JP6655491B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、4つのスイッチング素子によって構成される第1ブリッジ回路及び第2ブリッジ回路と、第1ブリッジ回路と第2ブリッジ回路の間に接続されるトランスと、第1ブリッジ回路とトランスの間、及び、第2ブリッジ回路とトランスの間の少なくともいずれかに接続されるリアクトルとを備えた電力変換装置に関する。
従来、4つのスイッチング素子によって構成される第1ブリッジ回路及び第2ブリッジ回路と、第1ブリッジ回路と第2ブリッジ回路の間に接続されるトランスと、第1ブリッジ回路とトランスの間、及び、第2ブリッジ回路とトランスの間の少なくともいずれかに接続されるリアクトルとを備えた電力変換装置として、例えば以下に示す特許文献1に開示されている電力コンバータがある。
この電力コンバータは、第1〜第3のブリッジ回路と、変圧器と、コンデンサと、を備えている。第1〜第3のブリッジ回路は、4つのスイッチによって構成されている。第1〜第3のブリッジ回路は、直流端子と交流端子とを備えている。変圧器は、1つの1次巻線と、2つの2次巻線とを備えている。変圧器は、漏れインダクタンスを有している。
第1のブリッジ回路は、直流端子が電源に、交流端子が1次巻線にそれぞれ接続されている。第2のブリッジ回路は、交流端子が一方の2次巻線に、直流端子が負荷にそれぞれ接続されている。第3のブリッジ回路は、交流端子が他方の2次巻線に、直流端子がコンデンサにそれぞれ接続されている。変圧器の漏れインダクタンスは、第1のブリッジ回路の交流端子と1次巻線の間、第2のブリッジ回路の交流端子と一方の2次巻線の間、及び、第3のブリッジ回路の交流端子と他方の2次巻線の間にリアクトルとして形成されている。
ここで、4つのスイッチによって構成される第1及び第2のブリッジ回路、変圧器、並びに、変圧器の漏れインダクタンスによって形成されるリアクトルが、第1及び第2ブリッジ回路、トランス並びにリアクトルに相当する。
電力コンバータは、第2のブリッジ回路のスイッチを第1のブリッジ回路のスイッチに対して位相差を設けてスイッチングさせることで、第1及び第2のブリッジ回路のスイッチをソフトスイッチングさせて電源から負荷に電力を供給する。しかし、負荷に供給する電力が変化すると、ソフトスイッチングができなくなることがある。
電力コンバータは、第3のブリッジ回路と、コンデンサとを備えている。電力コンバータは、負荷に供給する電力が低下した場合、第3のブリッジ回路のスイッチを第1のブリッジ回路のスイッチに対して位相差を設けてスイッチングさせることで、第2のブリッジ回路から出力される余剰電力をコンデンサに蓄積する。そして、負荷に供給する電力が増加した場合、コンデンサに蓄積された余剰電力を補助電力として負荷に供給する。その結果、負荷に供給する電力が変化しても、第1〜第3のブリッジ回路のスイッチをソフトスイッチングさせることができる。
特開2008−543271号公報
前述した電力コンバータは、負荷に供給する電力が変化しても、第1〜第3のブリッジ回路のスイッチをソフトスイッチングさせることができる。しかし、そのためには、余剰電力を蓄積しておくコンデンサが必要である。より多くの余剰電力を蓄積するためには、大容量のコンデンサが必要になる。その結果、電力コンバータの体格が大きくなってしまう。また、コストが増加してしまう。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、余剰電力を蓄積するための大容量のコンデンサを設けることなく、負荷に供給する電力が変化しても、ブリッジ回路のスイッチング素子をソフトスイッチングさせることができる電力変換装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するためになされた本発明は、4つのスイッチング素子によって構成され、直流端子と交流端子とを有し、直流端子が直流電源に接続される第1ブリッジ回路と、4つのスイッチング素子によって構成され、直流端子と交流端子とを有し、直流端子が負荷に接続される第2ブリッジ回路と、4つのスイッチング素子によって構成され、直流端子と交流端子とを有し、直流端子が第2ブリッジ回路の直流端子に接続される少なくとも1つの第3ブリッジ回路と、1次側端子と、第2ブリッジ回路及び第3ブリッジ回路に対応する数の2次側端子とを有し、1次側端子が第1ブリッジ回路の交流端子に、2次側端子が第2ブリッジ回路及び第3ブリッジ回路の交流端子にそれぞれ接続されるトランスと、第1ブリッジ回路の交流端子とトランスの1次側端子の間、第2ブリッジ回路の交流端子とトランスの2次側端子の間、及び、第3ブリッジ回路の交流端子とトランスの2次側端子の間の少なくともいずれかに接続されるリアクトルと、第1ブリッジ回路のスイッチング素子をスイッチングさせるとともに、第2ブリッジ回路のスイッチング素子を第1ブリッジ回路のスイッチング素子に対して位相差を設けてスイッチングさせ、直流電源から負荷に電力を供給する回路であって、負荷に供給する電力が低下してソフトスイッチングをさせることができない状態になった場合、第3ブリッジ回路のスイッチング素子を第1ブリッジ回路のスイッチング素子に対して位相差を設けてスイッチングさせ、第2ブリッジ回路から出力される電力の一部をトランスに帰還し、第2ブリッジ回路から出力される電力と第3ブリッジ回路によって帰還される電力との差分の電力を負荷に供給する制御回路と、を有する。
直流電源から第1ブリッジ回路、トランス及び第2ブリッジ回路を介して負荷に供給される電力が低下すると、第1ブリッジ回路及び第2ブリッジ回路のスイッチング素子をソフトスイッチングさせることができなくなる。しかし、この構成によれば、第3ブリッジ回路によって第2ブリッジ回路の出力電力の一部が帰還されるため、負荷に供給される電力を確保しようとすると、第1ブリッジ回路及びトランスを介して第2ブリッジ回路から出力される電力が、第3ブリッジ回路によって帰還される電力分だけ増加することになる。そのため、第1及び第2ブリッジ回路のスイッチング素子をソフトスイッチングさせることができる。また、第3ブリッジ回路によって帰還される電力量を調整することで、第3ブリッジ回路のスイッチング素子もソフトスイッチングさせることができる。従って、余剰電力を蓄積するための大容量のコンデンサを設けることなく、負荷に供給する電力が変化しても、ブリッジ回路のスイッチング素子をソフトスイッチングさせることができる。
第1実施形態における電力変換装置の回路図である。 電力変換装置の電力の供給状態を説明するための回路図である。 出力電力指令が大きい場合における電力変換装置の動作を説明するためのタイミングチャート及びトランス電流の波形図である。 出力電力指令が小さくなった場合における電力変換装置の動作を説明するためのタイミングチャート及びトランス電流の波形図である。 出力電力指令が小さくなった場合における電力変換装置の電力の供給状態を説明するための回路図である。 出力電力指令が大きくなり、低電圧バッテリに供給する電力が第2ブリッジ回路から出力される電力だけではまかなえない場合における電力変換装置の動作を説明するための回路図である。 変形形態における電力変換装置の回路図である。 第2実施形態における電力変換装置の回路図である。
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。本実施形態では、本発明に係る電力変換装置を、車両に搭載された高電圧バッテリから供給される直流を絶縁した状態で降圧し、同じく車両に搭載された低電圧バッテリに供給して、低電圧バッテリを充電する電力変換装置に適用した例を示す。
(第1実施形態)
まず、図1を参照して第1実施形態の電力変換装置の構成について説明する。
図1に示す電力変換装置1は、直流電源である高電圧バッテリB10から、負荷であり直流電源である低電圧バッテリB11に電力を供給し、低電圧バッテリB11を充電する装置である。電力変換装置1は、平滑コンデンサ100と、第1ブリッジ回路101と、リアクトル102、103と、トランス104、105と、第2ブリッジ回路106と、平滑コンデンサ107と、第3ブリッジ回路108と、平滑コンデンサ109と、電圧センサ110〜112と、電流センサ113〜115と、制御回路116とを備えている。
平滑コンデンサ100は、高電圧バッテリB10から供給される直流を平滑化する素子である。平滑コンデンサ100の一端は高電圧バッテリB10の正極端子に、他端は高電圧バッテリB10の負極端子にそれぞれ接続されている。
第1ブリッジ回路101は、制御回路116によって制御され、高電圧バッテリB10から供給される直流を交流に変換する回路である。第1ブリッジ回路101は、2つのスイッチング回路101a、101bと、直流端子101c、101dと、交流端子101e、101fを備えている。
スイッチング回路101a、101bは、スイッチングすることで直流を交流に変換する回路である。スイッチング回路101aは2つのFET101g、101hを、スイッチング回路101bは2つのFET101i、101jをそれぞれ備えている。
FET101g〜101jは、スイッチングすることで直流を交流に変換するスイッチング素子である。FET101g〜101jには、ダイオードが並列接続されている。また、図示は省略するが、寄生容量からなるコンデンサが並列接続されている。FET101g、101hは、直列接続されている。具体的には、FET101gのソースがFET101hのドレインに接続されている。FET101i、101jは直列接続されている。具体的には、FET101iのソースがFET101jのドレインに接続されている。
スイッチング回路101a、101bは並列接続されている。具体的には、FET101g、101iのドレインが共通接続されるとともに、FET101h、101jのソースが共通接続されている。共通接続されたFET101g、101iのドレインは直流端子101cを介して平滑コンデンサ100の一端に、共通接続されたFET101h、101jのソースは直流端子101dを介して平滑コンデンサ100の他端にそれぞれ接続されている。FET101g、101hの直列接続点は交流端子101eを介してリアクトル102に、FET101i、101jの直列接続点は交流端子101fを介してトランス104にそれぞれ接続されている。FET101g〜101jのゲートは、制御回路116にそれぞれ接続されている。
リアクトル102、103は、ソフトスイッチングのために必要される共振現象を発生させる素子である。リアクトル102の一端は第1ブリッジ回路101の交流端子101eに、他端はトランス104にそれぞれ接続されている。リアクトル103の一端は第1ブリッジ回路101の交流端子101eに、他端はトランス105にそれぞれ接続されている。
トランス104は、1次側から入力された交流を絶縁した状態で巻数比に応じた電圧に降圧して2次側から出力する素子である。トランス104は、1次巻線104aと、2次巻線104bと、1次側端子104c、104dと、2次側端子104e、104fとを備えている。
トランス105は、1次側から入力された交流を絶縁した状態で巻数比に応じた電圧に降圧して2次側から出力する素子である。また、2次側から入力された交流を絶縁した状態で巻数比に応じた電圧に昇圧して1次側から出力する素子でもある。トランス105は、トランス104と同一の素子である。トランス105は、1次巻線105aと、2次巻線105bと、1次側端子105c、105dと、2次側端子105e、105fとを備えている。
トランス104、105は、第2及び第3ブリッジ回路106、108に対応する数の2次側端子104e、104f、105e、105fを備えている。
トランス104の1次巻線104aの一端は1次側端子104cを介してリアクトル102の他端に、他端は1次側端子104dを介して第1ブリッジ回路101の交流端子101fにそれぞれ接続されている。2次巻線104bの一端及び他端は2次側端子104e、104fを介して第2ブリッジ回路106にそれぞれ接続されている。
トランス105の1次巻線105aの一端は1次側端子105cを介してリアクトル103の他端に、他端は1次側端子105dを介して第1ブリッジ回路101の交流端子101fにそれぞれ接続されている。2次巻線105bの一端及び他端は2次側端子105e、105fを介して第3ブリッジ回路108にそれぞれ接続されている。
第2ブリッジ回路106は、制御回路116によって制御され、トランス104から供給される交流を直流に変換する回路である。第2ブリッジ回路106は、2つのスイッチング回路106a、106bと、交流端子106c、106dと、直流端子106e、106fを備えている。
スイッチング回路106a、106bは、スイッチングすることで交流を直流に変換する回路である。スイッチング回路106aは2つのFET106g、106hを、スイッチング回路106bは2つのFET106i、106jをそれぞれ備えている。
FET106g〜106jは、スイッチングすることで交流を直流に変換するスイッチング素子である。FET106g〜106jには、ダイオードが並列接続されている。また、図示は省略するが、寄生容量からなるコンデンサが並列接続されている。FET106g、106hは、直列接続されている。具体的には、FET106gのソースがFET106hのドレインに接続されている。FET106i、106jは直列接続されている。具体的には、FET106iのソースがFET106jのドレインに接続されている。
スイッチング回路106a、106bは並列接続されている。具体的には、FET106g、106iのドレインが共通接続されるとともに、FET106h、106jのソースが共通接続されている。FET106g、106hの直列接続点は交流端子106cを介してトランス104の2次側端子104eに、FET106i、106jの直列接続点は交流端子106dを介してトランス104の2次側端子104fにそれぞれ接続されている。共通接続されたFET106g、106iのドレインは直流端子106eを介して、共通接続されたFET106h、106jのソースは直流端子106fを介して平滑コンデンサ107にそれぞれ接続されている。FET106g〜106jのゲートは、制御回路116にそれぞれ接続されている。
平滑コンデンサ107は、第2ブリッジ回路106から供給される直流を平滑化する素子である。平滑コンデンサ107の一端は、第2ブリッジ回路106の直流端子106eに接続されるとともに、低電圧バッテリB11の正極端子に接続されている。他端は、第2ブリッジ回路106の直流端子106fに接続されるとともに、低電圧バッテリB11の負極端子に接続されている。
第3ブリッジ回路108は、制御回路116によって制御され、第2ブリッジ回路106から出力される直流を交流に変換する回路である。また、トランス105から供給される交流を直流に変換する回路でもある。第3ブリッジ回路108は、2つのスイッチング回路108a、108bと、交流端子108c、108dと、直流端子108e、108fを備えている。
スイッチング回路108a、108bは、スイッチングすることで直流を交流に変換する回路である。また、スイッチングすることで交流を直流に変換する回路でもある。スイッチング回路108aは2つのFET108g、108hを、スイッチング回路108bは2つのFET108i、108jをそれぞれ備えている。
FET108g〜108jは、スイッチングすることで直流を交流に変換するスイッチング素子である。また、スイッチングすることで交流を直流に変換するスイッチング素子でもある。FET108g〜108jには、ダイオードが並列接続されている。また、図示は省略するが、寄生容量からなるコンデンサが並列接続されている。FET108g、108hは、直列接続されている。具体的には、FET108gのソースがFET108hのドレインに接続されている。FET108i、108jは直列接続されている。具体的には、FET108iのソースがFET108jのドレインに接続されている。
スイッチング回路108a、108bは並列接続されている。具体的には、FET108g、108iのドレインが共通接続されるとともに、FET108h、108jのソースが共通接続されている。FET108g、108hの直列接続点は交流端子108cを介してトランス105の2次側端子105eに、FET108i、108jの直列接続点は交流端子108dを介してトランス105の2次側端子105fにそれぞれ接続されている。共通接続されたFET108g、108iのドレインは直流端子108eを介して、共通接続されたFET108h、108jのソースは直流端子108fを介して平滑コンデンサ109にそれぞれ接続されている。FET108g〜108jのゲートは、制御回路116にそれぞれ接続されている。
平滑コンデンサ109は、第3ブリッジ回路108が第2ブリッジ回路106から出力される直流を交流に変換する場合、第2ブリッジ回路106から出力される直流を平滑化する素子である。また、第3ブリッジ回路108がトランス105から供給される交流を直流に変換する場合、第3ブリッジ回路108から供給される直流を平滑化する素子でもある。平滑コンデンサ109の一端は、第3ブリッジ回路108の直流端子108eに接続されるとともに、第2ブリッジ回路106の直流端子106eに接続されている。他端は、第3ブリッジ回路108の直流端子108fに接続されるとともに、第2ブリッジ回路106の直流端子106fに接続されている。
電圧センサ110は、第1ブリッジ回路101の入力電圧を検出し、検出結果を制御回路116に出力する素子である。電圧センサ110は、平滑コンデンサ100に並列接続されている。電圧センサ110の出力端は、制御回路116に接続されている。
電圧センサ111は、第2ブリッジ回路106の出力電圧を検出し、検出結果を制御回路116に出力する素子である。電圧センサ111は、平滑コンデンサ107に並列接続されている。電圧センサ111の出力端は、制御回路116に接続されている。
電圧センサ112は、第3ブリッジ回路108が第2ブリッジ回路106から出力される直流を交流に変換する場合、第3ブリッジ回路108の入力電圧を検出し、検出結果を制御回路116に出力する素子である。また、第3ブリッジ回路108がトランス105から供給される交流を直流に変換する場合、第3ブリッジ回路108の出力電圧を検出し、検出結果を制御回路116に出力する素子でもある。電圧センサ112は、平滑コンデンサ109に並列接続されている。電圧センサ112の出力端は、制御回路116に接続されている。
電流センサ113は、第1ブリッジ回路101の入力電流を検出し、検出結果を制御回路116に出力する素子である。電流センサ113は、第1ブリッジ回路101の直流端子101dと平滑コンデンサ100の他端を接続する配線に設けられている。電流センサ113の出力端は、制御回路116に接続されている。
電流センサ114は、第2ブリッジ回路106の出力電流を検出し、検出結果を制御回路116に出力する素子である。電流センサ114は、第2ブリッジ回路106の直流端子106fと平滑コンデンサ107の他端を接続する配線に設けられている。電流センサ114の出力端は、制御回路116に接続されている。
電流センサ115は、第3ブリッジ回路108が第2ブリッジ回路106から出力される直流を交流に変換する場合、第3ブリッジ回路108の入力電流を検出し、検出結果を制御回路116に出力する素子である。また、第3ブリッジ回路108がトランス105から供給される交流を直流に変換する場合、第3ブリッジ回路108の出力電流を検出し、検出結果を制御回路116に出力する素子でもある。電流センサ115は、第3ブリッジ回路108の直流端子108fと平滑コンデンサ109の他端を接続する配線に設けられている。電流センサ115の出力端は、制御回路116に接続されている。
制御回路116は、外部から入力される出力電力指令、電圧センサ110〜112及び電流センサ113〜115から入力される検出結果に基づいて、第1〜第3ブリッジ回路101、106、108を制御する回路である。
制御回路116は、第1ブリッジ回路101のFET101g〜101jをスイッチングさせるとともに、第2ブリッジ回路106のFET106g〜106jをFET101g〜101jに対して位相差を設けてスイッチングさせ、高電圧バッテリB10から第1ブリッジ回路101、トランス104及び第2ブリッジ回路106を介して低電圧バッテリB11に電力を供給する。
制御回路116は、トランス104、105に流れる電流に基づいて、ソフトスイッチングをさせることができる状態であるか否かを判断する。制御回路116は、出力電力指令が小さくなり、低電圧バッテリB11に供給する電力が低下してソフトスイッチングをさせることができない状態になった場合、第3ブリッジ回路108のFET108g〜108jを第1ブリッジ回路101のFET101g〜101jに対して位相差を設けてスイッチングさせ、第2ブリッジ回路106から出力される電力の一部をトランス105に帰還する。そして、第2ブリッジ回路106から出力される電力と第3ブリッジ回路108によって帰還される電力との差分の電力を低電圧バッテリB11に供給する。
制御回路116は、出力電力指令が大きくなり、低電圧バッテリB11に供給する電力が第2ブリッジ回路106から出力される電力だけではまかなえない場合、第3ブリッジ回路108のFET108g〜108jを第1ブリッジ回路101のFET101g〜101jに対して位相差を設けてスイッチングさせ、高電圧バッテリB10から第1ブリッジ回路101、トランス105及び第3ブリッジ回路108を介して低電圧バッテリB11に電力を供給する。
制御回路116は、FET101g〜101j、106g〜106j、108g〜108jのゲートにそれぞれ接続されている。また、電圧センサ110〜112及び電流センサ113〜115の出力端にそれぞれ接続されている。
次に、図1〜図6を参照して第1実施形態の電力変換装置の動作について説明する。
図1に示すように、制御回路116は、第1ブリッジ回路101のFET101g〜101jをスイッチングさせるとともに、第2ブリッジ回路106のFET106g〜106jをFET101g〜101jに対して位相差を設けてスイッチングさせ、図2に示すように、高電圧バッテリB10から第1ブリッジ回路101、トランス104及び第2ブリッジ回路106を介して低電圧バッテリB11に電力を供給する。
具体的には、図3に示すように、FET101gを周期T、デューティ50%でスイッチングさせるとともに、FET101hをFET101gに対して逆位相でスイッチングさせる。また、FET101jをFET101gと同様にスイッチングさせるとともに、FET101iをFET101jに対して逆位相でスイッチングさせる。
FET106gをFET101gに対して所定の位相差分だけ位相をシフトさせ、周期T、デューティ50%でスイッチングさせるとともに、FET106hをFET106gに対して逆位相でスイッチングさせる。また、FET106iをFET101g、106gに対してそれぞれ所定の位相差分だけ位相をシフトさせ、周期T、デューティ50%でスイッチングさせるとともに、FET106jをFET106iに対して逆位相でスイッチングさせる。
トランス104は、FET101g、101j、106h、106iがオン状態になることで励磁が開始される。つまり、第1ブリッジ回路101の直流端子101c、101dの入力電圧と第2ブリッジ回路106の直流端子106e、106fの出力電圧とを加算した電圧が印加されて励磁される。
図1に示す制御回路116は、低電圧バッテリB11に供給される電力が出力電力指令で指示された電力になるように、図3に示す位相差を調整する。その結果、図2に示すように、高電圧バッテリB10から、第1ブリッジ回路101、トランス104及び第2ブリッジ回路106を介して低電圧バッテリB11に出力電力指令で指示された電力が供給される。
出力電力指令が大きく、低電圧バッテリB11に供給する電力が大きい場合、図3に示すように位相差が制御され、FET101g〜101j、106g〜106jのスイッチング状態の切り替わるタイミングにおける1次巻線104aに流れるトランス電流の大きさが大きくなる。この場合、FET101g〜101j、106g〜106jは、ソフトスイッチングされる。しかし、出力電力指令が小さくなり、低電圧バッテリB11に供給する電力が低下した場合、図4に示すように、位相差が異なる状態に制御され、FET101g〜101j、106g〜106jのスイッチング状態の切り替わるタイミングにおける1次巻線104aに流れるトランス電流の大きさが小さくなる。この場合、FET101g〜101j、106g〜106jは、ソフトスイッチングされなくなる。従って、トランス電流に基づいて、ソフトスイッチングをさせることができる状態か否かを判断することができる。
図1に示す制御回路116は、電流センサ113の検出結果から1次巻線104aに流れるトランス電流を求める。そして、求めたトランス電流の大きさを、予め設定されている電流閾値と比較する。ここで、電流閾値は、ソフトスイッチングをさせることができる状態が否かを判断できる電流値に設定されている。
出力電力指令が小さくなり、低電圧バッテリB11に供給する電力が低下してソフトスイッチングをさせることができない状態になった場合、図4に示すように、FET101g〜101j、106g〜106jのスイッチング状態の切り替わるタイミングにおける1次巻線104aに流れるトランス電流の大きさが電流閾値より小さくなる。そのため、図1に示す制御回路116は、ソフトスイッチングをさせることができない状態であると判断する。ソフトスイッチングをさせることができない状態であると判断した場合、制御回路116は、第1ブリッジ回路101及び第2ブリッジ回路106に加え、第3ブリッジ回路108も動作させる。
制御回路116は、第3ブリッジ回路108のFET108g〜108jを第1ブリッジ回路101のFET101g〜101jに対して位相差を設けてスイッチングさせ、図5に示すように、第2ブリッジ回路106から出力される電力の一部をトランス105に帰還する。そして、第2ブリッジ回路106から出力される電力と第3ブリッジ回路108によって帰還される電力との差分の電力を低電圧バッテリB11に供給する。
具体的には、図1に示すFET108gをFET101gに対して所定の位相差分だけ位相をシフトさせ、周期T、デューティ50%でスイッチングするとともに、FET108hをFET108gに対して逆位相でスイッチングさせる。また、FET108iをFET101g、108gに対してそれぞれ所定の位相差分だけ位相をソフトスイッチングさせ、周期T、デューティ50%でスイッチングさせるともに、FET108jをFET108iに対して逆位相でスイッチングさせる。そして、第2ブリッジ回路106から出力される電力の一部をトランス105に帰還するように位相差を調整する。
第3ブリッジ回路108によって第2ブリッジ回路106の出力電力の一部が帰還されるため、低電圧バッテリB11に供給される電力を出力電力指令で指示された電力にしようとすると、第2ブリッジ回路106の出力電力が第3ブリッジ回路108によって帰還される電力分だけ増加することになる。そのため、第1及び第2ブリッジ回路101、106のFET101g〜101j、106g〜106jをソフトスイッチングさせることができる。また、第3ブリッジ回路108によって帰還される電力量を調整することで、第3ブリッジ回路108のFET108g〜108jもソフトスイッチングさせることができる。
出力電力指令が大きくなり、低電圧バッテリB11に供給する電力が第2ブリッジ回路106から出力される電力だけではまかなえない場合、制御回路116は、第1ブリッジ回路101及び第2ブリッジ回路106に加え、第3ブリッジ回路108も動作させる。
制御回路116は、第3ブリッジ回路108のFET108g〜108jを第1ブリッジ回路101のFET101g〜101jに対して位相差を設けてスイッチングさせ、図6に示すように、高電圧バッテリB10から第1ブリッジ回路101、トランス105及び第3ブリッジ回路108を介して低電圧バッテリB11に電力を供給する。
具体的には、図1に示すFET108gをFET101gに対して所定の位相差分だけ位相をシフトさせ、周期T、デューティ50%でスイッチングするとともに、FET108hをFET108gに対して逆位相でスイッチングさせる。また、FET108iをFET101g、108gに対してそれぞれ所定の位相差分だけ位相をソフトスイッチングさせ、周期T、デューティ50%でスイッチングさせるともに、FET108jをFET108iに対して逆位相でスイッチングさせる。そして、低電圧バッテリB11に供給される電力が出力電力指令で指示された電力になるように第1〜第3ブリッジ回路101、106、108における位相差を調整する。その際、第2ブリッジ回路106を介して低電圧バッテリB11に供給される電力量と、第3ブリッジ回路108を介して低電圧バッテリB11に供給される電力量を調整することで、FET101g〜101j、106g〜106j、108g〜108jをソフトスイッチングさせることができる。
次に、第1実施形態の電力変換装置の効果について説明する。
制御回路116は、第1ブリッジ回路101のFET101g〜101jをスイッチングさせるとともに、第2ブリッジ回路106のFET106g〜106jをFET101g〜101jに対して位相差を設けてスイッチングさせ、高電圧バッテリB10から低電圧バッテリB11に電力を供給する。低電圧バッテリB11に供給する電力が低下してソフトスイッチングをさせることができない状態になった場合、制御回路116は、第3ブリッジ回路108のFET108g〜108jをFET101g〜101jに対して位相差を設けてスイッチングさせ、第2ブリッジ回路106から出力される電力の一部をトランス105に帰還する。そして、第2ブリッジ回路106から出力される電力と第3ブリッジ回路108によって帰還される電力との差分の電力を低電圧バッテリB11に供給する。
高電圧バッテリB10から第1ブリッジ回路101、トランス104及び第2ブリッジ回路106を介して低電圧バッテリB11に供給される電力が低下すると、第1ブリッジ回路101及び第2ブリッジ回路106のFET101g〜101j、106g〜106jをソフトスイッチングさせることができなくなる。しかし、第1実施形態によれば、第3ブリッジ回路108によって第2ブリッジ回路106の出力電力の一部が帰還されるため、低電圧バッテリB11に供給される電力を確保しようとすると、第1ブリッジ回路101及びトランス104を介して第2ブリッジ回路106から出力される電力が第3ブリッジ回路108によって帰還される電力分だけ増加することになる。そのため、第1及び第2ブリッジ回路101、106のFET101g〜101j、106g〜106jをソフトスイッチングさせることができる。また、第3ブリッジ回路108によって帰還される電力量を調整することで、第3ブリッジ回路108のFET108g〜108jもソフトスイッチングさせることができる。従って、余剰電力を蓄積するための大容量のコンデンサを設けることなく、低電圧バッテリB11に供給する電力が変化しても、第1〜第3ブリッジ回路101、106、108のFET101g〜101j、106g〜106j、108g〜108jをソフトスイッチングさせることができる。
第1実施形態によれば、制御回路116は、低電圧バッテリB11に供給する電力が大きくて第2ブリッジ回路106から出力される電力だけではまかなえない場合、第3ブリッジ回路108のFET108g〜108jを第1ブリッジ回路101のFET101g〜101jに対して位相差を設けてスイッチングさせ、高電圧バッテリB10から低電圧バッテリB11に電力を供給する。そのため、より多くの電力を低電圧バッテリB11に供給することができる。
ソフトスイッチングさせることができる状態であるか否かは、トランス電流の大きさに依存する。第1実施形態によれば、制御回路116は、トランスに流れる電流に基づいて、ソフトスイッチングをさせることができる状態であるか否かを判断する。そのため、ソフトスイッチングさせることができる状態であるか否かを確実に判断することができる。
第1実施形態によれば、制御回路116は、スイッチング回路106aのFET106g、106hをスイッチング回路106bのFET106i、106jに対して位相差を設けてスイッチングさせる。また、スイッチング回路108aのFET108g、108hをスイッチング回路108bのFET108i、108jに対して位相差を設けてスイッチングさせる。そのため、低電圧バッテリB11に供給する電力が変化しても、ソフトスイッチングさせることができる。ソフトスイッチングさせることができる範囲をより広げることができる。
第1実施形態によれば、トランス104は、第1ブリッジ回路101の直流端子101c、101dの入力電圧と第2ブリッジ回路106の直流端子106e、106fの出力電圧とを加算した電圧が印加されて励磁される。そのため、そのように励磁されるトランスを備えた電力変換装置1においても、余剰電力を蓄積するための大容量のコンデンサを設けることなく、低電圧バッテリB11に供給する電力が変化しても、第1〜第3ブリッジ回路101、106、108のFET101g〜101j、106g〜106j、108g〜108jをソフトスイッチングさせることができる。
なお、第1実施形態では、電力変換装置1が、1次巻線104a及び2次巻線104bを有するトランス104と、1次巻線105a及び2次巻線105bを有するトランス105とを備えている例を挙げているが、これに限られるものではない。図7に示すように、1次巻線117a及び2次巻線117b、117cを有すトランス117を用いてもよい。1次巻線117aの1次側端子117d、117eをリアクトル102の他端及び第1ブリッジ回路101の交流端子101fに、2次巻線117bの2次側端子117f、117gを第2ブリッジ回路106の交流端子106c、106dに、2次巻線117cの2次側端子117h、117iを第3ブリッジ回路108の交流端子108c、108dにそれぞれ接続すればよい。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態の電力変換装置について説明する。第2実施形態の電力変換装置は、第1実施形態の電力変換装置に対して、リアクトル、トランス、第3ブリッジ回路、電圧センサ及び電流センサを追加するとともに、それらの追加に伴って制御回路の動作を変更したものである。
電力変換装置2は、平滑コンデンサ100と、第1ブリッジ回路101と、リアクトル102、103、118と、トランス104、105、119と、第2ブリッジ回路106と、平滑コンデンサ107と、第3ブリッジ回路108、120と、平滑コンデンサ109、121と、電圧センサ110〜112、122と、電流センサ113〜115、123と、制御回路124とを備えている。平滑コンデンサ100、第1ブリッジ回路101、リアクトル102、103、トランス104、105、第2ブリッジ回路106、平滑コンデンサ107、第3ブリッジ回路108、平滑コンデンサ109、電圧センサ110〜112及び電流センサ113〜115は、第1実施形態と同一のものであり、第1実施形態と同様に構成されている。
リアクトル118、トランス119、第3ブリッジ回路120、平滑コンデンサ121、電圧センサ122及び電流センサ123は、第1実施形態のリアクトル103、トランス105、第3ブリッジ回路108、平滑コンデンサ109、電圧センサ112及び電流センサ115と同一機能のものである。
トランス104、105、119は、第2及び第3ブリッジ回路106、108、119に対応する数の2次側端子104e、104f、105e、105f、119e、119fを備えている。
第3ブリッジ回路120は、2つのスイッチング回路120a、120bと、交流端子120c、120dと、直流端子120e、120fを備えている。スイッチング回路120aは2つのFET120g、120hを、スイッチング回路120bは2つのFET120i、120jをそれぞれ備えている。第3ブリッジ回路120は、第1実施形態の第3ブリッジ回路108と同様に構成されている。
リアクトル118の一端は第1ブリッジ回路101の交流端子101eに接続されている。トランス119の1次側端子119cはリアクトル118の他端に、1次側端子119dは第1ブリッジ回路101の交流端子101fにそれぞれ接続されている。2次側端子119eは第3ブリッジ回路120の交流端子120cに、2次側端子119fは第3ブリッジ回路120の交流端子120dにそれぞれ接続されている。第3ブリッジ回路120の直流端子120eは平滑コンデンサ121の一端及び第2ブリッジ回路106の直流端子106eに、直流端子120fは平滑コンデンサ121の他端及び第2ブリッジ回路106の直流端子106fにそれぞれ接続されている。FET120g〜120jのゲートは、制御回路124にそれぞれ接続されている。電圧センサ122は、平滑コンデンサ121に並列接続されている。電圧センサ122の出力端は、制御回路124に接続されている。電流センサ123は、第3ブリッジ回路120の直流端子120fと平滑コンデンサ121の他端を接続する配線に設けられている。電流センサ123の出力端は、制御回路124に接続されている。
次に、図8を参照して第2実施形態の電力変換装置の動作について説明する。
図8に示すように、制御回路124は、第1実施形態の制御回路116と同様に、第1ブリッジ回路101のFETをスイッチングさせるとともに、第2ブリッジ回路106のFETを第1ブリッジ回路101のFETに対して位相差を設けてスイッチングさせ、高電圧バッテリB10から第1ブリッジ回路101、トランス104及び第2ブリッジ回路106を介して低電圧バッテリB11に電力を供給する。
出力電力指令が小さくなり、低電圧バッテリB11に供給する電力が低下してソフトスイッチングをさせることができない状態になった場合、制御回路124は、第1実施形態の制御回路116と同様に、第3ブリッジ回路108、120によって第2ブリッジ回路106から出力される電力の一部をトランス105、119に帰還する。そして、第2ブリッジ回路106から出力される電力と第3ブリッジ回路108、120によって帰還される電力との差分の電力を低電圧バッテリB11に供給する。その際、第3ブリッジ回路108だけを動作させ、第2ブリッジ回路106から出力される電力の一部をトランス105に帰還してもよい。第3ブリッジ回路120だけを動作させ、第2ブリッジ回路106から出力される電力の一部をトランス119に帰還してもよい。第3ブリッジ回路108、120をともに動作させ、第2ブリッジ回路106から出力される電力の一部をトランス105、119に帰還してもよい。また、第3ブリッジ回路108、120のうち一方の回路によって低電圧バッテリB11に電力を供給し、他方の回路によって第2ブリッジ回路106から出力される電力の一部をトランスに帰還し、第3ブリッジ回路108、120として第2ブリッジ回路106から出力される電力の一部がトランスに帰還されるようにしてもよい。
第3ブリッジ回路108、120によって第2ブリッジ回路106の出力電力の一部が帰還されるため、低電圧バッテリB11に供給される電力を出力電力指令で指示された電力にしようとすると、第2ブリッジ回路106の出力電力が第3ブリッジ回路108、120によって帰還される電力分だけ増加することになる。そのため、第1実施形態の場合と同様に、第1及び第2ブリッジ回路101、106のFETをソフトスイッチングさせることができる。また、第3ブリッジ回路108、120によって帰還される電力量等を調整することで、第3ブリッジ回路108、120のFETもソフトスイッチングさせることができる。
出力電力指令が大きくなり、低電圧バッテリB11に供給する電力が第2ブリッジ回路106から出力される電力だけではまかなえない場合、制御回路124は、第1実施形態の制御回路116と同様に、第1ブリッジ回路101及び第2ブリッジ回路106に加え、第3ブリッジ回路108、120の少なくともいずれかを動作させる。そして、第3ブリッジ回路108、120の少なくともいずれかを介して低電圧バッテリB11に電力を供給する。その際、第2ブリッジ回路106を介して低電圧バッテリB11に供給される電力量と、第3ブリッジ回路108、120を介して低電圧バッテリB11に供給される電力量を調整することで、全てのFETをソフトスイッチングさせることができる。
なお、第1実施形態では、電力変換装置1が1つの第3ブリッジ回路108を、第2実施形態では、電力変換装置2が2つの第3ブリッジ回路108、120を有する例を挙げているが、これに限られるものではない。電力変換装置は、少なくとも1つの第3ブリッジ回路を有していればよい。
第1実施形態では、リアクトル102、103が第1ブリッジ回路101とトランス104、105の間に、第2実施形態では、リアクトル102、103、118が第1ブリッジ回路101とトランス104、105、119の間に接続されている例を挙げているが、これに限られるものではない。リアクトルは、第1ブリッジ回路の交流端子とトランスの1次側端子の間、第2ブリッジ回路の交流端子とトランスの2次側端子の間、及び、第3ブリッジ回路の交流端子とトランスの2次側端子の間の少なくともいずれかに接続されていればよい。また、リアクトルは、トランスの漏れインダクタンスで構成されていてもよい。
1・・・電力変換装置、101・・・第1ブリッジ回路、101g〜101j・・・FET、102、103・・・リアクトル、104、105・・・トランス、106・・・第2ブリッジ回路、106g〜106j・・・FET、108・・・第3ブリッジ回路、108g〜108j・・・FET、116・・・制御回路

Claims (5)

  1. 4つのスイッチング素子によって構成され、直流端子と交流端子とを有し、直流端子が直流電源に接続される第1ブリッジ回路(101)と、
    4つのスイッチング素子によって構成され、直流端子と交流端子とを有し、直流端子が負荷に接続される第2ブリッジ回路(106)と、
    4つのスイッチング素子によって構成され、直流端子と交流端子とを有し、直流端子が前記第2ブリッジ回路の直流端子に接続される少なくとも1つの第3ブリッジ回路(108、120)と、
    1次側端子と、前記第2ブリッジ回路及び前記第3ブリッジ回路に対応する数の2次側端子とを有し、1次側端子が前記第1ブリッジ回路の交流端子に、2次側端子が前記第2ブリッジ回路及び前記第3ブリッジ回路の交流端子にそれぞれ接続されるトランス(104、105、117、119)と、
    前記第1ブリッジ回路の交流端子と前記トランスの1次側端子の間、前記第2ブリッジ回路の交流端子と前記トランスの2次側端子の間、及び、前記第3ブリッジ回路の交流端子と前記トランスの2次側端子の間の少なくともいずれかに接続されるリアクトル(102、103、118)と、
    前記第1ブリッジ回路のスイッチング素子をスイッチングさせるとともに、前記第2ブリッジ回路のスイッチング素子を前記第1ブリッジ回路のスイッチング素子に対して位相差を設けてスイッチングさせ、前記直流電源から前記負荷に電力を供給する回路であって、前記負荷に供給する電力が低下してソフトスイッチングをさせることができない状態になった場合、前記第3ブリッジ回路のスイッチング素子を前記第1ブリッジ回路のスイッチング素子に対して位相差を設けてスイッチングさせ、前記第2ブリッジ回路から出力される電力の一部を前記トランスに帰還し、前記第2ブリッジ回路から出力される電力と前記第3ブリッジ回路によって帰還される電力との差分の電力を前記負荷に供給する制御回路(116、124)と、
    を有する電力変換装置。
  2. 前記制御回路は、前記負荷に供給する電力が大きくて前記第2ブリッジ回路から出力される電力だけではまかなえない場合、前記第3ブリッジ回路のスイッチング素子を前記第1ブリッジ回路のスイッチング素子に対して位相差を設けてスイッチングさせ前記直流電源から前記負荷に電力を供給する請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 前記制御回路は、前記トランスに流れる電流に基づいて、ソフトスイッチングをさせることができる状態であるか否かを判断する請求項1又は2に記載の電力変換装置。
  4. 前記第2ブリッジ回路及び前記第3ブリッジ回路は、直列接続された2つのスイッチング素子からなるスイッチング回路(106a、106b、108a、108b、120a、120b)を2つ並列接続して構成され、
    前記制御回路は、前記第2ブリッジ回路及び前記第3ブリッジ回路のスイッチング素子のうち、一方の前記スイッチング回路のスイッチング素子を他方の前記スイッチング回路のスイッチング素子に対して位相差を設けてスイッチングさせる請求項1〜3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
  5. 前記トランスは、前記第1ブリッジ回路の直流端子の入力電圧と前記第2ブリッジ回路の直流端子の出力電圧とを加算した電圧が印加されて励磁される請求項1〜4のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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