JP6343187B2 - Dc/dcコンバータの制御装置及びその制御方法 - Google Patents
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Description
このDC/DCコンバータの主回路1は、変圧器の漏れインダクタ(リーケージインダクタ)を利用したY−Y結線方式の三相DAB絶縁型双方向のDC/DCコンバータの主回路である。DC/DCコンバータの主回路1は、1次側直流電圧E1が印加される一対の1次側端子2,3と、2次側直流電圧E2が印加される一対の2次側端子4,5と、を有している。1次側端子2,3には、電流リップル吸収用のコンデンサ6と1次側フルブリッジ部10とが、並列に接続されている。1次側フルブリッジ部10の3つの交流端子N1〜N3には、Y−Y結線の三相変圧器20を介して、2次側フルブリッジ部30の3つの交流端子N11〜N13が接続されている。2次側フルブリッジ部30には、電流リップル吸収用のコンデンサ37が並列に接続されている。コンデンサ37の両電極には、2次側端子4,5が接続されている。
図3の横軸は、1次側スイッチ11〜16と2次側スイッチ31〜36の位相差φ[deg]である。縦軸は、1次側直流電圧E1と、2次側直流電圧E2を変圧器20の巻数比1/nで1次側に換算した電圧E2/nと、の比(これを「1次側と2次側の電圧比」という。)E2/nE1である。
特許文献1では、図2に示されたDC/DCコンバータの主回路1及び位相シフトによる制御方法を提案している。しかし、非特許文献1にも記載されているように、1次側と2次側の電圧比E2/nE1が1から離れる程、ソフトスイッチング動作しない条件がある。
図1(a)〜(c)は、本発明の実施例1におけるDC/DCコンバータを示す構成図であり、同図(a)はDC/DCコンバータの全体の構成図、及び、同図(b)、(c)は同図(a)中のスイッチの構成図である。
反転したパルスの駆動信号S1p〜S6p,S1s〜S6sにより、第1〜第6のスイッチングレグを構成するハイサイドのスイッチ61,63,65,91,93,95と、ローサイドのスイッチ62,64,66,92,94,96と、を駆動すると、スイッチングレグの交流端子N21〜N23,N31〜N33に、その駆動信号S1p〜S6p,S1s〜S6sに同期した矩形波が出力される。この矩形波を、制御された電圧源と見なした等価回路が図4に示されている。
図1のDC/DCコンバータにおけるソフトスイッチング動作のメカニズムを説明する。
図7は、図1(a)の制御装置100で生成した駆動信号S1p〜S6p,S1s〜S6sの指令で1次側スイッチ61〜66と2次側スイッチ91〜96を駆動した時の図4の等価回路における主要デバイスの動作例を示す波形図である。
本実施例1におけるDC/DCコンバータの制御装置100及びその制御方法によれば、次の(i)〜(iii)のような効果がある。
図10は、本発明の実施例2におけるDC/DCコンバータを示す構成図であり、実施例1を示す図1(a)中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
本実施例2のDC/DCコンバータにおいて、2次側フルブリッジ部90で生成した三相矩形波が変圧器70Aを通してインダクタ部80に印加される電圧は、実施例1と同様である。そのため、図4の等価回路に置き換えることができ、実施例1と同等なZVS動作範囲が得られる。
本実施例2のDC/DCコンバータによれば、実施例1に比べて、変圧器70Aの定格電力kVAは同じであるが、変圧器70Aに印加される電圧が大きく、電流が小さい。そのため、低電圧大電流の用途に対して本実施例2のDC/DCコンバータを使用すれば、最適な設計ができる。
図11は、本発明の実施例3におけるDC/DCコンバータを示す構成図であり、実施例1を示す図1(a)中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
本実施例3において、Y−Y結線の変圧器70の漏れインダクタは、等価的に変圧器70に直列に接続されるため、原理的に、実施例1の動作と全く同じである。そのため、図4の等価回路に置き換えることができ、実施例1と同等なZVS動作範囲が得られる。
本実施例3のDC/DCコンバータによれば、実施例1に比べて、変圧器70の外部にインダクタを必要としないため、小型化、及び効率化が可能になる。
図12は、本発明の実施例4におけるDC/DCコンバータの主回路を示す構成図であり、実施例1を示す図1(a)中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
1次側スイッチ61〜66又は2次側スイッチ91〜96で発生した矩形波パルスは、変圧器70とインダクタ81〜83に印加される。各相の矩形波パルスのデューティが同じであれば、インダクタ81〜83の両電極側に印加される電圧の直流成分はゼロになる。つまり、(3)式〜(5)式の電圧Vap,Vbp,Vcp,Vas,Vbs,Vcsはゼロになり、各インダクタ81〜83における両電極間の各電圧V81〜V83もゼロになる。ところで、各スイッチングレグにおけるスイッチ61〜66,91〜96の制御誤差や、スイッチ61〜66,91〜96のスイッチング遅れのばらつきにより、各スイッチングレグの交流端子N21〜N23,N31〜N33から出力される矩形波パルスのデューティはからなずしも同じではなく、それぞれの直流成分が同じではない。すると、電圧Vap,Vbp,Vcp,Vas,Vbs,Vcs,V81〜V83に直流成分が残り、インダクタ81〜83や変圧器70は偏励磁され、飽和してしまう。
本発明において、記載された実施例に対してのみ詳細に説明したが、本発明は、技術的思想の範囲で多彩な変形及び修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形及び修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。
55,97 コンデンサ
60 1次側フルブリッジ部
61〜66 1次側スイッチ
70,70A 三相変圧器
80 インダクタ部
81〜83 インダクタ
90 2次側フルブリッジ部
91〜96 2次側スイッチ
100 制御装置
101 デューティ制御部
102 位相制御部
103 1次側パルス変調器
104 2次側パルス変調器
111〜113,121〜123 コンデンサ
Claims (12)
- 1次巻線及び2次巻線を有する三相変圧器と、
前記三相変圧器に対して直列に接続された三相インダクタと、
1次側駆動信号によってオン/オフ動作する1次側スイッチを複数有し、前記1次側スイッチのオン/オフ動作により、入力される1次側直流電圧を交流電圧に変換して前記1次巻線側へ供給する三相1次側ブリッジ回路と、
2次側駆動信号によってオン/オフ動作する2次側スイッチを複数有し、前記2次側スイッチのオン/オフ動作により、前記2次巻線側から供給される交流電圧を整流して2次側直流電圧を出力する三相2次側ブリッジ回路と、
を備えるDC/DCコンバータの主回路に対して前記1次側駆動信号及び前記2次側駆動信号を供給するDC/DCコンバータの制御装置であって、
前記1次側駆動信号と前記2次側駆動信号との間の位相差を制御すると共に、前記1次側直流電圧と前記2次側直流電圧との電圧差に応じて前記1次側スイッチの1次側デューティと前記2次側スイッチの2次側デューティとを調整し、前記1次側スイッチ及び前記2次側スイッチのオン/オフ時にソフトスイッチング動作をさせるように構成されていることを特徴とするDC/DCコンバータの制御装置。 - 前記電圧差に応じて前記1次側スイッチの前記1次側デューティと前記2次側スイッチの2次側デューティとを調整して生成するデューティ制御部と、
前記1次側直流電圧又は前記2次側直流電圧と目標電圧とを入力し、前記1次側直流電圧又は前記2次側直流電圧を前記目標電圧に追従させるための前記位相差を生成する位相制御部と、
前記1次側デューティ及び前記位相差に基づいて、前記1次側スイッチの前記1次側デューティ及び1次側位相を変調し、前記1次側スイッチへ供給する前記1次側駆動信号を生成する1次側パルス変調器と、
前記2次側スイッチの前記2次側デューティ及び前記位相差に基づいて、前記2次側スイッチの前記2次側デューティ及び2次側位相を変調し、前記2次側スイッチへ供給する前記2次側駆動信号を生成する2次側パルス変調器と、
を有することを特徴とする請求項1記載のDC/DCコンバータの制御装置。 - 前記デューティ制御部は、
前記1次側スイッチの前記1次側デューティのみ、又は前記2次側スイッチの前記2次側デューティのみ、又は前記1次側デューティと前記2次側デューティとを同時に調整することを特徴とする請求項2記載のDC/DCコンバータの制御装置。 - 前記1次側スイッチの前記1次側デューティをδpに、前記2次側スイッチの前記2次側デューティをδsとし、
前記デューティ制御部は、
前記1次側デューティδpと前記2次側デューティδsを同時に調整する場合、
前記1次側デューティδpと前記2次側デューティδsとの和を1とし、前記電圧差に応じて、前記1次側デューティδpと前記2次側デューティδsとを調整することを特徴とする請求項3記載のDC/DCコンバータの制御装置。 - 前記三相変圧器は、Y−Y結線の三相変圧器であることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項記載のDC/DCコンバータの制御装置。
- 前記三相変圧器は、Δ−Δ結線の三相変圧器であることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項記載のDC/DCコンバータの制御装置。
- 前記三相インダクタは、外付けのインダクタ、又は前記三相変圧器の漏れインダクタであることを特徴とする請求項5載のDC/DCコンバータの制御装置。
- 前記三相インダクタは、外付けのインダクタであることを特徴とする請求項6記載のDC/DCコンバータの制御装置。
- 前記三相変圧器は、
1つのコアに三相の巻線が巻かれた一体化構造をしていることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項記載のDC/DCコンバータの制御装置。 - 前記三相変圧器における各相の1次側と2次側とには、直流遮断用のコンデンサがそれぞれ直列に接続されていることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項記載のDC/DCコンバータの制御装置。
- 前記1次側スイッチ及び前記2次側スイッチは、
半導体スイッチング素子と、
前記半導体スイッチング素子に対して逆並列に接続された外付けダイオード又は寄生ダイオードと、
前記半導体スイッチング素子に対して並列に接続された外付けコンデンサ又は寄生容量と、
をそれぞれ有することを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項記載のDC/DCコンバータの制御装置。 - 1次巻線及び2次巻線を有する三相変圧器と、
前記三相変圧器に対して直列に接続された三相インダクタと、
1次側駆動信号によってオン/オフ動作する1次側スイッチを複数有し、前記1次側スイッチのオン/オフ動作により、入力される1次側直流電圧を交流電圧に変換して前記1次巻線側へ供給する三相1次側ブリッジ回路と、
2次側駆動信号によってオン/オフ動作する2次側スイッチを複数有し、前記2次側スイッチのオン/オフ動作により、前記2次巻線側から供給される交流電圧を整流して2次側直流電圧を出力する三相2次側ブリッジ回路と、
を備えるDC/DCコンバータの主回路に対して前記1次側駆動信号及び前記2次側駆動信号を供給するDC/DCコンバータの制御方法であって、
前記1次側駆動信号と前記2次側駆動信号との間の位相差を制御すると共に、前記1次側直流電圧と前記2次側直流電圧との電圧差に応じて前記1次側スイッチの1次側デューティと前記2次側スイッチの2次側デューティとを調整し、前記1次側スイッチ及び前記2次側スイッチのオン/オフ時にソフトスイッチング動作をさせることを特徴とするDC/DCコンバータの制御方法。
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