Cuk converter 300 and the control unit 3. Other configurations are the same as those in FIG.

なお、第3実施形態では、サージ抑制回路Xは「第1サージ抑制回路」、サージ抑制回路Yは「第2サージ抑制回路」、スイッチング素子Q3、コンデンサC3、およびインダクタL1によって形成される閉ループ回路は「第1閉ループ回路」、スイッチング素子Q4、コンデンサC4、およびインダクタL2によって形成される閉ループ回路は「第2閉ループ回路」である。   In the third embodiment, the surge suppression circuit X is a “first surge suppression circuit”, the surge suppression circuit Y is a “second surge suppression circuit”, a closed loop circuit formed by a switching element Q3, a capacitor C3, and an inductor L1. Is a “first closed loop circuit”, and the closed loop circuit formed by the switching element Q4, the capacitor C4, and the inductor L2 is a “second closed loop circuit”.

上述した各実施形態において、スイッチング素子Q1〜Q4に設けられているダイオードD1〜D4は、FETの寄生ダイオードであってもよいし、独立したダイオードであってもよい。いずれの場合も、スイッチング素子Q1〜Q4は、ダイオードD1〜D4による整流機能を有している。   In each of the embodiments described above, the diodes D1 to D4 provided in the switching elements Q1 to Q4 may be FET parasitic diodes or may be independent diodes. In any case, the switching elements Q1 to Q4 have a rectifying function by the diodes D1 to D4.

次に、上述した各実施形態のCukコンバータの動作について説明する。まず、第1実施形態のCukコンバータ100の動作を、図1、図4〜図6、図8を参照しながら説明する。図4、図5、および図7A〜図7Hにおける太矢印は、電流の経路を示している。   Next, the operation of the Cuk converter of each embodiment described above will be described. First, the operation of the Cuk converter 100 of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1, 4 to 6, and 8. The thick arrows in FIGS. 4, 5, and 7A to 7H indicate current paths.

図1に示したCukコンバータ100は、トランスTRの一次側から二次側へ電力を伝送する単方向型のコンバータである。電力を伝送する場合は、制御部3から出力されるPWM信号により、スイッチング素子Q1、Q3がスイッチング動作を行う。この場合、Cukコンバータ100では、昇圧動作と降圧動作のいずれを行ってもよい。   A Cuk converter 100 shown in FIG. 1 is a unidirectional converter that transmits power from the primary side to the secondary side of the transformer TR. When transmitting electric power, the switching elements Q1 and Q3 perform a switching operation by the PWM signal output from the control unit 3. In this case, the Cuk converter 100 may perform either a step-up operation or a step-down operation.

スイッチング素子Q1、Q3のオン・オフのタイミングは、たとえば図8(a)、(b)に示したようになる。スイッチング素子Q1がオンの間は、スイッチング素子Q3はオフ状態にあり、スイッチング素子Q1がオフになると、スイッチング素子Q3が時間的に遅れてオンする。その後、スイッチング素子Q1がオンする前に、スイッチング素子Q3がオフする。(図8に関しては、後述する第2実施形態において詳細に説明する。)   The on / off timings of the switching elements Q1 and Q3 are as shown in FIGS. 8A and 8B, for example. While the switching element Q1 is on, the switching element Q3 is in an off state. When the switching element Q1 is turned off, the switching element Q3 is turned on with a time delay. Thereafter, the switching element Q3 is turned off before the switching element Q1 is turned on. (FIG. 8 will be described in detail in a second embodiment to be described later.)

スイッチング素子Q1が図4(a)のオン状態から図4(b)のオフ状態に切り替わる時、すなわちスイッチング素子Q1のターンオフ時に、スイッチング素子Q1のドレインdとソースs間に印加されるサージ電圧が問題となる。このサージ電圧は、トランスTRの一次巻線W1の漏れインダクタンスに蓄積されたエネルギーに起因して発生する。   When the switching element Q1 is switched from the on state of FIG. 4A to the off state of FIG. 4B, that is, when the switching element Q1 is turned off, the surge voltage applied between the drain d and the source s of the switching element Q1 is It becomes a problem. This surge voltage is generated due to the energy accumulated in the leakage inductance of the primary winding W1 of the transformer TR.

しかるに、本発明ではサージ抑制回路Xが設けられているため、スイッチング素子Q1がターンオフすることで、トランスTRの一次巻線W1の漏れインダクタンスに蓄積されたエネルギーに基づく電流は、サージ抑制回路XのダイオードD3およびコンデンサC3を流れる。また、インダクタL1に蓄積されたエネルギーに基づく電流は、ダイオードD3、コンデンサC3、およびインダクタL1を含む閉ループ回路を流れる。その結果、図6(b)に示すように、スイッチング素子Q1のドレインdとソースs間の電圧は、過大なサージ電圧とならずに低く抑えられる。したがって、スイッチング素子Q1として、高耐圧の素子を用いる必要がなく、コストを低減することができる。   However, since the surge suppression circuit X is provided in the present invention, when the switching element Q1 is turned off, the current based on the energy accumulated in the leakage inductance of the primary winding W1 of the transformer TR is the current of the surge suppression circuit X. It flows through the diode D3 and the capacitor C3. The current based on the energy stored in the inductor L1 flows through a closed loop circuit including the diode D3, the capacitor C3, and the inductor L1. As a result, as shown in FIG. 6B, the voltage between the drain d and the source s of the switching element Q1 is suppressed to a low level without becoming an excessive surge voltage. Therefore, it is not necessary to use a high breakdown voltage element as the switching element Q1, and the cost can be reduced.

比較例として示した図5の回路では、サージ抑制回路が設けられていない。このため、スイッチング素子Q1が図5(a)のオン状態から図5(b)のオフ状態に切り替わる時(ターンオフ時)に、トランスTRの一次巻線W1の漏れインダクタンスに蓄積されたエネルギーを消費する電流経路が形成されない。その結果、スイッチング素子Q1のターンオフ時に、図6(a)に示すように、スイッチング素子Q1のドレインdとソースs間に、大きなサージ電圧が印加されることになる。   In the circuit of FIG. 5 shown as a comparative example, a surge suppression circuit is not provided. For this reason, when the switching element Q1 is switched from the ON state of FIG. 5A to the OFF state of FIG. 5B (at the time of turn-off), the energy accumulated in the leakage inductance of the primary winding W1 of the transformer TR is consumed. Current path is not formed. As a result, when the switching element Q1 is turned off, a large surge voltage is applied between the drain d and the source s of the switching element Q1, as shown in FIG.

次に、第2実施形態のCukコンバータ200の動作を、図2、図7A〜図7H、図8を参照しながら説明する。   Next, the operation of the Cuk converter 200 of the second embodiment will be described with reference to FIGS. 2, 7A to 7H, and FIG.

図2に示したCukコンバータ200は、図1のCukコンバータ100と同様に、トランスTRの一次側から二次側へ電力を伝送する、単方向型のコンバータである。電力を伝送する場合は、制御部3から出力されるPWM信号により、スイッチング素子Q1、Q3がスイッチング動作を行う。この場合、Cukコンバータ200では、昇圧動作と降圧動作のいずれを行ってもよい。   The Cuk converter 200 shown in FIG. 2 is a unidirectional converter that transmits power from the primary side to the secondary side of the transformer TR, similarly to the Cuk converter 100 of FIG. When transmitting electric power, the switching elements Q1 and Q3 perform a switching operation by the PWM signal output from the control unit 3. In this case, the Cuk converter 200 may perform either a step-up operation or a step-down operation.

また、二次側のスイッチング素子Q2は、制御部3から出力されるPWM信号により、一次側のスイッチング素子Q1と同期してスイッチング動作を行う。これによって二次側では、スイッチング素子Q2とダイオードD2による同期整流が行われる。同期整流は、図1のようなダイオードD5によるダイオード整流に比べて電力損失が小さく、変換効率が高いという利点がある。   The secondary side switching element Q2 performs a switching operation in synchronization with the primary side switching element Q1 by the PWM signal output from the control unit 3. As a result, synchronous rectification is performed by the switching element Q2 and the diode D2 on the secondary side. Synchronous rectification has the advantages of lower power loss and higher conversion efficiency than diode rectification by the diode D5 as shown in FIG.

スイッチング素子Q1〜Q3のオン・オフのタイミングは、たとえば図8(a)〜(c)に示したようになる。スイッチング素子Q1がオンの間は、スイッチング素子Q2、Q3はオフ状態にあり、スイッチング素子Q1がオフになると、スイッチング素子Q2、Q3が時間的に遅れてオンする。その後、スイッチング素子Q1がオンする前に、スイッチング素子Q2、Q3がオフする。   The on / off timings of the switching elements Q1 to Q3 are as shown in FIGS. 8A to 8C, for example. While the switching element Q1 is on, the switching elements Q2 and Q3 are in the off state. When the switching element Q1 is off, the switching elements Q2 and Q3 are turned on with a time delay. Thereafter, the switching elements Q2 and Q3 are turned off before the switching element Q1 is turned on.

図7A〜図7Hは、スイッチング素子Q1〜Q3のオン・オフに伴う回路状態の遷移を示している。各図において、太矢印は電流経路を表している。図8は、各スイッチング素子のオン・オフ状態と、各スイッチング素子のドレイン・ソース間の電流(d−s電流)および電圧(d−s電圧)の波形を示している。図8における区間A〜Hは、それぞれ図7A〜図7Hに対応している。   FIG. 7A to FIG. 7H show circuit state transitions associated with turning on / off of the switching elements Q1 to Q3. In each figure, a thick arrow represents a current path. FIG. 8 shows the waveforms of the ON / OFF state of each switching element and the current (ds current) and voltage (ds voltage) between the drain and source of each switching element. Sections A to H in FIG. 8 correspond to FIGS. 7A to 7H, respectively.

図7Aでは、スイッチング素子Q1がオンで、スイッチング素子Q2、Q3がオフの状態にある。このとき、各スイッチング素子Q1〜Q3の状態および電流・電圧は、図8の区間A(左端)のようになっている。トランスTRの一次側では、スイッチング素子Q1を通ってインダクタL1に電流が流れるとともに、コンデンサC1の放電電流が、スイッチング素子Q1と一次巻線W1に流れる。トランスTRの二次側では、インダクタL2と二次巻線W2を通って、コンデンサC2の放電電流が流れる。   In FIG. 7A, the switching element Q1 is on and the switching elements Q2 and Q3 are off. At this time, the states, currents and voltages of the switching elements Q1 to Q3 are as shown in a section A (left end) in FIG. On the primary side of the transformer TR, a current flows to the inductor L1 through the switching element Q1, and a discharge current of the capacitor C1 flows to the switching element Q1 and the primary winding W1. On the secondary side of the transformer TR, the discharge current of the capacitor C2 flows through the inductor L2 and the secondary winding W2.

図7Aの状態から、スイッチング素子Q1がターンオフすると、回路の状態は図7Bへ遷移する。このとき、各スイッチング素子Q1〜Q3の状態および電流・電圧は、図8の区間Bのようになる。スイッチング素子Q3は、図8のデッドタイムτの期間はオフ状態を維持する(図8(b))。これは、スイッチング素子Q1、Q3が同時にオン状態となることによる、入力端子T1、T2間の短絡を防止するためである。また、スイッチング素子Q2もオフ状態を維持する。   When the switching element Q1 is turned off from the state of FIG. 7A, the circuit state transitions to FIG. 7B. At this time, the states, currents and voltages of the switching elements Q1 to Q3 are as shown in a section B in FIG. The switching element Q3 maintains the off state during the dead time τ in FIG. 8 (FIG. 8B). This is to prevent a short circuit between the input terminals T1 and T2 due to the switching elements Q1 and Q3 being simultaneously turned on. Further, the switching element Q2 also maintains the off state.

図7Bにおいて、トランスTRの一次側では、スイッチング素子Q1がターンオフすることで、トランスTRの一次巻線W1の漏れインダクタンスに蓄積されたエネルギーに基づく電流は、サージ抑制回路XのダイオードD3およびコンデンサC3を流れる。また、インダクタL1に蓄積されたエネルギーに基づく電流は、ダイオードD3、コンデンサC3、およびインダクタL1を含む閉ループ回路を流れる。これによって、コンデンサC3が充電される。その結果、図8(区間B)の(d)に示すように、スイッチング素子Q1のd−s電圧は、過大なサージ電圧とならずに低く抑えられる。一次巻線W1の漏れインダクタンスに蓄積されたエネルギーの放出が進み、コンデンサC3への充電が進むに連れて、トランスTRの一次巻線W1に流れる電流が減少する。これに伴い、トランスTRの二次側では、スイッチング素子Q2のダイオードD2に電流が流れ始める。   7B, on the primary side of the transformer TR, when the switching element Q1 is turned off, the current based on the energy accumulated in the leakage inductance of the primary winding W1 of the transformer TR is the diode D3 and the capacitor C3 of the surge suppression circuit X. Flowing. The current based on the energy stored in the inductor L1 flows through a closed loop circuit including the diode D3, the capacitor C3, and the inductor L1. As a result, the capacitor C3 is charged. As a result, as shown in (d) of FIG. 8 (section B), the ds voltage of the switching element Q1 is suppressed to a low level without becoming an excessive surge voltage. As the energy stored in the leakage inductance of the primary winding W1 is released and charging of the capacitor C3 proceeds, the current flowing through the primary winding W1 of the transformer TR decreases. Along with this, on the secondary side of the transformer TR, a current starts to flow through the diode D2 of the switching element Q2.

図7Bの状態から、スイッチング素子Q3がターンオンすると、回路の状態は図7Cへ遷移する。このとき、各スイッチング素子Q1〜Q3の状態および電流・電圧は、図8の区間Cのようになる。スイッチング素子Q2は、スイッチング素子Q3がオンした後、δの期間だけオフ状態を維持する。   When the switching element Q3 is turned on from the state of FIG. 7B, the circuit state transitions to FIG. 7C. At this time, the states, currents and voltages of the switching elements Q1 to Q3 are as shown in a section C in FIG. The switching element Q2 maintains the off state for a period of δ after the switching element Q3 is turned on.

図7Cにおいて、トランスTRの一次側では、ダイオードD3を流れていた電流は、オン状態のスイッチング素子Q3のソースs・ドレインdを通って流れる。トランスTRの二次側の電流経路に変化はない。   In FIG. 7C, on the primary side of the transformer TR, the current flowing through the diode D3 flows through the source s and drain d of the switching element Q3 in the on state. There is no change in the current path on the secondary side of the transformer TR.

ところで、図8(b)でスイッチング素子Q3がターンオンするタイミングにおいては、図8(e)のように、スイッチング素子Q3のd−s電圧はゼロボルトになっている。すなわち、スイッチング素子Q3は、d−s電圧がゼロボルトの状態でターンオンするゼロボルトスイッチング(ZVS:Zero Volt Switching)を行う。ZVSはソフトスイッチングとも呼ばれ、スイッチング素子で発生するノイズや損失を低減できるメリットを有している。   By the way, at the timing when the switching element Q3 is turned on in FIG. 8B, as shown in FIG. 8E, the ds voltage of the switching element Q3 is zero volts. That is, the switching element Q3 performs zero volt switching (ZVS) that turns on when the ds voltage is zero volt. ZVS is also called soft switching, and has an advantage that noise and loss generated in the switching element can be reduced.

図7Cの状態から、スイッチング素子Q2がターンオンすると、回路の状態は図7Dへ遷移する。このとき、各スイッチング素子Q1〜Q3の状態および電流・電圧は、図8の区間Dのようになる。図8(c)、(f)からわかるように、スイッチング素子Q2は、ZVSによってターンオンする。図7Dにおいて、トランスTRの一次側の電流経路に変化はない。トランスTRの二次側では、ダイオードD2を流れていた電流が、オン状態のスイッチング素子Q2のソースs・ドレインdを通って流れる。   When the switching element Q2 is turned on from the state of FIG. 7C, the circuit state transitions to FIG. 7D. At this time, the states, currents and voltages of the switching elements Q1 to Q3 are as shown in a section D in FIG. As can be seen from FIGS. 8C and 8F, the switching element Q2 is turned on by ZVS. In FIG. 7D, there is no change in the current path on the primary side of the transformer TR. On the secondary side of the transformer TR, the current flowing through the diode D2 flows through the source s and drain d of the switching element Q2 in the on state.

図7Dの状態から、トランスTRの一次巻線W1の漏れインダクタンスに蓄積されたエネルギーの放出が終了し、コンデンサC3の充電電流が零になると、コンデンサC3に蓄えられたエネルギーは放電に転じ、回路の状態は図7Eへ遷移する。このとき、各スイッチング素子Q1〜Q3の状態および電流・電圧は、図8の区間Eのようになる。図7Eにおいて、トランスTRの一次側では、一次側電源1からインダクタL1、コンデンサC1、一次巻線W1を通って電流が流れる。また、コンデンサC3に蓄えられたエネルギーの放電によって、コンデンサC1および一次巻線W1を通って電流が流れる。トランスTRの二次側では、二次巻線W2およびスイッチング素子Q2を通って電流が流れる。インダクタL2には、スイッチング素子Q2を通って継続して電流が流れる。   When the discharge of the energy accumulated in the leakage inductance of the primary winding W1 of the transformer TR is finished from the state of FIG. 7D and the charging current of the capacitor C3 becomes zero, the energy accumulated in the capacitor C3 turns into a discharge, and the circuit The state changes to FIG. 7E. At this time, the states, currents and voltages of the switching elements Q1 to Q3 are as shown in a section E in FIG. In FIG. 7E, on the primary side of the transformer TR, a current flows from the primary power source 1 through the inductor L1, the capacitor C1, and the primary winding W1. Further, a current flows through the capacitor C1 and the primary winding W1 due to the discharge of energy stored in the capacitor C3. On the secondary side of the transformer TR, a current flows through the secondary winding W2 and the switching element Q2. A current flows through the inductor L2 continuously through the switching element Q2.

図7Eの状態から、スイッチング素子Q3がターンオフすると、回路の状態は図7Fへ遷移する。このとき、各スイッチング素子Q1〜Q3の状態および電流・電圧は、図8の区間Fのようになる。図7Fにおいて、トランスTRの一次側では、一次側電源1からインダクタL1、コンデンサC1、一次巻線W1へ電流が継続して流れる。スイッチング素子Q3には電流が流れなくなるが、一次巻線W1に流れる励磁電流を保持するために、スイッチング素子Q1のダイオードD1に電流が流れる。これによって、スイッチング素子Q1のd−s電圧は低下してゼロになる(図8(d))。トランスTRの二次側の電流経路に変化はない。   When the switching element Q3 is turned off from the state of FIG. 7E, the circuit state transitions to FIG. 7F. At this time, the states, currents and voltages of the switching elements Q1 to Q3 are as shown in a section F of FIG. In FIG. 7F, on the primary side of the transformer TR, current continuously flows from the primary side power source 1 to the inductor L1, the capacitor C1, and the primary winding W1. Although no current flows through the switching element Q3, a current flows through the diode D1 of the switching element Q1 in order to maintain the exciting current flowing through the primary winding W1. As a result, the ds voltage of the switching element Q1 decreases to zero (FIG. 8 (d)). There is no change in the current path on the secondary side of the transformer TR.

図7Fの状態から、スイッチング素子Q2がターンオフすると、回路の状態は図7Gへ遷移する。このとき、各スイッチング素子Q1〜Q3の状態および電流・電圧は、図8の区間Gのようになる。図8(c)、(f)からわかるように、スイッチング素子Q2は、ZVSによってターンオフする。図7Gにおいて、スイッチング素子Q2がオフ状態になっても、ダイオードD2を通って電流が流れる。トランスTRの一次側の電流経路に変化はない。   When the switching element Q2 is turned off from the state of FIG. 7F, the circuit state transitions to FIG. 7G. At this time, the states, currents and voltages of the switching elements Q1 to Q3 are as shown in a section G in FIG. As can be seen from FIGS. 8C and 8F, the switching element Q2 is turned off by ZVS. In FIG. 7G, even when the switching element Q2 is turned off, a current flows through the diode D2. There is no change in the current path on the primary side of the transformer TR.

図7Gの状態から、スイッチング素子Q1がターンオンすると、回路の状態は図7Hへ遷移する。このとき、各スイッチング素子Q1〜Q3の状態および電流・電圧は、図8の区間Hのようになる。図8(a)、(d)からわかるように、スイッチング素子Q1は、ZVSによってターンオンする。図7Hにおいて、トランスTRの一次側では、スイッチング素子Q1のオンによって、ダイオードD1を流れていた電流は、スイッチング素子Q1のソースs・ドレインdを通って流れる。トランスTRの二次側の電流経路に変化はない。   When the switching element Q1 is turned on from the state of FIG. 7G, the circuit state transitions to FIG. 7H. At this time, the states, currents and voltages of the switching elements Q1 to Q3 are as shown in a section H in FIG. As can be seen from FIGS. 8A and 8D, the switching element Q1 is turned on by ZVS. In FIG. 7H, on the primary side of the transformer TR, when the switching element Q1 is turned on, the current flowing through the diode D1 flows through the source s and drain d of the switching element Q1. There is no change in the current path on the secondary side of the transformer TR.

図7Hの状態から、スイッチング素子Q1のソースs・ドレインdを通って流れる電流が零になると、回路の状態は図7Aへ戻る。この過程において、各スイッチング素子Q1〜Q3の状態および電流・電圧は、図8の区間A(右から3番目)のようになる。   When the current flowing through the source s / drain d of the switching element Q1 becomes zero from the state of FIG. 7H, the circuit state returns to FIG. 7A. In this process, the states, currents and voltages of the switching elements Q1 to Q3 are as shown in section A (third from the right) in FIG.

以上のようにして、Cukコンバータ200では、図7A〜図7Hの回路状態の遷移が繰り返され、スイッチング素子Q1〜Q3のオン・オフ動作に基づき、トランスTRの一次側から二次側へ電力の伝送が行われる。   As described above, in the Cuk converter 200, the transition of the circuit states of FIGS. 7A to 7H is repeated, and the electric power is transferred from the primary side to the secondary side of the transformer TR based on the on / off operation of the switching elements Q1 to Q3. Transmission takes place.

上述した第2実施形態のCukコンバータ200によれば、第1実施形態と同様に、サージ抑制回路Xを設けたことによって、スイッチング素子Q1のターンオフ時のサージ電圧を抑制することができる。また、各スイッチング素子Q1〜Q3のオン・オフのタイミングを図8のように制御することで、スイッチング素子のターンオン時やターンオフ時のゼロボルトスイッチングが可能となり、スイッチング素子のノイズや損失を低減することができる。   According to the Cuk converter 200 of the second embodiment described above, the surge voltage at the turn-off of the switching element Q1 can be suppressed by providing the surge suppression circuit X as in the first embodiment. Further, by controlling the on / off timing of each switching element Q1 to Q3 as shown in FIG. 8, zero volt switching at the time of turning on or off of the switching element becomes possible, and noise and loss of the switching element are reduced. Can do.

なお、前述した第1実施形態の動作、および後述する第3実施形態の動作においても、回路状態の遷移は、上述した図7A〜図7Hの回路状態の遷移と基本的に同じである。また、第1および第3実施形態においても、ゼロボルトスイッチングが行われるので、上記と同様の効果が得られる。   In the operation of the first embodiment described above and the operation of the third embodiment described later, the circuit state transition is basically the same as the circuit state transition in FIGS. 7A to 7H described above. Also in the first and third embodiments, zero volt switching is performed, so that the same effect as described above can be obtained.

次に、第3実施形態のCukコンバータ300の動作を、図3を参照しながら説明する。   Next, the operation of the Cuk converter 300 of the third embodiment will be described with reference to FIG.

図3に示したCukコンバータ300は、トランスTRの一次側から二次側へ電力を伝送するだけでなく、トランスTRの二次側から一次側へ電力を伝送することもできる双方向型のコンバータである。このため、Cukコンバータ300の回路構成は、トランスTRに対して左右対称となっている。このCukコンバータ300では、一次側から二次側へ電力を伝送する場合に、昇圧動作と降圧動作のいずれを行ってもよく、また、二次側から一次側へ電力を伝送する場合も、昇圧動作と降圧動作のいずれを行ってもよい。   The Cuk converter 300 shown in FIG. 3 is a bidirectional converter that can transmit power not only from the primary side to the secondary side of the transformer TR but also from the secondary side to the primary side of the transformer TR. It is. For this reason, the circuit configuration of the Cuk converter 300 is symmetrical with respect to the transformer TR. In the Cuk converter 300, when power is transmitted from the primary side to the secondary side, either the step-up operation or the step-down operation may be performed, and also when power is transmitted from the secondary side to the primary side, the step-up operation is performed. Either the operation or the step-down operation may be performed.

一次側から二次側へ電力を伝送する場合は、スイッチング素子Q2は常時オフ状態にあって、スイッチング素子Q1、Q3がスイッチング動作を行う。この場合、スイッチング素子Q4もオフ状態のため、二次側の回路は、図1のCukコンバータ100の二次側の回路と等価になる(図1のダイオードD5が、図3のダイオードD2に相当)。したがって、この場合の動作は、Cukコンバータ100の動作と基本的に同じとなり、スイッチング素子Q1、Q3のオン・オフのタイミングは、図8(a)、(b)のようになる。   When power is transmitted from the primary side to the secondary side, the switching element Q2 is always in an off state, and the switching elements Q1 and Q3 perform a switching operation. In this case, since the switching element Q4 is also in the OFF state, the secondary side circuit is equivalent to the secondary side circuit of the Cuk converter 100 in FIG. 1 (the diode D5 in FIG. 1 corresponds to the diode D2 in FIG. 3). ). Therefore, the operation in this case is basically the same as the operation of the Cuk converter 100, and the ON / OFF timings of the switching elements Q1 and Q3 are as shown in FIGS.

二次側から一次側へ電力を伝送する場合は、スイッチング素子Q1は常時オフ状態にあって、スイッチング素子Q2、Q4がスイッチング動作を行う。この場合、スイッチング素子Q3もオフ状態のため、一次側の回路は、一次側から二次側へ電力を伝送する場合の、二次側の回路を左右反転した回路と等価になる。そして、制御部3は、一次側から二次側へ電力を伝送する場合における、スイッチング素子Q1、Q3に対して行う制御と同様の制御を、スイッチング素子Q2、Q4に対して行う。   When power is transmitted from the secondary side to the primary side, the switching element Q1 is always in an off state, and the switching elements Q2 and Q4 perform a switching operation. In this case, since the switching element Q3 is also in the OFF state, the primary side circuit is equivalent to a circuit obtained by horizontally inverting the secondary side circuit when power is transmitted from the primary side to the secondary side. And the control part 3 performs control similar to the control performed with respect to switching element Q1, Q3 in the case of transmitting electric power from the primary side to the secondary side with respect to switching element Q2, Q4.

したがって、スイッチング素子Q2、Q4のオン・オフのタイミングは、図8(a)、(b)のQ1、Q3をQ2、Q4に置き換えることで容易に理解できる。詳しくは、スイッチング素子Q2がオンの間は、スイッチング素子Q4はオフ状態にあり、スイッチング素子Q2がオフすると、スイッチング素子Q4が時間的に遅れてオンする。その後、スイッチング素子Q2がオンする前に、スイッチング素子Q4がオフする。   Therefore, the ON / OFF timing of the switching elements Q2 and Q4 can be easily understood by replacing Q1 and Q3 in FIGS. 8A and 8B with Q2 and Q4. Specifically, the switching element Q4 is in an off state while the switching element Q2 is on, and when the switching element Q2 is off, the switching element Q4 is turned on with a time delay. Thereafter, the switching element Q4 is turned off before the switching element Q2 is turned on.

上述した第3実施形態のCukコンバータ300によれば、一次側と二次側にそれぞれサージ抑制回路X、Yを設けたことによって、いずれの方向に電力を伝送する場合も、スイッチング素子Q1、Q2のターンオフ時のサージ電圧を抑制することができる。   According to the above-described Cuk converter 300 of the third embodiment, the surge suppression circuits X and Y are provided on the primary side and the secondary side, respectively, so that the switching elements Q1 and Q2 can be used regardless of the direction in which power is transmitted. The surge voltage at the turn-off time can be suppressed.

図9は、第1実施形態(図1)の変形例を示している。図9のCukコンバータ100では、図1のサージ抑制回路Xにおけるスイッチング素子Q3が、ダイオードD6に置き換わっている。その他の構成は図1と同じであり、動作も図1と基本的に同じである。但し、制御部3によるダイオードD6の制御は行なわれない。このように、サージ抑制回路XにダイオードD6を用いた場合も、第1実施形態と同様のサージ抑制効果を得ることができる。   FIG. 9 shows a modification of the first embodiment (FIG. 1). In the Cuk converter 100 of FIG. 9, the switching element Q3 in the surge suppression circuit X of FIG. 1 is replaced with a diode D6. Other configurations are the same as those in FIG. 1, and the operations are basically the same as those in FIG. However, the control of the diode D6 by the control unit 3 is not performed. Thus, also when the diode D6 is used for the surge suppression circuit X, the same surge suppression effect as that of the first embodiment can be obtained.

図10は、第2実施形態(図2)の変形例を示している。図10のCukコンバータ200では、図2のサージ抑制回路Xにおけるスイッチング素子Q3が、ダイオードD6に置き換わっている。その他の構成は図2と同じであり、動作も図2と基本的に同じである。但し、制御部3によるダイオードD6の制御は行なわれない。このように、サージ抑制回路XにダイオードD6を用いた場合も、第2実施形態と同様のサージ抑制効果を得ることができる。   FIG. 10 shows a modification of the second embodiment (FIG. 2). In the Cuk converter 200 of FIG. 10, the switching element Q3 in the surge suppression circuit X of FIG. 2 is replaced with a diode D6. The other configuration is the same as that of FIG. 2, and the operation is basically the same as that of FIG. However, the control of the diode D6 by the control unit 3 is not performed. Thus, also when the diode D6 is used for the surge suppression circuit X, the same surge suppression effect as that of the second embodiment can be obtained.

図11は、第3実施形態(図3)の変形例を示している。図11のCukコンバータ300では、図3のサージ抑制回路X、Yにおけるスイッチング素子Q3、Q4が、ダイオードD6、D7に置き換わっている。その他の構成は図3と同じであり、動作も図3と基本的に同じである。但し、制御部3によるダイオードD6、D7の制御は行なわれない。このように、サージ抑制回路X、YにダイオードD6、D7を用いた場合も、第3実施形態と同様のサージ抑制効果を得ることができる。   FIG. 11 shows a modification of the third embodiment (FIG. 3). In the Cuk converter 300 of FIG. 11, the switching elements Q3 and Q4 in the surge suppression circuits X and Y of FIG. 3 are replaced with diodes D6 and D7. The other configurations are the same as those in FIG. 3, and the operations are basically the same as those in FIG. However, the control of the diodes D6 and D7 by the control unit 3 is not performed. Thus, when the diodes D6 and D7 are used for the surge suppression circuits X and Y, the same surge suppression effect as that of the third embodiment can be obtained.

本発明では、以上述べた以外にも、以下のような種々の実施形態を採用することができる。   In the present invention, the following various embodiments can be employed in addition to the above.

図8においては、スイッチング素子Q2がオン・オフするタイミングを、スイッチング素子Q3がオン・オフするタイミングより時間δだけ遅らせたが、これは必須ではなく、δ=0であってもよい。また、図8において、スイッチング素子Q2がオン・オフするタイミングと、スイッチング素子Q3がオン・オフするタイミングを逆にしてもよい。さらに、スイッチング素子Q2は、スイッチング素子Q1のオンと同じタイミングでオフし、スイッチング素子Q1のオフと同じタイミングでオンするようにしてもよい。   In FIG. 8, the timing at which the switching element Q2 is turned on / off is delayed by the time δ from the timing at which the switching element Q3 is turned on / off, but this is not essential and δ = 0 may be possible. In FIG. 8, the timing at which the switching element Q2 is turned on / off and the timing at which the switching element Q3 is turned on / off may be reversed. Further, the switching element Q2 may be turned off at the same timing as the switching element Q1 is turned on, and may be turned on at the same timing as the switching element Q1 is turned off.

図3においては、一次側から二次側へ電力を伝送する場合に、スイッチング素子Q2を常時オフ状態にしたが、スイッチング素子Q2をスイッチング素子Q1と同期してスイッチングすることで、同期整流を行ってもよい。同様に、二次側から一次側へ電力を伝送する場合も、スイッチング素子Q1をスイッチング素子Q2と同期してスイッチングすることで、同期整流を行ってもよい。   In FIG. 3, when power is transmitted from the primary side to the secondary side, the switching element Q2 is always turned off. However, synchronous rectification is performed by switching the switching element Q2 in synchronization with the switching element Q1. May be. Similarly, when power is transmitted from the secondary side to the primary side, synchronous rectification may be performed by switching the switching element Q1 in synchronization with the switching element Q2.

前記の各実施形態においては、スイッチング素子Q1〜Q4にFETを用いたが、これに代えてトランジスタやIGBTなどを用いてもよい。   In each of the above-described embodiments, FETs are used for the switching elements Q1 to Q4. However, transistors or IGBTs may be used instead.

前記の各実施形態においては、スイッチング素子Q1〜Q4をPWM信号により駆動したが、PWM信号以外の信号によりスイッチング素子Q1〜Q4を駆動してもよい。   In each of the embodiments described above, the switching elements Q1 to Q4 are driven by the PWM signal. However, the switching elements Q1 to Q4 may be driven by a signal other than the PWM signal.

前記の各実施形態においては、車両に搭載されるCukコンバータおよび電力伝送制御装置を例に挙げたが、本発明は、車両用の装置に限らず、一次側と二次側との間で電力伝送を行う装置全般に適用することができる。   In each of the embodiments described above, the Cuk converter and the power transmission control device mounted on the vehicle are taken as an example. However, the present invention is not limited to the device for the vehicle, and power is supplied between the primary side and the secondary side. The present invention can be applied to all devices that perform transmission.

1 一次側電源
2 二次側電源
3 制御部
10、20、30 電力伝送制御装置
100、200、300 絶縁型Cukコンバータ
C1 コンデンサ(第1コンデンサ)
C2 コンデンサ(第2コンデンサ)
C3 コンデンサ(第3コンデンサ)
C4 コンデンサ(第4コンデンサ)
D5 ダイオード
L1 インダクタ(第1インダクタ)
L2 インダクタ(第2インダクタ)
Q1 スイッチング素子(第1スイッチング素子)
Q2 スイッチング素子(第2スイッチング素子)
Q3 スイッチング素子(第3スイッチング素子)
Q4 スイッチング素子(第4スイッチング素子)
T1、T2 入力端子
T3、T4 出力端子
X サージ抑制回路(第1サージ抑制回路)
Y サージ抑制回路(第2サージ抑制回路)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Primary side power supply 2 Secondary side power supply 3 Control part 10, 20, 30 Power transmission control apparatus 100, 200, 300 Insulation type Cuk converter C1 Capacitor (first capacitor)
C2 capacitor (second capacitor)
C3 capacitor (third capacitor)
C4 capacitor (4th capacitor)
D5 Diode L1 Inductor (first inductor)
L2 inductor (second inductor)
Q1 switching element (first switching element)
Q2 switching element (second switching element)
Q3 switching element (third switching element)
Q4 switching element (fourth switching element)
T1, T2 input terminal T3, T4 output terminal X Surge suppression circuit (first surge suppression circuit)
Y Surge suppression circuit (second surge suppression circuit)

Claims (9)

一次巻線および二次巻線を有するトランスと、
前記トランスの一次側に設けられた入力端子と、
前記トランスの二次側に設けられた出力端子と、
前記入力端子に一端が接続された第1インダクタと、
前記第1インダクタの他端と前記一次巻線の一端との間に接続された第1コンデンサと、
前記第1インダクタと前記第1コンデンサとの接続点に一方の電極が接続され、前記一次巻線の他端に他方の電極が接続された第1スイッチング素子と、
前記出力端子に一端が接続された第2インダクタと、
前記第2インダクタの他端と前記二次巻線の一端との間に接続された第2コンデンサと、
前記第2インダクタと前記第2コンデンサとの接続点に一方の電極が接続され、前記二次巻線の他端に他方の電極が接続されたダイオードと、を備えた絶縁型Cukコンバータにおいて、
前記第1インダクタの一端と前記第1スイッチング素子の一方の電極との間に、前記第1スイッチング素子のターンオフ時に発生するサージを抑制するサージ抑制回路を設けた、ことを特徴とする絶縁型Cukコンバータ。
A transformer having a primary winding and a secondary winding;
An input terminal provided on the primary side of the transformer;
An output terminal provided on the secondary side of the transformer;
A first inductor having one end connected to the input terminal;
A first capacitor connected between the other end of the first inductor and one end of the primary winding;
A first switching element having one electrode connected to a connection point between the first inductor and the first capacitor and the other electrode connected to the other end of the primary winding;
A second inductor having one end connected to the output terminal;
A second capacitor connected between the other end of the second inductor and one end of the secondary winding;
In an insulated Cuk converter, comprising: a diode having one electrode connected to a connection point between the second inductor and the second capacitor, and the other electrode connected to the other end of the secondary winding;
An insulated Cuk characterized in that a surge suppression circuit is provided between one end of the first inductor and one electrode of the first switching element to suppress a surge generated when the first switching element is turned off. converter.
一次巻線および二次巻線を有するトランスと、
前記トランスの一次側に設けられた一対の入力端子と、
前記トランスの二次側に設けられた一対の出力端子と、
前記入力端子に一端が接続された第1インダクタと、
前記第1インダクタの他端と前記一次巻線の一端との間に接続された第1コンデンサと、
前記第1インダクタと前記第1コンデンサとの接続点に一方の電極が接続され、前記一次巻線の他端に他方の電極が接続された第1スイッチング素子と、
前記出力端子に一端が接続された第2インダクタと、
前記第2インダクタの他端と前記二次巻線の一端との間に接続された第2コンデンサと、
前記第2インダクタと前記第2コンデンサとの接続点に一方の電極が接続され、前記二次巻線の他端に他方の電極が接続された、整流機能を有する第2スイッチング素子と、を備えた絶縁型Cukコンバータにおいて、
前記第1インダクタの一端と前記第1スイッチング素子の一方の電極との間に、前記第1スイッチング素子のターンオフ時に発生するサージを抑制するサージ抑制回路を設けた、ことを特徴とする絶縁型Cukコンバータ。
A transformer having a primary winding and a secondary winding;
A pair of input terminals provided on the primary side of the transformer;
A pair of output terminals provided on the secondary side of the transformer;
A first inductor having one end connected to the input terminal;
A first capacitor connected between the other end of the first inductor and one end of the primary winding;
A first switching element having one electrode connected to a connection point between the first inductor and the first capacitor and the other electrode connected to the other end of the primary winding;
A second inductor having one end connected to the output terminal;
A second capacitor connected between the other end of the second inductor and one end of the secondary winding;
A second switching element having a rectifying function, wherein one electrode is connected to a connection point between the second inductor and the second capacitor, and the other electrode is connected to the other end of the secondary winding. Insulated Cuk converter
An insulated Cuk characterized in that a surge suppression circuit is provided between one end of the first inductor and one electrode of the first switching element to suppress a surge generated when the first switching element is turned off. converter.
一次巻線および二次巻線を有するトランスと、
前記トランスの一次側に設けられた入力端子と、
前記トランスの二次側に設けられた出力端子と、
前記入力端子に一端が接続された第1インダクタと、
前記第1インダクタの他端と前記一次巻線の一端との間に接続された第1コンデンサと、
前記第1インダクタと前記第1コンデンサとの接続点に一方の電極が接続され、前記一次巻線の他端に他方の電極が接続された、整流機能を有する第1スイッチング素子と、
前記出力端子に一端が接続された第2インダクタと、
前記第2インダクタの他端と前記二次巻線の一端との間に接続された第2コンデンサと、
前記第2インダクタと前記第2コンデンサとの接続点に一方の電極が接続され、前記二次巻線の他端に他方の電極が接続された、整流機能を有する第2スイッチング素子と、を備えた絶縁型Cukコンバータにおいて、
前記第1インダクタの一端と前記第1スイッチング素子の一方の電極との間に、前記第1スイッチング素子のターンオフ時に発生するサージを抑制する第1サージ抑制回路を設け、
前記第2インダクタの一端と前記第2スイッチング素子の一方の電極との間に、前記第2スイッチング素子のターンオフ時に発生するサージを抑制する第2サージ抑制回路を設けた、ことを特徴とする絶縁型Cukコンバータ。
A transformer having a primary winding and a secondary winding;
An input terminal provided on the primary side of the transformer;
An output terminal provided on the secondary side of the transformer;
A first inductor having one end connected to the input terminal;
A first capacitor connected between the other end of the first inductor and one end of the primary winding;
A first switching element having a rectifying function, in which one electrode is connected to a connection point between the first inductor and the first capacitor, and the other electrode is connected to the other end of the primary winding;
A second inductor having one end connected to the output terminal;
A second capacitor connected between the other end of the second inductor and one end of the secondary winding;
A second switching element having a rectifying function, wherein one electrode is connected to a connection point between the second inductor and the second capacitor, and the other electrode is connected to the other end of the secondary winding. Insulated Cuk converter
A first surge suppression circuit is provided between one end of the first inductor and one electrode of the first switching element to suppress a surge that is generated when the first switching element is turned off.
Insulation characterized in that a second surge suppression circuit is provided between one end of the second inductor and one electrode of the second switching element to suppress a surge generated when the second switching element is turned off. Type Cuk converter.
請求項1に記載の絶縁型Cukコンバータにおいて、
前記サージ抑制回路は、第3スイッチング素子を含み、
前記トランスの一次側から二次側に電力を伝送する場合に、前記第1スイッチング素子がスイッチング動作を行い、
前記第1スイッチング素子がオンの間は、前記第3スイッチング素子はオフ状態にあり、
前記第1スイッチング素子がオフすると、前記第3スイッチング素子が時間的に遅れてオンし、
前記第1スイッチング素子がオンする前に、前記第3スイッチング素子がオフする、ことを特徴とする絶縁型Cukコンバータ。
In the insulated Cuk converter according to claim 1,
The surge suppression circuit includes a third switching element,
When transmitting power from the primary side to the secondary side of the transformer, the first switching element performs a switching operation,
While the first switching element is on, the third switching element is in an off state,
When the first switching element is turned off, the third switching element is turned on with a time delay,
The insulated Cuk converter, wherein the third switching element is turned off before the first switching element is turned on.
請求項2に記載の絶縁型Cukコンバータにおいて、
前記サージ抑制回路は、第3スイッチング素子を含み、
前記トランスの一次側から二次側に電力を伝送する場合に、前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子とは、同期してスイッチング動作を行い、
前記第1スイッチング素子がオンの間は、前記第3スイッチング素子はオフ状態にあり、
前記第1スイッチング素子がオフすると、前記第3スイッチング素子が時間的に遅れてオンし、
前記第1スイッチング素子がオンする前に、前記第3スイッチング素子がオフする、ことを特徴とする絶縁型Cukコンバータ。
In the insulated Cuk converter according to claim 2,
The surge suppression circuit includes a third switching element,
When transmitting power from the primary side to the secondary side of the transformer, the first switching element and the second switching element perform a switching operation synchronously,
While the first switching element is on, the third switching element is in an off state,
When the first switching element is turned off, the third switching element is turned on with a time delay,
The insulated Cuk converter, wherein the third switching element is turned off before the first switching element is turned on.
請求項3に記載の絶縁型Cukコンバータにおいて、
前記第1サージ抑制回路は、第3スイッチング素子を含み、
前記第2サージ抑制回路は、第4スイッチング素子を含み、
前記トランスの一次側から二次側に電力を伝送する場合は、前記第2スイッチング素子は常時オフ状態にあって、前記第1スイッチング素子がスイッチング動作を行い、
前記第1スイッチング素子がオンの間は、前記第3スイッチング素子はオフ状態にあり、
前記第1スイッチング素子がオフすると、前記第3スイッチング素子が時間的に遅れてオンし、
前記第1スイッチング素子がオンする前に、前記第3スイッチング素子がオフし、
前記トランスの二次側から一次側に電力を伝送する場合は、前記第1スイッチング素子は常時オフ状態にあって、前記第2スイッチング素子がスイッチング動作を行い、
前記第2スイッチング素子がオンの間は、前記第4スイッチング素子はオフ状態にあり、
前記第2スイッチング素子がオフすると、前記第4スイッチング素子が時間的に遅れてオンし、
前記第2スイッチング素子がオンする前に、前記第4スイッチング素子がオフする、ことを特徴とする絶縁型Cukコンバータ。
In the insulated Cuk converter according to claim 3,
The first surge suppression circuit includes a third switching element,
The second surge suppression circuit includes a fourth switching element,
When transmitting power from the primary side to the secondary side of the transformer, the second switching element is always in an off state, and the first switching element performs a switching operation,
While the first switching element is on, the third switching element is in an off state,
When the first switching element is turned off, the third switching element is turned on with a time delay,
Before the first switching element is turned on, the third switching element is turned off,
When transmitting power from the secondary side of the transformer to the primary side, the first switching element is always in an off state, and the second switching element performs a switching operation,
While the second switching element is on, the fourth switching element is in an off state,
When the second switching element is turned off, the fourth switching element is turned on with a time delay,
The insulated Cuk converter, wherein the fourth switching element is turned off before the second switching element is turned on.
請求項4または請求項5に記載の絶縁型Cukコンバータにおいて、
前記サージ抑制回路は、前記第3スイッチング素子と直列に接続された第3コンデンサをさらに含み、
前記第3スイッチング素子、前記第3コンデンサ、および前記第1インダクタによって、閉ループ回路が形成される、ことを特徴とする絶縁型Cukコンバータ。
In the insulated Cuk converter according to claim 4 or 5,
The surge suppression circuit further includes a third capacitor connected in series with the third switching element,
A closed loop circuit is formed by the third switching element, the third capacitor, and the first inductor.
請求項6に記載の絶縁型Cukコンバータにおいて、
前記第1サージ抑制回路は、前記第3スイッチング素子と直列に接続された第3コンデンサをさらに含み、
前記第2サージ抑制回路は、前記第4スイッチング素子と直列に接続された第4コンデンサをさらに含み、
前記第3スイッチング素子、前記第3コンデンサ、および前記第1インダクタによって、第1閉ループ回路が形成され、
前記第4スイッチング素子、前記第4コンデンサ、および前記第2インダクタによって、第2閉ループ回路が形成される、ことを特徴とする絶縁型Cukコンバータ。
In the insulated Cuk converter according to claim 6,
The first surge suppression circuit further includes a third capacitor connected in series with the third switching element,
The second surge suppression circuit further includes a fourth capacitor connected in series with the fourth switching element,
A first closed loop circuit is formed by the third switching element, the third capacitor, and the first inductor,
An insulated Cuk converter, wherein a second closed loop circuit is formed by the fourth switching element, the fourth capacitor, and the second inductor.
請求項1ないし請求項8のいずれかに記載の絶縁型Cukコンバータと、
前記絶縁型Cukコンバータの動作を制御する制御部とを備えた、ことを特徴とする電力伝送制御装置。
An insulated Cuk converter according to any one of claims 1 to 8,
And a control unit that controls the operation of the insulated Cuk converter.
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