JP6452226B2 - DC-DC converter auxiliary circuit and bidirectional buck-boost DC-DC converter using the auxiliary circuit - Google Patents

DC-DC converter auxiliary circuit and bidirectional buck-boost DC-DC converter using the auxiliary circuit Download PDF

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本発明は、入力直流電圧を所望の直流電圧に変換し出力するDC−DCコンバータ(直流−直流電力変換器)の高効率化を図る補助回路及びその補助回路を用いた双方向昇降圧DC−DCコンバータに関するものである。   The present invention relates to an auxiliary circuit for improving the efficiency of a DC-DC converter (DC-DC power converter) that converts an input DC voltage into a desired DC voltage and outputs it, and a bidirectional buck-boost DC- using the auxiliary circuit. The present invention relates to a DC converter.
電気自動車やハイブリッド車の電源システムには、高圧DCバスラインとバッテリなどの低電圧蓄電装置との間で高効率な双方向DC−DC電力変換器が欠かせず、その高性能化を狙い、近年、ソフトスイッチング技術を積極的に導入した回路方式の研究開発が多数行われている。   High-efficiency bidirectional DC-DC power converters are indispensable between high-voltage DC bus lines and low-voltage power storage devices such as batteries in power systems for electric vehicles and hybrid vehicles. In recent years, many researches and developments on circuit systems in which soft switching technology has been actively introduced have been conducted.
例えば、図24に示すような駆動系統とバッテリ間において、エネルギー残量(SOC;State of Charge)に応じて変動するバッテリ電圧に大きく左右されない電力伝送機能が、車載電源システムの設計仕様やエネルギー利用率改善の観点から求められている。このため、2直流電源間で両電力フローにおいて昇圧/降圧あるいは昇降圧動作が可能な多機能形の高効率双方向DC−DCコンバータの実現が期待されている。   For example, the power transmission function that is not greatly influenced by the battery voltage that varies depending on the remaining energy (SOC) between the drive system and the battery as shown in FIG. It is required from the viewpoint of rate improvement. For this reason, it is expected to realize a multifunctional high-efficiency bidirectional DC-DC converter that can perform step-up / step-down or step-up / step-down operation in two power flows between two DC power sources.
特許文献1に開示されたDC−DCコンバータに設けられている補助回路は、昇降圧可能なソフトスイッチング動作を行うためのものであるが、ゼロ電圧ソフトスイッチング(Zero Voltage Soft-Switching, ZVS)の回路である。特許文献1のDC−DCコンバータの場合、主スイッチ毎に補助回路18(図25を参照)が必要になるという問題がある。   The auxiliary circuit provided in the DC-DC converter disclosed in Patent Document 1 is for performing a soft switching operation capable of step-up / step-down. However, zero voltage soft switching (ZVS) Circuit. In the case of the DC-DC converter of Patent Document 1, there is a problem that an auxiliary circuit 18 (see FIG. 25) is required for each main switch.
また、特許文献2に開示されたDC−DCコンバータに設けられる補助回路17(図26を参照)は、基本的にインバータのハーフブリッジ(ハイサイドとローサイドの1組に接続された逆導形パワー半導体スイッチによるトーテムポール構造)のソフトスイッチングを実現する技術であり、補助共振転流ポール(ARCP:Auxiliary Resonant Commutated Pole)をベースとしたものである。すなわち、補助回路のリアクトルに蓄積された電磁エネルギーを利用し、上下のスイッチが切り替わる短い過渡期間に、それぞれのスイッチに並列接続したコンデンサを充放電させて、その共振電流状の充放電電流のためコンデンサが緩やかに充放電される動作を行う結果、スイッチング(オン/オフ)前後でスイッチの端子電圧が緩やかに増減するZVS(Zero Voltage Soft-Switching)の回路である。   Further, the auxiliary circuit 17 (see FIG. 26) provided in the DC-DC converter disclosed in Patent Document 2 basically includes a half bridge of an inverter (reverse conductive power connected to one set of a high side and a low side. This is a technology that realizes soft switching of a totem pole structure using a semiconductor switch, and is based on an auxiliary resonant commutated pole (ARCP). That is, by using the electromagnetic energy accumulated in the reactor of the auxiliary circuit, the capacitor connected in parallel with each switch is charged and discharged during the short transition period when the upper and lower switches are switched. This is a ZVS (Zero Voltage Soft-Switching) circuit in which the terminal voltage of the switch gradually increases and decreases before and after switching (on / off) as a result of the operation of slowly charging and discharging the capacitor.
特許文献2に開示されたDC−DCコンバータの場合、入出力平滑フィルタのリプルが必然的に上昇することがあると考えられる。すわわち、フィルタキャパシタの容量が相対的に上がるか、あるいは発熱が上昇する。その要因としては、補助回路の発生するZVS用の共振電流が不必要にも電源側へ返るような無駄な動作モードを伴うためと考える。
また、特許文献2の図7,図8に示されたDC−DCコンバータは、双方向に昇圧および降圧動作が可能な回路であるが、2つの主スイッチを同時に動作できないため、同一のパワーフローの中で電圧の上げ下げ(昇降圧)が実現できず、昇降圧動作の実現が困難であると考える。
In the case of the DC-DC converter disclosed in Patent Document 2, it is considered that the ripple of the input / output smoothing filter may inevitably increase. In other words, the capacity of the filter capacitor is relatively increased or the heat generation is increased. The reason for this is considered to be a useless operation mode in which the ZVS resonance current generated by the auxiliary circuit is unnecessarily returned to the power supply side.
The DC-DC converters shown in FIGS. 7 and 8 of Patent Document 2 are circuits that can perform step-up and step-down operations in both directions. However, since the two main switches cannot be operated simultaneously, the same power flow is used. It is considered that it is difficult to realize the step-up / step-down operation because the voltage cannot be raised / lowered (step-up / step-down).
米国特許第7548435号U.S. Pat. No. 7,548,435 特開2013−138574号公報JP 2013-138574 A
本発明者らは、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)などのバイポーラパワーデバイスに適するソフトスイッチング手法であるZCS(Zero Current Soft-Switching)を実現できる補助回路で、共振キャパシタに予め蓄えられた静電エネルギーに基づく大半部分の共振電流を補助回路で閉じ込め、一部の共振電流が主スイッチのみに現れる転流プロセスを実現できる回路について研究を行った。   The present inventors are an auxiliary circuit capable of realizing ZCS (Zero Current Soft-Switching), which is a soft switching technique suitable for a bipolar power device such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), and electrostatic energy stored in a resonance capacitor in advance. The circuit that can realize the commutation process in which most of the resonance current based on the above is confined by the auxiliary circuit and some resonance current appears only in the main switch was studied.
本発明は、比較的簡素な補助回路の付加により広範囲にZCS動作が可能な昇圧形、降圧形、昇圧形/降圧形のDC−DCコンバータ、並びに、2直流電源間で両電力フローにおいて昇圧/降圧あるいは昇降圧動作が可能な多機能形の高効率双方向のDC−DCコンバータを提供することを目的とする。   The present invention provides a step-up, step-down, step-up / step-down DC-DC converter capable of ZCS operation in a wide range by adding a relatively simple auxiliary circuit, and a step-up / step-down in both power flows between two DC power supplies. It is an object of the present invention to provide a multifunctional high-efficiency bidirectional DC-DC converter capable of step-down or step-up / step-down operation.
上記課題を達成すべく、本発明のDC−DCコンバータの補助回路は、直列共振型スイッチトキャパシタとZCS促進用インダクタとから構成される。
そして、DC−DCコンバータが、入力直流電圧の正極側に平滑インダクタと順方向の環流ダイオードとが順に直列接続され、その直列接続の中点と陰極側の間に昇圧用スイッチング素子が接続される昇圧タイプの場合、昇圧用スイッチング素子の正極側に直列にZCS促進用インダクタが直列接続され、かつ、直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタが接続される。
ここで、直列共振型スイッチトキャパシタは、共振用のインダクタとキャパシタとを直列接続して直列共振回路を構成し、ソフトスイッチングにより高効率な補助スイッチ回路を実現するものである。
また、ZCS促進用インダクタは、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)などのバイポーラトランジスタおよび環流ダイオードに対して、それらのオン/オフ遷移時に電流が傾斜を持って上昇および下降するソフトスイッチングであるZCS(Zero Current Soft-Switching)を行わせるためのインダクタである。
In order to achieve the above object, the auxiliary circuit of the DC-DC converter of the present invention includes a series resonant switched capacitor and a ZCS promoting inductor.
In the DC-DC converter , a smoothing inductor and a forward freewheeling diode are sequentially connected in series on the positive electrode side of the input DC voltage, and a boosting switching element is connected between the midpoint of the series connection and the cathode side. In the step-up type, a ZCS promoting inductor is connected in series to the positive electrode side of the step-up switching element, and a series resonance type switched capacitor is connected in parallel to both ends of the series connection structure.
Here, the series resonance type switched capacitor constitutes a series resonance circuit by connecting a resonance inductor and a capacitor in series, and realizes a highly efficient auxiliary switch circuit by soft switching.
Further, ZCS promotion inductor, IGBT against bipolar transistors and freewheeling diodes, such as (insulated gate bipolar transistor), the current at the time of their on / off transition is a soft switching for up and down with an inclination ZCS (Zero This is an inductor for performing Current Soft-Switching.
また、DC−DCコンバータが、入力直流電圧の正極側に降圧用スイッチング素子と平滑インダクタとが順に直列接続され、その直列接続の中点と陰極側の間に逆方向の環流ダイオードが接続される降圧タイプの場合、環流ダイオードの正極側に直列にZCS促進用インダクタが直列接続され、かつ、直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタが接続される、 Also, in the DC-DC converter , a step-down switching element and a smoothing inductor are connected in series in order to the positive side of the input DC voltage, and a reverse free-wheeling diode is connected between the midpoint of the series connection and the cathode side. for a buck type, ZCS promotion inductor in series to the positive side of the freewheeling diode is connected in series, and the series resonant switched capacitor is connected in parallel across the series connection structure,
また、DC−DCコンバータが、入力直流電圧の正極側に平滑インダクタと降圧用スイッチング素子とが順に直列接続され、その直列接続の中点と陰極側の間に昇圧用スイッチング素子が接続され、前記降圧用スイッチング素子と前記昇圧用スイッチング素子には其々逆並列接続ダイオードが接続される昇降圧タイプの場合、昇圧用スイッチング素子とそれに逆並列接続される逆並列接続ダイオードから成るスイッチの正極側に直列にZCS促進用インダクタが直列接続され、かつ、直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタが接続される。 In the DC-DC converter , a smoothing inductor and a step-down switching element are sequentially connected in series on the positive electrode side of the input DC voltage, and the step-up switching element is connected between the midpoint of the series connection and the cathode side, In the case of a step-up / step-down type in which an anti-parallel connection diode is connected to each of the step-down switching element and the step-up switching element, on the positive side of the switch composed of the step-up switching element and an anti-parallel connection diode connected in reverse parallel thereto A ZCS promoting inductor is connected in series in series, and a series resonant switched capacitor is connected in parallel at both ends of the series connection structure.
ここで、直列共振型スイッチトキャパシタは、正極から順に共振インダクタ、共振キャパシタ、およびスイッチング素子が直列に接続され、かつ、スイッチング素子に並列にダイオードが接続されるのが好ましい。   Here, in the series resonance type switched capacitor, it is preferable that a resonance inductor, a resonance capacitor, and a switching element are connected in series from the positive electrode, and a diode is connected in parallel to the switching element.
上述のDC−DCコンバータの補助回路を備えたDC−DCコンバータは、広範囲にZCS動作が可能な昇圧形、降圧形、昇圧形/降圧形のDC−DCコンバータとなり得る。   The DC-DC converter provided with the auxiliary circuit of the above-described DC-DC converter can be a step-up, step-down, step-up / step-down DC-DC converter capable of ZCS operation over a wide range.
本発明の第1の観点の双方向昇降圧DC−DCコンバータは、入力直流電圧を所望の直流電圧に変換し出力するDC−DCコンバータにおいて、ツインハーフブリッジ構造(1a)と、双方のハーフブリッジ構造のローサイドにそれぞれ補助回路(1b)を備える。   A bidirectional buck-boost DC-DC converter according to a first aspect of the present invention is a DC-DC converter that converts an input DC voltage into a desired DC voltage and outputs the same, and includes a twin half-bridge structure (1a) and both half-bridges. Auxiliary circuits (1b) are provided on the low side of the structure.
(1a)ツインハーフブリッジ構造
ツインハーフブリッジ構造は、直列接続された第1スイッチング素子と第2スイッチング素子と、第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、同様に、直列接続された第3スイッチング素子と第4スイッチング素子と、第3スイッチング素子及び第4スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、第1スイッチング素子と第2スイッチング素子の第1接続中点と、第3スイッチング素子と第4スイッチング素子の第2接続中点とを接続する平滑インダクタとから構成される。
(1a) Twin half bridge structure The twin half bridge structure includes a first switching element and a second switching element connected in series, and anti-parallel diodes connected in parallel to the first switching element and the second switching element, respectively. The third switching element and the fourth switching element connected in series, the anti-parallel diode connected in parallel to the third switching element and the fourth switching element, respectively, and the first connection of the first switching element and the second switching element And a smoothing inductor connecting the third switching element and the second connection midpoint of the fourth switching element.
(1b)補助回路
補助回路は、ローサイドの第2スイッチング素子と第1接続中点との間に直列接続されたZCS促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタと、同様に、ローサイドの第4スイッチング素子と第2接続中点との間に直列接続されたZCS促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタとから構成される。
(1b) Auxiliary circuit The auxiliary circuit includes a ZCS promoting inductor connected in series between the low-side second switching element and the first connection midpoint, and a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure. And a ZCS promoting inductor connected in series between the low-side fourth switching element and the second connection midpoint, and a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure. The
本発明の第2の観点の双方向昇降圧DC−DCコンバータは、入力直流電圧を所望の直流電圧に変換し出力するDC−DCコンバータにおいて、ツインハーフブリッジ構造(2a)と、双方のハーフブリッジ構造のハイサイドにそれぞれ補助回路(2b)を備える。   A bidirectional buck-boost DC-DC converter according to a second aspect of the present invention is a DC-DC converter that converts an input DC voltage into a desired DC voltage and outputs the same, and includes a twin half-bridge structure (2a) and both half-bridges. An auxiliary circuit (2b) is provided on each of the high side of the structure.
(2a)ツインハーフブリッジ構造
ツインハーフブリッジ構造は、直列接続された第1スイッチング素子と第2スイッチング素子と、第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、同様に、直列接続された第3スイッチング素子と第4スイッチング素子と、第3スイッチング素子及び第4スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、第1スイッチング素子と第2スイッチング素子の第1接続中点と、第3スイッチング素子と第4スイッチング素子の第2接続中点とを接続する平滑インダクタとから構成される。
(2a) Twin half bridge structure The twin half bridge structure includes a first switching element and a second switching element connected in series, and anti-parallel diodes connected in parallel to the first switching element and the second switching element, respectively. The third switching element and the fourth switching element connected in series, the anti-parallel diode connected in parallel to the third switching element and the fourth switching element, respectively, and the first connection of the first switching element and the second switching element And a smoothing inductor connecting the third switching element and the second connection midpoint of the fourth switching element.
(2b)補助回路
補助回路は、ハイサイドの第1スイッチング素子に直列接続されたZCS促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタと、同様に、ハイサイドの第3スイッチング素子に直列接続されたZCS促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタとから構成される。
(2b) Auxiliary circuit The auxiliary circuit includes a ZCS promoting inductor connected in series to the first switching element on the high side, a series resonant switched capacitor connected in parallel to both ends of the series connection structure, The inductor includes a ZCS promoting inductor connected in series to the third switching element, and a series resonant switched capacitor connected in parallel to both ends of the series connection structure.
本発明の第3の観点の双方向昇降圧DC−DCコンバータは、入力直流電圧を所望の直流電圧に変換し出力するDC−DCコンバータにおいて、ツインブリッジ構造(3a)と、双方のブリッジ構造のローサイドにそれぞれ補助回路(3b)を備える。   A bidirectional buck-boost DC-DC converter according to a third aspect of the present invention is a DC-DC converter that converts an input DC voltage into a desired DC voltage and outputs it, and has a twin bridge structure (3a) and both bridge structures. An auxiliary circuit (3b) is provided on each low side.
(3a)ツインハーフブリッジ構造
ツインハーフブリッジ構造は、直列接続された第1スイッチング素子と第2スイッチング素子と、第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、同様に、直列接続された第3スイッチング素子と第4スイッチング素子と、第3スイッチング素子及び第4スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、第1スイッチング素子と第2スイッチング素子の第1接続中点から分岐して接続される第1平滑インダクタと、第3スイッチング素子と第4スイッチング素子の第2接続中点から分岐して接続される第2平滑インダクタと、直列接続された第1スイッチング素子と第2スイッチング素子の両端と、直列接続された第3スイッチング素子と第4スイッチング素子の両端と、が接続され、それぞれの両端に並列接続される直流リンクキャパシタとから構成される。
(3a) Twin half bridge structure The twin half bridge structure includes a first switching element and a second switching element connected in series, and anti-parallel diodes connected in parallel to the first switching element and the second switching element, respectively. The third switching element and the fourth switching element connected in series, the anti-parallel diode connected in parallel to the third switching element and the fourth switching element, respectively, and the first connection of the first switching element and the second switching element A first smoothing inductor that is branched and connected from a point; a second smoothing inductor that is branched and connected from a second connection middle point of the third switching element and the fourth switching element; and a first switching element that is connected in series And both ends of the second switching element, a third switching element connected in series, Both ends of the fourth switching element are connected to each other, and a DC link capacitor is connected to both ends in parallel.
(3b)補助回路
補助回路は、ローサイドの第2スイッチング素子と第1接続中点との間に直列接続されたZCS促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタと、同様に、ローサイドの第4スイッチング素子と第2接続中点との間に直列接続されたZCS促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタとから構成される。
(3b) Auxiliary circuit The auxiliary circuit includes a ZCS promoting inductor connected in series between the second switching element on the low side and the first connection midpoint, and a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure. And a ZCS promoting inductor connected in series between the low-side fourth switching element and the second connection midpoint, and a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure. The
本発明の第4の観点の双方向昇降圧DC−DCコンバータは、入力直流電圧を所望の直流電圧に変換し出力するDC−DCコンバータにおいて、ツインブリッジ構造(4a)と、双方のブリッジ構造のハイサイドにそれぞれ補助回路(4b)を備える。   A bidirectional buck-boost DC-DC converter according to a fourth aspect of the present invention is a DC-DC converter that converts an input DC voltage into a desired DC voltage and outputs it, and has a twin bridge structure (4a) and both bridge structures. An auxiliary circuit (4b) is provided on each high side.
(4a)ツインハーフブリッジ構造
ツインハーフブリッジ構造は、直列接続された第1スイッチング素子と第2スイッチング素子と、第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、同様に、直列接続された第3スイッチング素子と第4スイッチング素子と、第3スイッチング素子及び第4スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、第1スイッチング素子と第2スイッチング素子の第1接続中点から分岐して接続される第1平滑インダクタと、第3スイッチング素子と第4スイッチング素子の第2接続中点から分岐して接続される第2平滑インダクタと、直列接続された第1スイッチング素子と第2スイッチング素子の両端と、直列接続された第3スイッチング素子と第4スイッチング素子の両端と、が接続され、それぞれの両端に並列接続される直流リンクキャパシタとから構成される。
(4a) Twin half bridge structure The twin half bridge structure includes a first switching element and a second switching element connected in series, and anti-parallel diodes connected in parallel to the first switching element and the second switching element, respectively. The third switching element and the fourth switching element connected in series, the anti-parallel diode connected in parallel to the third switching element and the fourth switching element, respectively, and the first connection of the first switching element and the second switching element A first smoothing inductor that is branched and connected from a point; a second smoothing inductor that is branched and connected from a second connection middle point of the third switching element and the fourth switching element; and a first switching element that is connected in series And both ends of the second switching element, a third switching element connected in series, Both ends of the fourth switching element are connected to each other, and a DC link capacitor is connected to both ends in parallel.
(4b)補助回路
補助回路は、ハイサイドの第1スイッチング素子と第1接続中点との間に直列接続されたZCS促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタと、同様に、ハイサイドの第3スイッチング素子と第2接続中点との間に直列接続されたZCS促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタとから構成される。
(4b) Auxiliary circuit The auxiliary circuit includes a ZCS promoting inductor connected in series between the first switching element on the high side and the first connection midpoint, and a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure. And, similarly, a ZCS promoting inductor connected in series between the third switching element on the high side and the second connection midpoint, and a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure Composed.
上述の第1〜第4の観点の双方向昇降圧DC−DCコンバータにおいて、直列共振型スイッチトキャパシタは、正極から順に共振インダクタ、共振キャパシタ、およびスイッチング素子が直列に接続され、かつ、スイッチング素子に並列にダイオードが接続されるのが好ましい。   In the bidirectional buck-boost DC-DC converter according to the first to fourth aspects described above, the series resonant switched capacitor includes a resonant inductor, a resonant capacitor, and a switching element connected in series from the positive electrode, and the switching element A diode is preferably connected in parallel.
本発明のDC−DCコンバータの補助回路によれば、既存の昇圧形、降圧形または昇圧形/降圧形のDC−DCコンバータに対して、比較的簡素な回路の付加により広範囲のスイッチング素子に対してZCS動作を可能にするといった効果がある。
また本発明の双方向昇降圧DC−DCコンバータによれば、2直流電源間で両電力フローにおいて昇圧/降圧あるいは昇降圧動作が可能な多機能形の高効率双方向DC−DCコンバータを実現できるといった効果がある。
According to the auxiliary circuit of the DC-DC converter of the present invention, a comparatively simple circuit is added to a wide range of switching elements with respect to the existing step-up type, step-down type or step-up / step-down type DC-DC converter. This has the effect of enabling ZCS operation.
Further, according to the bidirectional buck-boost DC-DC converter of the present invention, it is possible to realize a multi-function high-efficiency bidirectional DC-DC converter capable of performing step-up / step-down or step-up / step-down operation in both power flows between two DC power sources. There is an effect.
昇圧形DC−DCコンバータに補助回路を付加した回路ブロック図Circuit block diagram with auxiliary circuit added to step-up DC-DC converter 降圧形DC−DCコンバータに補助回路を付加した回路ブロック図Circuit block diagram with auxiliary circuit added to step-down DC-DC converter 昇圧形/降圧形DC−DCコンバータに補助回路を付加した回路ブロック図Circuit block diagram with auxiliary circuit added to step-up / step-down DC-DC converter 本発明の双方向昇降圧DC−DCコンバータ(Lリンク型)の回路ブロック図11 is a circuit block diagram of a bidirectional buck-boost DC-DC converter (L link type) according to the present invention. 本発明の双方向昇降圧DC−DCコンバータ(Lリンク型)の回路ブロック図22 is a circuit block diagram of a bidirectional buck-boost DC-DC converter (L link type) according to the present invention. 本発明の双方向昇降圧DC−DCコンバータ(Cリンク型)の回路ブロック図11 is a circuit block diagram of a bidirectional buck-boost DC-DC converter (C-link type) according to the present invention. 本発明の双方向昇降圧DC−DCコンバータ(Cリンク型)の回路ブロック図22 is a circuit block diagram of a bidirectional buck-boost DC-DC converter (C-link type) according to the present invention. 実施例1の昇圧形/降圧形DC−DCコンバータの回路構成図1 is a circuit configuration diagram of a step-up / step-down DC-DC converter according to a first embodiment. 実施例1のDC−DCコンバータの昇圧動作の理論動作波形図Theoretical operation waveform diagram of the step-up operation of the DC-DC converter of Example 1 実施例1のDC−DCコンバータの昇圧動作のモード遷移図Mode transition diagram of step-up operation of DC-DC converter of embodiment 1 実施例1のDC−DCコンバータの降圧動作の理論動作波形図Theoretical operation waveform diagram of step-down operation of the DC-DC converter of Embodiment 1 実施例1のDC−DCコンバータの降圧動作のモード遷移図Mode transition diagram of step-down operation of DC-DC converter of Embodiment 1 実施例1のDC−DCコンバータのスイッチング動作波形図1Switching operation waveform diagram of DC-DC converter of Embodiment 1 FIG. 実施例1のDC−DCコンバータのスイッチング動作波形図2Switching operation waveform diagram of DC-DC converter of Embodiment 1 FIG. 実施例1のDC−DCコンバータの出力電圧特性図Output voltage characteristic diagram of DC-DC converter of Example 1 実施例1のDC−DCコンバータの出力電力特性図Output power characteristic diagram of DC-DC converter of Example 1 実施例2の双方向昇降圧DC−DCコンバータ(Lリンク型)の回路構成図Circuit configuration diagram of bidirectional buck-boost DC-DC converter (L link type) of embodiment 2 実施例2のDC−DCコンバータの1周期定常動作の理論動作波形図Theoretical operation waveform diagram of one-cycle steady operation of the DC-DC converter of Example 2 実施例2のDC−DCコンバータの1周期定常動作のモード遷移図Mode transition diagram of one-cycle steady-state operation of the DC-DC converter of Embodiment 2 実施例2のDC−DCコンバータのスイッチング動作波形図1Switching operation waveform diagram of DC-DC converter of Example 2 FIG. 実施例2のDC−DCコンバータのスイッチング動作波形図2Switching operation waveform diagram of DC-DC converter of Example 2 FIG. 実施例2のDC−DCコンバータの入出力電圧変換特性図Input / output voltage conversion characteristic diagram of the DC-DC converter of Example 2 実施例2のDC−DCコンバータの出力電力特性図Output power characteristic diagram of DC-DC converter of Example 2 駆動系統とバッテリを備える車載電源システムのブロック図Block diagram of in-vehicle power supply system with drive system and battery 従来のDC−DCコンバータの回路構成図11 is a circuit configuration diagram of a conventional DC-DC converter. 従来のDC−DCコンバータの回路構成図2FIG. 2 is a circuit configuration diagram of a conventional DC-DC converter.
以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しながら詳細に説明していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。   Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The scope of the present invention is not limited to the following examples and illustrated examples, and many changes and modifications can be made.
図1は、昇圧形DC−DCコンバータに補助回路を付加した回路ブロック図を示している。
図1に示すように、昇圧形DC−DCコンバータに付加した補助回路1は、直列共振型スイッチトキャパシタ2とZCS促進用インダクタ3とから成り、昇圧用スイッチング素子の正極側に直列にZCS促進用インダクタ3が直列接続され、かつ、昇圧用スイッチング素子とZCS促進用インダクタ3から成る直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタ2が接続される。
FIG. 1 shows a circuit block diagram in which an auxiliary circuit is added to a step-up DC-DC converter.
As shown in FIG. 1, the auxiliary circuit 1 added to the step-up DC-DC converter includes a series resonance type switched capacitor 2 and a ZCS promoting inductor 3, and is used to promote ZCS in series with the positive side of the step-up switching element. An inductor 3 is connected in series, and a series resonance type switched capacitor 2 is connected in parallel to both ends of a series connection structure including a boosting switching element and a ZCS promoting inductor 3.
図2は、降圧形DC−DCコンバータに補助回路を付加した回路ブロック図を示している。
図2に示すように、降圧形DC−DCコンバータに付加した補助回路1は、直列共振型スイッチトキャパシタ2とZCS促進用インダクタ3とから成り、環流ダイオードの正極側に直列にZCS促進用インダクタ3が直列接続され、かつ、環流ダイオードとZCS促進用インダクタ3から成る直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタ2が接続される。
FIG. 2 shows a circuit block diagram in which an auxiliary circuit is added to the step-down DC-DC converter.
As shown in FIG. 2, the auxiliary circuit 1 added to the step-down type DC-DC converter consists of a series resonant switched capacitor 2 and ZCS promotion inductor 3 which, ZCS promotion inductor 3 in series to the positive side of the wheel diode There are connected in series, and the series resonant switched capacitor 2 is connected in parallel across the series connection structure comprising a freewheeling diode and ZCS promotion inductor 3.
図3は、昇圧形/降圧形DC−DCコンバータに補助回路を付加した回路ブロック図を示している。
図3に示すように、昇圧形/降圧形DC−DCコンバータに付加した補助回路1は、直列共振型スイッチトキャパシタ2とZCS促進用インダクタ3とから成り、昇圧用スイッチング素子とそれに逆並列接続されるダイオードから成るスイッチの正極側に直列にZCS促進用インダクタ3が直列接続され、かつ、昇圧用スイッチング素子とZCS促進用インダクタ3から成る直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタ2が接続される。
なお、図1〜3に示す直列共振型スイッチトキャパシタの一実施形態としては、正極から順に共振インダクタ、共振キャパシタ、およびスイッチング素子が直列に接続され、かつ、スイッチング素子に並列にダイオードが接続される構造である。
FIG. 3 shows a circuit block diagram in which an auxiliary circuit is added to the step-up / step-down DC-DC converter.
As shown in FIG. 3, the auxiliary circuit 1 added to the step-up / step-down DC-DC converter includes a series resonance type switched capacitor 2 and a ZCS promoting inductor 3, and is connected to the step-up switching element and anti-parallel. A ZCS promoting inductor 3 is connected in series to the positive electrode side of the switch composed of a diode, and a series resonant switched capacitor 2 is connected in parallel to both ends of the series connection structure comprising the boosting switching element and the ZCS promoting inductor 3. Connected.
As an embodiment of the series resonant switched capacitor shown in FIGS. 1 to 3, a resonant inductor, a resonant capacitor, and a switching element are connected in series from the positive electrode, and a diode is connected in parallel to the switching element. Structure.
図4は、双方向昇降圧DC−DCコンバータにおいて、2つの半導体スイッチによるハーフブリッジ構造を、インダクタを介して接続された構造(ここでは、Lリンク型のツインハーフブリッジ構造という)の一実施形態の回路ブロック図を示している。
図4に示す双方向昇降圧DC−DCコンバータは、直列接続された主スイッチ1と主スイッチ2の接続中点と、直列接続された主スイッチ3と主スイッチ4の接続中点とが、平滑インダクタを介して接続されたLリンク型のツインハーフブリッジ構造である。
Lリンク型の場合、平滑インダクタを介して左右対称構造であり、それを電流源としてそれぞれのハーフブリッジ(レッグ)は独立に昇圧または降圧することが可能であり、双方向に電力伝送可能となる。
主スイッチ1〜4は、半導体スイッチとそれに並列接続された逆並列ダイオードから成る。
双方向昇降圧DC−DCコンバータにおける補助回路1は、直列共振型スイッチトキャパシタ2とZCS促進用インダクタ3から成り、それぞれのハーフブリッジ構造のローサイドにそれぞれ設けられる。ハーフブリッジ構造のローサイドに設けられる一方の補助回路1は、主スイッチ2と接続中点との間にZCS促進用インダクタ3が直列接続され、かつ、主スイッチ2とZCS促進用インダクタ3から成る直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタ2が接続される。ハーフブリッジ構造のローサイドに設けられる他方の補助回路1は、主スイッチ4と接続中点との間にZCS促進用インダクタ3が直列接続され、かつ、主スイッチ4とZCS促進用インダクタ3から成る直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタ2が接続される。
FIG. 4 shows an embodiment of a structure in which a half-bridge structure using two semiconductor switches is connected via an inductor (herein referred to as an L-link twin half-bridge structure) in a bidirectional buck-boost DC-DC converter. The circuit block diagram of is shown.
In the bidirectional buck-boost DC-DC converter shown in FIG. 4, the connection midpoint between the main switch 1 and the main switch 2 connected in series and the connection midpoint between the main switch 3 and the main switch 4 connected in series are smooth. It is an L link type twin half bridge structure connected via an inductor.
In the case of the L-link type, it has a symmetrical structure via a smoothing inductor, and each half bridge (leg) can be boosted or lowered independently by using it as a current source, and power can be transmitted in both directions. .
The main switches 1 to 4 include a semiconductor switch and an antiparallel diode connected in parallel thereto.
The auxiliary circuit 1 in the bidirectional buck-boost DC-DC converter includes a series resonance type switched capacitor 2 and a ZCS promoting inductor 3 and is provided on the low side of each half bridge structure. One auxiliary circuit 1 provided on the low side of the half-bridge structure has a ZCS promoting inductor 3 connected in series between the main switch 2 and the midpoint of connection, and a series composed of the main switch 2 and the ZCS promoting inductor 3. A series resonant switched capacitor 2 is connected in parallel to both ends of the connection structure. In the other auxiliary circuit 1 provided on the low side of the half-bridge structure, the ZCS promoting inductor 3 is connected in series between the main switch 4 and the connection midpoint, and the series consisting of the main switch 4 and the ZCS promoting inductor 3 is connected. A series resonant switched capacitor 2 is connected in parallel to both ends of the connection structure.
図5は、双方向昇降圧DC−DCコンバータにおいて、2つの半導体スイッチによるハーフブリッジ構造を、インダクタを介して接続された構造(Lリンク型のツインハーフブリッジ構造)の他の実施形態の回路ブロック図を示している。
図5に示す双方向昇降圧DC−DCコンバータは、図4と同様に、直列接続された主スイッチ1と主スイッチ2の接続中点と、直列接続された主スイッチ3と主スイッチ4の接続中点とが、平滑インダクタを介して接続されたLリンク型のツインハーフブリッジ構造である。
主スイッチ1〜4は、半導体スイッチとそれに並列接続された逆並列ダイオードから成る。
双方向昇降圧DC−DCコンバータにおける補助回路1は、直列共振型スイッチトキャパシタ2とZCS促進用インダクタ3から成り、図4と異なり、それぞれのハーフブリッジ構造のハイサイドにそれぞれ設けられる。ハーフブリッジ構造のローサイドに設けられる一方の補助回路1は、主スイッチ1の正極側にZCS促進用インダクタ3が直列接続され、かつ、主スイッチ1とZCS促進用インダクタ3から成る直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタ2が接続される。ハーフブリッジ構造のローサイドに設けられる他方の補助回路1は、主スイッチ3の正極側にZCS促進用インダクタ3が直列接続され、かつ、主スイッチ3とZCS促進用インダクタ3から成る直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタ2が接続される。
なお、ハーフブリッジ構造のハイサイドに補助回路を設ける場合、それぞれのハーフブリッジ構造のZCS促進インダクタ3は、それぞれ主スイッチ1の上および主スイッチ3の上に配置する方が実用用好ましい。その理由としては、上記の配置にすることで、各ハーフブリッジ構造において、主スイッチ1および2を一体化したモジュール、また主スイッチ3と4を一体化したモジュールが使用できるため、回路パッケージングの容易化など利点があるからである。
FIG. 5 is a circuit block of another embodiment of a structure in which a half bridge structure by two semiconductor switches is connected via an inductor (L link type twin half bridge structure) in a bidirectional buck-boost DC-DC converter. The figure is shown.
The bidirectional buck-boost DC-DC converter shown in FIG. 5 is similar to FIG. 4 in that the connection point between the main switch 1 and the main switch 2 connected in series, and the connection between the main switch 3 and the main switch 4 connected in series. The middle point is an L link type twin half bridge structure connected via a smoothing inductor.
The main switches 1 to 4 include a semiconductor switch and an antiparallel diode connected in parallel thereto.
The auxiliary circuit 1 in the bidirectional buck-boost DC-DC converter includes a series resonance type switched capacitor 2 and an inductor 3 for promoting ZCS, and is provided on the high side of each half-bridge structure, unlike FIG. One auxiliary circuit 1 provided on the low side of the half-bridge structure has a ZCS promoting inductor 3 connected in series on the positive side of the main switch 1, and both ends of the series connection structure comprising the main switch 1 and the ZCS promoting inductor 3. A series resonance type switched capacitor 2 is connected in parallel with each other. The other auxiliary circuit 1 provided on the low side of the half-bridge structure has a ZCS promoting inductor 3 connected in series on the positive side of the main switch 3, and both ends of the series connection structure comprising the main switch 3 and the ZCS promoting inductor 3. A series resonance type switched capacitor 2 is connected in parallel with each other.
When an auxiliary circuit is provided on the high side of the half-bridge structure, it is preferable for practical use that the ZCS promoting inductors 3 of the half-bridge structure are disposed on the main switch 1 and the main switch 3, respectively. The reason for this is that with the above arrangement, in each half-bridge structure, a module in which main switches 1 and 2 are integrated or a module in which main switches 3 and 4 are integrated can be used. This is because there are advantages such as simplification.
図6は、双方向昇降圧DC−DCコンバータにおいて、2つの半導体スイッチによるハーフブリッジ構造を、直流リンクキャパシタを介して接続された構造(ここでは、Cリンク型のツインハーフブリッジ構造という)の一実施形態の回路ブロック図を示している。
図6に示す双方向昇降圧DC−DCコンバータは、直列接続された主スイッチ1と主スイッチ2の接続中点と、直列接続された主スイッチ3と主スイッチ4の接続中点とが、それぞれ平滑インダクタを介して直流電力源(V,V)と接続され、直列接続された主スイッチ1と主スイッチ2の両端と、直列接続された主スイッチ3と主スイッチ4の両端とが接続され、それぞれの両端に並列に直流リンクキャパシタが接続されたCリンク型のツインハーフブリッジ構造である。
Cリンク型の場合、直流リンクキャパシタを介して左右対称構造であり、それを電圧源としてそれぞれのハーフブリッジ(レッグ)は独立に昇圧または降圧することが可能であり、双方向に電力伝送可能となる。直流リンクキャパシタに適切な変換器(DC−DCコンバータ、DC−ACインバータ)を介して別電源と結合が可能である。すなわち、直流電力源(V,V)と共に、3ポートの複合電源システムに応用できる。さらに、各ポート間それぞれ独立して、すなわち、相互に非干渉に、双方向に電力伝送ができることから、多機能形の電源システムを実現することが可能である。
主スイッチ1〜4は、半導体スイッチとそれに並列接続された逆並列ダイオードから成る。
双方向昇降圧DC−DCコンバータにおける補助回路1は、直列共振型スイッチトキャパシタ2とZCS促進用インダクタ3から成り、それぞれのハーフブリッジ構造のローサイドにそれぞれ設けられる。ハーフブリッジ構造のローサイドに設けられる一方の補助回路1は、主スイッチ2と接続中点との間にZCS促進用インダクタ3が直列接続され、かつ、主スイッチ2とZCS促進用インダクタ3から成る直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタ2が接続される。ハーフブリッジ構造のローサイドに設けられる他方の補助回路1は、主スイッチ4と接続中点との間にZCS促進用インダクタ3が直列接続され、かつ、主スイッチ4とZCS促進用インダクタ3から成る直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタ2が接続される。
FIG. 6 shows a structure in which a half-bridge structure using two semiconductor switches is connected via a DC link capacitor (herein referred to as a C-link type twin half-bridge structure) in a bidirectional buck-boost DC-DC converter. The circuit block diagram of embodiment is shown.
The bidirectional buck-boost DC-DC converter shown in FIG. 6 has a connection midpoint between the main switch 1 and the main switch 2 connected in series and a connection midpoint between the main switch 3 and the main switch 4 connected in series. Connected to the DC power source (V 1 , V 2 ) via the smoothing inductor, the main switch 1 and the main switch 2 connected in series, and the main switch 3 and the main switch 4 connected in series are connected. A C link type twin half bridge structure in which a DC link capacitor is connected in parallel at both ends.
In the case of the C link type, a symmetric structure is provided via a DC link capacitor, and each half bridge (leg) can be boosted or lowered independently by using it as a voltage source, and power can be transmitted in both directions. Become. It can be combined with another power source via a converter (DC-DC converter, DC-AC inverter) suitable for the DC link capacitor. That is, it can be applied to a three-port composite power supply system together with the DC power sources (V 1 and V 2 ). Furthermore, since power can be transmitted bi-directionally between the ports independently, that is, without mutual interference, it is possible to realize a multi-function power supply system.
The main switches 1 to 4 include a semiconductor switch and an antiparallel diode connected in parallel thereto.
The auxiliary circuit 1 in the bidirectional buck-boost DC-DC converter includes a series resonance type switched capacitor 2 and a ZCS promoting inductor 3 and is provided on the low side of each half bridge structure. One auxiliary circuit 1 provided on the low side of the half-bridge structure has a ZCS promoting inductor 3 connected in series between the main switch 2 and the midpoint of connection, and a series composed of the main switch 2 and the ZCS promoting inductor 3. A series resonant switched capacitor 2 is connected in parallel to both ends of the connection structure. In the other auxiliary circuit 1 provided on the low side of the half-bridge structure, the ZCS promoting inductor 3 is connected in series between the main switch 4 and the connection midpoint, and the series consisting of the main switch 4 and the ZCS promoting inductor 3 is connected. A series resonant switched capacitor 2 is connected in parallel to both ends of the connection structure.
図7は、双方向昇降圧DC−DCコンバータにおいて、2つの半導体スイッチによるハーフブリッジ構造を、直流リンクキャパシタを介して接続された構造(Cリンク型のツインハーフブリッジ構造)の他の実施形態の回路ブロック図を示している。
図7に示す双方向昇降圧DC−DCコンバータは、直列接続された主スイッチ1と主スイッチ2の接続中点と、直列接続された主スイッチ3と主スイッチ4の接続中点とが、それぞれ平滑インダクタを介して直流電力源(V,V)と接続され、直列接続された主スイッチ1と主スイッチ2の両端と、直列接続された主スイッチ3と主スイッチ4の両端とが接続され、それぞれの両端に並列に直流リンクキャパシタが接続されたCリンク型のツインハーフブリッジ構造である。
主スイッチ1〜4は、半導体スイッチとそれに並列接続された逆並列ダイオードから成る。
双方向昇降圧DC−DCコンバータにおける補助回路1は、直列共振型スイッチトキャパシタ2とZCS促進用インダクタ3から成り、それぞれのハーフブリッジ構造のハイサイドにそれぞれ設けられる。ハーフブリッジ構造のローサイドに設けられる一方の補助回路1は、主スイッチ1にZCS促進用インダクタ3が直列接続され、かつ、主スイッチ1とZCS促進用インダクタ3から成る直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタ2が接続される。ハーフブリッジ構造のローサイドに設けられる他方の補助回路1は、主スイッチ3にZCS促進用インダクタ3が直列接続され、かつ、主スイッチ3とZCS促進用インダクタ3から成る直列接続構造の両端に並列に直列共振型スイッチトキャパシタ2が接続される。
FIG. 7 shows another embodiment of a structure in which a half bridge structure by two semiconductor switches is connected via a DC link capacitor (C link type twin half bridge structure) in a bidirectional buck-boost DC-DC converter. A circuit block diagram is shown.
The bidirectional buck-boost DC-DC converter shown in FIG. 7 has a connection midpoint between the main switch 1 and the main switch 2 connected in series, and a connection midpoint between the main switch 3 and the main switch 4 connected in series, respectively. Connected to the DC power source (V 1 , V 2 ) via the smoothing inductor, the main switch 1 and the main switch 2 connected in series, and the main switch 3 and the main switch 4 connected in series are connected. A C link type twin half bridge structure in which a DC link capacitor is connected in parallel at both ends.
The main switches 1 to 4 include a semiconductor switch and an antiparallel diode connected in parallel thereto.
The auxiliary circuit 1 in the bidirectional buck-boost DC-DC converter includes a series resonance type switched capacitor 2 and a ZCS promoting inductor 3 and is provided on the high side of each half-bridge structure. One auxiliary circuit 1 provided on the low side of the half-bridge structure includes a main switch 1 and a ZCS promoting inductor 3 connected in series, and in parallel with both ends of a series connection structure including the main switch 1 and the ZCS promoting inductor 3. A series resonance type switched capacitor 2 is connected. In the other auxiliary circuit 1 provided on the low side of the half-bridge structure, the ZCS promoting inductor 3 is connected in series to the main switch 3, and in parallel with both ends of the series connection structure including the main switch 3 and the ZCS promoting inductor 3. A series resonance type switched capacitor 2 is connected.
本発明の昇圧形/降圧形DC−DCコンバータの一実施形態について説明する。
昇圧形/降圧形DC−DCコンバータの回路構成を図8に示す。
図8に示す回路において、直流電圧源Vから直流電圧源Vへの電力フローを昇圧動作、その逆を降圧動作と定義する。昇圧動作では主スイッチとなるQ、降圧動作では主スイッチとなるQに対し、両動作ともに補助スイッチとなるQを設ける。これに加えて、Q及びQのターンオン電流の緩やかにするZCS促進インダクタとしてLsをQと直列に挿入し、さらにQおよびQのゼロ電流・ゼロ電圧ソフトスイッチング(Zero Current and Zero Voltage Soft-Switching, ZCZVS)ターンオフとQのZCSターンオンおよびZCZVSターンオフを得るため、Qと直列に共振キャパシタCおよび共振インダクタLを直列に設ける構造を有する。
そして、昇圧動作ではQのスイッチ部が常時オフしてその逆並列ダイオードD環流ダイオードとして用い、一方、降圧動作ではQのスイッチ部が常時オフしてその逆並列ダイオードD環流ダイオードとする。
An embodiment of the step-up / step-down DC-DC converter of the present invention will be described.
The circuit configuration of the step-up / step-down DC-DC converter is shown in FIG.
In the circuit shown in FIG. 8, the step-up operation of the power flow from the DC voltage source V 1 to the direct voltage source V 2, it defines the reverse step-down operation. Q 1 serving as a main switch in the boost operation, with respect to Q 2 to which the main switch is in the step-down operation, provided Q 3 serving as an auxiliary switch in both operations both. In addition, the L s is inserted into Q 1, series as ZCS promotion inductor to slow the turn-on current of Q 1 and Q 2, further zero current and zero voltage soft switching of Q 1 and Q 2 (Zero Current and Zero Voltage Soft-Switching, to obtain a ZCS turn-on and ZCZVS off of ZCZVS) off and Q 3, has a structure in which the Q 3 in series with the resonant capacitor C r and the resonant inductor L r in series.
Then, using the anti-parallel diode D 2 is turned off at all times the switch unit Q 2 is in the step-up operation as a circulating diode, while refluxing the antiparallel diode D 1 and the switch unit is turned off at all times Q 1 is in the step-down operation Let it be a diode.
実施例1の双方向DC−DCコンバータの電力および電圧制御の手法として固定周波数PWM制御を用い、高周波スイッチング1周期Tに対する主スイッチQ,Qのオン期間Ton1,Ton2を調整し、それぞれデューティ比d(=Ton1/T)およびd´(=Ton2/T)の制御により実現する。
また、補助スイッチQのオン期間については、直列共振型スイッチトキャパシタの共振周波数および平滑インダクタLの最大電流等から固定値として設定可能である。
The fixed frequency PWM control is used as the power and voltage control method of the bidirectional DC-DC converter of the first embodiment, and the ON periods T on1 and T on2 of the main switches Q 1 and Q 2 with respect to one period T of the high frequency switching are adjusted, This is realized by controlling the duty ratio d (= T on1 / T) and d ′ (= T on 2 / T), respectively.
Also, the ON period of the auxiliary switch Q 3, can be set as a fixed value from the maximum current of the resonant frequency and the smoothing inductor L d of the series resonant switched capacitor.
昇圧形/降圧形DC−DCコンバータの理論動作波形とモード遷移図を、電力フロー毎に図9〜図12に示す。昇圧動作フローでは、図9と図10に示すように、高周波1周期間は後述する7つのサブモード(Mode1〜Mode7)から構成される。一方、降圧動作フローでは、図11と図12に示すように、高周波1周期間は後述する9つのサブモード(Mode1〜Mode9)から構成される。   The theoretical operation waveforms and mode transition diagrams of the step-up / step-down DC-DC converter are shown in FIGS. 9 to 12 for each power flow. In the step-up operation flow, as shown in FIGS. 9 and 10, one high-frequency period is composed of seven sub modes (Mode 1 to Mode 7) to be described later. On the other hand, in the step-down operation flow, as shown in FIG. 11 and FIG. 12, nine sub-modes (Mode 1 to Mode 9) to be described later are configured for one period of the high frequency.
(昇圧動作フロー)
[Mode1:Q ZCSターンオンモード] (t≦t<t
主スイッチQをターンオンすると、Lに流れる電流ILdは、DからSへ転流し始める。このときLsの作用により、Qの電流iQ1はゼロ電流の状態から緩やかに上昇し、QのZCSターンオン動作が可能となる。同時に、Dの電流は徐々に減少し、自然にゼロまで下降するとZCSターンオフとなる。この区間はSへの転流が完了するまで継続する。
(Boost operation flow)
[Mode 1: Q 1 ZCS turn-on mode] (t 0 ≦ t <t 1 )
When turning on the main switch Q 1, the current I Ld flowing to L d starts commutate from D 2 to S 1. At this time, due to the action of L s , the current i Q1 of Q 1 gradually rises from the zero current state, and the ZCS turn-on operation of Q 1 becomes possible. At the same time, the current D 2 decreases gradually and ZCS turned off when lowered to zero naturally. This section will continue until the completion of the commutation to the S 1.
[Mode2:L エネルギー蓄積モード] (t≦t<t
時刻tにて、Sへの転流が完了すると、電流ILdはV−L−Ls−Sの経路を流れ、Lに磁気エネルギーを蓄積する定常状態となる。この期間は補助スイッチQをターンオンするまで続く。
[Mode 2: L d energy storage mode] (t 1 ≦ t <t 2 )
When commutation to S 1 is completed at time t 1 , the current I Ld flows through the path V 1 -L d -L s -S 1 and enters a steady state in which magnetic energy is accumulated in L d . This period continues until you turn on the auxiliary switch Q 3.
[Mode3:Q ZCSターンオンモード] (t≦t<t
時刻tにて、QをターンオンするとLとCの部分共振を得る。これによりQの電流iQ3はゼロ電流の状態から緩やかに上昇し、QのZCSターンオン動作を達成する。
[Mode 3 : Q 3 ZCS turn-on mode] (t 2 ≦ t <t 3 )
At time t 2, the obtaining partial resonance of L r and C r When turning on the Q 3. Thus the current i Q3 of Q 3 are gradually increased from the state of zero current, to achieve ZCS turn-on operation of the Q 3.
[Mode4:部分共振モード] (t≦t<t
時刻tにて、Qを流れる電流iQ1 がILd以下となると、Qを流れる電流iQ3 がSからDへ転流し部分共振を継続する。
[Mode 4: Partial resonance mode] (t 3 ≦ t <t 4 )
When the current i Q1 flowing through Q 1 becomes equal to or less than I Ld at time t 3 , the current i Q3 flowing through Q 3 is commutated from S 3 to D 3 and continues the partial resonance.
[Mode5:Q,Q ZCZVSターンオフモード] (t≦t<t
Mode4より継続する共振により、時刻tにてQを流れる電流iQ1がSからDへ転流するとQ,Q共に電流は逆並列ダイオードを流れる。この間にS,Sのゲート信号を取り除くと、それらのZCZVSターンオフ動作を実現する。
[Mode 5: Q 1 , Q 3 ZCZVS turn-off mode] (t 4 ≦ t <t 5 )
When current i Q1 flowing through Q 1 commutates from S 1 to D 1 at time t 4 due to resonance that continues from Mode 4 , both Q 1 and Q 3 current flow through antiparallel diodes. If the gate signals of S 1 and S 3 are removed during this period, their ZCZVS turn-off operation is realized.
[Mode6:電力供給モード] (t≦t<t
時刻tにて、iQ1が自然にゼロに近づくと同時にDが順バイアスとなり導通し、DからDへ転流を開始する。このときDはZCSターンオン動作を実現する。
[Mode 6: power supply mode] (t 5 ≦ t <t 6 )
At time t 5 , i Q1 naturally approaches zero, and at the same time D 2 becomes forward biased and conducts, and commutation from D 3 to D 2 starts. In this case D 2 realizes a ZCS turn-on operation.
[Mode7:L エネルギー放出モード] (t≦t<t
時刻tにて、DからDへの転流が完了し、ILdはV−L−D−Vの経路を巡る定常状態となる。時刻tにて、再びMode1に戻る。
[Mode 7: L d energy release mode] (t 6 ≦ t <t 7 )
At time t 6, the commutation of the D 2 is completed from D 3, I Ld becomes steady state over a route V 1 -L d -D 2 -V 2 . At time t 7, returns to Mode1.
(降圧動作フロー)
[Mode1:Q ZCSターンオンモード] (t≦t<t
時刻tにて、主スイッチQをターンオンすると、LS,L,Cの部分共振を得る。これによりQの電流iQ3はゼロから緩やかに上昇し、QのZCSターンオンを達成する。これと同時に、Dに流れる電流は次第に減少し自然にゼロに達するZCSターンオフを開始する。
(Step-down operation flow)
[Mode 1: Q 2 ZCS turn-on mode] (t 0 ≦ t <t 1 )
At time t 0, when turning on the main switch Q 2, to obtain L S, L r, a partial resonance of C r. Thus the current i Q3 of Q 3 are gradually increased from zero, to achieve ZCS turn-on of Q 3. At the same time, the current flowing through the D 1 starts ZCS turn-off gradually reduced reaches zero naturally.
[Mode2:部分共振モード] (t≦t<t
時刻tにて、DからSへの転流が完了した後、前モードからのL,Cによる部分共振が継続する。共振キャパシタCが充電され、その端子電圧が上昇してVと等しくなり、Qの電流iQ3がゼロとなるまでこの期間は継続する。
[Mode 2: Partial resonance mode] (t 1 ≦ t <t 2 )
After commutation from D 1 to S 3 is completed at time t 1 , partial resonance by L r and C r from the previous mode continues. This period continues until the resonant capacitor C r is charged and its terminal voltage rises to equal V 2 and the current i Q3 in Q 3 is zero.
[Mode3:L エネルギー蓄積モード] (t≦t<t
時刻tにて、iQ3がゼロになると電源であるVから負荷であるVへILdが流れる電力供給の定常状態となる。
[Mode3: L d energy storage mode] (t 2 ≦ t <t 3)
At time t 2, the a steady state of the power supply through which I Ld i Q3 is to V 1 is the load from V 2 is the power supply becomes zero.
[Mode4:Q ZCSターンオンモード] (t≦t<t
時刻tにて、補助スイッチQをターンオンすると、再びL,Cの部分共振を得る。これによりQの電流iQ3はゼロから緩やかに上昇して、QのZCSターンオンを達成する。
[Mode 4: Q 3 ZCS turn-on mode] (t 3 ≦ t <t 4 )
At time t 3, obtained when turning on the auxiliary switch Q 3, again L r, a partial resonance of C r. Thus the current i Q3 of Q 3 are gently rises from zero, to achieve ZCS turn-on of Q 3.
[Mode5:Q ZCZVSターンオフモード] (t≦t<t
時刻tにて、iQ2がゼロになると、Sから逆並列ダイオードのDへ転流する。この間にSのゲート信号を取り除いて、QのZCZVSターンオフを実現する。
[Mode 5: Q 2 ZCZVS turn-off mode] (t 4 ≦ t <t 5 )
At time t 4, when i Q2 becomes zero, the commutation to the D 2 of the anti-parallel diode from S 2. Removing the gate signal S 2 during this time, to realize ZCZVS turn off of Q 2.
[Mode6:C エネルギー放出モード] (t≦t<t
時刻tにて、iQ2が自然にゼロとなると時に、Lの電流ILdはSを介した環流モードとなり、Cの蓄積エネルギーは放電を開始する。
[Mode 6: C r energy release mode] (t 5 ≦ t <t 6)
At time t 5, at the i Q2 becomes zero naturally, the current I Ld of L d becomes reflux mode through S 3, the stored energy of the C r starts discharging.
[Mode7:Ls−L−C 部分共振モード] (t≦t<t
時刻tにて、vCrがゼロまで低下すると同時にQの逆並列ダイオードDが順バイアスとなり、Ls,L,Cの部分共振を得る。このとき、Dの電流iD1が緩やかに上昇するため、DはZCSターンオンを達成する。さらに、この区間ではセル内部に発生する共振電流により、iQ3が次第に減少し始める。
[Mode 7: L s −L r —C r partial resonance mode] (t 6 ≦ t <t 7 )
At time t 6, v Cr antiparallel diode D 1 of the same time Q 1 drops to zero is forward biased, obtaining L s, L r, a partial resonance of C r. At this time, since the D 1 of the current i D1 is gradually increased, D 1 achieves ZCS turn. Further, in this section, i Q3 gradually starts to decrease due to the resonance current generated in the cell.
[Mode8:Q ZCZVSターンオフモード] (t≦t<t
時刻tにて、iQ3がゼロクロスしてSから逆並列ダイオードDへの転流を開始する。この間にSのゲート信号を取り除くとQのZCZVSターンオフを実現する。
[Mode 8: Q 3 ZCZVS turn-off mode] (t 7 ≦ t <t 8 )
At time t 7, i Q3 is zero cross to start the commutation from S 3 to the anti-parallel diode D 3. Realizing ZCZVS turn off of Q 3 upon removal of the gate signal S 3 during this time.
[Mode9:L エネルギー放出モード] (t≦t<t
時刻tにて、共振状のiQ3が再びゼロになると、Sはすでにオフ状態であり、Qは再導通せず、Lでの蓄積されたエネルギーにともに、負荷電流、すなわちILdは、L−V−D−Lsの経路を環流する定常状態となる。
[Mode 9: L d energy release mode] (t 8 ≦ t <t 9 )
At time t 8, the resonance-like i Q3 becomes zero again, S 3 is already turned off, Q 3 is not re-conduct, both the energy stored in L d, the load current, i.e. I Ld is a steady state circulating path of L d -V 1 -D 1 -L s .
昇圧形/降圧形DC−DCコンバータの特性を、シミュレーション解析により評価する。回路パラメータおよび動作条件を下記表1に示す。   The characteristics of the step-up / step-down DC-DC converter are evaluated by simulation analysis. The circuit parameters and operating conditions are shown in Table 1 below.
昇圧動作、降圧動作共に出力3kWにおける各アクティブスイッチのスイッチング動作波形を、それぞれ図13と図14に示す。これより、重負荷時において上述の動作原理と同様に主スイッチおよび補助スイッチのZCSターンオン、ZCZVSターンオフを達成することがわかる。軽負荷時においては、共振電流ピーク値と定常電流の差が重負荷時に比べ顕著となり、直列共振型スイッチトキャパシタの導通損失の影響が問題となる一方で、各スイッチのZCZVSターンオフは次第に実現しやすくなる。   The switching operation waveforms of the active switches at the output of 3 kW for both step-up operation and step-down operation are shown in FIGS. 13 and 14, respectively. From this, it can be understood that the ZCS turn-on and ZCZVS turn-off of the main switch and the auxiliary switch are achieved in the heavy load in the same manner as the above-described operation principle. At light loads, the difference between the peak value of the resonant current and the steady current becomes more significant than at heavy loads, and the effect of conduction loss of the series resonant switched capacitor becomes a problem. On the other hand, ZCZVS turn-off of each switch is gradually realized Become.
次に、電力フロー毎に主スイッチオン時比率dおよびd´に対するオープンループ制御下での出力電圧特性および出力電力特性を、それぞれ図15と図16に示す。これらの結果から、昇圧動作、降圧動作共にdおよびd´の調整により出力電圧を広範囲に調整可能であり、また出力電力を広範囲に制御できることが確認できる。   Next, FIG. 15 and FIG. 16 show output voltage characteristics and output power characteristics under the open loop control with respect to the main switch-on ratios d and d ′ for each power flow. From these results, it can be confirmed that both the step-up operation and the step-down operation can adjust the output voltage over a wide range by adjusting d and d ', and can control the output power over a wide range.
本発明の双方向昇降圧DC−DCコンバータの一実施形態について説明する。
双方向昇降圧DC−DCコンバータ(Lリンク型)の回路構成を図17に示す。
主スイッチ(Q/Q)とそれらのZCS転流を実現する補助スイッチQ、さらにZCS促進インダクタLS1、共振インダクタLr1および共振キャパシタCr1からなる補助スイッチングセルを含むハーブブリッジHB1と、同じく主スイッチ(Q/Q)とそれらのZCS転流を実現する補助スイッチQ、さらにZCS促進インダクタLs2、共振インダクタLr2および共振キャパシタCr2からなる補助スイッチングセルを含むハーブブリッジHB2とが、平滑インダクタLを介して接続されることにより形成される。
An embodiment of the bidirectional buck-boost DC-DC converter of the present invention will be described.
FIG. 17 shows a circuit configuration of a bidirectional buck-boost DC-DC converter (L link type).
The main switch (Q 1 / Q 2) and the auxiliary switch Q 3 to realize their ZCS commutation, further ZCS promotion inductor L S1, a half-bridge HB1 comprising auxiliary switching cell comprising resonant inductor L r1 and a resonant capacitor C r1 A herb bridge including a main switch (Q 4 / Q 5 ) and an auxiliary switch Q 6 for realizing ZCS commutation thereof, and an auxiliary switching cell further comprising a ZCS promoting inductor L s2 , a resonant inductor L r2 and a resonant capacitor C r2 and HB2 are formed by being connected via a smoothing inductor L d.
これより、HB1とHB2の単独運転による昇圧/降圧動作と、HB1とHB2の併用運転による昇降圧動作とがそれぞれ可能となる。一例として、直流電圧源Vから直流電圧源Vへの昇降圧動作を説明すると、Qをハイサイド側の主スイッチ、Qをローサイド側の主スイッチとし、QとQのスイッチ部を常時オフ状態として逆並列ダイオード(D,D)を環流ダイオードとして利用する。その上で、補助スイッチ(Q,Q)を主スイッチ(Q,Q)の補助スイッチとしてそれぞれ動作させることにより、Q/Qは元よりQ/QのZCS、さらには逆並列ダイオード(D,D)のZCS転流を得る。その結果、スイッチング損失を低減すると同時に環流ダイオードの逆回復電流を効果的に抑制する双方向DC−DCコンバータが、極めて簡素な回路構造により実現できる。 Thus, the step-up / step-down operation by the independent operation of HB1 and HB2 and the step-up / step-down operation by the combined operation of HB1 and HB2 are possible. As an example, a step-up / step-down operation from the DC voltage source V 1 to the DC voltage source V 2 will be described. Q 1 is a high-side main switch, Q 5 is a low-side main switch, and Q 2 and Q 4 switches parallel diode section as normally off state and (D 2, D 4) to use as a wheel diode. Then, by operating the auxiliary switches (Q 3 , Q 6 ) as auxiliary switches of the main switches (Q 1 , Q 5 ), Q 1 / Q 5 is originally ZCS of Q 3 / Q 6 , Obtains ZCS commutation of anti-parallel diodes (D 2 , D 4 ). As a result, a bidirectional DC-DC converter that reduces switching loss and effectively suppresses reverse recovery current of the freewheeling diode can be realized with an extremely simple circuit structure.
また、一例として、直流電圧源Vから直流電圧源Vへの昇降圧動作を説明すると、Qをハイサイド側の主スイッチ、Qをローサイド側の主スイッチとし、QとQのスイッチ部を常時オフ状態として逆並列ダイオード(D,D)を環流ダイオードとして利用する。その上で、補助スイッチ(Q,Q)を主スイッチ(Q,Q)の補助スイッチとしてそれぞれ動作させることにより、Q/Qは元よりQ/QのZCS、さらには逆並列ダイオード(D,D)のZCS転流を得る。 As an example, a step-up / step-down operation from the DC voltage source V 2 to the DC voltage source V 1 will be described. Q 4 is a high-side main switch, Q 2 is a low-side main switch, and Q 1 and Q 5 The anti-parallel diodes (D 1 , D 5 ) are used as free- wheeling diodes. Then, by operating the auxiliary switches (Q 3 , Q 6 ) as auxiliary switches of the main switches (Q 2 , Q 4 ), Q 2 / Q 4 is originally ZCS of Q 3 / Q 6 , Obtains ZCS commutation of anti-parallel diodes (D 1 , D 5 ).
双方向昇降圧DC−DCコンバータについて、直流電圧源VからVへの電力変換の際における主スイッチ(Q,Q,Q,Q)および補助スイッチ(Q,Q)の状態について表2に示す。
また、直流電圧源VからVへの電力変換の際における主スイッチ(Q,Q,Q,Q)および補助スイッチ(Q,Q)の状態について表3に示す。
表2および表3は、それぞれ昇圧、降圧、昇降圧の3種類の電力変換について纏めている。
なお、表中において、ONは“常時スイッチオン”、OFFは“常時スイッチオフ”、SWは“スイッチング(ON/OFF)”を意味する。
For the bidirectional buck-boost DC-DC converter, main switches (Q 1 , Q 2 , Q 4 , Q 5 ) and auxiliary switches (Q 3 , Q 6 ) at the time of power conversion from the DC voltage source V 1 to V 2 The state is shown in Table 2.
Table 3 shows the states of the main switches (Q 1 , Q 2 , Q 4 , Q 5 ) and the auxiliary switches (Q 3 , Q 6 ) during power conversion from the DC voltage source V 2 to V 1 .
Tables 2 and 3 summarize the three types of power conversion, step-up, step-down, and step-up / step-down, respectively.
In the table, ON means “always switched on”, OFF means “always switched off”, and SW means “switching (ON / OFF)”.
双方向昇降圧DC−DCコンバータの電力制御および電圧制御の手法となる固定周波数PWM制御では、高周波スイッチング1周期Tに対する主スイッチ(Q,Q)のオン期間TONを調整し、デューティ比d(=TON/T)の調整により行う。なお、補助スイッチのオン期間については、直列共振型スイッチトキャパシタセルの内部の共振インダクタおよび共振キャパシタによる共振周波数および平滑インダクタLの最大電流等から設計可能であり、全負荷領域で固定として設定できる。 Bidirectional buck-boost DC-DC converter of the power control and the method of voltage control fixed frequency PWM control adjusts the on-period T ON of the main switch for the high-frequency switching one period T (Q 1, Q 5) , the duty ratio This is done by adjusting d (= T ON / T). Note that the ON period of the auxiliary switch, can be designed from the maximum current of the resonant frequency and the smoothing inductor L d by internal resonant inductor and resonant capacitor of the series resonant switched capacitor cell can be set as fixed for all load range .
双方向昇降圧DC−DCコンバータの1周期定常動作における理論動作波形とモード遷移図をそれぞれ図18と図19に示す。昇降圧動作は後述する16のサブモード(Mode1〜Mode16)から構成される。直流電圧源VからVへの電力変換フローについて以下説明する。なお、直流電圧源VからVへの電力変換フローについての説明は省略する。 FIG. 18 and FIG. 19 show theoretical operation waveforms and mode transition diagrams in the one-cycle steady operation of the bidirectional buck-boost DC-DC converter, respectively. The step-up / down operation is composed of 16 sub-modes (Mode 1 to Mode 16) which will be described later. Will be described below power conversion flows from the DC voltage source V 1 to V 2. Incidentally, description of the power conversion flows to V 1 from the DC voltage source V 2 is omitted.
[Mode1:Q,Q ZCSターンオンモード] (t≦t<t
時刻tにて、Q,Qを同時にターンオンすると、HB1ではLS1,Lr1,Cr1の部分共振を得る。これよりQの電流iQ1はゼロから緩やかに上昇しQのZCSターンオンを達成する。これと同時に、Dに流れる電流は次第に減少する。
一方、HB2ではDからSへ転流となるが、Lr2の作用によりQの電流iQ5はゼロ電流の状態から緩やかに上昇してQのZCSターンオン動作となる。同時に、Dの電流は徐々に減少し、自然にゼロまで下降するとZCSターンオフとなる。この区間はSへの転流完了まで継続する。
[Mode 1: Q 1 , Q 5 ZCS turn-on mode] (t 0 ≦ t <t 1 )
When Q 1 and Q 5 are simultaneously turned on at time t 0 , partial resonances of L S1 , L r1 and C r1 are obtained in HB1. Than this for Q 1 current i Q1 achieves moderately elevated ZCS turn for Q 1 from zero. At the same time, the current flowing through the D 2 decreases gradually.
On the other hand, the commutation to S 5 from D 4 In HB2, current i Q5 of Q 5 by the action of L r2 becomes ZCS turn-on operation of Q 5 rises gently from the state of zero current. At the same time, the current of the D 4 decreases gradually and ZCS turned off when lowered to zero naturally. This section continues until the commutation completion of the S 5.
[Mode2:Q ZCSターンオフモード] (t≦t<t
時刻tにて、DからSへの転流が完了した後、HB1では前モードより続く部分共振により、D導通電流が自然にゼロに至りZCSターンオフとなる。この間、電源電流は、V−S−LS2−Sの経路を流れて、Lに磁気エネルギーを蓄積する定常状態となる。
[Mode 2: Q 2 ZCS turn-off mode] (t 1 ≦ t <t 2 )
After commutation from D 4 to S 5 is completed at time t 1 , in HB 1, the D 2 conduction current naturally reaches zero due to the partial resonance that continues from the previous mode, and the ZCS turn-off occurs. During this time, the power supply current flows through the path of V 1 -S 1 -L S2 -S 5 and enters a steady state in which magnetic energy is accumulated in L d .
[Mode3:部分共振モード] (t≦t<t
時刻tにて、DからSへの転流が完了した後、前モードからのLr1,Cr1による部分共振は維持する。これより、共振キャパシタCr1は充電を続け、その端子電圧が次第に上昇してVと等しくなると、Qの電流iQ3はゼロとなる。
[Mode 3: Partial resonance mode] (t 2 ≦ t <t 3 )
After the commutation from D 2 to S 1 is completed at time t 2 , the partial resonance due to L r1 and C r1 from the previous mode is maintained. Accordingly, the resonance capacitor C r1 continues to be charged, and when the terminal voltage thereof gradually increases and becomes equal to V 2 , the current i Q3 of Q 3 becomes zero.
[Mode4:L エネルギー蓄積モード] (t≦t<t
時刻tにて、iQ2がゼロになると、電源電流は、V−S−Ld−LS2−Sと流れて電力供給の定常状態となる。
[Mode4: L d energy storage mode] (t 3 ≦ t <t 4)
At time t 3, when i Q2 becomes zero, the supply current, the steady state of the power supply flows as V 1 -S 1 -L d -L S2 -S 5.
[Mode5:Q ZCSターンオンモード] (t≦t<t
時刻tにて、HB2の補助スイッチQをターンオンすると、LS2,Lr2,Cr2の部分共振を得る。これによりQの電流iQ6はゼロから緩やかに上昇して、QのZCSターンオンを達成する。
[Mode 5: Q 6 ZCS turn-on mode] (t 4 ≦ t <t 5 )
At time t 4, when turning on the auxiliary switch Q 6 of HB2, obtaining a partial resonance of L S2, L r2, C r2 . Thus the current i Q6 of Q 6 is gently increased from zero to achieve ZCS turn-on of Q 6.
[Mode6:S−D 転流モード] (t≦t<t
時刻tにて、iQ6がスイッチ部Sから逆並列ダイオードDへ転流しながら部分共振が継続される。
[Mode 6: S 6 -D 6 commutation mode] (t 5 ≦ t <t 6 )
At time t 5, i Q6 is commutated with partial resonance is continued from the switch unit S 6 to the anti-parallel diode D 6.
[Mode7:S−D 転流モード] (t≦t<t
時刻tにて、iQ6に続き、Qの電流iQ5も同様にSからDへ転流が完了しながら、部分共振を継続する。
[Mode7: S 5 -D 5 commutation mode] (t 6 ≦ t <t 7)
At time t 6, followed by i Q6, while the commutation from the current i Q5 likewise S 5 of Q 5 to D 5 is completed, to continue the partial resonance.
[Mode8:Q ZCSターンオンモード] (t≦t<t
時刻tにて、HB1の補助スイッチQをターンオンすると、Lr1,Cr1の部分共振を得る。Qの電流iQ3はゼロから緩やかに上昇して、QのZCSターンオンを達成する。同時に、Sに流れる電流は次第に減少する。
[Mode 8: Q 3 ZCS turn-on mode] (t 7 ≦ t <t 8 )
At time t 7, when turning on the auxiliary switch Q 3 of HB1, obtaining a partial resonance of L r1, C r1. Current i Q3 of Q 3 are increased gradually from zero to achieve ZCS turn-on of Q 3. At the same time, the current flowing through the S 1 gradually decreases.
[Mode9:Q,Q ZCZVSターンオフモード] (t≦t<t
時刻tにて、Qの電流iQ2がゼロクロスして、SからDへの転流を開始する。これにより、Mode7から続くDへの転流と合わせてS,Sの導通電流がゼロとなり、この間にS,Sのゲート信号を同時に取り除くとQ,QのZCZVSターンオフを実現する。
[Mode 9: Q 1 , Q 5 ZCZVS turn-off mode] (t 8 ≦ t <t 9 )
At time t 8, the current i Q2 of Q 2 is the zero-crossing, to start the commutation from S 2 to D 2. Thus, a conducting current is zero S 1, S 5 together with commutation to D 5 continuing from Mode7, the ZCZVS turn off of S 1, S gate signal 5 at the same time removing the Q 1, Q 5 during which Realize.
[Mode10:Q ZCZVSターンオフモード] (t≦t<t10
時刻tにて、共振状のiQ1が再びゼロになると、Sはすでにオフ状態でありQは再導通せず、Lの平滑作用によりiQ3は定電流となる。さらに、LS2,Lr2,Cr2の部分共振は継続し、この期間にSのゲート信号を取り除くと、QのZCZVSターンオフを達成する。
[Mode 10: Q 6 ZCZVS turn-off mode] (t 9 ≦ t <t 10 )
At time t 9, when the resonance-like i Q1 becomes zero again, S 1 is already turned off Q 1 is not re-conduct, i Q3 by the smoothing action of L d is a constant current. Furthermore, partial resonance of L S2, L r2, C r2 continues, upon removal of the gate signal S 6 during this period, to achieve ZCZVS turn off of Q 6.
[Mode11:L エネルギー放出モード] (t10≦t<t11
時刻t10にて、iQ5が緩やかにゼロになるとSの再導通はなく、L−Lr2−Cr2−D−S−Cr1−Lr1の経路を環流する定常状態となる。
[Mode 11: L d energy release mode] (t 10 ≦ t <t 11 )
At time t 10, no re-conduction S 5 when i Q5 is slowly zero, and steady state recirculation path of L d -L r2 -C r2 -D 5 -S 3 -C r1 -L r1 Become.
[Mode12:D ZCSターンオンモード] (t11≦t<t12
時刻t11にて、vD4がゼロまで低下すると同時に、Qの逆並列ダイオードDが順バイアスとなり、Lr2,Cr2の部分共振を得る。このとき、Dの電流iD4が緩やかに上昇するため、DはZCSターンオンを達成する。また、iQ6は緩やかにゼロに向かう。
[Mode 12: D 4 ZCS turn-on mode] (t 11 ≦ t <t 12 )
At time t 11, and at the same time v D4 drops to zero, the inverse parallel diode D 4 of Q 4 is forward biased to obtain a partial resonance of L r2, C r2. At this time, since the current i D4 of D 4 is gradually increased, D 4 achieves ZCS turn. Also, iQ6 gradually goes to zero.
[Mode13:L エネルギー放出モード] (t12≦t<t13
時刻t12にて、iQ6がゼロに達すると、Sのゲート信号が既に取り除かれており、Qは導通しない。これより、電流はL−D−V−S−Cr1−Lr1の経路を環流する定常状態となる。
[Mode 13: L d energy release mode] (t 12 ≦ t <t 13 )
At time t 12, the i Q6 reaches zero, the gate signal S 6 has already been removed, Q 6 does not conduct. Than this, current is steady state recirculation path of L d -D 4 -V 2 -S 3 -C r1 -L r1.
[Mode14:D ZCSターンオンモード] (t13≦t<t14
時刻t13にて、vCr1がゼロまで低下すると同時に、Qの逆並列ダイオードDが順バイアスとなり、LS1,Lr1,Cr1の部分共振を得る。この際に、Dの電流iD2は共振状に上昇するため、DはZCSターンオンを達成する。また、同時にiQ3は共振状にゼロに向かう。
[Mode 14: D 2 ZCS turn-on mode] (t 13 ≦ t <t 14 )
At time t 13, and at the same time v Cr1 drops to zero, the inverse parallel diode D 2 Q 2 'is forward biased, obtaining a partial resonance of L S1, L r1, C r1 . At this time, the current i D2 of the D 2 in order to increase the resonance shape, D 2 achieves ZCS turn. At the same time, i Q3 resonates toward zero.
[Mode15:Q ZCZVSターンオフモード] (t14≦t<t15
時刻t14にて、iQ3が自然にゼロクロスするとSから逆並列ダイオードDへ転流し、前モードからの部分共振を継続する。この期間にSのゲート信号を取り除くことでQのZCZVSターンオフを実現する。
[Mode 15: Q 3 ZCZVS turn-off mode] (t 14 ≦ t <t 15 )
At time t 14, the i Q3 crosses zero naturally commutated from S 3 to the anti-parallel diode D 3, continues to partial resonance from the previous mode. Realizing ZCZVS turn-off of the Q 3 by removing the gate signal S 3 during this period.
[Mode16:L エネルギー放出モード] (t15≦t<t16
時刻t15にて、iQ3がゼロに達すると、Mode15にてSのゲート信号をオフとしているため、Qの再導通はなく、平滑インダクタの電流は、L−D−V−D−LS1の経路を循環する定常状態となり、時刻t16にて再びMode1へと戻る。
[Mode 16: L d energy release mode] (t 15 ≦ t <t 16 )
At time t 15, the i Q3 reaches zero, because it turns off the gate signal S 3 at Mode15, re conduction Q 6 are not, the current of the smoothing inductor, L d -D 4 -V 2 It becomes a steady state that circulates through the route of −D 2 −L S1 , and returns to Mode 1 again at time t 16 .
双方向昇降圧DC−DCコンバータの特性を、シミュレーション解析により評価した。前提として、VからVへの電力フローと設定した。回路パラメータおよび動作条件を下記表4に示す。 The characteristics of the bidirectional buck-boost DC-DC converter were evaluated by simulation analysis. As a premise, the power flow from V 1 to V 2 was set. The circuit parameters and operating conditions are shown in Table 4 below.
まず、重負荷時の主スイッチおよび補助スイッチのスイッチング動作波形と、軽負荷時のスイッチング動作波形を、それぞれ図20、図21に示す。スイッチング動作波形から、定格出力(重負荷時)において、上述の動作原理と同様に主スイッチおよび補助スイッチのZCSターンオン,ZCZVSターンオフが達成できていることがわかる。また、軽負荷時においては、共振電流ピーク値と定常電流の差が重負荷時に比べ顕著となり、直列共振型スイッチとキャパシタ内部の導通損失の影響が問題となる一方で、各スイッチのZCZVSターンオフは次第に実現しやすくなる。   First, the switching operation waveforms of the main switch and the auxiliary switch at the time of heavy load and the switching operation waveform at the time of light load are shown in FIGS. 20 and 21, respectively. From the switching operation waveform, it can be seen that the ZCS turn-on and ZCZVS turn-off of the main switch and the auxiliary switch can be achieved at the rated output (at the time of heavy load) similarly to the above-described operation principle. Also, at light load, the difference between the peak value of resonance current and steady current becomes more significant than at heavy load, and the effect of conduction loss inside the series resonance type switch and capacitor becomes a problem, while the ZCZVS turn-off of each switch is It becomes easier to realize.
次に、電力フロー毎に主スイッチオン時比率dに対するオープンループ条件での入出力電圧変換特性を表すグラフを図22に、および出力電力特性を表すグラフを図23に示す。この結果からdの調整により連続して昇降圧条件での出力電圧調整が実現しており、また,負荷電力制御が可能であることがわかる。   Next, FIG. 22 shows a graph showing the input / output voltage conversion characteristics under the open loop condition with respect to the main switch-on time ratio d for each power flow, and FIG. 23 shows a graph showing the output power characteristics. From this result, it is understood that the output voltage adjustment under the step-up / step-down condition is realized continuously by adjusting d, and the load power control is possible.
本発明は、電気自動車やハイブリッド車の電源システムに搭載される双方向DC−DCコンバータに有用である。   The present invention is useful for a bidirectional DC-DC converter mounted on a power supply system of an electric vehicle or a hybrid vehicle.
1 補助回路
2 直列共振型スイッチトキャパシタ
2a 共振インダクタ
2b 共振キャパシタ
2c スイッチング素子
2d ダイオード
3 ZCS促進用インダクタ
1 Auxiliary Circuit 2 Series Resonant Switched Capacitor 2a Resonant Inductor 2b Resonant Capacitor 2c Switching Element 2d Diode 3 ZCS Promoting Inductor

Claims (10)

  1. 入力直流電圧を所望の直流電圧に変換し出力するDC−DCコンバータの補助回路であって、
    前記DC−DCコンバータは、入力直流電圧の正極側に平滑インダクタと順方向の環流ダイオードとが順に直列接続され、その直列接続の中点と陰極側の間に昇圧用スイッチング素子が接続される昇圧タイプの場合、
    前記補助回路は、
    直列共振型スイッチトキャパシタとZCS促進用インダクタとから成り、
    前記昇圧用スイッチング素子の正極側に直列に前記ZCS促進用インダクタが直列接続され、かつ、直列接続構造の両端に並列に前記直列共振型スイッチトキャパシタが接続される、
    ことを特徴とするDC−DCコンバータの補助回路。
    An auxiliary circuit of a DC-DC converter that converts an input DC voltage into a desired DC voltage and outputs the converted DC voltage,
    In the DC-DC converter, a smoothing inductor and a forward freewheeling diode are sequentially connected in series on the positive electrode side of an input DC voltage, and a boosting switching element is connected between the midpoint of the series connection and the cathode side. For type
    The auxiliary circuit is
    It consists of a series resonant switched capacitor and an inductor for ZCS promotion,
    The ZCS promoting inductor is connected in series to the positive side of the step-up switching element, and the series resonant switched capacitor is connected in parallel to both ends of the series connection structure.
    An auxiliary circuit of a DC-DC converter characterized by the above.
  2. 入力直流電圧を所望の直流電圧に変換し出力するDC−DCコンバータの補助回路であって、
    前記DC−DCコンバータは、入力直流電圧の正極側に降圧用スイッチング素子と平滑インダクタとが順に直列接続され、その直列接続の中点と陰極側の間に逆方向の環流ダイオードが接続される降圧タイプの場合、
    前記補助回路は、
    直列共振型スイッチトキャパシタとZCS促進用インダクタとから成り、
    前記環流ダイオードの正極側に直列に前記ZCS促進用インダクタが直列接続され、かつ、直列接続構造の両端に並列に前記直列共振型スイッチトキャパシタが接続される、
    ことを特徴とするDC−DCコンバータの補助回路。
    An auxiliary circuit of a DC-DC converter that converts an input DC voltage into a desired DC voltage and outputs the converted DC voltage,
    In the DC-DC converter, a step-down switching element and a smoothing inductor are sequentially connected in series on the positive side of an input DC voltage, and a reverse free-wheeling diode is connected between the midpoint and the cathode side of the series connection. For type
    The auxiliary circuit is
    It consists of a series resonant switched capacitor and an inductor for ZCS promotion,
    The ZCS promoting inductor is connected in series to the positive electrode side of the freewheeling diode, and the series resonant switched capacitor is connected in parallel to both ends of the series connection structure.
    An auxiliary circuit of a DC-DC converter characterized by the above.
  3. 入力直流電圧を所望の直流電圧に変換し出力するDC−DCコンバータの補助回路であって、
    前記DC−DCコンバータは、入力直流電圧の正極側に平滑インダクタと降圧用スイッチング素子とが順に直列接続され、その直列接続の中点と陰極側の間に昇圧用スイッチング素子が接続され、前記降圧用スイッチング素子と前記昇圧用スイッチング素子には其々逆並列接続ダイオードが接続される昇降圧タイプの場合、
    前記補助回路は、
    直列共振型スイッチトキャパシタとZCS促進用インダクタとから成り、
    前記昇圧用スイッチング素子とそれに逆並列接続される前記逆並列接続ダイオードから成るスイッチの正極側に直列に前記ZCS促進用インダクタが直列接続され、かつ、直列接続構造の両端に並列に前記直列共振型スイッチトキャパシタが接続される、
    ことを特徴とするDC−DCコンバータの補助回路。
    An auxiliary circuit of a DC-DC converter that converts an input DC voltage into a desired DC voltage and outputs the converted DC voltage,
    In the DC-DC converter, a smoothing inductor and a step-down switching element are sequentially connected in series on the positive side of an input DC voltage, and a step-up switching element is connected between a midpoint of the series connection and a cathode side, In the case of a step-up / step-down type in which an anti-parallel connection diode is connected to the switching element for boosting and the switching element for boosting,
    The auxiliary circuit is
    It consists of a series resonant switched capacitor and an inductor for ZCS promotion,
    The ZCS promoting inductor is connected in series to the positive electrode side of the switch composed of the step-up switching element and the anti-parallel connected diode connected in reverse parallel thereto, and the series resonant type is connected in parallel at both ends of the series connection structure. A switched capacitor is connected,
    An auxiliary circuit of a DC-DC converter characterized by the above.
  4. 前記直列共振型スイッチトキャパシタは、正極から順に共振インダクタ、共振キャパシタ、およびスイッチング素子が直列に接続され、かつ、前記スイッチング素子に並列にダイオードが接続されることを特徴とする請求項1〜3の何れかのDC−DCコンバータの補助回路。   The series resonance type switched capacitor includes a resonance inductor, a resonance capacitor, and a switching element connected in series in order from the positive electrode, and a diode connected in parallel to the switching element. Auxiliary circuit for any DC-DC converter.
  5. 請求項1〜4の何れかのDC−DCコンバータの補助回路を備えたDC−DCコンバータ。   The DC-DC converter provided with the auxiliary circuit of the DC-DC converter in any one of Claims 1-4.
  6. 入力直流電圧を所望の直流電圧に変換し出力するDC−DCコンバータにおいて、
    直列接続された第1スイッチング素子と第2スイッチング素子と、第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、
    同様に、直列接続された第3スイッチング素子と第4スイッチング素子と、第3スイッチング素子及び第4スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、
    第1スイッチング素子と第2スイッチング素子の第1接続中点と、第3スイッチング素子と第4スイッチング素子の第2接続中点とを接続する平滑インダクタと、から成るツインハーフブリッジ構造であり、
    ローサイドの第2スイッチング素子と第1接続中点との間に直列接続されたZCS促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタと、
    同様に、ローサイドの第4スイッチング素子と第2接続中点との間に直列接続されたZCS促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタと、を備えることを特徴とする双方向昇降圧DC−DCコンバータ。
    In a DC-DC converter that converts an input DC voltage to a desired DC voltage and outputs it,
    A first switching element and a second switching element connected in series; an anti-parallel diode connected in parallel to each of the first switching element and the second switching element;
    Similarly, a third switching element and a fourth switching element connected in series, and antiparallel diodes connected in parallel to the third switching element and the fourth switching element,
    A twin half bridge structure comprising a smoothing inductor connecting a first connection midpoint of the first switching element and the second switching element and a third connection element and a second connection midpoint of the fourth switching element;
    A ZCS promoting inductor connected in series between the low-side second switching element and the first connection midpoint; a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure;
    Similarly, including a ZCS promoting inductor connected in series between the low-side fourth switching element and the second connection midpoint, and a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure. Bidirectional buck-boost DC-DC converter characterized by the above.
  7. 入力直流電圧を所望の直流電圧に変換し出力するDC−DCコンバータにおいて、
    直列接続された第1スイッチング素子と第2スイッチング素子と、第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、
    同様に、直列接続された第3スイッチング素子と第4スイッチング素子と、第3スイッチング素子及び第4スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、
    第1スイッチング素子と第2スイッチング素子の第1接続中点と、第3スイッチング素子と第4スイッチング素子の第2接続中点とを接続する平滑インダクタとから成るツインハーフブリッジ構造であり、
    ハイサイドの第1スイッチング素子に直列接続されたZCS促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタと、
    同様に、ハイサイドの第3スイッチング素子に直列接続されたZCS促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタと、を備えることを特徴とする双方向昇降圧DC−DCコンバータ。
    In a DC-DC converter that converts an input DC voltage to a desired DC voltage and outputs it,
    A first switching element and a second switching element connected in series; an anti-parallel diode connected in parallel to each of the first switching element and the second switching element;
    Similarly, a third switching element and a fourth switching element connected in series, and antiparallel diodes connected in parallel to the third switching element and the fourth switching element,
    A twin half bridge structure comprising a smoothing inductor connecting a first connection midpoint of the first switching element and the second switching element and a third connection element and a second connection midpoint of the fourth switching element;
    A ZCS promoting inductor connected in series to the first switching element on the high side; a series resonant switched capacitor connected in parallel to both ends of the series connection structure;
    Similarly, a bidirectional buck-boost DC comprising: a ZCS promoting inductor connected in series to a third switching element on the high side; and a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure. DC converter.
  8. 入力直流電圧を所望の直流電圧に変換し出力するDC−DCコンバータにおいて、
    直列接続された第1スイッチング素子と第2スイッチング素子と、第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、
    同様に、直列接続された第3スイッチング素子と第4スイッチング素子と、第3スイッチング素子及び第4スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、
    第1スイッチング素子と第2スイッチング素子の第1接続中点から分岐して接続される第1平滑インダクタと、第3スイッチング素子と第4スイッチング素子の第2接続中点から分岐して接続される第2平滑インダクタと、
    直列接続された第1スイッチング素子と第2スイッチング素子の両端と、直列接続された第3スイッチング素子と第4スイッチング素子の両端と、が接続され、それぞれの両端に並列接続される直流リンクキャパシタとから成るツインハーフブリッジ構造であり、
    ローサイドの第2スイッチング素子と第1接続中点との間に直列接続されたZCS促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタと、
    同様に、ローサイドの第4スイッチング素子と第2接続中点との間に直列接続されたZCS促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタと、を備えることを特徴とする双方向昇降圧DC−DCコンバータ。
    In a DC-DC converter that converts an input DC voltage to a desired DC voltage and outputs it,
    A first switching element and a second switching element connected in series; an anti-parallel diode connected in parallel to each of the first switching element and the second switching element;
    Similarly, a third switching element and a fourth switching element connected in series, and antiparallel diodes connected in parallel to the third switching element and the fourth switching element,
    A first smoothing inductor that is branched and connected from the first connection midpoint of the first switching element and the second switching element, and is branched and connected from a second connection midpoint of the third switching element and the fourth switching element. A second smoothing inductor;
    DC link capacitors connected to both ends of the first switching element and the second switching element connected in series, and to both ends of the third switching element and the fourth switching element connected in series, and connected in parallel to the both ends It is a twin half bridge structure consisting of
    A ZCS promoting inductor connected in series between the low-side second switching element and the first connection midpoint; a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure;
    Similarly, including a ZCS promoting inductor connected in series between the low-side fourth switching element and the second connection midpoint, and a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure. Bidirectional buck-boost DC-DC converter characterized by the above.
  9. 入力直流電圧を所望の直流電圧に変換し出力するDC−DCコンバータにおいて、
    直列接続された第1スイッチング素子と第2スイッチング素子と、第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、
    同様に、直列接続された第3スイッチング素子と第4スイッチング素子と、第3スイッチング素子及び第4スイッチング素子にそれぞれ並列接続された逆並列ダイオードと、
    第1スイッチング素子と第2スイッチング素子の第1接続中点から分岐して接続される第1平滑インダクタと、第3スイッチング素子と第4スイッチング素子の第2接続中点から分岐して接続される第2平滑インダクタと、
    直列接続された第1スイッチング素子と第2スイッチング素子の両端と、直列接続された第3スイッチング素子と第4スイッチング素子の両端と、が接続され、それぞれの両端に並列接続される直流リンクキャパシタとから成るツインハーフブリッジ構造であり、
    ハイサイドの第1スイッチング素子と第1接続中点との間に直列接続されたZCS促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタと、
    同様に、ハイサイドの第3スイッチング素子と第2接続中点との間に直列接続されたZCS促進用インダクタと、直列接続構造の両端に並列接続された直列共振型スイッチトキャパシタと、を備えることを特徴とする双方向昇降圧DC−DCコンバータ。
    In a DC-DC converter that converts an input DC voltage to a desired DC voltage and outputs it,
    A first switching element and a second switching element connected in series; an anti-parallel diode connected in parallel to each of the first switching element and the second switching element;
    Similarly, a third switching element and a fourth switching element connected in series, and antiparallel diodes connected in parallel to the third switching element and the fourth switching element,
    A first smoothing inductor that is branched and connected from the first connection midpoint of the first switching element and the second switching element, and is branched and connected from a second connection midpoint of the third switching element and the fourth switching element. A second smoothing inductor;
    DC link capacitors connected to both ends of the first switching element and the second switching element connected in series, and to both ends of the third switching element and the fourth switching element connected in series, and connected in parallel to the both ends It is a twin half bridge structure consisting of
    A ZCS promoting inductor connected in series between the first switching element on the high side and the first connection midpoint; a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure;
    Similarly, a ZCS promoting inductor connected in series between the third switching element on the high side and the second connection midpoint, and a series resonant switched capacitor connected in parallel at both ends of the series connection structure A bidirectional buck-boost DC-DC converter characterized by
  10. 前記直列共振型スイッチトキャパシタは、正極から順に共振インダクタ、共振キャパシタ、およびスイッチング素子が直列に接続され、かつ、前記スイッチング素子に並列にダイオードが接続されることを特徴とする請求項6〜9の何れかの双方向昇降圧DC−DCコンバータ。

    10. The series resonant switched capacitor includes a resonant inductor, a resonant capacitor, and a switching element connected in series in order from the positive electrode, and a diode connected in parallel to the switching element. Any bidirectional buck-boost DC-DC converter.

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